17.3 Оптична компенсація зсуву зображення поворотом оптичних клинів

Розглянемо особливості методу ОКЗЗ, здійснюваного двома обертовими в протилежні сторони оптичними клинами, розташованими перед об'єктивом аерофотоапарата (рис. 3.29).

Оптичний клин представляє собою призму з дуже малим (20...40^о) заломлюючим кутом. Для оптичного клина характерна відсутність спектрального розкладання падаючого світлового потоку. З метою збереження гомоцентричності світлового пучка оптичний клин встановлюється в рівнобіжних променях до об'єктива, чи усередині його між компонентами з рівнобіжним ходом променів між ними.

Падаючий на клин рівнобіжний світловий потік після проходження через клин із заломлюючим кутом ε відхиляється від первісного напрямку убік основи клина на кут γ, величина якого дорівнює:

, (3.26)

де β – кут нахилу світлових променів;

п – показник переломлення.

Рис. 3.29. Схема, що пояснює спосіб ОКЗЗ за допомогою оптичних клинів

Для малих кутів нахилу формула (3.26) приймає вигляд

, (3.27)

а зсув зображення у фокальній площині аерофотоапарата буде визначатися за формулою

. (3.28)

При рівномірному обертанні оптичного клина навколо осі, що збігається з головною оптичною віссю системи аерофотоапарата, при відсутності поступального руху аерофотоапарата зображення точок ділянки місцевості, що фотографується, при досить малих кутах нахилу світлових променів будуть описувати у фокальній площині аерофотоапарата окружності з радіусом r.

Рис. 3.30. Діаграма зміни величини і напрямку швидкості результуючого руху зображення

Вектор швидкості переміщення зображення цих точок буде змінюватися від 0 до 360° за напрямком, а абсолютна величина швидкості V_к, чи переміщення швидкості компенсації буде дорівнювати

V_к = ω_ка r , (3.29)

де ω_ка – кутова швидкість обертання клина. Формула (3.29) може бути записана в іншому вигляді:

, (3.30)

де N – частота обертання клина чи число оборотів клина в одиницю часу.

При компенсації зсуву зображення одним обертовим клином має місце похибка, обумовлена поперечною декомпенсацією, і похибка через хроматичні аберації, внесені клином. Все це вимагає вживання спеціальних заходів для усунення впливу цих похибок.

Аналізуючи явища, що відбуваються у фокальній площині АФА, (рис. 3.30), дійдемо висновку, що результуючий рух V_Σ зображення є результатом додавання від двох рухів: від поступального руху літака зі швидкістю V_из, спрямованою убік руху літака, і від обертального руху оптичних клинів зі швидкістю V_к, спрямованою по дотичній до окружності з радіусом r.

Як видно з рис. 3.30, швидкість результуючого руху змінюється як за напрямком, так і за величиною. Основна задача механізму оптичної компенсації зсуву зображення полягає в тому, що сумарна швидкість зображення повинна дорівнювати нулю. Це можливо в тому випадку, якщо швидкості V_из і V_к рівні за абсолютним значенням і спрямовані в протилежні напрямки (рис. 3.31).

У цьому полягає перша умова цього способу ОКЗЗ, яка для двоклинового компенсатора може бути записана так:

, (3.31)

де С_к – коефіцієнт, що характеризує середнє значення sinωt протягом часу відкриття затвора АФА.

Рис. 3.31. Діаграма співвідношення між векторами швидкості зображення

і швидкості компенсації в момент спрацьовування затвора

При одночасному повороті оптичних клинів (рис. 3.32) у протилежні сторони на кут ω_ка сумарне відхилення світлового пучка у фокальній площині аерофотоапарата буде змінюватися за наступним законом:

. (3.32)

Відкіля випливає:

. (3.33)

Момент спрацьовування аерофотозатвора повинен відповідати моменту, коли швидкість компенсації змінюється незначно, що відповідає куту повороту клина

,

а кут взаємного розвороту клинів у цей момент буде дорівнювати π. Тоді формула (3.33) для швидкості V_к у момент компенсації прийме вигляд:

. (3.34)

З урахуванням першої умови ОКЗЗ можна записати

. (3.35)

Рис. 3.32. Діаграма зміни швидкості компенсації при двоклиновому способі компенсації

Друга умова способу ОКЗЗ за допомогою обертових клинів має на увазі строгу погодженість положення клинів з моментом спрацьовування аерофотозатвора. У цьому випадку швидкість обертання клинів повинна бути такою, щоб за час інтервалу T між двома циклами, які слідують один за одним, клини робили одне й те саме ціле число оборотів т для даного коефіцієнта перекриття. Ця умова визначається рівнянням:

ТN = т, (3.36)

або T_ω = 2πm.

Після підстановки у формулу (3.36) виразів для Т і N друга умова ОКЗЗ буде характеризуватися залежністю:

. (3.37)

Ця формула є вихідною для визначення параметрів оптичного клина.

При повітряному фотографуванні з декількома коефіцієнтами перекриття необхідно, щоб дотримувалася рівність і сталість відносин

, (3.38)

або , (3.39)

звідки:

. (3.40)

З формули (3.40) видно, що параметри оптичного клина для кожного аерофотоапарата визначаються величиною коефіцієнта ψ. Так, наприклад, якщо ψ = 5, то при k₁ = 20% спрацьовування затвора відбувається через кожні 4 обороти клинів, а при k₂ = 60% – через кожні 2 обороти.

Оптична компенсація зсуву зображення за допомогою обертових клинів завдяки малій масі рухливих елементів і відсутності впливу на роботу механізму вирівнювання і перемотування плівки, а також відсутності поперечної декомпенсації і хроматизму широко застосовується в сучасних аерофотоапаратах.

Однак наявність значних енергетичних втрат (18...20%) у вузлі ОКЗЗ обмежує застосування таких аерофотоапаратів при фотографуванні ділянок земної поверхні в умовах зниженої освітленості. Це обмеження збільшується ще і тим, що величина залишкового зсуву зображення δ_ост збільшується зі збільшенням t_ф. Характер зміни значень залишкового зсуву зображення в залежності від швидкості обертання оптичних клинів і фактичної витримки показаний на рис. 3.33.

Рис. 3.33. Графік зміни залишкового зсуву зображення

у залежності від ω_кл і t_ф

З графіків видно, що величина залишкового зсуву зображення різко зростає зі збільшенням ω_кл і t_ф.

До недоліків оптичної компенсації за допомогою двох клинів відноситься необхідність строгої синхронізації моменту спрацьовування затвора з положенням клинів, що забезпечить мінімум відносної помилки компенсації.

Двоклинова компенсація зсуву зображення характеризується значною методичною помилкою, що полягає в нерівномірності компенсації по всьому полю зображення, що знижує ефективність ОКЗЗ в аерофотоапаратах з великим кутом поля зору.

Зменшення ефективності компенсації зі збільшенням кута поля зображення не дозволяє використовувати цей метод у ширококутових системах, що фотографують, так само ефективно, як, метод МКЗЗ. Тому метод ОКЗЗ із двома обертовими клинами застосовується в довгофокусних аерофотоапаратах з великим розміром знімка.