專利名稱：無原理誤差的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)暗箱的制作方法
無原理誤差的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)暗箱
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超高速攝影技術(shù)，更具體地說，涉及一種無原理誤差的轉(zhuǎn)鏡分 幅相4幾暗箱。
背景4支術(shù)
高速攝影儀器是人眼時(shí)間分辨能力的延伸，能夠?qū)崿F(xiàn)瞬態(tài)過程中時(shí)空信息 的記錄，從而為瞬態(tài)過程的分析研究提供有力工具。在研究爆轟、聚變、放電、 高速燃燒、強(qiáng)激光作用物質(zhì)效應(yīng)、非穩(wěn)態(tài)渦流、細(xì)觀和微觀動(dòng)力學(xué)效應(yīng)等領(lǐng)域 的超快過程中通常需要微秒和亞微秒時(shí)間分辨率的高速攝影儀器。在滿足這種 要求的各類高速攝影儀器中，轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)具有大畫幅尺寸、多畫幅數(shù)、高空
間分辨率、攝影頻率范圍寬等特點(diǎn)，可承擔(dān)104~1070 (幅/秒)超高速攝影頻
段中大部分超快過程的研究任務(wù)。因此，超高速攝影研究領(lǐng)域的注意點(diǎn)在從轉(zhuǎn) 鏡型轉(zhuǎn)向變像管型和固體成像器件型之后，又有重新回到轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的趨勢(shì)，
這種分幅相機(jī)一直是超高速攝影研究的重點(diǎn)(SPIE, 2003， Vol.4948: 330-335; SPIE， 2007, Vol.6279: 62791U-l~62791U-9 )。
現(xiàn)有轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)暗箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均建立在Miller原理之上，如圖1所示， 依照該理論構(gòu)造的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)暗箱通常包括箱體和設(shè)置在箱體內(nèi)的轉(zhuǎn)鏡4、 中繼透鏡陣列5、記錄像面6。暗箱外的物鏡1捕捉到的一次像^經(jīng)目鏡2和 場(chǎng)鏡3后形成二次像12，通過調(diào)整場(chǎng)鏡3的位置，使得二次像12正好在轉(zhuǎn)鏡4 附近某確定位置；二次像12經(jīng)轉(zhuǎn)鏡4鏡像后得到的鏡像像12', 二次像的鏡像^象 12'透過中繼透鏡陣列5在記錄像面6上形成最終像V。 二次像的鏡像像12'與記 錄像面的最終像13'通過相應(yīng)的中繼透鏡5'形成光學(xué)共軛關(guān)系。
為了實(shí)現(xiàn)曝光和分幅的功能，在暗箱中設(shè)置了光學(xué)快門，具體如圖1所示， 在目鏡2和場(chǎng)鏡3之間設(shè)置有孔徑光闌Qa,中繼透鏡陣列由多個(gè)中繼透鏡5' 陣列而成，每個(gè)中繼透鏡5'上設(shè)有出瞳光闌Qe，形成出瞳光闌陣列8。設(shè)置孔徑光闌Qa經(jīng)過場(chǎng)鏡3、轉(zhuǎn)鏡4和透明玻璃球罩12后成像Qa'在出瞳光闌Qe上。 隨著轉(zhuǎn)鏡4掃描將孔徑光闌的像Qa'依次遍歷各個(gè)出瞳光闌Qe時(shí)，使得各個(gè)出 瞳光闌Qe依次打開，形成光學(xué)快門，相應(yīng)的中繼透鏡5'把鏡像像12'的最終像13' 最終記錄在記錄^f象面6上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)依次曝光和分幅二種功能。
長(zhǎng)期以來，人們對(duì)中繼透鏡及其出瞳光闌所在曲面和記錄像面進(jìn)行了深入 的研究，通常使用代替圓的設(shè)計(jì)理論(SPIE Optical Engineering Press, 1997， Rotating Mirror Streak and Framing Cameras; 光子學(xué)才艮，2004, Vol.3 3 ，No.6: 739 742 )來構(gòu)造這兩個(gè)曲面。
由于轉(zhuǎn)鏡4有一定的半厚r，轉(zhuǎn)鏡4勻速旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，二次像12在轉(zhuǎn)鏡4 上的反射點(diǎn)T的位置產(chǎn)生連續(xù)變化，使得孔徑光闌Qa的像Qa'的軌跡形成Pascal 蝸線；同樣二次像I2在轉(zhuǎn)鏡處的鏡像12'經(jīng)中繼透鏡后的成像V實(shí)際的成像位置 的軌跡也是Pascal蝸線。因此，上述基于代替圓的設(shè)計(jì)理論構(gòu)造的轉(zhuǎn)鏡分幅相 機(jī)存在多種原理誤差(1)因中繼透鏡陣列所在的曲面為代替圓曲面，而該曲 面與實(shí)際成像的pascai蝸線曲面不一致造成像點(diǎn)的離焦誤差，會(huì)增加成像模糊
量，降低成像分辨率；(2)在上述光學(xué)快門中，由于出瞳光闌陣列的軌跡設(shè)計(jì) 成代替圓，使得轉(zhuǎn)鏡勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在出瞳光闌陣列所在的曲面上不能實(shí)現(xiàn)等速掃 描，由此導(dǎo)致攝影頻率的不均勻性，在大工作角情況下會(huì)造成非常大的時(shí)基判 讀誤差；(3)當(dāng)中繼透鏡所在曲面設(shè)計(jì)成代替圓后，通過中繼透鏡及其出瞳的 主光線與相應(yīng)的反射光軸不同軸，導(dǎo)致中繼透鏡的成像誤差，會(huì)使整機(jī)攝影分 辨率下降。
現(xiàn)有技術(shù)中按照不同的設(shè)計(jì)要求，上述的代替圓設(shè)計(jì)理論又可分為離焦設(shè) 計(jì)理論、等速設(shè)計(jì)理論、共軸設(shè)計(jì)理論，分別對(duì)應(yīng)上述三種缺陷。這些設(shè)計(jì)理 i侖都只能減少某一方面的原理誤差，只能將某一方面的原理誤差最小化；而且 任何兩種設(shè)計(jì)理論都不能同時(shí)在一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，無法避免上述三種缺陷而只 能根據(jù)系統(tǒng)的具體要求給出最佳的設(shè)計(jì)(光子學(xué)報(bào)，2004， VoL33,No.6: 739 742 )。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱不能 實(shí)現(xiàn)等速掃描出瞳光闌陣列，由此導(dǎo)致攝影頻率的不均勻性的缺陷，提供一種 無原理誤差的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱，能夠使得轉(zhuǎn)鏡勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠在該出瞳陣 列上實(shí)現(xiàn)等速掃描，從而保證了攝影頻率的均勻性。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗 箱，包括箱體和設(shè)置在箱體內(nèi)的轉(zhuǎn)鏡、中繼透鏡陣列、對(duì)應(yīng)中繼透鏡陣列設(shè)置 的出瞳光闌陣列、記錄像面，從所述箱體外部導(dǎo)入的二次像成像在轉(zhuǎn)鏡處并經(jīng) 轉(zhuǎn)鏡鏡像后經(jīng)過出瞳光闌和中繼透鏡在記錄像面上形成最終像，所述箱體上設(shè) 有控制成像光束口徑的孔徑光闌，所述孔徑光闌的像經(jīng)過轉(zhuǎn)鏡成在所述出瞳光 闌陣列的出瞳光闌處，所述出瞳光闌陣列中各個(gè)出瞳光闌的中心設(shè)置在以第一 Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面上。
在本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱中，在垂直于轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)以 二次像導(dǎo)入方向?yàn)?c軸的平面坐標(biāo)系中，所述第一 Pascal蝸線的軌跡方程如下
jce =(《e + ;) cos + sin + (;c。 + cos p) ye =+ A) sin— ^ cos+ (y0 + sin p)
其中，(x。， y。)為轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)；(-&， O)為所述孔徑光闌的中
心經(jīng)過場(chǎng)鏡成像后的像點(diǎn)坐標(biāo)；(&， ^ )為所述出瞳光闌的中心坐標(biāo)；"為轉(zhuǎn) 鏡的半厚；^是轉(zhuǎn)鏡以垂直x軸方向?yàn)槌跏嘉恢玫募磿r(shí)轉(zhuǎn)角。
在本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱中，所述記錄像面設(shè)置在以第三 Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面上。
在本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱中，在垂直轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)以二 次像進(jìn)入方向?yàn)閤軸的平面坐標(biāo)系中，所述第三Pascal蝸線的軌跡方程如下
X/ =(《/ + "o)cos+ y。 sin+ (X + 2" cos p) 力=(《/ + xo) sin- _v0 cos+ (_y0 + 2/- sin
其中，(x。， y。)為轉(zhuǎn)鏡的中心坐標(biāo)；o)為最終像設(shè)計(jì)點(diǎn)的中心坐 標(biāo)，所述最終像設(shè)計(jì)點(diǎn)是在設(shè)定沒有轉(zhuǎn)鏡的情況下根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)選定的設(shè)計(jì)點(diǎn)； ( ，々)為所述記錄像面中心的坐標(biāo)；"為轉(zhuǎn)鏡的半厚；P是轉(zhuǎn)鏡以垂直x
軸方向?yàn)槌跏嘉恢玫募磿r(shí)轉(zhuǎn)角。在本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱中，所述中繼透鏡陣列中每個(gè)中繼透
鏡的主點(diǎn)設(shè)置在以第二 Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面上。
在本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱中，在垂直轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)以二
次像進(jìn)入方向?yàn)?c軸的平面坐標(biāo)系中，所述中繼透4竟主點(diǎn)軌跡所在第二 Pascal
蝸線的軌跡方程如下
xH = (gH + ;c。) cos 2p + y。 sin 2p + (x0 + 2r cos >^ x。) sin 2P—^。cos 2P + (少。+ 2r sin
其中，(x。， a )為轉(zhuǎn)鏡的中心坐標(biāo)；(-&， 0)為中繼透鏡設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)， 所述中繼透鏡設(shè)計(jì)點(diǎn)是滿足在設(shè)定沒有轉(zhuǎn)鏡的情況下二次像直接經(jīng)過中繼透鏡 后聚焦成像在最終像設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)所確定中繼透鏡的主點(diǎn)位置；& )為所述
中繼透鏡主點(diǎn)的坐標(biāo)；"為轉(zhuǎn)鏡的半厚；w是轉(zhuǎn)鏡以垂直x軸方向?yàn)槌跏嘉恢玫?即時(shí)轉(zhuǎn)角。
在本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱中，在所述轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)，二次像經(jīng)過 轉(zhuǎn)鏡上的反射點(diǎn)反射至中繼透鏡陣列中的一個(gè)中繼透鏡上，設(shè)置每個(gè)中繼透鏡 的光軸通過與其對(duì)應(yīng)的反射點(diǎn)。
在本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱中，所述箱體內(nèi)設(shè)有排鏡架，所述排 鏡架上對(duì)應(yīng)所述中繼透鏡陣列中的每個(gè)中繼透鏡設(shè)有一個(gè)滑槽，所述中繼透鏡 在對(duì)應(yīng)的滑槽內(nèi)沿該中繼透鏡光軸方向可滑動(dòng)孩B周。
在本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱中，所述出瞳光闌陣列開設(shè)在出瞳光 闌片上，所述出瞳光闌片固定在排鏡架的內(nèi)側(cè)表面上。
在本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱中，所述轉(zhuǎn)鏡設(shè)置在真空透明玻璃球 罩內(nèi)，所述真空透明玻璃球罩設(shè)置在所述箱體內(nèi)
所述轉(zhuǎn)鏡設(shè)置在真空透明玻璃球罩內(nèi)，所述真空透明玻璃球罩設(shè)置在所述 箱體內(nèi)。
實(shí)施本發(fā)明的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱，具有以下有益效果通過設(shè)置轉(zhuǎn)鏡分 幅相機(jī)的暗箱包括箱體，在箱體內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)鏡、中繼透鏡陣列、對(duì)應(yīng)中繼透鏡陣 列設(shè)置的出瞳光闌陣列、記錄像面，從外部經(jīng)物鏡、目鏡和場(chǎng)鏡等鏡頭組導(dǎo)入 的二次像經(jīng)過轉(zhuǎn)鏡鏡像后再經(jīng)過中繼透鏡陣列，最終成像在記錄像面上；在箱體上設(shè)置有孔徑光闌，用于控制成像光束的口徑；設(shè)置孔徑光闌與出瞳光闌光 學(xué)共軛，使得孔徑光闌的像和出瞳光闌共同形成光學(xué)快門，在記錄像面上實(shí)現(xiàn) 曝光和分幅的功能。由于轉(zhuǎn)鏡存在一定的厚度，在轉(zhuǎn)鏡勻速旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，入射 光線的方向不變，使得入射光線在轉(zhuǎn)鏡上的反射點(diǎn)連續(xù)變化，這使得孔徑光闌 在出瞳光闌處的共軛像點(diǎn)的軌跡為Pascal蝸線，通過將出瞳光闌陣列中各個(gè)出 瞳光闌的中心設(shè)置在以第一 Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面上，佳:得每個(gè)出瞳光闌均 位于共軛像點(diǎn)上，進(jìn)而使得出瞳光闌陣列所在的曲面與實(shí)際的共軛像點(diǎn)軌跡重 合，從而在轉(zhuǎn)鏡勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)出瞳光闌陣列的等速掃描，保證了攝影 頻率的均勻性，提高了攝影機(jī)的判讀時(shí)間精度。尤其在大工作角情況下可減小 時(shí)基判讀誤差。
更進(jìn)一步地將記錄像面設(shè)置在以第三Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面上，使得最 終的成像能夠準(zhǔn)確落到記錄像面上，從而避免了像點(diǎn)離焦的原理誤差，從而提 高了攝影機(jī)的分辨率。
更進(jìn)一步地將中繼透鏡陣列中每個(gè)中繼透鏡的主點(diǎn)設(shè)置在以第二 Pascal蝸 線為準(zhǔn)線的柱面上，避免了現(xiàn)有技術(shù)中因中繼透鏡陣列用代替圓替代而存在的 像點(diǎn)離焦的問題，使得像點(diǎn)能夠準(zhǔn)確地聚焦在記錄像面上，從而進(jìn)一步提高了 攝像時(shí)的分辨率。另外，在所述轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)，二次像經(jīng)過轉(zhuǎn)鏡上的反射點(diǎn)反射 至中繼透鏡陣列中的每一個(gè)中繼透鏡上，設(shè)置每個(gè)中繼透鏡的光軸通過與其對(duì) 應(yīng)的反射點(diǎn)，使得每個(gè)中繼透鏡的光軸和與其對(duì)應(yīng)的反射光線的主光線重合， 避免了現(xiàn)有技術(shù)中的不同軸造成的成像誤差，從而進(jìn)一步提高了攝像時(shí)的分辨 率。
更進(jìn)一步地，可在箱體內(nèi)設(shè)置排鏡架，將中繼透鏡陣列中的每個(gè)中繼透鏡 均設(shè)置在排鏡架的滑槽內(nèi)，使得整個(gè)暗箱的結(jié)構(gòu)更為緊湊。同時(shí)設(shè)置中繼透鏡 在對(duì)應(yīng)的滑槽內(nèi)沿朝向所述轉(zhuǎn)鏡上與該中繼透鏡對(duì)應(yīng)反射點(diǎn)的方向上可滑動(dòng)， 使得中繼透鏡在其光軸的方向上可微量調(diào)節(jié)，從而可以很方便的將每個(gè)中繼透 鏡的主點(diǎn)調(diào)節(jié)至以第二Pascal蝸線為準(zhǔn)線的同一柱面上，方便整個(gè)箱體的安裝 調(diào)試。另外，還可在箱體內(nèi)設(shè)置兩排排鏡架，將排鏡架對(duì)稱設(shè)置在轉(zhuǎn)鏡兩側(cè)(也 可不對(duì)稱設(shè)置)，在箱體內(nèi)形成了兩組光學(xué)系統(tǒng)、兩個(gè)攝影記錄區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)等待型攝影記錄。所謂等待型攝影記錄是指兩個(gè)攝影區(qū)域能夠連續(xù)交替進(jìn)行攝 影記錄， 一直在等待著記錄，而對(duì)被攝影目標(biāo)的觸發(fā)時(shí)間始點(diǎn)要求不高，同時(shí) 也能夠獲得更多的畫幅數(shù)。
下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖l是轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱的原理示意圖2是本發(fā)明所述轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱的原理結(jié)構(gòu)示意圖3是圖2的I部放大圖。
具體實(shí)施方式

如圖l所示，基于Miller理論構(gòu)造的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱通常包括箱體7 和設(shè)置在箱體7內(nèi)的轉(zhuǎn)鏡4、中繼透鏡陣列5和記錄像面6，中繼透鏡陣列5 由多個(gè)中繼透鏡5'陣列而成，每個(gè)中繼透鏡5'上設(shè)有出瞳光闌Qe,各個(gè)出瞳 光闌Qe形成出瞳光闌陣列8。暗箱外的鏡頭組捕捉到的像經(jīng)過暗箱入口處設(shè)置 的孔徑光闌Qa進(jìn)入到箱體7內(nèi)，鏡頭組可包括用于形成一次像的物鏡1和形 成二次像12的目鏡2和場(chǎng)鏡3,孔徑光闌Qa用來控制成像光束的口徑。
在垂直轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)中心的平面內(nèi)以二次像12導(dǎo)入的方向?yàn)镴C軸建立平面坐標(biāo) 系。其中轉(zhuǎn)鏡4的旋轉(zhuǎn)中心0的坐標(biāo)為(x。， a)，轉(zhuǎn)鏡4的內(nèi)切圓半徑即為 轉(zhuǎn)鏡的半厚r ;以轉(zhuǎn)鏡4的一個(gè)反射面與;c軸垂直時(shí)的位置為轉(zhuǎn)鏡4的初始位 置，當(dāng)轉(zhuǎn)鏡4勻速旋轉(zhuǎn)一定時(shí)間后，該反射面轉(zhuǎn)過一定的旋轉(zhuǎn)角度^。物鏡l 捕捉到的一次像I,經(jīng)目鏡2和場(chǎng)鏡3后形成二次像12， 二次像12經(jīng)轉(zhuǎn)鏡4鏡像 后形成二次像的鏡像12',該鏡像12'透過出瞳光闌Qe和相應(yīng)的中繼透鏡5'后在 記錄像面6上形成最終<象13'。根據(jù)轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)原理，轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)設(shè)計(jì)中必 須遵循以下二點(diǎn)(1)孔徑光闌Qa經(jīng)場(chǎng)鏡3、轉(zhuǎn)鏡4和球罩12后所成的像Qa '與出瞳光闌Qe重合；(2)成像在轉(zhuǎn)鏡4鏡面附近的二次像的鏡像12'和成像 在記錄像面的最終像13'通過相應(yīng)的中繼透鏡成光學(xué)共軛關(guān)系。隨著轉(zhuǎn)鏡4旋轉(zhuǎn)， 孔徑光闌的像Qa'依次遍歷出瞳光闌陣列中的各個(gè)出瞳光闌Qe，使得各個(gè)出瞳光闌Qe依次打開，從而由對(duì)應(yīng)的中繼透鏡5'對(duì)鏡像12'產(chǎn)生最終像13'并被記 錄在i己錄^f象面6上。
在本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱的優(yōu)選實(shí)施例中，同樣包括上述結(jié)構(gòu)， 不同之處在于引入了三個(gè)柱面，分別為記錄像面6、中繼透鏡陣列中各個(gè)中繼 透4竟主點(diǎn)所在柱面P5、出瞳光闌中心點(diǎn)所在柱面P8，將這三個(gè)柱面均i殳置為 以Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面。
在本優(yōu)選實(shí)施例中，沿;c軸的入射光線L經(jīng)過物鏡1、目鏡2和場(chǎng)鏡3后 在轉(zhuǎn)鏡4鏡面的反射點(diǎn)T(s，0)處反射形成主反射光L '。根據(jù)反射定律，該轉(zhuǎn)鏡 分幅相機(jī)的鏡面變換方程為
;c':一(;c一Xo)cos2p — (y-少o)sin2p + (;Co + 2rcos伊) (丄)
_y' = -(x — x0) sin+ (_y _ _y0) cos 2p ++ 2a* sin
其中物點(diǎn)的坐標(biāo)為(x,y),物點(diǎn)經(jīng)轉(zhuǎn)鏡4鏡面反射的共軛像點(diǎn)的坐標(biāo)為 (;c'， /)。在轉(zhuǎn)鏡勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的時(shí)刻，反射點(diǎn)T的坐標(biāo)不同，同 時(shí)轉(zhuǎn)鏡的即時(shí)轉(zhuǎn)角p也不同，如圖所示不同時(shí)刻的入射光線"和L2經(jīng)轉(zhuǎn)鏡反 射后形成不同方向的兩束主反射光L /和L2'，穿過出瞳光闌陣列中的不同出瞳 光闌后再經(jīng)中繼透鏡陣列中的不同中繼透鏡聚焦成像在記錄像面上，因此共軛 像點(diǎn)的坐標(biāo)是連續(xù)變化的高次曲線。在本優(yōu)選實(shí)施例中，由于入射光線L始終 沿;c軸入射且轉(zhuǎn)鏡的反射面為平面，轉(zhuǎn)鏡有一定的厚度，因而共軛像點(diǎn)的軌跡 實(shí)際應(yīng)為Pascal蝸線。
將出瞳光闌陣列中各個(gè)出瞳光闌Qe的中心設(shè)置在以第一 Pascal蝸線為準(zhǔn) 線的柱面上，即將出睹光闌中心點(diǎn)所在柱面P8設(shè)置為第一 Pascal蝸線為準(zhǔn)線 的柱面，使得孔徑光闌Qa在任意時(shí)刻均能和其對(duì)應(yīng)的出瞳光闌Qe形成光學(xué)共 軛。
如圖2、 3所示，基于轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)原理，在轉(zhuǎn)鏡的即時(shí)轉(zhuǎn)角為p時(shí)，需要 設(shè)置出瞳光闌Qe與孔徑光闌Qa經(jīng)過場(chǎng)鏡、轉(zhuǎn)鏡和球罩形成光學(xué)共軛關(guān)系，即 出瞳光闌Qe應(yīng)該設(shè)置在此時(shí)孔徑光闌的像Qa'的位置。雖然入射光線L始終 從同一方向入射，但由于轉(zhuǎn)鏡4在不斷旋轉(zhuǎn)致使孔徑光闌的像Qa'連續(xù)掃描 的。如圖2所示，(-《e, 0)，為出瞳光闌的中心經(jīng)轉(zhuǎn)鏡鏡像前的像點(diǎn)坐標(biāo)，即為孔徑光闌Qa的中心經(jīng)過場(chǎng)鏡所成的像點(diǎn)坐標(biāo)，可根據(jù)由物鏡、目鏡、場(chǎng)鏡
等組成的光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)以及孔徑光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的位置參數(shù)計(jì)算獲得該像
點(diǎn)坐標(biāo)。將該像點(diǎn)坐標(biāo)代入式(l)中，即可獲得第一 Pascal蝸線的軌跡方程
xe =(《e + jc0)cos2p + y。 sin2p + (x0 + 2r cos(" ye =+ ) sin 2P — ^ cos 2p + Oo + 2r sin
轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的出瞳中心掃描速度為^生，其中？=《+乂。若轉(zhuǎn)鏡旋
轉(zhuǎn)角度范圍為( Po， ％ )，取平均速度7 = (^ —p。)一J^Wp 并替4、即時(shí)速度V,
則可由「=生求得等速掃描下出瞳光闌的中心點(diǎn)的坐標(biāo)QeO),用Qe(伊)替代
式(2)中的Qe，即可確定等速掃描的出瞳光闌片的曲面，即按照上述軌跡方 程確定出瞳光闌的中心點(diǎn)所在柱面，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)鏡的等速掃描，保證了4聶影頻 率的均勻性，提高了攝影機(jī)的判讀時(shí)間精度；尤其在大工作角情況下可減小時(shí) 基判讀誤差。
如圖2、 3所示，在本優(yōu)選實(shí)施例中，將記錄像面6設(shè)置為以第三Pascal 蝸線為準(zhǔn)線的柱面上。為了計(jì)算方便，在垂直轉(zhuǎn)鏡4旋轉(zhuǎn)中心的平面內(nèi)以二次 像l2進(jìn)入方向?yàn)閖c軸的平面坐標(biāo)系中，在1軸上設(shè)定最終像設(shè)計(jì)點(diǎn)13，該最終像 設(shè)計(jì)點(diǎn)13是在沒有轉(zhuǎn)鏡的情況下根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)選定的設(shè)計(jì)點(diǎn)，即在沒有轉(zhuǎn)鏡的 情況下，二次像12直接經(jīng)過設(shè)置在jc軸上的中繼透鏡后聚焦成像的像點(diǎn)位置，
該位置可根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)中的各參數(shù)計(jì)算獲得該像點(diǎn)位置的范圍；具體可結(jié)合箱 體的結(jié)構(gòu)尺寸和中繼透鏡的放大率等因素選定一個(gè)設(shè)計(jì)值，從而確定該最終像 設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)值(-《,，0);將該坐標(biāo)代入式(l)中即可獲得第三Pascal蝸線
的4九跡方禾呈為
JCy 二(^+Xo)cos2^7 + j);oSin29) + (;j[:o+2rcos(p) ( 3 )
々=(《/ + x0) sin 2n0 cos+ (_y0 + sin p)
其中，(A， & )為轉(zhuǎn)鏡4的中心坐標(biāo)；(-^， O)為最終像設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo) 值；(jc,，々)為在暗箱中實(shí)際設(shè)置的所述記錄像面6的坐標(biāo)；"為轉(zhuǎn)鏡的半厚;^是轉(zhuǎn)鏡以垂直x軸方向?yàn)槌跏嘉恢玫募磿r(shí)轉(zhuǎn)角。通過將記錄像面6設(shè)置在以 第三Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面上，使得最終的成像13'能夠準(zhǔn)確落到記錄像面6 上，從而避免了像點(diǎn)離焦的原理誤差，從而提高了攝影機(jī)的分辨率。
如圖2、 3所示，二次像I2經(jīng)過轉(zhuǎn)鏡上的反射點(diǎn)t反射至中繼透鏡陣列中 的一個(gè)中繼透鏡5 '上。在轉(zhuǎn)鏡4旋轉(zhuǎn)時(shí)，反射點(diǎn)t在轉(zhuǎn)鏡上的位置不斷變化， 對(duì)應(yīng)的反射角也在連續(xù)變化，使得不同時(shí)刻，反射光線l'只通過中繼透鏡陣列 中的一個(gè)中繼透鏡5'。在本優(yōu)選實(shí)施例中，優(yōu)選設(shè)置每個(gè)中繼透鏡5'的光軸通 過與其對(duì)應(yīng)的反射點(diǎn)t，使得每個(gè)中繼透鏡5'的光軸和與其對(duì)應(yīng)的反射光線的 主光線l'重合，避免了現(xiàn)有技術(shù)中的成像誤差，從而進(jìn)一步提高了攝像時(shí)的分 辨率。
如圖2所示，在本優(yōu)選實(shí)施例中，將中繼透鏡陣列中每個(gè)中繼透鏡5'的主 點(diǎn)H設(shè)置在以第二 Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面上，即中繼透鏡主點(diǎn)所在平面P5 為以第二 Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面上。為了計(jì)算方便，在垂直轉(zhuǎn)鏡4旋轉(zhuǎn)中心 的平面內(nèi)以二次像12進(jìn)入方向?yàn)閤軸的平面坐標(biāo)系中，在;c軸上設(shè)定中繼透鏡 設(shè)計(jì)點(diǎn)H',該中繼透鏡設(shè)計(jì)點(diǎn)H'是在沒有轉(zhuǎn)鏡的情況下根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)確定的設(shè) 計(jì)點(diǎn)；即在沒有轉(zhuǎn)鏡的情況下，二次像12直接經(jīng)過設(shè)置在中繼透鏡設(shè)計(jì)點(diǎn)的中 繼透鏡后成像，并為了滿足能夠聚焦成像在最終像設(shè)計(jì)點(diǎn)13處而確定的中繼透 鏡設(shè)計(jì)點(diǎn)?？筛鶕?jù)光學(xué)系統(tǒng)中的各參數(shù)以及選定的最終像設(shè)計(jì)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算獲得 該中繼透鏡設(shè)計(jì)點(diǎn)H'的坐標(biāo)(-《fl， 0),將該點(diǎn)坐標(biāo)代入式(1)中可獲得第二
Pascal蝸線的軌跡方程
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其中，(&， & )為在暗箱中實(shí)際設(shè)置的中繼透鏡主點(diǎn)H的坐標(biāo)，(x。， A)為轉(zhuǎn)鏡的中心坐標(biāo)；"為轉(zhuǎn)鏡的半厚；^是轉(zhuǎn)鏡以垂直;c軸方向?yàn)槌跏嘉恢?的即時(shí)轉(zhuǎn)角。通過將中繼透鏡陣列中每個(gè)中繼透鏡的主點(diǎn)H設(shè)置在以第二 Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面上，使得二次像的鏡像12'能夠準(zhǔn)確地被中繼透鏡5 ' 聚焦在記錄像面6上，從而進(jìn)一步提高了攝像時(shí)的分辨率。
圖2、 3為本發(fā)明所述轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱的結(jié)構(gòu)示意圖，為了方便裝調(diào)，還可在箱體7內(nèi)設(shè)置排鏡架9用于將上述中繼透鏡陣列中的每個(gè)中繼透鏡固定 在箱體7內(nèi)。具體的，根據(jù)要求可在排鏡架9上對(duì)應(yīng)每個(gè)中繼透鏡設(shè)置滑槽10， 使得中繼透鏡5'在滑槽10內(nèi)滑動(dòng)，滑槽10的方向設(shè)置為朝向轉(zhuǎn)鏡4上與該中 繼透鏡5'對(duì)應(yīng)的反射點(diǎn)T，即使得滑槽10的方向與對(duì)應(yīng)的反射光線主光線L' 重合，以保證中繼透鏡5'在該滑槽10內(nèi)滑動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)中繼透鏡的主光軸與主光線 L'重合。在排鏡架9中對(duì)應(yīng)每個(gè)滑槽IO還設(shè)有緊固裝置或緊固件用來將調(diào)節(jié)好 位置的中繼透鏡5'固定在排鏡架9上。在排鏡架的內(nèi)側(cè)表面P9 (即排鏡架9朝 向轉(zhuǎn)鏡一側(cè)的表面)設(shè)有出瞳光闌片11，出瞳光闌陣列8開設(shè)在該出瞳光闌片 11上，將該排鏡架的內(nèi)側(cè)表面P9設(shè)置為以第一Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面，將 出瞳光闌片11粘貼在該內(nèi)側(cè)表面P9上，從而保證出瞳光闌片ll上的出瞳光闌 陣列5設(shè)置在以第一 Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面，進(jìn)而保證轉(zhuǎn)鏡能夠?qū)崿F(xiàn)等速掃 描。
在排鏡架9的內(nèi)側(cè)還設(shè)有透明玻璃球罩12，將轉(zhuǎn)鏡4設(shè)置在透明玻璃球罩 12內(nèi)；將透明玻璃球罩12內(nèi)設(shè)置為真空，使得轉(zhuǎn)鏡4在透明玻璃球罩12內(nèi)旋 轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)阻大大減少，從而減少了轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)的阻力和對(duì)成像質(zhì)量的影響；透明 玻璃球罩同時(shí)起到長(zhǎng)焦距負(fù)透鏡的作用。
在對(duì)該暗箱進(jìn)行裝調(diào)時(shí)，先將記錄像面6、排鏡架9按照要求以轉(zhuǎn)鏡的旋 轉(zhuǎn)中心O為基準(zhǔn)加工出來，并將出瞳光闌片11固定在排鏡架的內(nèi)側(cè)表面P9; 再將裝有轉(zhuǎn)鏡4的真空透明玻璃球罩12設(shè)置在箱體7內(nèi)；記錄像面6在箱體7 內(nèi)，使得記錄像面6在以第三Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面上；調(diào)節(jié)場(chǎng)鏡3以使二 次像12成在所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)鏡鏡面附近；再將排鏡架9安裝到箱體7內(nèi)的記錄像面 6和轉(zhuǎn)鏡4之間，以轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)中心0為基準(zhǔn)加工排鏡架的內(nèi)側(cè)表面P9使得 設(shè)有出瞳光闌陣列的出瞳光闌片11在以第一Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面P8上； 再將各個(gè)中繼透鏡5'放入至排鏡架9中對(duì)應(yīng)的滑槽10內(nèi)形成中繼透鏡陣列5， 并調(diào)整每個(gè)中繼透鏡5'在滑槽10內(nèi)的位置，使得中繼透鏡的主點(diǎn)H在以第二 Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面P5上，這時(shí)中間像12經(jīng)轉(zhuǎn)鏡、球罩和中繼透鏡成像13 '在記錄像面6上，再將所有的中繼透鏡5'固定在排鏡架9上；再將整個(gè)箱體7 加蓋密封即可完成整個(gè)轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)暗箱的裝調(diào)。在上述實(shí)施例中，還可在箱體內(nèi)設(shè)置兩排排鏡架，將排鏡架對(duì)稱設(shè)置在轉(zhuǎn) 鏡兩側(cè)(也可不對(duì)稱設(shè)置)，在箱體內(nèi)形成了兩組光學(xué)系統(tǒng)、兩個(gè)攝影記錄區(qū)域， 從而實(shí)現(xiàn)等待型攝影記錄，所謂等待型攝影記錄是指兩個(gè)攝影區(qū)域能夠連續(xù)交 替進(jìn)行攝影記錄， 一直在等待著記錄，而對(duì)被攝影目標(biāo)的觸發(fā)時(shí)間始點(diǎn)要求不 高，同時(shí)也能夠獲得更多的畫幅數(shù)。
在上述實(shí)施例中，在小相對(duì)孔徑情況下，按上述的中繼透鏡共軸成像曲面
方程，在靠近中繼透鏡主面位置加工定位中繼透鏡陣列的Pascal曲面；在大相 對(duì)孔徑情況下，可將每個(gè)中繼透鏡做成一個(gè)小組件，設(shè)置中繼透鏡的光軸在朝 向與該中繼透鏡對(duì)應(yīng)反射點(diǎn)的方向上的位置可調(diào)，這樣就可通過各中繼透鏡組 件對(duì)記錄像面和二次像的對(duì)焦成像來調(diào)整每個(gè)中繼透鏡組件的安裝位置。
以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)， 但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和 改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附 權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱，包括箱體和設(shè)置在箱體內(nèi)的轉(zhuǎn)鏡、中繼透鏡陣列、對(duì)應(yīng)中繼透鏡陣列設(shè)置的出瞳光闌陣列、記錄像面，從所述箱體外部導(dǎo)入的二次像成像在轉(zhuǎn)鏡處并經(jīng)轉(zhuǎn)鏡鏡像后經(jīng)過出瞳光闌和中繼透鏡在記錄像面上形成最終像，其特征在于，所述箱體上設(shè)有控制成像光束口徑的孔徑光闌，所述孔徑光闌的像經(jīng)過轉(zhuǎn)鏡成在所述出瞳光闌陣列的出瞳光闌處，所述出瞳光闌陣列中各個(gè)出瞳光闌的中心設(shè)置在以第一Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱，其特征在于，在垂直于轉(zhuǎn)鏡 旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)以二次像導(dǎo)入方向?yàn)閤軸的平面坐標(biāo)系中，所述第一 Pascal蝸 線的軌跡方程如下xe =(《e + ;c。) cos + _y0 sin + (jc0 + 2r cos 凡=+ a) sin 2p — cos 2p + O0 + 2r sin其中，(x。， y。)為轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)；(-O)為所述孔徑光闌的中 心經(jīng)過場(chǎng)鏡成像后的像點(diǎn)坐標(biāo)；(a， x )為所述出瞳光闌的中心坐標(biāo)；r為轉(zhuǎn)鏡的半厚；P是轉(zhuǎn)鏡以垂直x軸方向?yàn)槌跏嘉恢玫募磿r(shí)轉(zhuǎn)角。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱，其特征在于，所述記錄像面 設(shè)置在以第三Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱，其特征在于，在垂直轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)以二次^象進(jìn)入方向?yàn)閤軸的平面坐標(biāo)系中，所述第三Pascal蝸線的軌跡方禾呈如下=(《,+ x0) cos 2p + _y0 sin 2p + (x0 + 2r cos x。) sin- _y0 cos 2p + (_y0 + 2r sin其中，(;c。， y。)為轉(zhuǎn)鏡的中心坐標(biāo)；(-《,，0)為最終#/沒計(jì)點(diǎn)的中心坐標(biāo)，所述最終像設(shè)計(jì)點(diǎn)是在設(shè)定沒有轉(zhuǎn)鏡的情況下根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)選定的設(shè)計(jì)點(diǎn)；(X,,々)為所述記錄像面中心的坐標(biāo)；r為轉(zhuǎn)鏡的半厚；^是轉(zhuǎn)鏡以垂直;c軸方向?yàn)槌跏嘉恢玫募磿r(shí)轉(zhuǎn)角。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱，其特征在于，所述中繼透鏡陣列中每個(gè)中繼透鏡的主點(diǎn)設(shè)置在以第二 Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱 面上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱，其特征在于，在垂直轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)以二次像進(jìn)入方向?yàn)镴C軸的平面坐標(biāo)系中，所述中繼透鏡主點(diǎn)軌跡所在第二 Pascal蝸線的軌跡方程如下x// =(《ff + x0) cos + _y0 sin + (x0 + cos >W =+ x0) sin- _y0 cos+ (_y0 + 2r sin其中，(x。， _y。)為轉(zhuǎn)鏡的中心坐標(biāo)；(-&， 0)為中繼透鏡設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)， 所述中繼透鏡設(shè)計(jì)點(diǎn)是滿足在設(shè)定沒有轉(zhuǎn)鏡的情況下二次像直接經(jīng)過中繼透鏡 后聚焦成像在最終像設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)所確定中繼透鏡的主點(diǎn)位置；(&, &)為所述 中繼透鏡主點(diǎn)的坐標(biāo)；"為轉(zhuǎn)鏡的半厚；P是轉(zhuǎn)鏡以垂直x軸方向?yàn)槌跏嘉恢玫?即時(shí)轉(zhuǎn)角。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱，其特征在于，在所述轉(zhuǎn)鏡旋 轉(zhuǎn)時(shí)，二次像經(jīng)過轉(zhuǎn)鏡上的反射點(diǎn)反射至中繼透鏡陣列中的一個(gè)中繼透鏡上, 設(shè)置每個(gè)中繼透鏡的光軸通過與其對(duì)應(yīng)的反射點(diǎn)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱，其特征在于，所述箱體內(nèi)設(shè) 有排鏡架，所述排鏡架上對(duì)應(yīng)所述中繼透鏡陣列中的每個(gè)中繼透鏡設(shè)有一個(gè)滑 槽，所述中繼透鏡在對(duì)應(yīng)的滑槽內(nèi)沿該中繼透鏡光軸方向可滑動(dòng)微調(diào)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱，其特征在于，所述出瞳光闌 陣列開設(shè)在出瞳光闌片上，所述出瞳光闌片固定在排鏡架的內(nèi)側(cè)表面上。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱，其特征在于，所述轉(zhuǎn)鏡設(shè) 置在真空透明玻璃球罩內(nèi)，所述真空透明玻璃球罩設(shè)置在所述箱體內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的暗箱，包括箱體和設(shè)置在箱體內(nèi)的轉(zhuǎn)鏡、中繼透鏡陣列、出瞳光闌陣列、記錄像面，從箱體外部導(dǎo)入的二次像I₂成像在轉(zhuǎn)鏡處并經(jīng)轉(zhuǎn)鏡鏡像后經(jīng)過出瞳光闌和中繼透鏡在記錄像面上形成最終像；箱體上設(shè)置的孔徑光闌的像經(jīng)過轉(zhuǎn)鏡成在出瞳光闌處，各個(gè)出瞳光闌的中心設(shè)置在以第一Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面上。通過將各個(gè)出瞳光闌的中心設(shè)置在以第一Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)出瞳光闌陣列的等速掃描，保證了攝影頻率的均勻性。本發(fā)明還進(jìn)一步地揭露了將中繼透鏡陣列中每個(gè)中繼透鏡的主點(diǎn)和記錄像面分別設(shè)置在以第二、三Pascal蝸線為準(zhǔn)線的柱面上的技術(shù)方案，消除了現(xiàn)有技術(shù)中的原理誤差，提高了攝影機(jī)的分辨率。
文檔編號(hào)G03B39/00GK101620370SQ200910108599
公開日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月6日
發(fā)明者吳慶陽, 李景鎮(zhèn), 龔向東 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)