转镜分幅相机中分幅系统放大倍率的校正

    引言

    转镜式高速分幅相机在爆炸力学和高压物理学等领域的研究中占有重要的地位,它记录二维空间信息随时间的变化过程,常用于观察不对称发展的高速运动物体或者各个细节之间相互作用的高速过程,图1为其光学成像原理图。

    被摄目标1经第一物镜2成像在视场光阑处,后经第二物镜5和7成像在转镜8上,再经分幅透镜10成像在相机最终像面11;同时,阶梯光阑6经第二物镜及转镜成像在分幅光阑9处。当转镜旋转时,阶梯光阑像沿分幅光阑移动,形成光快门。与转镜扫描相机相比,转镜分幅相机是在适当降低时间信息的基础上,提高了空间信息容量。在时间测试精度方面,转镜扫描相机在经过位置误差修正后,最大相对误差0.2%[1],而转镜分幅相机要低一些,在进行修正后可以达到0.3%[2],这样的时间测试精度已基本满足精密爆轰实验的要求[3]。在实验结果处理时,研究人员更容易忽视空间测量精度。明显地,空间测量精度不仅影响物体运动速度的计算精度,而且严重影响物体加速度的计算精度,在一些极端的情况下,得到的物体加速度值可能与实际情况相反。在转镜分幅相机的研制中,设计人员较少考虑分幅系统放大倍率的不一致性问题,一般也不会给出校正结果。还应该注意的是,转镜分幅相机的放大倍率的不一致性还受加工误差和装配误差的影响,实际情况比理论严重得多。因此,分幅系统放大倍率的校正,符合精密物理实验的要求,也提高了转镜分幅相机的可靠性[4]。

    本文将以国内普遍使用的FJZ-250型高速转镜分幅相机为例,分析分幅系统放大倍率的不一致性问题,并给出了各分幅透镜校正的结果及应用方法。

    1　放大倍率不一致产生的原因

    在不考虑分幅相机光学系统几何像差等因素的情况下,转镜的厚度是分幅系统放大倍率产生不致的最根本原因。由于转镜厚度的存在,用圆柱面代替超越曲面,各分幅透镜物距的变化量是相机工作角H的函数等因素直接导致了各画幅放大倍率的不一致。如图2所示,在实际的相机设计中,用圆取代超越曲线,胶片安置面与理想成像位置之间均存在差异,这些因素都有可能使得分幅系统的放大倍率不一致[5]。

    对转镜分幅相机的第i幅来说,相机内部放大倍率Mi(第一物镜除外)可以用下式表示[6]:

    式中:Mi为第i幅的内部放大倍率;M为相机第二物镜组的放大倍率(为一不变常数);s2为分幅透镜像距;s1为分幅透镜物距;$si为第i个分幅透镜沿着反射主光线的物距变化量。分幅透镜物距变化量$si用下式表示: