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1、按镜补偿式离速摄影机发展概述姚文学摘要?本文拟结合国内外棱镜补偿式高速摄影机研制发展的历史情况,阐述该类型相机在光学、机械、电控等方面不断完善逐步提高的情况。阐明了这类相机的优缺点,并对继续发展这类相机提 出了自己的一些看法。自第一台棱镜补偿式高速摄影机于? 年问世以来,至今已有近 ? ?年的历史。随着科学技术的发展,以及这种摄影机在生产、科研,军事应用中发挥的有效作用,使得这种类型相机不断改进,不断完善。现在棱镜补偿式 相机在正个高速摄影仪器中所占比重最大,大约百分之 九十左右,应用最广。故进一步发展这种相机,尤其对于我国具有很大的意义。相机由光学部件、机械部件、电器驱动 和 控制部件等组成
2、。光学部件系指摄影物镜,二义投影镜?用于 两次成象系统?,光学补偿棱镜,机械部件主要指输片齿轮、传动链、快门、片夹? ?毫米相机片夹同底片一起高速回转?,、 收供片系统,电器 驱动 元件系指电机,控制部件系指电机控制单元,堆断片停机控制单元,时标信号发生和控制单元,现象同步 控 制单元,及多电机同步 控制单元等。这类相机结构形式较多。技所用胶片规格分有?毫米棱镜补偿相机、? ?毫米相机、? ? 毫米相机、? ? ?毫米棱镜补偿式 相机。从成象光路看,有一次成象系统的 相机和两次成象系统的 相机。从驱动源上看,有单电机驱动相机,有双 电机驱动相机,及三电机驱动相机。我们在阐述概括这种相机的发展
3、时,拟就其共性的东西作为着眼点。高速摄影仪器将时间空间信息同时记录在底片上。空间信息是作为时间信息的函数被展现在胶片上。现代科学技术要求对空间信息作高精度的定量分析。因此,如何使记 录的总信息量尽可能大,信息量 细分尽可能精细且保持不失真,就成为我们对摄影仪器 的最根本的要求。与其他高速摄影仪器不同,棱镜补偿式相机在其工作过程中胶片是连续 高速运动的。这样,提高信息量归 结为相机驱动 和补偿元件速度的提高,及记 录介质胶片抗张强度和尺寸稳定性的提高。? 年至? 。年美国发展棱镜补偿相机的历史可以说明这一点。?年美 国贝尔电话实验室研制的 第一台? ?毫米棱镜补偿 相机? ? 型,其画幅频率只有
4、? ? 。幅? 秒?相应胶片速度为? ? ?米?秒?而六十年代后期 的产品? ? ? ?毫米棱镜补偿相机为? ? ?一? ?幅?秒的画幅频率。相 应胶片速度为?礼? ?米? 秒。相机记录 的 总信息量?在 扫描方向? 可以表示为?,其中?为画 幅尺寸,?为 摄影频率,?为分 辨率。五十年代以前的相机如? ?其分辨 率不到? ?对线?,而现在可以做 到? ? 对线?以上。显然记录的 空 间信息量有了很大的提高。要进一步提高信 息、量,就 应提高现有相机的摄影频率。这种可能性是存在的。只 要解决新 的棱镜材料,以适应 高 转速下的应力条件。因为高画 幅频率相机要 采用多面体棱镜。当画 幅尺寸,定时
5、,随面数增加棱镜尺寸要相应 增大。离心力?。?。?为棱镜回转半径,。?为棱镜回转角速度,?为棱镜质量。显然,离心力与?和?的 一次方成正 比,与。的二次方成正比。故增加面数以降低回转速度是有意琴的。但面数增规一?和?要增大,因此?要增大。成像质量要求凌镜应力条件满足一级全多二级,显然提高频率时?势必增大,由?而引起的离心应力要增大,超过二级以上。这样有可能使各向同性的棱镜玻璃变为各向异性的单轴晶体,从而导致像质严重损坏。所以只好研制 新 的玻璃材料,在高频大离心力条件下,仍为各向同性均匀介质,使像质得以保证。提高信息?的另一个方面是减小现有相机的启动时间。摄影仪器中,这类相机的一大弊病。相机启
6、动段耗片里都在 ? ?米以上。一是损失了大量画幅,以减少启动段的耗片量。在高速二是胶片浪费量大。现有的高频要提高画 幅频率,就 要很好解决这个问题。要设计合 用的片夹结构,要尽盆简化传动 链,要研制 瞬时高能启动手段。保证短时 间启动完毕?这种相机的成像光学系统,经历了 由一次成像到两次成像,再回到一次成像这样一个过程。理论对实践有指导意义。但真正给人们以真知 的还是实践。一种新 型相机被设 计 出 来了,通过应用实践会证明这种相机是否真正完美。五十年代以前的相机基本是一次成像的。六十年代研制了两次成像的相机。实践证明这种相机光能损失大,对象质有不利形响。在自然光下高频应用受到限制。要有强光源
7、照明才行。虽然这种相机与一次系统比较有其长处之点,但从提高频率 和实用角度看,还是一次成像系统更为有利。如美国红湖实验室研制的? ?毫米相机?扛?,其 结构采用 二次成像,梭锐、叶子板、输片齿轮三同轴结构,给人以结构新颖先进之感。但实际应 用中,自然光下只能拍?。一?。幅?秒。而后美国又研制 了每秒?。幅? 秒的? ? ?毫米棱镜补偿相机。?博士来华讲学时,曾把这种相机称为世界最新型相机。它 的物理光学性能确实比? ?好。又如法 国先搞的?是二次成像,后来又搞了? ? 。 ?一次成像系统。其频率由? ?秒提高到即? ?幅?秒。我们自己也有过同样的经历即 由二次成像到一次成像。五十年来,、 输片
8、特性及 其对像质的影响一直是人们关心和研究的重要课题。因为它直接形响画幅的稳定性。这种不稳定性在摄影过程中是随机的。从定量 分析要求,问题要解 决好。直观上看,作用在胶片上的高频张力产生机械波,传导 至 曝光区域引起画幅 抖动。但真正导致这种现象的原因是由于输片齿轮和胶片不能正确啮 合引起的。输片齿轮一转可得若干个画 幅。考虑到电机的转速特性和传动链 的具体情况,可以认为输片齿轮一转内速度是稳定的。但为什么相 邻画 幅仍有不稳定现象存在呢?显然是由于胶片孔 和输片齿在进入、运行、和离开这一过程中及从一对工作齿过渡到下一对工作齿的过程中,胶片和输片齿 之间有相对位移所致。因此如何控制这一位移量就
9、是解决问题的本质所在。胶片本身具有一定的弹性。输片过程中尽管有冲击力作用在片孔间隔上,片孔仍完好多在齿距和片孔距一定倩况下,加厚齿厚使在胶片正个包角内不出现卡死现象。我们可以利用胶片的弹性变形,既保证正确啮合又不发生卡死破坏,那么不稳定性就会有明 显改善。尤其是当画幅曝光区选在输片齿轮上时,效果更明显。如日本六十年代研制 的棱镜补偿相机? ?就是这样做的。其画幅稳定度做到士?。? ?二? ?。与间歇式相机水平相当。在棱镜补偿式相机中,快门的形式、位置及其运动方向直接影响到曝光条件选择,对成像质且有明显影响。最初的棱镜补偿相机多是用棱镜框本身作快门,或者采 用圆筒型快门。一?结果成像质量都不好。
10、五十年代初美国研制的相机? ? ? ? ? ?型。采用了 圆盘快门。即我们称之为叶子板快门。研制者沃里克对此曾要求获得专利权,可见它对成像质量的重要意义。因为这种快门结构易于作成焦平面快门。它可以有效地控制补偿棱镜的工作 角度,使全 曝光时间和局部曝光时间得以保证。并可以很好地防止杂光射入像面。从而提高分辨率和清晰度。另一方面这种快门可以适应高画幅频率的动力学特性要求。棱镜补偿式相机的电控系统,随着电子学工业的发展,日趋完善可靠和小型化。对于不同结构形式的摄影机和 动力学特性要求,均能设计出合适的拖动、控制、同步、计时系统。尤其是多电机同步反馈控制技术有了 明显的进步。相机与现象的同步精度,计
11、时精度都有较大提高。从而使相机的工作更安全,更可靠。胶片性能质量的提高在棱镜补偿相机发展的历史上起了重要的推动 和保证作用。这里不仅指胶片抗张强度,打孔精度和尺寸稳定性的提高,还有胶片的光化学性能的提高,使分辨率有了明显增加。满足了高频摄影和高分辨率的要求。所以进一步提高胶片的性能势必为相机发展创造有利条件。我国六十年代初虽有研制棱镜补偿相机的尝试,但还没有走上健康发展和应用的道路。直到六十年代宋,在毛主席的革命路线指引下我们才真正开始了这个领域的研制和应用工作。? ?年至今,西安光机所先后研制了几种类型的? ?毫米棱镜补偿相机,? ?毫米棱镜补偿相机,和? ?毫米棱镶补偿相机。? 有些交付部队使用,有的 交给工厂生产。现在? ?毫米和? ?毫米相机都已开始进行小批量生产。 并且各种类型相机的主要参数指标都已达到或接近世 界同类型的先进水平?在像质方面我们还要继续努力进一步提高。 现在,这种类型相机和必 要的辅助部件结合,? 可以扩大相机的用途和性能。加 上狭缝作扫描相机,加上示波成像光学系统实行波形记录,与纹影仪配合用作纹影记录等等。由于自己工作实践和水平有限,对问愚的看法不一定准确,希望得到批评指正。本文目的是能够使领导者和研制者对此类型相机引起足够的重视,发展这类仪器,为我国四个现代化建设作出更大贡献。
