大畫幅等待式轉鏡分幅相機研制及應用＊

李 劍，汪 偉，肖正飛，尚長水，暢里華，劉寧文

（中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽621900）

轉鏡式高速相機由于具有畫幅尺寸大、畫幅數目多、空間分辨率高、能實現等待功能和覆蓋的攝影頻率段寬（104～107s－1）等特點，能對絕大部分超快過程進行研究［1－2］，因此仍然是爆轟物理研究領域不可缺少的重要實驗設備。雖然相關的設計理論和實驗技術仍在研究和發展［3－7］，但在提高空間分辨率和增大畫幅尺寸方面，還未見新的進展。而高空間分辨率的高速相機在實驗測試過程中，往往要求有較大的成像視場。基于此，研制了畫幅尺寸為30mm×18mm的等待式轉鏡分幅相機，畫幅總數達到80幅，幅頻范圍1×104～5×105s－1，實驗時能獲得更高空間分辨率的圖像。相機系統的高速轉鏡部件采用光纖傳感器系統實現轉速信號的產生和傳輸，能避免高速直流電機對轉速信號的干擾，確保測速的準確度。

1 相機設計

相機的設計采用三角形截面的三棱反射鏡等待掃描系統，基于Miller原理的經典設計理論，即用代替圓來替代Pascal曲線［8－9］。在經典設計理論中，同一代替圓不能同時滿足離焦最小原則、拍攝頻率的不均勻性最小的原則和共軸性最好的原則，只能根據實際的光學性能參數，折衷考慮三者的要求，以得到比較滿意的結果。而對于等待式分幅相機，對共軸性的考慮會更有意義，所以在代替圓的設計時，采用共軸設計理論［10－13］。另外，為提高相機的實用性和可靠性，采取了以下兩方面的措施：一是采用標準攝影物鏡接口，以適應不同拍攝視場和拍攝距離的需求；二是采用光纖傳感器系統來實現轉鏡信號的傳輸，避免了高速直流電機對轉速信號的電磁干擾，確保了轉鏡轉速測量的準確度。

相機的具體技術指標為，工作方式：等待；攝影頻率：1×104～5×105s－1；畫幅尺寸：空間方向30mm，掃描方向18mm；畫幅數量：上下2排共80幅；靜態目視分辨率：46mm－1；動態目視分辨率：35mm－1；視場角：4°×2.4°（主物鏡焦距為300mm 時）；接收底片：120底片；驅動方式：電機驅動。

1.1 光學系統設計

相機的光學系統如圖1所示。在整個相機的光學系統中，有4個成像關系。第1次成像是主物鏡1把被攝目標成像在視場光闌2上，此像經快開快門3，爆炸快門5和電磁快門6，由第2物鏡前組4和后組11，分兩路進入真空球罩16，成像在高速轉鏡17的反射面上，這是第2次成像。轉鏡為三面反射體，2路圖像經轉鏡不同的反射面，先后反射至上、下分幅透鏡14上，并依次在像面（膠片）13上成像，這是第3次成像。在光學系統的孔徑光闌處，置有兩排階梯光闌7，它經第2物鏡后組11后，成像在分幅光闌15上，組成相機的光快門，從而實現相機的分幅攝影，這是第4個成像關系。分幅相機的這種三次成像原理，有利于在相機中安置電磁快門、快開快門以及爆炸快門。

圖1 相機光學系統圖Fig.1 Optical system diagram of camera

相機的主物鏡采用標準攝影物鏡，設計了2種物鏡接口：Nikon接口和Canon接口，在實驗中應用了多種型號的標準物鏡，焦距100～1 200mm，均能滿足系統成像，應用效果良好。相機設計過程中的一些具體過程參數為，轉鏡鏡面尺寸為33mm×28mm，視場光闌12.5mm×20.9mm，第2物鏡放大率1.34，排鏡放大率1.1，總放大率1.47，掃描半徑353.97mm，圖像間距1mm，空間方向相對孔徑1／15，掃描方向相對孔徑1／35。

1.2 四心的選擇和代替圓的設計

四心指中間像中心、轉鏡中心、排鏡中心、底片中心，在計算過程中，中間像中心作為坐標原點，球罩的中心和排鏡中心重合。確定轉鏡旋轉中心坐標的依據是：在轉鏡工作角內有最大的信息量。在確定排鏡中心和底片中心時，分別采用共軸理論和控制離焦的方法［13－14］。本相機工作角θ范圍為6°～66°。選心結果為：中間像心（0，0），轉鏡中心（－6.76mm，－8.70mm），排鏡中心（－1.86mm，－1.5mm），底片中心（0.66mm，－7.72mm），排鏡代替圓半徑160.23mm，底片代替圓半徑358.84mm。

另外，該設計結果還很好地控制了Ψ角（排鏡光軸與經鏡面反射的軸向主光線之間的夾角），除頭2幅Ψ 值分別為0.24°和0.18°之外，其余Ψ 值全部小于0.1°。由理論設計結果可求出相機的原理性像移dl′和原理性離焦da′，不同工作角θ對應的像移曲線和離焦曲線如圖2所示，原理性像移及離焦對圖像分辨率N 的影響如圖3所示。由計算結果看出，只有頭尾2幅圖像的理論分辨率略低于30mm－1，絕大部分畫幅的理論分辨率都在35mm－1以上，原理性像移和離焦對像質沒有造成壞的影響。

1.3 快門系統

快門系統包括電磁快門、快開快門和爆炸快門。電磁快門是保護性快門，能減少底片灰霧度。快開快門采用自行研制的電涌式快開快門，由于相機畫幅的增大，光路中對快門系統通光口徑的要求有所增加。經實驗測定，增大口徑后的快開快門全部開啟所用時間約50μs，而當快門開啟一半時所用的時間為20μs，一般來講，當快開快門開啟到一半時，進入相機的光通量即可滿足相機進行有效的記錄。這樣，相機在使用5×105s－1的最高拍攝頻率進行工作時，仍有70幅的有效記錄幅數。

1.4 高速轉鏡

高速轉鏡裝置是轉鏡式高速相機的核心精密部件。轉速高低直接影響相機的拍攝頻率，其性能好壞直接關系到相機的結構、技術指標和成像質量。采用高強度鋁合金轉鏡，該材料的轉鏡具有工藝性好、極限破壞速度高、驅動功率低、變形系數不大、鏡面質量好和成本低等特點［14－15］。鋁合金轉鏡可用復制膜技術或鍍膜技術制成光學鏡面，鏡面可達一個光圈，反射率大于80%，膜層可承受750m／s以上的邊緣線速度。轉鏡傳感器首次采用了光纖傳感器，有效避免了高速直流電機對轉鏡信號的干擾。

一旦相機的各項參數確定，攝影頻率就只與轉鏡轉速有關。計算公式如下

式中：f為攝影頻率，s－1；n為轉鏡轉速，r／min；N′為畫幅總數，該相機中，N′＝80。選用的高速直流電機的額定最高轉速為3×104r／min，用低速轉鏡部件和高速轉鏡部件2個轉鏡系統來滿足1×104～50×104s－1的攝影頻率。低速轉鏡部件適用的攝影頻率為1×104～1×105s－1，相應的轉鏡轉速為2.5×103～2.5×104r／min，位于電機最高額定轉速以內，所以可以不用增速機構而直接驅動。高速轉鏡部件適用的攝影頻率為1×105～5×105s－1，相應的轉鏡轉速為2.5×104～1.25×105r／min，采用7倍增速的摩擦增速機構來實現轉速要求。

2 微機控制系統［16－17］

配備了自行研制的新一代微機控制臺系統，將計算機、電控柜、高壓單元等所有單元集成在一個機柜中，并且體積進一步減小，集成度和數據的顯示、輸出、處理自動化程度進一步提高，高速轉鏡光纖傳感器系統的應用和完善的抗干擾措施進一步增強了控制臺的抗干擾能力，保證了整個相機系統的正常運轉，經過1年多的考核和動態實驗，整個系統運行良好。控制臺的主要技術指標包括：測速精度±0.1%；穩速精度±3%；延時精度±0.1μs；一路0延時和三路1.0μs～1 000.0μs延時，以0.1μs間隔可調，延時輸出信號幅度大于10V，脈寬約10μs；高壓脈沖幅值11～12kV，脈沖前沿＜0.1μs。根據相機的具體情況，可控制相機工作于同步方式或等待方式下，根據使用要求，可控制單臺相機或2臺相機聯動拍攝，包括控制兩臺電動相機或者一電一氣兩臺相機聯動工作。

3 動態實驗

對爆轟過程進行了實驗記錄，相機拍攝頻率為2×105s－1，實驗得到了清晰的圖像，如圖4所示。實驗結果表明：相機的畫幅尺寸大、空間分辨率高，適用于沖擊、爆轟和彈體姿態的拍攝。此外，該相機還應用于多項重要實驗中，均得到了很好的實驗結果。

圖4 爆轟實驗結果Fig.4 Results of a detonation experiment

4 結 論

該相機和其他型號的轉鏡分幅相機相比，具有以下3點技術進步，并在動態實驗中得到了驗證：

（1）相機的畫幅尺寸達到了30mm×18mm，是目前國內轉鏡式高速相機中幅面最大的，應用于爆轟、碰撞等研究測試中，可獲得更多的空間信息量；

（2）先進的光學設計、像差校正技術和精密調試工作，保證了相機在實現30mm×18mm國內最大畫幅的前提下，仍能具備高的靜態和動態分辨率，達到同類相機分辨率的先進水平；

（3）采用轉鏡信號光纖傳感器系統，避免了高速直流電機對轉鏡信號的干擾，提高了轉鏡轉速的測量準確度。

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