一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統技術方案

本發明專利技術公布了一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統，所述系統包括：中繼成像單元、光學分光系統、掃描成像系統、分幅成像系統、精密延時及控制系統、高壓供電及脈沖產生模塊、控制計算機；被測目標通過中繼成像單元和光學分光系統同時成像到掃描成像系統和分幅成像系統，通過精密延時及控制系統和高壓供電及脈沖產生模塊控制同步成像；本發明專利技術在超高速過程測試領域具有廣闊的應用前景，完全能夠為電磁內爆等離子體放電、受控核聚變、激光與物質相互作用、高壓火花放電、材料微噴和界面不穩定性等納秒到百納秒時間范圍超快過程的研究提供高質量的數字化圖像。

【技術實現步驟摘要】
一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統
本專利技術屬于高速攝影測試
，具體涉及一種可同時實現分幅成像和掃描成像的光電攝影系統，該系統可在一次實驗中獲得超高速瞬態過程同一時基、同一空基的分幅和掃描圖像。
技術介紹
高速攝影技術是研究高速運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事件的測量，需要不同攝影頻率和時間分辨力的攝影技術。高速攝影技術按拍攝頻率和時間分辨力兩個重要指標分類又可以分為低、中速，甚高速和超高速三大類；按成像方式可分為光學機械結構高速攝影設備和光電成像高速攝影設備。高速攝影與一般攝影技術最根本的區別，就是它具有高的時間分辨本領，能夠跟蹤快速變化過程的發生和發展，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點，能夠直觀形象地反映高速瞬變過程或事物瞬態變化及發展趨勢的一維、二維或三維空間位置隨時間的變化，為研究高速現象的發生機理和規律提供可靠數據，具有其它測試手段不可替代的優點。因此，不僅在物理、化學、生物、醫學、材料等自然科學領域有著廣泛的應用，而且是汽車安全性能測試、航空發動機研制、在線工業檢測、發射及碰撞類研究等工程
常用的測試手段；同時超高速光電攝影技術更是武器物理研究及工程應用等軍事領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可以在一次實驗中獲得同時分幅、掃描記錄的圖像，得到瞬態過程更豐富的時空信息。傳統光學機械結構的同時分幅掃描攝影設備通常采用電動或氣動控制的高速旋轉反射鏡成像，這導致進一步提高攝影頻率非常困難，因為相機攝影頻率決定于系統內部轉鏡的轉速，其轉速的提高勢必導致轉鏡工作穩定性下降，而且受限于其光學結構，攝影頻率、掃描速度的提高也會導致系統空間分辨率的下降。同時因該類系統曝光時間較長，在單幅曝光時間內產生的圖像模糊量（像移）較大。隨著電磁內爆等離子體放電、受控核聚變、激光與物質相互作用等超快過程研究的深入，由于該類超快過程持續時間非常短，通常在幾十納秒以內，傳統的光學機械結構的同時分幅掃描攝影設備最高時間分辨率在百納秒量級，已經不能滿足上述實驗過程測試需求。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了針對目前基于光學機械結構的同時分幅掃描成像系統攝影頻率和時間分辨率很難進一步提高的缺陷，提供一種新型的同時分幅掃描成像超高速光電攝影系統。本專利技術采用如下技術方案：一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統，所述系統包括：中繼成像單元、光學分光系統、掃描成像系統、分幅成像系統、精密延時及控制系統、高壓供電及脈沖產生模塊、控制計算機；被測目標通過中繼成像單元和光學分光系統同時成像到掃描成像系統和分幅成像系統，通過精密延時及控制系統和高壓供電及脈沖產生模塊控制同步成像。上述技術方案中，所述中繼成像單元包括主物鏡、分劃板和電磁快門。上述技術方案中，所述光學分光系統包括分光棱鏡、分光物鏡、平面反光鏡、分光棱錐、分光六面棱錐。上述技術方案中，所述掃描成像系統包括掃描狹縫、皮秒時間分辨條紋變像管、高速高線性度掃描斜坡產生模塊、中繼成像模塊和CCD接收模塊。上述技術方案中，所述分幅成像系統包括納秒超快門選通像增強器、高壓門控脈沖產生模塊、中繼成像模塊和CCD接收模塊。上述技術方案中，所述分幅成像系統和掃描成像系統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連續可調的開啟時間延時。上述技術方案中，所述分幅成像系統和掃描成像系統每幅圖像曝光時間可以分別由高壓門控脈沖產生模塊和高速高線性度掃描斜坡產生模塊從納秒到毫秒以上時間范圍內任意調節。上述技術方案中，該系統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分光系統同時成像到掃描成像系統的輸入狹縫上和分幅成像系統的像增強器光陰極上，所述同時分幅掃描成像系統具有同一空間基準。步驟二：在掃描成像系統中，輸入狹縫上的像通過低失真光學中繼耦合系統成像到條紋變像管的光陰極上，光陰極將該圖像轉變成電子學圖像后經受控的變像管高壓掃描電壓偏轉掃描，之后經過偏轉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圖像，并最終由CCD模塊記錄輸出。步驟三：在分幅成像系統中，像增強器光陰極上的像通過高壓供電及脈沖發生模塊產生的超快邊沿、脈寬從納秒到毫秒可調的高壓雙極性脈沖將光陰極上的圖像進行選通成像，并最終由CCD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控制其開始工作，從而使其做到同一時間基準，最終CCD輸出的圖像傳輸至攝影系統的工控機進行存儲和后續處理。本專利技術的優點在于：第一，系統采用一個物鏡成像后利用光學分光系統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；第二，通過系統內部精密的時序控制，使分幅成像和掃描成像工作時刻嚴格同步，保證了系統各成像模塊具有同一時間基準；第三，由于系統采用光電成像方式，使系統分幅攝影頻率大大提高，可達到每秒2億幅頻以上；掃描時間分辨率也可以達到皮秒量級，遠遠超過基于光學機械結構的同時分幅掃描成像系統的技術指標；第四，當前光學機械結構的同時分幅掃描成像系統只能采用底片成像，拍攝一次后需重新更換底片，底片還要經過沖洗才能獲得拍攝結果，這種方式雖然比較簡單，但后續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導致數據丟失，不能實時數字化及顯示拍攝效果，也為后續圖像處理引入較大工作量，本系統可以克服上述缺點，實時獲取動態過程的圖像，大大提高了實驗效率。該超快光電成像系統在超高速過程測試領域具有廣闊的應用前景，完全能夠為電磁內爆等離子體放電、受控核聚變、激光與物質相互作用、高壓火花放電、材料微噴和界面不穩定性等納秒到百納秒時間范圍超快過程的研究提供高質量的數字化圖像。附圖說明本專利技術將通過實施例并參照附圖的方式說明，其中：圖1是本專利技術同時分幅掃描超高速光電攝影系統的組成框圖；圖2是本專利技術同時分幅掃描超高速光電攝影系統的總體實施示意圖；圖中0是被測目標，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Ⅱ，401是超快門選通像增強器Ⅰ，402是超快門選通像增強器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生模塊，502是像增強器高壓門控脈沖產生模塊，601是掃描記錄CCD相機Ⅰ，602是掃描記錄CCD相機Ⅱ，701是分幅記錄CCD相機Ⅰ，702是分幅記錄CCD相機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。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術做進一步的說明。圖1所示為本專利技術同時分幅掃描超高速光電攝影系統的總體組成框圖，包括中繼成像單元、光學分光系統、掃描成像系統、分幅成像系統、高壓供電及脈沖發生模塊、精密延時及控制本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統，其特征在于所述系統包括：中繼成像單元、光學分光系統、掃描成像系統、分幅成像系統、精密延時及控制系統、高壓供電及脈沖產生模塊、控制計算機；被測目標通過中繼成像單元和光學分光系統同時成像到掃描成像系統和分幅成像系統，通過精密延時及控制系統和高壓供電及脈沖產生模塊控制同步成像。

【技術特征摘要】
1.一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統，其特征在于所述系統包括：中繼成像單元、光學分光系統、掃描成像系統、分幅成像系統、精密延時及控制系統、高壓供電及脈沖產生模塊、控制計算機；被測目標通過中繼成像單元和光學分光系統同時成像到掃描成像系統和分幅成像系統，通過精密延時及控制系統和高壓供電及脈沖產生模塊控制同步成像；所述光學分光系統包括分光棱鏡，分光棱鏡將光路分為兩路：其中一路光依次經過一個分光物鏡、平面反光鏡、分光棱錐后分為兩路光，兩路光各自經過對應的反光鏡后進入掃描成像系統；另一路光依次經過另一個分光物鏡、分光六面棱錐后分為六路光，每一路光獨立經過一個對應的反光鏡后進入分幅成像系統；所述掃描成像系統的兩路輸入光各自依次經過對應的掃描狹縫、掃描前中繼物鏡、皮秒時間分辨條紋變像管、掃描后中繼物鏡和CCD接收模塊輸出；所述分幅成像系統的六路輸入光各自依次經過對應的納秒超快門選通像增強器、分幅后中繼物鏡和CCD接收模塊輸出；所述控制計算機的控制輸出端連接精密延時及控制系統，所述精密延時及控制系統輸出三路控制信號；一路控制掃描圖像記錄時刻，一路控制分幅圖像記錄時刻，第三路控制高壓供電及脈沖產生模塊；所述高壓供電及脈沖產生模塊內由高速雪崩管組成的高速高線性度掃描斜坡產生模塊連接到皮秒時間分辨條紋變像管，所述高壓供電及脈沖產生模塊內由互補MOSFET輸出及其驅動電路組成的高壓門控脈沖產生模塊連接到納秒超快門選通像增強器。2.根據權利要求1所述的一種同時分幅掃描...

【專利技術屬性】
技術研發人員：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(專利權)人：中國工程物理研究院流體物理研究所，
類型：發明
國別省市：