CN113341630B - 一种适用于闪电摄影系统的触发装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于闪电摄影系统的触发装置，包括：光学成像单元、遮光片、光电转换单元；所述光学成像单元用于采集雷电通道的光信号；所述遮光片位于光学成像单元与光电转换单元之间，且所述遮光片设有限制通过光的范围的开口部；所述光电转换单元的一端位于所述光学成像单元的焦平面上，另一端连接到所述闪电摄影系统；所述光电转换单元用于将通过所述遮光片的光信号转换为电信号，并在所述电信号超过阈值时触发所述闪电摄影系统动作。本发明利用单片大尺寸光电二极管和遮光片的结构，实现了对雷电通道内光强信号的采集与电信号转化，具有足够的响应速度和灵敏度，可以在闪电发生后的数个微秒内输出触发信号，且结构简单、制作成本低。

Description

一种适用于闪电摄影系统的触发装置

技术领域

本发明属于光探测领域，更具体地，涉及一种适用于闪电摄影系统的触发装置。

背景技术

雷电是一种自然界中发生的强烈电离现象，往往伴随着强烈的发光和电磁辐射。大部分的雷电发生在云层中，少部分雷电从云层发展到地面，形成明亮的通道，伴随着巨大的声音。这种类型的雷电构成了一般人所认知的“闪电”。闪电摄影是一种流行的艺术形式，戏剧性的闪电照片具有很强的视觉冲击力。同时，利用高性能的相机(如高速摄影仪、像增强相机)对闪电的发展过程进行拍摄也是一种常见的科学研究手段。

无论用于艺术创作还是科学研究，成功的拍摄闪电都不是一件容易的事情，因为闪电的出现具有极大的随机性。利用传统相机进行闪电摄影时，需要在5～10分钟内保持快门打开以提高在这一时间段内捕获一次闪电的几率。而利用高速相机或像增强相机对闪电发展过程拍摄时，受制于相机的存储深度，需要配合特殊的触发装置(如高速光电传感器、电磁场天线)，以实现在闪电发生的数个毫秒内产生触发信号来激活相机。

现有的闪电触发器多采用小型光电二极管作为光电传感器。如在美国专利US6243242B1公开的一种闪电触发器中，采用自由空间耦合的方式。由于光电二极管的入射光角度较大，探测范围宽广，但在大范围内的各种发光活动(如云内的闪电、太阳光，大功率探照灯等)都可能会使探测器误动作，产生大量无用的数据资料，捕捉闪电的效率很低。而在中国专利CN103822707A公开的一种雷电高速光度计中，使用了光纤束耦合的方式，可以实现探测范围的选择；但是光纤导像束结构复杂，成本高昂，无法广泛应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种适用于闪电摄影系统的触发装置，其目的在于解决现有闪电触发器容易误动作、结构复杂、成本高昂的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于闪电摄影系统的触发装置，包括：光学成像单元、遮光片、光电转换单元；所述光学成像单元用于采集雷电通道的光信号；所述遮光片位于所述光学成像单元与光电转换单元之间，且所述遮光片设有限制通过光的范围的开口部；所述光电转换单元的一端位于所述光学成像单元的焦平面，另一端连接到所述闪电摄影系统；所述光电转换单元用于将通过所述遮光片的光信号转换为电信号，并在所述电信号超过阈值时触发所述闪电摄影系统动作。

进一步地，所述开口部与所述雷电通道的形状相仿，大小比例为所述光学成像单元的镜头焦距与观测距离之比。

进一步地，所述光学成像单元、所述开口部、所述光电转换单元感光区域的光学中心中心在同一水平线上。

进一步地，所述光电转换单元包括光电传感器、跨阻放大器、电压比较器；所述光电传感器感光后产生相应的电流信号，经所述跨阻放大器转换为电压信号；所述电压信号经所述电压比较器进行电平转换。

进一步地，当所述电压信号超过阈值电压时，所述电压比较器输出一个正的触发脉冲信号，以触发所述闪电摄影系统动作。

进一步地，所述光学成像单元为变焦镜头。

进一步地，所述触发装置还包括电源模块，所述电源模块输出电流大于50mA。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的触发装置中，在光学成像单元与光电转换单元之间设置有遮光片，限制通过光的范围；光电转换单元连接到光学成像单元的焦平面上，将通过遮光片的光信号转换为电信号，并在电信号超过阈值时触发闪电摄影系统动作。本发明利用单片大尺寸光电二极管和遮光片的结构，实现了对雷电通道内光强信号的采集与电信号转化，较之单颗小尺寸光电二极管的方案，本方案具有选择性强，灵敏度高的优势；较之光纤传像束的方案，本方案具有成本低，结构简单的优势。

(2)本发明提供的触发装置，能与高速相机等科学摄影仪器连接，具有足够的响应速度和灵敏度，可以在闪电发生后的数个微秒内输出触发信号。此外，本发明的触发装置可以将观测闪电的范围限定在任意区域，减少云内雷电过程或其他强光源(太阳、高亮度探照灯)发光对触发装置的干扰。因此，这种装置特别适合用于闪电的艺术拍摄和科学研究。

附图说明

图1为本发明实施例提供的触发装置与闪电摄影系统连接关系示意图；

图2为本发明实施例提供的一种适用于闪电摄影系统的触发装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的遮光片的第一种实施方式示意图；

图4为本发明实施例提供的遮光片的第二种实施方式示意图；

图5为本发明实施例提供的光电转换单元的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参阅图1，本发明提供了一种适用于闪电摄影系统的触发装置，包括：光学成像单元、遮光片、光电转换单元；光学成像单元用于采集雷电通道的光信号；遮光片位于光学成像单元与光电转换单元之间，且遮光片设有限制通过光的范围的开口部；光电转换单元的一端位于光学成像单元的焦平面，另一端连接到闪电摄影系统；光电转换单元用于将通过遮光片的光信号转换为电信号，并在电信号超过阈值时触发闪电摄影系统动作。

具体的，如图2所示，本发明提供的触发装置包括工业镜头1、遮光片2、光电传感器3、电路板4、壳体5、电源模块6。其中，电路板4放置在壳体5中，电源模块6用螺丝固定在壳体5外部；遮光片2固定在光电传感器3的表面。遮光片2的开口部与雷电通道的形状相仿，大小比例为光学成像单元的镜头焦距与观测距离之比；且光学成像单元、开口部、光电转换单元感光区域的光学中心在同一水平线上。

优选的，本发明中的工业镜头1为25mm f/1.4高速镜头；光电传感器3具有长16mm宽16mm的正方形感光面和7微秒的典型上升时间；遮光片2中透光区域为长10mm宽6mm的矩形；电源模块6为两节3.7V 18650锂电池组成的电池组。除了上述的型号之外，本发明的工业镜头和遮光片形状可以根据待观测目标区域的距离和范围进行任意选择；电源模块可以使用9～30V范围内的任何直流电压源，确保输出电流大于50mA即可。

此外，工业镜头1、遮光片2、光电传感器3可以根据不同的需求采用不同的实施方案。图3和图4分别显示了本装置的第一实施方案和第二实施方案。

如图3所示，待观测区域10通过广角工业镜头11在光电传感器13上成实像14。选择透光区域为矩形的遮光片12和感光区域为同为矩形的光电传感器13。由于遮光片12的遮挡作用，云层内发生闪电的发光、太阳的发光以及建筑物楼顶人造光源的发光无法进入光电传感器13，光电传感器13只对发生在云层和建筑物之间的闪电起反应。第一种实施方式可以实现宽广的观测范围。

具体的，下式给出了待观测区域尺寸、遮光片透光区域尺寸、工业镜头焦距、观测距离、之间的定量关系：

式中，D和L分别是待观测区域的宽度和长度，d和l分别是遮光片透光区域的宽度和长度，f1为镜头焦距，f2为观测距离。以图3为例，选用25mm工业镜头、遮光片透光区域尺寸为10mm*6mm、观测距离5km时，可以获得的观测区域尺寸为2000m*1200m。

如图4所示，待观测区域20通过长焦工业镜头21以及竖条形状的遮光片22，在竖条形光电传感器23上成实像24。此时，触发装置只对某一栋高楼上方的区域敏感，只有击中在高楼的闪电才能被触发装置捕捉到。第二种实施方案可以实现观测范围高度选择性。

当然，工业镜头和遮光片也可以使用不同结构，如工业镜头可以选择市场上可以买到的变焦镜头。根据待观测区域的形状和位置不同，遮光片中的透光区域可以做成圆形、三角形等。同样，电池和壳体之间的固定方式不局限于螺丝固定，还可以使用其他活动连接方式(如卡入式连接)。壳体也可以根据需要使用树脂、铝合金等材质，做成方块形、圆筒形等其他适用形状。

图5显示了图2中的电路板4上电路图。光电二极管41感光后产生微弱的电流信号，经过由电阻43、电容42和高速运放44组成的跨阻放大器后，被转换为电压信号；后经过由电阻45、电阻46和高速运放48组成的电压比较器进行电平转换。电压比较器的阈值电压由可调电阻45、电阻46和电源电压47共同决定。当跨阻放大器的输出电压超过阈值电压时，高速运放48输出一个正的触发脉冲信号，通过接口49传输给闪电摄影系统。在回路中，电阻43用来控制光电探测器的灵敏度，可调电阻45用于控制电压比较器的灵敏度，两者配合决定整套系统的灵敏度。电阻43一般取值为1～10千欧。

当然，根据观测环境和观测范围的不同，可以选择不同形状、不同灵敏度的光电传感器。如只在晚上进行观测，需要较高的灵敏度，可以将光电二极管换成光电倍增管；如在白天观测，需要比较低的灵敏度以避免误动作，可以使用小尺寸的低灵敏度光电二极管。根据观测区域的形状，也可以选择具有圆形或者矩形感光片的光电二极管。根据所选择光电传感器的特性的不同，电阻43也可以在0.1千欧～1兆欧之间取值。电路也可以采用其他类似的结构，比如可以去掉由电45、电阻46和高速运放48组成的电压比较器，使得装置可以直接输出模拟电压信号，此时装置可以作为高灵敏度的光强计使用。

本领域的技术人员容易理解，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 (6)

1.一种适用于闪电摄影系统的触发装置，其特征在于，包括：光学成像单元、遮光片、光电转换单元；

所述光学成像单元用于采集雷电通道的光信号；

所述遮光片位于所述光学成像单元与光电转换单元之间，且所述遮光片设有限制通过光的范围的开口部；所述开口部与所述雷电通道的形状相仿，大小比例为所述光学成像单元的镜头焦距与观测距离之比；所述遮光片用于遮挡云层内发生闪电的发光、太阳的发光以及建筑物楼顶人造光源的发光进入所述光电转换单元，使得所述光电转换单元仅对发生在云层和建筑物之间的闪电起反应；

所述光电转换单元的一端位于所述光学成像单元的焦平面上，另一端连接到所述闪电摄影系统；所述光电转换单元用于将通过所述遮光片的光信号转换为电信号，并在所述电信号超过阈值时触发所述闪电摄影系统动作；所述光电转换单元为大尺寸光电二极管。

2.如权利要求1所述的适用于闪电摄影系统的触发装置，其特征在于，

所述光学成像单元、所述开口部、所述光电转换单元感光区域的光学中心在同一水平线上。

3.如权利要求1所述的适用于闪电摄影系统的触发装置，其特征在于，所述光电转换单元包括光电传感器、跨阻放大器、电压比较器；

所述光电传感器感光后产生相应的电流信号，经所述跨阻放大器转换为电压信号；所述电压信号经所述电压比较器进行电平转换。

4.如权利要求3所述的适用于闪电摄影系统的触发装置，其特征在于，

当所述电压信号超过阈值电压时，所述电压比较器输出一个正的触发脉冲信号，以触发所述闪电摄影系统动作。

5.如权利要求1至4任一项所述的适用于闪电摄影系统的触发装置，其特征在于，所述光学成像单元为变焦镜头。

6.如权利要求1至4任一项所述的适用于闪电摄影系统的触发装置，其特征在于，所述触发装置还包括电源模块，所述电源模块输出电流大于50 mA。

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