CN102967376A - 一种高频图像序列的获取方法及其采用的分时分光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高频图像序列的获取方法及其采用的分时分光装置，包括多个旋转叶轮，这些旋转叶轮的转动平面相互平行，且转动中心位于同一直线上；每个旋转叶轮的周向均布有N+M个孔位，各孔位中心位于以叶轮转动中心为圆心的同一圆周上，其中M个孔位为通孔，N个孔位设置有反射镜，N≥M；输入光的光轴与所述同一直线平行，输入光的光轴与反射镜的反射面之间的夹角能够保证反射光无遮挡出射。本发明可用于大面阵相机或高灵敏度相机记录和测量系统，采用分时分光技术就能在一个相机读取数据时使另一个相机曝光，增加了测量系统的并行性，提高了系统的整体测量帧频，这在测量高速变化过程或者做高速相对运动物体时尤为有利。

Description

一种高频图像序列的获取方法及其采用的分时分光装置

技术领域

本发明涉及一种分光技术，特别是将入射光分时分配到不同光路的技术。

背景技术

光电成像探测器尤其是红外探测器，由于受到半导体技术水平限制，读出时电荷转移时间太长，使得探测器的测量帧频通常较低并难以有效提高。以320×256的HgCdTe中波红外焦平面探测器为例，若面阵的数据读出速度为每路6.6MHz，4路并行读取时，对应的读出时间为320×256/4/6600000＝0.0031s。该焦平面阵列的最高帧频可以做到320Hz，而此时的积分时间仅有(1/320-0.0031)×10^-6s=22us。若工程需求1ms的积分时间，此时只能降频使用，最高也只能用到不足250Hz。由此可见，阻碍红外测量系统帧频提高最主要因素在于红外焦平面阵列的读取速度较慢，而不是积分时间太长。若要保证一定的积分时间，只能降频使用探测器。如若需要得到更高帧频的测量图像则需要研发新型器件，研制费用高，周期长，且存在着热分辨率下降、积分时间缩短等技术缺点。

常规分光技术包括棱镜分光和光谱分光。棱镜分光利用不同波长光通过棱镜后折射角的不同来进行分光；光谱分光可以通过光学镀膜有选择的将需要波段的光进行反射，而将其他的光进行透射，以达到分光利用的目的。这种折反射系统的光学效率不可能做到100%，越往系统后端，光通量下降越明显。此外，这种系统只能有选择的利用某固定波段，不能将所有的入射光分配到后端探测器上，因此当感兴趣的波段发生变化时除了更换探测器还需要更换前端的光学系统，适应性较差，且成本高。

发明内容

本发明提出一种高频图像序列的获取方法及其采用的分时分光装置，利用这种分时分光装置能够将入射光分时分光到多个探测器，经合成后得到高帧频的测量图像。

本发明提供的基本技术方案如下：

一种分时分光装置，包括多个旋转叶轮，这些旋转叶轮的转动平面相互平行，且转动中心位于同一直线上；每个旋转叶轮的周向均布有N+M个孔位，各孔位中心位于以叶轮转动中心为圆心的同一圆周上，其中M个孔位为通孔，N个孔位设置有反射镜，N≥M，且反射镜的反射面与叶轮转动平面平行；输入光的光轴与所述同一直线平行，输入光的光轴与反射镜的反射面之间的夹角能够保证反射光无遮挡出射；各个旋转叶轮上通孔和反射镜的排布关系应当满足：所有旋转叶轮的孔位周向和径向均对齐，任一旋转叶轮上的反射镜所在孔位对应的前面所有旋转叶轮的孔位为通孔。

基于上述基本结构，本发明还进行了如下优化限定。

上述孔位的形状最好为腰子形孔。

上述叶轮上有多个反射镜（当然通孔也就有多个），则多个反射镜和多个通孔均周向对称布局。

上述叶轮上也可以只有一个反射镜，其余均为通孔。例如，旋转叶轮共有三个，每个旋转叶轮的周向上均布有四个孔位，其中一个为反射镜，其余三个为通孔。

一种高频图像序列的获取方法，采用上述基本方案的分时分光装置，并同步驱动所有的旋转叶轮同向转动；设每过一个单位时间，旋转叶轮上的孔位进位至下一个孔位；

t1时刻，入射光投射在第一个旋转叶轮的反射镜上，经反射后形成第一路出射光；

t2时刻，此时第一个旋转叶轮的入射光斑位置处为通孔，入射光透过该通孔到达第二个旋转叶轮的反射镜上，经反射后形成第二路出射光；

t3时刻，此时第一个和第二个旋转叶轮的入射光斑位置处均为通孔，入射光依次透过第一个旋转叶轮和第二个旋转叶轮的通孔到达第三个旋转叶轮的反射镜上，经反射后形成第三路出射光；

如此，之后的各个旋转叶轮的反射镜依次进行反射形成各路出射光，直至最后一个旋转叶轮完成反射后，下一个单位时间，入射光依次透过所有旋转叶轮的通孔直接出射，作为最后一路出射光；至此，分时分光装置的一个旋转周期结束；

对每一路出射光分别设置探测器进行采集，后续采集电路将各个探测器的采集结果实时合成后输出或存储，即完成高频图像序列的获取。

若每个叶轮上设置多个反射镜，其工作原理与上述方法相同，只不过在一个旋转周期中一个探测器会多次接收到反射光而已。

本发明具有以下优点：

1、本发明用于光测系统，可以获取更多的测量数据，实现对测量对象时间尺度上的细节放大，有利于提高对目标的辨识能力和测量精度。

2、本发明可以提高测量系统的帧频，即可以使用低端相机来完成高端相机的测量功能。使低端的红外、可见光相机具备高端相机的探测能力，在节约成本的同时，完成高精度高帧频测量的技术需求。

3、本发明可用于大面阵相机或高灵敏度相机记录和测量系统。这类相机曝光时间很短、测量帧频很低，采用分时分光技术就能在一个相机读取数据时使另一个相机曝光，增加了测量系统的并行性，提高了系统的整体测量帧频，这在测量高速变化过程或者做高速相对运动物体时尤为有利。

附图说明

图1为本发明的工作原理图。

图2为本发明的三叶轮组结构及布局示意图。

附图标号说明：

1-叶轮A；2叶轮B；3叶轮C；4-反射镜A；5-反射镜B；6-反射镜C。

具体实施方式

本发明使用多个旋转叶轮镜组，通过按规律排布在叶轮上的通孔或者反射镜，将入射光分时分光到不同的探测器中进行同步曝光，再由后续的采集电路对各个探测器的输出进行采集和合成，最终生成高频（倍频）的红外图像序列。

第一个叶轮上的反光镜数决定系统转速，增加反光镜数可以有效降低叶轮的转速。电机转速、反光孔数和单个探测器帧频的对应关系为：

每个叶轮上透光孔数应大于等于反光孔数。当叶轮上有多个反射镜时，反射镜和通孔必须周向对称布局，这样既能保证电机匀速转动时探测器均匀曝光，又兼顾了叶轮的配平。

反光和透光孔对应于叶轮的扇形角决定了探测器空间上的最大可用曝光时间。当扇形角等于孔间夹角时，最大可用曝光时间与帧频的对应关系为：

多探测器分时曝光，图像经采集合成后得到系统总测量帧频为：

孔数的增加有利于降低转速和提高系统总体测量帧频，但过高的帧频则需要牺牲一定的曝光时间，孔数及孔径尺寸的选择需满足光通量的要求。在满足曝光时间的前提下，增大孔数可降低转镜组旋转速度，稳定锁相精度，降低噪音，提高系统的可靠性、稳定性。

本发明每个叶轮镜组上可以有多个通孔或反射镜。下面结合附图对本发明进行进一步说明。以三叶轮组结构为例：

本发明的分时分光装置主要由叶轮A、叶轮B、叶轮C、反射镜A、反射镜B、反射镜C等组成。

叶轮A、叶轮B、叶轮C的转动中心位于同一直线上；三个叶轮同步旋转，转动平面彼此平行，以保证叶轮旋转过程中入射光始终能作用在腰子孔的径向中心，并且平行出射；每个叶轮开有均布的四个腰子形孔（孔位记作a、b、c、d），以尽可能增大通光或反光面积，减少成像渐晕；三个叶轮的腰子孔孔位对齐，以保证入射光能通过前一个或两个叶轮无遮挡的作用在第二个或第三个叶轮的反射镜（或通孔）上；三个反射镜位于各自叶轮的不同周向位置上，且其排布关系能实现与后端的反射镜周向位置对应的前端叶轮周向位置为通孔。

采用上述分时分光装置实现高频（倍频）图像序列的获取的方法，以图1所示的四路分时分光系统为例，工作时由一个或多个电机驱动三个叶轮同步逆时针旋转，假设t1时刻的三个叶轮布局如图2所示，此时入射光投射在叶轮A的a位置处反射镜A上，经射镜A反射后形成一路出射光；t2时刻，每个叶轮均逆时针旋转90度到达b位置处，此时，入射光透过叶轮A的通孔到达叶轮B的反射镜B上，经射镜B反射后形成另一路出射光；t3时刻，每个叶轮再次逆时针旋转90度到达c位置处，此时，入射光透过叶轮A和叶轮B的通孔到达叶轮C的反射镜C上，经射镜C反射后形成第三路出射光；t4时刻，每个叶轮又一次逆时针旋转90度到达d位置处，此时，入射光透过叶轮A、叶轮B和叶轮C的通孔直接透射形成出射光。至此，叶轮组的一个旋转周期结束，形成了一进四出的分时分光系统。后续采集电路将各个探测器的采集结果实时合成后输出或存储，即可完成倍频测量的应用需求。

若每个叶轮上设置多个反射镜，其工作原理与上述方法相同，只不过在一个旋转周期中一个探测器会多次接收到反射光而已。本领域技术人员参考上述实施例，应当能够基于本发明基本方案进行简单的改型，以满足不同探测需求；上述实施例不应视为对本发明权利要求的限制。

Claims (6)

1.一种分时分光装置，其特征在于：包括多个旋转叶轮，这些旋转叶轮的转动平面相互平行，且转动中心位于同一直线上；每个旋转叶轮的周向均布有N+M个孔位，各孔位中心位于以叶轮转动中心为圆心的同一圆周上，其中M个孔位为通孔，N个孔位设置有反射镜，N≥M，且反射镜的反射面与叶轮转动平面平行；输入光的光轴与所述同一直线平行，输入光的光轴与反射镜的反射面之间的夹角能够保证反射光无遮挡出射；各个旋转叶轮上通孔和反射镜的排布关系应当满足：所有旋转叶轮的孔位周向和径向均对齐，任一旋转叶轮上的反射镜所在孔位对应的前面所有旋转叶轮的孔位为通孔。

2.根据权利要求1所述的分时分光装置，其特征在于：所述孔位的形状为腰子形孔。

3.根据权利要求2所述的分时分光装置，其特征在于：每个叶轮上有多个反射镜，则多个反射镜和多个通孔均周向对称布局。

4.根据权利要求2所述的分时分光装置，其特征在于：每个叶轮上只有一个反射镜，其余均为通孔。

5.根据权利要求4所述的分时分光装置，其特征在于：旋转叶轮共有三个，每个旋转叶轮的周向上均布有四个孔位，其中一个为反射镜，其余三个为通孔。

6.一种高频图像序列的获取方法，采用如权利要求1所述的分时分光装置，并同步驱动所有的旋转叶轮同向转动；设每过一个单位时间，旋转叶轮上的孔位进位至下一个孔位；

t1时刻，入射光投射在第一个旋转叶轮的反射镜上，经反射后形成第一路出射光；

t2时刻，此时第一个旋转叶轮的入射光斑位置处为通孔，入射光透过该通孔到达第二个旋转叶轮的反射镜上，经反射后形成第二路出射光；

t3时刻，此时第一个和第二个旋转叶轮的入射光斑位置处均为通孔，入射光依次透过第一个旋转叶轮和第二个旋转叶轮的通孔到达第三个旋转叶轮的反射镜上，经反射后形成第三路出射光；

如此，之后的各个旋转叶轮的反射镜依次进行反射形成各路出射光，直至最后一个旋转叶轮完成反射后，下一个单位时间，入射光依次透过所有旋转叶轮的通孔直接出射，作为最后一路出射光；至此，分时分光装置的一个旋转周期结束；

对每一路出射光分别设置探测器进行采集，后续采集电路将各个探测器的采集结果实时合成后输出或存储，即完成高频图像序列的获取。

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