CN101666970B - 光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统，包括物镜、等待分光装置、两个二次分光装置、与每个二次分光装置对应设置的分幅装置和扫描装置以及分幅扫描转镜装置，通过设置等待分光装置和二次分光装置实现两次分光，分光后产生分幅光路和扫描光路均进入分幅扫描转镜装置，并分别成像在分幅像面和扫描像面上；由于分幅光路和扫描光路有共同的物镜，使得二者具有相同的空间基准，而两路光路均通过同一转镜反射成像，使其具有相同的时间基准，从而能够获得较高的空间信息和时间信息，获得高的判读准确度和判读精确度。
Description
【技术领域】
本发明涉及分幅扫描成像系统，更具体地说，涉及一种应用于高速成像技术中光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统。
【背景技术】
高速成像技术是观测瞬态事件的时间放大技术，能够给出高速变化过程的空间-时间信息。高速成像技术经历了从高速到甚高速、超高速、极高速，从可见光到远红外、紫外、X射线，从研究宏观物体的运动到研究微观机制的发展过程。
高速成像技术在研究发射、碰撞类瞬变过程；研究爆轰类超快过程和高电压放电类瞬态过程；研究固体中声子和激子的衰变和迁移；研究分子结构动力学、光合作用的原初反应过程中具有重要意义。
随着爆轰、放电、聚变和其它细观、微观高速动力学过程研究水平的提高、得到更多的时空信息、提高判读精度，要求一次实验就能同时得到分幅、扫描记录，要求能够得到较多画幅而且易于抓住目标的等待型记录。早期的分幅扫描同时记录仪采用外光路中的光振幅分光(例如半透半反)，分成两束，一束用于超高速分幅摄影机，另一束用于超高速扫描摄影机，由于采用了两个摄影机，使得整个系统难以做到精确的时间同步和速度一致，造成判读误差。
美国曾经设计过的分幅扫描记录仪包括共用的外光学系统和分光的内光学系统，内光学系统分光形成扫描光束和分幅光束，并且各自分用自己的转镜系统。因此整个记录仪虽然只采用一个摄影机，相对于早期的分幅扫描同时记录仪有所进步，但由于其存在两套转镜系统，这两套转镜系统的系统时间基准不同，仍然难以做到精确的时间同步和速度一致。之后美国研究了共空间基准、共时间基准的记录仪，但是这些记录仪中采用的是空间光束光学系统，空间分辨率低，且系统结构复杂(Manfred Held.Simultaneously Gained Streak and Framing Records Offer a Great Advantage in the Field of Detonics.Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2001，26：148-155)。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的分幅扫描成像系统中存在的分幅和扫描的时间基准不一致的缺陷，提供一种具有同一时间基准和空间基准的光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统，包括物镜、等待分光装置、两个二次分光装置、与每个二次分光装置对应设置的分幅装置和扫描装置以及分幅扫描转镜装置，物光经过物镜后形成的一次像经所述等待分光装置分为两束一次像光束，每束一次像光束经过对应的所述二次分光装置后分为两束二次像光束，该两束二次像光束分别经过分幅装置和扫描装置形成分幅光束和扫描光束，两束二次像光束对应的分幅光束和扫描光束均经过所述分幅扫描转镜装置后成像在像面上；所述一次像光束、二次像光束以及各个扫描光束和分幅光束均设置在同一平面内；所述分幅扫描转镜装置包括球罩、设置在球罩内的转镜、中继透镜、扫描像面和分幅像面，每个分幅光束入射至球罩内形成位于所述转镜镜面处的三次像，所述三次像经转镜反射后出射至球罩外并经所述中继透镜后成像在分幅像面上；每个扫描光束入射至球罩内的转镜上经转镜反射后出射至球罩外成像在扫描像面上。
在本发明所述光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统中，所述等待分光装置包括目镜、孔径光阑、斜方棱镜和分光棱镜，导入的一次像依次经过目镜、孔径光阑、斜方棱镜和分光棱镜后分出两束一次像光束到对应的二次分光装置中。
在本发明所述光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统中，所述二次分光装置包括场镜和分束棱镜，导入的一次像光束依次经过所述场镜和分束棱镜后分出两束二次像光束，再分别导入至对应的分幅装置和扫描装置中。
在本发明所述光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统中，所述分幅 装置包括分幅像倾组件、分幅场镜和分幅投影镜，导入的二次像成像在所述分幅像倾组件处并依次经分幅场镜和分幅投影镜后进入所述分幅扫描转镜装置中。
在本发明所述光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统中，所述扫描装置包括扫描像倾组件、扫描场镜和扫描投影镜，导入的二次像成像在所述扫描像倾组件处并依次经扫描场镜和扫描投影镜后进入所述分幅扫描转镜装置中。
在本发明所述光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统中，与同一束二次像光束对应的所述分幅装置或所述扫描装置中设有调整光程的光程调节组件。
实施本发明所述光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统，具有以下有益效果：通过设置等待分光装置分出两束一次像光束，而每束光束与一个二次分光装置对应，每个二次分光装置又将一次像光束分为两束，一束进入分幅装置产生分幅光路，另一束进入扫描装置产生扫描光路，分幅光路和扫描光路进入分幅扫描转镜装置后分别成像在分幅像面和扫描像面上，由于分幅光路和扫描光路有共同的物镜，使得二者具有相同的空间基准，而两路光路均通过同一转镜反射成像，使其具有相同的时间基准，能获得高的判读准确度和判读精确度；并且具有较高的时间带宽积(成像频率×记录时间)和空间带宽积(空间分辨率×画幅尺寸)。同时，设置一次像光束、二次像光束以及各个扫描光束和分幅光束均设置在同一平面内，整个光路在同一平面内，使得系统的整体结构紧凑、便于设计、加工、装调。另外，该光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统具有两个入口，即等待分光装置将一次像分为两束光束同时入射，使得整个系统处于“等待”的工作方式中，在任何时候均能捕捉到物像，以实现连续记录。
该光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统能进一步满足爆轰、放电、聚变和其它细观、微观高速动力学过程的研究需求，实现超高速分幅扫描的同时记录，提供超快过程更多的空间信息和时间信息、提高判读精度和研究水平。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
【附图说明】
图1是本发明所述光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统的系统框图；
图2是本发明所述光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统的结构示意图。
【具体实施方式】
如图1、2所示，在本发明所述光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统的优选实施例中，包括物镜0、分出两束一次像的等待分光装置20、两个将一次像分为扫描光束和分幅光束的二次分光装置30、将每个二次分光装置30产生的扫描光束和分幅光束成像在最终像面上的分幅扫描转镜装置40。物光经过物镜0后形成一次像，一次像经过等待分光装置20后分出两束一次像光束，这为后面的分幅扫描提供了两束入射光束。每束一次像光束经过与之对应的二次分光装置30后形成两束二次像光束，这两束二次像光束中的一束进入分幅装置50中并经分幅扫描转镜装置40后成像在分幅像面IF上，而另一束进入扫描装置60中并经分幅扫描装置60后成像在扫描像面IS上，这样一束一次像光束即可单独完成分幅扫描的功能。而两个入射光束，使得整个系统处于“等待”的工作方式中，在任何时候均能捕捉到物像，以实现连续记录。
等待分光装置20包括目镜OK、孔径光阑P、斜方棱镜XP和分光棱镜SPI，导入的一次像依次经过目镜OK、孔径光阑P、斜方棱镜XP和分光棱镜SPI后分出两束一次像光束到对应的二次分光装置30中。
分幅扫描转镜装置40包括球罩LS、转镜RM、中继透镜RL、扫描像面IS和分幅像面IF。其中，转镜RM设置在球罩内。在本优选实施例中，球罩LS为一同心球面，内部为真空室，转镜RM设置在真空室内。这样该球罩能起到负光焦度的功能，并且由于真空室内转镜RM的阻力大大减小，有利于转镜RM的旋转，从而大大减小了空气扰动对成像质量的影响。分幅光束通过入射球罩LS1 到达球罩内的转镜RM上，并通过调整分幅装置50，使得三次像成像在转镜RM的镜面处，三次像经转镜RM反射后穿过出射球罩LS2由中继透镜RL产生四次像，通过调整中继透镜RL的位置使得四次像成像在分幅像面IF上，从而在分幅像面IF上形成最终的分幅像。另外，扫描光束入射至球罩内的转镜RM上，并经转镜RM反射至扫描像面IS上，在扫描像面IS上形成扫描像。
由于整个平面成像系统中设有将一次像分出两束的等待分光装置20，使得该系统有两个入口，而在球罩处经过同一转镜RM反射，形成两个工作扇区，从而形成等待型平面成像系统。这种“等待型”的工作方式对微秒和亚微秒瞬态过程的记录是很重要的，通过光学的方法实现连续记录，易于抓住目标，系统一直处在“等待”工作状态，即在等待的任何时候都能曝光。另外，整个光学系统可以很方便地设置在同一平面内，使得各束光束位于同一平面内，能提高成像质量、方便设计、加工、调整。
整个光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统可如下设置：设置物光经过物镜0后在分划板I处成一次像。等待分光装置20包括目镜OK、孔径光阑P、斜方棱镜XP和分光棱镜SPI。一次像经过目镜OK、孔径光阑P、斜方棱镜XP以及分光棱镜SPI后实现分光，将一次像分为两束一次像光束。这为后面的分幅扫描形成两个入射光束。
为了调整一次像光束的进入二次分光装置30时方向，可在等待分光装置20和二次分光装置30之间设置反射镜R1，以调整一次像光束方向。二次分光装置30包括场镜K和分束棱镜SPII，通过设置反射镜将等待分光装置20分出的一束一次像光束导入并经过场镜K形成二次像，分束棱镜SPII后分出两束二次像光束，再分别导入至对应的分幅装置50和扫描装置60中。
分幅装置50包括分幅像倾组件FE、分幅场镜FK和分幅投影镜FL。分幅像倾组件FE可对像面进行预倾斜，补偿斜入射情况下像面的倾斜，使最终像面的成像曲面是柱面，以保证成像质量、便于记录胶片的平整。调整分幅像倾组件FE的位置，使得导入的二次像成像在分幅像倾组件FE处，再依次经分幅场镜FK和分幅投影镜FL后形成三次像进入分幅扫描转镜装置40中.还可在分幅装置50 内设置反射镜R3，以调整二次像光束的导入方向，以合理设置分幅装置50中的各元件使得整个系统的结构更为紧凑。
扫描装置60包括扫描像倾组件SE、扫描场镜SK和扫描投影镜SL。扫描像倾组件SE可对像面进行预倾斜，补偿斜入射情况下像面的倾斜，使最终像面的成像曲面是柱面，以保证成像质量、便于记录胶片的平整。调整扫描像倾组件SE的位置，使得导入的二次像成像在扫描像倾组件SE处，再依次经扫描场镜SK和扫描投影镜SL后进入所述分幅扫描转镜装置40中。同样也可在扫描装置60中设置反射镜用来调整二次像光束的导入方向，以合理设置扫描装置60中的各元件使得整个系统的结构更为紧凑。另外，为了使得扫描光路和分幅光路在空间布局上协调，可在扫描装置或分幅装置中设置光程调节组件。具体地，可设置光程调节组件为在扫描装置60中设置的反射镜组R，该反射镜组R可由反射镜组成，也可由反射棱镜组组成，以调节光程。
整个光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统工作时，物光经过物镜0一次成像在分划板I处，经过目镜OK和孔径光阑P，再由斜方棱镜XP进行调整，再由分光棱镜SPI分出两束一次像光束。其中，每束一次像光束再经过各自的场镜K形成二次像，并通过分束棱镜SPII实现二次分光，形成分幅光束和扫描光束。二次像分别成像在分幅装置50中的分幅像倾组件FE处和扫描装置60中的扫描像倾组件SE处。在分幅光束中，分幅像倾组件FE处的二次像经过分幅场镜FK、分幅投影镜FL和入射球罩LS1后在转镜RM的镜面处形成三次像，即中间像成像在转镜RM的镜面附近；之后三次像再次经过出射球罩LS后经过中继透镜RL在分幅像面IF上形成四次像。转镜RM旋转时，使得不同时刻的物光能在分幅像面IF上依次曝光，形成一系列的最终像。在扫描光束中，扫描像倾组件SE处的二次像经过扫描场镜SK、反射镜组R、扫描投影镜SL、入射球罩LS1、转镜RM和出射球罩LS2，成狭缝像于扫描像面I S上。转镜RM旋转时在扫描像面IS上狭缝像扫描依次曝光形成条纹记录。
另外，从控制光束口径的孔径光阑P来说，对分幅光束而言：孔径光阑P经过斜方棱镜XP以及分光棱镜SP I、场镜K、分束棱镜SPII、分幅像倾组件FE 和分幅场镜FK后成像在分幅光阑P1 f处，然后经过分幅投影镜FL、入射球罩LS1、转镜RM、出射球罩LS2后成像在中继透镜RL前面的分幅出瞳光阑P2 f处；转镜RM旋转时分幅光阑P1 f的像在分幅出瞳光阑P2 f阵列曲面处依次扫描，形成光学快门，起到控制曝光和分幅的作用。对扫描光束而言：孔径光阑P经过斜方棱镜XP以及分光棱镜SP I、场镜K、分束棱镜SPII、扫描像倾组件SE和扫描场镜SK后成像在扫描光阑P1 s处。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种光学等待式分幅扫描同时记录的平面成像系统，其特征在于，包括物镜、等待分光装置、两个二次分光装置、与每个二次分光装置对应设置的分幅装置和扫描装置以及分幅扫描转镜装置，物光经过物镜后形成的一次像经所述等待分光装置分为两束一次像光束，每束一次像光束经过对应的所述二次分光装置后分为两束二次像光束，该两束二次像光束分别经过分幅装置和扫描装置形成分幅光束和扫描光束，两束二次像光束对应的分幅光束和扫描光束均经过所述分幅扫描转镜装置后成像在像面上；
所述一次像光束、二次像光束以及各个扫描光束和分幅光束均设置在同一平面内；
所述分幅扫描转镜装置包括球罩、设置在球罩内的转镜、中继透镜、扫描像面和分幅像面，每个分幅光束入射至球罩内形成位于所述转镜镜面处的三次像，所述三次像经转镜反射后出射至球罩外并经所述中继透镜后成像在分幅像面上；每个扫描光束入射至球罩内的转镜上经转镜反射后出射至球罩外成像在扫描像面上。
2.根据权利要求1所述的平面成像系统，其特征在于，所述等待分光装置包括目镜、孔径光阑、斜方棱镜和分光棱镜，导入的一次像依次经过目镜、孔径光阑、斜方棱镜和分光棱镜后分出两束一次像光束到对应的二次分光装置中。
3.根据权利要求1所述的平面成像系统，其特征在于，所述二次分光装置包括场镜和分束棱镜，导入的一次像光束依次经过所述场镜和分束棱镜后分出两束二次像光束，再分别导入至对应的分幅装置和扫描装置中。
4.根据权利要求1所述的平面成像系统，其特征在于，所述分幅装置包括分幅像倾组件、分幅场镜和分幅投影镜，导入的二次像成像在所述分幅像倾组件处并依次经分幅场镜和分幅投影镜后进入所述分幅扫描转镜装置中。
5.根据权利要求1所述的平面成像系统，其特征在于，所述扫描装置包括扫描像倾组件、扫描场镜和扫描投影镜，导入的二次像成像在所述扫描像倾组件处并依次经扫描场镜和扫描投影镜后进入所述分幅扫描转镜装置中。
6.根据权利要求1所述的平面成像系统，其特征在于，与同一束二次像光束对应的所述分幅装置或所述扫描装置中设有调整光程的光程调节组件。
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