CN110955107B - 一种基于反射成像技术的超高速时间分辨摄像装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反射成像技术的超高速时间分辨摄像装置和方法，该装置包括照明模块、摄像模块和触发模块；照明模块按照光线传播方向依次为：激光器、传能光纤合束器和光纤准直镜，激光器通过传能光纤合束器与光纤准直镜连接；摄像模块按照光线传播方向依次为：第一反射镜、陷波滤光片、窄带滤光片、相机和分析模块，相机和分析模块电连接；触发模块为延时控制器，延时控制器分别与激光器和相机电连接。本发明采用反射成像技术，可实现Gf/s的高帧频的图像采样，可应用于高峰值功率脉冲激光诱导靶材表面损伤过程研究，也可应用于高速撞击等的试验研究。
Description
技术领域
本发明涉及图像采集技术领域，更具体的说是涉及高峰值功率激光诱导靶材表面损伤过程的研究，同时也可以应用于高速撞击等的试验研究中。
背景技术
激光对靶材的损伤是一个非常快的过程，强激光，特别是高峰值功率的窄脉冲强激光辐照后的极短时间内，表面烧蚀形貌既已成型，研究这一过程必须采用时间分辨率足够高的检测手段。
高峰值功率强激光诱导烧蚀靶材损伤形貌的观测是实现激光损伤程度表征的有效手段，在激光与物质相互作用研究领域，特别是激光加工工艺研究领域有着广泛的应用，比如激光打孔、激光切割和激光焊接等激光加工过程和加工工艺研究方面，需要研究激光功率、辐照时间、激光能量、脉冲宽度、光束质量等参数对激光加工质量的影响。目前均采用事后观察，即通过各类显微镜对固定激光参数情况下损伤的靶材表面进行离线观察，受限于照相机或者摄像机的帧频，无法实现在线实时监测，对于激光加工工艺的研究具有片面性，无法综合考虑复杂场对激光加工工艺的影响，限制了激光加工工艺的提高。
上世纪90年代以来，人们更加关注激光加工过程中损伤形貌的动态过程，比如靶材的损伤形貌在激光入射后纳秒量级时间内的变化过程、损伤过程中产生的冲击波以及冲击波对材料结构的影响、光学材料后表面损伤时喷溅粒子的大小及速度、损伤过程中产生的等离子体的物理性质及对损伤的反作用等。
目前，国内外对激光损伤过程中靶材表面损伤形貌的变化过程，有两种方法，第一种方法是采用分幅拍摄方式，即控制实验条件及环境，多次重复实验控制拍摄延时。受限于靶材的材料一致性、激光参数的波动、以及各类噪声的影响，这种方式在激光与物质相互作用现象观测中，特别是在瞬态剧烈现象拍摄中存在一定的不可靠性；第二种方法为利用市售的高速相机，实现激光诱导爆轰波过程的高速拍摄，该方法受限于高速相机的速度，无法实现ns量级时间分辨的高速现象记录和重现。
因此，如何提供一种基于反射成像技术的超高速时间分辨摄像装置和方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于反射成像技术的超高速时间分辨摄像装置和方法，采用反射成像技术，可以实现纳秒量级时间间隔的高帧率分时图像采集。该方法在强激光辐照、激光焊接、打孔等研究中，对于表面的微物质喷射、界面上的波系状况、界面不稳定性等演化情况，具有重要的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于反射成像技术的超高速时间分辨摄像装置，包括：照明模块、摄像模块和触发模块；
所述照明模块按照光线传播方向依次为：激光器、传能光纤合束器和光纤准直镜，所述激光器通过所述传能光纤合束器与所述光纤准直镜连接；
所述摄像模块按照光线传播方向依次为：第一反射镜、陷波滤光片、窄带滤光片、相机和分析模块，所述相机和所述分析模块电连接；
所述触发模块分别与所述激光器和所述相机电连接。
进一步，所述触发模块为延时控制器，所述延时控制器分别与所述激光器和所述相机电连接。
进一步，所述激光器为多台半导体激光器，所述半导体激光器的脉宽为纳秒量级，且多台所述半导体激光器波长不同。
进一步，所述陷波滤光片、所述窄带滤光片和所述相机均设置为多个，且均与所述激光器一一对应设置。
进一步，所述陷波滤光片为45°高反射的陷波滤光片，多个所述45°高反射的陷波滤光片的窄带峰值波段与多个所述激光器的激光波长一一对应，且谱间互不重叠。
进一步，所述相机为具有外触发功能的相机，包括CCD相机和CMOS相机。
进一步，多个所述窄带滤光片的峰值波长与多个所述激光器的激光波长一一对应，且谱间互不重叠。
进一步，所述延时控制器具有多个通道，多个所述通道之间能够按照预设时间要求产生纳秒量级的时延。
进一步，所述分析模块包括下位机和上位机，所述相机、所述下位机和所述上位机依次电连接。
一种基于反射成像技术的超高速时间分辨摄像方法，包括以下步骤：
触发步骤：触发信号作为外触发源驱动延时控制器，所述延时控制器分别异步触发所述激光器和所述相机；
照明步骤：多个所述激光器接收触发信号后发出激光信号，经过传能光纤合束器传输至光纤准直镜，经过所述光纤准直镜的多波段激光对待测靶面进行辐照；
摄像步骤：辐照后的激光信号经第一反射镜导向陷波滤光片，再通过窄带滤光片传输至所述相机，所述相机将采集的激光信号转换为图像信息并传送给分析模块，所述分析模块通过对所述图像信息进行时序编码排序，构成常规视频信号，完成对高速采样情况下的变换存储，实现超高速摄像。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于反射成像技术的超高速时间分辨摄像装置和方法，把具有精确时间控制的延时控制器、激光器和相机相结合，采用反射成像技术，可以实现纳秒量级时间间隔的高帧率分时图像采集。该方法在强激光辐照、激光焊接、打孔等研究中，对于表面的微物质喷射、界面上的波系状况、界面不稳定性等演化情况，具有重要的应用前景，也可应用于高速撞击的研究。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种基于反射成像技术的超高速时间分辨摄像装置示意图。
其中，
1、激光器，2、传能光纤合束器，3、光纤准直镜，4、第一反射镜，5、陷波滤光片，6、窄带滤光片，7、相机，8、分析模块，81、下位机，82、上位机，9、延时控制器，10、底板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
本发明实施例公开了一种基于反射成像技术的超高速时间分辨摄像装置，包括：照明模块、摄像模块和触发模块；照明模块和摄像模块均与底板9连接，触发模块分别与照明模块和摄像模块电连接。
具体的，结合图1，照明模块按照光线传播方向依次为：激光器1、传能光纤合束器2和光纤准直镜3，激光器1通过传能光纤合束器2与光纤准直镜3连接，且激光器1和光纤准直镜3均与底板10连接。其中，传能光纤合束器2利用纤芯较粗的传能光纤制备而成，能够将自由空间传播的光高效地耦合到光纤中，并将多路光信号耦合到一路进行传输，减少了单元镜头搭建系统的复杂性，节省了空间，同时增加了系统的灵活性。
摄像模块按照光线传播方向依次为：第一反射镜4、陷波滤光片5、窄带滤光片6、相机7和分析模块8，分析模块8包括下位机81和上位机82，相机7、下位机81和上位机82依次电连接，第一反射镜4、陷波滤光片5、窄带滤光片6、相机7依次与底板10连接，窄带滤光片6固定于相机7镜头前。
触发模块为延时控制器9，延时控制器9分别与激光器1和相机7电连接。
其中，激光器1为多台半导体激光器，半导体激光器的脉宽为纳秒量级，且多台半导体激光器波长不同，多台激光器通过n-1传能光纤合束器(n表示激光器的台数)与光纤准直镜连接；陷波滤光片5、窄带滤光片6和相机7均设置为多个，且均与激光器1一一对应设置；陷波滤光片5为45°高反射的陷波滤光片，多个45°高反射的陷波滤光片的窄带峰值波段与多个激光器1的激光波长一一对应，且谱间互不重叠；多个窄带滤光片5的峰值波长与多个激光器1的激光波长一一对应。
本发明在光学通道中设置有不同中心波长的陷波滤光片5，以实现系统同轴和小型化，在相机7的光学系统中设置有不同中心波长的窄带滤波片6，以实现光隔离。
延时控制器9具有多个通道，通道间可以产生纳秒量级的时间延时。相机7具有外触发功能，即通过延时控制器9外部触发相机7，相机7可以实现外触发异步曝光。具体的，结合图1，延时控制器9分别异步触发多个激光器1和多个相机7，其触发时序为首先触发相机①，令其开门，经过短暂的延时，触发激光器①，激光器①给相机①拍摄的目标照明，令其曝光；再触发相机②和激光器②，以此类推；
或者首先依次触发相机①-相机
令其全部开门，经过短暂的延时，以预设的时间间隔，依次触发激光器①-激光器
分别令对应的相机曝光。且触发①信号、触发②信号......触发
信号之间具有时间延迟。
一种基于反射成像技术的超高速时间分辨摄像方法，包括以下步骤：
触发步骤：触发信号作为外触发源驱动延时控制器9，延时控制器9分别异步触发多个激光器1和多个相机7；
照明步骤：多个激光器1接收触发信号后发出激光信号，经n-1传能光纤合束器2传输至光纤准直镜3，光纤准直镜3产生的多波段激光对待测靶面进行辐照；
摄像步骤：辐照后的多波段激光信号经第一反射镜4一一对应导向对应的陷波滤光片5，并通过对应的窄带滤光片6传输至相应的相机7中，相机7将采集的激光信号转换为图像信息并传送给分析模块8，分析模块8通过对图像信息进行时序编码排序，构成常规视频信号，完成对高速采样情况下的变换存储，实现超高速摄像。
本发明以多台半导体激光器作为照明光源，利用延时控制器控制多台脉宽为纳秒级、不同波长半导体激光器工作时序，多束不同波长的脉冲光通过光纤耦合至光纤准直镜准直输出，对待测目标进行照射，其中，待测目标位于靶材表面，用于测量靶材表面的变化情况。携带靶面上瞬间变化信息的不同波长的激光，经靶面反射后经第一反射镜一一对应导向对应的陷波滤光片，被陷波滤光片分成多束不同波长的激光束，反射向对应的窄带滤光片，从而实现对通道之间进行光隔离。被隔离的单波长激光束传输至对应相机，使照明光源异步触发相机，实现各个相机的分时曝光。通过下位机图像采集系统将CCD采集的图片信息送至上位机，结合图像处理算法，实现瞬时信息的高速采样和变换储存。
本方法与装置可实现Gf/s的高帧频的图像采样，可应用于高峰值功率脉冲激光诱导靶材表面损伤过程研究，也可应用于高速撞击等的试验研究。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种基于反射成像技术的超高速时间分辨摄像装置，其特征在于，包括：照明模块、摄像模块和触发模块；
所述照明模块按照光线传播方向依次为：激光器(1)、传能光纤合束器(2)和光纤准直镜(3)，所述激光器(1)通过所述传能光纤合束器(2)与所述光纤准直镜(3)连接；
所述摄像模块按照光线传播方向依次为：第一反射镜(4)、陷波滤光片(5)、窄带滤光片(6)、相机(7)和分析模块(8)，所述相机(7)和所述分析模块(8)电连接；
所述陷波滤光片(5)、所述窄带滤光片(6)和所述相机(7)均设置为多个，且均与所述激光器(1)一一对应设置；
多个所述窄带滤光片(6)的峰值波长与多个所述激光器(1)的激光波长一一对应，且谱间互不重叠；
所述陷波滤光片(5)为45°高反射的陷波滤光片，多个所述45°高反射的陷波滤光片的窄带峰值波段与多个所述激光器(1)所发出的激光波长一一对应，且谱间互不重叠；
所述触发模块分别与所述激光器(1)和所述相机(7)电连接，异步触发所述激光器（1）和所述相机（7）；其中，所述触发模块为延时控制器(9)，所述延时控制器(9)具有多个通道，多个所述通道之间能够按照预设时间要求产生纳秒量级的时延；
所述激光器(1)为多台半导体激光器，所述半导体激光器的脉宽为纳秒量级，且多台所述半导体激光器波长不同。
2.根据权利要求1所述的一种基于反射成像技术的超高速时间分辨摄像装置，其特征在于，所述相机(7)为具有外触发功能的相机，包括CCD相机和CMOS相机。
3.根据权利要求1所述的一种基于反射成像技术的超高速时间分辨摄像装置，其特征在于，所述分析模块(8)包括下位机(81)和上位机(82)，所述相机(7)、所述下位机(81)和所述上位机(82)依次电连接。
4.一种应用如权利要求1-3任一项所述的一种基于反射成像技术的超高速时间分辨摄像装置的基于反射成像技术的超高速时间分辨摄像方法，其特征在于，包括以下步骤：
触发步骤：触发信号作为外触发源驱动延时控制器(9)，所述延时控制器(9)分别异步触发所述激光器(1)和所述相机(7)；所述延时控制器(9)具有多个通道，多个所述通道之间能够按照预设时间要求产生纳秒量级的时延；
照明步骤：多个所述激光器(1)接收触发信号后发出激光信号，经过所述传能光纤合束器(2)传输至光纤准直镜(3)，经过所述光纤准直镜(3)的多波段激光对待测靶面进行辐照；其中，所述激光器(1)为多台半导体激光器，所述半导体激光器的脉宽为纳秒量级，且多台所述半导体激光器波长不同；
摄像步骤：辐照后的激光信号经第一反射镜(4)导向陷波滤光片(5)，并通过窄带滤光片(6)传输至所述相机(7)，所述相机(7)将采集的激光信号转换为图像信息并传送给分析模块(8)，所述分析模块(8)通过对所述图像信息进行时序编码排序，构成常规视频信号，完成对高速采样情况下的变换存储，实现超高速摄像；其中，多个所述窄带滤光片(6)的峰值波长和多个45°高反射的所述陷波滤光片的窄带峰值波段均与多个所述激光器(1)所发出的激光波长一一对应，且谱间互不重叠。
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