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

2. Р а зм е р ы п о л я зр е н и я и п о л я и з о б р а ж е н и я а э р о ф о т о о б ъ е к т и в а

П о л е м з р е н и я о б ъ е к т и в а называется основание конуса лучей, строящих изображение бесконечно удаленного предмета. Часть поля зрения, в которой полученное изображение удовлетво­ ряет предъявляемым к нему требованиям по качеству и освещенно­ сти, называется п о л е м и з о б р а ж е н и я .

Углы 2а и 2р, ограниченные лучами, исходящими из задней уз­

В зависимости от соотношения диагонали снимка dca (поля изо­ бражения) и фокусного расстояния f' объектива различают следую­ щие основные типы аэрофотообъективов: нормальноугольные (f '~ ~ й Св), широкоугольные ( f ' < d CH), сверхширокоугольные (f'<^dca)

иузкоугольные ( f ' > d cн).

Всовременных аэрофотоаппаратах величина угла изображения колеблется от нескольких градусов до 150° и более.

Граничные соотношения между оптическими характеристиками объективов определяются формулой добротности, предложенной

проф. Д. С. Волосовым [18, с. 363],

( 9 0 )

Величину Ся называют к р и т е р и е м д о б р о т н о с т и о б ъ ­ е к т и в а . Для современных фотографических объективов средней

70

пленка, определенная по мире абсолютного контраста, не меньше 25 мм-1 (§ 19); падение освещенности изображения по полю зрения сверхширокоугольного объектива достигает трех-четырехкратного значения (см. § 18); объективы состоят из семи линз и более. С раз­ витием и совершенствованием объективов величина Сд будет уве­ личиваться. На рис. 34 в соответствии с формулой (90) построены

кривые, определяющие граничные соотношения между п0, 20 и }' фотообъектива при С д= 0,24. Кривые /—IV построены для объекти­

9 — Руссар 29 — 6,8/70; 10 — Ортогон 4 — 6,8/75; 11 — Родина 2Б — 8,2/55; 12 — Пинатар — 4/210; 13 — Супер-Ламегон — 5,6/90.

§17. Глубина резкости

игиперфокальное расстояние объектива

71

определена исходя из величины волновой аберрации ев. В этом слу­ чае глубина изображения оценивается как расфокусировка AfB, определяемая по формуле [68, с. 149]

причем величина волновой аберрации ев, выраженная через длину волны света X, имеет следующие значения [68, с. 149; 84, с. 260]:

для идеальной оптической системы ев=0,1А,*;

для системы с отличной коррекцией аберраций ев= 0,25А,;

для системы с хорошей коррекцией аберраций ев=0,5Л;

для системы с удовлетворительной коррекцией абер­ раций ев= Х~0,6 мкм.

Если, например, и'А =0,1, ев = А, = 0,6 мкм, то Л/в= 0,12 мм.

Для практики важно знать не только глубину изображения, но и глубину резко изображаемого пространства, называемую просто

глубиной резкости, и гиперфокальное расстояние, определяющее на­ чало практической бесконечности.

Для определения глубины резкости рассмотрим рис. 35. Так как точки Л и В не совпадают с плоскостью резкой наводки р, то в пло­ скости изображения Р образуются некоторые кружки нерезкости оа и 0 ь, сопряженные с отрезками оА (на рис. 35 не показано) и ов

вплоскости р. Глубина резкости Да,в будет равна сумме передней

Всовременных репродукционных объективах ев=0,157,.

72

В этом случае глубина резкости Да, в будет простираться от L до бесконечности, т. е. DA = L, DB = oo.

При фокусировке фотоаппарата на гиперфокальное расстояние

своему закону, неодинаковому с законами изменения других абер­ раций. Поэтому при исследовании объективов началом «практиче­ ской бесконечности» считают величину L '^ 3 0 f ', для объективов с малой светосилой L'> 20f' [83, с. 29—39].

§ 18. Энергетические характеристики аэрофотообъективов

Энергетические характеристики объективов, называемые также ф о т о м е т р и ч е с к и м и , определяют свойства оптической системы как преобразователя потока излучения при условии, что система идеальна и свободна от аберраций. Эти свойства характеризуются светосилой, эффективным относительным отверстием, спектральной прозрачностью, светораспределением и светорассеянием объектива.

73

1. С в ет о с и л а , э ф ф е к т и в н о е о т н о си те л ь н о е о твер сти е , с п е к т р а л ь н а я п р о з р а ч н о с т ь о б ъ е к т и в а

Светосила как некоторое свойство объектива есть отношение освещенности Е' изображения, создаваемого данным объективом, к яркости изображаемого объекта В, т. е.

где Т0— коэффициент прозрачности объектива.

При достаточно больших значениях знаменателя масштаба фо­ тографирования т, что имеет место при аэрофотосъемке, получим

Если в частном случае считать яркость объекта фотографирова­ ния постоянной величиной, то освещенность изображения и будет тем параметром, который определяет практическую (реальную) све­ тосилу объектива

Величину 1 : я 0 , э = (1 : п0) У7’0 называют эффективным относи­ тельным отверстием объектива. Эту величину обычно подписывают на оправе объектива.

Для случая репродукции, когда m= 1, при использовании сим­

ется произведением квадрата выходной апертуры и'А на коэффици­

ент пропускания Т0 объектива и на величину л.

В последние годы созданы такие просветленные объективы, у ко­ торых физическая светосила мало отличается от геометрической.

74

Для большинства аэрофотообъективов То^ 0 ,8 . Прозрачность объ­ ектива в общем случае имеет спектральный характер. На рис. 36 по­

казан примерный вид кривой, описывающей спектральную прозрач­ ность объектива.

2. С в е т о р а сп р е д е л ен и е о б ъ е к т и в а

Функция светораспределения Ew (W) описывает закон измене­ ния освещенности Е' изображения в точках поля в зависимости

от углов W, определяющих положение этих точек относительно центра поля, где освещенность Е0 принимается за единицу. В общем виде эта функция имеет вид

где i — показатель степени, определяющий закон изменения осве­ щенности.

Общеизвестна формула, выражающая функцию светораспреде­ ления (закон Ламберта),

вточку, когда через объектив проходят только главные лучи;

2)при отсутствии виньетирования.

В и н ь е т и р о в а н и е м называется частичное затенение пучка лучей, вступающих во входной зрачок системы, срезание оправой объектива наклонных крайних лучей пучка (рис. 37). При конечных размерах входного зрачка виньетирование отсутствует только тогда, когда входной зрачок совпадает с плоскостью предметов;

75

в этом случае все точки поля зрения системы изображаются пол­ ными пучками. Оправа линз объектива и диафрагма АВ не влияют на прохождение осевого пучка лучей; точки на оси и вблизи оси изображаются пучками лучей, полностью заполняющих входной зрачок системы; зрачок виден в форме круга диаметром d0 = ab. Однако оправа линз будет задерживать часть наклонных лучей, па­ дающих под углом W\ в этом случае изображение точки будет стро­

РИС. 37

иться пучком, лишь частично заполняющим входной зрачок; сечение пучка определится отрезком a 'b 'c a b , диаметр зрачка d' < d 0, пло­ щадь зрачка Sw<So-

Величина Kw, определяемая формулой

а ’Ь'

(104)

ab

называется к о э ф ф и ц и е н т о м в и н ь е т и р о в а н и я для дан­ ного наклона лучей, характеризующихся, например, углом W. Та­ ким образом, коэффициент виньетирования приближенно может быть определен как отношение измеренных в меридиональной пло­ скости диаметров а'Ь' и ab параллельных пучков лучей, поступаю­ щих во входной зрачок объектива соответственно от точки, не лежа­ щей на оптической оси (наклонный пучок), и точки, лежащей на оси (осевой пучок). Полученные значения коэффициентов Kw выража­ ются в процентах и показывают степень затенения пучка лучей оп­ равой объектива (геометрическое виньетирование). Для точки на оси геометрическое виньетирование равно нулю; там, где будет пол­ ное затенение, геометрическое виньетирование равно 100%. Зону ча­ стичного затенения, где геометрическое виньетирование не превы­ шает 50%, относят обычно к полю зрения объектива.

Совокупность коэффициентов Kw, определенных для различных углов поля зрения объектива, есть функция виньетирования К {W).

76

равномерной освещенности изображения применяются различные способы: аберрационное виньети­ рование, оттенение объектива или светофильтра, увеличение диамет­ ров передних и задних линз, соз­ дание оптических систем с силь­ ной отрицательной дисторсией.

РИС. 3S

А б е р р а ц и о н н о е в и н ь е т и р о в а н и е . Проблему выравни­ вания освещенности изображения в широкоугольных объективах впервые в мировой науке кардинально решил проф. М. М. Русинов еще в 1930-х годах. Разработанный им принцип а б е р р а ц и о н ­ ног о в и н ь е т и р о в а н и я (точнее антивиньетирования) реали­ зован в конструкциях сверхширокоугольных аэрофотообъективов типа «Руссар», которые создаются с 1936 г. Проф. М. М. Русинов показал возможность получения функции виньетирования со значе­ ниями, большими единицы [68]. На рис. 38 показана возможность получения коэффициента виньетирования K w > 1. Сечение наклон­ ного пучка, проходящего через апертурную диафрагму, больше се­ чения осевого пучка, т. е. а'Ъ''>аЬ. Таким образом, при аберрацион­ ном виньетировании, когда K w> 1, происходит увеличение диаметра входного зрачка по мере удаления от центра поля (1F>0) (рис. 39, кривая 1), v объективов, для которых K w < 1 (кривая 2), на краю

1

поля диаметр входного зрачка составляет всего — диаметра зрачка в центре поля.

77

Для большинства аэрофотообъективов типа «Ортогон» с вырав­ нивающим стеклом и «Руссар», обеспечивающих высокое качество изображения, К (U7) = cos_1U7 или cos_1-3U7. В этом случае функция светораспределения имеет вид Е (W) =Е'о cos3 W или Е'о cos2-7 W. Для

некоторых объективов типа «Руссар» обеспечивается более высокая равномерность освещенности изображения по полю E(W) =

=£ ' cos2 W или Е' cos1-5 W.

ОО

Конструктивно аберрационное виньетирование достигается раз­ личными путями, основными из которых являются: использование в качестве внешнего переднего компонента отрицательной (рассеи­ вающей) линзы или группы линз, обес­ печивающих оптическое увеличение размеров входного зрачка с изменени­ ем угла W, применение колпаков с глу­

шение освещенности на краях поля ос­ тается. Для наиболее полного вырав­ нивания освещенности по полю изобра­ жения применяют оттенители.

больше, чем на краях), наложенная на один из компонентов объек­ тива или чаще всего на светофильтр. Нанесенная таким образом пленка поглощает у пучков света разного наклона разную часть их энергии; так как плотность оттенителя в центре больше, то осевые пучки ослабляются сильнее наклонных и освещенность изображения по полю становится равномернее [54, 82, с. 32—41].

Эффективность применения оттенителей показана на рис. 40. Недостаток выравнивания освещенности плоскости изображения способом оттенения объектива или светофильтра в том, что необхо­ димо увеличивать выдержку при фотографировании, например, в три раза для широкоугольных объективов и в большее количество раз для сверхширокоугольных объективов, что нежелательно (см. гл. IX); кроме того, снижается качество изображения в связи с уве­ личением светорассеяния, снижающим контраст изображения (см.

формулу (109)).

Способы выравнивания освещенности изображения по полю зрения объектива путем аберрационного виньетирования и оттене­ ния являются основными.

78

Значение функции светораспределения Е (W), полученное для средних точек поля зрения, определяемых углом (3/2, коэффициент прозрачности Т0 оптической системы и оптический коэффициент по­ лезного действия аэрофотозатвора ц определяют фотометрическую характеристику всего аэрофотоаппарата, его коэффициент светоот­ дачи Ка, причем

длины волны света.

Фактическая величина коэффициента светоотдачи аэрофотоап­ парата определяется экспериментально [77, с. 25—42]. У современ­ ных аэрофотоаппаратов Ка = 0,4—0,8.

3. С в ет о р а сс ея н и е в съ ем о ч н о й к а м е р е '

Свет, достигающий плоскости прикладной рамки аэрофотоаппа­ рата, состоит из двух световых потоков, один из которых представ­

отражения от поверхности линз объектива, оправы и лепестков диа­ фрагмы и других деталей съемочной камеры.

Степень рассеяния света в аэрофотокамере характеризуется ве­ личиной коэффициента светорассеяния, показывающего, какая часть светового потока, прошедшего через объектив, падает на пло­ скость прикладной рамки в виде рассеянного света. Величина ко­ эффициента светорассеяния вычисляется по формуле, аналогичной той, которая применяется для определения коэффициента задымлен­ ности (см. формулу (58)),

(107)

где Вр— яркость рассеянного света; В0— яркость абсолютно белой идеально рассеивающей поверх­

ности; То — коэффициент пропускания объектива.

Фактическая величина коэффициента светорассеяния определя­ ется экспериментально [54; 77, с. 3—24; 80, с. 31—69; 82, с. 42—59].

Величина коэффициента светорассеяния хр для различных аэро­ фотоаппаратов колеблется от 0,02 до 0,30 и более. Важную роль при этом играет чистота поверхностей линз объектива и светофильтра, тщательность чернения частей оправы и лепестков диафрагмы, внут­ ренней полости корпуса камеры, а также спектральный состав света.

79