一种小变形高基频拓扑结构超高速摄影仪用转镜
技术领域
本发明涉及超高速摄影仪技术领域，更具体地涉及一种小变形高基频拓扑结构超高速摄影仪用转镜。
背景技术
转镜是转镜式超高速摄影仪中的核心部件，转镜的结构和力学性能直接决定了超高速摄影仪的时间分辨率、空间分辨率、成像质量和运转可靠性。在分幅式超高速摄影仪系统中，系统的中间像成像在转镜附近，转镜同时起到场镜和高速扫描反射镜的双重作用。在扫描式超高速摄影仪中，转镜同时起到投影镜和高速扫描反射镜的双重作用。在空间分辨率方面，转镜的镜面结构尺寸越大，承载的信息量越大，但其内部应力也越大，镜面变形量也越大，因而转镜系统乃至成像系统受到破坏的可能性就大。在时间分辨率方面，超高速摄影仪系统的时间分辨率与转镜的转速成正比，转速越高，超高速摄影仪系统的时间分辨率就越高。但同时受到转镜本身结构的限制，转镜的一阶临界极限转速与转镜的材料和结构相关，一般在20~40 万转/分钟之间，转镜的时间分辨率受限，如果减小转镜的结构尺寸，也可以实现提高转镜的一阶临界极限转速和时间分辨率的目的。但是，转镜外形结构尺寸减小势必减小超高速摄影仪的画幅尺寸，降低其空间分辨率。转镜的横向变形会使图像产生畸变，直接影响到超高速摄影仪的成像质量。
发明内容
为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种小变形高基频拓扑结构超高速摄影仪用转镜，在不改变转镜原有的镜面尺寸的基础上，镜面最大横向变形量由原来的1.191×10-6 mm减少到0.654×10-6 mm，三角形端面最大横向变形量为原结构的54.9%，减小了45.1%，可以有效提高超高速摄影仪的成像质量。转镜的基频为8876.3 Hz，比原结构的8344.2 Hz增加了532.1 Hz，转镜的一阶临界极限转速提高了31926 转/分钟，比原来提高了6%，可以在一定程度上提高超高速摄影仪的时间分辨率。
本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：一种小变形高基频拓扑结构超高速摄影仪用转镜，所述转镜为等三棱柱体型结构，包括三个大小相同的矩形镜面和两个大小相同的等边三角形端面，三个所述矩形镜面的长边两两围合设置，围合的长边形成转镜的棱边，三个所述矩形镜面的宽边围合形成两个等边三角形端面，所述转镜还包括三个相同的分别关于等边三角形端面的三条角平分线对称的拓扑结构，单个所述拓扑结构包括依次沿角平分线对称设置的第一通孔组合体、第二通孔组合体和第三通孔组合体，所述第一通孔组合体、第二通孔组合体和第三通孔组合体中的通孔大小形状相同且各自的通孔之间具有相同间距。
优选地，所述第一通孔组合体形成在角平分线的最外侧，包括8个通孔，其距离顶点由近及远依次按第一排1个通孔，第二排2个通孔，第三排3个通孔和第四排2个通孔的数量等间距排列。
优选地，所述第二通孔组合体形成在第一通孔组合体远离等边三角形端面的顶点的一侧，包括19个通孔，其距离第一通孔组合体由近及远依次按第一排3个通孔，第二排4个通孔，第三排5个通孔，第四排4个通孔，第五排3个通孔的数量等间距排列。
优选地，所述第三通孔组合体形成在第二通孔组合体远离第一通孔组合体的一侧，其包括分别形成在角平分线两侧且呈线性排列的3个通孔，单侧的该3个通孔的中心点形成的线与角平分线呈30°角设置。
优选地，所述拓扑结构中的通孔截面为外接圆半径是0.4mm的等六边形，等六边形的相邻两边之间还具有圆角半径为0.02mm的过渡边。
优选地，所述拓扑结构中的相邻两个通孔之间最近距离的棱边平行设置，该平行的棱边之间的间距为0.11mm。
优选地，相邻两个所述通孔之间的中心距为0.69mm。
优选地，所述转镜的体积为3424.5mm3，所述等边三角形端面的外接圆半径为13.83mm。
优选地，所述转镜开设有中心孔，所述中心孔穿设两个等边三角形端面设置且中心孔的中心点与等边三角形端面的中心点重合设置。
优选地，所述中心孔的孔径为6mm。
本发明具有以下优点：
1、通过将拓扑结构的三个通孔组合体中的通孔大小形状相同且各自的通孔之间具有相同间距，可以使转镜棱边到中心线的刚度和镜面到中心线的刚度趋于平衡，从而使镜面变形减小，同时提高了转镜的基频；另外通孔大小形状相同使得转镜的加工工艺更加简单；
2、通过将第一通孔组合体、第二通孔组合体和第三通孔组合体中各自通孔的数量和组合形状的特定设置可以降低组合体这部分材料的密封和组合体这部分结构的刚度；
3、所述通孔为外接圆半径是0.4mm的等六边形，等六边形的相邻两边之间还具有圆角半径为0.02mm的过渡边，可以使镜面到转镜中心的刚度和棱边到中心的刚度达到一个相对平衡，使镜面的相对横向变形量减少；
4、相邻两个通孔之间最近距离的棱边平行设置，该平行的棱边之间的间距为0.11mm，以提高转镜棱边到转镜中心部分结构的刚度，从而提高了转镜的基频，达到降低镜面变形量和提高基频的双重目的。
附图说明
图1为本发明一种小变形高基频拓扑结构超高速摄影仪用转镜的立体结构示意图；
图2为本发明一种小变形高基频拓扑结构超高速摄影仪用转镜中等边三角形端面的结构示意图；
图3为本发明一种小变形高基频拓扑结构超高速摄影仪用转镜中拓扑结构的放大结构示意图；
图4为本发明一种小变形高基频拓扑结构超高速摄影仪用转镜的镜面横向变形量的曲线；
图5为现有技术中超高速摄影仪用转镜的镜面横向变形量曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
结合图1-图4所示，本发明实施例提供一种小变形高基频拓扑结构超高速摄影仪用转镜，所述转镜为等三棱柱体型结构，其包括三个大小相同的矩形镜面100和两个大小相同的等边三角形端面200。具体地，三个所述矩形镜面100的长边两两围合设置，围合后的长边形成转镜的棱边，三个所述矩形镜面100的宽边围合形成两个等边三角形端面200，所述矩形镜面100和等边三角形端面200围合形成的空间为转镜的主体结构，所述转镜可以采用铝合金制成，但不限于此。所述转镜开设有中心孔300，所述中心孔300穿设两个等边三角形端面200设置且中心孔300的中心点与等边三角形端面200的中心点重合设置，所述中心孔300内可以设有转轴（图中未显示），所述转镜通过转轴安装在超高速摄影仪的暗箱中，并由转轴带动其旋转。具体地，所述等边三角形端面200的外接圆半径为13.83mm，所述中心孔300的孔径为6mm。
所述转镜还包括三个相同的分别关于等边三角形端面200的三条角平分线A对称的拓扑结构400，单个所述拓扑结构400包括依次沿角平分线A对称设置的第一通孔组合体410、第二通孔组合体420和第三通孔组合体430，所述第一通孔组合体410、第二通孔组合体420和第三通孔组合体430中的通孔大小形状相同且各自的通孔之间具有相同间距，上述拓扑结构400的设置，可以使转镜棱边到中心线的刚度和镜面到中心线的刚度趋于平衡，从而使镜面变形减小，同时提高了转镜的基频。另外通孔大小形状相同使得转镜的加工工艺更加简单。
具体地，所述第一通孔组合体410形成在角平分线A的最外侧，靠近等边三角形端面200的顶点位置，所述第一通孔组合体410包括8个通孔，其距离顶点由近及远依次按第一排1个通孔，第二排2个通孔，第三排3个通孔和第四排2个通孔的数量等间距排列。所述第二通孔组合体420形成在第一通孔组合体410远离等边三角形端面200的顶点的一侧，所述第二通孔组合体420包括19个通孔，其距离第一通孔组合体410由近及远依次按第一排3个通孔，第二排4个通孔，第三排5个通孔，第四排4个通孔，第五排3个通孔的数量等间距排列。所述第三通孔组合体430形成在第二通孔组合体420远离第一通孔组合体410的一侧，其包括分别形成在角平分线A两侧且呈线性排列的3个通孔，单侧的该3个通孔的中心点形成的线与角平分线A呈30°角设置。上述第一通孔组合体410、第二通孔组合体420和第三通孔组合体430中各自通孔的数量和组合形状的设置可以降低组合体这部分材料的密封和组合体这部分结构的刚度。
作为本发明实施例的进一步改进，所述拓扑结构400中的通孔截面为外接圆半径是0.4mm的等六边形，等六边形的相邻两边之间还具有圆角半径为0.02mm的过渡边，可以使镜面到转镜中心的刚度和棱边到中心的刚度达到一个相对平衡，使镜面的相对横向变形量减少。
作为本发明实施例的进一步改进，所述拓扑结构400中的相邻两个通孔之间最近距离的棱边平行设置，该平行的棱边之间的间距为0.11mm，以提高转镜棱边到转镜中心部分结构的刚度，从而提高了转镜的基频，达到降低镜面变形量和提高基频的双重目的。更优地，相邻两个所述通孔之间的中心距为0.69mm。
本发明实施例中，所述转镜的体积为3424.5mm3，而现有技术中的转镜体积为4576.61 mm3，所述转镜的结构质量减少至现有的75%，有效的提高了转镜的基频。
本发明实施例中，所述拓扑结构400中的通孔轴线之间的夹角分别为60°和120°，这两个角度的设置和转镜的棱角以及转镜轴线之间的夹角对应一致。
结合图4-图5所示，本发明实施例的转镜，在不改变转镜原有的镜面尺寸的基础上，镜面最大横向变形量由原来的1.191×10-6 mm减少到0.654×10-6 mm，三角形端面最大横向变形量为原结构的54.9%，减小了45.1%，可以有效提高超高速摄影仪的成像质量。本发明实施例转镜的基频为8876.3 Hz，比原结构的8344.2 Hz增加了532.1 Hz，转镜的一阶临界极限转速提高了31926 转/分钟，比原来提高了6%，可以在一定程度上提高超高速摄影仪的时间分辨率。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。
