帘幕式快门曝光精度数学建模及计算

    1 引 言

    航空侦察是战时重要获取信息的渠道之一。随着各种新任务的不断提出,航空侦察相机也在不断更新。国外先进国家的航空侦察相机已经历了好几代的发展历程,相机的功能和性能得到了不断的改善。胶片型航空相机由于其分辨率高而被广泛采用,但分辨率不只取决与胶片,还与光学系统、调焦组件、曝光时间有着密切的关系。快门便是决定曝光时间的一个重要组件。快门有很多种形式,比如中心式快门、百叶窗式快门以及帘幕式快门等;在众多形式的快门中,帘幕式快门由于其在曝光均匀性、曝光时间范围以及曝光准确度方面的优势,已经被美国的很多相机采用,如KS146型号航空相机;国内的某些画幅相机也是采用帘幕式快门。随着科学技术的不断发展,光学系统的加工精度不断提升,为获得高分辨率的航空相片,需要相机的各部件相应指标随之提高,快门也不例外。提高快门的技术指标要通过提高快门的参数指标来实现,而参数指标则取决与机械加工装调精度和电控精度。因此,分析机械加工装调精度和电控精度,对提高快门的技术指标具有重要的意义。

    作为胶片型航空相机的主要机构之一,快门的性能直接影响航空摄影的成像质量;同时,由于允许的剩余像移量和曝光量的精度要求,快门也必须是快速高精度的运动机构,它决定曝光时间的精确程度。曝光时间对于得到高质量的航摄相片是十分关键的一个环节。为保证照片达到分辨率的要求,曝光时间必须是均匀精确的,以便保证胶片上各点的曝光量一致,曝光时间对整个像面恒定。在如今的众多形式的快门中,帘幕式快门以其曝光时间均匀以及曝光时间调节范围宽的优势,得到了越来越广泛地应用。帘幕式快门通过调节帘缝宽度调节曝光时间,帘缝越宽,曝光时间越大。目前,关于帘幕式快门曝光时间的资料较少,本文结合帘幕式快门的工作原理对快门曝光时间进行了数学建模和计算,用于为工程设计提供参考。其次,针对由于加工制造、装调以及电控方面的误差,快门在整个曝光过程中会出现曝光时间不准确的现象,本文还对加工装调以及电控等方面的误差对曝光精度的影响程度进行了分析,并对现有航空相机的帘幕式快门的曝光精度进行了分析计算,以便进一步提高快门的技术指标。

    2 帘幕式快门的结构及工作原理

    快门由前帘、后帘、前后帘上紧辊轴和反卷辊轴组成,示意图如图1所示。

    快门帘是用很薄但强度很高的不锈钢制成的,快门帘分为上下两层,上帘又称后帘,下帘又称前帘,前帘、后帘上均开有开口,它们以相等的速度同向运动。后帘较前帘长,两个帘的一端分别固定在两个上紧辊轴上,另一端分别固定在两个反卷辊轴上。两个反卷辊轴上安装有扭转弹簧,当上紧辊轴旋转卷动快门帘布时即上紧了反卷辊轴内的螺旋弹簧。快门曝光时,快门帘在反卷辊轴内的扭转弹簧的作用下反卷,两个快门帘开口部分形成的曝光帘缝通过焦面,光线通过帘缝落在胶片上,使胶片曝光。上紧快门时,由于机械传动部分中的前、后帘的两个凸轮的转动存在一定的角度相位差,使前帘先运动,后帘后运动,这一先一后将快门帘缝关闭,防止快门在上紧过程中漏光。一个周期结束后,回到初始位置,进行下一次曝光。