УСТРОЙСТВО ФОТОГРАФИЧЕСКОЕ С ИЗМЕНЯЕМЫМ НАПРАВЛЕНИЕМ ФОТОГРАФИРОВАНИЯ, УПРАВЛЯЕМОЙ ВЕЛИЧИНОЙ ПОЛЯ ЗРЕНИЯ И МАСШТАБА ФОТОГРАФИРОВАНИЯ
PHOTOGRAPHIC DEVICE WITH VARIABLE DIRECTION OF PHOTOGRAPHING, CONTROLLED VALUE OF FIELD OF VIEW AND SCALE OF PHOTOGRAPHY

Устройство фотографическое предназначено для получения широкозахватных снимков с возможностью управления величиной углового поля зрения и изменяемым масштабом фотографирования для отдельных участков (зон) снимка и может быть использовано при дистанционном зондировании Земли, в частности при аэрофотосъемке земной поверхности, а также для фотограмметрии, мониторинга обширных пространств и протяженных объектов, крупномасштабных топографических съемок и проектно-изыскательских работ.
Фотографические устройства с многокамерной структурой известны с 1898 г. (Шершень А.И., М., Издательство геодезической литературы, 1958 г. - С. 9, 18, 19). Известны также, многокамерные устройства для фотографирования с использованием оптико-электронных фотоприемников, в том числе и с мозаичной организацией поля зрения (Digital Airborne Camera, Rainer Sandau, Springer Science + Business Media B.V. 2010, Springer Dordrecht Heidelberg London New York, ISBN 978-1-4020 8877-3, - c. 29, 30, 307-309, 314-315). Однако в известных устройствах использованы объективы с постоянным фокусным расстоянием, в конструкции нет механизмов, позволяющих изменять поле зрения отдельных фотокамер и всего устройства в целом. Единственным средством изменения масштаба фотографирования в этих устройствах является изменение расстояния до объекта наблюдения.
Известен фотоприемник, описанный в патенте РФ №2518365, МПК G03B 37/04, опубликованном 10.06.2014 г., в котором фотоприемник предназначен для получения единых цифровых фотоизображений мозаичного типа. Фотоприемник включает оптическую систему, содержащую, по меньшей мере, два объектива, и расположенный на ее фокальной поверхности фоточувствительный прибор в виде соответствующих числу объективов групп цифровых фоточувствительных матриц. Матрицы каждой группы расположены в ряд с промежутками. В первом варианте промежутки не превышают произведения числа эффективных пикселей на размер пикселя одной матрицы по оси ее симметрии, ориентированной вдоль ряда, умноженного на количество групп минус один. Группы матриц расположены параллельными рядами. Матрицы одной группы смещены относительно матриц другой группы вдоль направления их ряда на величину, не превышающую максимального промежутка между матрицами в ряду. Во втором варианте матрицы каждой группы расположены в ряд с промежутками вдоль оси, на которой лежат одноименные оси симметрии матриц. 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.
Наиболее близким аналогом является способ и устройство для его осуществления, описанные в патенте РФ №2498378, МПК G03B 37/04, опубликованном 10.11.2013 г., в котором происходит фотографирование поверхности несколькими оптико-электронными фотоприемниками с частичным перекрытием получаемых субкадров, образующих кадр центральной проекции в виде полосы, ориентированной длинной стороной поперек направления движения носителя, получение кадров по мере движения носителя с их частичным перекрытием между собой и последующее объединение кадров в единое изображение. Субкадры получают, фотографируя поверхность под углом к вертикали, последовательно увеличивающимся к концам полосы, причем все фотоприемники экспонируют одновременно. Устройство включает фиксирующее приспособление, в котором жестко закреплены не менее двух оптико-электронных фотоприемников таким образом, что проекции их оптических осей на вертикальную плоскость находятся под углом к вертикали, однонаправленно изменяющимся от фотоприемника к фотоприемнику на величину меньше проекции угла поля зрения фотоприемника на указанную плоскость. Проекции оптических осей фотоприемников на другую вертикальную плоскость, перпендикулярную первой, составляют между собой угол не более 50% от проекции угла поля зрения фотоприемника на эту плоскость.
Задачей данного изобретения является повышение эксплуатационных характеристик.
Технический результат изобретения заключается в увеличении угла поля зрения при сохранении высокого качества изображения в сочетании с возможностью изменения направления фотографирования, изменения величины угла поля зрения, изменения зоны перекрытия полей зрения фотоприемников и масштаба фотографирования при неизменном расстоянии до объекта наблюдения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве фотографическом с изменяемым направлением фотографирования, управляемой величиной поля зрения и масштаба фотографирования, состоящем, по крайней мере, из двух фотокамер, каждая из которых выполнена, по крайней мере, из одного объектива и не менее чем из одного фотоприемника, и при этом фотокамеры установлены в фиксирующем устройстве, элемент конструкции которого выполнен в виде базовой плоскости, причем оптические оси объективов расположены перпендикулярно и/или под углом к базовой плоскости, и при этом обеспечено суммирование полей зрения фотоприемников при одновременном экспонировании всех фотоприемников, в отличие от известного, по крайней мере, одна фотокамера установлена с возможностью изменения наклона относительно базовой плоскости и изменения положения оптической оси объектива/объективов, входящих в ее состав, относительно базовой плоскости, причем изменение наклона фотокамеры/фотокамер выполнено таким образом, что при увеличении разности углов наклона фотокамер обеспечено увеличение суммарного поля зрения устройства и/или обеспечено уменьшение углового перекрытия полей зрения фотоприемников, и при этом при уменьшении разности углов наклона фотокамер обеспечено уменьшение суммарного поля зрения устройства и/или обеспечено увеличение углового перекрытия полей зрения фотоприемников.
Кроме того, не менее чем в одной фотокамере объектив/объективы и/или фотоприемник/фотоприемники могут быть установлены с возможностью перемещения относительно оптической оси объектива, в том числе и вдоль оптической оси, и не менее чем в одной фотокамере, по крайней мере, один из объективов может быть выполнен с переменным фокусным расстоянием, а фотоприемник или фотоприемники могут быть выполнены в виде оптико-электронного прибора и/или фотопленки.
В качестве примера на фиг. 1 приведена схема устройства фотографического с изменяемым направлением фотографирования, с управляемой величиной поля зрения и масштаба фотографирования, состоящего из четырех фотокамер.
На фиг. 2, 3, 4, 5 изображена схема работы устройства при изменении направления фотографирования и угла поля зрения.
Фиг. 6 и 7 содержат схему работы устройства при изменении фокусного расстояния.
Устройство фотографическое с изменяемым направлением фотографирования, управляемой величиной поля зрения и масштаба фотографирования (фиг. 1) состоит из четырех фотокамер 1, 2, 3, 4. Фотокамера 1 состоит из объектива 5, фотокамера 3 состоит из объектива 6, фотокамера 2 состоит из объектива 7, фотокамера 4 состоит из объектива 8. При этом каждая фотокамера состоит из фотоприемников, например фотокамера 1 состоит из фотоприемников 9, 10, 11, фотокамера 3 состоит из фотоприемников 12, 13, 14, 15, фотокамера 2 состоит из фотоприемников 16, 17, а фотокамера 4 состоит из фотоприемников 18, 19, 20, 21. Кроме того, каждая фотокамера включает в себя не показанные на чертеже устройства:
устройство разворота фотокамеры относительно базовой плоскости В;
устройство изменения фокусного расстояния объектива (для варианта с объективами с переменным фокусным расстоянием);
устройство изменения расстояния между объективом и фотоприемником/фотоприемниками;
устройство перемещения фотоприемника и/или фотоприемников в плоскости, перпендикулярной оптической оси соответствующего объектива.
С помощью указанных устройств производится разворот каждой из фотокамер 1, 2, 3, 4 и изменение взаимного положения соответствующего каждой фотокамере объектива 5, 6, 7 или 8 и фотоприемников 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 в каждой фотокамере 1, 2, 3, 4 таким образом, чтобы пространственные углы поля зрения каждого из фотоприемников 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 суммировались с углами поля зрения остальных фотоприемников. В результате на каждом фотоприемнике 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 получаются изображения отдельных частей объекта 22, причем эти изображения дополняют друг друга и в сумме образуют изображение более обширной области объекта 22. Каждый из фотоприемников 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 или 21 оптически сопряжен с частью объекта 22, которая не воспроизводится на остальных фотоприемниках. Части объекта 22, связанные с отдельными фотоприемниками, на фиг. 1 обозначены штриховкой. Такой же штриховкой отмечена эффективная площадь фотоприемника, содержащая изображение данной части объекта 22. Незаштрихованная зона фотоприемника содержит изображение участков объекта 22, которые охватываются полем зрения, соответствующим двум или более фотоприемникам. Части изображений, воспроизводящие одинаковые участки объекта 22, характеризуют зону перекрытия изображений. Размер зоны перекрытия определяется углами разворота фотокамер и перемещением фотоприемников. При этом все фотокамеры конструктивно объединены корпусом фиксирующего устройства 23 с базовой плоскостью В, относительно которой осуществляется измерение углов наклона фотокамер.
Работа устройства рассматривается на примере взаимодействия двух фотокамер в плоскости, проходящей через центры проекции этих фотокамер перпендикулярно базовой плоскости В.
1
2
В исходном состоянии (фиг. 2) устройство производит фотографирование в выбранном направлении, для чего фотокамера 1 с объективом 5 и фотоприемником 10 и фотокамера 2 с объективом 7 и фотоприемником 17 с помощью механизма разворота, не показанного на чертеже, развернуты на углы соответственно φ и φ относительно базовой плоскости В.
При этом положении фотокамер 1 и 2 поле зрения фотокамеры 1, определяемое объективом 5 и фотоприемником 10, суммируется с полем зрения фотокамеры 2, определяемым объективом 7 и фотоприемником 17, таким образом, что между указанными полями зрения образуется зона перекрытия, характеризуемая тем, что участок 24 объекта 22 (показанный на фиг. 2 в виде центральной проекции на плоскость С, параллельную базовой плоскости В) отображается обеими фотокамерами на фотоприемниках 10 и 17 в пределах зон 24′ этих фотоприемников.
Выбор размера зоны перекрытия полей зрения определяется задачами фотографирования, в зависимости от которых зона перекрытия может занимать часть поля зрения, все поле зрения, равняться нулю или иметь отрицательные значения, что соответствует разрыву полей зрения для данных фотоприемников и отсутствию на них изображения одного и того же участка объекта. Линейный размер зоны перекрытия А зависит от разности углов разворота фотокамер и геометрических соотношений между положением центров проекции и плоскостей изображения, а угловой размер суммарного поля зрения α определяется углами поля зрения фотокамер 1 и 2 и разностью углов разворота фотокамер относительно базовой плоскости В:
11
22
α=β+β+Δφ,
2
1
21
1
1
12
А=(R+r)·ctg(φ+Δφ-β)-(R+r)·ctg(φ+β)-b,
где R - расстояние от базовой плоскости В до плоскости проекции С, параллельной базовой плоскости В;
1
r - расстояние между центром проекции фотокамеры 1 и базовой плоскостью В;
2
r - расстояние между центром проекции фотокамеры 2 и базовой плоскостью В;
b - проекция расстояния между центрами проекции фотокамер на базовую плоскость В;
2
1
Δφ=φ-φ;
1
φ - угол разворота фотокамеры 1 относительно базовой плоскости В;
2
φ - угол разворота фотокамеры 2 относительно базовой плоскости В;
11
12
β, β - угловое положение крайних лучей, определяющих поле зрения фотокамеры 1, относительно оптической оси объектива 5 фотокамеры 1;
21
22
β, β - угловое положение крайних лучей, определяющих поле зрения фотокамеры 2, относительно оптической оси объектива 7 фотокамеры 2;
11
β - угол между проекцией оптической оси фотокамеры 1 на плоскость, проходящую через центры проекции фотокамер 1 и 2 перпендикулярно базовой плоскости В (плоскость фиг. 2 в данном примере), и проекцией на эту же плоскость луча, исходящего из центра проекции фотокамеры 1 и приходящего на фотоприемник 10 фотокамеры 1 с наименьшим углом наклона к базовой плоскости В;
12
β - угол между проекцией оптической оси фотокамеры 1 на плоскость, проходящую через центры проекции фотокамер 1 и 2 перпендикулярно базовой плоскости В (плоскость фиг. 2 в данном примере), и проекцией на эту же плоскость луча, исходящего из центра проекции фотокамеры 1 и приходящего на фотоприемник 10 фотокамеры 1 с наибольшим углом наклона к базовой плоскости В;
21
β - угол между проекцией оптической оси фотокамеры 2 на плоскость, проходящую через центры проекции фотокамер 1 и 2 перпендикулярно базовой плоскости В (плоскость фиг. 2 в данном примере), и проекцией на эту же плоскость луча, исходящего из центра проекции фотокамеры 2 и приходящего на фотоприемник 17 фотокамеры 2 с наименьшим углом наклона к базовой плоскости В;
22
β - угол между проекцией оптической оси фотокамеры 2 на плоскость, проходящую через центры проекции фотокамер 1 и 2 перпендикулярно базовой плоскости В (плоскость фиг. 2 в данном примере), и проекцией на эту же плоскость луча, исходящего из центра проекции фотокамеры 2 и приходящего на фотоприемник 17 фотокамеры 2 с наибольшим углом наклона к базовой плоскости В.
При смене направления фотографирования (фиг. 3) фотокамеры 1 и 2 с помощью механизма разворота устанавливаются относительно базовой плоскости В соответственно на углы
где
- дополнительные развороты соответственно фотокамеры 1 и фотокамеры 2 относительно базовой плоскости В.
4
3
2
1
На фиг. 3 показан вариант смены направления фотографирования, при котором дополнительные развороты  равны друг другу, то есть  (что эквивалентно развороту всего изделия). В этом случае разность углов наклона фотокамер относительно базовой плоскости В остается равной исходной величине (φ-φ=φ-φ), поэтому также сохраняются исходные угловой размер суммарного поля зрения и угловой размер перекрытия. Однако линейный размер зоны перекрытия меняется. Зона перекрытия полей зрения соответствует участку 25 объекта 22 с проекциями этого участка 25′ на фотоприемниках 10 и 17. Для сравнения показан размер общего участка объекта 22 в зоне перекрытия 24 при исходном положении устройства (фиг. 2). Из результатов сравнения видно, что участок 25 превосходит размер участка 24, причем изображение участка 25 на фотоприемнике 10 (проекция 25′) занимает большую часть этого фотоприемника, что в ряде случаев фотографирования снижает эффективность суммирования полей зрения фотокамер.
3
5
4
На фиг. 4 показан вариант управления величиной перекрытия за счет разворота фотокамер на разные углы, при котором в условиях фотографирования, показанных на фиг. 3, фотокамера 1 развернута на тот же угол φ, а фотокамера 2 развернута на угол φ, меньший угла φ на фиг. 3. В результате этих действий размер зоны перекрытия 26 (фиг. 4) уменьшен до размера зоны 24, то есть до величины, выбранной для исходных условий фотографирования (фиг. 2). При этом увеличена эффективность использования фотоприемника 10 за счет соответствующего уменьшения изображения участка 26 (проекция 26′).
3
4
В другом варианте управления величиной перекрытия (фиг. 5) аналогичный результат достигается с помощью механизма перемещения фотоприемника 17 фотокамеры 2 в положение 17′. Сами фотокамеры 1 и 2 развернуты соответственно на углы φ и φ, которые определяют положение фотокамер в условиях фотографирования, изображенных на фиг. 3. Смещение фотоприемников обеспечивает также возможность управления полем зрения в тех случаях, когда дополнительные развороты фотокамер 1 и 2 приводят к недопустимому рассогласованию полей зрения других фотоприемников данной фотокамеры.
Пример работы устройства при увеличении масштаба фотографирования за счет увеличения фокусного расстояния объектива показан на фиг. 6 и 7.
Направление фотографирования и исходное состояние фотокамер на фиг. 6 и 7 соответствует начальным условиям, показанным на фиг. 2.
6
1
6
При изменении фокусного расстояния объектива, например объектива 5 в фотокамере 1 (фиг. 6, положение 5′ для объектива 5), для сохранения качества изображения фотографируемого объекта 22 фотоприемник 10 с помощью устройства перемещения фотоприемника 10 устанавливается в положение 10′. Вследствие изменения расстояния между объективом 5 и фотоприемником 10 поле зрения, соответствующее фотоприемнику 10, также меняется. В рассматриваемом примере оно уменьшается, и уменьшается зона перекрытия, в результате чего размер общего для фотокамер 1 и 2 участка объекта 22 уменьшается от исходного размера 24 (фиг. 6) до размера 27 с проекциями 27′ на фотоприемниках 10 и 17 (фиг. 6). Так как такое уменьшение перекрытия может иметь неприемлемые для целей фотографирования величины, в предлагаемом устройстве обеспечивается разворот фотокамеры 1 на угол φ, больший исходного угла φ (фиг. 7), в результате чего оптическая ось объектива 5′ устанавливается в положение, определяемое углом φ, а фотоприемник 10 занимает позицию 10′′. Эти действия восстанавливают зону перекрытия до исходного размера 24 (фиг. 7).
Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечивается увеличенный угол поля зрения при сохранении высокого качества изображения в сочетании с возможностью изменения направления фотографирования, изменения величины угла поля зрения, изменения зоны перекрытия полей зрения фотоприемников и масштаба фотографирования при неизменном расстоянии до объекта наблюдения.