3.Фотографические съемочные системы. Общее устройство. Характеристики объектива.

Фотографические съемочные системы, применяемые для съем­ки земной поверхности и планет с различных летательных аппара­тов, называют соответственно аэрофотоаппаратами и космически­ми фотоаппаратами. Существует большое число конструкций этих аппаратов. Аэро- и космические фотоаппараты можно классифи­цировать, как уже было рассмотрено, по способу построения снимка, числу используемых каналов, а также по длине фокусного расстояния объектива, раз­решающей способности, на­значению и т. д.

Наибольшее применение имеют кадровые топографи­ческие аэрофотоаппараты (АФА). Схема построения изображения в кадровых АФА, которую принято счи­тать классической, показана на рисунке 2.3.

В кадровых АФА имеется плоская поверхность, на которой строится изображение, неподвижный относительно нее объектив, оптическая ось занимает неизменное положение, изоб­ражение строится в центральной проекции. Экспонирование пло­щади снимка происходит одномоментно.

Схема устройства аэрофотоаппарата показана на рисунке 2.4. Основными частями его являются съемочная камера и кассета.

Съемочная камера состоит из оптического блока 6 и корпуса 5. В нижней части оптического блока расположен объек­тив 4. В верхней части, в фокальной плоскости аэрофотообъекти­ва, располагается прикладная рамка. В плоскости прикладной рамки в момент фотографирования происходит выравнивание аэрофотопленки. Существует несколько способов выравнивания, например механическим спосо­бом, с помощью прижимного стола 9 и выравнивающего стекла 7.

В некоторых типах АФА пленка выравнивается за счет создания разрежения между пленкой и выравнивающим столом. Невыравнивание аэропленки приводит к геометрическим деформациям изображений и снижает разрешаю­щую способность снимка.

На серединах сторон прикладной рамки (в некоторых конструкциях также в ее углах) имеются координатные метки (см. рис. 2.3, 5), которые фиксируются при съемке на каждом аэроснимке. С помощью меток определяется система координат снимка. Прикладная рамка ограничивает размеры снимка. Наиболее широко применяют форматы 18 х 18, 23 х 23 и 30 х 30 см. Формат кадра может быть не квадратным.

В некоторых типах АФА на поверхность выравнивающего стекла наносят контрольные метки в виде сетки крестов со стороной 10 или 20 мм. Толщина штрихов крестов 2...3 мкм, а точность их нанесения 2 мкм. Используя сетку крестов, учитывают искажения изображений. Расстояния между координатными и контрольными метками определяют при фотограмметрической калибровке АФА. Результаты заносят в формуляр аэрофотоаппарата и используют при фотограмметрической обработке снимков. При механическом способе выравнивания аэропленки его качество оценивают по резкости изображения контрольных меток (крестов).

Кассета (съемочная часть аэрокамеры) предназначена для размещения аэропленки, ее перемотки и отмеривания по размеру кадра, а также, как уже сказано ранее, выравнивания пленки в плоскость. Кассета в зависимости от толщины подложки вмещает аэропленку длиной 60 или 120 м, что соответствует для отече­ственных АФА 300 или 600 снимков размером 18 х 18 см.

Аэрофотообъектив — оптико-механическое устрой­ство, состоящее из оптической и механической частей. Оптичес­кая часть (собственно объектив) — это закрепленные в корпусе линзы различной кривизны и формы. Подбирают линзы с целью получения оптического изображения с заданными свойствами. Узлы механической части, затвор и диафрагму, размещают в меж­линзовом пространстве аэрообъектива.

Затвор — это устройство, регулирующее время (выдержку), в течение которого происходит экспонирование аэропленки. Вы­держки в аэрофотозатворах изменяются в интервале от 1/40 до 1/1000 с и менее. Изменение выдержек в аэрофотоаппаратах про­исходит ступенчато (например, 1/125, 1/250, 1/500), что позволяет регулировать экспозицию кратно двум. В момент открытия затво­ра летательный аппарат и вместе с ним аэрофотоаппарат соверша­ют линейные и угловые перемещения относительно снимаемой местности. Это вызывает перемещение оптического изображения относительно аэрофотопленки. В результате происходит «смаз» фотографического изображения. «Смаз» изображения уменьшает резкость изображения и разрешающую способность снимка на 30...50 %. Фотографический «смаз», вызванный поступательным движением летательного аппарата, можно уменьшить, уменьшив выдержку.

Помимо сдвигов опти­ческого изображения, вызванных линейными и угловыми движе­ниями летательного аппарата, на качество изображения оказыва­ют влияние вибрационные сдвиги. Причиной появления данных сдвигов являются в основном вибрации от работы моторов лета­тельных аппаратов.

Диафрагма служит для изменения диаметра входного отверстия объектива. В аэрофотоаппаратах диаметр входного отверстия объектива регулирует количество светового потока, проходящего через объектив. Чем больше диаметр диафрагмы, тем больше осве­щенность экспонируемой аэрофотопленки. В практических целях для описания размера отверстия объектива используют величину, называемую относительным отверстием. Относительное отверстие объектива

где i — диаметр входного (действующего) отверстия; ƒ—фокусное расстояние.

В объективах используют стандартные дискретные значения относительных отверстий, знаменатели которых равны 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32. Рассчитывают их таким образом, чтобы пере­ход к соседнему индексу диафрагмы изменял освещенность свето­чувствительного фотоматериала в 2 раза.

Основными характеристиками аэрофотообъектива, определяю­щими метрические и изобразительные свойства снимков, являют­ся фокусное расстояние, дисторсия, разрешающая способность, угол поля изображения, светораспределение по полю изображе­ния.

Фокусным расстоянием объектива или главным фокусным рас­стоянием называют расстояние от задней узловой точки объектива до главного фокуса. Через главный фокус перпендикулярно опти­ческой оси проходит фокальная плоскость, в которой строится изображение и где располагается аэрофотопленка. Фокусное рас­стояние определяют при фотограмметрической калибровке АФА с точностью до 0,01 мм (или до 0,001 мм) и записывают в аттестат аэрофотообъектива.

В АФА применяют объективы с фокусными расстояниями от 20...30 мм до нескольких метров. Фокусное рас­стояние АФА и высота фотографирования (расстояние до повер­хности объектива) Н определяют масштаб аэрофотографирования:

где т — знаменатель масштаба фотографирования.

При неизменной высоте фотографирования чем больше фокус­ное расстояние, тем крупнее масштаб съемки.

Важной характеристикой топографических АФА является дисторсия объектива. Дисторсия — частный случай аберрации, при­водит к нарушению связки проектирующих лучей, строящих оп­тическое изображение. Нарушение происходит за счет неодинако­вого преломления различно направленных проектирующих лучей ASa (рис. 2.5).

Это приводит к неравномерному смещению (Δr) то­чек по полю снимка. Геометрически дисторсию можно предста­вить вектором, определяющим направление и размер смещения точки от ее идеального положения. Различают радиальную дис­торсию, имеющую направление к центру или от центра снимка, и тангенциальную дисторсию, направление которой перпендику­лярно радиальному. Дисторсию определяют при фотограмметри­ческом исследовании АФА в дискретных точках по всей площади кадра. Для различных типов объективов ее значение варьирует от 0,002...0,005 мм до десятых долей миллиметра. Объективы, в кото­рых дисторсия практически не искажает изображение, называют ортоскопическими. При компьютерных технологиях фотограммет­рической обработки снимков вводят поправки в положение точек изображения, равные значениям дисторсии.

Под разрешающей способностью объектива понимают свойство раздельно воспроизводить оптическое изображение двух близко расположенных точек или линий. Так же как и для аэрофотопленки, при ее определении используют штриховые и радиальные миры. В центре изображения, построенного объективом, разрешающая способность больше, чем на краю. Поэтому при изучении мелких деталей снимаемых объектов предпочтительнее использовать цен­тральные части снимков. В длиннофокусных объекти­вах падение разрешающей способности от центра к краю незначительно. Суще­ствуют аэрообъективы, у ко­торых разрешающая способ­ность не изменяется по полю изображения.

Одной из важных характе­ристик, определяющей фото­метрические свойства аэрофотообъектива, является светораспределение в плоскости снимка. Осве­щенность, создаваемая в фокальной плоскости, уменьшается от центра к краю. Функция светораспределения описывается согласно закону Лам­берта формулой

где Еβ — освещенность в точках поля изобра­жения; E0 —освещенность в центре поля изобоажения: п — коэффициент, равный 1, 2, 3, 4 в зависимости от типа объектива; β — угол, образуемый главной оптической осью и направлением на точку.

Неравномерность светораспределения приводит к тому, что объекты одинаковой яркости при отображении их в центре или на краю снимка имеют различную оптическую плотность (цвет).

Угол, образованный лучами, исходящими из задней узловой точки объектива и опирающимися на диагональ прикладной рам­ки АФА, называют углом поля изображения (рис. 2.6). По значению угла поля изображения аэрофотоаппараты подразделяют на узкоугольные (менее 15°), нормальноугольные (15...60°), широкоуголь­ные (более 60°).

При увеличении угла поля изображения увеличивается нерав­номерность светораспределения от центра к краю и уменьшается разрешающая способность снимка. В узкоугольных АФА эти из­менения выражены в меньшей степени. Для устранения неравно­мерности светораспределения, которая в широкоугольных аппара­тах значительна, применяют напыление объективов металличес­ким порошком с плотностью слоя, уменьшающегося от центра к краю.

Аэрофотоаппарат помещают в аэрофотоустановку (АФУ), предназначенную для его крепления на летательном аппарате, ориентирования в заданном положении и уменьшения влияния вибрации. Ориентирование представляет собой установление сис­темы координат прикладной рамки (снимка) по направлению по­лета летательного аппарата и заданного угла наклона снимка. Ориентирование осуществляют вручную или автоматически.

В за­висимости от углов отклонения оптической оси АФА от отвесного направления различают АФУ плановые (углы отклонения не пре­вышают 3°) и перспективные (углы отклонения до 40...45°). Для уменьшения влияния продольных и поперечных наклонений ле­тательных аппаратов применяют гиростабилизирующие аэрофотоустановки.

Командный прибор (интервалометр) предназначен для автомати­ческого включения аэрофотоаппарата через определенный промежуток времени. По принципу работы их разделяют на электричес­кие и оптико-электронные. После подачи электрического сигнала с командного прибора выполняется цикл последовательных опе­раций для получения аэрофотоснимков: перемотка пленки, взвод затвора, выравнивание пленки в плоскость, экспонирование (сра­батывание затвора). Длительность цикла различна у большинства АФА и составляет 1,2...2,5 с.

Управляют всем комплексом узлов аэрофотоаппарата с пульта управления. Здесь же осуществляется синхронизация работы АФА и сопровождающей съемку специальной аппаратуры. Например, космической навигационной аппаратуры GPS, определяющей пространственное положение снимка в геодезической системе ко­ординат на момент съемки.

Современными аэрофотоаппаратами и съемочным процессом управляют с помощью бортового компьютера, который помещен в крепкий корпус, не содержит движущихся частей (в отличие от обычных твердых дисков), имеет электронную защиту. Все это значительно снижает вероятность выхода его из строя в полете. Компьютерные программы обеспечивают графическое отображе­ние на дисплее маршрута полета и разворотов над фотографируе­мым участком местности, открытие затвора в точке пространства с заданными координатами, запоминание координат точки про­странства, в которой не произошло по каким-либо причинам экс­понирование фотопленки и т.д. Новое поколение съемочного оборудования значительно повышает качество материалов аэро­фотосъемки.