книги из ГПНТБ / Кучко А.С. Аэрофотография. Основы и метрология

Так как остаточная расфокусировка не может быть компен­ сирована путем смещения плоскости изображения, то ее влияние может быть исключено при расчете объектива совместно с вырав­ нивающим стеклом.

Из формулы (146) следует, что осевой сдвиг изображения зави­ сит от показателя преломления, а следовательно, от длины волны света. Для оценки этого влияния выразим хроматическую аберра­ цию положения плоскопараллельной пластины Дf' х через смеще­

ние А/' для линии D (желтые лучи), для чего в формуле (80) при­ мем n c/B= n D, па— Пб=Ап\ тогда, приняв во внимание равенство (146), получим

Если пс = 1,5, коэффициент дисперсии [7, с. 163] v = 20, то

Таким образом, хроматическая аберрация положения, вносимая плоскопараллельным выравнивающим стеклом, пренебрегаемо мала по сравнению с осевым сдвигом изображения.

2. Нарушение ортоскопии изображения («дисторсия» выравнивающего стекла)

Для оценки «дисторсии» выравнивающего стекла рассмотрим:

1) смещение изображения точек для плоскопараллельной пла­ стины;

2) влияние клиновидности и кривизны поверхностей выравни­ вающего стекла;

3 )влияние прогиба выравнивающего стекла.

Если выравнивающее стекло — плоскопараллельная пластина, а его влияние на резкость учтено перефокусировкой объектива (см. равенство (146)), смещения бс точек изображения с их истинного положения, соответствующего центральной проекции, определяются

возрастать с увеличением толщины выравнивающего стекла dc и угла падения ср.

симые выравнивающим стеклом, даже для нормальноугольных аэро­

100

фотообъективов весьма существенны и учитываются при расчете то­ пографических аэрофотоаппаратов.

Влияние выравнивающего стекла на качество изображения при­ обретает более сложный характер, когда стекло является не плос­ ко-параллельной пластиной, а клином.

Клиновидность стекла оценивается величиной угла 0, образован­ ного двумя преломляющими плоскими поверхностями.

Влияние клиновидности выравнивающего стекла, входящего в оптическую систему аэрофотоаппарата, на координаты точек снимка выражается сложными зависимостями. Для установления требований к допустимой клиновидности выравнивающего стекла воспользуемся известной в оптике формулой, определяющей откло­ нение и" луча клином для случая, когда угол 0 мал [7, с. 74].

051)

где пс— коэффициент преломления стекла; Ф и ф ' — соответственно угол падения и угол преломления.

Отсюда, выразив дисторсию, вносимую выравнивающим стек­ лом, в линейной мере бк для точек на краю поля изображения, на­

Как видно, высокие требования к ортоскопичности изображения обусловливают необходимость строгого соблюдения параллельности поверхностей выравнивающего стекла.

Исследования показывают, что в первом приближении угол по­ ворота луча v" зависит лишь от угла падения луча на входную грань и не зависит от ориентировки плоскости падения к главному сече­ нию клина. Причем при 0< 3" влияние ориентировки на величину

Откуда, задаваясь допустимым значением дисторсии, можно установить требования к допустимой кривизне выравнивающего сте­ кла. Если, например, р=45°, dc = 5 мм, бг = 5 мкм, /' = 100 мм, то

2,5 • 105 мм.

101

Влияние прогиба и деформации выравнивающего стекла на ортоскопию изображения состоит в следующем: если выравниваю­ щее стекло прогибается как равномерно нагруженная упругая пла­ стина, опирающаяся по периметру, то стрела прогиба Двс стекла в центре ориентировочно может быть подсчитана по формуле [41]

где Кс — коэффициент, зависящий от соотношения длины и ширины стекла, для квадратных стекол /Сс= 0,044;

Др — нагрузка (давление), стремящаяся прогнуть стекло в цен­ тре, для выравнивающих стекол в АФА Др = 103 Н/м2;

Ем — модуль упругости стекла, для оптических стекол £ М~8Х

ХЮ10 Н/м2; /0 — длина стекла;

dc — толщина стекла.

Если Д р= 103 Н/м2, (ic= 5 мм, /с= 18 см, Кс = 0,044, то Двс~ 4 мкм.

Экспериментальные определения величины стрелы прогиба вы­ равнивающего стекла в АФА дают различные значения Д в с . Так,

вания показали [59], что величина стрелы прогиба выравнивающего стекла толщиной 5 мм, размером 18Х 18 см как без нагрузки (в сво­ бодном состоянии), так и при нагрузке сильно колеблется, достигая весьма значительных величин; кроме того, отмечается наличие мест­ ных деформаций выравнивающего стекла, нарушающих его плоско­ стность до 2—5 мкм в пределах квадрата 25x25 мм, в отдельных случаях местные деформации достигают величин 10—15 мкм. Сме­ щение бс точки изображения, обусловленное деформацией выравни­ вающего стекла, может быть вычислено по формуле (см. рис. 56)

где Д '— отступление рабочей поверхности выравнивающего стекла от плоскости;

W — угол, составленный направлением луча, стр-оящим изобра­ жение точки, с главной оптической осью.

Так, если Д' = 15 мкм, 1К = р = 60°, то б с, т а х = 2 мм, что весьма существенно.

Если поставить условие, чтобы на краю кадра смещение бс^ ^ 2 мкм, что необходимо для полного использования точности сов­ ременных стереокомпараторов, то для (3=60° получим Д '^ 1 мкм.

Как видно, выравнивающее стекло в отношении плоскостности должно удовлетворять чрезвычайно высоким требованиям.

Многие выравнивающие стекла в серийно выпускающих аэрофо­ тоаппаратах не вносят искажений 6С, превышающих 2—2,5 мкм, только в центральной части кадра, в пределах площади круга с ра­

102

диусом 20—25 мм. На остальной площади кадра искажения изо­ бражения оказываются значительно больше и могут достигать 30 мкм. Одним из путей уменьшения прогиба и деформаций вырав­ нивающего стекла является увеличение его толщины до 10—15 мм

[59] (см. формулу (154)).

3. В л и ян и е в ы р ав н и в а ю щ его с т е к л а н а о с ве щ е н н о сть и з о б р а ж е н и я

При прохождении лучей через стеклянную пластину происходит потеря световой энергии на отражение в преломляющих плоскостях и на поглощение света в массе стекла. Величина потерь световой энергии — функция показателя преломления стекла, коэффициента поглощения стекла, толщины стекла и угла падения лучей.

Коэффициент прозрачности стекла, применяемого для выравни­ вания аэрофотопленки в аэрофотоаппаратах, достаточно велик —

98—99,5%.

Кроме потерь света, стеклянная пластина вносит некоторую до­ полнительную, хотя и незначительную, неравномерность освещения по полю изображения, а также в отдельных случаях она может быть источником появления рефлексов. Однако малая яркость первич­ ного рефлекса практически не вызывает появления вторичного изо­ бражения; только при очень больших яркостях объектов (блики и т. п.) может появиться вторичное изображение, которое вызовет локальную нерезкость.

§22. Защитные стекла (иллюминаторы)

иих влияние на качество изображения

тельно носителя) среды. На внутренней и наружной поверхностях защитного стекла возникает разность температур и давления воз­ духа. Кроме того, большая теплопроводность металлической оправы иллюминатора по сравнению с теплопроводностью стекла приводит к появлению температурных градиентов, которые распределены бо­ лее или менее симметрично относительно оптической оси.

В результате появления разности температур и давления воздуха защитное стекло перестает быть параллельным, оно прогибается, возникают кривизна и клиновидность, фронт световой волны дефор­ мируется, происходит отклонение луча со своего первоначального направления. Эти явления вызывают расфокусировку аэрофотоап­ парата и искажают ортоскопию изображения.

Возможная расфокусировка Aft,и, обусловленная непостоянст­

103

Если, например, для стекла ЛК6 ео=1,31 мкм, то Д/<,и = = 0,26 мм.

Требования к предельным значениям кривизны ги, фокусности fn и клиновидности 0Изащитного стекла устанавливаются, исходя из допустимых величин дисторсии изображения 6И,г, би,/, 6„,к [70]

где 5 В— расстояние от защитного стекла до входного зрачка аэро­ фотообъектива;

пс — коэффициент преломления стекла.

Если, например, 6И,г= би,/= би,к = 2 мкм, dc = 5 мм, f ' = S B= = 100 мм, <р = р=45°, лс= 1,45, то параметры защитного стекла дол­ жны соответствовать следующим значениям: г„^2,5-105 мм; /и^ ^ 1 ,6 - 105; 0И^1,4". Как видно, ортоскопия аэроснимка может быть сохранена только при высоком качестве защитных стекол-иллюми­ наторов.

§ 23. Аэрофотосъемочные светофильтры

1. Х а р ак т ер и ст и к и с в е т о ф и л ь т р о в

С в е т о ф и л ь т р о м называется ограниченный в пространстве слой среды, обладающий общим или чаще всего спектрально-изби­ рательным поглощением (пропускани­

104

Э ф ф е к т и в н ы м к о э ф ф и ц и е н т о м п р о п у с к а н и я с в е ­ т о ф и л ь т р а 7ф,Эф называется интегральное значение коэффици­ ента пропускания Гф, %, определенное с учетом спектральной чувст­ вительности приемника излучения 5 (Я), т. е.

Х2

f E ( \ ) S { 1 ) Гф ( Х) dk

J E ( \ ) S ( l ) d \

х,

где Е(К) — спектральная характеристика источника излучения, по­ ток которого падает на светофильтр.

Числитель равенства (160) выражает поток, прошедший через светофильтр и воспринятый приемником, а знаменатель — весь по­ ток, который мог быть воспринят приемником, если бы светофильтр отсутствовал; Xi и К2определяют спектральную область.

К р а т н о с т ь ю с в е т о ф и л ь т р а называется величина, по­ казывающая, во сколько раз уменьшается чувствительность 5ф при­ емника излучения при использовании светофильтра по сравнению с чувствительностью 5 этого приемника к данному излучению без светофильтра, т. е.

Так как спектральная чувствительность приемников зависит от длины волны, то кратность светофильтра есть спектральная функ­ ция от длины волны —q(K).

На основании определения кратности светофильтра можно на­ писать другое выражение, которым будем пользоваться в последую­ щем (см. раздел III),

где ^ф и t — оптимальные выдержки соответственно при фотографи­ ровании со светофильтром и без светофильтра.

Таким образом, кратность светофильтра есть число, показываю­ щее, во сколько раз при фотографировании со светофильтром тре­ буется увеличить выдержку для получения такого же эффекта, как и при фотографировании без светофильтра.

Кроме того, светофильтры, как и защитные стекла, характери­ зуются кривизной, фокусностью и клиновидностью; допустимые ве­ личины этих параметров устанавливаются формулами (157) — (159).

2. Т ипы с в е т о ф и л ь т р о в

Фотографические светофильтры классифицируются по назначе­ нию, материалу, из которого они изготовлены, и характеру погло­ щения (пропускания).

105

По назначению различают светофильтры съемочные, которые применяются при фотографировании, коррекционные для цветной печати, лабораторные для фонарей и светофильтры приборов.

По материалу, из которого изготовлены светофильтры, их делят на абсорбционные и интерференционные.

Абсорбционные светофильтры содержат светопоглощающее ве­ щество; это в большинстве случаев стеклянные и желатиновые све­ тофильтры.

Интерференционные светофильтры отличаются от абсорбцион­ ных тем, что их действие основано не на поглощении лучистой энер­ гии светопоглощающим веществом светофильтра, а используется явление интерференции света. Интерференционные светофильтры представляют собой диэлектрические пленки, полученные напыле­ нием в вакууме, оптическая толщина которых составляет целое чи­ сло, кратное половине длины волны света, пропускаемого данным светофильтром. Граничные поверхности этих диэлектрических пле­ нок покрыты тонкими полупрозрачными металлическими слоями для повышения отражения света.

Интерференционные светофильтры характеризуются: длиной

волны Хщах, при которой обеспечивается максимальное пропускание Тф, max, величиной ЭТОГО ПрОПуСКЭНИЯ Тф1щах, разностями длин волн

6\i и 6Я,2, при которых пропускание светофильтра составляет соот­

ветственно Vю и ‘/г от максимального значения 7ф, тах.

Так как действие металлизированных интерференционных све­ тофильтров основано на интерференции света, то, очевидно, пара­ метры светофильтра зависят от угла падения света на светофильтр; если светофильтр наклонен, то Хтах смещается в сторону коротких волн. Кроме способности выделять очень узкие спектральные интер­ валы, преимущество интерференционных светофильтров перед абсорбционными в том, что они могут быть изготовлены для таких участков спектра, где подбор абсорбционных светофильтров невоз­ можен, например для ультрафиолетовой и инфракрасной зон спек­ тра. В настоящее время имеется большой ассортимент интерферен­ ционных светофильтров, область пропускания которых 8Ki ограни­ чивается интервалом 0,001—0,02 мкм, Гф, max в зависимости от схемы устройства может быть 25% и более.

По характеру поглощения (пропускания) различают светофиль­ тры монохроматические, компенсационные, контрастирующие (без оттенителя и с оттенителем), селективные, выделяющие и нейт­ рально серые.

Монохроматические светофильтры (рис. 55, а) обладают способ­ ностью выделять из спектра очень узкую часть (кривые 1—5 пост­ роены для различных светофильтров), составляющую сотые доли микрометра; такие светофильтры используются чаще всего при раз­ личного рода исследованиях; по материалу изготовления они отно­ сятся к интерференционным светофильтрам.

Селективные светофильтры (рис. 55,6) характеризуются сравни­ тельно широкой зоной пропускания (АА. ~ 0,1 мкм); они применяются

106

в цветной фотографии в качестве аддитивных светофильтров и при изготовлении лабораторных светофильтров для защитных фонарей; на рис. 55, б кривые /, 2 и 3 построены соответственно для синего, зеленого и красного светофильтров.

Компенсационные светофильтры (рис. 55, в, кривая 1) не дают полного поглощения ни в одной из частей видимой зоны спектра; они характеризуются широкой зоной пропускания, сильнее погло­

ные в зоне от 0,7 до 0,8 мкм; на рис. 55, г кривые 1, 2 и 3 построены соответственно для желтого, пурпурного и голубого светофильтров.

Нейтрально серые светофильтры ослабляют равномерно интен­ сивность лучистого потока без изменения его спектрального состава, т. е. Гф, x = c o n s t . в фотографической практике применяются ней­ трально серые светофильтры двух видов: нейтрально серые свето­ фильтры для уменьшения освещенности изображения и поляриза­ ционные светофильтры.

Поляризационные светофильтры служат для устранения отра­ жений и рефлексов, образующихся на неметаллических отражаю­ щих поверхностях (воде, стекле и т. п.); они могут быть применены для ослабления влияния воздушной дымки, однако при этом плос­ кость поляризации должна занимать определенное положение по

107

отношению к направлению падающего света, положение, при кото­ ром происходит максимальное поглощение блика. Применение поля­ ризационных светофильтров в аэрофотографии ограничивается тем, что они имеют большую кратность (<7 ф , п = 3 — 4 ) и их необходимо вращать для нахождения оптимального положения, что в полете делать весьма затруднительно.

Нашей промышленностью выпускается большой ассортимент фо­ тографических светофильтров [23, 24, 54, 91], например, желтых ЖС-18, оранжевых ОС-14, красных КС-14 и др.

Г л а в а V

ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО ИЗОБРАЖЕНИЯ НЕПЛОСКОСТНОСТИ АЭРОФОТОПЛЕНКИ И ПЕРЕМЕЩЕНИИ

АЭРОФОТОКАМЕРЫ ПРИ АЭРОФОТОГРАФИРОВАНИИ

§ 24. Влияние неплоскостности аэрофотопленки

Несовпадение эмульсионного слоя аэрофотопленки с плоскостью прикладной рамки съемочной камеры, т. е. неплоскостность аэрофо­ топленки при ее экспонировании, обусловленная неточным вырав­ ниванием, ухудшает измеритель­

пленки в точке а от плоскости.

108

Если пленка выровнена, то Дв = 0, и точка А изобразится в точке а0, являющейся пересечением проектирующего луча с плоскостью Р. Обозначим о а ^ о а ' ~ г и оа0 = г0. Смещение ба точки со своего ис­ тинного положения, обусловленное несовпадением поверхности эмульсионного слоя аэропленки с плоскостью прикладной рамки Р,

Отсюда устанавливаются требования к допустимой величине невыравнивания аэрофотопленки Дв,доп в зависимости от допустимой величины нарушения ортоскопии бв, доп на краю кадра (И7' = Р)

Если положить, что бв, доп = 5 мкм, то для широкоугольных аэро­ фотоаппаратов, когда р=60°, будем иметь Дв,доп = 2—3 мкм.

Для оценки влияния невыравнивания аэрофотопленки на изо­ бразительные свойства аэроснимка используем равенство (76). По­ ложив Д/ = Дв, получим формулу, позволяющую подсчитывать допу­ стимую величину невыравнивания аэропленки Дв,доп, исходя из до­ пустимой нерезкости изображения ов, доп

Если потребовать, чтобы нерезкость ав, возникающая вследствие невыравнивания аэропленки, не ухудшала разрешающую способ­ ность Р$ фотографической системы, то для случая абсолютного кон­ траста, когда предъявляются наиболее жесткие требования, должно быть выполнено условие

<166>

где I — ширина «разрешаемой» линии.

Следует иметь в виду, что формула (166) учитывает лишь гео­ метрические условия и применима лишь для приближенных подсче­ тов; влияние физических факторов сделает эту зависимость значи­ тельно сложнее. Воспользуемся ею для установления требований к точности выравнивания аэрофотопленки. Рассмотрим точку на краю поля изображения, когда невыравнивание оказывает наиболь­ шее влияние. Приняв, что на краю поля зрения # ф ^50 лин/мм, по формуле (166) получим ав=^0,01 мм. Тогда при п0 = 4 по формуле (165) найдем Д'в доп =^40 мкм (см. величину Дв, доп~2-т-3 мкм).

Таким образом, строгие требования к точности выравнивания аэрофотопленки при ее экспонировании обусловливаются необхо­ димостью сохранить ортоскопию изображения.

Влияние разнотолщинности аэрофотопленок и их упругих свойств на точность выравнивания зависит от способа выравнивания. При

109