[发明专利]一种基于分光棱镜的光学成像系统及超高帧频成像方法

说明书

本发明一种基于分光棱镜的光学成像系统及超高帧频成像方法，包括光学系统、探测器组件；所述光学系统中含有分光棱镜；光束进入光学系统后，经光学系统中的多个分光棱镜进行分光，最终分别在多个探测器组件上成像，同时控制多个探测器组件依次进行曝光，实现场景的高帧频成像；光学系统内部设置有多个分光棱镜，且光束经每个分光棱镜后形成的八个成像光路完全相同。本发明解决了高分辨率与帧频之间的矛盾，系统具有高帧频、高分辨率、结构紧凑、成像优良、使用方便、环境适应性强等特点。

技术领域

本发明属于高速摄影技术领域，涉及到一种基于分光棱镜的光学成像系统及超高帧频成像方法。

背景技术

高速摄影技术是研究高速物体运动的一种行之有效的方法，与传统摄影相比，高速摄影具有高的时间分辨本领，能跟踪并记录快速变化过程。目前，高速摄影已经广泛应用物理、生物、医学、军事、体育等行业和领域，其在研究火工品动作、炮弹发射及飞行、火法放电、爆炸、化学反应、汽车碰撞、闪电探测、流体动力学、体操动作等方面发挥着极其重要的作用。

传统的高速摄影机能实现很高的帧频，但是多采用胶片作为感光元件，且系统存在扫描运动部件，不仅造成系统体积庞大，而且这也限制了其应用范围。数字式高速相机帧频与分辨率存在制约关系，高的分辨率必然导致帧频的降低，一般帧频较低，仅为几百帧～几千帧左右，很难满足实际应用对分辨率及更高帧频的需求。而传统的超高速分幅成像系统多采用ICCD或像增强器的接收系统作为光电探测器，这种成像器件分辨率较低，像元尺寸较大，难以获取目标更加清晰、细腻的信息。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提出了一种高分辨率超高速分幅成像系统及超高帧频成像方法，解决了高分辨率与帧频之间的矛盾，系统具有高帧频、高分辨率、结构紧凑、成像优良、使用方便、环境适应性强等特点。

本发明的技术解决方案是：一种基于分光棱镜的光学成像系统，包括光学系统、探测器组件；所述光学系统中含有分光棱镜；光束进入光学系统后，经光学系统中的多个分光棱镜进行分光，最终分别在多个探测器组件上成像，同时控制多个探测器组件依次进行曝光，实现场景的高帧频成像。

所述光学系统焦距为5.6mm，相对孔径1/2.2，视场角为90.8°×5.8°，光学系统畸变小于4％，系统总长小于195mm，光学系统空间频率为70lp/mm。

还包括LED照明光源，实现对场景补光或提供亮照明背景。

所述光学系统内部设置有多个分光棱镜，且光束经每个分光棱镜后形成的八个成像光路完全相同。

所述分光棱镜为立方棱镜，材料为K9，内部包含有一个45°半反半透分光面，实现能量均分。

每一个成像光路均包括沿光轴方向自左向右依次同轴设置的第一弯月正透镜、第一弯月负透镜、第二弯月负透镜、第三弯月厚透镜、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一双凸正透镜、光阑、第一胶合件、第三分光棱镜、第四弯月负透镜、第二双凸正透镜、第二胶合件及第三双凸正透镜，探测器位于光学系统最右侧。

所述第一分光棱镜、第二分光棱镜及第三分光棱镜在光学系统光路中通光口径依次减小。

一种基于分光棱镜的光学成像系统及超高帧频成像方法，步骤如下：

1)搭建基于分光棱镜的八通道成像光路；

2)根据需求的成像帧频M帧/s，确定单个探测器组件需要工作的帧频；

3)根据传感器帧频确定单个探测器组件的曝光时间间隔；

4)设计单个探测器组件曝光起始时刻位置，每隔一个固定时间间隔，轮流向每个探测器组件曝光指令，每个探测器组件在接收到曝光指令之后，立即进行电子曝光，完成对外部景物的拍摄，获取并存储图像。

所述固定时间间隔在微秒量级。