大画幅等待式转镜分幅相机结构设计

   １　引　　言

    转镜式高速相机具有画幅尺寸大、画幅数目多、空间分辨率高、能实现等待功能和覆盖的摄影频率段宽（１０４～１０７　ｆｒａｍｅ／ｓ）等特点，使之能对绝大部份超快过程进行研究［１，２］。转镜式高速相机目前仍然是武器研究和爆轰物理研究领域不可缺少的重要实验设备。虽然相关的设计理论和实验技术仍在研究和发展［３～８］，但在提高空间分辨本领和增大画幅尺寸方面，还未见新的进展。与此同时，出于军事目的的实验研究对高空间分辨率的高速相机需求强烈，在试验测试过程中，往往要求有较大的成像视场。而提高转镜式高速相机的总的空间信息量，需要实现大画幅、大相对孔径和高分辨率，这些指标之间不仅相互矛盾，而且相互制约。设计这类相机的主要困难是结构形式、高速大尺寸的转镜系统以及由此而产生的成像质量的下降。通常情况下，通过提高像面的动态摄影分辨率来增加空间信息量是困难的，而在保证相机成像质量的前提下增大画幅尺寸是一个比较可取的方法。本文设计了一种大画幅等待式转镜分幅相机，在结构设计中采用了共轴理论和控制离焦相结合的方法，有效地控制了画幅尺寸增大带来的大的像移和离焦，从而保证了相机在拥有大画幅的情况下仍具有高的动态成像质量。

    ２　光学系统安排

    相机系统采用三角形截面的三棱反射镜等待扫描方式，基于Ｍｉｌｌｅｒ原理的经典设计理论，即用代替圆来替代Ｐａｓｃａｌ曲线［９，１０］。相机的光学系统如图１所示，在整个相机的光学系统中，有四个成像关系。第一次成像是主物镜把被摄目标成像在视场光阑上。此像经快开快门、爆炸快门和电磁快门，由中继透镜前组和后组，分两路进入真空球罩，成像在高速转镜的反射面上，这是第二次成像。转镜为三面反射体，两路图像经转镜不同的反射面，先后反射至上、下排透镜上，并依次在像面（胶片）上成像，这是第三次成像。在光学系统的孔径光阑处，置有两排阶梯光阑，它经中继透镜后组后，成像在排透镜光阑上，组成相机的光快门，从而实现相机的分幅摄影，这是第四个成像关系。分幅相机的这种成像原理，有利于在相机中安置电磁快门、快开快门以及爆炸快门。

    ２．１　转镜尺寸的确定

    高强度铝合金是较先进的高速转镜材料，用该材料制作的转镜具有工艺性好、极限破坏速度高、驱动功率低、变形系数不大、镜面质量好和成本低等特点［１１，１２］。铝合金转镜可用复制膜技术或镀膜技术制成光学镜面，镜面可达一个光圈，反射率大于８０％，膜层可承受７５０ｍ／ｓ以上的边缘线速度。该材料的转镜曾在国内转镜相机上成功应用，并且最大镜面达到了３３ｍｍ×２８ｍｍ的较大尺寸，设计和工艺已经较为成熟，同时选择大尺寸的转镜对提高相机画幅尺寸是有利的，所以采用３３ｍｍ×２８ｍｍ尺寸的高强度铝合金转镜，以转镜尺寸为中心展开设计工作。可确定转镜旋转中心到镜面的垂直距离为ｒ＝９．５３ｍｍ。