CN109040544A - 光学时标装置及条纹管扫描相机系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种光学时标装置及条纹管扫描相机系统。所述光学时标装置，应用于条纹管扫描相机，包括：多模光纤，用于传输作为时标信号的光脉冲；安装在所述多模光纤出光一侧的准直系统，用于将由所述多模光纤出射的光脉冲准直为平行光；安装在所述准直系统远离所述多模光纤一侧的聚焦透镜，所述聚焦透镜对应所述条纹管扫描相机的狭缝设置，用于将平行光聚焦为线光斑，所述线光斑进入所述狭缝以被所述条纹管扫描相机收集。

Description

光学时标装置及条纹管扫描相机系统

技术领域

本发明涉及相机领域，具体而言，涉及一种光学时标装置及条纹管扫描相机系统。

背景技术

条纹管扫描相机是具备能够同时测量超高时间分辨率(可至皮秒和飞秒)，与高空间分辨率的唯一高端仪器，记录时间可调，长期以来是冲击波物理、爆轰物理、流体动力学以及核物理等超快过程实验中常用的重要诊断手段之一。

但是，目前商品化条纹管扫描相机无法给出扫描图像时间轴和外部事件的绝对时间关系，从而导致将不同发次实验的扫描图像进行对比分析时缺少时间基准，也无法将扫描图像和同一发实验中其它设备的诊断结果结合起来分析。此外，条纹管扫描相机的扫描过程并非理想的线性扫描，因其电路性能差异及老化，和选择档位不同，往往存在不同程度的扫描非线性。目前商品化扫描相机给出的非线性度指标仅仅反映了相机的性能，并不能反映具体某个档位的扫速变化情况。

因此，现有技术中不能很好地满足用户需求。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种光学时标装置及条纹管扫描相机系统。

本发明实施例提供的一种光学时标装置，应用于条纹管扫描相机，包括：

多模光纤，用于传输作为时标信号的光脉冲；

安装在所述多模光纤出光一侧的准直系统，用于将由所述多模光纤出射的光脉冲准直为平行光；

安装在所述准直系统远离所述多模光纤一侧的聚焦透镜，所述聚焦透镜对应所述条纹管扫描相机的狭缝设置，用于将平行光聚焦为线光斑，所述线光斑进入所述狭缝以被所述条纹管扫描相机收集。

可选地，还包括：

安装在所述聚焦透镜远离所述准直系统一侧的反射镜，将线光斑折转至狭缝边缘。

通过反射镜的作用可以以保证时标装置处于扫描相机成像光路之外。从而有效地实现为条纹管扫描相机提供时标。

可选地，还包括：

所述准直系统的数值孔径与多模光纤的数值孔径相匹配。

可选地，所述聚焦透镜为柱面透镜。

可选地，所述柱面透镜的轴线垂直与所述线光斑的传播方向。

可选地，所述多模光纤上设置有第一标准接口。

可选地，所述准直系统上设置有第二标准接口，通过所述第二标准接口与所述第一标准接口与所述多模光纤连接。

通过将所述多模光纤和准直系统设置成标准接口可以方便替换或安装，使用光学时标装置能够更好地适应需求，也能够使用光学时标装置使用寿命更长。

可选地，所述准直系统的数值孔径需与所述多模光纤数值孔径相匹配。

可选地，所述准直系统包括第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜，所述第一正透镜靠近所述多模光纤设置，所述第三负透镜靠近所述聚焦透镜设置，所述第二正透镜设置在所述第一正透镜和所述第三负透镜之间。

可选地，所述第一正透镜与所述第二正透镜的凸面相对设置，所述第三负透镜的凹面对着所述第二正透镜设置。

通过设置多个透镜形成所述准直系统可以更好地将所述多模光纤出射的光脉冲准直为平行光。

本发明实施例还提供一种条纹管扫描相机系统，所述系统包括：

条纹管扫描相机，所述条纹管扫描相机包括狭缝；

安装在所述条纹管扫描相机狭缝处的上述的光学时标装置。

与现有技术相比，本发明的光学时标装置及条纹管扫描相机系统，通过准直系统将光脉冲准直为平行光，再通过聚焦透镜可以将平行光进一步地处理实现将平行光聚焦为线光斑，可以保证时标光路处于扫描相机成像光路之外；线光斑聚焦于狭缝的边缘，不影响对实验目标的成像。通过增加光学时标装置，从而建立起扫描图像和实验的精确时间关系，并可用于扫描图像的实时非线性校正。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的光学时标装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的光学时标装置的另一角度的结构示意图。

图3本发明实施例提供的光学时标装置的准直系统的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的条纹管扫描相机系统的总体光路结构原理示意图。

图标：100-光学时标装置；110-多模光纤；120-准直系统；121-第一正透镜；122-第二正透镜；123-第三负透镜；130-聚焦透镜；140-反射镜；200-前耦合物镜；300-条纹管；400-后耦合物镜；500-CCD；600-外部的固定结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是所述发明产品使用时惯常拜访的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能解释为本发明的限制。

本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了解决以上两类问题，通常在扫描相机图像边缘加入光时标：和外部事件关联的单个光时标可将扫描图像时间轴同外部事件关联；多个时间间隔相等的光时标可作为时间标尺对扫描图像进行实时非线性校正。目前通常采用两种方法：一是在相机外部搭建光路将时标光投至扫描相机狭缝边缘；二是采用光纤将光时标引至狭缝处，并采用夹具固定。采用上述第一种方法通常需要搭建多个反射镜，容易受周围环境影响，光路不稳定。随着实验地点的变更需要反复搭建光路，工作量大，并且在某些场合由于空间限制，无法搭建光路。采用上述第二种方法时为了不致影响实验现象的成像，光纤端面需紧贴狭缝边缘，由于光纤发散角的影响，势必会造成光能量的损失。同时由于光纤折弯半径的影响，部分光纤会处于扫描成像的光路之中，从而影响实验现象的成像。以上两种方法均不适用于相机前面安装有物镜的场合。

在以上技术背景下，本发明提出了一种应用于条纹管扫描相机的光学时标装置与方法。本发明可便利地安装至条纹管扫描相机或从相机上拆卸。本发明从相机侧面以插入方式安装至相机狭缝和物镜之间，不影响物镜的使用。本发明不遮挡成像光路，故不会对扫描图像造成任何影响。

图1为本发明实施例提供的光学时标装置100的结构示意图。图2为本发明实施例提供的光学时标装置100的另一角度的结构示意图。其中图1和图2是两个相互垂直的视角示出的光学时标装置100的示意图。如图1和2所示，所述光学时标装置100包括：多模光纤110、准直系统120、聚焦透镜130。

所述多模光纤110用于传输作为时标信号的光脉冲。

本实施例中，所述多模光纤110的芯径可以是47-53μm，例如，50μm。进一步地，所述多模光纤110的数值孔径可以是0.2。

进一步地，所述多模光纤110远离所述准直系统120的一端通过法兰与外部的固定结构600相连，所述多模光纤110的安装位置处于准直系统120的焦点位置。详细地，所述多模光纤110被紧固在所述外部的固定结构600上时所述多模光纤110处于准直系统120的焦点位置。在一种实施方式中，所述外部的固定结构600可以是螺母，所述螺母套设在所述多模光纤110外侧以实现对多模光纤110的固定安装。

所述准直系统120安装在所述多模光纤110出光一侧，用于将由所述多模光纤110出射的光脉冲准直为平行光。

本实施例中，所述准直系统120的数值孔径可以与所述多模光纤110的数值孔径相同。

进一步地，所述准直系统120的焦距可以是8.3-8.8mm。例如，可以是8.6mm、8.3mm或8.8mm。

所述聚焦透镜130安装在所述准直系统120远离所述多模光纤110一侧，所述聚焦透镜130对应所述条纹管扫描相机的狭缝设置，用于将平行光聚焦为线光斑。

在一个实例中，所述准直系统120将光纤出射的发散脉冲光准直为直径5mm的平行光。所述聚焦透镜130将该平行光压缩为长5mm的线光斑。

本实施例中，所述光学时标装置100还包括反射镜140。所述反射镜140安装在所述聚焦透镜130远离所述准直系统120一侧，将线光斑折转至狭缝边缘，进入所述狭缝以被所述条纹管扫描相机收集。

本发明的光学时标装置100，通过准直系统120将光脉冲准直为平行光，再通过聚焦透镜130可以将平行光进一步地处理实现将平行光聚焦为线光斑，可以保证时标光路处于扫描相机成像光路之外；线光斑聚焦于狭缝的边缘，不影响对实验目标的成像。通过增加光学时标装置100，从而建立起扫描图像和实验的精确时间关系，并可用于扫描图像的实时非线性校正。

在一种实施方式中，所述反射镜140折转前后线光斑的光轴夹角为105°，以保证时标装置处于扫描相机成像光路之外。

在一个实例中，所述狭缝长可以是14mm，光斑距离狭缝中心可以是6mm。整个光学时光装置可以通过法兰从所述条纹管扫描相机的侧面安装。本实施例中的光学时标装置100可以通过法兰从所述条纹管扫描相机的侧面以插入方式安装于狭缝前17mm处的相机机身上，可方便的进行拆卸，并且不影响物镜的使用。

本实施例中，可以采用脉冲激光器、激光二极管等提供光脉冲信号作为时间标记，在条纹管扫描相机扫描图像边缘插入光点，从而获知扫描图像和时标脉冲之间精确的时间对应关系。在一个实例中，可以使用波长532nm的皮秒脉冲激光作为时标信号，将该波长的激光脉冲耦合入多模光纤110。当然，也可以使用其它波长的激光作为时标信号，例如，波长530nm的皮秒脉冲激光、波长533nm的皮秒脉冲激光、波长535nm的皮秒脉冲激光等。

通过本申请中的方案，可将不同发次扫描图像的时间关联起来，亦可在时间上将扫描图像和同一发实验中不同诊断设备的测量结果相关联。此外，若输入等间隔光脉冲信号，利用本申请中的光学时标装置100还可对扫描图像进行实时非线性校正。本发明采用多模光纤110传输光脉冲信号，此后准直系统120将光纤出射的光脉冲准直为平行光，并采用柱面透镜对该平行光光束进行线聚焦，并通过反射镜140将聚焦后的线光斑折转至扫描相机狭缝的边缘并垂直于狭缝，在扫描图像中即以该光脉冲的像作为时标。

进一步地，本发明可方便地将所述光学时标装置100安装至条纹管扫描相机或从所述条纹管扫描相机上拆卸，并且不影响物镜的使用，本申请中的光学时标装置100不遮挡成像光路，故不会对扫描图像造成任何影响。本发明在冲击、爆轰以及流体动力学实验的扫描成像中有着广阔的应用前景。

在一种可选的实施方式中，所述聚焦透镜130为柱面透镜。

在一种可选的实施方式中，所述柱面透镜的轴线垂直与所述线光斑的传播方向。

进一步地，调整柱面透镜令其和狭缝垂直。进一步地，所述柱面透镜与射出的线光斑与所述狭缝可以垂直。进一步地，线光斑被狭缝所切，变为与狭缝等宽的点光斑，并经过前耦合透镜、条纹管300、后耦合透镜，最终成像在CCD500处，完成扫描图像中的时间标记。

在一种可选的实施方式中，所述多模光纤110上设置有第一标准接口。

所述第一标准接口可以是螺纹接口。

在一种可选的实施方式中，所述准直系统120上设置有第二标准接口，通过所述第二标准接口与所述第一标准接口与所述多模光纤110连接。

在一种可选的实施方式中，所述准直系统120的数值孔径需与所述多模光纤110数值孔径相匹配。

在一种可选的实施方式中，所述准直系统120包括第一正透镜121、第二正透镜122和第三负透镜123，所述第一正透镜121靠近所述多模光纤110设置，所述第三负透镜123靠近所述聚焦透镜130设置，所述第二正透镜122设置在所述第一正透镜121和所述第三负透镜123之间。

在一种可选的实施方式中，如图3所示，所述第一正透镜121与所述第二正透镜122的凸面相对设置，所述第三负透镜123的凹面对着所述第二正透镜122设置。

本发明作为整体从相机侧面以插入方式安装至相机的狭缝和物镜之间部位，安装与拆卸方便快捷，不影响物镜的使用，不遮挡成像光路，不影响对实验目标的成像。本发明在冲击、爆轰以及流体动力学实验的扫描成像中有着广阔的应用前景。

使用时，如图4所示，将作为时标信号的光脉冲耦合入所述多模光纤110，经过准直系统120、柱面透镜和反射镜140，最终在狭缝边缘聚焦为一个与狭缝相垂直的线光斑。该线光斑为狭缝切取为与狭缝等宽的点光斑，并经过前耦合物镜200、条纹管300、后耦合物镜400成像于CCD500(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)上，实现扫描图像时间轴的时间标记。通过调节狭缝，将线光斑切取为与狭缝等宽的点光斑。此后通过前耦合物镜200、条纹管300、后耦合物镜400，最终成像在CCD500上，从而在所获取的实验图像的时间轴上加入时间标记。

进一步地，所述光学时标装置100还可以包括一些安装结构，所述安装结构用于将所述多模光纤110、准直系统120、聚焦透镜130进行安装。

所述光学时标装置100包括外壳，所述多模光纤110、准直系统120、聚焦透镜130均安装在所述外壳内部。

如图2所示，所述外壳设置的反射镜140安装位置预留空间，所述预留空间供光通过。

本发明实施例还提供一种条纹管扫描相机系统，所述系统包括：

条纹管扫描相机，所述条纹管扫描相机包括狭缝；

安装在所述条纹管扫描相机狭缝处的上述的光学时标装置。

关于本实施例中关于光学时标装置的其它细节可以进一步地参考前一实施例中的描述，在此不再赘述。

本发明的光学时标装置，通过准直系统将光脉冲准直为平行光，再通过聚焦透镜可以将平行光进一步地处理实现将平行光聚焦为线光斑，可以保证时标光路处于扫描相机成像光路之外；线光斑聚焦于狭缝的边缘，不影响对实验目标的成像。通过增加光学时标装置，从而建立起扫描图像和实验的精确时间关系，并可用于扫描图像的实时非线性校正。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光学时标装置，应用于条纹管扫描相机，其特征在于，包括：

多模光纤，用于传输作为时标信号的光脉冲；

安装在所述多模光纤出光一侧的准直系统，用于将由所述多模光纤出射的光脉冲准直为平行光；

安装在所述准直系统远离所述多模光纤一侧的聚焦透镜，所述聚焦透镜对应所述条纹管扫描相机的狭缝设置，用于将平行光聚焦为线光斑，所述线光斑进入所述狭缝以被所述条纹管扫描相机收集。

2.如权利要求1所述的光学时标装置，其特征在于，还包括：

安装在所述聚焦透镜远离所述准直系统一侧的反射镜，将线光斑折转至狭缝边缘。

3.如权利要求1所述的光学时标装置，其特征在于，所述聚焦透镜为柱面透镜。

4.如权利要求3所述的光学时标装置，其特征在于，所述柱面透镜的轴线垂直与所述线光斑的传播方向。

5.如权利要求1所述的光学时标装置，其特征在于，所述多模光纤上设置有第一标准接口。

6.如权利要求5所述的光学时标装置，其特征在于，所述准直系统上设置有第二标准接口，通过所述第二标准接口与所述第一标准接口与所述多模光纤连接。

7.如权利要求1所述的光学时标装置，其特征在于，所述准直系统的数值孔径需与所述多模光纤数值孔径相匹配。

8.如权利要求1所述的光学时标装置，其特征在于，所述准直系统包括第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜，所述第一正透镜靠近所述多模光纤设置，所述第三负透镜靠近所述聚焦透镜设置，所述第二正透镜设置在所述第一正透镜和所述第三负透镜之间。

9.如权利要求8所述的光学时标装置，其特征在于，所述第一正透镜与所述第二正透镜的凸面相对设置，所述第三负透镜的凹面对着所述第二正透镜设置。

10.一种条纹管扫描相机系统，其特征在于，所述系统包括：

条纹管扫描相机，所述条纹管扫描相机包括狭缝；

安装在所述条纹管扫描相机狭缝处的权利要求1-9任意一项所述的光学时标装置。