[發明專利]一種同時分幅掃描超高速光電攝影系統

有效

• 申請號: 201310089490.2
• 申請日: 2013-03-20
• 公開（公告）號: CN103197499B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發明（設計）人: 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
• 主分類號: G03B39/00
• 分類號: G03B39/00;G02B27/10;G01C11/00
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司51214
• 代理人: 徐宏,吳彥峰

技術領域

本發明屬于高速攝影測試技術領域，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。

背景技術

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技術領域常用的測試手段；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。

發明內容

本發明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。

本發明采用如下技術方案：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。