CN203492111U

CN203492111U - 一种可用于多幅纹影照相的超高速数字摄影装置及分光器

Info

Publication number: CN203492111U
Application number: CN201320599611.3U
Authority: CN
Inventors: 李剑; 刘宁文; 赵新才; 肖正飞; 李泽仁; 李牧; 温伟峰; 王旭
Original assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Current assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2023-09-27

Abstract

本实用新型涉及高速摄影技术领域，尤其是涉及一种可用于多幅纹影照相的超高速数字摄影装置及分光器。本实用新型提供一种可用于多幅超高速纹影照相的超高速数字摄影装置及分光器，特别是通过采用分光棱镜光学系统进行分光及像增强器来实现多幅超高速纹影照相的超高速数字摄影装置。本实用新型包括物镜、分光器、同步控制器、快脉冲电源组件、成像装置元件等。本实用新型在Z-Pinch、LIA电子束斑的诊断、激光与物质相互作用等实验研究领域有广阔的应用前景，另外也可在冲击、爆轰物理及流体动力学实验研究中得到应用。

Description

一种可用于多幅纹影照相的超高速数字摄影装置及分光器

技术领域

本实用新型涉及高速摄影技术领域，尤其是涉及一种可用于多幅超高速纹影照相的超高速数字摄影装置及分光器。

背景技术

高速摄影技术是研究高速物体运动的一种行之有效的方法，与普通摄影最根本的区别在于，高速摄影有高的时间分辩本领，能跟踪并记录快速变化过程的发生发展。自然界中许多物理、化学、生物等快速变化过程都必须借助高速摄影的方法才能进行观察和研究，比如震动、炮弹的飞行、火花放电、爆炸、物质的化学反应等等。因此，高速摄影技术在物理、生物、医学等领域有着广泛的应用。特别是在国防军事领域内，高速摄影技术更是发挥着极其重要的作用。

高速摄影设备大多以技术特点来进行分类，总体上可分为高速扫描相机和高速分幅相机，到目前为止，应用较多的高速分幅相机按时间分辨本领由低到高的顺序主要有：数字式高速视频相机、转镜式超高速分幅相机、超高速光电相机等。其中超高速光电相机是摄影频率最高的高速分幅相机，其最高摄影频率可达到10⁸ fps（一亿幅频）量级。

目前，国内只有深圳大学和中国工程物理研究院流体物理研究所突破了超高速光电分幅相机系统的关键技术难题。2004年，深圳大学研制了多通道光电分幅相机实验室原理样机，最高摄影频率为1×10⁸幅/s（一亿幅频）。2009年，流体物理研究所完成了8通道光电分幅相机的研制，最高摄影频率为2×10⁸幅/s（两亿幅频），最短曝光时间5ns，最短幅间隔1ns，而且曝光时间和幅间距均可调，连续拍摄幅数1～8幅可调。

但是，此类相机在进行较严格平行光作为背照明的纹影实验时，遇到了原理性问题，即分光光学系统在进行多幅分光的同时对物体的像也造成了分割。深圳大学采用的分光系统原理如图1所示，物镜1和物镜2共同组成分光光学系统，将分光棱锥置于物镜1和物镜2之间的孔径光阑处，将每个视场的入射光孔径分为均等的8等份。这种分光方式虽然可以完成分光功能，但存在两个问题，一是在对平行光成像时的视场分割问题，二是每路接收系统都将附带一个物镜2，使得光学调试较为复杂。中国工程物理研究院流体物理研究所采用的分光光学系统如图2所示，分光系统由分光物镜和紧接其后的分光棱锥组成，分光棱锥置于系统的出瞳位置，入射光线经分光棱锥和反光镜反射后，直接成像于接收系统，和第一种分光系统比较，该分光方式舍去了分光后的物镜2，使得装调变得简单，但仍然没有解决平行光纹影实验时对视场的分割问题。

图1、图2两种目前国内仅有的超高速数字摄影系统的分光形式，采用近似的光学分光原理，即在分光光学系统的孔径（孔径光阑或者出瞳）处安置一个作用等同于多个小反射镜的分光棱锥，对入射像的光进行多等份的分割，再通过光路折转，从而在8个像增强器上成清晰的图像。如图3所示，此原理在对漫反射体（余弦辐射体）进行成像时，由于物体的像在整个孔径内均有光入射，所以，虽然分光棱锥所分8份光是来自全孔径不同部位的1/8光能量，但在像的每个视场上，分光棱锥的每个反射面都能将全孔径光能按一定比例（比如1/8）分到最终像面，所有视场所分光能量是大体相当的，所以对于每幅图像来说，图像的各个视场处的相对亮度和分光前的像是大体一致的，成像是完整的。如图4所示，当采用严格平行光（比如激光）或平行性较好的光作为背景光进行纹影实验时，由于每个视场对应的入射光只有“一根光线”（理论上）或极小孔径角的光通过孔径光阑入射到最终像面，这根光线或者这束孔径角很小的光线在经分光棱锥进行分光后，就只能最终到达8幅中的一副图像的最终像面，在分光棱锥对光束孔径进行分光的同时，也造成了对视场的分割，使得在很多需要多幅超高速纹影摄影的实验应用时，无法满足需求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种可用于多幅超高速纹影照相的超高速数字摄影装置及分光器，特别是通过采用分光棱镜光学系统进行分光及像增强器来实现多幅超高速纹影照相的超高速数字摄影装置，解决了棱锥分光型超高速数字摄影系统在纹影实验中对视场的切割问题，该装置可以方便的进行纳秒时间尺度的直接照相和多幅超高速纹影摄影实验研究，提供一种时间分辨可达几个ns的分幅数字摄影装置。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种可用于多幅纹影照相的超高速数字摄影装置包括：

物镜，用于接收入射光，形成目标实像，所述目标是通过同步控制器发送触发信号触发目标动作产生图像的目标；

分光器，用于对物镜形成的目标实像光强度进行n等分输出，n>1；

同步控制器，用于接收并解析工控机发送的控制信号；进而发送用于控制目标动作的触发信号，并同时控制快脉冲电源组件及耦合成像装置元件；所述解析的控制信号包括脉冲频率控制信号、控制信号、触发信号；

快脉冲电源组件，用于接收同步控制器的发送的脉冲信号，使得快脉冲电源组件产生的单幅曝光时间控制信号；

成像装置元件，用于接收分光器输出的n等份入射光，同时接收脉冲电源产生的单幅曝光时间控制信号，同时接收同步控制器的开关信号，进行目标图像成像；所述成像装置元件包括n路成像装置；

目标通过物镜、分光器与成像装置第一输入端光连接，同步控制器输入端与工控机双向通讯连接，同步控制器第一输出端通过快脉冲电源组件控制成像装置元件第一输入端通断，同步控制器第二输出端与成像装置第二输入端（CCD相机输出端）连接，同步控制器第三输出端控制目标。

所述成像装置包括：

像增强器，用于采集分光器输出的入射光，根据快脉冲电源组件输出的单幅曝光时间控制信号控制像增强器光阴极工作；并对入射光通过像增强器微通道板进行微光探测及微光信号增强处理后通过荧光屏输出，所述像增强器光阴极为成像装置第一输入端；

与像增强器对应的CCD相机，通过CCD相机第二输入端口接收同步控制器第二输出端信号，控制CCD相机第一输入端采集像增强器荧光屏输出的光信号，进行图像成像，并记录图像信号；

连接器，用于将像增强器与CCD相机第一输入端进行光连接。

目标通过物镜、分光器与像增强器光阴极光连接，同步控制器输入端与工控机双向通讯连接，同步控制器第一输出端通过快脉冲电源组件控制像增强器光阴极通断，同步控制器第二输出端与CCD相机第二输入端连接。

所述同步控制器包括处理器、n个计数器、可编程延迟线、驱动电路元件，所述驱动电路元件包括与计数器对应个数的驱动电路，

处理器，用于接收及解析工控机发送的控制信号，将脉冲频率控制信号通过控制端口发送给计数器；

计数器，用于对脉冲频率控制信号进行计数，并将计数结果发送给可编程延迟线；

可编程延迟线，用于根据计数器输出的计数结果发送脉冲信号给快脉冲电源组件；同时接收处理器发送的触发信号，触发目标动作；

驱动电路，用于放大处理器输出的控制信号，形成开关信号，驱动电路通过开关信号驱动CCD相机工作；

驱动电路个数与成像装置个数相等，可编程延迟线个数比驱动电路个数多一个；

其中处理器输入端与工控机连接，处理器第一输出端通过控制接口与计数器输入端连接，计数器输出端通过延迟线与快脉冲电源组件输入端连接；处理器第二输出端通过驱动电路CCD相机第二输入端连接。

所述快脉冲电源组件包括多路快脉冲电源，所述快脉冲电源包括：

RC触发电路，用于接收同步控制器输出的快脉冲信号，进行信号限流并触发，同时通过负偏压端减少干扰信号；

放大器，用于对RC触发电路输出的信号进行放大；

RC放电回路，用于放大器输出信号放大信号变成脉冲信号；

二极管，用于信号正向导通；

电压匹配电路，用于将二极管输出的电压信号幅值匹配；

其中驱动电源个数与快脉冲电源个数相等；

所述RC触发电路包括第一电阻和第一电容，放大器是雪崩管，RC放电回路包括第二电容和第四电阻，第三电阻是限流电阻，第五电阻是匹配RC放电回路的电阻，第一电容一端接可编程延迟线输出端，第一电容另一端与第一电阻一端连接，第一电阻另一端、负偏压端第二电阻一端与雪崩管基极连接，雪崩管基极与雪崩管发射极之间跨接第二电阻，高压电源端通过第三电阻与雪崩管集电极连接，雪崩管集电极通过第二电容、第四电阻接地，雪崩管发射极接地，二极管阳极与第二电容与第四电阻共点连接，二极管阴极与第五电阻一端连接，第五电阻另一端与成像装置连接。

所述分光器包括m个分光棱镜，所述分光器为半反半透分光棱镜，所述分光棱镜依次级联，当前分光棱镜光输入端与上一级分光棱镜反射端或分光棱镜折射端连接，当前分光棱镜反射端或分光棱镜折射端与下一级分光棱镜光入射端连接，第一级分光棱镜光入射端与物镜输出端光连接，最末一级分光棱镜反射端和最末一级分光棱镜折射端与成像装置连接，m大于等于1。

所述还包括光纤收发器，所述光纤收发器将CCD相机获取的图形信号转换为光信号，并将其发送给工控机。

一种可用于多幅纹影照相的超高速数字摄影装置的分光器用于对入射光强度进行n等分输出，n>1，所述分光器包括m个分光棱镜，所述分光器为半反半透分光棱镜，所述分光棱镜依次级联，当前分光棱镜光输入端与上一级分光棱镜反射端或分光棱镜折射端连接，当前分光棱镜反射端或分光棱镜折射端与下一级分光棱镜光入射端连接，第一级分光棱镜光入射端与物镜输出端光连接，最末一级分光棱镜反射端或最末一级分光棱镜折射端与成像装置连接，m大于等于1。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是:

1、本实用新型可以实现多路成像装置进行目标视场图像拍摄，达到多幅超高速纹影照相的效果，方便的进行纳秒时间尺度的直接照相，并且摄影频率可达10⁸ fps（最短曝光时间为5ns）量级。

2、随着分光器级联的增多，可以实现最少为两幅的多幅超高速纹影照相装置。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1现有技术中双物镜分光系统示意图。

图2现有技术中单物镜分光系统示意图。

图3现有技术中采用棱锥分光的方式对漫反射体成像的示意图。

图4现有技术中平行光背照明纹影实验示意图。

图5是本实用新型原理框图。

图6是同步控制器原理框图。

图7是快脉冲电源原理图。

图8是分光器分光示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型相关说明：

1、工作原理：

同步控制器第三输出端触发目标信号爆炸，需要将目标物爆炸场景拍摄成像时，首先通过物镜进行成像，其次分光器对成像目标的入射光强度进行n等份输出；被n等份的入射光经过像增强器进行图像增强，

最后，同步控制器的处理器接收并解析工控机发送的控制信号，反馈应答信号给工控机（用以表明同步控制器接收到了工控机下发的信号），其中解析后的控制信号包括脉冲频率控制信号、控制CCD相机动作的控制信号、触发信号，同步控制器发送脉冲频率控制信号给快脉冲电源后，快脉冲电源输出控制像增强器光阴极通断动作的单幅曝光时间控制信号，用于控制像增强器（实现微光探测及微光信号增强处理）进行入射光增强及快门（控制光阴极工作时，接收入射光信号，光阴极不工作时，不接收光阴极信号）处理。同步控制器发送控制字直接控制CCD相机进行图像成像。则像增强器将增强后的入射光信号通过CCD相机获取并成像，此外，还可通过光纤收发器将CCD相机采集的图形成像信号发送给工控机。

2、光纤收发器：将CCD相机输出的电信号转换为光信号传输给工控机。

3、像增强器：阴极、微通道板（MCP）及荧光屏，将分光器输出的微弱的入射光图像输入到光阴极，由于光电反射效应而产生光电子，在光阴极和MCP输入面(MCP-入)之间的电场作用下，光电子加速并分别进入MCP的通道，经过逐级倍增形成大量次级电子，然后经输出端面(MCP-出)和荧光屏的几千伏电压加速后轰击荧光屏，引起荧光材料发光，在荧光屏上形成二维图像，输入光学图像因此被增强并按高斯分布经电子聚焦显示输出在荧光屏上，实现对目标图像的探测。光电子数目与入射辐射的强度成正比，图像每点的亮度与光阴极上对应的光强度成正比。

4、 CCD相机接收同步控制器的控制信号，将像增强器输出的光图像信号按照设定频率采集，形成目标成像处理。CCD相机第一输入端指的是采集图像的端口（接收像增强器荧光屏输出的信号），CCD相机第二输入端指的是控制CCD相机工作状态的端口（由同步控制器第二输出端控制），CCD相机输出端指的是输出图像采集信号的端口（通过光纤收发器与工控机连接的端口）。

5、计数器数据输入端指的是输入计数脉冲的端口，计数器输出端指的是输出计数值的端口。

6、成像装置中连接器是光纤锥或者耦合器以及其他连接方式。

7、同步控制器包括与成像装置个数匹配的可编程延迟线（DS1021）。同步控制器第一输出端是延迟线输出端，同步控制器第二输出端是驱动电路输出端。同步控制器第三输出端是触发目标动作。

8、驱动电路是电流放大器，用于将处理器输出电压值进行信号放大，放大的电压信号用于驱动CCD相机工作。

9、计数器个数比快脉冲电源个数多一个。

10、可编程延迟线输入端输入计数值，输出端产生相应频率的脉冲信号。

11、分光棱镜光入射端就是接受入射光信号的，分光棱镜反射端就是对入射光信号进行反射处理并输出的端口，分光棱镜折射端就是对入射光信号进行这书处理并输出的端口，第一级分光棱镜指的是与物镜光连接的分光棱镜，最末一级分光棱镜指的是与成像装置连接的分光棱镜，当分光器只有一个分光棱镜时，第一级分光棱镜与最末一级分光棱镜指的是同一个分光棱镜，上一级分光棱镜指的是较当前分光棱镜接近物镜那端的分光棱镜。下一级分光棱镜指的是较当前分光棱镜接近成像装置那端的分光棱镜。

实施例一：如图5所示，一种可用于多幅纹影照相的超高速数字摄影装置包括：物镜、分光器、同步控制器、快脉冲电源组件、成像装置元件，所述快脉冲电源组件包括多路快脉冲电源、所述成像装置元件包括与快脉冲电源的成像装置，成像装置包括像增强器（至少为两路）、CCD相机（与像增强器个数对应），通过连接器将像增强器与CCD相机光连接。如图6所示，同步控制器包括处理器、计数器（与像增强器个数相等）、可编程延迟线（比像增强器个数多以个，多余的那个可编程延迟线用以接收处理器发送的触发信号，进而控制目标触发，相处需要拍摄的图像）、驱动电路元件（包括与计数器个数相等的驱动电路，用于驱动CCD相机工作，驱动电路是电流驱动电路或者电压驱动电路）。

实施例二：如图7所示，在实施例一基础上，所示快脉冲电源包括快脉冲电源：包括RC触发电路、放大器、RC放电回路、匹配电阻、二极管D1。负偏压端（-Vcc）输入负电压信号，用于减少干扰信号。RC触发电路包括第一电容C1和第一电阻R1。放大器是雪崩管K1。RC放电回路包括第二电容C2和第四电阻R4。第三电阻是限流电阻。第五电阻是匹配RC放电回路的电阻。连接关系是：第一电容一端接可编程延迟线输出端，第一电容另一端与第一电阻一端连接，第一电阻另一端、负偏压端第二电阻R2一端与雪崩管K1基极连接，雪崩管K1基极与雪崩管K1发射极之间跨接第二电阻R2，高压电源端通过第三电阻与雪崩管K1集电极连接，雪崩管K1集电极通过第二电容C2、第四电阻R4接地，雪崩管K1发射极接地，二极管D1阳极与第二电容C2与第四电阻R4共点连接，二极管D1阴极与第五电阻R5一端连接，第五电阻R5另一端与成像装置输入端（控制像增强器光阴极通断）连接。

实施例三：在实施例一基础上，如图8所示所述分光器包括m个分光棱镜，所述分光棱镜为半反半透分光棱镜，所述分光棱镜依次级联，分光棱镜光输入端与上一级分光棱镜反射端或分光棱镜折射端连接，分光棱镜反射端或分光棱镜折射端与下一级分光棱镜光入射端连接，第一级分光棱镜光入射端与物镜输出端光连接，最末一级分光棱镜反射端或最末一级分光棱镜折射端与成像装置连接，m大于等于1。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims

1.一种可用于多幅纹影照相的超高速数字摄影装置，其特征在于包括：

物镜、分光器、同步控制器、快脉冲电源组件、成像装置元件，所述成像装置元件包括n路成像装置；目标通过物镜、分光器与成像装置第一输入端光连接，同步控制器输入端与工控机双向通讯连接，同步控制器第一输出端通过快脉冲电源组件控制成像装置元件第一输入端通断，同步控制器第二输出端与成像装置第二输入端连接，同步控制器第三输出端控制目标动作。

2.根据权利要求1所述的一种可用于多幅纹影照相的超高速数字摄影装置，其特征在于所述成像装置包括：像增强器、与像增强器对应的CCD相机、连接器，目标通过物镜、分光器与像增强器光阴极光连接，同步控制器输入端与工控机双向通讯连接，同步控制器第一输出端通过快脉冲电源组件控制像增强器光阴极通断，同步控制器第二输出端与CCD相机第二输入端连接，连接器将像增强器与CCD相机第一输入端进行光连接。

3.根据权利要求2所述的一种可用于多幅纹影照相的超高速数字摄影装置，其特征在于所述同步控制器包括处理器、n个计数器、可编程延迟线、驱动电路元件，所述驱动电路元件包括与计数器对应个数的驱动电路，处理器输入端与工控机连接，处理器第一输出端通过控制接口与计数器输入端连接，计数器输出端通过延迟线与快脉冲电源组件输入端连接；处理器第二输出端通过驱动电路CCD相机第二输入端连接，驱动电路个数与成像装置个数相等，可编程延迟线个数比驱动电路个数多一个。

4.根据权利要求3所述的一种可用于多幅纹影照相的超高速数字摄影装置，其特征在于所述快脉冲电源组件包括多路快脉冲电源，所述快脉冲电源包括：RC触发电路、放大器、RC放电回路、二极管、电压匹配电路、其中驱动电路个数与快脉冲电源个数相等；所述RC触发电路包括第一电阻和第一，放大器是雪崩管，RC放电回路包括第二电容和第四电阻，第三电阻是限流电阻，第五电阻是匹配RC放电回路的电阻，第一电容一端接可编程延迟线输出端，第一电容另一端与第一电阻一端连接，第一电阻另一端、负偏压端第二电阻一端与雪崩管基极连接，雪崩管基极与雪崩管发射极之间跨接第二电阻，高压电源端通过第三电阻与雪崩管集电极连接，雪崩管集电极通过第二电容、第四电阻接地，雪崩管发射极接地，二极管阳极与第二电容与第四电阻共点连接，二极管阴极与第五电阻一端连接，第五电阻另一端与成像装置连接。

5.根据权利要求2所述的一种可用于多幅纹影照相的超高速数字摄影装置，其特征在于所述分光器包括m个分光棱镜，所述分光器为半反半透分光棱镜，所述分光棱镜依次级联，当前分光棱镜光输入端与上一级分光棱镜反射端或分光棱镜折射端连接，当前分光棱镜反射端或分光棱镜折射端与下一级分光棱镜光入射端连接，第一级分光棱镜光入射端与物镜输出端光连接，最末一级分光棱镜反射端和最末一级分光棱镜折射端与成像装置连接，m大于等于1。

6.根据权利要求1至5之一所述的一种可用于多幅纹影照相的超高速数字摄影装置，其特征在于还包括光纤收发器，所述光纤收发器将CCD相机获取的图像信号转换为光信号，并将其发送给工控机。

7.一种可用于多幅纹影照相的超高速数字摄影装置的分光器，其特征在于分光器是用于对入射光强度进行n等分输出，n>1，所述分光器包括m个分光棱镜，所述分光器为半反半透分光棱镜，所述分光棱镜依次级联，当前分光棱镜光输入端与上一级分光棱镜反射端或分光棱镜折射端连接，当前分光棱镜反射端或分光棱镜折射端与下一级分光棱镜光入射端连接，第一级分光棱镜光入射端与物镜输出端光连接，最末一级分光棱镜反射端或最末一级分光棱镜折射端与成像装置连接，m大于等于1。