CN208155560U - 一种超高速相机时间响应特性测定平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超高速相机时间响应特性测定平台，包括超短脉冲激光器、高精度同步机、分束镜、能量卡计以及漫反射屏。通过高精度同步机控制超短脉冲激光器输出单脉冲激光束，利用能量卡计以及分束镜对每一发的激光输出能量进行监测；透过分束镜的激光束入射到漫反射屏形成均匀散射的光斑；在光束到达漫反射屏的同时，高精度同步机触发超高速相机，控制超高速相机对屏上的散射光斑进行拍照，得到具有强度响应的图像。通过一系列归一化处理即可得到超高速相机的时间响应特性。与现有技术相比，具有结构简单、测量结果更全面准确、成本低的特点。

Description

一种超高速相机时间响应特性测定平台

技术领域

本实用新型涉及检测技术领域，具体涉及一种超高速相机时间响应特性测定平台。

背景技术

超高速相机在冲击波物理、爆轰物理、等离子体物理、加速器物理、高压放电、燃烧学等众多研究领域具有重要的应用价值。通常超高速相机的曝光时间最快可至亚纳秒级，且曝光时间可调，因而可以用来对各类快速变化的物理过程进行超高速摄影。在实际应用过程中，对超高速相机的时间响应特性，包括曝光全程的开/关门时间、总曝光时间以及曝光过程中的响应曲线进行测定，是检验相机工作状态，分析及获取正确实验结果的关键前提工作。

目前直接测量超高速相机曝光时间的技术主要是光纤束阵列法，在进行测量之前，首先要根据测量范围以及测量精度要求，制作光纤束阵列。但是，由于测量范围越大，精度越高，需要制作的光纤束阵列越复杂，成本也越高；并且，为了避免光纤材料对激光脉冲长度的展宽，光纤束阵列使用的是单模光纤，耦合效率较低，且耦合效率对激光入射角极为敏感，在实际操作中要让每根光纤输出光强保持一致极为困难。因此，采用该技术进行相机测试时，尽管可以给出相机的总曝光时间，但由于每根光纤的输出光强差异较大，从每根光纤的强度变化无法准确给出相机的开/关门时间以及曝光过程中的响应曲线。而在另一个采用脉冲激光测量高速相机中控制快门曝光时间的关键元件-MCP像增强器-开/关门时间特性的技术方案中，采用的则是脉宽数百皮秒的激光器，导致测量精度严重不足，并不适用现在曝光时间快至亚纳秒级别的超高速相机时间响应特性测量，且由于缺乏对激光输出能量的实时监测，也无法准确给出曝光过程中相机的响应曲线。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述技术问题，提供一种超高速相机响应特性测定平台，该测定平台结构简单、成本低、测量结果更为全面准确。

一种超高速相机时间响应特性测定平台，包括：

超短脉冲激光器；

超高速相机；

高精度同步机，所述高精度同步机设有两个输出端，一个输出端与超短脉冲激光器相对，用于触发超短脉冲激光器、以使超短脉冲激光器输出单脉冲激光束，另一个输出端与超高速相机相对、以触发超高速相机；

分束镜，所述分束镜与超短脉冲激光器的输出端相对，用于接收超短脉冲激光器输出的脉冲激光束、并将该脉冲激光束分为反射光束以及透射光束两部分；

能量卡计，所述能量卡计设于分束镜的反射光束侧，用于接收并监测反射光束的激光能量；

漫反射屏，所述漫反射屏位于分束镜的透射光束侧，且漫反射屏屏表面与透射光束呈45°夹角，以接收透射光并形成均匀散射光斑；所述超高速相机位于漫反射屏的反射方向、以对形成的散射光斑进行拍照；

PC机，所述PC机与超短脉冲激光器、超高速相机、高精度同步机和能量卡计均相连。

其中，所述高精度同步机为Stanford Research Systems的DG645或更高精度型号同步机，可提供皮秒级的高精度多路同步触发与延时调节。

作为一种优选方案，所述超短脉冲激光器采用可单次输出的飞秒或皮秒级激光器，其发出的脉冲激光束波长为500～900nm，脉宽数十飞秒～皮秒，光斑尺寸为mm～cm级，单脉冲能量为mJ级。

具体的说，所述分束镜接收光束侧设有分光膜，分束镜出光束侧设有增透膜。

更具体的说，所述分束镜的反射、透射比为9:1。分束镜可将大部分激光能量反射至能量卡计，可使能量监测结果更准确，同时降低激光能量过高导致超高速相机损坏的风险。

进一步的，所述漫反射屏为玻璃漫反射屏。

进一步的，所述漫反射屏上接收光束的一侧为磨砂面，而出光束的一侧为抛光面。

更进一步的，所述漫反射屏的抛光面上镀有铝或银反射膜，所述漫反射屏的总厚度为0.9～1.1mm。

其中，在本领域当中，超高速相机通常是指帧频超过10⁸幅/s的相机，超短脉冲激光器是指脉冲宽度小于等于10ps的脉冲激光器，高精度同步机是指调节精度可达ps级的同步机。

本实用新型还提供了使用上述平台来测定超高速相机响应特性的方法，该方法测定超高速相机时间相应特性具有测定精度高、测定操作简单、测定结果直观的有益效果。

该测定方法是使用上述测定平台来测定超高速相机时间响应特性的，先启动高精度同步机，使其输出A、B两路触发信号；A路触发信号触发超短脉冲激光器，使超短脉冲激光器输出单个激光脉冲，分束镜将该激光脉冲分为反射光束和透射光束两部分，能量卡计探测到反射光束并记录下该发次的激光能量，透射光束则通过漫反射屏形成均匀的散射光斑；在透射光束到达漫反射屏的同时，B路触发信号触发超高速相机对散射光斑进行拍照，得到光斑图像(即具有强度响应的图像)并输出至PC机记录；

在测量曝光时间时，根据所需要的精度，通过高精度同步机逐步调节超短脉冲激光器与超高速相机之间的触发延时，使得超高速相机记录到的光斑图像由开始响应到响应最强再到无响应，即可得到相机曝光过程中所有时刻的响应图像；这期间高精度同步机所调节的延时总量即为相机的曝光时间；而要得到相机曝光过程中的开/关门时间及响应曲线，处理方法如下：

(1)取测量过程中任一次能量卡计得到的激光能量值为参考值，所有发次的能量值除以该参考值，得到一系列修正系数a₁至a_n；

(2)将所有发次得到的光斑图像进行强度积分，得到的积分值除以各自发次对应的修正系数，得到一系列修正后的强度值I₁至I_n；

(3)取强度值中的最大值I_max为参考值，所有强度值以I_max为参考进行归一化，得到相对响应系数σ₁至σ_n；

(4)以所有发次的触发延时量为横坐标，对应发次的相对响应系数为纵坐标画图，即可得到超高速相机在曝光过程中的响应曲线。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型的测定平台结构简单、成本低，特别适用于超高速相机，包括 ICCD相机、超高速分幅相机等的时间响应特性测定。并且，使用该测定平台可测得相机的总曝光时间和相机的开/关门时间以及曝光过程中的响应曲线，测量结果全面且准确。尤其是通过得到的响应曲线，不仅可得到相机从开始响应到响应最强所对应的开门时间、从响应开始降低到无响应的关门时间，还可以直观看到超高速相机在曝光过程中的响应趋势。可以为判断相机性能及实际工作状态，分析及处理实验结果提供重要依据。

附图说明

图1为本实用新型测定平台的结构示意图。

图2为本实用新型实施例相机曝光过程中所有时刻的响应图像。

图3为本实用新型实施例超高速相机在曝光过程中的响应曲线。

其中，附图标记对应的名称为：

1-高精度同步机，2-超高速相机，3-超短脉冲激光器，4-PC机，5-能量卡计， 6-分束镜，7-漫反射屏。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的方式包括但不仅限于以下实施例。

本实施例的提供了一种超高速相机时间响应测定平台，如图1所示，该测定平台包括Stanford Research Systems的DG645或更高精度型号同步机1、超高速相机2、超短脉冲激光器3、PC机4、能量卡计5、分束镜6和漫反射屏7。

其中，所述高精度同步机1设有两个输出端，一个输出端与超短脉冲激光器相对，用于触发超短脉冲激光器3、以使超短脉冲激光器3输出单脉冲激光束，另一个输出端与超高速相机2相对、以触发超高速相机2；所述分束镜6与超短脉冲激光器3的输出端相对，用于接收超短脉冲激光器输出的脉冲激光束、并将该脉冲激光束分为反射光束以及透射光束两部分；所述能量卡5计设于分束镜的反射光束侧，用于接收并监测反射光束的激光能量；所述漫反射屏7位于分束镜的透射光束侧，且漫反射屏屏7表面与透射光束呈45°夹角，以接收透射光并形成均匀散射光斑；所述超高速相机2位于漫反射屏7的反射方向、以对形成的散射光斑进行拍照；所述PC机4则与超短脉冲激光器3、超高速相机 2、高精度同步机1和能量卡计5均相连。

其中，所述超短脉冲激光器为可单次输出，发出的脉冲激光束波长为 500～900nm，脉宽数十飞秒～皮秒，光斑尺寸为mm～cm级，单脉冲能量为mJ 级。所述分束镜接收光束侧设有分光膜，分束镜出光束侧设有增透膜，且所述分束镜的反射、透射比为9:1。所述漫反射屏为玻璃漫反射屏，漫反射屏上接收光束的一侧为磨砂面，而出光束的一侧为抛光面，且其抛光面上镀有铝或银反射膜，可使光斑充分匀化，进一步降低光斑中可能存在的热斑损伤超高速相机的风险，同时将漫反射屏的总厚度控制在约1mm，避免前表面的少量散射对测量产生干扰。

在测定超高速相机的时间响应特性时，先通过高精度同步机控制超短脉冲激光器输出单脉冲激光束，利用能量卡计以及分束镜对每一发的激光输出能量进行监测。透过分束镜的激光束入射到漫反射屏形成均匀散射的光斑。在进行超高速相机时间响应特性测定时，在光束到达漫反射屏的同时，高精度同步机触发超高速相机，控制超高速相机对屏上的散射光斑进行拍照，得到具有强度响应的图像。通过高精度同步机逐步调整超短脉冲激光器与超高速相机之间的延时，使得超高速相机由对散射光斑由开始响应到响应最强再到无响应，即可得到超高速相机曝光过程中所有时刻的响应图像。通过一系列归一化处理即可得到超高速相机的时间响应特性，包括开/关门时间，总的曝光时间以及曝光过程中的时间响应曲线等。与现有技术相比，具有结构简单、测量结果更全面准确、成本低的特点。

以下以一个实例来对本实用新型的测定方法进行详细的介绍：

使用上述测定平台对一台超高速相机进行时间响应特性的测定，具体步骤如下：

(1)启动高精度同步机，使其输出A路触发信号；A路触发信号触发超短脉冲激光器，使超短脉冲激光器输出单个激光脉冲，分束镜将该激光脉冲分为反射光束和透射光束两部分，能量卡计探测到反射光束并记录下该发次的激光能量，透射光束则通过漫反射屏形成均匀的散射光斑；在透射光束到达漫反射屏的同时，B路触发信号触发超高速相机对散射光斑进行拍照，得到光斑图像(即具有强度响应的图像)并输出至PC机记录；

(2)重复步骤(1)的操作，并且，根据该型相机标称的最快曝光时间为 3ns，设定调节精度为0.25ns，通过高精度同步机逐步调节超短脉冲激光器与超高速相机之间的触发延时，使得超高速相机记录到的光斑图像由开始响应到响应最强再到无响应，即得到如图2所示的相机曝光过程中所有时刻的响应图像 (共28次)；

由图2可看出，超高速相机记录到的光斑图像由开始响应到响应最强再到无响应，根据时间记录可知，这期间高精度同步机所调节的延时总量为6.75ns，即本实例相机的实际的全曝光时间为6.75ns，其精度达到0.25ns。

而要得到相机曝光过程中的开/关门时间及响应曲线，处理方法如下：

(1)取测量过程中第一幅图像对应的能量卡计得到的激光能量值E₁为参考值，所有发次的能量值除以该参考值，即

a_N＝E_N/E₁

N＝1～28，为发次号(即测量次数)。通过上述简单公式即可得到所有发次对应的修正系数a₁至a₂₈；

(2)将所有发次得到的光斑图像进行强度积分，得到的积分值除以各自发次对应的修正系数，得到一系列修正后的强度值I₁至I₂₈；

(3)取强度值中的最大值I₁₂为参考值，所有强度值以I_max为参考进行归一化:

σ_N＝I_N/I₁₂

得到相对响应系数σ₁至σ₂₈；

(4)以所有发次的触发延时量为横坐标，对应发次的相对响应系数为纵坐标画图，即可得到如图3所示的超高速相机在曝光过程中的响应曲线。由曝光曲线可得出相机的快/关门时间、总曝光时间以及曝光过程中的响应趋势。这是其他方案所不能做到的。而要提高精度，或者测定亚ns级别的超高速相机的时间响应特性，只需简单地改变同步机每次调节的延时量即可。

上述实施例仅为本实用新型的优选实施方式之一，不应当用于限制本实用新型的保护范围，但凡在本实用新型的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本实用新型一致的，均应当包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超高速相机时间响应特性测定平台，其特征在于，包括：

超短脉冲激光器；

超高速相机；

高精度同步机，所述高精度同步机设有两个输出端，一个输出端与超短脉冲激光器相对，用于触发超短脉冲激光器、以使超短脉冲激光器输出单脉冲激光束，另一个输出端与超高速相机相对、以触发超高速相机；

分束镜，所述分束镜与超短脉冲激光器的输出端相对，用于接收超短脉冲激光器输出的脉冲激光束、并将该脉冲激光束分为反射光束以及透射光束两部分；

能量卡计，所述能量卡计设于分束镜的反射光束侧，用于接收并监测反射光束的激光能量；

漫反射屏，所述漫反射屏位于分束镜的透射光束侧，且漫反射屏屏表面与透射光束呈45°夹角，以接收透射光并形成均匀散射光斑；所述超高速相机位于漫反射屏的反射方向、以对形成的散射光斑进行拍照；

PC机，所述PC机与超短脉冲激光器、超高速相机、高精度同步机和能量卡计均相连。

2.根据权利要求1所述的一种超高速相机时间响应特性测定平台，其特征在于，所述高精度同步机为DG645。

3.根据权利要求2所述的一种超高速相机时间响应特性测定平台，其特征在于，所述超短脉冲激光器采用可单次输出的飞秒或皮秒级激光器，其发出的脉冲激光束波长为500～900nm，脉宽数十飞秒～皮秒，光斑尺寸为mm～cm级，单脉冲能量为mJ级。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种超高速相机时间响应特性测定平台，其特征在于，所述分束镜接收光束侧设有分光膜，分束镜出光束侧设有增透膜。

5.根据权利要求4所述的一种超高速相机时间响应特性测定平台，其特征在于，所述分束镜的反射、透射比为9:1。

6.根据权利要求1或5所述的一种超高速相机时间响应特性测定平台，其特征在于，所述漫反射屏为玻璃漫反射屏。

7.根据权利要求6所述的一种超高速相机时间响应特性测定平台，其特征在于，所述漫反射屏上接收光束的一侧为磨砂面，而出光束的一侧为抛光面。

8.根据权利要求7所述的一种超高速相机时间响应特性测定平台，其特征在于，所述漫反射屏的抛光面上镀有铝或银反射膜，所述漫反射屏的总厚度为0.9～1.1mm。