ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ФОТОПРИЕМНИК (ВАРИАНТЫ)
OPTICAL-ELECTRONIC PHOTODETECTOR (VERSIONS)

Изобретение относится к цифровой фотографической технике, в частности к оптико-электронным системам (ОЭС) для получения цифровых фотоизображений мозаичного типа.
Известен оптико-электронный фотоприемник, включающий объектив и цифровой сенсор, расположенный в фокальной плоскости объектива (Патент Китая CN № 101556758, 2010).
Известна цифровая камера, включающая оптическую систему и цифровой электронный сенсор, расположенный в фокальной плоскости оптической системы (Патентная заявка США №2012/0082441, 2012 г.).
Недостатком известных устройств такого типа является небольшое получаемое поле изображения, обусловленное размерами сенсора и объектива.
Наиболее близким техническим решением является оптико-электронный фотоприемник для аэрофотосъемки, включающий оптическую систему и расположенный на ее фокальной поверхности электронный фоточувствительный прибор (Патентная заявка США №2011/0122300, 2011 г.).
Приведенные выше известные классические конструкции «один объектив - одна матрица» обладают ограничениями, особенно существенными для аэросъемочных систем. Размер (и пиксельная размерность) цифровых фотоприемников технологически и физически ограничена, и почти любой существующий отдельно взятый фотоприемник проигрывает по числу фоточувствительных элементов широкоформатным пленочным носителям классических систем воздушного фотографирования. Компенсировать этот недостаток в моноскопической системе возможно, применив гибридные сенсоры на базе нескольких фотоприемников с выводами, расположенными на трех, двух или одной стороне кристалла (корпуса прибора). Известны достаточно емкие гибридные фотоприемники: 8192×8192 пикселя (64 М), размер 129×129 мм, Loral Fairchild (США), гибрид из 8 матриц с односторонними выводами; 8192×8192 пикселя (64 М) размер 90×90 мм, Fortune Aerospace (США), гибрид из 4 матриц с двухсторонними выводами. Но гибридное направление не перспективно для использования по следующим основным причинам: технологическая сложность изготовления «мозаичных» гибридных матриц с минимальным зазором между элементами мозаики, сопоставимая со сложностью технологического процесса производства самих матриц; невозможность получения результирующей емкости сенсора, превышающей емкость исходных матриц более чем в 4-5 раз; необходимость применения исходных матриц максимальной доступной емкости, отличающихся (при заданном темпе чтения) большим временем считывания полного изображения и выполненных по технологии frame-readout (обязательность применения механических затворов, низкий темп съемки и вытекающие из него существенные ограничения на скорость носителя).
Свободными от недостатков гибридных фотоприемников и некоторых других ограничений, присущих ОЭС, выполненным по схеме «один объектив - одна матрица», являются многообъективные аэрофотографирующие системы с синтезом результирующего изображения (кадра) из нескольких синхронно получаемых базовых изображений (субкадров). Наиболее существенной особенностью ОЭС данной схемы является то, что каждый из используемых объективов формирует свое пространство изображений, независимое от пространств изображений остальных объективов и участвующее в формировании кадра в качестве аргумента 3-мерной переопределенной функции, не являющейся ни гладкой, ни монотонной, ни непрерывной. Более того, переопределенность порождающей кадр из субкадров 3-мерной функции состоит и в том, что одной и той же точке пространства оригиналов может соответствовать точка в каждом из пространств базовых изображений (или, по крайней мере, в двух смежных базовых пространствах). Таким образом, преобразование субкадров в кадры описывается в каждом конкретном случае единой порождающей функцией, относящейся к классу кусочно-линейных полиномиальных преобразований и наборов правил соотнесения тех или иных подобластей пространств субкадров с неперекрывающимися смежными подобластями пространства выходного кадра.
Такой подход к построению фотоаппаратуры возможен только для случая цифровой фотографии - там, где регистрация изображения осуществляется на покрытую фоточувствительным материалом плоскость, объединение нескольких изображений в единый кадр требует как минимум вторичного проецирования или, в более простых случаях, трансформаторов изображений. К тому же коррекция неизбежно возникающих при сопряжении нескольких разномасштабных и расположенных в непараллельных фокальных плоскостях изображений искажений фотографическим способом затруднена или невозможна. Напротив, для цифровых изображений задача кусочно-линейной коррекции сводится к расчету преобразования базовых изображений в исходное по полиномиальной модели с последующим формированием единого изображения методом «мозаики». Одновременно с указанными расчетами могут быть проведены преобразования, учитывающие (устраняющие):
- наклон оси фотографирования к изображаемой местности (перспективные искажения);
- дисторсию используемых объективов;
- отклонения реальных значений фокусного расстояния от теоретических (коррекция масштабов);
- взаимное положение объективов (для многообъективной схемы).
Применение данного подхода к построению систем, имеющих несколько объективов и несколько матриц под каждым из них, позволяет при однозначном определении комплекса функций преобразования получить оптико-электронную систему, свободную от всех или большинства ограничений по типу проецирования. Так, выходное изображение может быть получено свободным от влияния перспективы, приведено к теоретически заданной проекции (кадровой, панорамной и т.п), в него могут быть внесены заранее известные пространственно-определенные искажения, заданные некоторой таблицей (сеточной моделью).
Технической задачей решаемой данным изобретением является увеличение формата съемки оптико-электронного фотоприемника при уменьшении геометрических и хроматических искажений.
Указанная техническая задача решается тем, что оптическая система выполнена в виде, по меньшей мере, двух объективов, а электронный фоточувствительный прибор выполнен в виде соответствующих числу объективов отдельных групп одинаковых цифровых фоточувствительных матриц с общим числом всех матриц не меньше числа объективов, причем матрицы каждой группы расположены в ряд с промежутками, величина которых не превышает произведения числа эффективных пикселей на физический размер пикселя одной матрицы по оси ее симметрии, ориентированной вдоль ряда, умноженного на количество групп минус один, при этом группы матриц расположены параллельными рядами, каждый на фокальной поверхности соответствующего объектива, таким образом, что матрицы одной группы смещены относительно матриц другой группы вдоль направления их ряда на величину, не превышающую максимального промежутка между матрицами в ряду.
Второй вариант решения технической задачи заключается в том, что оптическая система выполнена в виде, по меньшей мере, двух объективов, а электронный фоточувствительный прибор выполнен в виде соответствующих числу объективов отдельных групп одинаковых цифровых фоточувствительных матриц с общим числом всех матриц не меньше числа объективов, причем матрицы каждой группы расположены на фокальной поверхности соответствующего объектива в ряд с промежутками вдоль одной оси, на которой лежат одноименные оси симметрии матриц, при этом оси рядов матриц разных групп расположены в параллельных плоскостях, проекции оптических осей объективов на которые образуют между собой угол в радианах, не превышающий частного от деления расстояния между соседними матрицами в ряду на произведение числа объективов на их фокусное расстояние.
Третий вариант исполнения характеризует условие, при котором матрицы одной группы смещены относительно матриц другой группы вдоль направления их ряда на величину, не превышающую максимального промежутка между матрицами в ряду, а оси рядов матриц разных групп расположены в параллельных плоскостях, проекции оптических осей объективов на которые образуют между собой угол, величина которого обратно пропорциональна величине смещения между группами матриц относительно друг друга и не превышает, выраженного в радианах, частного от деления расстояния между соседними матрицами в ряду на произведение числа объективов на их фокусное расстояние.
Указанные отличительные признаки существенны.
Выполнение фотоприемника в виде нескольких одинаковых объективов с расположенными на общей фокальной поверхности рядами одинаковых матриц в шахматном порядке с расстоянием между соседними матрицами не больше длины эффективного числа пикселей, ориентированных вдоль ряда, позволяет сформировать единое большое поле съемки из множества отдельных матриц. Такая конструкция позволяет использовать ряд отдельных небольших объективов вместо одного большого и дорогостоящего, равно как и множество небольших матриц вместо одной дорогой матрицы крупного размера.
Признаки второго и третьего вариантов также обеспечивают решение технической задачи.
Установка объективов под углом друг к другу, имеющим строго определенную зависимость от фокусного расстояния и длины промежутка между матрицами в ряду, обеспечивает неразрывное построение изображений отдельными матрицами на снимаемой поверхности с заданными перекрытиями для последующей сшивки отдельных изображений в единое полотно.
На фиг.1 представлено схематическое изображение первого варианта оптико-электронного фотоприемника, состоящего из двух объективов и четырех матриц.
На фиг.2 представлена схема размещения восьми матриц в двух группах по четыре матрицы для двух объективов по первому варианту.
На фиг.3 изображена схема размещения матриц на двух объективах по второму варианту изобретения.
На фиг.4 изображена схема размещения матриц на двух объективах по третьему варианту изобретения
На фиг.5 показано расположение оптических осей объективов для второго и третьего вариантов изобретения.
Оптико-электронный фотоприемник содержит держатели 1 объективов 2 с оптическими осями 3. Цифровые фоточувствительные матрицы 4 установлены на платах 5. Оси 3 вместе образуют эквивалентную оптическую ось 6 оптико-электронного фотоприемника. Матрицы формируют единое поле изображения на объединенном поле 7 из отдельных изображений ABCD, соответствующих одноименным матрицам 4.
Матрицы 4 образуют отдельные группы ABCD и EFGH, расположенные на фокальной поверхности соответствующих объективов 2. Группы 9 матриц 4 расположены в ряд вдоль оси 8 с промежутками, величина которых не превышает произведения числа эффективных пикселей на физический размер пикселя одной матрицы 4 по оси ее симметрии, ориентированной вдоль ряда, умноженного на количество групп минус один. Группы матриц расположены параллельными рядами, каждый на фокальной поверхности соответствующего объектива. Матрицы 4 одной группы ABCD смещены относительно матриц 4 другой группы EFGH вдоль направления их ряда на величину, не превышающую максимального промежутка между матрицами в ряду. При условии достаточного удаления предметов наблюдения от объективов в их фокальных плоскостях будет сформировано изображение одного и того же сюжета с точностью до параллаксов видения (линейного, учитывающего расстояние между объективами, и, в общем случае, углового, учитывающего возможную непараллельность оптических осей) в виде перекрывающегося изображения, формируемого матрицами 4 группы ABCD объединенного поля 7. Если матриц 4 установлено в группе по четыре, то изображение будет состоять из совмещенных групп AEBFCGDH (фиг.2).
Во втором и третьем вариантах исполнения проекции оптических осей 3 объективов 2 на параллельные плоскости, в которых лежат оси 8, образуют между собой угол 10 в радианах, не превышающий частного от деления расстояния между соседними матрицами 4 в ряду на произведение числа объективов на их фокусное расстояние. Причем в третьем варианте величина угла 10 обратно пропорциональна величине смещения между группами матриц относительно друг друга. То есть третий вариант обеспечивает получение единого неразрывного поля зрения в случае смещения одного ряда матриц относительно другого на величину меньше величины промежутка между матрицами 4 в ряду.
Предлагаемый оптико-электронный фотоприемник эквивалентен условному объективу с осью (с-с), в поле зрения которого формируется практически то же изображение, что и в полях зрения объективов (а-а) и (b-b), т.е. реальные объективы (а-а) и (b-b) двухкратно повторяют в пространстве изображений сюжет, видимый виртуальным объективом (с-с) того же фокусного расстояния и угла видения, что и объективы 2.
Использование вместо одного объектива как минимум двух обусловлено необходимостью обеспечить непрерывность поля зрения при применении реальных матриц, размер фоточувствительной области которых существенно меньше полного геометрического размера (за счет корпуса кристалла, выводной рамки и, собственно, выводов). В предложенном оптико-электронном фотоприемнике применен сенсор размером 6.38×5.26 мм при диагонали рабочей области считывания 1:2,7 дюйма, что при соотношении сторон 4:3 соответствует габаритным размерам поля зрения 5,53×4,09 мм.
Оптико-электронный фотоприемник используют следующим образом.
Как показано на фиг.1, матрицы А и С установлены на держателях 5 в фокальной плоскости объектива (а-а) на некотором расстоянии друг от друга, причем это расстояние меньше габаритных размеров матрицы. В фокальной плоскости объектива (b-b) на аналогичных держателях размещены матрицы В и D, между ними также имеется промежуток. Поля зрения (а-а), (b-b) и (с-с) в пренебрежении параллаксами тождественны.
При юстировке такого размещения сенсора В в поле зрения объектива (b-b), обеспечивается условие, чтобы зона изображения В совмещалась с зоной изображения А с небольшим (несколько десятков точек) перекрытием. Это достигается тем, что держатели матриц А и В размещены в полях зрения разных объективов и перемещаются независимо, при этом 20 точек при размере пикселя 3,275 мкм составляет около 0,06-0,07 мм и линейная юстировка с таким перемещением реализуема технически.
Далее, зафиксировав положение матриц А-В, регулируют положения матрицы С в фокальной плоскости объектива (а-а) так, чтобы добиться минимального перекрытия с матрицей В по смежной стороне. После этого аналогичным образом юстируют положение матричного сенсора D относительно фокальной плоскости (b-b). Получив удовлетворительный результат, механически фиксируют положение держателей 5 матриц 4.
Все перечисленные выше операции осуществляют под визуальным контролем путем наблюдения поля зрения (с-с), в котором совместно отображаются данные, полученные от всех матриц (оптических сенсоров). Предложенное устройство технически реализуемо до тех пор, пока размер видимой области матрицы превосходит размер рамок смежных матриц и держателей 5, по крайней мере, в направлении сборки.
Оптические свойства примененных объективов обеспечивают сбалансированность размера сенсора матрицы и пространственного разрешения оптики, достаточную для установки под объектив четырех матриц 4 на унифицированных держателях 5. Соответственно оптико-электронный фотоприемник такой конструкции будет иметь поле зрения, эквивалентное полю зрения 8 смежно-расположенных матриц.
Во втором варианте исполнения соседние ряды 9 матриц могут быть не смещены относительно друг друга, то есть группы матриц 4 на всех объективах 2 расположены одинаково. Но объективы 2 наклонены друг относительно друга вдоль осей 8. Оси 8 оказываются перекрещивающимися и лежат в параллельных плоскостях. Проекции оптических осей объективов на эти плоскости образуют между собой угол 10, который не превышает в радианах частного от деления расстояния между соседними матрицами 4 в ряду на произведение числа объективов на их фокусное расстояние.
Аналогично первому варианту матрицы 4 образуют отдельные группы ABCD и EFGH, расположенные на фокальной поверхности соответствующего объектива 2. Группы 9 матриц 4 расположены в ряд вдоль оси 8 с промежутками. Группы матриц расположены параллельными рядами, каждый на фокальной поверхности соответствующего объектива. При условии указанной величины угла между оптическими осями объективов в их фокальных плоскостях будет сформировано изображение одного и того же сюжета в виде перекрывающегося изображения, формируемого матрицами 4 группы ABCD объединенного поля 7. Если матриц 4 установлено в группе по четыре, то изображение будет состоять из совмещенных групп AEBFCGDH (фиг.3).
Третий вариант отражает промежуточное положение матриц и углов между оптическими осями объективов, при котором величина угла 10 обратно пропорциональна величине смещения между группами матриц относительно друг друга (фиг.4).
Предложенная конструкция оптико-электронного фотоприемника позволяет формировать из множества отдельных объективов и множества отдельных матриц единое большое непрерывное поле зрения фотографируемой поверхности, что либо невозможно сделать одним, даже очень большим объективом и одной большой матрицей, либо такая конструкция будет неоправданно дорогостоящей и иметь чрезмерно большие габариты и вес.