Оптика и оптические приборы в ракетомоделизме.

Наверняка не ошибусь, если скажу, что получение видео и фото картинок стартов и полетов с земли и с борта - важная и интересная часть ракетомодельного хобби.
Пользуясь стандартными (ныне цифровыми) фото и видео камерами можно получить классные кадры, а можно и не получить
Причины разные, часть из них - оптические.
Вот их и предлагаю обсуждать в этой теме.

Вступление закончил .

А теперь по делу.
Для того, что бы получить видео на больших высотах, нужен хороший объектив. Обычные камеры - зум 10 -15. Больше редко.
О том, что при таком зуме ничего не снять не только с рук, но и со штатива, я пока молчу.
Эти камеры хороши для съемок стартов, друг друга, пьянки после старта.
Для съемки на высоте 5 км нужно городить самодельное устройство.
Например, берем веб-камеру, откручиваем все что можно, ставим хороший объектив.
Вроде, все просто.
Но не совсем.
Размеры нынешних матриц в веб камерах - 1/3-1/4 дюйма (дюймы условные, к настоящим отношения не имеют). Больше - есть, но уже в приличных фотиках, с ценой в несколько раз больше.
С одной стороны - это хорошо, зум автоматически увеличивается в n раз (для 1/3 - n=6,66 относительно 35 мм пленки)
То есть беру я свой старый МТО500 с фокусным 550мм (это 11 кратный зум ) получаю 66 кратный. Почти телескоп.
НО.
Разрешающая способность его - 24 (по памяти) лин/мм. При ширине матрицы 4,8 мм это меньше 120 точек (матрица 640х480).
Светосила пропорционально уменьшается (не знаю как посчитать, по площади, что ли?) Исходная диафрагма 5,5.
Может, в ясном небе этого и хватит, но разрешения - явно нет.
Перебирая (теоретически) все имеющиеся у меня обьективы от 35 мм фото и 16мм кино камер, прихожу к печальному выводу, что они все как то не подходят, более того, не подходят и объективы, которые можно купить.

Собственно вопрос. А может использовать подзорную трубу? Убрать окуляр, в фокальную плоскость вставить матрицу?
Или я чего то не понимаю, может там размер рабочей зоны мал?

Светосила не изменяется от размера кадра Так что освещённость матрицы будет достаточной. Это раз.

В нынешних веб-камерах размер матрицы не 1/3...1/4, а 1/6...1/8 тех самых условных дюймов. Так что поле зрения будет ещё в два раза меньше, чем ты посчитал. Хватит ли? Это два.

Чтобы увеличить разрешающую способность, а заодно светосилу и поле зрения, нужно всего-навсего снять заднюю отрицательную линзу с МТО. Фокусное при этом уменьшится до 0,7 исходного значения, светосила настолько же возрастёт, а разрешающая способность в центре кадра вырастет вдвое, а то и втрое. Правда, рабочий отрезок уйдет, да и фиг с ним, всё равно к веб-камере новую оправу делать. Это три.

Методика определения разрешающей способности занижает её по сравнению с визуальной, к тому же циферки приведённые соответствуют краю кадра, а в центре заметно больше, так что ты зря боишься. Это четыре.

Для того, чтобы при таком маленьком угловом поле зрения (у МТО-500 оно и на штатном-то кадре всего пять градусов по диагонали, а с веб-камерой будет меньше градуса) не терять ракету из виду, нужен хороший, массивный штатив, с жидкостной головкой, маховичковым управлением - и, главное - оптическим визиром, т.е. искателем. Почти что кинотеодолитная установка. Впрочем, мы, собственно, и хотим что-то подобное получить.

Я бы взял Юпитер-11, причём, лучше, видимо, от дальномерки, и строил камеру вокруг него, тогда можно обойтись прикладом от фоторужья. Поле зрения будет градуса два с половиной-три, т.е. как у МТО при штатном использовании... Тогда есть надежда, поставив оператора метрах в 300 от пусковой, снять видео с приличным качеством от старта до раскрытия парашюта.

Согласен с Андреем. Вообще-то наши прекрасные Максутовские обьективы МТО-500 и МТО-100 выпускаются как фотографические, на размер кадра 36х24 с задним отрезком (расстояние от плоскости последней линзы до фокальной плоскости, совпадающей с плёнкой. То есть их можно использовать с любой малоформатной фотографической камерой. Я снимаю иногда (дальние пейзажные планы) отечественным Зенитом со старым Цейсовским 300 мм обьективом. С кодаковской пленкой ИСО 200-400 получаются великолепные снимки. Раскрытие парашюта на 800 м высоте снимал своей Sony Mavica с 16х обьективом. Ну а такую камеру можно было бы смонтировать на базе старой фотокамеры (у неё прочный корпус с резьбами, пригодными для стыковки с обьективом и штативом) установив плату с CCD матрицей WEB cam на место лентопротяжного устройства. В этом плане механика фоторужья смотриться готовой для её монтажа. Кроме МТО 500 и Юпитер 11 (Ф = 133 мм) из советских годятся также Индустар 23 (110 мм), Индустар 51 (210 мм), Орион Р (100), Таир 3 (300 мм).
Отдельно по МТО-1000. В июле в Москве купил такой обьектив Лыткаринского завода(Фототовары на Ленинском) за 7200 руб (230USd!!!). Из него легко монтируется прекрасный телескоп с увеличением 50-100*. С балкона здания на метро Кропоткинская прекрасно видны подсвеченные окна (с деталями) в общаге на верхних этажах МГУ... Дистанция по карте - 5 км... Полная луна (0.5º) полностью входит в поле зрения с 10х окуляром. То есть с таким обьективом на высоте 5 км ракету 2.5 м вы будете видеть ясно и с высоким разрешением. Знаю, что 4 года назад МТО можно было купить на заводе за 50% цены. Это один из лучших и наиболее известных в мире обьективов. В Аргентине стоит 1200-1500 баксов. Для сравнения - японские того же класса -$5000-7000.
Штатив можно подобрать готовый от телескопа с ведением. А вот что необходимо иметь (из опыта астрономических наблюдений с телескопами) так это хороший бинокль, лучше 20х... Его можно совместить на штативе с осью камеры и использовать для грубого поиска обьекта. Все же стереоскопическое зрение.
Лучше, конечно, было бы сделать дополнительный механизм постоянной фокусировки от конечной дистанции до бесконечности для сопровождения уходящей вверх ракеты. Но попробовать можно и так. Опытный оператор, захватив обьект на соответствующем контрастном фоне, будет его вести до апогея без проблем. Удачи.

Посидел, посчитал.
В чем то был не прав .

Будем говорить не об увеличении, а об угле зрения.
Какой угол оптимален.
Не верю я, что с углом в 0,5град можно что то сопровождать вручную или со штатива.
Да и автоматически навести с такой точностью чем?.
С другой стороны при большом угле ничего не будет видно.

Решил зайти сзади

Пусть 5 км высота (для начала) Пусть при матрице 640х480 ракета в 2 метра будет занимать десять пикселей (сбоку, при перевороте ). Не много, но уже можно определить переворот, разделение, парашют...
Получается угол зрения 1,5-2 град.

При размере сенсора 1/6" это получается 90-100 мм фокусного расстояния.

Посмотрел, что у меня есть. Есть только Гелиосы Индустары с 2х кратным конвертером (100-120мм), МТО500 (много слишком), есть Метеор 5, но там только 70, зато 4х кратный трансфокатор и диафрагма 1,9.

Кстати, МТО1000 у нас на базаре (старый, но хороший) за 150 ю.с.д.

Вывод (для меня), надо сделать бокс с матрицей веб камеры под 42 резьбу с рабочим отрезком 45,5.
Объективы не курочить, попробовать на разрешение.
Начать с Метеора5. У него разрешающая способность однозначно лучше зеркальных объективов. Наличие трансфокатора может упростить задачу при больших угловых скоростях объекта.

Вполне разумно. Сам всё и придумал. Я тебе не зря привёл пример с МТО 1000 и Университетом. То есть в линейном поле зрения окуляра (8 мм), совпадающим с размером зрачка с дистанции 5 км были видны несколько окон и часть стены здания (10х10 м?). Прикинь на их фоне твой ярко освещённый обьект (ракету), а затем серый фон убери и поставь синий фон неба (в облаках снимать всё равно не получится). В общем-то условия контраста хорошие и повышают реальное разрешение, но, как ты справедливо заметил - как не потерять или найти снова ракету в таком узкоугольном поле зрения. В общем-то поля зрения в реальных обективав ограничены полевыми диафрагмами. Их можно было бы поменять, но лучше в оптику не лазить. Попытаться можно уменьшить рассеянный свет (а именно о нём идет речь в случае, когда поле зрения обьектива больше линейного размера приёмника) блендой и диафрагмированием входного зрачка при калибровках. Влияние "смаза" из-за инертности матрицы WEB cam может и не проявится из-за малого угла сьёмки в зените. Ну а при сьёмке на этапе парашютного спуска таких проблем уже возникнуть не должно. А МТО-1000, особенно советской сборки за 150 баксов я бы просто купил как старую картину. Лет через 20 будет стоить в 100 раз дороже (а может и больше)

Промышленные кинотеодолитные установки с 35-мм камерами имеют поля зрения и меньше полуградуса, только там обученный боец маховички крутит, а педалями еще и мотором управляет. А ещё у него визир со сменным увеличением есть.

Как-то ведь снимали перехват боеголовки Р-5 противоракетой В-1000...

На последнем МАКСе с полчаса общался с мужиком, который был старший на апааратной слежения или сопровождения (не знаю как назвать).
Фирма как то хитро называется. Типа " Технологическое обеспечение космонавтики" или что то похожее. Аппаратная стояла левее главных трибун ближе к медикам.
Возможно, такая была не одна, отслеживала полеты (видео на больших экранах).
На платформе было 2 телескопа, оптический - диаметром ок.500мм и инфракрасный. Чем наводилась платформа что то не спросил.
Но дальность оптического сопровождения - 25 км.
Инфракрасного - вдвое дальше.
Когда я ему рассказал про Сатурн и видео на расстоянии более 100 км - он развел руками.
Теперь думаю - мало расспросил, и все не то, мало в аппаратной посидел.

Лучший вариант ручной (в смысле - неавтоматизированной) наводки кинофототеодолита, который я видел - это манипулятор орудийной наводки, управляющий электроприводы горизонтального и вертикального перемещения. Правда, и делалось это на базе лафета экспериментальной 30 mm буксирной зенитки

Так там тренированный оператор мог захватить цель в градусном (около) полезрении - 1000 mm на кинокадре (18х24).

Наводка - 12х стереотрубой.

Тады уж надобно Виолу или аналогичное
Кстати на КМЗ есть (были) киносъемочные объективы ОКС-1000 с чем-то там... для кадра 16 мм, ЕМНИП. И на их сайте инфа была.
Я так понимаю это такие же как те которыми "Кузькину мать" снимали.

Давайте посчитаем Допустим, оператор стоит от старта в 300 метрах. Скорость ракеты, допустим, 250 метров в секунду, это значит, что угловая скорость порядка радиана в секунду, т.е. 50 градусов в секунду. Реакция человека (обычного) порядка 0,2 секунды. Значит, поле зрения должно быть не меньше 50х0,2=10 градусов по вертикали, т.е. 16 по диагонали, иначе оператор не удержит ракету в поле зрения. Лучше ещё раза в полтора больше, потому что тренировок будет мало. Хотя можно наделать кучу одноразовых ракет с двигателями из гильз, чтоб тренировать оператора

Ладно, переходим ко второму пункту. Размер ракеты пусть 1 метр. Тогда на старте, с 300 метров, она будет размером 1/300 радиана, т.е. примерно 1/6 градуса, или 1/60 поля зрения. То есть, для веб-камеры это уже меньше 10 пикселей Что уж говорить о подъёме на пять километров...

Значит, нужен визир, поле зрения которого - искомые 10-16 градусов, и в котором обозначены границы кадра веб-камеры. Поле зрения самой камеры должно быть порядка двух-трех градусов. Визир и камера должны быть механически связаны. Волей-неволей нужно городить "двухстволку".

Таки сайл Лыткаринского завода. Прайс лист и интернет-магазин имеются!

Знакомый заводик...
Три года там отработал.

Не-а... Все гораздо интереснее. Институт я закончил всего год назад, окончание института совпало с добровольным увольнением. Решил работать по специальности - я синтетик, а травильные растворы - немного не то...

Расколупал просенькую веб камеру размером 40хD15.
Объектив там - смешно смотреть.
Но матрица не очень маленькая, где то 4х3.
640х480.

А вот другой сенсор.
С камеры, что летала
Матрица побольше .
1280х9хх(не помню)
Так что 1/6 и 1/8 дюйма что то не нашел.

5 мм диагональ - это 1/9 от диагонали 35-мм негатива. Соотв, поле зрения по диагонали для 133 мм объектива будет 2⁰ 9'

Вообще, непосредственное измерение размера матрицы даёт поле зрения с любым известным объективом

Да, а шаг выводов какой у этих матриц? 1,27 мм? или меньше?

Для проверки разрешения системы сенсор веб-камеры - объектив сделал сложную экспериментальную установку

Хотя есть у меня хорошая оптическая скамья, но надо, чтобы все собиралось в нужном месте, в нужное время... А на дворе дождь...

В качестве калибровочной таблицы взял одну из украинских купюр

Фото с расстояния 1,8м. Надпись про собор - высотой 1мм.
Это где то 11 пикселей.
То есть такой размер может иметь ракета высотой 2 м при перевороте на 3,6км.
Вроде неплохо, дело за ракетой

Объектив 58мм с 2х кратным телеконвертором - 116 мм фокусное.

Разрешение, конечно, говно. Вина ли в этом объектива?
Второе фото - то же, отсканированное.

Не совсем в тему, но все же ...

На сайте CANONa у цифровой фотокамеры Canon Digital IXUS 50 (5М, 1/2.5') есть фраза:
"Можно снимать видеоклипы длительностью до 1 минуты со скоростью 60 кадров в секунду для плавного замедленного просмотра в камере. "

Вот вопрос и возникает: если делать автоматическое отслеживание объекта (0.2с реакции у человека - это оптимистичная оценка, но и это - слишком много), какую максимальную кадровую частоту можно получить с матрицы?
И насколько это вообще реализуемо?

Некоторые данные по геометрии матричных приёмников:
1"--> диаг. - 14.9 мм; верт.- 8.9 мм; гориз.- 11.9 мм.
2/3"--> 11.0; 6.6; 8.8 мм.
1/2"--> 8.1; 4.9; 6.5 мм.
1/3"--> 6.0; 3.6; 4.8 мм.
35 мм Фильм: 43.3; 24; 36 мм.
Три типа обьективов рекомендованы к использованию: "C" - (F=17.5 мм), резьба 1" 32 t/inch,(1/2-1/3"); "U" - (F=47.5 мм), М42х1,(1"-35мм); "L" - специальные с фиксированным фокусом для увеличителей, М39х1, (2-1/42 по полю)
То есть выбор обьектива определяется линейными размерами приёмника. Вы не можете требовать от малопольного матричного приёмника, коим является приёмник WEB камеры
удовлетворительного разрешения, используя светосильный обьектив с нестандартным фокусным расстоянием... У Гелиоса 44 угловое поле 40º, фотографическая разрешающая способность в центре - 46 мм-1(отсюда можно посчитать минимальный размер пикселя).
В макете, сделанном RLANом использована картонная бленда. Она может давать (и даёт) рассеянный свет, который понижает контраст и разрешющую способность, и так не высокую. Также в обязательном порядке нужно лимитировать поле зрения используя диафрагменные числа выше 5.6. Тогда повысится контраст изображения, но упадёт освещённость. Для уменьшения рассеянного света в плоскости матрицы я бы порекомендовал вклеить пару диафрагм и покрасить все внутренние поверхности чёрной матовой краской, обработав их шкуркой, или оклеить бархатом. Для определения разрешющей способности лучше бы использовать штриховую стандартную миру, которая имеет ряд штрихов как в горизонтальном так и в вертикальном направлении, позволяющем точнее калибровать систему. Её можно найти в книгах по оптике(Например: В.А.Афанасьев. Оптические измерения.М.1981) То есть простое увеличение фокусного расстояния обьектива не может дать желаемых результатов без выполнения других обязательных условий построения оптической системы.
Прикладываю снимок миры. Увеличенная (1х1м2) мира использовалась для калибровки камеры для спутника. Камера была переделана из КОДАК f` = 40 мм. А=2.8...

Внимательно изучив все замечания, сделал выводы

Вот новая установка и новый результат.
Фокусное - 200 мм (Юпитер 21М) и 400 мм - то-же, с конвертером.
Угол - где то 1,2град и 0,6град.
Расстояние - 1,8 м (правда, не знаю от какой точки мерять, это расстояние от матрицы до "объекта").
Такой маленький угол зрения уже требует супер стабилизации.
Вибрации видны без всяких воздействий на систему.
А веб камера это усугубляет, размазывая и без того не очень четкие изображения.
Кроме того - малая чувствительность по красному цвету и вообще хреновая цветопередача.