超高速摄影用高强度铝合金转镜动态特性的研究

    0　引言

　　分析表明,到目前为止,转镜型超高速摄影机由于在大画幅数、大画幅尺寸、高空间分辨率和可靠性等所具有的优势,在每秒几十万到几百万幅摄影频率段依然是最佳选择,而这个摄影频率所能研究的瞬态现象约占超高速现象的大部分1,2.画幅尺寸、空间分辨率、摄影频率和记录时间(画幅数)构成了高速摄影的总信息量(空间信息量和时间信息量的乘积),而前三者的乘积则是高速摄影的信息容量3,4.根据Shardin原理5,转镜式超高速摄影机的信息容量(信息率,b/s)取决于超高速转镜的边缘线速度和照明(或自发光)波长.高速转镜是转镜式超高速摄影机的核心,一般采用高强度钢、钛合金和高强度铍等材料来制造.研究和实验表明,高强度铝合金具有比强度高,工艺性好,驱动功率低等优点,在解决了铝合金光学镜面的加工之后,是超高速分幅摄影机转镜的首选材料.

    高强度铍的比强度、比刚度最高,是最理想的制造转镜的材料.但铍有剧毒、性脆、价格昂贵、工艺繁杂、制造光学镜面十分困难,而且需要严格的防护措施、加工成本相当高、一般只有在高性能的转镜式扫描相机里采用6,7.

    用高强度钢做转镜材料时,要对材料进行淬火,取得RC>60的高硬度材料,才能获得光学镜面;可是这样做的结果使材料变脆,强度下降,极限破碎速度下降(20～30)%.再者,钢转镜的抗氧化性能差,加工镜面时极易出现锈斑,很难加工成高质量的镜面.

    钛合金做转镜材料时,存在的问题是机械加工中产生严重的冷作硬化现象,使材料的疲劳强度下降.钛合金镜面加工也困难,需用特殊的工艺方法才能获得光学镜面.

    高强度铝合金是一种比较理想的制造转镜的材料,它具有工艺性能好、极限破碎速度高、驱动功率低、变形系数不大和成本低等优点,但是不能在铝表面上直接加工成镜面,致使铝合金长期不能得到实际应用.采用复制法或镀膜法解决了这一难题,能使镜面平面度达1个光圈,反射率大于85%,高强度铝合金完全适于做超高速摄影转镜的材料.进一步分析表明,特别适于制造超高速分幅摄影机的转镜.

    1　铝转镜机械性能和动态特性

　　高速转镜在转镜式高速摄影机中既是一个关键的高速旋转零件,又是整个光学系统里不可缺少的光学零件.它应具有足够的强度和刚度,能在高速转动中不会因为离心力而产生较大的变形或破碎;同时还应保证镜面有高的反射率、高的光洁度和平面性,能充分利用目标的亮度,使仪器具有优良的成象质量.也就是要求高速转镜不仅有良好的机械性能,还必须有良好的光学性能,才能满足实际要求.因此,选择合适的转镜材料就显得十分重要.就上述要求,下面对高强度钢、钛合金高强度铝合金和高强度铍等四种材料进行分析比较,均以三角形截面转镜为例加以说明.