一種可用於多幅紋影照相的超高速數字攝影裝置及分光器的製造方法
2024-02-14 06:55:15
一種可用於多幅紋影照相的超高速數字攝影裝置及分光器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及高速攝影【技術領域】，尤其是涉及一種可用於多幅超高速紋影照相的超高速數字攝影裝置及分光器。本發明提供一種可用於多幅超高速紋影照相的超高速數字攝影裝置及分光器，特別是通過採用分光稜鏡光學系統進行分光及像增強器來實現多幅超高速紋影照相的超高速數字攝影裝置。本發明包括物鏡、分光器、同步控制器、快脈衝電源組件、成像裝置元件等。本發明在Z-Pinch、LIA電子束斑的診斷、雷射與物質相互作用等實驗研究領域有廣闊的應用前景，另外也可在衝擊、爆轟物理及流體動力學實驗研究中得到應用。
【專利說明】—種可用於多幅紋影照相的超高速數字攝影裝置及分光器
【技術領域】
[0001]本發明涉及高速攝影【技術領域】，尤其是涉及一種可用於多幅超高速紋影照相的超高速數字攝影裝置及分光器。
【背景技術】
[0002]高速攝影技術是研究高速物體運動的一種行之有效的方法，與普通攝影最根本的區別在於，高速攝影有高的時間分辯本領，能跟蹤並記錄快速變化過程的發生發展。自然界中許多物理、化學、生物等快速變化過程都必須藉助高速攝影的方法才能進行觀察和研究，比如震動、炮彈的飛行、火花放電、爆炸、物質的化學反應等等。因此，高速攝影技術在物理、生物、醫學等領域有著廣泛的應用。特別是在國防軍事領域內，高速攝影技術更是發揮著極其重要的作用。
[0003]高速攝影設備大多以技術特點來進行分類，總體上可分為高速掃描相機和高速分幅相機，到目前為止，應用較多的高速分幅相機按時間分辨本領由低到高的順序主要有:數字式高速視頻相機、轉鏡式超高速分幅相機、超高速光電相機等。其中超高速光電相機是攝影頻率最聞的聞速分幅相機，其最聞攝影頻率可達到IO8 fps (一億幅頻)量級。
[0004]目前，國內只有深圳大學和中國工程物理研究院流體物理研究所突破了超高速光電分幅相機系統的關鍵技術難題。2004年，深圳大學研製了多通道光電分幅相機實驗室原理樣機，最聞攝影頻率為I X IO8幅/s (—億幅頻)。2009年,流體物理研究所完成了 8通道光電分幅相機的研製，最聞攝影頻率為2X108幅/s (兩億幅頻),最短曝光時間5ns,最短幅間隔1ns，而且曝光時間和幅間距均可調，連續拍攝幅數I?8幅可調。
[0005]但是，此類相機在進行較嚴格平行光作為背照明的紋影實驗時，遇到了原理性問題，即分光光學系統在進行多幅分光的同時對物體的像也造成了分割。深圳大學採用的分光系統原理如圖1所不，物鏡I和物鏡2共同組成分光光學系統,將分光稜錐置於物鏡I和物鏡2之間的孔徑光闌處，將每個視場的入射光孔徑分為均等的8等份。這種分光方式雖然可以完成分光功能，但存在兩個問題，一是在對平行光成像時的視場分割問題，二是每路接收系統都將附帶一個物鏡2，使得光學調試較為複雜。中國工程物理研究院流體物理研究所採用的分光光學系統如圖2所示，分光系統由分光物鏡和緊接其後的分光稜錐組成，分光稜錐置於系統的出瞳位置，入射光線經分光稜錐和反光鏡反射後，直接成像於接收系統，和第一種分光系統比較，該分光方式捨去了分光後的物鏡2，使得裝調變得簡單，但仍然沒有解決平行光紋影實驗時對視場的分割問題。
[0006]圖1、圖2兩種目前國內僅有的超高速數字攝影系統的分光形式，採用近似的光學分光原理，即在分光光學系統的孔徑(孔徑光闌或者出瞳)處安置一個作用等同於多個小反射鏡的分光稜錐，對入射像的光進行多等份的分割，再通過光路折轉，從而在8個像增強器上成清晰的圖像。如圖3所示，此原理在對漫反射體(餘弦輻射體)進行成像時，由於物體的像在整個孔徑內均有光入射，所以，雖然分光稜錐所分8份光是來自全孔徑不同部位的1/8光能量，但在像的每個視場上，分光稜錐的每個反射面都能將全孔徑光能按一定比例(比如1/8)分到最終像面，所有視場所分光能量是大體相當的，所以對於每幅圖像來說，圖像的各個視場處的相對亮度和分光前的像是大體一致的，成像是完整的。如圖4所示，當採用嚴格平行光(比如雷射)或平行性較好的光作為背景光進行紋影實驗時，由於每個視場對應的入射光只有「一根光線」(理論上)或極小孔徑角的光通過孔徑光闌入射到最終像面，這根光線或者這束孔徑角很小的光線在經分光稜錐進行分光後，就只能最終到達8幅中的一副圖像的最終像面，在分光稜錐對光束孔徑進行分光的同時，也造成了對視場的分割，使得在很多需要多幅超高速紋影攝影的實驗應用時，無法滿足需求。
【發明內容】
[0007]本發明所要解決的技術問題是:針對上述存在的問題，提供一種可用於多幅超高速紋影照相的超高速數字攝影裝置及分光器，特別是通過採用分光稜鏡光學系統進行分光及像增強器來實現多幅超高速紋影照相的超高速數字攝影裝置，解決了稜錐分光型超高速數字攝影系統在紋影實驗中對視場的切割問題，該裝置可以方便的進行納秒時間尺度的直接照相和多幅超高速紋影攝影實驗研究，提供一種時間分辨可達幾個ns的分幅數字攝影裝直。
[0008]本發明採用的技術方案如下:
一種可用於多幅紋影照相的超高速數字攝影裝置包括:
物鏡，用於接收入射光，形成目標實像，所述目標是通過同步控制器發送觸發信號觸發目標動作產生圖像的目標；
分光器，用於對物鏡形成的目標實像光強度進行η等分輸出，η>1 ;
同步控制器，用於接收並解析工控機發送的控制信號；進而發送用於控制目標動作的觸發信號，並同時控制快脈衝電源組件及耦合成像裝置元件；所述解析的控制信號包括脈衝頻率控制信號、控制信號、觸發信號；
快脈衝電源組件，用於接收同步控制器發送的脈衝信號，使得快脈衝電源組件產生單幅曝光時間的控制信號；
成像裝置元件，用於接收分光器輸出的η等份入射光，同時接收脈衝電源產生的單幅曝光時間控制信號，同時接收同步控制器的開關信號，進行目標圖像成像；所述成像裝置元件包括η路成像裝置。
[0009]所述成像裝置包括:
像增強器，用於採集分光器輸出的入射光，根據快脈衝電源組件輸出的單幅曝光時間控制信號控制像增強器光陰極工作，並通過像增強器微通道板對入射光進行微光探測及微光信號增強處理後，通過像增強器螢光屏輸出；
與像增強器對應的CXD相機，通過CXD相機第二輸入埠接收同步控制器控制信號，控制CCD相機第一輸入端採集像增強器螢光屏輸出的光信號，進行圖像成像，並記錄圖像信號;
連接器，用於將像增強器與CXD相機第一輸入端進行光連接；
所述同步控制器包括處理器、η個計數器、可編程延遲線、驅動電路元件，所述驅動電路元件包括與計數器對應個數的驅動電路；
處理器，用於接收及解析工控機發送的控制信號，將脈衝頻率控制信號通過控制埠發送給計數器；
計數器，用於對脈衝頻率控制信號進行計數，並將計數結果發送給可編程延遲線；可編程延遲線，用於根據計數器輸出的計數結果發送脈衝信號給快脈衝電源組件；同時接收處理器發送的觸發信號，觸發目標動作；
驅動電路，用於放大處理器輸出的控制信號，形成開關信號，驅動電路通過開關信號驅動CXD相機工作；
驅動電路個數與成像裝置個數相等，可編程延遲線個數比驅動電路個數多一個。
[0010]所述快脈衝電源組件包括多路快脈衝電源，所述快脈衝電源包括:
RC觸發電路，用於接收同步控制器輸出的快脈衝信號，進行信號限流並觸發，同時通過負偏壓端減少幹擾信號；
放大器，用於對RC觸發電路輸出的信號進行放大；
RC放電迴路，用於放大器輸出信號放大信號變成脈衝信號；
二極體，用於信號正嚮導通；
電壓匹配電路，用於將二極體輸出的電壓信號幅值匹配；
其中驅動電路個數與快脈衝電源個數相等。
[0011]根據權利要求4所述的一種可用於多幅紋影照相的超高速數字攝影裝置，其特徵在於所述RC觸發電路包括第一電容和第一電阻，放大器是雪崩管，RC放電迴路包括第二電容和第四電阻，第三電阻是限流電阻，第五電阻是匹配RC放電迴路的電阻，第一電容一端接可編程延遲線輸出端，第一電容另一端與第一電阻一端連接，第一電阻另一端、負偏壓端第二電阻一端與雪崩管基極連接，雪崩管基極與雪崩管發射極之間跨接第二電阻，高壓電源端通過第三電阻與雪崩管集電極連接，雪崩管集電極通過第二電容、第四電阻接地，雪崩管發射極接地，二極體陽極與第二電容與第四電阻共點連接，二極體陰極與第五電阻一端連接，第五電阻另一端與成像裝置連接。
[0012]所述分光器包括m個分光稜鏡,所述分光器為半反半透分光稜鏡，所述分光稜鏡依次級聯，當前分光稜鏡光輸入端與上一級分光稜鏡反射端或分光稜鏡折射端連接，當前分光稜鏡反射端或分光稜鏡折射端與下一級分光稜鏡光入射端連接，第一級分光稜鏡光入射端與物鏡輸出端光連接，最末一級分光稜鏡反射端或最末一級分光稜鏡折射端與成像裝置連接，m大於等於I。
[0013]所述還包括光纖收發器，所述光纖收發器將CCD相機獲取的圖像信號轉換為光信號，並將其發送給工控機。
[0014]一種可用於多幅紋影照相的超高速數字攝影裝置的分光器是用於對入射光強度進行η等分輸出，η> I。
[0015]所述分光器包括m個分光稜鏡,所述分光器為半反半透分光稜鏡，所述分光稜鏡依次級聯，當前分光稜鏡光輸入端與上一級分光稜鏡反射端或分光稜鏡折射端連接，當前分光稜鏡反射端或分光稜鏡折射端與下一級分光稜鏡光入射端連接，第一級分光稜鏡光入射端與物鏡輸出端光連接，最末一級分光稜鏡反射端或最末一級分光稜鏡折射端與成像裝置連接，m大於等於I。
[0016]綜上所述，由於採用了上述技術方案，本發明的有益效果是:
1、本發明可以實現多路成像裝置進行目標視場圖像拍攝，達到多幅超高速紋影照相的效果，方便的進行納秒時間尺度的直接照相，並且拍攝頻率可達IO8 fps (最短曝光時間為5ns)量級。
[0017]2、隨著分光器級聯的增多，可以實現最少為兩幅的多幅超高速紋影照相裝置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]本發明將通過例子並參照附圖的方式說明，其中:
圖1現有技術中雙物鏡分光系統不意圖。
[0019]圖2現有技術中單物鏡分光系統示意圖。
[0020]圖3現有技術中採用稜錐分光的方式對漫反射體成像的示意圖。
[0021]圖4現有技術中平行光背照明紋影實驗示意圖。
[0022]圖5是本發明原理框圖。
[0023]圖6是同步控制器原理框圖。
[0024]圖7是快脈衝電源原理圖。
[0025]圖8是分光器分光示意圖。
【具體實施方式】
[0026]本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0027]本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換。即，除非特別敘述，每個特徵只是一系列等效或類似特徵中的一個例子而已。
[0028]本發明相關說明:
1、工作原理:
被觸發信號觸發目標信號爆炸，需要將目標物爆炸場景拍攝成像時，首先通過物鏡進行成像，其次分光器對成像目標的入射光強度進行η等份輸出；被η等份的入射光經過像增強器進行圖像增強，
最後，同步控制器的處理器接收並解析工控機發送的控制信號，反饋應答信號給工控機(用以表明同步控制器接收到了工控機下發的信號)，其中解析後的控制信號包括脈衝頻率控制信號、控制CCD相機動作的控制信號、觸發信號，同步控制器發送脈衝頻率控制信號給快脈衝電源後，快脈衝電源輸出控制像增強器光陰極通斷動作的單幅曝光時間控制信號(控制光陰極工作時，接收入射光信號，光陰極不工作時，不接收光陰極信號)。同步控制器發送控制信號直接控制CCD相機進行圖像成像。則像增強器將增強後的入射光信號通過CXD相機獲取並成像，此外，還可通過光纖收發器將CXD相機採集的圖像成像信號發送給工控機。
[0029]2、光纖收發器:將CCD相機輸出的電信號轉換為光信號傳輸給工控機。
[0030]3、像增強器:陰極、微通道板(MCP)及螢光屏，將分光器輸出的微弱的入射光圖像輸入到光陰極，由於光電反射效應而產生光電子，在光陰極和MCP輸入面(MCP-入)之間的電場作用下，光電子加速並分別進入MCP的通道，經過逐級倍增形成大量次級電子，然後經輸出端面(MCP-出)和螢光屏的幾千伏電壓加速後轟擊螢光屏，引起螢光材料發光，在螢光屏上形成二維圖像，輸入光學圖像因此被增強並按高斯分布經電子聚焦顯示輸出在螢光屏上，實現對目標圖像的探測。光電子數目與入射輻射的強度成正比，圖像每點的亮度與光陰極上對應的光強度成正比。
[0031]4、CCD相機接收同步控制器的控制信號，將像增強器輸出的光圖像信號按照設定頻率採集，形成目標成像處理。CCD相機第一輸入端指的是採集圖像的埠(接收像增強器螢光屏輸出的信號)，CCD相機第二輸入端指的是控制CCD相機工作狀態的埠(由同步控制器控制)，CXD相機輸出端指的是輸出圖像採集信號的埠(通過光纖收發器與工控機連接的埠)。
[0032]5、計數器數據輸入端指的是輸入計數脈衝的埠，計數器輸出端指的是輸出計數值的埠。
[0033]6、成像裝置中連接器是光纖錐或者耦合器以及其他連接方式。
[0034]7、同步控制器包括與成像裝置個數匹配的可編程延遲線(DS1021)。
[0035]8、驅動電路是電流放大器，用於將處理器輸出電壓值進行信號放大，放大的電壓信號用於驅動(XD相機工作。
[0036]9、計數器個數比快脈衝電源個數多一個。
[0037]10、可編程延遲線輸入端輸入計數值，輸出端產生相應頻率的脈衝信號。
[0038]11、分光稜鏡光入射端就是接受入射光信號的,分光稜鏡反射端就是對入射光信號進行反射處理並輸出的埠，分光稜鏡折射端就是對入射光信號進行這書處理並輸出的埠，第一級分光稜鏡指的是與物鏡光連接的分光稜鏡，最末一級分光稜鏡指的是與成像裝置連接的分光稜鏡，當分光器只有一個分光稜鏡時，第一級分光稜鏡與最末一級分光稜鏡指的是同一個分光稜鏡，上一級分光稜鏡指的是較當前分光稜鏡接近物鏡那端的分光稜鏡。下一級分光稜鏡指的是較當前分光稜鏡接近成像裝置那端的分光稜鏡。
[0039]實施例一:如圖5所示，一種可用於多幅紋影照相的超高速數字攝影裝置包括:物鏡、分光器、同步控制器、快脈衝電源組件、成像裝置元件，所述快脈衝電源組件包括多路快脈衝電源、所述成像裝置元件包括與快脈衝電源的成像裝置，成像裝置包括像增強器(至少為兩路)、CXD相機(與像增強器個數對應)，通過連接器將像增強器與CXD相機光連接。如圖6所示，同步控制器包括處理器、計數器(與像增強器個數相等)、可編程延遲線(比像增強器個數多以個，多餘的那個可編程延遲線用以接收處理器發送的觸發信號，進而控制目標觸發，相處需要拍攝的圖像)、驅動電路元件(包括與計數器個數相等的驅動電路，用於驅動CCD相機工作，驅動電路是電流驅動電路或者電壓驅動電路)。
[0040]實施例二:如圖7所示，在實施例一基礎上，所示快脈衝電源包括快脈衝電源:包括RC觸發電路、放大器、RC放電迴路、匹配電阻、二極體D1。負偏壓端(-Vcc)輸入負電壓信號，用於減少幹擾信號。RC觸發電路包括第一電阻Cl和第一電阻R1。放大器是雪崩管Kl0 RC放電迴路包括第二電容C2和第四電阻R4。第三電阻是限流電阻。第五電阻是匹配RC放電迴路的電阻。連接關係是:第一電容一端接可編程延遲線輸出端，第一電容另一端與第一電阻一端連接，第一電阻另一端、負偏壓端第二電阻R2 —端與雪崩管Kl基極連接，雪崩管Kl基極與雪崩管Kl發射極之間跨接第二電阻R2，高壓電源端通過第三電阻與雪崩管Kl集電極連接，雪崩管Kl集電極通過第二電容C2、第四電阻R4接地，雪崩管Kl發射極接地，二極體Dl陽極與第二電容C2與第四電阻R4共點連接，二極體Dl陰極與第五電阻R5連接。
[0041]實施例三:在實施例一基礎上,如圖8所不所述分光器包括m個分光稜鏡,所述分光稜鏡為半反半透分光稜鏡，所述分光稜鏡依次級聯，分光稜鏡光輸入端與上一級分光稜鏡反射端或分光稜鏡折射端連接，分光稜鏡反射端或分光稜鏡折射端與下一級分光稜鏡光入射端連接，第一級分光稜鏡光入射端與物鏡輸出端光連接，最末一級分光稜鏡反射端或最末一級分光稜鏡折射端與成像裝置連接，m大於等於I。
[0042]本發明並不局限於前述的【具體實施方式】。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
【權利要求】
1.一種可用於多幅紋影照相的超高速數字攝影裝置，其特徵在於包括: 物鏡，用於接收入射光，形成目標實像，所述目標是通過同步控制器發送觸發信號觸發目標動作產生圖像的目標； 分光器，用於對物鏡形成的目標實像光強度進行η等分輸出，η> I ； 同步控制器，用於接收並解析工控機發送的控制信號；進而發送用於控制目標動作的觸發信號，並同時控制快脈衝電源組件及耦合成像裝置元件；所述解析的控制信號包括脈衝頻率控制信號、控制信號、觸發信號； 快脈衝電源組件，用於接收同步控制器發送的脈衝信號，使得快脈衝電源組件產生單幅曝光時間的控制信號； 成像裝置元件，用於接收分光器輸出的η等份入射光，同時接收脈衝電源產生的單幅曝光時間控制信號，同時接收同步控制器的開關信號，進行目標圖像成像；所述成像裝置元件包括η路成像裝置。
2.根據權利要求1所述的一種可用於多幅紋影照相的超高速數字攝影裝置，其特徵在於所述成像裝置包括: 像增強器，用於採集分光器輸出的入射光，根據快脈衝電源組件輸出的單幅曝光時間控制信號控制像增強器光陰極工作，並通過像增強器微通道板對入射光進行微光探測及微光信號增強處理後，通過像增強器螢光屏輸出； 與像增強器對應的CXD相機，通過CXD相機第二輸入埠接收同步控制器控制信號，控制CCD相機第一輸入端採集像增強器螢光屏輸出的光信號，進行圖像成像，並記錄圖像信號; 連接器，用於將像增強器與CXD相機第一輸入端進行光連接。
3.根據權利要求2所述的一種可用於多幅紋影照相的超高速數字攝影裝置，其特徵在於所述同步控制器包括處理器、η個計數器、可編程延遲線、驅動電路元件，所述驅動電路元件包括與計數器對應個數的驅動電路， 處理器，用於接收及解析工控機發送的控制信號，將脈衝頻率控制信號通過控制埠發送給計數器； 計數器，用於對脈衝頻率控制信號進行計數，並將計數結果發送給可編程延遲線；可編程延遲線，用於根據計數器輸出的計數結果發送脈衝信號給快脈衝電源組件；同時接收處理器發送的觸發信號，觸發目標動作； 驅動電路，用於放大處理器輸出的控制信號，形成開關信號，驅動電路通過開關信號驅動CXD相機工作； 驅動電路個數與成像裝置個數相等，可編程延遲線個數比驅動電路個數多一個。
4.根據權利要求3所述的一種可用於多幅紋影照相的超高速數字攝影裝置，其特徵在於所述快脈衝電源組件包括多路快脈衝電源，所述快脈衝電源包括: RC觸發電路，用於接收同步控制器輸出的快脈衝信號，進行信號限流並觸發，同時通過負偏壓端減少幹擾信號； 放大器，用於對RC觸發電路輸出的信號進行放大； RC放電迴路，用於放大器輸出信號放大信號變成脈衝信號； 二極體，用於信號正嚮導通；電壓匹配電路，用於將二極體輸出的電壓信號幅值匹配； 其中驅動電路個數與快脈衝電源個數相等。
5.根據權利要求4所述的一種可用於多幅紋影照相的超高速數字攝影裝置，其特徵在於所述RC觸發電路包括第一電容和第一電阻，放大器是雪崩管，RC放電迴路包括第二電容和第四電阻，第三電阻是限流電阻，第五電阻是匹配RC放電迴路的電阻，第一電容一端接可編程延遲線輸出端，第一電容另一端與第一電阻一端連接，第一電阻另一端、負偏壓端第二電阻一端與雪崩管基極連接，雪崩管基極與雪崩管發射極之間跨接第二電阻，高壓電源端通過第三電阻與雪崩管集電極連接，雪崩管集電極通過第二電容、第四電阻接地，雪崩管發射極接地，二極體陽極與第二電容與第四電阻共點連接，二極體陰極與第五電阻一端連接，第五電阻另一端與成像裝置連接。
6.根據權利要求2所述的一種可用於多幅紋影照相的超高速數字攝影裝置，其特徵在於所述分光器包括m個分光稜鏡,所述分光器為半反半透分光稜鏡，所述分光稜鏡依次級聯，當前分光稜鏡光輸入端與上一級分光稜鏡反射端或分光稜鏡折射端連接，當前分光稜鏡反射端或分光稜鏡折射端與下一級分光稜鏡光入射端連接，第一級分光稜鏡光入射端與物鏡輸出端光連接，最末一級分光稜鏡反射端和最末一級分光稜鏡折射端與成像裝置連接，m大於等於I。
7.根據權利要求1至6之一所述的一種可用於多幅紋影照相的超高速數字攝影裝置，其特徵在於所述還包括光纖收發器，所述光纖收發器將CCD相機獲取的圖像信號轉換為光信號，並將其發送給工控機。
8.一種可用於多幅紋影照相的超高速數字攝影裝置的分光器，其特徵在於分光器是用於對入射光強度進行η等分輸出，η>1。
9.根據權利要求8所述的分光器,其特徵在於所述分光器包括m個分光稜鏡,所述分光器為半反半透分光稜鏡，所`述分光稜鏡依次級聯，當前分光稜鏡光輸入端與上一級分光稜鏡反射端或分光稜鏡折射端連接，當前分光稜鏡反射端或分光稜鏡折射端與下一級分光稜鏡光入射端連接，第一級分光稜鏡光入射端與物鏡輸出端光連接，最末一級分光稜鏡反射端或最末一級分光稜鏡折射端與成像裝置連接，m大於等於I。
【文檔編號】H04N5/232GK103533236SQ201310446402
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】李劍, 劉寧文, 李澤仁, 肖正飛, 趙新才, 李牧, 溫偉峰, 王旭 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所