CN107450132B - 基于光纤传像束的高时间分辨光学成像系统 - Google Patents

基于光纤传像束的高时间分辨光学成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤传像束的高时间分辨光学成像系统，包括光纤传像束总成、光学条纹相机、入射成像透镜和出射成像透镜，光纤传像束总成位于入射成像透镜和出射成像透镜之间，出射成像透镜位于光纤传像束总成和光学条纹相机之间；光纤传像束总成包括入射端头、出射端头和m组光纤束，各组光纤束的长度各不相同；每组光纤束的纤芯的入射端分别呈一维或二维均匀分布在入射端头的端面上；每组光纤束的纤芯的出射端均呈一维均匀分布出射端头的端面上。采用本发明提供的基于光纤传像束的高时间分辨光学成像系统，结构新颖，易于实现，具有非常高的时间分辨率及较高的二维空间分辨能力，同时整个系统具有大的探测面积，适用范围广。

Description

基于光纤传像束的高时间分辨光学成像系统
技术领域
本发明涉及高能量密度物理研究的记录设备，具体涉及一种基于光纤传像束的高时间分辨光学成像系统。
背景技术
在高能量密度物理研究中，许多物理过程的发生时间尺度非常短，为了对这种物理过程进行诊断探测，需要使用具备高时间分辨能力的设备进行记录。光学条纹相机就是这样一种具有高时间分辨能力的记录设备，他的时间分辨率高达5ps(皮秒)左右，在高能量密度物理，特别是激光惯性约束聚变研究中，具有非常广泛的应用，如在任意反射面速度干涉仪(VISAR)中记录干涉条纹随时间的变化过程，在背向散射测量中通过耦合光谱仪记录散射光光谱随时间的变化过程等等。
光学条纹相机通常由光阴极、加速电极、聚焦电极、扫描偏转板、内部电子倍增管和荧光屏等组成。光阴极将从狭缝入射的光脉冲转换为光电子脉冲，然后经高电场加速和漂移聚焦在阳极小孔处，再经过电场方向垂直于狭缝的偏转板进行偏转，由于偏转电场随时间线性增长，因此不同时刻的光脉冲，经过上述过程后，将被偏转至空间不同位置，也就是将信号的时间变化，转化成空间的一维变化进行记录，而空间的另一维则保留了对待测量的空间分辨能力，因此，光学条纹相机在空间上只能对一维方向进行分辨。而对于VISAR、背向散射光而言，测量二维空间信息的时间变化过程对高压物理研究也具有重要的意义，因此如何利用光学条纹相机测量二维空间信息的时间变化过程，成为当务之急！
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种基于光纤传像束的高时间分辨光学成像系统，不但具有高时间分辨率和二维空间分辨能力，还具有较高的空间分辨率及大的探测面积。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种基于光纤传像束的高时间分辨光学成像系统，其要点在于：包括光纤传像束总成、光学条纹相机、入射成像透镜和出射成像透镜，其中，所述光纤传像束总成位于入射成像透镜和出射成像透镜之间，所述出射成像透镜位于光纤传像束总成和光学条纹相机之间；所述光纤传像束总成包括入射端头、出射端头和m组光纤束，其中，各组所述光纤束具有的长度各不相同，各组光纤束均由n根等长的纤芯组成；在所述入射端头的端面上具有m个与光纤束一一对应的第一排布区域，每组光纤束的所述纤芯在对应第一排布区域内呈一维或二维均匀分布，m个第一排布区域共同构成二维平面；在所述出射端头的端面上具有m个与光纤束一一对应的第二排布区域，每组光纤束的所述纤芯在对应第二排布区域呈一维均匀分布，m个第二排布区域并排设置且长度相等，并通过出射成像透镜与光学条纹相机的狭缝相耦合。
上述m为正整数，n为正整数，采用以上结构，由于各组光纤束的长度各不相同，导致各组光脉冲到达出射端头的时间各不相同，使出射端头出射的每组呈一维分布(直线分布)的光脉冲能够依次经出射成像透镜逐一耦合到光学条纹相机的狭缝处，再由光学条纹相机的光阴极逐一完成转换并最终记录(光学条纹相机的狭缝长度由光学条纹相机的光阴极长度决定，而狭缝长度会直接决定第二排布区域的长度)，因此，不仅对待测目标形成了二维的光学成像记录能力，能够采集待测目标整个二维区域上反馈来的光脉冲信号，而且能够兼顾空间分辨率和成像面积，使二者同时达到最优(不但具有高时间分辨率和二维空间分辨能力，还具有较高的空间分辨率及大的探测面积)；并且，本发明适用于任意反射面速度干涉仪(VISAR)和背向散射测量系统等，适用范围广。
作为优选：各组所述光纤束的长度呈等差数列分布。采用以上结构，各组光纤束的长度规律变化，以便于后期的数据处理工作。
作为优选：相邻两组所述光纤束的长度差均为L。L为正数，采用以上结构，结构更加合理，以便于光纤传像束总成的装配。
作为优选：每组所述光纤束的纤芯的入射端均呈平面阵列分布在入射端头的端面上。采用以上结构，每组光纤束的纤芯在入射端头的端面上均呈二维分布结构，使入射端头的端面形状设计更加灵活，以适用于各种形状的待测目标。
作为优选：各个所述第一排布区域均矩形。采用以上结构，以便于入射端头的端面结构设计。
作为优选：各个所述第一排布区域并排设置且等长。采用以上结构，结构更加合理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用本发明提供的基于光纤传像束的高时间分辨光学成像系统，结构新颖，易于实现，具有非常高的时间分辨率及较高的二维空间分辨能力，同时整个系统具有大的探测面积，适用于任意反射面速度干涉仪(VISAR)和背向散射测量系统等。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为光纤传像束总成的结构示意图；
图3为入射端头的结构示意图；
图4为出射端头的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于光纤传像束的高时间分辨光学成像系统，包括光纤传像束总成1、光学条纹相机2、入射成像透镜3和出射成像透镜4，其中，所述光纤传像束总成1位于入射成像透镜3和出射成像透镜4之间，所述出射成像透镜4位于光纤传像束总成1和光学条纹相机2之间。从待测目标5反馈的光脉冲信号经入射成像透镜3成像于所述光纤传像束总成1上，再经所述光纤传像束总成1将光脉冲信号传出，最后出射成像透镜4与光学条纹相机2的狭缝21相耦合，并最终由光学条纹相机2记录。通过该系统，能够得到的图像在垂直于时间方向的每一行数据，通过数据处理，均可还原出一幅二维的图像信息，通过整幅图像则可以得到时间分辨在ps(皮秒)量级的二维图像信息的演化过程。
请参见图2，所述光纤传像束总成1包括入射端头11、出射端头12和m组光纤束13，其中，m为正整数，各组所述光纤束13的长度各不相同，并且，每组光纤束13均由n根等长的纤芯131组成，其中，n为正整数。
具体地说，请参见图2～图4，本实施例为便于后期的数据处理工作更易进行，处理结果更加精确，优选方案是使各组光纤束13的长度规律变化，进一步地，最优选方案是，相邻两组所述光纤束13的长度差均为L，L为正数，通过这一设计，使得相邻组光纤束13之间具有时间差τ，在测量时间长度小于τ的物理信号时，既能保证信号的完整性，又实现了时分复用的功能。
请参见图2和图3，在所述入射端头11的端面上具有m个与光纤束13一一对应的第一排布区域111，每组光纤束13的所述纤芯131在对应第一排布区域111内呈一维或二维均匀分布(一维指的是呈直线阵列分布，二维指的是呈平面阵列分布)，m个第一排布区域111共同构成二维平面。进一步地，为使入射端头11的端面形状设计更加灵活，以适用于各种形状的待测目标5，优选方案是，每组所述光纤束13的纤芯131的入射端均呈平面阵列分布在入射端头11的端面上，实现了采集待测目标5一整个二维区域上反馈来的光脉冲信号的功能，其中，第一排布区域111可以是三角形、圆形、椭圆形、梯形、矩形、多边形等任意二维形状。更进一步的，本实施例将各个所述第一排布区域111均设计为并排设置的矩形，且等长，通过这一设计，能够使入射端头11的端面结构设计更加合理，并适用于各种不同形状和结构的待测目标5。
请参见图2和图4，在所述出射端头12的端面上具有m个与光纤束13一一对应的第二排布区域121，每组光纤束13的所述纤芯131在对应第二排布区域121呈一维均匀分布(一维指的是呈直线阵列分布)，m个第二排布区域121并排设置且长度相等，并与光学条纹相机2的狭缝21长度相适应。当光脉冲信号经各组光纤束13逐一到达出射端头12，并从各自对应的第二排布区域121向出射成像透镜4出射，最终逐一由光学条纹相机2记录。
适用于任意反射面速度干涉仪(VISAR)和背向散射测量等系统的光学成像系统的时间分辨率由光学条纹相机5的本身参数所决定，而其空间分辨率和探测面积由光学条纹相机5的阴极长度、光纤的芯径及排列间距所决定。具体地说，在光学条纹相机5的阴极长度不变的情况下，每组光纤束13的纤芯131的芯径及间距越小，其成像的空间分辨率越好，但相应的成像面积也会变小，通过本申请的结构，在光学条纹相机5的阴极长度保持不变的情况下，为了保证好的空间分辨率的前提下，提高系统的探测面积，对光纤传像束总成1作出优化。通过上述改进，实现了时分复用的功能，在测量时间长度小于τ的物理信号时，既能保证信号的完整性，又能在高时间分辨率的前提下，本发明系统的探测面积相较于现有的系统提高m倍。既实现了对待测目标5高时间分辨的二维光学成像记录功能，又通过优化光纤传像束总成1的结构，不但具有高时间分辨率和二维空间分辨能力，还具有较高的空间分辨率及大的探测面积。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于光纤传像束的高时间分辨光学成像系统，其特征在于：包括光纤传像束总成（1）、光学条纹相机（2）、入射成像透镜（3）和出射成像透镜（4），其中，所述光纤传像束总成（1）位于入射成像透镜（3）和出射成像透镜（4）之间，所述出射成像透镜（4）位于光纤传像束总成（1）和光学条纹相机（2）之间；
所述光纤传像束总成（1）包括入射端头（11）、出射端头（12）和m组光纤束（13），其中，各组所述光纤束（13）的长度各不相同，各组光纤束（13）均由n根等长的纤芯（131）组成；
在所述入射端头（11）的端面上具有m个与光纤束（13）一一对应的第一排布区域（111），每组光纤束（13）的所述纤芯（131）在对应第一排布区域（111）内呈一维或二维均匀分布，m个第一排布区域（111）共同构成二维平面；
在所述出射端头（12）的端面上具有m个与光纤束（13）一一对应的第二排布区域（121），每组光纤束（13）的所述纤芯（131）在对应第二排布区域（121）呈一维均匀分布，m个第二排布区域（121）并排设置且长度相等，并通过出射成像透镜（4）与光学条纹相机（2）的狭缝（21）相耦合；
各组所述光纤束（13）的长度呈等差数列分布，且相邻两组所述光纤束（13）的长度差均为L；
每组所述光纤束（13）的纤芯（131）的入射端均呈平面阵列分布在入射端头（11）的端面上；各个所述第一排布区域（111）均矩形；且各个所述第一排布区域（111）并排设置且等长。
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