CN112945204B - 一种分幅图像探测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分幅图像探测装置及方法,装置包括第一图像耦合结构、光纤束传像结构、第二图像耦合结构及像增强型相机,被探测光学目标经第一图像耦合结构成像到光纤束传像结构的像面,光纤束传像结构可通过空间采样或非共轴成像方式接收并传递输出图像,实现对输入图像的分幅和延时处理,具有不同光延时的各分幅图像经第二图像耦合结构成像到像增强型相机,像增强型相机同时记录下不同时刻的多分幅图像。本发明解决了对光图像的分幅和延时处理,实现了单台像增强型相机单次探测多分幅具备精确相对时间关系的图像,同时解决了系统的紧凑性和单台相机的利用效率问题。

Description

一种分幅图像探测装置及方法
技术领域
本发明属于图像探测技术领域,特别涉及基于图像分幅延时结构和像增强型相机对光图像进行分幅、延时、探测的图像探测装置,具体是一种分幅图像探测装置及方法,适用于单次获取多幅不同时刻序列的高时间分辨光图像信息。
背景技术
获取多幅不同时刻序列的高时间分辨光图像信息在物理、化学、生物医学等研究领域中都具有重要作用,是分析研究超快过程的重要手段。传统的分幅相机通过基于分光镜或反射镜等的分光光路对光图像进行多分幅处理,再由多台像增强型相机进行记录,每一台像增强型相机通过高压电脉冲选通像增强器来实现高速快门功能。这种方式是目前比较成熟的分幅图像探测方式,具有时间分辨可达ns量级,动态范围大,图像质量好的优点。然而,该方式也存在如下的缺点,各开门时间依靠高压电脉冲控制,各分幅图像之间的时间关系与高压电脉冲相对延时的晃动相关。系统光路结构复杂,集成起来体积较大,复杂的光路结构也造成光的收集效率低,限制系统的灵敏度。此外,每一台像增强型相机仅能获得一张分幅图像,想获取更多分幅图像就需要更多的相机,分幅数量的增加会导致成本增加和系统集成难度增大。
发明内容
为了克服传统获取多幅不同时刻序列高时间分辨光图像的方法存在的上述问题,本发明提出一种分幅图像探测装置及方法,利用单台像增强型相机就可精确获取多幅不同时刻高时间分辨图像。本发明利用图像分幅延时结构实现对光图像的精确延时和分幅处理,再利用单台像增强型相机进行高时间分辨的探测记录,使单台像增强型相机单次在相机像面上的不同位置获取多幅不同时刻序列的高时间分辨图像。
本发明为实现其目的采用的技术方案是提供一种分幅图像探测装置,其特殊之处在于:包括第一图像耦合结构,光纤束传像结构,第二图像耦合结构及像增强型相机;
第一图像耦合结构用于将被探测光学目标成像到光纤束传像结构的图像输入像面;
光纤束传像结构用于通过空间采样或非共轴成像方式接收并传递输出被探测光学目标图像,实现对图像的分幅和延时处理;光纤束传像结构包括n组长度不同的光纤束,每一组光纤束由长度相同的m根光纤组成;其中n、m均为大于等于2的自然数;每一组光纤束的输入端位于同一平面,所有光纤束的输入端构成光纤束传像结构的图像输入像面,所有光纤束的输出端位于同一平面,构成光纤束传像结构的图像输出像面;光纤束传像结构的图像输出像面包括n块图像输出区域,每块图像输出区域对应同一组光纤束,不同图像输出区域对应不同组的光纤束;被探测光学目标图像通过光纤束传像结构的图像输出像面形成具有不同光延时的n幅输出图像;
第二图像耦合结构用于将具有不同光延时的n幅输出图像成像到像增强型相机;
像增强型相机根据需要设定快门宽度,同时记录不同时刻的n幅输出图像。
进一步地,光纤束传像结构通过空间采样成像方式接收并传递输出被探测光学目标图像,实现对图像的分幅和延时处理:
第一图像耦合结构为一个镜头;光纤束传像结构的图像输入像面的每一个像素位置均对应n根不同长度光纤的输入端。
进一步地,光纤束传像结构通过非共轴成像方式接收并传递输出被探测光学目标图像,实现对图像的分幅和延时处理:
第一图像耦合结构为n个镜头;光纤束传像结构的图像输入像面包括n块图像输入区域,每块图像输入区域对应同一组光纤束,不同图像输入区域对应不同组的光纤束;
被探测光学目标经n个镜头成n个像到光纤束传像结构的图像输入像面,光纤束传像结构图像输入像面的每块图像输入区域分别接收各个镜头所成的像。
进一步地,所述的第二图像耦合结构为镜头或光锥,当使用光锥耦合时,像增强型相机需具有光纤面板输入窗口。
进一步地,所述的像增强型相机为像增强型CCD相机或像增强型CMOS相机。
本发明还提供一种分幅图像探测方法,其特殊之处在于:基于所述的分幅图像探测装置,包括以下步骤:
步骤1、根据n幅分幅图像的延时要求,选取构成光纤束传像结构的n组光纤束的长度,使得通过光纤束传像结构输出后,n幅分幅图像满足延时要求;
步骤2、被探测光学目标经第一图像耦合结构成像到光纤束传像结构的图像输入像面,光纤束传像结构通过空间采样或非共轴成像方式接收并传递输出被探测光学目标图像,实现对图像的分幅和延时处理;
步骤3、具有不同光延时的各分幅图像经第二图像耦合结构成像到像增强型相机,像增强型相机同时记录下不同时刻的多分幅图像。
与现有技术相比,本发明的技术优势在于:
1、现有技术通常利用多台像增强型相机和分光光路完成分幅图像的记录,每台相机的曝光时刻和曝光宽度通过多个高压脉冲快门信号选通像增强器来实现,由于多个高压电脉冲之间不可避免地存在相对时间上的晃动,导致各台相机间的相对曝光时刻存在晃动。此外,系统的分幅图像数量与相机的数量对应,更多分幅图像的记录就需要更多的相机,系统的规模和复杂程度增大,不利于系统的紧凑集成。目前的单台相机的像素数可以很大,但是仅能记录一幅有效图像,相机的像素使用效率低。
为此,本发明提供一种通过图像分幅延时结构完成光图像的分幅、延时,再利用单台像增强型相机对分幅图像进行高时间分辨探测,从而获得更加精确的相对时间关系的多分幅图像,同时解决系统的紧凑性和单台相机的利用效率问题。
2、本发明光纤束传像结构包括n组长度不同的光纤束,每一组光纤束由长度相同的m根光纤组成;与基于镜头、反射镜等光学器件的分幅分光光路相比,光纤束传像结构可以保证光图像在几米的较长距离传递过程中产生较小的光损失;另外,光纤束传像结构的输出像面可容易地拼接成一个像面,通过光纤维面板接口可以更好的与像增强型相机像面进行耦合。
附图说明
图1是本发明实施例分幅图像探测装置结构组成示意图;
图2是本发明实施例光纤束传像结构为空间采样方式时图像分幅延时示意图;
图3是本发明实施例光纤束传像结构为空间采样方式时光纤排列情况;
图4是本发明实施例光纤束传像结构为非共轴成像方式时图像分幅延时示意图;
图5是本发明实施例光纤束传像结构为非共轴成像方式时光纤排列情况。
图中附图标记为:1-第一图像耦合结构,2-光纤束传像结构,3-第二图像耦合结构,4-像增强型相机,5-计算机,6-被探测光学目标。
具体实施方式
目前,为获得多分幅高时间分辨图像,通常利用多台像增强型相机和分光光路完成分幅图像的记录,每台相机的曝光时刻和曝光宽度通过多个高压脉冲快门信号选通像增强器来实现,然而,多个高压电脉冲之间不可避免地存在相对时间上的晃动,导致各台相机间的相对曝光时刻存在晃动,相对时间关系不能准确给出;此外,系统的分幅图像数量与相机的数量对应,更多分幅图像的记录就需要更多的相机,系统的规模和复杂程度增大,不利于系统的紧凑集成;并且,目前的单台相机的空间像素数可以很大,但是仅能记录一幅有效图像,相机的像素使用效率低。为此,本发明展开了研究与创新,提供了一种分幅图像探测装置。
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步地说明。
参见图1,本实施例分幅图像探测装置包括第一图像耦合结构1,光纤束传像结构2,第二图像耦合结构3和像增强型相机4,被探测光学目标6经第一图像耦合结构1成像到光纤束传像结构2的图像输入像面,被探测光学目标可为自发光的源场或被光照亮可散射光的物体,光纤束传像结构2可通过空间采样或非共轴成像方式接收并传递输出图像,实现对输入图像的分幅和延时处理。具有不同光延时的各分幅图像经第二图像耦合结构3成像到像增强型相机4。第二图像耦合结构3可为镜头或光锥,当使用光锥耦合时,像增强型相机4要具有光纤面板输入窗口。像增强型相机4同时记录下不同时刻的多分幅图像。
当光纤束传像结构2为空间采样方式时,如图2及图3所示,第一图像耦合结构1为一个镜头,被探测光学目标6经第一图像耦合结构1成像到图像分幅延时结构的图像输入像面,图像分幅延时结构的图像输入像面的每一个像素位置都对应长度不同的多根光纤,在各个像素位置取出一根长度相同的光纤按空间位置对应关系在图像输出像面重新排列,形成多幅对输入图像进行空间采样的输出图像,每一幅输出图像对应的光纤长度按照光图像延时要求设定。
从图2及图3可以看出,本实施例光纤束传像结构2可为实现四分幅图像获取的分幅延时结构,每幅图像由A、B、C、D表示,在图3所示的输入像面处,每一个像素位置对应四根光纤组成的矩形阵列,每一个像素位置都有A、B、C、D四个光纤束的一根光纤进行采样,所有光纤在输出像面处排列成为一个像面,输入像面和输出像面的光纤排列对应关系如图3所示,输出像面包括有A、B、C、D四个分幅图像。A、B、C、D光纤束的光纤可选用石英玻璃材料,长度可分别为1m、3m、5m、7m,则波长约420nm的光图像在其中传递的时间约分别为5ns、15ns、25ns、35ns,像增强型相机4的快门时间可为5ns,则可获得的图像为时间分辨5ns,时序关系为5ns、15ns、25ns、35ns的四分幅图像。
当光纤束传像结构2为非共轴成像方式时,如图4及图5所示,第一图像耦合结构1为多个镜头,被探测光学目标6经多个镜头成多个像到图像分幅延时结构的图像输入像面,多幅输入图像经多个光纤束传递输出图像,每一幅输出图像对应的光纤长度按照光图像延时要求设定。
从图4及图5可以看出,本实施例光纤束传像结构2可为实现四分幅图像获取的分幅延时结构,每幅图像由A、B、C、D表示,第一图像耦合结构1可为四个镜头,将被探测光学目标6成四个像到光纤束传像结构2的输入像面,如图4所示,输入像面由在空间上独立分开的四个部分组成,分别接收四个镜头所成的像,四个分幅图像在输出像面处排列成为一个像面,输入像面和输出像面的光纤排列对应关系如图5所示,输出像面包括有A、B、C、D的四个分幅图像。A、B、C、D光纤束的光纤可选用石英玻璃材料,长度可分别为1m、3m、5m、7m,则波长约420nm的光图像在其中传递的时间约分别为5ns、15ns、25ns、35ns,像增强型相机4的快门时间可为5ns,则可获得的图像为时间分辨5ns,时序关系为5ns、15ns、25ns、35ns的四分幅图像。
本发明光纤束传像结构2的输出像面上紧密的排列着多个分幅图像,多个分幅图像成像到一台像增强型相机4,像增强型相机4同时记录下光纤束传像结构2输出像面上的多分幅图像,由于各分幅图像经过光纤束传像结构2的延时不同,对于被探测光学目标6而言,像增强型相机4记录了具有不同相对时刻的反映被探测光学目标6过程的多分幅图像。
现有技术中,通常利用多台像增强型相机和分光光路完成分幅图像的记录,每台相机的曝光时刻和曝光宽度通过多个高压脉冲快门信号选通像增强器来实现,由于多个高压电脉冲之间不可避免地存在相对时间上的晃动,导致各台相机间的相对曝光时刻存在晃动。此外,系统的分幅图像数量与相机的数量对应,更多分幅图像的记录就需要更多的相机,系统的规模和复杂程度增大,不利于系统的紧凑集成。目前的单台相机的像素数可以很大,但是仅能记录一幅有效图像,相机的像素使用效率低。为了获得具有更加精确时间关系的多分幅图像,且提升系统集成性和单台相机的像素利用效率,本发明提出利用光纤束传像结构实现对图像的分幅和延时处理,由于是利用光图像在固定长度的光纤束传像结构传输来实现对光图像本身的延时处理,各分幅图像之间的相对时间关系可控制得更精确,同时,由于光纤束传像结构的输出像面拼接成一个像面,输出图像可以直接成像到单台像增强型相机上,并且由于各分幅图像之间已经有了精确的相对延时关系,像增强型相机同时记录下的高时间分辨的多分幅图像就有与相对延时关系对应的精确时序关系。因此,本发明可显著提高各分幅图像之间时间关系的精确程度,并提升系统的集成性和单台相机的利用效率。

Claims (4)

1.一种分幅图像探测装置,其特征在于:包括第一图像耦合结构(1),光纤束传像结构(2),第二图像耦合结构(3)及像增强型相机(4);
第一图像耦合结构(1)用于将被探测光学目标(6)成像到光纤束传像结构(2)的图像输入像面;
光纤束传像结构(2)用于通过空间采样或非共轴成像方式接收并传递输出被探测光学目标(6)图像,实现对图像的分幅和延时处理;
光纤束传像结构(2)包括n组长度不同的光纤束,每一组光纤束由长度相同的m根光纤组成;其中n、m均为大于等于2的自然数;每一组光纤束的输入端位于同一平面,所有光纤束的输入端构成光纤束传像结构(2)的图像输入像面,所有光纤束的输出端位于同一平面,构成光纤束传像结构(2)的图像输出像面;光纤束传像结构(2)的图像输出像面包括n块图像输出区域,每块图像输出区域对应同一组光纤束,不同图像输出区域对应不同组的光纤束;被探测光学目标(6)图像通过光纤束传像结构(2)的图像输出像面形成具有不同光延时的n幅输出图像;
第二图像耦合结构(3)用于将具有不同光延时的n幅输出图像成像到像增强型相机(4);
像增强型相机(4)根据需要设定快门宽度,同时记录不同时刻的n幅输出图像;
光纤束传像结构(2)通过空间采样成像方式接收并传递输出被探测光学目标(6)图像,实现对图像的分幅和延时处理:
第一图像耦合结构(1)为一个镜头;光纤束传像结构(2)的图像输入像面的每一个像素位置均对应n根不同长度光纤的输入端;
或,
光纤束传像结构(2)通过非共轴成像方式接收并传递输出被探测光学目标(6)图像,实现对图像的分幅和延时处理:
第一图像耦合结构(1)为n个镜头;光纤束传像结构(2)的图像输入像面包括n块图像输入区域,每块图像输入区域对应同一组光纤束,不同图像输入区域对应不同组的光纤束;被探测光学目标(6)经n个镜头成n个像到光纤束传像结构(2)的图像输入像面,光纤束传像结构(2)图像输入像面的每块图像输入区域分别接收各个镜头所成的像。
2.根据权利要求1所述的一种分幅图像探测装置,其特征在于:所述的第二图像耦合结构(3)为镜头或光锥,当使用光锥耦合时,像增强型相机(4)需具有光纤面板输入窗口。
3.根据权利要求2所述的一种分幅图像探测装置,其特征在于:所述的像增强型相机(4)为像增强型CCD相机或像增强型CMOS相机。
4.一种分幅图像探测方法,其特征在于:基于权利要求1-3任一所述的分幅图像探测装置,包括以下步骤:
步骤1、根据n幅分幅图像的延时要求,选取构成光纤束传像结构(2)的n组光纤束的长度,使得通过光纤束传像结构(2)输出后,n幅分幅图像满足延时要求;
步骤2、被探测光学目标(6)经第一图像耦合结构(1)成像到光纤束传像结构(2)的图像输入像面,光纤束传像结构(2)通过空间采样或非共轴成像方式接收并传递输出被探测光学目标(6)图像,实现对图像的分幅和延时处理;
步骤3、具有不同光延时的各分幅图像经第二图像耦合结构(3)成像到像增强型相机(4),像增强型相机(4)同时记录下不同时刻的多分幅图像。
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