超高速光电分幅相机及应用北大核心CSCD

采用高精度、低像差的光学分幅技术,结合高精度延时控制及超快门选通微通道板(MCP)轮替曝光技术,以及CCD图像采集方法,研制了高性能的超高速光电分幅相机,其摄影频率为2×108幅/秒,像面空间分辨率为36mm-1,可连续拍摄8幅1 600×1 200像素的大画幅图像。将该相机应用于钨丝发光实验和雷管破裂实验,获得了清晰的实验图像。     

超高速高性能门控型三分幅相机

提出了一种改进块匹配宏块分布排列的快速传感器电子稳像算法,通过陀螺传感器测量摄像系统的抖动,利用小范围快速块匹配算法估计局部运动矢量,再运用最小二乘法解算全局运动矢量.小范围快速块匹配算法得到的局部运动矢量准确度高,仅需部分局部运动矢量即可准确解算出全局运动矢量.基于此在保证运动矢量准确度情况下,对块匹配宏块的分布排列进行了改进,从而减少匹配宏块数量加快算法速度.通过对宏块网格模型的分析,得出对小范围快速块匹配算法进行宏块分布改进的方案,进而设计出快速传感器电子稳像算法.仿真及实验表明:运算时间提高89%左右,且算法准确度略高于改进前算法.     

超高速高性能门控型三分幅相机

针对~108帧/秒或更高速度上的超高速分幅摄影,采用一种成像质量较好的基于会聚光中分光的全口径分光原理,利用具有高速快门控制功能的像增强器、冷却型科学CCD相机、基于大规模可编程集成电路的高速控制器等部件,研制成功了一种高性能的超高速三分幅相机.该分幅相机具有三幅图像的超快拍摄能力,快门速度最高可达3ns,摄影速度则达到3.3×108帧/秒,并且在较大范围内具有单独调节的能力;图像幅间间隔同时具有任意调节的能力,从0ns到秒级;有效像面面积达到Φ25mm,图像阵列为1 024×1 024;空间分辨率达到30lp/mm,同时具有较好的线性度和空间响应的均匀性,满足了超高速、大幅面的分幅摄影要求.     

超高速分幅相机曝光时间测量的误差分析

基于超高速光电分幅相机曝光的控制原理,从光纤切割精度和激光器精确同步两个主要影响因素出发,讨论了采用超快激光脉冲和光纤阵列形成光延时结合CCD相机的方法测量高速相机曝光时间的误差,并提出了降低误差的技术措施。分析表明,光纤切割精度和激光器精确同步引入的误差仅为皮秒级,对纳秒级的相机曝光时间测量的影响可以忽略。采用光纤束阵列法,实验测量了超高速光电分幅相机的曝光时间,对比测量值与标称值,二者吻合良好,验证了此方法的有效性。     

宽光谱超高速八分幅相机的光学系统设计

为满足数字超高速成像需求,提高相机的时间分辨率,设计了一种工作于350 nm~800 nm宽波段的八分幅相机光学系统。该系统采用光阑外置的会聚光分光结构,可同时获得同一物面的八幅相同图像,针对光学系统后截距、像方数值孔径等重要光学参数对像面照度差的影响、宽光谱成像的色差校正等问题进行了分析。在Code V中对中继镜头进行设计优化,像面大小可达26 mm,像方MTF在40 lp/mm时对比度达0.5以上,畸变小于1%,分幅后系统像面照度差在±10%以内。模拟结果表明:八分幅相机光学系统各幅图像一致性较高。     

分幅相机像面一致性分析及分幅方法改进

为了提高分幅相机的像面一致性,从分孔径和分振幅两种分幅方法的原理出发,分析了物体辐射特性影响像面一致性的原因.基于光纤传像器件匀光作用,提出了一种提高像面一致性的方法,并以棱锥分孔径实现六分幅为例,在LightTools软件中仿真了光纤面板厚度、纤芯直径、光线入射角度等参量对像面一致性的影响.结果表明,当光束主光线在光纤前端的入射角在±15°内变化时,增大光纤面板厚度或减小纤芯直径,可使得六幅像面能量差小于0.3%.基于光纤传像器件的棱锥分幅结构,可有效提高分幅相机的像面一致性.     

条纹及分幅相机技术发展概述

介绍了超快诊断技术研究的意义,概述了条纹相机和分幅相机的研究历史及现状,分析了几种主流条纹管的技术特点及主要应用领域,比较了国内外超快诊断设备研制单位特点,分析了我国在超快诊断技术方面所取得的成就、存在的问题并对下一步发展出路进行初步的分析与探讨。     

门控分幅相机增益衰减特性

 分析了分幅相机增益衰减的理论模型,利用Mathematica软件模拟了增益随电脉冲传输时间指数衰减的曲线图。根据增益衰减理论,设计了测量增益衰减系数的实验。实验结果表明：分幅相机的平均增益按0.024 9 mm^-1指数衰减,电脉冲沿微带线传输的电压幅值衰减系数平均为0.003 56 mm^-1。得出实验数据中单条微带上增益并不完全符合增益指数衰减规律,而是在最后一帧图的增益有所回升,分析得出这是由电脉冲在微带末端连接处的反射引起的。经多次测量,电脉冲在微带线末端的平均值反射比为24.2％。对增益衰减状况的改善提出建议：采用良导体制作传输线,选取介质损耗小和绝缘性能好的材料作为填充介质,合理设计MCP微带线的厚度、微带宽度及微带与输出面的间距则可减小分幅相机增益的衰减。     

门控分幅相机增益衰减特性

分析了分幅相机增益衰减的理论模型,利用Mathematica软件模拟了增益随电脉冲传输时间指数衰减的曲线图。根据增益衰减理论,设计了测量增益衰减系数的实验。实验结果表明：分幅相机的平均增益按0.024 9 mm-1指数衰减,电脉冲沿微带线传输的电压幅值衰减系数平均为0.003 56 mm-1。得出实验数据中单条微带上增益并不完全符合增益指数衰减规律,而是在最后一帧图的增益有所回升,分析得出这是由电脉冲在微带末端连接处的反射引起的。经多次测量,电脉冲在微带线末端的平均值反射比为24.2％。对增益衰减状况的改善提出建议：采用良导体制作传输线,选取介质损耗小和绝缘性能好的材料作为填充介质,合理设计MCP微带线的厚度、微带宽度及微带与输出面的间距则可减小分幅相机增益的衰减。     

皮秒级X射线分幅相机

X射线皮秒分幅摄影以高速光电子技术为基础,拍摄物体X射线辐射的两维空间分布在皮秒时间量级内的变化,用X射线变象管实现皮秒快门功能。从七十年代开始,国内外有关单位都先后开展了这一技术的研究,但到目前为止,还未见到有X射线皮秒分幅相机的商品出售。1985年以来,西安光机所开     

多角度耦合分幅相机光学系统设计

为实现高速相机的分幅功能,本文提出一种采用多角度耦合分幅方式的高速相机光学系统。该系统分幅结构采用多组相同的光学系统,在平行于物面的圆周上均匀分布,分别从不同角度拍摄同一物面,在保证各组系统的物方视场相同的情况下,每组光学系统的光轴与物平面的夹角均相同,通过优化设计得到全视场的最佳成像。根据需求,使用光学设计软件设计了多角度耦合四分幅成像中长焦光学系统并绘制三维立体仿真模型,分析了每组像面像质、照度以及畸变等相关参数,调制传递函数MTF在频率为50 lp/mm处不低于0.5,F数为2,畸变小于0.4%,相较于常用的棱镜和反射棱锥分光方式,无需额外分光结构,像面照度提高4倍以上。结果表明成像质量理想,分幅相机系统各像面所成像一致性高。     

一种多通道纳秒分幅相机

相机采用棱镜分光,薄片管增强象,电选通分幅。由四个薄片管组成四个通道,每一个通道代表一个单幅相机,分幅时序由专门电控电路进行控制,接触相机记录图象,最短曝光时间3ns,动态空间分辩率5～81lp/mm,最高分幅速率2×10⁸幅/秒,动态范围50°,在爆炸、激光、放电,光谱学等方面有广泛的应用。     

数字高速分幅相机中光学分幅系统的设计与分析

使用光学辅助设计软件ZEMAX设计了用于四通道数字高速分幅相机的光学分幅系统,并结合机械设计软件SOLIDWORKS,在ZEMAX的非序列模式下建立了光学分幅系统的三维立体仿真模型。成像质量达到了衍射极限,动态极限空间分辨率为16lp／mm。模拟分析结果表明成像质量理想,符合设计要求。     

门控分幅相机增益均匀性优化设计

 利用宽度渐变微带线进行了门控分幅相机增益不均匀性修正技术研究。建立了渐变微带线修正的物理模型,通过特性阻抗调配补偿幅度衰减,设计了特种渐变微带线参数。比较了特种曲线渐变微带线与传统直线渐变微带线的修正效果。在0~4 GHz带宽范围内,特种曲线渐变微带补偿后,电压幅度不一致性由15.0%降低至1.6%,增益不一致性由70%降低到8%。对于当前使用的分幅相机,微带线宽度由6.00 mm渐变到4.45 mm就能有效地降低门控分幅相机增益的不一致性。     

神光III核心X射线分幅相机

神光III装置核心X射线分幅相机将用于激光装置性能验收实验和宽范围的高能量密度物理、惯性约束聚变物理及基础物理实验研究.相机系统主要为记录神光III装置靶的时间分辨X射线发射设计,利用可更换的鼻椎实现具有二维空间分辨或者一维谱分辨的靶形貌时间分辨图像.神光III装置核心X射线分幅相机将被嵌入到一个铝制空气包中,空气包具有大容量冷却平板和一个特制的环境监测传感器阵列.相机设计很多部分不同于早期X射线分幅相机,如一套全新的阻抗匹配方案,曝光时间从0.07-1.5 ns可调,先进的荧光屏,脉冲屏压电路,准确的模块定位,独特的监控系统和完全远程计算机控制.其中先进的荧光屏和脉冲屏压电路已经获得初步应用.     

转镜补偿分幅相机的设计

对于胶片连续高速运动的相机,通常采用光学补偿方法解决曝光时间内因胶片运动引起的像模糊。 胶片速度小于90米/秒时,采用光学玻璃棱镜作补偿元件是可行的。若片速高于100米/秒,用光学玻璃补偿器就很困难。高转速下,离心力很大,导致玻璃应力增大,致使玻璃不再是各向均匀介质,象质严重变坏。因此,相机摄影频率的提高将受到限制。 采用钢制转镜作光学补偿元件,其强度高,转速可以大大提高。使补偿式相机的摄影频率由10³幅/秒提高到10⁵幅/秒。     

门控分幅相机增益均匀性优化设计

利用宽度渐变微带线进行了门控分幅相机增益不均匀性修正技术研究。建立了渐变微带线修正的物理模型,通过特性阻抗调配补偿幅度衰减,设计了特种渐变微带线参数。比较了特种曲线渐变微带线与传统直线渐变微带线的修正效果。在0~4 GHz带宽范围内,特种曲线渐变微带补偿后,电压幅度不一致性由15.0%降低至1.6%,增益不一致性由70%降低到8%。对于当前使用的分幅相机,微带线宽度由6.00 mm渐变到4.45 mm就能有效地降低门控分幅相机增益的不一致性。     

转镜分幅相机的五心

在ZFK—500型和ZFK—2000型相机的研制过程中,对相机的五心(中间象中心,转镜中心、球罩中心、排镜代替圆中心、底片代替圆中心),从理论上作了较为详细的探讨,并找出了实现的简单途径。实验证明,相机的象质是令人满意的:ZFK—500型相机的平均动态照相分辨率是26.74条线/毫米,有的达到了32条线/毫米以上;ZFK—2000型也达到了计算值。