70mm高速摄影机大视场长焦距光学系统研究

    引  言

    70mm大画幅同步高速摄影机的测量精度是由f′=1m长焦距物镜来实现的。因此该镜头的质量好坏,设计是关键。从使用角度及总体布局考虑,f′=1m的镜头要像质好,筒长短、结构紧凑和使用方便才能满足使用要求。

    1　光学系统技术要求

    光学系统的技术要求如下:

    (1)焦距f′=1000mm

    (2)画幅尺寸36×50(561.5)mm

    (3)筒长∑L< 0.6f′

    (4)N中心=40lp/mm,N0.7X=30lp/mm

    (5)光学畸变DT≤0.1%

    2　光学系统方案选择

    通常将f′≥500mm称做长焦距镜头。在通用的35mm高速摄影机中,f′=1000mm的光学系统角视场2X=1.5°,线视场为18×18.8(526)mm。对于70mm高速摄影机来说,f′=1000mm的光学系统,角视场2X=3.6°,线视场为36×50(561.6)mm是35mm高速摄影机的2.38倍。其设计难度很大。有两种结构形式可供选择。

    2.1　折射式结构

    折射式结构的优点是无中心拦光,光能损失小,结构设计相对容易;缺点是筒体长,一般来说∑L≥f′,二级光谱大(当f′=1000mm时,二级光谱为1mm),轴上像质难以保证,很难调出理想像面。

　　为解决上述问题,可采用远摄型结构来缩短筒长,使∑L<f′。一般能做到∑L≤0.8f′已相当不容易了。采用特殊光学材料(如FK1)可使得二级光谱下降到0.3以下。

    我们设计过f′=1000mm折射式光学系统(见图1),这是一组典型的4组5片式远摄型结构。

    做到了筒长(从第一面到像面)∑L< 0.8f′;采用FK1特种材料,使二级光谱下降WFC=0.2左右;像质为N中心=40lp/mm,MTF≥0.7;N0.7X=30lp/mm,MTF≥0.6。但是筒长无法满足使用要求,长镜头需用托架来固定,使得仪器体积庞大,重量增加,使用不便。另外,FK1国内不生产,需进口,增大了加工成本和增长了研制周期。所以,我们只能放弃折射式结构,采用折反式结构来满足使用要求。

    2.2　折反式结构

    折反式结构的优点正好弥补了折射式的不足。其筒长短,通常是∑L≤0.5f′;二级光谱小,像质好。但是,折反式结构的不足之处就是中心遮拦容易产生杂散光。

    在通用35mm高速摄影机中,f′=1000mm的光学系统采用折反式结构,这种结构无论从设计、加工和装调工艺上均已成熟。角视场2X≤2°,中心拦光<0.5时像质好。

    对于70mm高速摄影机,f′=1000mm光学系统的角视场达到2X=3.6°,中心拦光加大。当中心拦光>0.5时,像质会很快下降,甚至达不到使用要求。