[发明专利]多火花式极高速数字成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及摄影技术，更具体地说，涉及一种新型多火花式极高速数字成像系统。

背景技术

多火花高速摄影是一种利用时序点光源阵列获得瞬态过程多幅图像的高速摄影技术，其中点光源发出的短暂闪光实现照明和曝光控制作用，而阵列点光源闪光的时序触发对瞬态过程进行时间分割，并通过合适的光学系统实现图像分幅功能。与通常的分幅高速摄影系统比较，多火花高速摄影系统无需快门，也不需要运动部件进行分幅扫描，故其结构简单，成本相对低廉，且成像质量较好，这种系统在爆轰、燃烧、撞击以及激波物理等超快现象的研究中有着广泛的应用(SPIE，Vol.4183，2001：145-152)。

多火花高速摄影技术发展至今，闪光光源已从最早的球隙火花源发展到目前普遍采用的高功率LED脉冲光源，胶片记录也已逐渐被CCD或CMOS图像传感器记录所代替(Opt.Eng.，36(7)，1997：1935-1941；半导体光电，26(2)，2005：146-150)。LED脉冲光源阵列的时序驱动和图像传感器阵列的时序记录决定了多火花高速摄影的摄影频率，由于LED器件本身及其驱动电路响应时间的限制，LED时序点光源阵列的闪光持续时间和闪光出现间隔目前均在100ns以上，因此，现有多火花高速摄影系统的最高摄影频率只能达到1千万幅/秒的水平(Rev.Sci.Instrum.，78(3)，2007：035111.1-035111.4)。

现有技术的摄影频率无法满足某些场合的应用需要，例如ns和亚ns级瞬态过程的流场显示和摄影测量。为此，需要开发一种能记录ns和亚ns级瞬态过程的极高速摄影系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中火花型高速摄影系统的摄影频率无法满足某些瞬态过程的摄影需求的问题，提供一种新型多火花式极高速数字成像系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多火花式极高速数字成像系统，包括：

照明单元，用于将脉冲激光束在单个脉冲持续时间内分解为依次通过多个光输出口输出朝向目标的多个时序闪光；

光学系统单元，用于在每个闪光持续期间将实时目标状态成像；

图像记录单元，用于记录并读取所述每个闪光持续期间的目标状态的图像；及

同步控制单元，用于提供多通道的可编程的延迟输出脉冲，以对所述照明单元、所述图像记录单元及目标之间的精密触发进行同步控制。

在本发明所述的多火花式极高速数字成像系统中，所述照明单元包括：激光器、分束镜、光学延迟线、准直系统、电光偏转器、PIN快速光电管、光导装置及高压电脉冲发生器；其中：

所述分束镜设置在所述激光器输出端，用于将来自所述激光器的脉冲激光束分成两路：第一路脉冲激光束经由所述光学延迟线和准直系统到达所述电光偏转器，第二路脉冲激光束经由所述PIN快速光电管转换为电脉冲传送至高压电脉冲发生器，所述高压电脉冲发生器与所述电光偏转器相连；

所述电光偏转器受控于所述高压电脉冲发生器产生的高压电脉冲，用于将从所述准直系统接收到的第一路脉冲激光束在单个脉冲持续时间内转换成直线轨迹的时序扫描光束；

所述光导装置用于将所述直线轨迹的时序扫描光束转换为环状轨迹的时序扫描光束，并通过所述多个光输出口输出，从而产生所述多个时序闪光。

在本发明所述的多火花式极高速数字成像系统中，所述脉冲激光束为调Q脉冲激光束，所述光输出口的数量为4至20个，所述多个时序闪光之间的间隔为ns级或亚ns级。

在本发明所述的多火花式极高速数字成像系统中，所述电光偏转器包括LiNbO₃电光晶体。

在本发明所述的多火花式极高速数字成像系统中，所述图像记录单元包括与所述多个光输出口的数量相对应的多个CCD摄像头及与所述多个CCD摄像头相连的图像采集卡；所述多个CCD摄像头呈环状分布，其镜头对准环心。

在本发明所述的多火花式极高速数字成像系统中，

所述光学系统单元包括

第一场镜，其前焦面与所述多个光输出口共面；

第二场镜，其前焦面与所述第一场镜的后焦面共面，所述目标位于所述第一场镜和第二场镜的共焦面上，

多面锥镜，其位于呈环状分布的多个CCD摄像头的环心处，用于对所述环状布置的多个点光源发出的所述多个时序闪光进行成像光线路由，以成像在对应摄像头的CCD靶面上。

在本发明所述的多火花式极高速数字成像系统中，所述同步控制单元包括：

模拟延迟模块，用于对延迟输出脉冲的延迟量低位部分进行控制；及