CN209486404U - 纳秒量级空间分幅纹影系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种纳秒量级空间分幅纹影系统，包括脉冲激光器、激光束传输匀化整形系统、扩束镜、准直主镜、背景网板、汇聚主镜、四分光棱锥、成像相机和时序控制器；通过时序控制器分别控制四个脉冲激光器的曝光时间间隔，由激光束传输匀化整形系统进行光束匀化整形，然后由扩束镜进行扩束后，通过准直主镜准直到背景网板上，在背景网板的右侧设置有汇聚主镜，由汇聚主镜将光束汇聚到四分光棱锥，由成像相机记录下不同时刻背景网板的像。本实用新型采用多台单曝光激光器曝光时序控制实现，然后采用对应的多台CCD相机接收各自激光器曝光时的像，满足1us时间间隔曝光分幅照相的需求。

Description

纳秒量级空间分幅纹影系统

技术领域

本实用新型涉及高速照相技术领域，更为具体地，涉及一种纳秒量级空间分幅纹影系统。

背景技术

公开号为CN103533236B的中国专利公开了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，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。本发明包括物镜、分光器、同步控制器、快脉冲电源组件、成像装置元件等。该方案在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。但是，该专利的说明书公开的技术方案存在无法解决的问题，例如，无法解决实现1us时间间隔曝光分幅照相需求、不能通过时序控制等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种纳秒量级空间分幅纹影系统，采用多台单曝光激光器曝光时序控制实现，然后采用对应的多台CCD相机接收各自激光器曝光时的像，满足1us时间间隔曝光分幅照相需求。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种纳秒量级空间分幅纹影系统，包括脉冲激光器、激光束传输匀化整形系统、扩束镜、准直主镜、背景网板、汇聚主镜、四分光棱锥、成像相机和时序控制器；通过时序控制器分别控制四个脉冲激光器的曝光时间间隔，由激光束传输匀化整形系统进行光束匀化整形，然后由扩束镜进行扩束后，通过准直主镜准直到背景网板上，在背景网板的右侧设置有汇聚主镜，由汇聚主镜将光束汇聚到四分光棱锥，由成像相机记录下不同时刻背景网板的像。

进一步的，脉冲激光器采用水冷氙灯泵浦532nm激光器或温控风冷半导体泵浦激光器。

进一步的，包括四根输出光纤，且分别连接在四个脉冲激光器的出光端口上，四根输出光纤在出射截面采用口字型布局，间距为10mm×10mm。

进一步的，包括时序控制器共有8路通道，其中4路触发激光器点灯信号，其余4路触发激光器调Q信号。

进一步的，时序控制器采用了两级延时单元，对延时量进行控制，第一级粗延时单位完成动态范围1ms、可调间隔5ns的功能，第二级精延时单元完成动态范围5ns、可调间隔0.1ns，最终实现控制精度0.1ns的序列控制精度要求。

进一步的，成像相机采用尼康D810单反相机，有效像素3615万，利用USB数据线与远程控制器连接，远程控制器通过网线与计算机进行连接，实现图像采集地远程操作。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型通过脉冲激光器、激光束传输匀化整形系统、扩束镜、准直主镜、背景网板、汇聚主镜、四分光棱锥、成像相机和时序控制器等，采用多台单曝光激光器曝光时序控制实现，然后采用对应的多台CCD相机接收各自激光器曝光时的像，满足1us时间间隔曝光分幅照相需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图。

图中，1-脉冲激光器，2-激光束传输匀化整形系统，3-扩束镜，4-准直主镜，5-背景网板，6-汇聚主镜，7-四分光棱锥，8-成像相机，9-时序控制控制器。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。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。

下面将详细描述本实用新型的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本实用新型。在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的电路等。

如图1所示，一种纳秒量级空间分幅纹影系统，其特征在于，包括脉冲激光器1、激光束传输匀化整形系统2、扩束镜3、准直主镜4、背景网板5、汇聚主镜6、四分光棱锥7、成像相机8和时序控制器9；通过时序控制器9分别控制四个脉冲激光器1的曝光时间间隔，由激光束传输匀化整形系统2进行光束匀化整形，然后由扩束镜3进行扩束后，通过准直主镜4准直到背景网板5上，在背景网板5的右侧设置有汇聚主镜6，由汇聚主镜6将光束汇聚到四分光棱锥7，由成像相机8记录下不同时刻背景网板5的像。

进一步的，脉冲激光器1采用水冷氙灯泵浦532nm激光器或温控风冷半导体泵浦激光器。

进一步的，包括四根输出光纤，且分别连接在四个脉冲激光器1的出光端口上，四根输出光纤在出射截面采用口字型布局，间距为10mm×10mm。

进一步的，包括时序控制器9共有8路通道，其中4路触发激光器点灯信号，其余4路触发激光器调Q信号。

进一步的，时序控制器9采用了两级延时单元，对延时量进行控制，第一级粗延时单位完成动态范围1ms、可调间隔5ns的功能，第二级精延时单元完成动态范围5ns、可调间隔0.1ns，最终实现控制精度0.1ns的序列控制精度要求。

进一步的，成像相机8采用尼康D810单反相机，有效像素3615万，利用USB数据线与远程控制器连接，远程控制器通过网线与计算机进行连接，实现图像采集地远程操作。

实施例1

如图1所示，一种纳秒量级空间分幅纹影系统，其特征在于，包括脉冲激光器1、激光束传输匀化整形系统2、扩束镜3、准直主镜4、背景网板5、汇聚主镜6、四分光棱锥7、成像相机8和时序控制器9；通过时序控制器9分别控制四个脉冲激光器1的曝光时间间隔，由激光束传输匀化整形系统2进行光束匀化整形，然后由扩束镜3进行扩束后，通过准直主镜4准直到背景网板5上，在背景网板5的右侧设置有汇聚主镜6，由汇聚主镜6将光束汇聚到四分光棱锥7，由成像相机8记录下不同时刻背景网板5的像。

激光曝光四分幅照相系统原理图如图1所示，通过时序控制器分别控制四个激光器的曝光时间间隔，并且控制对应的成像相机快门，或者相机处于长曝光状态，最后相机记录下不同时刻流场扰动后网板的像。

1)脉冲激光光源

脉冲激光器采用水冷氙灯泵浦532nm激光器(也可采用温控风冷半导体泵浦激光器，但其成本太高)，可实现脉冲宽度10ns，出光能量40mJ，光斑直径5mm，光束发散角3mrad，点灯到调Q延时约140us，调Q到出光延时100ns、抖动精度±10ns。

2)光纤及耦合器

因为脉冲光的峰值功率达到了兆瓦级，所以为了保证光束在光纤中的稳定传输，光纤采用杂质的多模石英光纤，纤芯1.5mm，包层及蒙皮厚度0.5mm，数值孔径0.39，发散角约40°。在长期使用中为了保护光纤不折损，光纤外可包裹铠甲。耦合效率80％，插拔采用螺纹锁紧方式。

3)光束匀化及发散角控制装置

该装置的主要作用：

1、脉冲光束的匀化。脉冲激光束是典型的高斯光束，光束存在多种模式，虽然通过光纤会对高阶模式的光束会损失部分，但是多种模式光照明成像时，会在数字相机靶面上形成um级的散斑，导致成像面的质量下降，严重影响图像处理时，标记物边缘的提取精度。所以我们在匀化装置对光纤出口的光束进行匀化处理。

2、由于光纤的数值孔径NA是固定的，导致光纤出口的发散角40度也是固定的。由于发散角较大，照明时光束的能量利用率大大下降，为此根据测试距离要求对光纤出口发散光束进行约束。但是常规的缩放方式，根据拉赫变换原理，发散角与光斑直径成反比，所以不能满足本方案的要求。为此，我们采用了特殊的光路变换方法解耦了发散角和光斑直径的关系，有效地将高斯光转换成平顶光，同时提高了光束能量的利用率。

3、在光束匀化中，光斑在Φ1.2m范围内均匀性≥85％，光束发散角60°。四根输出光纤在出射截面采用口字型布局，间距为10mm×10mm。

4)高精度时序控制器

时序控制器共有8路通道，其中4路触发激光器点灯信号，其余4路触发激光器调Q信号。为了提高控制精度，时序控制器采用了两级延时单元，对延时量进行控制，第一级粗延时单位完成动态范围1ms、可调间隔5ns的功能，第二级精延时单元完成动态范围5ns、可调间隔0.1ns，最终实现控制精度0.1ns的序列控制精度要求。

时序控制器采用远程控制软件进行操作，包括时序间隔的设置及调Q抖动精度的修正等参数。

5)杂散光抑制装置

杂散光抑制装置的主要目的是提高532nm的激光与其他杂光的对比度。由于数字相机的靶面的实际感光度只需要几个uJ的能量即可，所以，我们采用532nm的深截至窄带滤光片以及透过率1％-20％的532nm偏振消光片等即可满足成像要求。

须要考虑的时由于该装置是安装在成像镜头前，如果直接加工与镜头口径一致的装置，其成本较高，所以根据成像的入射镜头的视场角要求，可以适当缩小装置的有效孔径，以降低成本。

6)数字相机及远程控制器

数字相机采用尼康D810单反相机，有效像素3615万，利用usb数据线与远程控制器连接，远程控制器通过网线与电脑进行连接，利用定制软件实现图像采集的远程操作。

操作软件结合远程控制器，可以完成对远端数码相机的快门开启/关闭、曝光时间的设置、存储及触发模式等操作。可以以低成本实现工业CCD相机的控制功能。

7)图像处理

图像处理可以采用PIV的相关处理方法解算标记点的位移变化。但是需要注意：

1、本方案是将多次曝光的图像成像至一个靶面上，在靶面上是无法分辨每次曝光图像的时间关系，即无法辨别那次曝光在前那次曝光在后。根据香农采样原理：采样频率大于2倍的信号频率，才能正确复现源信号，即要求多台激光序列闪光的频率要大于2倍被测物的抖动频率，才可以通过多张图像复原被测物的抖动周期。

2、由于被测物抖动产生一定量的位移变化，但是在成像面(即CCD或CMOS靶面)成像时，由于物象关系中的放大倍率，假设抖动量为0.1mm，物面为1000mm，像面为25mm，可以得出放大倍率β为0.025，这样在像面上的实际抖动量就为0.0025mm，而每个像单元的大小一般为0.005mm，根据图像处理的原则，需要至少3个像素以上的位移变化才能比较准确获得处理结果。所以，根据具体的测试需求，需要确定合适的视场角，选择合适的定焦镜头。

该系统不采用汇聚成像光路方式而采用平行光方式利于测试流场扰动引起的偏折效果，汇聚方式不利于测量流场扰动量。

5、技术参数

1)观测视场：Φ1200mm

2)分幅照明系统：a脉冲激光器波长：532nm，b脉冲宽度10ns，c.输出光能量40mJ，d.光斑直径5mm，e.光束发散角3mrad，f.点灯到调Q延时约140us，g.调Q到出光延时100ns、抖动精度±10ns。h.4台激光器一致性大于90％。f.尺寸：490mm×150mm×178mm，光轴高88mm。g.激光利用率大于95％.h.能量稳定性(RMS)：≤3％i，Jitter值(RMS)≤2ns(触发照明光源信号与出光信号延时值抖动范围)j.TTL外触发。

3)光耦合输出及其匀化系统

a.耦合效率大于95％，b.石英光纤芯径Φ1.5mm，c.光斑在Φ1.2m范围内均匀性≥85％，无散斑，无干涉、衍射条纹并可验证d.光束发散角60°f.四束输出光在出射截面采用口字型布局，间距为10mm×10mm。

4)准直照明系统

a准直照明视场范围Φ1.2m，b.焦距2m c.平行度大于10m，波面像差PV≤0.5λ；d.准直照明处光束均匀性≥85％，无散斑，无干涉、衍射条纹等。

5)空间分幅分光棱锥：4棱锥分光，分光面斜角45°，镀银反射膜加二氧化硅保护膜，面型λ/5。装调机械结构稳定可靠。

6)图像采集成像系统：a记录相机采用尼康D810，b.成像物镜焦距75-300mm，c.成像分辨率≥40lp/mm，d.usb数据线与远程控制器连接，远程控制器通过网线与电脑进行连接，利用软件实现图像采集的远程操作。e.采用532nm的深截止窄带滤光片以及峰值透过率≥80％的532nm偏振消光片进行杂散光抑制。f.4组相机成像一致性≥98％。

7)时序控制：a时序控制器8通道b.上升/下降沿≤2ns，c.脉宽20ns-1s连续可调，d.时序输出间隔20ns-10s，步进200ns；e.精度≤1％。

在本实施例中的其余技术特征，本领域技术人员均可以根据实际情况进行灵活选用以满足不同的具体实际需求。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的组成，结构或部件，均在本实用新型的权利要求书请求保护的技术方案限定技术保护范围之内。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”均是广义含义，本领域技术人员应作广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是活动连接，或整体地连接，或局部地连接，可以是机械连接，也可以是电性连接，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，还可以是两个元件内部的连通等，对于本领域的技术人员来说，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义，即，文字语言的表达与实际技术的实施可以灵活对应，本实用新型的说明书的文字语言(包括附图)的表达不构成对权利要求的任何单一的限制性解释。

本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。在以上描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的技术，例如具体的施工细节，作业条件和其他的技术条件等。

Claims (6)

1.一种纳秒量级空间分幅纹影系统，其特征在于，包括脉冲激光器(1)、激光束传输匀化整形系统(2)、扩束镜(3)、准直主镜(4)、背景网板(5)、汇聚主镜(6)、四分光棱锥(7)、成像相机(8)和时序控制器(9)；通过时序控制器(9)分别控制四个脉冲激光器(1)的曝光时间间隔，由激光束传输匀化整形系统(2)进行光束匀化整形，然后由扩束镜(3)进行扩束后，通过准直主镜(4)准直到背景网板(5)上，在背景网板(5)的右侧设置有汇聚主镜(6)，由汇聚主镜(6)将光束汇聚到四分光棱锥(7)，由成像相机(8)记录下不同时刻背景网板(5)的像。

2.根据权利要求1所述的纳秒量级空间分幅纹影系统，其特征在于，脉冲激光器(1)采用水冷氙灯泵浦532nm激光器或温控风冷半导体泵浦激光器。

3.根据权利要求1所述的纳秒量级空间分幅纹影系统，其特征在于，包括四根输出光纤，且分别连接在四个脉冲激光器(1)的出光端口上，四根输出光纤在出射截面采用口字型布局，间距为10mm×10mm。

4.根据权利要求1所述的纳秒量级空间分幅纹影系统，其特征在于，包括时序控制器(9)共有8路通道，其中4路触发激光器点灯信号，其余4路触发激光器调Q信号。

5.根据权利要求1所述的纳秒量级空间分幅纹影系统，其特征在于，时序控制器(9)采用了两级延时单元，对延时量进行控制，第一级粗延时单位完成动态范围1ms、可调间隔5ns的功能，第二级精延时单元完成动态范围5ns、可调间隔0.1ns，最终实现控制精度0.1ns的序列控制精度要求。

6.根据权利要求1所述的纳秒量级空间分幅纹影系统，其特征在于，成像相机(8)采用尼康D810单反相机，有效像素3615万，利用USB数据线与远程控制器连接，远程控制器通过网线与计算机进行连接，实现图像采集地远程操作。