Opto-Electronic EngineeringArticle光电工程2019年，第46卷，第1期DO:10.12086/oee.2019.180399棱镜转像机构在超高速转镜相机中的应用畅里华，李剑，汪伟，王旭，张光升，高鹏，肖正飞，尚长水中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳621900摘要：叙述了棱镜转像机构的原理，设计了与高速转镜相机匹配的别汉棱镜转像机构，并将其作为超高速转镜相机的因定组成部分，FJZ-250型转镜分幅和SJZ15型转镜扫描相机通用。高速转镜相机中增配转像机构后，对目标成像360°连续可调，解决了多台相机同步使用时，爆轰装置不同研究方向的测试问题，对实验数据的获得及系统外场目标调试起了很大的作用，极大方便了相机的使用。经像质检测及动态实验结果表明：转镜式高速相机增配别汉棱镜转像机构后，对相机光学系统成像质量不受影响，甚至略有提高。关键词：高速极影；转镜相机；转像机构；爆炸中图分类号：TB872文献标志码：A引用格式：畅里华，李剑，汪伟，等.棱镜转像机构在超高速转镜相机中的应用).光电工程，2019,46(1)：180399Application of image rotating mechanism of prismin ultra-high speed rotating mirror cameraChang Lihua,Li Jian,Wang Wei',Wang Xu,Zhang GuangshengGao Peng,Xiao Zhengfei,Shang ChangshuiInstitute of Fluid Physics,China Academy of Engineering Physics,Mianyang,Sichuan 621900,ChinaAbstract:In this paper the principle of image rotating mechanism based on prism is introduced and the image ro-tating mechanism using Pechan prism matching the high speed rotating mirror camera is designed.The designedmechanism can be used in FJZ-250 or SJZ-15 type rotating mirror camera as a fixed part.Equipped with the de-signed mechanism,the rotating mirror cameras can rotate the image of the object by any angle in the range of0360 before recording it.As a result,the measurement problem of different research directions of detonation testis solved when multiple cameras are used synchronously,which plays an important role in acquisition of experi-mental data and debugging of outdoors targets,thus,it is a great convenience for the camera.The results of theimage quality specification experiment indicate that the equipment of the designed image rotating mechanism basedon Pechan prism induced no degradation to the image quality and even slightly improved it.Keywords:high speed photography:rotating mirror camera;image rotating mechanism;explosionCitation:Chang L H,Li J.Wang W,et al.Application of image rotating mechanism of prism in ultra-high speed ro-tating mirror camera[J].Opto-Electronic Engineering.2019,46(1):180399收稿日期：2018-07-25：收到修改稿日期：2018-10-18基金项目：国防科工局技术基础项目USL20162084011):国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ130019)作者简介：杨里华(1974)，女，高级工程师，主要从事高速摄影技术的研究·E-mail:clhwwdd@126.com通信作者：汪伟(1974-)，男，高级工程师，主要从事高速摄影技术的研究·E-mai:wwclhdd@163.com180399-1光电工程D0:10.12086/oee2019.180399最初采用的三反射镜转像曾得到广泛应用，其后，又1引言发展了光楔转像机构、整台相机转动机构及棱镜转像转镜式高速分幅相机、扫描相机具有空间分辨率机构·三反射镜转像虽然可实现一台相机同时拍摄高、画幅尺寸大、记录时间长及摄影频率高等特点，同一被摄物体的不同方位，但是两像光程差不等，难一直是核武器、常规武器、高新技术武器及其它领域以同时清晰成像，且调试时需两人配合。光楔转像机实验研究的重要手段之一，不仅广泛用于炸药爆轰参构容易使两个像的照度差别大，且易引入较大慧差，数、冲击波速度、核武器初级及常规武器战斗部的膨影响相机的分辨率。整台相机转像机构较复杂，且操胀断裂、微物质喷射、飞片和破片的速度等测量，而作极不方便，容易影响设备性能·别汉棱镜转像机构且在弹道学、雷电及高压火花放电、物质的分解与合避免了上述几种机构所存在的问题，成像清晰，结构成、瞬态光谱分析、高速碰撞与安全防护等研究中应紧凑，操作简单、方便，同时可作为转镜相机的固定用广泛)。随着精密物理实验的需要，除了研究目标组成部分，且对目标360°角连续可调，解决了两台及某一平面上的波形对称性外，往往也需要拍摄不同方以上相机同步使用时，爆轰装置不同研究方向的测试位的波形对称性，例如要求测量两个互相成0角度的问题，且对实验数据的获得及系统外场目标调试起到特殊方向的波形。为了满足这一要求，常采用联用两很大的作用。台转镜扫描相机，由于转镜扫描相机的狭缝方向均与扫描方向垂直，因此这两个方向无法同时与狭缝方向别汉棱镜的成像方向及与转像致，为此，必须在其中一台扫描相机的光路上附加规律转像机构使物体的像旋转，以达到记录任一方向波别汉棱镜转像机构的原理如图1所示，棱镜组由形的目的。而且即使在单台相机使用时，转像机构也屋脊棱镜1和等腰棱镜2组成，两棱镜间有0.05能起到很大的作用，特别是单台分幅相机使用时，由mm~0.1mm空气隙。从0点发出的光束射入屋脊棱于相机自身原因，像面水平和垂直方向的空间分辨可镜1的AB面，经过两次反射后，通过间隙的空气层差一倍甚至几倍。实际使用相机时，被摄目标往往因进入等腰棱镜2，又经三次反射后由CD面射出。设为笨重或不便随意安放的原因，而只能以某固定位置入射右手坐标系O-XYZ中OX为棱镜组光轴，则此坐面对相机，很容易出现被摄目标需要仔细研究的方向标系经棱镜组后的像OXYZ成为左坐标系。保持正好相应于相机低分辨方向，就会使被研究目标的细OXYZ不动，若棱镜组绕X轴向某方向旋转，则像节受到损失四。增配转像机构后，不仅可把被摄目标平面OXTZ亦沿同一方向转动，实现转像要求。所需的研究方向转到相机的高分辨方向来，避免细节当棱镜组围绕其光轴旋转0角时，由棱镜转动定研究的损失，还可减少调试时间，提高实验工作效率。理描述的两种转动均发生在可叠加的空间内，故像棱镜转像机构国内、外在望远镜、跟踪仪器中的瞄准平面上的合成转动角是两种转动的代数和，即：及显微镜等光学系统中已普遍使用，但在超高速转镜相机拍摄中使用还比较少，1998年~2000年国内谭显式中k为光线在别汉棱镜中的反射次数，此处k=5,祥韩立石等开展了棱镜在转镜相机中应用实验研究，图1别汉棱镜转像机构原理Fig.1 Principle of the image rotating mechanism based on Pechan prism180399-2光电工程D0l:10.12086/oee.2019.180399即别汉棱镜转像机构中，像面旋转速度是棱镜旋不影响相机整体结构及系统成像质量，在满足成像完转速度的二倍。整的条件下，别汉棱镜设计体积尽可能小，且调节方棱镜和共轴球面系统组合必须满足的条件：1)在便。别汉转像棱镜设计应置于相机光学系统会聚光路平行光路中使用，展开后等效的玻璃板的两个表面必中，有利于棱镜通光孔径做得较小，光能损失小，对须平行，否则会破坏整个系统的共轴性；2)在会聚光转镜扫描相机，应置于相机主物镜与第二物镜之间，路中使用还要使棱镜的入射、出射表面垂直于系统的相机机匣入口与狭缝之间：而对于转镜分幅相机，置光轴，否则整个系统的对称性会被破坏·道威棱镜只于主物镜与第二物镜之间，相机机匣入口与视场光阑能在平行光路中使用，别汉棱镜在会聚光路或平行光之间，且都紧贴相机机匣入口处，便于一人完成相机路中都可使用。与转像机构的操作。SZ15型转镜式高速扫描、3转镜相机中别汉棱镜转像机构的F可Z250型分幅相机加别汉棱镜光学成像原理图见图2,图3所示。设计转镜扫描相机在主物镜后，机匣入口处的光束直超高速转镜相机光学系统相对比较复杂，由多个径为Φ36mm,转镜分幅相机在主物镜后，机匣入口部件组成，为使转镜相机光路中加入棱镜转像机构后处的光束直径为Φ38mm。为了使研制的转像机构能①②4图2转镜式高速扫描相机加别汉棱镜光学成像原理图。①被摄目标：②主物镜：③狭缝：④第二物镜：Fig.2 Optical schematic of the high speed rotating mirror streak camera equipped with the Pechan prism.1 Object;2 Main①图3转镜式高速分幅相机加别汉棱镜光学系统原理图。①被极目标；②主物镜：③视场光阑；④第二物镜：Fig.3 Optical schematic of the high speed rotating mirror framing camera equipped with the Pechan prism.Object:2 Mainobjective lens;Eyesight diaphragm;4 Second objective lens;5 Aperture diaphragm;Rotating mirror;Framing diaphragm;Framing lens;Camera image plane;(1 Pechan prism180399-3