大畫幅等待式轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)研制及應(yīng)用＊

李 劍，汪 偉，肖正飛，尚長(zhǎng)水，暢里華，劉寧文

（中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽621900）

轉(zhuǎn)鏡式高速相機(jī)由于具有畫幅尺寸大、畫幅數(shù)目多、空間分辨率高、能實(shí)現(xiàn)等待功能和覆蓋的攝影頻率段寬（104～107s－1）等特點(diǎn)，能對(duì)絕大部分超快過程進(jìn)行研究［1－2］，因此仍然是爆轟物理研究領(lǐng)域不可缺少的重要實(shí)驗(yàn)設(shè)備。雖然相關(guān)的設(shè)計(jì)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)仍在研究和發(fā)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(jìn)展。而高空間分辨率的高速相機(jī)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中，往往要求有較大的成像視場(chǎng)?；诖耍兄屏水嫹叽鐬?0mm×18mm的等待式轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)，畫幅總數(shù)達(dá)到80幅，幅頻范圍1×104～5×105s－1，實(shí)驗(yàn)時(shí)能獲得更高空間分辨率的圖像。相機(jī)系統(tǒng)的高速轉(zhuǎn)鏡部件采用光纖傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)的產(chǎn)生和傳輸，能避免高速直流電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的干擾，確保測(cè)速的準(zhǔn)確度。

1 相機(jī)設(shè)計(jì)

相機(jī)的設(shè)計(jì)采用三角形截面的三棱反射鏡等待掃描系統(tǒng)，基于Miller原理的經(jīng)典設(shè)計(jì)理論，即用代替圓來替代Pascal曲線［8－9］。在經(jīng)典設(shè)計(jì)理論中，同一代替圓不能同時(shí)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(jù)實(shí)際的光學(xué)性能參數(shù)，折衷考慮三者的要求，以得到比較滿意的結(jié)果。而對(duì)于等待式分幅相機(jī)，對(duì)共軸性的考慮會(huì)更有意義，所以在代替圓的設(shè)計(jì)時(shí)，采用共軸設(shè)計(jì)理論［10－13］。另外，為提高相機(jī)的實(shí)用性和可靠性，采取了以下兩方面的措施：一是采用標(biāo)準(zhǔn)攝影物鏡接口，以適應(yīng)不同拍攝視場(chǎng)和拍攝距離的需求；二是采用光纖傳感器系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)鏡信號(hào)的傳輸，避免了高速直流電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的電磁干擾，確保了轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速測(cè)量的準(zhǔn)確度。

相機(jī)的具體技術(shù)指標(biāo)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(shù)量：上下2排共80幅；靜態(tài)目視分辨率：46mm－1；動(dòng)態(tài)目視分辨率：35mm－1；視場(chǎng)角：4°×2.4°（主物鏡焦距為300mm 時(shí)）；接收底片：120底片；驅(qū)動(dòng)方式：電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。在整個(gè)相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)中，有4個(gè)成像關(guān)系。第1次成像是主物鏡1把被攝目標(biāo)成像在視場(chǎng)光闌2上，此像經(jīng)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(jìn)入真空球罩16，成像在高速轉(zhuǎn)鏡17的反射面上，這是第2次成像。轉(zhuǎn)鏡為三面反射體，2路圖像經(jīng)轉(zhuǎn)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(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌處，置有兩排階梯光闌7，它經(jīng)第2物鏡后組11后，成像在分幅光闌15上，組成相機(jī)的光快門，從而實(shí)現(xiàn)相機(jī)的分幅攝影，這是第4個(gè)成像關(guān)系。分幅相機(jī)的這種三次成像原理，有利于在相機(jī)中安置電磁快門、快開快門以及爆炸快門。

圖1 相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)圖Fig.1 Optical system diagram of camera

相機(jī)的主物鏡采用標(biāo)準(zhǔn)攝影物鏡，設(shè)計(jì)了2種物鏡接口：Nikon接口和Canon接口，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了多種型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)物鏡，焦距100～1 200mm，均能滿足系統(tǒng)成像，應(yīng)用效果良好。相機(jī)設(shè)計(jì)過程中的一些具體過程參數(shù)為，轉(zhuǎn)鏡鏡面尺寸為33mm×28mm，視場(chǎng)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(duì)孔徑1／15，掃描方向相對(duì)孔徑1／35。

1.2 四心的選擇和代替圓的設(shè)計(jì)

四心指中間像中心、轉(zhuǎn)鏡中心、排鏡中心、底片中心，在計(jì)算過程中，中間像中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，球罩的中心和排鏡中心重合。確定轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)的依據(jù)是：在轉(zhuǎn)鏡工作角內(nèi)有最大的信息量。在確定排鏡中心和底片中心時(shí)，分別采用共軸理論和控制離焦的方法［13－14］。本相機(jī)工作角θ范圍為6°～66°。選心結(jié)果為：中間像心（0，0），轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)結(jié)果還很好地控制了Ψ角（排鏡光軸與經(jīng)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(shè)計(jì)結(jié)果可求出相機(jī)的原理性像移dl′和原理性離焦da′，不同工作角θ對(duì)應(yīng)的像移曲線和離焦曲線如圖2所示，原理性像移及離焦對(duì)圖像分辨率N 的影響如圖3所示。由計(jì)算結(jié)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(duì)像質(zhì)沒有造成壞的影響。

1.3 快門系統(tǒng)

快門系統(tǒng)包括電磁快門、快開快門和爆炸快門。電磁快門是保護(hù)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(jī)畫幅的增大，光路中對(duì)快門系統(tǒng)通光口徑的要求有所增加。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，增大口徑后的快開快門全部開啟所用時(shí)間約50μs，而當(dāng)快門開啟一半時(shí)所用的時(shí)間為20μs，一般來講，當(dāng)快開快門開啟到一半時(shí)，進(jìn)入相機(jī)的光通量即可滿足相機(jī)進(jìn)行有效的記錄。這樣，相機(jī)在使用5×105s－1的最高拍攝頻率進(jìn)行工作時(shí)，仍有70幅的有效記錄幅數(shù)。

1.4 高速轉(zhuǎn)鏡

高速轉(zhuǎn)鏡裝置是轉(zhuǎn)鏡式高速相機(jī)的核心精密部件。轉(zhuǎn)速高低直接影響相機(jī)的拍攝頻率，其性能好壞直接關(guān)系到相機(jī)的結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)和成像質(zhì)量。采用高強(qiáng)度鋁合金轉(zhuǎn)鏡，該材料的轉(zhuǎn)鏡具有工藝性好、極限破壞速度高、驅(qū)動(dòng)功率低、變形系數(shù)不大、鏡面質(zhì)量好和成本低等特點(diǎn)［14－15］。鋁合金轉(zhuǎn)鏡可用復(fù)制膜技術(shù)或鍍膜技術(shù)制成光學(xué)鏡面，鏡面可達(dá)一個(gè)光圈，反射率大于80%，膜層可承受750m／s以上的邊緣線速度。轉(zhuǎn)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(jī)對(duì)轉(zhuǎn)鏡信號(hào)的干擾。

一旦相機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)確定，攝影頻率就只與轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速有關(guān)。計(jì)算公式如下

式中：f為攝影頻率，s－1；n為轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速，r／min；N′為畫幅總數(shù)，該相機(jī)中，N′＝80。選用的高速直流電機(jī)的額定最高轉(zhuǎn)速為3×104r／min，用低速轉(zhuǎn)鏡部件和高速轉(zhuǎn)鏡部件2個(gè)轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)來滿足1×104～50×104s－1的攝影頻率。低速轉(zhuǎn)鏡部件適用的攝影頻率為1×104～1×105s－1，相應(yīng)的轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速為2.5×103～2.5×104r／min，位于電機(jī)最高額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)，所以可以不用增速機(jī)構(gòu)而直接驅(qū)動(dòng)。高速轉(zhuǎn)鏡部件適用的攝影頻率為1×105～5×105s－1，相應(yīng)的轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速為2.5×104～1.25×105r／min，采用7倍增速的摩擦增速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速要求。

2 微機(jī)控制系統(tǒng)［16－17］

配備了自行研制的新一代微機(jī)控制臺(tái)系統(tǒng)，將計(jì)算機(jī)、電控柜、高壓?jiǎn)卧人袉卧稍谝粋€(gè)機(jī)柜中，并且體積進(jìn)一步減小，集成度和數(shù)據(jù)的顯示、輸出、處理自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，高速轉(zhuǎn)鏡光纖傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用和完善的抗干擾措施進(jìn)一步增強(qiáng)了控制臺(tái)的抗干擾能力，保證了整個(gè)相機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過1年多的考核和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好?？刂婆_(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)包括：測(cè)速精度±0.1%；穩(wěn)速精度±3%；延時(shí)精度±0.1μs；一路0延時(shí)和三路1.0μs～1 000.0μs延時(shí)，以0.1μs間隔可調(diào)，延時(shí)輸出信號(hào)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(jù)相機(jī)的具體情況，可控制相機(jī)工作于同步方式或等待方式下，根據(jù)使用要求，可控制單臺(tái)相機(jī)或2臺(tái)相機(jī)聯(lián)動(dòng)拍攝，包括控制兩臺(tái)電動(dòng)相機(jī)或者一電一氣兩臺(tái)相機(jī)聯(lián)動(dòng)工作。

3 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

對(duì)爆轟過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)記錄，相機(jī)拍攝頻率為2×105s－1，實(shí)驗(yàn)得到了清晰的圖像，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相機(jī)的畫幅尺寸大、空間分辨率高，適用于沖擊、爆轟和彈體姿態(tài)的拍攝。此外，該相機(jī)還應(yīng)用于多項(xiàng)重要實(shí)驗(yàn)中，均得到了很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 爆轟實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of a detonation experiment

4 結(jié) 論

該相機(jī)和其他型號(hào)的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)相比，具有以下3點(diǎn)技術(shù)進(jìn)步，并在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證：

（1）相機(jī)的畫幅尺寸達(dá)到了30mm×18mm，是目前國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)鏡式高速相機(jī)中幅面最大的，應(yīng)用于爆轟、碰撞等研究測(cè)試中，可獲得更多的空間信息量；

（2）先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)、像差校正技術(shù)和精密調(diào)試工作，保證了相機(jī)在實(shí)現(xiàn)30mm×18mm國(guó)內(nèi)最大畫幅的前提下，仍能具備高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分辨率，達(dá)到同類相機(jī)分辨率的先進(jìn)水平；

（3）采用轉(zhuǎn)鏡信號(hào)光纖傳感器系統(tǒng)，避免了高速直流電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)鏡信號(hào)的干擾，提高了轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速的測(cè)量準(zhǔn)確度。

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