CN100373257C - 一种测量扫描式转镜高速摄影机瞬时扫描速度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量扫描式转镜高速摄影机瞬时扫描速度的方法，它是通过激光脉冲序列在底片上曝光形成一列时标点，采用底片分析仪分析底片时，对应于有效记录过程中的不同时刻，根据相邻时标点间的距离L和时间间隔T，便可测得该时刻的扫描速度(V＝L/T)。因此，采用本发明方法可以高精度、实时测量扫描式转镜高速摄影机瞬时扫描速度。

Description

一种测量扫描式转镜高速摄影机瞬时扫描速度的方法

技术领域

本发明属于光学仪器领域，它特别涉及扫描式转镜高速摄影机。

背景技术

转镜式高速摄影机有纳秒级的时间分辨本领，良好的空间分辨率，还有与被摄目标可以准确同步、使用可靠、操作简单等其他优点。因此它在高速摄影仪器中占据重要的地位，被广泛应用于爆炸力学、高压物理、实验室等离子体、火花放电、新型激光光源和激光光谱学等领域的研究(见谭显祥，光学高速摄影测试技术，第一版，科学出版社，1990年)。通过高速摄影可以为研究者提供既可目视观察，又可精确测定所需数据的底片，从而对被研究对象进行理论分析和定量描述。在各种参数中，最重要的是狭缝像在底片上的扫描速度。

图1是扫描式转镜高速摄影机光学原理图。在图1中，被摄目标经第一物镜1、狭缝2、第二物镜3和反射转镜4成像在底片5上。由于反射转镜4的高速旋转，使狭缝像在底片上扫描，由此记录下被摄目标在狭缝方向的空间位置随时间的变化过程。在同步型扫描式转镜高速摄影机中，记录胶片都是固定不动的，而且由于摄影机结构的限制，胶片的长度也较短，其有效工作角一般不超过90度。

在图1中，O点为转镜4的转轴中心，转镜4具有一定的厚度，因此转镜4的转轴中心O点不在转镜4的镜面上，O点向转镜4的镜面做垂线的垂足为B点，O点到B点的距离是a，A₀是第二物镜3所成像的虚像点，O点到A₀点的距离为ι，A₀′是狭缝像，则扫描速度在理论上可以由下式计算

v＝2lω(1+acosφ/l)    (1)

式中：v为狭缝像A₀′在其像面上的扫描速度；ω为转镜4的角频率；φ为光轴与转镜4法线的夹角。

由(1)式可知，这是一条巴斯卡尔蜗线，因此当ω恒定时象面上的扫描速度并不恒定，而且与成像位置有关，是角φ的函数。

扫描速度的测量是扫描式转镜高速摄影机系统中的重要技术。传统的扫描速度的测量方法如下(见谭显祥，光学高速摄影测试技术，第一版，科学出版社，1990.)：转镜转速传感器在转镜每旋转一周发出一个电脉冲信号，通过测量相邻两个脉冲间隔的时间得到转镜旋转一周所需的时间T，则ω＝2π/T，扫描速度由(1)式算出。然而，在摄影机设计时，为了制造方便，用一条圆弧来代替蜗线，这样就带来误差；此外，在摄影机的加工中，以及在用控制台调控转镜转速时都会引入误差，这些使得实际扫描速度与(1)式计算出来的速度有偏差。

为了测出真实的扫描速度，并进而判定摄影机设计和操作控制的准确程度，为测试提供可靠的数据，必须在胶片框的不同部位上测出扫描速度。

中国工程物理研究院流体物理研究所曾用下述方法来测量扫描速度(见叶式灿，董金轩，转镜式高速相机扫描速度及其不均匀性测量，爆炸与冲击，vol.17，No.2,1997.)。在胶片框上不同位置放置与狭缝平行的标准金属双缝，在双缝后接光电倍增管，将闪光灯成像在狭缝上。当狭缝像扫过双缝时，光电倍增管输出两个形状相同有一定时间间隔的脉冲，通过测量各个光电倍增管输出的两个电脉冲信号的间隔，就可以测得胶片框的不同部位上的扫描速度。这种方法可以对扫描速度的均匀性作鉴定，并可用鉴定结果来修正实际拍摄时的测量结果，但它不能直接测量实际拍摄时的扫描速度。

综上所述，现有技术均不能解决在实际拍摄时高精度地测量有效记录过程中不同时刻的扫描速度问题。

发明内容

本发明的任务是提供一种扫描式转镜高速摄影机在实际拍摄时高精度地测量有效记录过程中不同时刻扫描速度的测量方法。

本发明的任务是用如下方法实现的：

第一步，在扫描式转镜高速摄影机的附近放置一个窄缝形的激光光源10(如图2、图3所示)，激光光源10通过反射镜11、摄影机第一物镜1、第二物镜3和4成像在底片5上，激光光源10的静止像12成像位置在狭缝静止像13的沿狭缝方向的一侧，如图4所示。对于反射镜11和物镜1的位置关系要求是：激光光源10发出的激光通过反射镜11和物镜1后能够成像在狭缝2的一端。

第二步，在有效记录过程中，通过控制激光光源10，形成一定时间间隔T的短光脉冲序列，在底片5上曝光就形成一列时标点14，如图5所示。在图5中，相邻时标点(即对应底片5上的不同位置)之间的时间间隔就是相邻光脉冲间的时间间隔T。在底片上时标点的多少可根据具体要求设置。

第三步，在采用底片分析仪分析底片5时，对应于有效记录过程中的不同时刻，根据该时刻相邻时标点间的距离L和时间间隔T，便可测得该时刻的扫描速度V，V＝L/T。

采用本发明的优点首先在于在实际拍摄时，可以测得有效记录过程中不同时刻的扫描速度值。因此也就可以测得有效记录过程中扫描速度的变化。其二，由于聚焦激光光源10在底片5上形成的静止像12很小，而光脉冲的时间间隔T用晶振的振荡频率(或由专用的时间序列发生器产生的频率)作时标，可以达到很高精度，从而使平均扫描速度的测量可以达到很高精度。

附图及附图说明

图1是扫描式转镜高速摄影机光学原理图

其中，1是第一物镜，2是狭缝，3是第二物镜，4是转镜，5是胶片，即底片；O点为转镜4的转轴中心，O点向转镜4的镜面做垂线的垂足为B点，A₀是第二物镜3所成像的虚像点，A₀′是狭缝像。

图2本发明方法中的仪器布置示意图

其中，6是被摄目标，7是摄影机，8是摄影机控制台，9是激光器电源，10是激光光源，11是反光镜；

图3本发明的光学系统图

其中，对于反射镜11和物镜1的位置关系要求是：激光光源10发出的激光通过反射镜11和物镜1后能够成像在狭缝2的一端；

图4激光光源10在底片5上的成像位置示意图

其中，12是激光光源的静止像，13是狭缝静止像；

图5在底片上记录下的时标点和目标扫描过程的示意图

其中，14是时标点，15是有效记录过程。

具体实施方式

采用GSJ型高速相机，工作在6万转/分，名义扫描速度为3mm/μs；采用二极管泵浦固体激光器作激光光源10，工作在0.5MHz的频率，光脉冲宽度<1ns，因此相邻光脉冲间的时间间隔T为2μs，在底片5上得到62个时标点，而相邻时标点间的距离L可以通过底片分析得到。因此就可以精确测出在底片上61个不同位置上的速度。晶振控制的相邻光脉冲间的时间间隔误差<0.001％，万能工具显微镜或专用底片分析仪(如98J型精密测量投影仪)的测量误差<±0.001mm，所以每个位置上的平均速度的测量精度达到±0.05％。

Claims (2)

1.一种测量扫描式转镜高速摄影机瞬时扫描速度的方法，它包括扫描式转镜高速摄影机(7)、摄影机控制台(8)，激光器电源(9)，激光光源(10)、反射镜(11)、底片分析仪，其特征是它采用下面的步骤工作：

第一步，在扫描式转镜高速摄影机的附近放置一个窄缝形的激光光源(10)，激光光源(10)通过反射镜(11)、摄影机第一物镜(1)、第二物镜(3)和转镜(4)成象在底片(5)上，激光光源(10)的静止像(12)成像位置在狭缝静止像(13)的沿狭缝方向的一侧；对于反射镜(11)和物镜(1)的位置关系要求是：激光光源(10)发出的激光通过反射镜(11)和物镜(1)后能够成像在狭缝(2)的一端；

第二步，在有效记录过程中，通过控制激光光源(10)，形成一定时间间隔T的短光脉冲序列，在底片(5)上曝光就形成一列时标点(14)，相邻时标点之间的时间间隔就是相邻光脉冲间的时间间隔T；

第三步，在采用底片运动分析仪分析底片(5)时，对应于有效记录过程中的不同时刻，根据该时刻相邻时标点间的距离L和时间间隔T，测得该时刻的扫描速度V，V＝L/T。

2.根据权利要求1所述的一种测量扫描式转镜高速摄影机瞬时扫描速度的方法，其特征在于在所述的第二步中，相邻时标点(14)的时间间隔T的大小根据使用的具体要求设置，时间间隔T由频率稳定度高的晶振电路产生，或由专用的时间序列发生器产生。

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