大画幅等待式转镜分幅相机研制及应用＊

李 剑，汪 伟，肖正飞，尚长水，畅里华，刘宁文

（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳621900）

转镜式高速相机由于具有画幅尺寸大、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（104～107s－1）等特点，能对绝大部分超快过程进行研究［1－2］，因此仍然是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［3－7］，但在提高空间分辨率和增大画幅尺寸方面，还未见新的进展。而高空间分辨率的高速相机在实验测试过程中，往往要求有较大的成像视场。基于此，研制了画幅尺寸为30mm×18mm的等待式转镜分幅相机，画幅总数达到80幅，幅频范围1×104～5×105s－1，实验时能获得更高空间分辨率的图像。相机系统的高速转镜部件采用光纤传感器系统实现转速信号的产生和传输，能避免高速直流电机对转速信号的干扰，确保测速的准确度。

1 相机设计

相机的设计采用三角形截面的三棱反射镜等待扫描系统，基于Miller原理的经典设计理论，即用代替圆来替代Pascal曲线［8－9］。在经典设计理论中，同一代替圆不能同时满足离焦最小原则、拍摄频率的不均匀性最小的原则和共轴性最好的原则，只能根据实际的光学性能参数，折衷考虑三者的要求，以得到比较满意的结果。而对于等待式分幅相机，对共轴性的考虑会更有意义，所以在代替圆的设计时，采用共轴设计理论［10－13］。另外，为提高相机的实用性和可靠性，采取了以下两方面的措施：一是采用标准摄影物镜接口，以适应不同拍摄视场和拍摄距离的需求；二是采用光纤传感器系统来实现转镜信号的传输，避免了高速直流电机对转速信号的电磁干扰，确保了转镜转速测量的准确度。

相机的具体技术指标为，工作方式：等待；摄影频率：1×104～5×105s－1；画幅尺寸：空间方向30mm，扫描方向18mm；画幅数量：上下2排共80幅；静态目视分辨率：46mm－1；动态目视分辨率：35mm－1；视场角：4°×2.4°（主物镜焦距为300mm 时）；接收底片：120底片；驱动方式：电机驱动。

1.1 光学系统设计

相机的光学系统如图1所示。在整个相机的光学系统中，有4个成像关系。第1次成像是主物镜1把被摄目标成像在视场光阑2上，此像经快开快门3，爆炸快门5和电磁快门6，由第2物镜前组4和后组11，分两路进入真空球罩16，成像在高速转镜17的反射面上，这是第2次成像。转镜为三面反射体，2路图像经转镜不同的反射面，先后反射至上、下分幅透镜14上，并依次在像面（胶片）13上成像，这是第3次成像。在光学系统的孔径光阑处，置有两排阶梯光阑7，它经第2物镜后组11后，成像在分幅光阑15上，组成相机的光快门，从而实现相机的分幅摄影，这是第4个成像关系。分幅相机的这种三次成像原理，有利于在相机中安置电磁快门、快开快门以及爆炸快门。

图1 相机光学系统图Fig.1 Optical system diagram of camera

相机的主物镜采用标准摄影物镜，设计了2种物镜接口：Nikon接口和Canon接口，在实验中应用了多种型号的标准物镜，焦距100～1 200mm，均能满足系统成像，应用效果良好。相机设计过程中的一些具体过程参数为，转镜镜面尺寸为33mm×28mm，视场光阑12.5mm×20.9mm，第2物镜放大率1.34，排镜放大率1.1，总放大率1.47，扫描半径353.97mm，图像间距1mm，空间方向相对孔径1／15，扫描方向相对孔径1／35。

1.2 四心的选择和代替圆的设计

四心指中间像中心、转镜中心、排镜中心、底片中心，在计算过程中，中间像中心作为坐标原点，球罩的中心和排镜中心重合。确定转镜旋转中心坐标的依据是：在转镜工作角内有最大的信息量。在确定排镜中心和底片中心时，分别采用共轴理论和控制离焦的方法［13－14］。本相机工作角θ范围为6°～66°。选心结果为：中间像心（0，0），转镜中心（－6.76mm，－8.70mm），排镜中心（－1.86mm，－1.5mm），底片中心（0.66mm，－7.72mm），排镜代替圆半径160.23mm，底片代替圆半径358.84mm。

另外，该设计结果还很好地控制了Ψ角（排镜光轴与经镜面反射的轴向主光线之间的夹角），除头2幅Ψ 值分别为0.24°和0.18°之外，其余Ψ 值全部小于0.1°。由理论设计结果可求出相机的原理性像移dl′和原理性离焦da′，不同工作角θ对应的像移曲线和离焦曲线如图2所示，原理性像移及离焦对图像分辨率N 的影响如图3所示。由计算结果看出，只有头尾2幅图像的理论分辨率略低于30mm－1，绝大部分画幅的理论分辨率都在35mm－1以上，原理性像移和离焦对像质没有造成坏的影响。

1.3 快门系统

快门系统包括电磁快门、快开快门和爆炸快门。电磁快门是保护性快门，能减少底片灰雾度。快开快门采用自行研制的电涌式快开快门，由于相机画幅的增大，光路中对快门系统通光口径的要求有所增加。经实验测定，增大口径后的快开快门全部开启所用时间约50μs，而当快门开启一半时所用的时间为20μs，一般来讲，当快开快门开启到一半时，进入相机的光通量即可满足相机进行有效的记录。这样，相机在使用5×105s－1的最高拍摄频率进行工作时，仍有70幅的有效记录幅数。

1.4 高速转镜

高速转镜装置是转镜式高速相机的核心精密部件。转速高低直接影响相机的拍摄频率，其性能好坏直接关系到相机的结构、技术指标和成像质量。采用高强度铝合金转镜，该材料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［14－15］。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。转镜传感器首次采用了光纤传感器，有效避免了高速直流电机对转镜信号的干扰。

一旦相机的各项参数确定，摄影频率就只与转镜转速有关。计算公式如下

式中：f为摄影频率，s－1；n为转镜转速，r／min；N′为画幅总数，该相机中，N′＝80。选用的高速直流电机的额定最高转速为3×104r／min，用低速转镜部件和高速转镜部件2个转镜系统来满足1×104～50×104s－1的摄影频率。低速转镜部件适用的摄影频率为1×104～1×105s－1，相应的转镜转速为2.5×103～2.5×104r／min，位于电机最高额定转速以内，所以可以不用增速机构而直接驱动。高速转镜部件适用的摄影频率为1×105～5×105s－1，相应的转镜转速为2.5×104～1.25×105r／min，采用7倍增速的摩擦增速机构来实现转速要求。

2 微机控制系统［16－17］

配备了自行研制的新一代微机控制台系统，将计算机、电控柜、高压单元等所有单元集成在一个机柜中，并且体积进一步减小，集成度和数据的显示、输出、处理自动化程度进一步提高，高速转镜光纤传感器系统的应用和完善的抗干扰措施进一步增强了控制台的抗干扰能力，保证了整个相机系统的正常运转，经过1年多的考核和动态实验，整个系统运行良好。控制台的主要技术指标包括：测速精度±0.1%；稳速精度±3%；延时精度±0.1μs；一路0延时和三路1.0μs～1 000.0μs延时，以0.1μs间隔可调，延时输出信号幅度大于10V，脉宽约10μs；高压脉冲幅值11～12kV，脉冲前沿＜0.1μs。根据相机的具体情况，可控制相机工作于同步方式或等待方式下，根据使用要求，可控制单台相机或2台相机联动拍摄，包括控制两台电动相机或者一电一气两台相机联动工作。

3 动态实验

对爆轰过程进行了实验记录，相机拍摄频率为2×105s－1，实验得到了清晰的图像，如图4所示。实验结果表明：相机的画幅尺寸大、空间分辨率高，适用于冲击、爆轰和弹体姿态的拍摄。此外，该相机还应用于多项重要实验中，均得到了很好的实验结果。

图4 爆轰实验结果Fig.4 Results of a detonation experiment

4 结 论

该相机和其他型号的转镜分幅相机相比，具有以下3点技术进步，并在动态实验中得到了验证：

（1）相机的画幅尺寸达到了30mm×18mm，是目前国内转镜式高速相机中幅面最大的，应用于爆轰、碰撞等研究测试中，可获得更多的空间信息量；

（2）先进的光学设计、像差校正技术和精密调试工作，保证了相机在实现30mm×18mm国内最大画幅的前提下，仍能具备高的静态和动态分辨率，达到同类相机分辨率的先进水平；

（3）采用转镜信号光纤传感器系统，避免了高速直流电机对转镜信号的干扰，提高了转镜转速的测量准确度。

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