СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОКАЛЬНОЙ РАМКИ В ФОТОКАМЕРАХ С ЗЕРКАЛЬНОЙ РАЗВЕРТКОЙ ИЗОБРАЖЕНИЙ
METHOD OF MAKING A FOCAL FRAME IN CAMERAS WITH MIRROR SCANNING OF IMAGES

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при изготовлении скоростных фотокамер с зеркальной разверткой оптического изображения для обеспечения равномерной скорости развертки с погрешностью не более ±0,033%, что ценно при исследовании этими фотокамерами быстропротекающих процессов (быстрое горение, взрыв, распространение ударных волн и т.п. явлений).
В известной сверхскоростной фоторегистрирующей установке (далее СФР) [Серийно выпускаемая установка типа СФР. Описание и инструкция по эксплуатации и техническому обслуживанию, 1973 г., г. Красногорск Московской обл., Оптико-механический завод] используют фотокамеру с зеркальной разверткой изображения с помощью вращающегося зеркала.
Из теории зеркальной развертки известно [А.С. Дубовик «Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов», издательство «Наука», Москва, 1975 г., с. 25-42, рис. 3.11], что из-за толщины зеркала, отражающая поверхность зеркала не совпадает с осью вращения (на половину толщины зеркала) и поэтому геометрическим местом изображения является поверхность, которая имеет вид улитки Паскаля и описывается в полярных координатах уравнением:
поверхность построена на базе окружности с радиусом, равным r, и с центром, совпадающим с осью вращения зеркала О (см. фиг 1).
Скорость движения изображения по такой фокальной плоскости не является постоянной, и ее уравнение имеет вид:
где r - радиус фокальной рамки, представляющий собой отрезок (см. фиг. 1) от мнимого изображения объекта точки А' (полюс) до центра оси вращения зеркала О (без участия зеркала), т.е. А'О - полярная ось;
- угловая скорость ( - частота) вращения зеркала;
ϕ - угол поворота зеркала (угол между перпендикуляром к отражающей поверхности зеркала и оптической осью фотокамеры);
2ϕ - угол развертки изображения;
а
- расстояние от оси вращения зеркала до его отражающей поверхности;
- коэффициент деформации изображения.
а
Oh - смещение оси вращения зеркала от оптической оси фотокамеры выбирается равным 0,5.
В такой фотокамере с зеркальной разверткой реализован способ изготовления ее фокальной рамки, включающий определение центра обработки поверхности фокальной рамки относительно центра вращения зеркала, входящей в конструкцию фотокамеры для формирования фокальной поверхности в виде цилиндра. Путем сравнения проекции цилиндрической поверхности фокальной рамки (поз. 8 на фиг. 2) с графической улиткой Паскаля (поз. 11 на фиг. 2), имеющих одинаковые радиусы развертки, определяют расхождение радиусов развертки по краям фокальной рамки с последующей оценкой нелинейности скорости развертки регистрируемых изображений. При изготовлении фокальной рамки, центр ее обработки совмещен с центром оси вращения зеркала О.
Данное решение является наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому способу.
Недостатком способа является то, что фокальная поверхность в фотокамере на рабочем угле развертки, равном 90°, выполнена в виде цилиндрической поверхности с центром, совпадающим с осью вращения зеркала, которая не совпадает с графической улиткой Паскаля. При зеркальной развертке отражающая поверхность зеркала не совпадает с осью вращения на половину толщины зеркала и поэтому скорость развертки по цилиндрической поверхности фокальной рамки неравномерна и меняется в пределах кадра: в самом начале кадра (при малых углах) скорость развертки больше на 0,5% от номинальной скорости, в середине кадра она равна номинальной скорости, а в самом конце кадра (при больших углах) она меньше на 0,5% от номинальной скорости. Этот эффект возникает из-за того, что изменяется радиус развертки: в самом начале кадра он на 0,5% больше чем в середине кадра, а в самом конце кадра он меньше на 0,5% чем в середине кадра. Неравномерность скорости развертки является источником погрешности измерений при исследовании быстропротекающих процессов.
Технической проблемой в фотокамерах с зеркальной разверткой является необеспеченность равномерной скорости регистрации оптического изображения.
Технический результат предлагаемого способа заключается в снижении погрешности результатов измерений за счет компенсации нелинейности скорости развертки в пределах кадра (рабочего угла поворота зеркала).
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления фокальной рамки в фотокамерах с зеркальной разверткой изображений, включающем определение центра обработки поверхности фокальной рамки относительно центра вращения зеркала, входящей в конструкцию фотокамеры для формирования фокальной поверхности в виде цилиндра, и последующую оценку нелинейности скорости развертки регистрируемых изображений путем определения расхождения радиусов развертки по краям фокальной рамки при сравнении проекции цилиндрической поверхности фокальной рамки с графической улиткой Паскаля, имеющих одинаковые радиусы развертки, новым является то, что, совмещая в максимальной степени проекцию цилиндрической поверхности с графической улиткой Паскаля, находят центр обработки поверхности фокальной рамки, который смещен относительно центра вращения зеркала, после чего по найденному смещенному центру изготавливают фокальную рамку, обеспечивая равномерность скорости развертки регистрируемых изображений в пределах кадра.
Совокупность перечисленных выше отличительных признаков формулы позволяет устранить влияние толщины вращающегося зеркала и реализовать номинальную скорость развертки не только в середине кадра, но и в его начале и в конце, тем самым нелинейность скорости развертки значительно уменьшается и не превышает ±0,033%, т.е. обеспечивается равномерная скорость развертки по всему кадру.
Рассмотрим реализацию предлагаемого способа на примере камеры скоростной фоторегистрирующей (КСФ). На фиг. 2 представлена оптическая схема зеркальной развертки двух фотокамер СФР и КСФ для трех положений зеркала, соответствующих началу (1), середине (2) и концу (3) кадра.
Позициями обозначены:
O - центр оси вращения зеркала;
а
- расстояние от оси вращения зеркала до его отражающей поверхности;
r - радиус развертки;
фп
R - радиус проекции цилиндрической поверхности фокальной рамки;
ω - угловая скорость вращения зеркала;
ϕ - угол поворота зеркала;
γ - углы развертки для начального (1), среднего (2) и конечного (3) положения зеркала;
1 - начальное положение зеркала;
2 - среднее положение зеркала;
3 - конечное положение зеркала;
4 - зеркало с осью вращения;
5 - отражающие поверхности зеркала;
6 - оптический затвор;
7 - объектив фотокамеры;
8 - проекция цилиндрической поверхности фокальной рамки СФР;
9 - смещенный центр обработки цилиндрической поверхности фокальной рамки КСФ.
10 - проекция цилиндрической поверхности фокальной рамки КСФ;
11 - участок графической улитки Паскаля.
а
фп
Устройство, реализующее способ, содержит объектив 7, вращающееся зеркало 4 с отражающей поверхностью 5 и центром оси вращения О, связанное с электроприводом и датчиком оборотов (на фиг. не показаны), а также оптический затвор 6, установленный по оптической оси объектива 7. Отражающая поверхность зеркала 5 не совпадает с осью вращения на половину толщины зеркала, равной 10 мм, и поэтому расстояние от оси вращения зеркала до его отражающей поверхности  составляет 5 мм. Радиус развертки r определяется параметрами зеркала и объектива и равен 234 мм. Радиус проекции цилиндрической поверхности фокальной рамки R равен 239 мм. Угловая скорость вращения зеркала ω измеряется датчиком оборотов.
Фоторегистрация фотокамерой осуществляется в пределах угла поворота зеркала на 45 градусов (от 22,5 до 67,5), а изображение формируется на поверхности фокальной рамки (кадре) в пределах 90 градусов (от 45 до 135). При этом длина кадра фотокамеры составляет 375 мм. В качестве светочувствительного носителя используют фотопленку или ПЗС-матрицу, которую заранее в темноте размещают на поверхности фокальной рамки.
Способ изготовления фокальной рамки в фотокамерах с зеркальной разверткой изображений реализуется следующим образом. Сначала определяют центр обработки поверхности фокальной рамки относительно центра вращения зеркала, входящей в конструкцию фотокамеры для формирования фокальной поверхности в виде цилиндра. При сравнении проекции цилиндрической поверхности фокальной рамки 10 с графической улиткой Паскаля 11, имеющих одинаковые радиусы развертки, определяют расхождение радиусов развертки по краям фокальной рамки и смещают центр обработки относительно центра вращения зеркала О таким образом, чтобы проекция цилиндрической поверхности 10 в максимальной степени совместилась с участком улитки Паскаля 11. После чего, по найденному смещенному центру 9 изготавливают фокальную рамку, обеспечивая равномерность скорости развертки регистрируемых изображений.
После изготовления фокальной рамки на корпус фотокамеры устанавливают электропривод с датчиком оборотов, объектив 7 и оптический затвор 6, затем стабилизируют скорость вращения зеркала 4 с помощью электропривода, и открывают оптический затвор 6 для прохождения оптического изображения на вращающееся зеркало 4. Далее, в пределах поворота зеркала на 45 градусов, осуществляют фоторегистрацию оптического изображения на светочувствительный носитель. Скорость вращения зеркала определяется датчиком оборотов, а скорость развертки рассчитывается по формуле 2 при условии, что cosϕ=1.
К настоящему времени данный способ реализован в конструкции фотокамеры КСФ с зеркальной разверткой и проведенные экспериментальные исследования показали, что заявленный способ обеспечивает получение равномерной скорости развертки регистрируемого оптического изображения. Нелинейность скорости развертки значительно снизилась и не превышает ±0,033% с вероятностью 0,95.