專利名稱：一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高速攝影測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可同時實(shí)現(xiàn)分幅成像和掃描成像的光電攝影系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在一次實(shí)驗中獲得超高速瞬態(tài)過程同一時基、同一空基的分幅和掃描圖像。
背景技術(shù)：
高速攝影技術(shù)是研究高速運(yùn)動過程的一種重要測試方法，針對不同時間變化過程的瞬態(tài)事件的測量，需要不同攝影頻率和時間分辨力的攝影技術(shù)。高速攝影技術(shù)按拍攝頻率和時間分辨力兩個重要指標(biāo)分類又可以分為低、中速，甚高速和超高速三大類；按成像方式可分為光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)高速攝影設(shè)備和光電成像高速攝影設(shè)備。高速攝影與一般攝影技術(shù)最根本的區(qū)別，就是它具有高的時間分辨本領(lǐng)，能夠跟蹤快速變化過程的發(fā)生和發(fā)展，并記錄下來。由于其具有時間/空間分辨率高、畫幅尺寸大以及攝影頻率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠直觀形象地反映高速瞬變過程或事物瞬態(tài)變化及發(fā)展趨勢的一維、二維或三維空間位置隨時間的變化，為研究高速現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理和規(guī)律提供可靠數(shù)據(jù)，具有其它測試手段不可替代的優(yōu)點(diǎn)。因此，不僅在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、材料等自然科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，而且是汽車安全性能測試、航空發(fā)動機(jī)研制、在線工業(yè)檢測、發(fā)射及碰撞類研究等工程技術(shù)領(lǐng)域常用的測試手段；同時超高速光電攝影技術(shù)更是武器物理研究及工程應(yīng)用等軍事領(lǐng)域不可或缺和替代的測試工具。同時分幅掃描高速攝影系統(tǒng)可以在一次實(shí)驗中獲得同時分幅、掃描記錄的圖像，得到瞬態(tài)過程更豐富的時空信息。傳統(tǒng)光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)的同時分幅掃描攝影設(shè)備通常采用電動或氣動控制的高速旋轉(zhuǎn)反射鏡成像，這導(dǎo)致進(jìn)一步提高攝影頻率非常困難，因為相機(jī)攝影頻率決定于系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速的提高勢必導(dǎo)致轉(zhuǎn)鏡工作穩(wěn)定性下降，而且受限于其光學(xué)結(jié)構(gòu)，攝影頻率、掃描速度的提高也會導(dǎo)致系統(tǒng)空間分辨率的下降。同時因該類系統(tǒng)曝光時間較長，在單幅曝光時間內(nèi)產(chǎn)生的圖像模糊量(像移)較大。隨著電磁內(nèi)爆等離子體放電、受控核聚變、激光與物質(zhì)相互作用等超快過程研究的深入，由于該類超快過程持續(xù)時間非常短，通常在幾十納秒以內(nèi)，傳統(tǒng)的光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)的同時分幅掃描攝影設(shè)備最高時間分辨率在百納秒量級，已經(jīng)不能滿足上述實(shí)驗過程測試需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了針對目前基于光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)的同時分幅掃描成像系統(tǒng)攝影頻率和時間分辨率很難進(jìn)一步提高的缺陷，提供一種新型的同時分幅掃描成像超高速光電攝影系統(tǒng)。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:中繼成像單元、光學(xué)分光系統(tǒng)、掃描成像系統(tǒng)、分幅成像系統(tǒng)、精密延時及控制系統(tǒng)、高壓供電及脈沖產(chǎn)生模塊、控制計算機(jī)；被測目標(biāo)通過中繼成像單元和光學(xué)分光系統(tǒng)同時成像到掃描成像系統(tǒng)和分幅成像系統(tǒng)，通過精密延時及控制系統(tǒng)和高壓供電及脈沖產(chǎn)生模塊控制同步成像。上述技術(shù)方案中，所述中繼成像單元包括主物鏡、分劃板和電磁快門。上述技術(shù)方案中，所述光學(xué)分光系統(tǒng)包括分光棱鏡、分光物鏡、平面反光鏡、分光棱錐、分光六面棱錐。上述技術(shù)方案中，所述掃描成像系統(tǒng)包括掃描狹縫、皮秒時間分辨條紋變像管、高速高線性度掃描斜坡產(chǎn)生模塊、中繼成像模塊和CCD接收模塊。上述技術(shù)方案中，所述分幅成像系統(tǒng)包括納秒超快門選通像增強(qiáng)器、高壓門控脈沖產(chǎn)生模塊、中繼成像模塊和CCD接收模塊。上述技術(shù)方案中，所述分幅成像系統(tǒng)和掃描成像系統(tǒng)其本身具有非常低的開啟時間晃動和可從納秒到毫秒以上時間范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的開啟時間延時。上述技術(shù)方案中，所述分幅成像系統(tǒng)和掃描成像系統(tǒng)每幅圖像曝光時間可以分別由高壓門控脈沖產(chǎn)生模塊和高速高線性度掃描斜坡產(chǎn)生模塊從納秒到毫秒以上時間范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。上述技術(shù)方案中，該系統(tǒng)的工作方式為以下步驟:
步驟一:被測物體通過中繼成像單元和光學(xué)分光系統(tǒng)同時成像到掃描成像系統(tǒng)的輸入狹縫上和分幅成像系統(tǒng)的像增強(qiáng)器光陰極上，所述同時分幅掃描成像系統(tǒng)具有同一空間基準(zhǔn)。步驟二:在掃描成像系統(tǒng)中，輸入狹縫上的像通過低失真光學(xué)中繼耦合系統(tǒng)成像到條紋變像管的光陰極上，光陰極將該圖像轉(zhuǎn)變成電子學(xué)圖像后經(jīng)受控的變像管高壓掃描電壓偏轉(zhuǎn)掃描，之后經(jīng)過偏轉(zhuǎn)掃描的包含前端圖像信息的電子束轟擊在熒光屏上輸出光學(xué)圖像，并最終由C⑶模塊記錄輸出。步驟三:在分幅成像系統(tǒng)中，像增強(qiáng)器光陰極上的像通過高壓供電及脈沖發(fā)生模塊產(chǎn)生的超快邊沿、脈寬從納秒到毫秒可調(diào)的高壓雙極性脈沖將光陰極上的圖像進(jìn)行選通成像，并最終由C⑶模塊記錄輸出。步驟四:上述步驟二和步驟三中，分幅攝影和掃描攝影通過精密延時及控制系統(tǒng)控制其開始工作，從而使其做到同一時間基準(zhǔn)，最終CCD輸出的圖像傳輸至攝影系統(tǒng)的工控機(jī)進(jìn)行存儲和后續(xù)處理。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:第一，系統(tǒng)米用一個物鏡成像后利用光學(xué)分光系統(tǒng)將像面分別耦合到分幅成像組件和掃描成像組件，保證了分幅成像組件和掃描成像組件具有同樣的空間基準(zhǔn)；第二，通過系統(tǒng)內(nèi)部精密的時序控制，使分幅成像和掃描成像工作時刻嚴(yán)格同步，保證了系統(tǒng)各成像模塊具有同一時間基準(zhǔn)；第三，由于系統(tǒng)采用光電成像方式，使系統(tǒng)分幅攝影頻率大大提高，可達(dá)到每秒2億幅頻以上；掃描時間分辨率也可以達(dá)到皮秒量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過基于光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)的同時分幅掃描成像系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)；第四，當(dāng)前光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)的同時分幅掃描成像系統(tǒng)只能采用底片成像，拍攝一次后需重新更換底片，底片還要經(jīng)過沖洗才能獲得拍攝結(jié)果，這種方式雖然比較簡單，但后續(xù)圖像獲取均需要專門人員完成，而且在洗像過程中還有可能操作不當(dāng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，不能實(shí)時數(shù)字化及顯示拍攝效果，也為后續(xù)圖像處理引入較大工作量，本系統(tǒng)可以克服上述缺點(diǎn)，實(shí)時獲取動態(tài)過程的圖像，大大提聞了實(shí)驗效率。該超快光電成像系統(tǒng)在超高速過程測試領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，完全能夠為電磁內(nèi)爆等離子體放電、受控核聚變、激光與物質(zhì)相互作用、高壓火花放電、材料微噴和界面不穩(wěn)定性等納秒到百納秒時間范圍超快過程的研究提供高質(zhì)量的數(shù)字化圖像。


本發(fā)明將通過實(shí)施例并參照附圖的方式說明，其中:
圖1是本發(fā)明同時分幅掃描超高速光電攝影系統(tǒng)的組成框 圖2是本發(fā)明同時分幅掃描超高速光電攝影系統(tǒng)的總體實(shí)施示意 圖中O是被測目標(biāo)，101是主物鏡，102是分劃板，103是電磁快門，201是第一分光棱鏡，202是分光物鏡I，203是平面反光鏡I，204是第二分光棱錐，205是平面反光鏡II，206是平面反光鏡III，207是分光物鏡II，208是第二分光六面棱錐，209是平面反光鏡IV，210是平面反光鏡V，301是狹縫I，302是狹縫II，303是掃描前中繼物鏡I，304是掃描前中繼物鏡II，305是條紋變像管I，306是條紋變像管II，307是掃描后中繼物鏡I，308是掃描后中繼物鏡11，401是超快門選通像增強(qiáng)器I，402是超快門選通像增強(qiáng)器II，403是分幅后中繼物鏡I，404是分幅后中繼物鏡II，501是高速高線性度掃描斜坡產(chǎn)生模塊，502是像增強(qiáng)器高壓門控脈沖產(chǎn)生模塊，601是掃描記錄CXD相機(jī)I，602是掃描記錄CXD相機(jī)II，701是分幅記錄CXD相機(jī)I，702是分幅記錄CXD相機(jī)II，801是掃描同步控制組件，802是分幅同步控制組件，900是控制計算機(jī)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。圖1所示為本發(fā)明同時分幅掃描超高速光電攝影系統(tǒng)的總體組成框圖，包括中繼成像單元、光學(xué)分光系統(tǒng)、掃描成像系統(tǒng)、分幅成像系統(tǒng)、高壓供電及脈沖發(fā)生模塊、精密延時及控制系統(tǒng)和控制計算機(jī)共七個部分。其中中繼成像單元包括主物鏡、分劃板和電磁快門；光學(xué)分光系統(tǒng)包括分光棱鏡、分光物鏡、平面反光鏡、分光棱錐、分光六面棱錐；掃描成像系統(tǒng)包括掃描狹縫、皮秒時間分辨條紋變像管、高速高線性度掃描斜坡、中繼成像模塊和CCD接收模塊；分幅成像系統(tǒng)包括納秒超快門選通像增強(qiáng)器、高壓門控脈沖產(chǎn)生、中繼成像模塊和CCD接收模塊。其工作原理如下:被測目標(biāo)置于中繼成像單元之前，中繼成像單元通過其內(nèi)部成像物鏡和中繼物鏡將目標(biāo)成像于分化板處，該一次像面由采用分光棱鏡和多面棱錐組成的光學(xué)分光系統(tǒng)分成八路同一空間基準(zhǔn)的中繼像面，其中兩路中繼像面經(jīng)狹縫后成像在掃描成像系統(tǒng)中所用的條紋變像管光陰極上，該條紋變像管成像控制由高壓供電及脈沖發(fā)生模塊完成，通過高壓供電及脈沖發(fā)生模塊產(chǎn)生的對稱高線性度、邊沿速度可調(diào)的高壓斜坡將條紋變像管光陰極上的圖像進(jìn)行掃描成像，可獲得被攝目標(biāo)在一維時間軸上的圖像，之后經(jīng)后端掃描圖像記錄完成該掃描圖像的記錄；光學(xué)分光系統(tǒng)分出的另外六路中繼像面直接成像在分幅成像系統(tǒng)中所用的超快門選通像增強(qiáng)器的光陰極上，通過高壓供電及脈沖發(fā)生模塊產(chǎn)生的超快邊沿、脈寬從納秒到毫秒可調(diào)的高壓雙極性脈沖將光陰極上的圖像進(jìn)行選通成像，可獲得被攝目標(biāo)在選通時間內(nèi)的二維空間圖像，之后經(jīng)后端分幅圖像記錄完成該分幅圖像的記錄。由于上述掃描成像與分幅成像的目標(biāo)物像面一致，所以最終記錄圖像也為同一空間基準(zhǔn)。同一時間基準(zhǔn)則通過精密延時及控制系統(tǒng)來完成，此系統(tǒng)的同步精度可達(dá)到數(shù)十皮秒量級，由于掃描成像和分幅成像組件本身的開啟和關(guān)閉時刻晃動只有數(shù)十皮秒，通過該精密延時及控制可使分幅成像和掃描成像在時間基準(zhǔn)上同步精度達(dá)到百皮秒左右。最后，掃描圖像記錄和分幅圖像記錄模塊分別將記錄圖像傳輸?shù)娇刂朴嬎銠C(jī)進(jìn)行圖像存儲和后續(xù)處理。本系統(tǒng)技術(shù)方案的具體實(shí)施方式
如圖2所示，(，)被測目標(biāo)O通過主物鏡101調(diào)焦后成像在分劃板102處，由于超快門選通像增強(qiáng)器和條紋變像管的光陰極是光敏材料，長期光照下會性能下降甚至損壞，所以引入電磁快門103，以方便操作者在需要拍攝前很短時間通過遠(yuǎn)程界面打開，從而保護(hù)超快門選通像增強(qiáng)器和條紋變像管，延長其使用壽命。為保證進(jìn)入后續(xù)掃描成像和分幅成像組件每個像面的光強(qiáng)度分別均勻一致，第一分光棱鏡201采用1:3的分束方式將入射光能量分成2份，其中25%的能量分給掃描成像組件，75%的能量分給分幅成像組件。第一分光棱鏡在組裝調(diào)試時其中心軸線需要嚴(yán)格與主物鏡101同軸。第一分光棱鏡分光后的一路光束再經(jīng)過分光物鏡202、平面反光鏡203、第二分光棱錐204和另外兩組平面反光鏡205、206后成像在掃描成像的兩個狹縫301和302處 ’另一路光束經(jīng)分光物鏡207、第二分光6面棱錐208和六個反光鏡(圖2中只畫出209和210兩個反光鏡)成像在分幅成像的六個超快門選通像增強(qiáng)器光陰極輸入窗上(圖2中只畫出兩個超快門選通像增強(qiáng)器401和402)。在系統(tǒng)設(shè)計時，必須使分光棱錐204和第二分光6面棱錐208處于系統(tǒng)的孔徑光闌處，以保證分光后的像在像面各部位的光能量分布是均勻的。在此分光結(jié)構(gòu)中由于分光棱鏡的引入，使光學(xué)系統(tǒng)成為軸外成像系統(tǒng)，將使后續(xù)成像色差和像面亮度的非均勻性增大，因此具體設(shè)計中需要對其進(jìn)行補(bǔ)償，提高整個系統(tǒng)的成像質(zhì)量。此外，上述反光鏡的調(diào)整對最終成像畸變有很大影響，在普通光學(xué)實(shí)驗和大型裝置中通常采用三支撐結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可輕松實(shí)現(xiàn)反光鏡的三維調(diào)節(jié)。但在此高速光電攝影系統(tǒng)中，由于體積和穩(wěn)定性要求嚴(yán)格，采用調(diào)整反光鏡墊圈方式進(jìn)行精密調(diào)整。具體實(shí)現(xiàn)是通過修切或研磨調(diào)整墊圈的方法來調(diào)整通過反光鏡后光束的光軸走向，同時為保證調(diào)節(jié)后的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)完后通過加彈性墊圈的螺釘進(jìn)行緊固。成像在狹縫301和302處的兩個像面需要通過后續(xù)掃描前中繼物鏡303和304分別耦合到掃描成像關(guān)鍵部件條紋變像管305和306的光陰極處，光陰極處加有高壓，可以將輸入到光陰極的光信號轉(zhuǎn)換成在數(shù)量上和光信號強(qiáng)度成正比的電子，電子再經(jīng)施加在掃描電極上的高速線性掃描電場進(jìn)行偏轉(zhuǎn)并通過后續(xù)微通道板倍增轟擊在條紋變像管熒光屏上形成隨線性掃描電場電壓變化的掃描光學(xué)圖像，該光學(xué)圖像再通過掃描后中繼物鏡307、308 (也可以采用光纖錐方式)耦合到CXD相機(jī)601、602的CXD像面由控制計算機(jī)讀出并進(jìn)行后續(xù)圖像處理。系統(tǒng)掃描拍攝延時、掃描記錄時間長度和圖像增益均由掃描同步控制組件801和高速高線性度掃描斜坡產(chǎn)生模塊501設(shè)定。采用上述掃描成像組件的成像結(jié)果只能反映被攝目標(biāo)在一維空間隨時間變化的過程，設(shè)計中，為使掃描成像能夠反映被攝目標(biāo)隨時間在二維空間上的整個變化過程，采用水平和垂直兩個不同掃描方向的掃描組件對被攝目標(biāo)進(jìn)行二維空間掃描，具體實(shí)現(xiàn)是將掃描狹縫301、302設(shè)計成垂直90度的結(jié)構(gòu)，同時設(shè)計中將條紋變像管305、306的掃描偏轉(zhuǎn)方向也設(shè)計為相互垂直的方向，再通過掃描精同步控制組件801嚴(yán)格控制掃描偏轉(zhuǎn)電壓產(chǎn)生的時間一致性，最終保證兩個掃描成像結(jié)果能夠反映被攝目標(biāo)在同一時刻不同空間方向上的光強(qiáng)度變化。在掃描成像中，高速高線性度掃描斜坡信號對掃描成像的時間分辨和記錄長度起著決定性作用。一般情況下這種高速掃描斜坡信號可以采用激光觸發(fā)火花隙開關(guān)形成、冷陰極閘流管開關(guān)放電形成、雪崩晶體管雪崩形成和高壓場效應(yīng)管高速開關(guān)形成。由于采用激光觸發(fā)火化隙、冷陰極閘流管觸發(fā)晃動大，不利于同步控制，無法實(shí)現(xiàn)同一時間基準(zhǔn)拍攝的目標(biāo)，另外這種方法產(chǎn)生脈沖的重復(fù)性和可靠性都很差，因此不能用在此系統(tǒng)中；高速高壓場效應(yīng)管開關(guān)速度限制其不能實(shí)現(xiàn)納秒級邊沿且線性度很好的掃描斜坡信號。而雪崩晶體管可以產(chǎn)生納秒級甚至更陡脈沖邊沿，而且邊沿線性度非常好，因此本方案采用高速雪崩管實(shí)現(xiàn)高速掃描斜坡脈沖。經(jīng)第二分光6面棱錐208分光后形成的6個像面由對應(yīng)的6個反射鏡209、210等反射后分別成像在6個超快門選通像增強(qiáng)器的光陰極上，像增強(qiáng)器光陰極類似一個光快門，當(dāng)其上加有一定正高壓時，投影到光陰極上的光信號只能激發(fā)出非常少量的光電子，這些少量的光電子經(jīng)后續(xù)微通道板倍增轟擊在熒光屏上成為噪聲；當(dāng)像增強(qiáng)器光陰極上加一定負(fù)高壓時，投影到光陰極上的光信號激發(fā)出與光強(qiáng)成正比的光電子，這些光電子經(jīng)后續(xù)微通道板倍增轟擊在熒光屏上產(chǎn)生與投影到光陰極像面一致的圖像，該圖像同樣經(jīng)過分幅后中繼物鏡403、404等耦合到CXD相機(jī)701、702等的CXD像面，由控制計算機(jī)控制CXD相機(jī)讀出圖像并進(jìn)行后續(xù)處理。分幅成像拍攝延時、拍攝頻率和單幅曝光時間均由分幅同步控制組件802和像增強(qiáng)器專用高壓門控脈沖產(chǎn)生模塊502設(shè)定。在分幅成像中，施加在超快門選通像增強(qiáng)器光陰極的高速脈沖對分幅成像曝光時間以及分幅成像的最聞攝影頻率具有決定意義。為實(shí)現(xiàn)亞納秒級的曝光時間，需要解決兩個難點(diǎn):一是要求此高速脈沖從正電壓到負(fù)電壓以及負(fù)電壓到正電壓的轉(zhuǎn)換過程非?？?，常態(tài)電壓在+ 50V左右，開通后電壓在一 200V左右；二是要形成的負(fù)脈沖寬度可根據(jù)曝光時間從納秒級到毫秒級調(diào)節(jié)，國內(nèi)關(guān)于高速亞納秒脈沖形成的研究很多，但大部分都是利用雪崩管形成，脈沖電壓通常在上千伏左右，而且脈沖寬度無法實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)節(jié)，因此本方案采用互補(bǔ)MOSFET輸出及其驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)來解決上述的技術(shù)問題。單通道的超快門選通像增強(qiáng)器只能給出時間分辨很高的單幅圖像，要實(shí)現(xiàn)連續(xù)拍攝數(shù)幅功能，需要利用前面提到的分光組件將被攝目標(biāo)成像在多個超快門選通像增強(qiáng)器的光陰極上，通過控制不同像增強(qiáng)器的曝光起始時刻和曝光時間來實(shí)現(xiàn)多幅高速成像，為實(shí)現(xiàn)多幅分幅成像和掃描成像的同時拍攝，需要精密延時及控制單元。如前所述，超高速光電攝像系統(tǒng)工作時，一方面需要精確的獲得拍攝圖像和曝光時間、曝光間隔、觸發(fā)延時的對應(yīng)關(guān)系；另一方面由于相機(jī)時間響應(yīng)非常短，為準(zhǔn)確記錄拍攝信息，相機(jī)內(nèi)部必須具備高精度的延時、同步觸發(fā)模塊才能確保相機(jī)各項功能在理想時刻開始工作。因此系統(tǒng)采用FPGA設(shè)計的精密控制延遲電路，通過FPGA和可編程延時器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精密延時及控制功能；同時采用輸出驅(qū)動電路提高脈沖輸出的驅(qū)動能力，減小觸發(fā)后續(xù)電路的時間晃動。對于系統(tǒng)從納秒到毫秒量級的精密時序控制要求，采用分段實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)精密延時及控制系統(tǒng)可以在IOms時間范圍以內(nèi)保證數(shù)十皮秒的控制精度。同時為了保證時序控制脈沖波形的穩(wěn)定性、超快前沿、以及較強(qiáng)的電流驅(qū)動能力，在通道后端采用高頻達(dá)林頓管結(jié)構(gòu)作為輸出驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)較小的觸發(fā)晃動和較大的驅(qū)動能力。
由于超快門選通像增強(qiáng)器和條紋變像管熒光屏輸出圖像余輝時間可在2ms以上，目前絕大多數(shù)CCD積分時間均滿足此要求，所以系統(tǒng)后續(xù)分幅圖像記錄組件600和掃描圖像記錄組件700可采用普通商用CXD相機(jī)實(shí)現(xiàn)，但考慮到攝影系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和體積，選擇Prosilica公司具有微型體積的GE1650型相機(jī)，該相機(jī)可通過千兆網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)圖像采集和控制，設(shè)計中為方便連接，在系統(tǒng)內(nèi)部集成一 8端口的千兆路由器。這樣通過一路信號連接線便可實(shí)現(xiàn)對8臺CCD相機(jī)的控制。同時，考慮到該攝影系統(tǒng)經(jīng)常應(yīng)用于強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，選擇電光轉(zhuǎn)換器將千兆網(wǎng)口的電信號轉(zhuǎn)換為光信號進(jìn)行傳輸，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。在計算機(jī)接收端再采用光電轉(zhuǎn)換器將光數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行后續(xù)傳輸、存儲和處理。本說明書中公開的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式組合。本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括:中繼成像單兀、光學(xué)分光系統(tǒng)、掃描成像系統(tǒng)、分幅成像系統(tǒng)、精密延時及控制系統(tǒng)、高壓供電及脈沖產(chǎn)生模塊、控制計算機(jī)；被測目標(biāo)通過中繼成像單元和光學(xué)分光系統(tǒng)同時成像到掃描成像系統(tǒng)和分幅成像系統(tǒng)，通過精密延時及控制系統(tǒng)和高壓供電及脈沖產(chǎn)生模塊控制同步成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統(tǒng)，其特征在于所述中繼成像單元包括主物鏡、分劃板和電磁快門。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)分光系統(tǒng)包括分光棱鏡、分光物鏡、平面反光鏡、分光棱錐、分光六面棱錐。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統(tǒng)，其特征在于所述掃描成像系統(tǒng)包括掃描狹縫、皮秒時間分辨條紋變像管、高速高線性度掃描斜坡產(chǎn)生模塊、中繼成像模塊和CCD接收模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統(tǒng)，其特征在于所述分幅成像系統(tǒng)包括納秒超快門選通像增強(qiáng)器、高壓門控脈沖產(chǎn)生模塊、中繼成像模塊和CCD接收模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統(tǒng)，其特征為所述分幅成像系統(tǒng)和掃描成像系統(tǒng)其本身具有非常低的開啟時間晃動和可從納秒到毫秒以上時間范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的開啟時間延時。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統(tǒng)，其特征為所述分幅成像系統(tǒng)和掃描成像系統(tǒng)每幅圖像曝光時間可以分別由聞壓門控脈沖廣生1旲塊和聞速聞線性度掃描斜坡產(chǎn)生模塊從納秒到毫秒以上時間范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統(tǒng)，其特征為該系統(tǒng)的工作方式為以下步驟: 步驟一:被測物體通過中繼成像單元和光學(xué)分光系統(tǒng)同時成像到掃描成像系統(tǒng)的輸入狹縫上和分幅成像系統(tǒng)的像增強(qiáng)器光陰極上，所述同時分幅掃描成像系統(tǒng)具有同一空間基準(zhǔn)； 步驟二:在掃描成像系統(tǒng)中，輸入狹縫上的像通過低失真光學(xué)中繼耦合系統(tǒng)成像到條紋變像管的光陰極上，光陰極將該圖像轉(zhuǎn)變成電子學(xué)圖像后經(jīng)受控的變像管高壓掃描電壓偏轉(zhuǎn)掃描，之后，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)掃描的包含前端圖像信息的電子束轟擊在熒光屏上輸出光學(xué)圖像，并最終由CXD模塊記錄輸出； 步驟三:在分幅成像系統(tǒng)中，像增強(qiáng)器光陰極上的像通過高壓供電及脈沖發(fā)生模塊產(chǎn)生的超快邊沿、脈寬從納秒到毫秒可調(diào)的高壓雙極性脈沖將光陰極上的圖像進(jìn)行選通成像，并最終由CXD模塊記錄輸出； 步驟四:上述步驟二和步驟三中，分幅攝影和掃描攝影通過精密延時及控制系統(tǒng)控制其開始工作，從而使其做到同一時間基準(zhǔn)，最終CCD輸出的圖像傳輸至攝影系統(tǒng)的工控機(jī)進(jìn)行存儲和后續(xù)處理。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括中繼成像單元、光學(xué)分光系統(tǒng)、掃描成像系統(tǒng)、分幅成像系統(tǒng)、精密延時及控制系統(tǒng)、高壓供電及脈沖產(chǎn)生模塊、控制計算機(jī)；被測目標(biāo)通過中繼成像單元和光學(xué)分光系統(tǒng)同時成像到掃描成像系統(tǒng)和分幅成像系統(tǒng)，通過精密延時及控制系統(tǒng)和高壓供電及脈沖產(chǎn)生模塊控制同步成像；本發(fā)明在超高速過程測試領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，完全能夠為電磁內(nèi)爆等離子體放電、受控核聚變、激光與物質(zhì)相互作用、高壓火花放電、材料微噴和界面不穩(wěn)定性等納秒到百納秒時間范圍超快過程的研究提供高質(zhì)量的數(shù)字化圖像。
文檔編號G01C11/00GK103197499SQ201310089490
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月20日
發(fā)明者溫偉峰, 李澤仁, 李劍, 劉寧文, 張登洪, 彭其先, 錢偉新, 暢里華, 趙新才, 何徽 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所