[發明專利]一種高速運動過程圖像記錄裝置

有效

• 申請號: 201310437040.8
• 申請日: 2013-09-24
• 公開（公告）號: CN103491303A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 溫偉峰;熊學仕;何徽;陶世興;李澤仁;彭其先;田建華;吳廷烈;趙新才;劉寧文
• 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: H04N5/232
• 分類號: H04N5/232;H04N5/235
• 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裝置及技術領域，涉及一種能夠在一幅圖像中完整呈現運動物體運動過程的高速光電分幅成像裝置，具體的說就是利用脈沖個數、脈沖寬度和脈沖時間間隔可調的序列高壓脈沖串驅動單個選通式近貼聚焦像增強器光電陰極來實現對運動物體運動過程的圖像記錄。

背景技術

高速分幅攝影技術是研究高速運動過程的一種重要測試方法，它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，能夠跟蹤快速變化或運動過程的發生和發展，并記錄下來。高速分幅攝影技術具有時間分辨率高（曝光時間短）、攝影頻率高等優點，其拍攝的圖像可直觀形象地反映高速瞬變過程發展趨勢，從而為研究高速運動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。

高速分幅攝影技術按成像方式可分為光學機械結構高速分幅攝影技術和高速光電分幅攝影技術。前者通常采用電動或氣動控制的高速旋轉反射鏡成像，由于高速旋轉反射鏡在一定轉速下工作穩定性下降甚至會發生變形，這導致進一步提高攝影頻率非常困難，目前每幅圖像時間分辨在亞微秒量級，攝影頻率在10⁶幅/秒左右；此外，光學機械結構的高速攝影設備結構復雜、體積龐大、操作繁瑣，也大大限制其應用領域。為克服光學機械結構的高速攝影技術時間分辨和攝影頻率很難進一步提高的缺點，高速光電分幅攝影技術應運而生，主要包括微波傳輸型光電分幅攝影技術、交叉點掃描多光欄分幅成像技術、多通道光學分幅光電攝影技術。

微波傳輸型光電分幅攝影技術首先采用光學針孔成像方法將運動物體目標像面分成空間上分離的多個像面，在后端的近貼聚焦像增強器的微通道板上制作有微波傳輸線，被光學針孔成像方法分離的多個成像像面沿微波傳輸線分布，當一個高壓脈沖沿微波傳輸線傳輸時，沿微波傳輸線分布的多個像面就會被該脈沖依次選通成像，從而得到運動目標像面在不同時刻的記錄圖像。由于此方法所得到的運動過程圖像時間間隔與脈沖沿微波傳輸線的傳輸時間有關，通常在數十皮秒量級，所以該類系統無法得到納秒以上時間間隔的分幅記錄圖像。

交叉點掃描多光欄分幅成像技術采用掃描管電子偏轉方式實現高速分幅成像，其單幅時間分辨可以達到亞納秒量級，但其主要缺點是時間分辨與畫幅間隔相關聯，無法實現獨立調節，而且其全程記錄時間只有數納秒，無法滿足運動過程在微秒或毫秒時間范圍的多幅記錄。

多通道光學分幅光電攝影技術首先采用棱鏡或平面分光方式將運動物體目標像面分成多個空間上分離的像面，然后每個像面用一個選通式近貼聚焦像增強器進行高速選通成像，最后再由CCD記錄。此種技術的記錄畫幅數由分光后像面數量和對應的選通式近貼聚焦像增強器個數決定。雖然可以實現單幅數納秒到毫秒以上曝光時間的調節，應用領域也非常廣，但該技術采用了復雜的光學分光系統將被測物體成像在不同的像增強器上，設計中不可避免因每個分光系統的不一致性所引入的成像畸變和像差，也不能在同一幅圖像上顯示被測物體的運動軌跡。此外，每個分離像面需要對應一個選通式近貼聚焦像增強器，勢必增加系統復雜度和成本，降低了系統穩定性和可靠性。

在高速分幅成像技術中還有利用自聚焦透鏡陣列分光成像、激光脈沖照明成像等方式。自聚焦透鏡陣列分光成像基本原理與多通道光學分幅光電攝影相同，也是將目標像面分成多個空間上分離的像面然后利用后端CCD記錄成像；激光脈沖照明成像利用脈沖激光照亮目標形成短曝光時間，然后利用CCD記錄成像，該高速成像技術只能在背景環境光較暗的場所應用，而且對激光光束的光斑均勻性要求較高，否則曝光不均勻，成像質量較差。

發明內容

針對上述現有技術存在的不足之處，本發明的主要目的是提出一種結構簡單，僅用一個通道光學耦合模塊和一個選通式近貼聚焦像增強器，就可以實現對高速運動過程進行快速分幅圖像記錄的裝置。由于該裝置未使用多路分光系統，避免了多路成像時引入的成像畸變和像差，而且其以非常簡單的結構實現對運動目標的多次成像。每次成像的曝光時間在數納秒到毫秒以上可調，多次成像間隔也可在十納秒到毫秒以上可調。該裝置的上述特點使其特別適用于時間范圍在數十納秒到毫秒量級運動過程的圖像記錄。