CN103197499A - 一种同时分幅扫描超高速光电摄影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种同时分幅扫描超高速光电摄影系统，所述系统包括：中继成像单元、光学分光系统、扫描成像系统、分幅成像系统、精密延时及控制系统、高压供电及脉冲产生模块、控制计算机；被测目标通过中继成像单元和光学分光系统同时成像到扫描成像系统和分幅成像系统，通过精密延时及控制系统和高压供电及脉冲产生模块控制同步成像；本发明在超高速过程测试领域具有广阔的应用前景，完全能够为电磁内爆等离子体放电、受控核聚变、激光与物质相互作用、高压火花放电、材料微喷和界面不稳定性等纳秒到百纳秒时间范围超快过程的研究提供高质量的数字化图像。

Description

一种同时分幅扫描超高速光电摄影系统

技术领域

本发明属于高速摄影测试技术领域，具体涉及一种可同时实现分幅成像和扫描成像的光电摄影系统，该系统可在一次实验中获得超高速瞬态过程同一时基、同一空基的分幅和扫描图像。

背景技术

高速摄影技术是研究高速运动过程的一种重要测试方法，针对不同时间变化过程的瞬态事件的测量，需要不同摄影频率和时间分辨力的摄影技术。高速摄影技术按拍摄频率和时间分辨力两个重要指标分类又可以分为低、中速，甚高速和超高速三大类；按成像方式可分为光学机械结构高速摄影设备和光电成像高速摄影设备。

高速摄影与一般摄影技术最根本的区别，就是它具有高的时间分辨本领，能够跟踪快速变化过程的发生和发展，并记录下来。由于其具有时间/空间分辨率高、画幅尺寸大以及摄影频率高等优点，能够直观形象地反映高速瞬变过程或事物瞬态变化及发展趋势的一维、二维或三维空间位置随时间的变化，为研究高速现象的发生机理和规律提供可靠数据，具有其它测试手段不可替代的优点。因此，不仅在物理、化学、生物、医学、材料等自然科学领域有着广泛的应用，而且是汽车安全性能测试、航空发动机研制、在线工业检测、发射及碰撞类研究等工程技术领域常用的测试手段；同时超高速光电摄影技术更是武器物理研究及工程应用等军事领域不可或缺和替代的测试工具。

同时分幅扫描高速摄影系统可以在一次实验中获得同时分幅、扫描记录的图像，得到瞬态过程更丰富的时空信息。传统光学机械结构的同时分幅扫描摄影设备通常采用电动或气动控制的高速旋转反射镜成像，这导致进一步提高摄影频率非常困难，因为相机摄影频率决定于系统内部转镜的转速，其转速的提高势必导致转镜工作稳定性下降，而且受限于其光学结构，摄影频率、扫描速度的提高也会导致系统空间分辨率的下降。同时因该类系统曝光时间较长，在单幅曝光时间内产生的图像模糊量（像移）较大。随着电磁内爆等离子体放电、受控核聚变、激光与物质相互作用等超快过程研究的深入，由于该类超快过程持续时间非常短，通常在几十纳秒以内，传统的光学机械结构的同时分幅扫描摄影设备最高时间分辨率在百纳秒量级，已经不能满足上述实验过程测试需求。

发明内容

本发明的目的是为了针对目前基于光学机械结构的同时分幅扫描成像系统摄影频率和时间分辨率很难进一步提高的缺陷，提供一种新型的同时分幅扫描成像超高速光电摄影系统。

本发明采用如下技术方案：一种同时分幅扫描超高速光电摄影系统，所述系统包括：中继成像单元、光学分光系统、扫描成像系统、分幅成像系统、精密延时及控制系统、高压供电及脉冲产生模块、控制计算机；被测目标通过中继成像单元和光学分光系统同时成像到扫描成像系统和分幅成像系统，通过精密延时及控制系统和高压供电及脉冲产生模块控制同步成像。

上述技术方案中，所述中继成像单元包括主物镜、分划板和电磁快门。

上述技术方案中，所述光学分光系统包括分光棱镜、分光物镜、平面反光镜、分光棱锥、分光六面棱锥。

上述技术方案中，所述扫描成像系统包括扫描狭缝、皮秒时间分辨条纹变像管、高速高线性度扫描斜坡产生模块、中继成像模块和CCD接收模块。

上述技术方案中，所述分幅成像系统包括纳秒超快门选通像增强器、高压门控脉冲产生模块、中继成像模块和CCD接收模块。

上述技术方案中，所述分幅成像系统和扫描成像系统其本身具有非常低的开启时间晃动和可从纳秒到毫秒以上时间范围内连续可调的开启时间延时。

上述技术方案中，所述分幅成像系统和扫描成像系统每幅图像曝光时间可以分别由高压门控脉冲产生模块和高速高线性度扫描斜坡产生模块从纳秒到毫秒以上时间范围内任意调节。

上述技术方案中，该系统的工作方式为以下步骤：

步骤一：被测物体通过中继成像单元和光学分光系统同时成像到扫描成像系统的输入狭缝上和分幅成像系统的像增强器光阴极上，所述同时分幅扫描成像系统具有同一空间基准。

步骤二：在扫描成像系统中，输入狭缝上的像通过低失真光学中继耦合系统成像到条纹变像管的光阴极上，光阴极将该图像转变成电子学图像后经受控的变像管高压扫描电压偏转扫描，之后经过偏转扫描的包含前端图像信息的电子束轰击在荧光屏上输出光学图像，并最终由CCD模块记录输出。

步骤三：在分幅成像系统中，像增强器光阴极上的像通过高压供电及脉冲发生模块产生的超快边沿、脉宽从纳秒到毫秒可调的高压双极性脉冲将光阴极上的图像进行选通成像，并最终由CCD模块记录输出。

步骤四：上述步骤二和步骤三中，分幅摄影和扫描摄影通过精密延时及控制系统控制其开始工作，从而使其做到同一时间基准，最终CCD输出的图像传输至摄影系统的工控机进行存储和后续处理。

本发明的优点在于：第一，系统采用一个物镜成像后利用光学分光系统将像面分别耦合到分幅成像组件和扫描成像组件，保证了分幅成像组件和扫描成像组件具有同样的空间基准；第二，通过系统内部精密的时序控制，使分幅成像和扫描成像工作时刻严格同步，保证了系统各成像模块具有同一时间基准；第三，由于系统采用光电成像方式，使系统分幅摄影频率大大提高，可达到每秒2亿幅频以上；扫描时间分辨率也可以达到皮秒量级，远远超过基于光学机械结构的同时分幅扫描成像系统的技术指标；第四，当前光学机械结构的同时分幅扫描成像系统只能采用底片成像，拍摄一次后需重新更换底片，底片还要经过冲洗才能获得拍摄结果，这种方式虽然比较简单，但后续图像获取均需要专门人员完成，而且在洗像过程中还有可能操作不当导致数据丢失，不能实时数字化及显示拍摄效果，也为后续图像处理引入较大工作量，本系统可以克服上述缺点，实时获取动态过程的图像，大大提高了实验效率。

该超快光电成像系统在超高速过程测试领域具有广阔的应用前景，完全能够为电磁内爆等离子体放电、受控核聚变、激光与物质相互作用、高压火花放电、材料微喷和界面不稳定性等纳秒到百纳秒时间范围超快过程的研究提供高质量的数字化图像。

附图说明

本发明将通过实施例并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明同时分幅扫描超高速光电摄影系统的组成框图；

图2是本发明同时分幅扫描超高速光电摄影系统的总体实施示意图；

图中0是被测目标，101是主物镜，102是分划板，103是电磁快门，201是第一分光棱镜，202是分光物镜Ⅰ，203是平面反光镜Ⅰ，204是第二分光棱锥,205是平面反光镜Ⅱ，206是平面反光镜Ⅲ，207是分光物镜Ⅱ，208是第二分光六面棱锥，209是平面反光镜Ⅳ，210是平面反光镜Ⅴ，301是狭缝Ⅰ，302是狭缝Ⅱ，303是扫描前中继物镜Ⅰ，304是扫描前中继物镜Ⅱ，305是条纹变像管Ⅰ，306是条纹变像管Ⅱ，307是扫描后中继物镜Ⅰ，308是扫描后中继物镜Ⅱ，401是超快门选通像增强器Ⅰ，402是超快门选通像增强器Ⅱ，403是分幅后中继物镜Ⅰ，404是分幅后中继物镜Ⅱ，501是高速高线性度扫描斜坡产生模块，502是像增强器高压门控脉冲产生模块，601是扫描记录CCD相机Ⅰ，602是扫描记录CCD相机Ⅱ，701是分幅记录CCD相机Ⅰ，702是分幅记录CCD相机Ⅱ，801是扫描同步控制组件，802是分幅同步控制组件，900是控制计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1所示为本发明同时分幅扫描超高速光电摄影系统的总体组成框图，包括中继成像单元、光学分光系统、扫描成像系统、分幅成像系统、高压供电及脉冲发生模块、精密延时及控制系统和控制计算机共七个部分。其中中继成像单元包括主物镜、分划板和电磁快门；光学分光系统包括分光棱镜、分光物镜、平面反光镜、分光棱锥、分光六面棱锥；扫描成像系统包括扫描狭缝、皮秒时间分辨条纹变像管、高速高线性度扫描斜坡、中继成像模块和CCD接收模块；分幅成像系统包括纳秒超快门选通像增强器、高压门控脉冲产生、中继成像模块和CCD接收模块。

其工作原理如下：被测目标置于中继成像单元之前，中继成像单元通过其内部成像物镜和中继物镜将目标成像于分化板处，该一次像面由采用分光棱镜和多面棱锥组成的光学分光系统分成八路同一空间基准的中继像面，其中两路中继像面经狭缝后成像在扫描成像系统中所用的条纹变像管光阴极上，该条纹变像管成像控制由高压供电及脉冲发生模块完成，通过高压供电及脉冲发生模块产生的对称高线性度、边沿速度可调的高压斜坡将条纹变像管光阴极上的图像进行扫描成像，可获得被摄目标在一维时间轴上的图像，之后经后端扫描图像记录完成该扫描图像的记录；光学分光系统分出的另外六路中继像面直接成像在分幅成像系统中所用的超快门选通像增强器的光阴极上，通过高压供电及脉冲发生模块产生的超快边沿、脉宽从纳秒到毫秒可调的高压双极性脉冲将光阴极上的图像进行选通成像，可获得被摄目标在选通时间内的二维空间图像，之后经后端分幅图像记录完成该分幅图像的记录。由于上述扫描成像与分幅成像的目标物像面一致，所以最终记录图像也为同一空间基准。同一时间基准则通过精密延时及控制系统来完成，此系统的同步精度可达到数十皮秒量级，由于扫描成像和分幅成像组件本身的开启和关闭时刻晃动只有数十皮秒，通过该精密延时及控制可使分幅成像和扫描成像在时间基准上同步精度达到百皮秒左右。最后，扫描图像记录和分幅图像记录模块分别将记录图像传输到控制计算机进行图像存储和后续处理。

本系统技术方案的具体实施方式如图2所示，（，）被测目标0通过主物镜101调焦后成像在分划板102处，由于超快门选通像增强器和条纹变像管的光阴极是光敏材料，长期光照下会性能下降甚至损坏，所以引入电磁快门103，以方便操作者在需要拍摄前很短时间通过远程界面打开，从而保护超快门选通像增强器和条纹变像管，延长其使用寿命。

为保证进入后续扫描成像和分幅成像组件每个像面的光强度分别均匀一致，第一分光棱镜201采用1：3的分束方式将入射光能量分成2份，其中25％的能量分给扫描成像组件，75％的能量分给分幅成像组件。第一分光棱镜在组装调试时其中心轴线需要严格与主物镜101同轴。

第一分光棱镜分光后的一路光束再经过分光物镜202、平面反光镜203、第二分光棱锥204和另外两组平面反光镜205、206后成像在扫描成像的两个狭缝301和302处；另一路光束经分光物镜207、第二分光6面棱锥208和六个反光镜（图2中只画出209和210两个反光镜）成像在分幅成像的六个超快门选通像增强器光阴极输入窗上（图2中只画出两个超快门选通像增强器401和402）。在系统设计时，必须使分光棱锥204和第二分光6面棱锥208处于系统的孔径光阑处，以保证分光后的像在像面各部位的光能量分布是均匀的。在此分光结构中由于分光棱镜的引入，使光学系统成为轴外成像系统，将使后续成像色差和像面亮度的非均匀性增大，因此具体设计中需要对其进行补偿，提高整个系统的成像质量。此外，上述反光镜的调整对最终成像畸变有很大影响，在普通光学实验和大型装置中通常采用三支撑结构，这种结构可轻松实现反光镜的三维调节。但在此高速光电摄影系统中，由于体积和稳定性要求严格，采用调整反光镜垫圈方式进行精密调整。具体实现是通过修切或研磨调整垫圈的方法来调整通过反光镜后光束的光轴走向，同时为保证调节后的稳定性，调节完后通过加弹性垫圈的螺钉进行紧固。

成像在狭缝301和302处的两个像面需要通过后续扫描前中继物镜303和304分别耦合到扫描成像关键部件条纹变像管305和306的光阴极处，光阴极处加有高压，可以将输入到光阴极的光信号转换成在数量上和光信号强度成正比的电子，电子再经施加在扫描电极上的高速线性扫描电场进行偏转并通过后续微通道板倍增轰击在条纹变像管荧光屏上形成随线性扫描电场电压变化的扫描光学图像，该光学图像再通过扫描后中继物镜307、308（也可以采用光纤锥方式）耦合到CCD相机601、602的CCD像面由控制计算机读出并进行后续图像处理。系统扫描拍摄延时、扫描记录时间长度和图像增益均由扫描同步控制组件801和高速高线性度扫描斜坡产生模块501设定。

采用上述扫描成像组件的成像结果只能反映被摄目标在一维空间随时间变化的过程，设计中，为使扫描成像能够反映被摄目标随时间在二维空间上的整个变化过程，采用水平和垂直两个不同扫描方向的扫描组件对被摄目标进行二维空间扫描，具体实现是将扫描狭缝301、302设计成垂直90度的结构，同时设计中将条纹变像管305、306的扫描偏转方向也设计为相互垂直的方向，再通过扫描精同步控制组件801严格控制扫描偏转电压产生的时间一致性，最终保证两个扫描成像结果能够反映被摄目标在同一时刻不同空间方向上的光强度变化。

在扫描成像中，高速高线性度扫描斜坡信号对扫描成像的时间分辨和记录长度起着决定性作用。一般情况下这种高速扫描斜坡信号可以采用激光触发火花隙开关形成、冷阴极闸流管开关放电形成、雪崩晶体管雪崩形成和高压场效应管高速开关形成。由于采用激光触发火化隙、冷阴极闸流管触发晃动大，不利于同步控制，无法实现同一时间基准拍摄的目标，另外这种方法产生脉冲的重复性和可靠性都很差，因此不能用在此系统中；高速高压场效应管开关速度限制其不能实现纳秒级边沿且线性度很好的扫描斜坡信号。而雪崩晶体管可以产生纳秒级甚至更陡脉冲边沿，而且边沿线性度非常好，因此本方案采用高速雪崩管实现高速扫描斜坡脉冲。

经第二分光6面棱锥208分光后形成的6个像面由对应的6个反射镜209、210等反射后分别成像在6个超快门选通像增强器的光阴极上，像增强器光阴极类似一个光快门，当其上加有一定正高压时，投影到光阴极上的光信号只能激发出非常少量的光电子，这些少量的光电子经后续微通道板倍增轰击在荧光屏上成为噪声；当像增强器光阴极上加一定负高压时，投影到光阴极上的光信号激发出与光强成正比的光电子，这些光电子经后续微通道板倍增轰击在荧光屏上产生与投影到光阴极像面一致的图像，该图像同样经过分幅后中继物镜403、404等耦合到CCD相机701、702等的CCD像面，由控制计算机控制CCD相机读出图像并进行后续处理。分幅成像拍摄延时、拍摄频率和单幅曝光时间均由分幅同步控制组件802和像增强器专用高压门控脉冲产生模块502设定。

在分幅成像中，施加在超快门选通像增强器光阴极的高速脉冲对分幅成像曝光时间以及分幅成像的最高摄影频率具有决定意义。为实现亚纳秒级的曝光时间，需要解决两个难点：一是要求此高速脉冲从正电压到负电压以及负电压到正电压的转换过程非常快，常态电压在＋50V左右，开通后电压在－200V左右；二是要形成的负脉冲宽度可根据曝光时间从纳秒级到毫秒级调节，国内关于高速亚纳秒脉冲形成的研究很多，但大部分都是利用雪崩管形成，脉冲电压通常在上千伏左右，而且脉冲宽度无法实现大范围调节，因此本方案采用互补MOSFET输出及其驱动电路结构来解决上述的技术问题。

单通道的超快门选通像增强器只能给出时间分辨很高的单幅图像，要实现连续拍摄数幅功能，需要利用前面提到的分光组件将被摄目标成像在多个超快门选通像增强器的光阴极上，通过控制不同像增强器的曝光起始时刻和曝光时间来实现多幅高速成像，为实现多幅分幅成像和扫描成像的同时拍摄，需要精密延时及控制单元。

如前所述，超高速光电摄像系统工作时，一方面需要精确的获得拍摄图像和曝光时间、曝光间隔、触发延时的对应关系；另一方面由于相机时间响应非常短，为准确记录拍摄信息，相机内部必须具备高精度的延时、同步触发模块才能确保相机各项功能在理想时刻开始工作。因此系统采用FPGA设计的精密控制延迟电路，通过FPGA和可编程延时器实现系统精密延时及控制功能；同时采用输出驱动电路提高脉冲输出的驱动能力，减小触发后续电路的时间晃动。

对于系统从纳秒到毫秒量级的精密时序控制要求，采用分段实现，系统精密延时及控制系统可以在10ms时间范围以内保证数十皮秒的控制精度。同时为了保证时序控制脉冲波形的稳定性、超快前沿、以及较强的电流驱动能力，在通道后端采用高频达林顿管结构作为输出驱动，实现较小的触发晃动和较大的驱动能力。

由于超快门选通像增强器和条纹变像管荧光屏输出图像余辉时间可在2ms以上，目前绝大多数CCD积分时间均满足此要求，所以系统后续分幅图像记录组件600和扫描图像记录组件700可采用普通商用CCD相机实现，但考虑到摄影系统的整体结构和体积，选择Prosilica公司具有微型体积的GE1650型相机，该相机可通过千兆网口实现图像采集和控制，设计中为方便连接，在系统内部集成一8端口的千兆路由器。这样通过一路信号连接线便可实现对8台CCD相机的控制。同时，考虑到该摄影系统经常应用于强电磁干扰的环境中，选择电光转换器将千兆网口的电信号转换为光信号进行传输，增强系统抗干扰能力。在计算机接收端再采用光电转换器将光数据信号转换为电信号进行后续传输、存储和处理。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种同时分幅扫描超高速光电摄影系统，其特征在于所述系统包括：中继成像单元、光学分光系统、扫描成像系统、分幅成像系统、精密延时及控制系统、高压供电及脉冲产生模块、控制计算机；被测目标通过中继成像单元和光学分光系统同时成像到扫描成像系统和分幅成像系统，通过精密延时及控制系统和高压供电及脉冲产生模块控制同步成像。

2.根据权利要求1所述的一种同时分幅扫描超高速光电摄影系统，其特征在于所述中继成像单元包括主物镜、分划板和电磁快门。

3.根据权利要求1所述的一种同时分幅扫描超高速光电摄影系统，其特征在于所述光学分光系统包括分光棱镜、分光物镜、平面反光镜、分光棱锥、分光六面棱锥。

4.根据权利要求1所述的一种同时分幅扫描超高速光电摄影系统，其特征在于所述扫描成像系统包括扫描狭缝、皮秒时间分辨条纹变像管、高速高线性度扫描斜坡产生模块、中继成像模块和CCD接收模块。

5.根据权利要求1所述的一种同时分幅扫描超高速光电摄影系统，其特征在于所述分幅成像系统包括纳秒超快门选通像增强器、高压门控脉冲产生模块、中继成像模块和CCD接收模块。

6.根据权利要求4或5所述的一种同时分幅扫描超高速光电摄影系统，其特征为所述分幅成像系统和扫描成像系统其本身具有非常低的开启时间晃动和可从纳秒到毫秒以上时间范围内连续可调的开启时间延时。

7.根据权利要求6所述的一种同时分幅扫描超高速光电摄影系统，其特征为所述分幅成像系统和扫描成像系统每幅图像曝光时间可以分别由高压门控脉冲产生模块和高速高线性度扫描斜坡产生模块从纳秒到毫秒以上时间范围内任意调节。

8.根据权利要求1所述的一种同时分幅扫描超高速光电摄影系统，其特征为该系统的工作方式为以下步骤：

步骤一：被测物体通过中继成像单元和光学分光系统同时成像到扫描成像系统的输入狭缝上和分幅成像系统的像增强器光阴极上，所述同时分幅扫描成像系统具有同一空间基准；

步骤二：在扫描成像系统中，输入狭缝上的像通过低失真光学中继耦合系统成像到条纹变像管的光阴极上，光阴极将该图像转变成电子学图像后经受控的变像管高压扫描电压偏转扫描，之后，经过偏转扫描的包含前端图像信息的电子束轰击在荧光屏上输出光学图像，并最终由CCD模块记录输出；

步骤三：在分幅成像系统中，像增强器光阴极上的像通过高压供电及脉冲发生模块产生的超快边沿、脉宽从纳秒到毫秒可调的高压双极性脉冲将光阴极上的图像进行选通成像，并最终由CCD模块记录输出；

步骤四：上述步骤二和步骤三中，分幅摄影和扫描摄影通过精密延时及控制系统控制其开始工作，从而使其做到同一时间基准，最终CCD输出的图像传输至摄影系统的工控机进行存储和后续处理。

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