《工程测试第二讲20150110教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程测试第二讲20150110教材（102页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二讲 高速摄影和CCD技术的应用 内容 高速摄影技术 CCD技术 像增强器技术 一、高速摄影技术 概述 高速摄影技术发展史 高速摄影的分类 几种典型的高速摄影技 术 高速摄影，主要以高的摄影频率或高的时间 分辨本领，与普通摄影相区别。一般认为， 摄影频率高于100fs，或时间分辨短干1 1000s，就属于高速摄影研究范围。 类别低速、中速甚高速超高速 摄影频率（ f/s) 102104104106106108 时间分辨范 围（s） 1031051051071071013 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 1851年，福克斯塔尔博特(Fox Talbet、WH) 用一个莱顿瓶的放电火花作照射光
2、源，拍摄快速旋 转固盘上的报纸，获得了清晰图像。从而取得了高 速摄影最早的专利。 到20世纪30年代，主要的各种光机式高速接影设备 的结构原理都已提出。第二次世界大战后，随着国 防尖端科学技术发展的需要，各种各样的光机式高 速相机，在50、60牛代获得了高度的发展。 同时，克尔盒相机和变像管相机等超高速摄影设备 ，以其高的时间分辨本领而获得了广泛重视。特别 是变像管相机在等离子体物理和激光核聚变研究中 的应用，开创了高速摄影技术的新局面，并使高速 摄影与光子学相结合，扩展研究范围。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 1、高速摄影历史 2、高速摄影设备的分类 高速摄影设备的分类方法，迄今并无定论
3、 。这里，我们按照时间分辨本领的高低，将 它们分成以下10类，并对它们作一简介。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 1、间歇式高速电影摄影机 这类相机中，连续运动的胶片，经间歇式抓片机构后 ，作间歇运动，即当胶片静止时，快门打开，被摄物 体在胶片上成像、曝光。然后，快门关闭抓片机构 将已曝光胶片移开，并使末曝光胶片移到成像位置。 如此周而复姑，得到被摄物体的一系列发展图像。 胶片在这种“静止”“运动“的反复过程中，加速度很大 ，承受了很大的冲击载荷。因此，胶片运动速度不能 太快。也就是摄影频率不能太高。国外，使用135型 胶片的间歇式相机，最高摄影频率为360fs。如果 用16m m胶片，则可
4、达1000f/s体。国内，成都光电 技术研究所研制的135型胶片相机，摄影频率为 320f/s。这种相机，因拍摄图像时，胶片是静止的， 故成像质量最好。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 2、光学补偿式相机 在这种相机中，胶片连续运动，被摄物体经相机 中的光学系统和补偿光学元件后，所成的图像， 与胶片运动方向相同，运动速度相等。即图像与 胶片之间保持相对静止。通过周而复始的快门作 用，获得系列图像。实现光学补偿的方法很多， 最常用的是旋转多面体棱镜法，称为棱镜补偿式 相机。它有很广泛的用途。使用135型胶片的棱 镜补偿式相机，国外已达到的最高摄影频率为 3250fs，国内为2000fs。使用1
5、6m m胶片的 相机，国外为11000f5，国内西安光学精密机械 研究所也已达到这一水平。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 3、高速摄像 摄像机把被摄物体成像在摄像管靶面或CCD阵列 上，各像素的电荷数与图像照度成正比。然后按 时序输出这一电荷图像模拟信号，经处理后存贮 在磁带或磁盘上。 这类相机，有实时记录的特点配有图像数据口 功分析系统，使用方便，工作效率高。磁带或磁 盘可以反复利用，胶片记录事后各种繁琐的处理 工作。其缺点是，目前它的图像质量较差，最高 摄影频率最近虽然达到106/s，但每幅图像上的像 素只有32x 240个(用CCD阵列器件作图像传感器) 。 一、高速摄影技术一、高速
6、摄影技术 4、鼓轮式高速相机 鼓轮式高速相机，胶片紧贴在高速旋转的 金属鼓轮内圆柱或外圆柱表面上。随鼓轮 一道旋转。用光学补偿方法使被摄物体图 像与胶片保持相对静止。也可不用光学补 偿，而用序列超短光脉冲照明，使在曝光 时间内，胶片上的像移保持在允许范围之 内。鼓轮式相机有分幅和扫描两种。分幅 相机的摄影频率自数千幅至数万幅每秒； 扫描相机的时间分辨本领可达108s。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 5、脉冲光源多幅高速相机 当被摄物体本身不发光，需外加照明光源 时，用多个光脉冲依次照明物体，每个光 源都有独立的摄影光学系统，胶片静止。 光脉冲的宽度就是图像的曝光时间。用多 个电火花光源照明
7、时，目前已达到的最高 摄影频率为106fs，单幅曝光时间为亚微 秒。如用多个激光脉冲作光源，曝光时间 还可进一步缩短。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 6、 转镜式高速相机 这类相机中，胶片静止不动，被摄物体的图像 ，通过相机反射镜的高速旋转，随时间展开。 转镜分幅相机的最高摄影频率为2x107fs；扫 描相机的时间分辨本领达109s。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 7、网格式高速相机 网格板将被摄物体分成许多像素。像素 之间有相等的间隔距离，当它们同时移动 个象素距离时，所有的新像素组成另一 幅图像。所以，一张胶片上可同时贮存数 十幅图像。拍摄完毕后，冲洗胶片，并在 原相机上照明胶片，
8、通过网格板依次把各 幅图像还原出来。这类相机，理论上可达 到109fs的摄影频率，但实际使用的相机 ，多数摄影频率很低，而且应用不普遍。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 8、克尔盒高速相机 以克尔盒为快门构成的单幅相机，即为克尔盒 高速相机。每次拍摄只能获得一幅曝光时间很短 的图像。如果要得到多幅图像就要把多台相机 联用。 克尔盆是利用某些液体在电场作用下的双折射 克尔效应和光的偏振原理设计成的高速快门。施 加电压脉冲的克尔快门，单帕图像曝光时间可短 到109s。因为光也是电磁波，故用强光脉冲，也 能产生克尔效应。称为光克尔盒、它的曝光时间 可达1012s。但克尔快门对入射光强损失很大。 同
9、时，当它关闭时，漏光现象比较严重，影响了 它的普遍使用。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 9、高速全息摄影 全息摄影把物光波和参考光波的干涉图形记录 在全息胶片上，故得全息干涉图。经显影、定影 处理后的全息图，用参考光照射，它的衍射图像 精确地重现了被摄物体。由于被摄物体的高速运 动，在记录一幅全息图的曝光时间内，物光和参 考光的光程差要发生变化。如果这一变化达到 2(为激光波长)，根据光的干涉原理，就记录不 到干涉条纹。因此，高速全息摄影中，物体运动 速度不能太快。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 高速全息摄影 光电开关 多脉冲红宝石激光器 扩束镜 被摄物体 干板 四、全息技术应用四、全
10、息技术应用 10、高速变像管相机 以变像管作成象器件的高速相机，是目 前最有生命力的高速摄影设备。用作扫描 摄影时，已达到的时间分辨本领为5x10 13s。商业分幅相机的最高摄影频率达 6x108fs。扫描相机与实时图像数据处理 系统配合，可以以实时获得被摄对象的各 种参数。极大地提高了工作效率。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 几种典型的高速摄影技术 1、转镜式高速扫描相机 转镜式扫描相机是一种重要的高速摄影 设备，它的时间分辨本领达到10-9s,仅次于 变像管扫描相机。在爆炸力学和等离子体 物理实验研究工作中，是不可缺少的设备 。通常用于研究被摄物体沿某特定方向的 位移随时间的变化，测量
11、时间间隔，求出 被摄物体运动速度和加速度等。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 1、原理 国产GSJ型转镜式高速相机原理 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 同步式和等待式扫描相机 同步式扫描相机中像 面只占有限范围。如图 说示，A、B为像面 当转镜处于I位置。物体 成像于相面始端A：处 于II位置时，成像于像 面末端B。转镜I至II的 转角。因此转镜的位置 与拍摄过程发生时刻应 严格协调，方能拍摄到 图像。或者说，被拍摄 过程的发生时刻应由相 机控制。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 等待式相机转镜结构与同步式 相机不同，如图所示，被摄物 体所发出的光束，被多面体转 镜分割成几部分，一部分经
12、由 多面体的反射面1成像在相机像 面的末端B。另部分经反射 面2成像在像面始端A。r为相机 像面张角。当多面体继续旋转 时，反射面1超出成像范围，反 射面2使像由A向B扫描。当它 把像成在B点时，反射面3又把 像成在A点。因此，只要多面 体转镜在旋转，被镊过程不管 何时出现，均会成像于相机的 像面上。这就是等待式相机的 构造原理。 等待式相机 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 2、转镜式高速分幅相机 转镜式高速分幅相机是光学机械高速摄 影设备中，具有很高摄影频率的相机。虽然 网格式高速相机从原理上讲，可以得到更高 的摄影频率，但因图像复原等方面的困难， 至今仍末推广应用。而转镜式分幅相机已得
13、到了广泛的应用。目前，它的摄影频率仅次 于变像管相机。转镜式分幅相机的最高摄影 频率可达2107f/s。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 分幅相机记录二维空间信息随时间的变化情况：二 维空间信息是连续的，时间信息却是间断的，即获 得一幅图像需要一定时间，相邻两幅间有一定的时 间间隔。扫描相机则正相反，它的时间信息是连续 的，空间信息被限制在一维狭缝方向。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 被摄物体经第一物镜1，场镜4成中继像于转镜6 的反射表面。此像经分幅透镜8成像于底片9上。 由于转镜6的高速旋转，中继像依次通过各分幅透 镜在底片上得到一系列分幅图像。同时，阶梯 光阑2经场镜4和转镜6与分
14、幅光阑7共轭，组成光 快门： 5为视场光阑， 3为电磁快门。GSJ型分 幅相机即采用这种光学系统。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 光学共轭成像原理 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 FJZ250型分幅相机工作原理 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 最终成像光束的光能量远少于物镜O的满口 径光能量。若要使参与成像的光能量尽可能 多，必须加大阶梯光阑的宽度，相应地也要 加大分幅光阑孔的宽度。这样，分幅光阑圆 弧上的总通光孔数就会减少，因而转镜每转 一周得到的图象数减少，使摄影频率降低。 转镜式分幅相机之所以有很高的摄影频率(或 高的时间分辨本领)，是牺牲成像光束能量， 也就是牺牲图像空间分辨率
15、的结果。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 单独从扫描和分幅两种记录都能得到有价值的数 据，但也都存在着明显的不足足，例如，单独从 扫描照片，无法看出被摄物体在二维空间的运动 是否对称。局部奇异现象无法观察。 单独从分幅照片往往很难精确求出各运动参数。 在各种快速现象的研究中，人们希望同时用扫描 和分幅相机对同一过程进行记录。 同时分幅扫描相机，所得到的扫描和分幅记录具 有同一时间基准，从而可以更准确地得到快速现 象的发展和变化过程，以及所需的实验数据。 3、同时扫描和分幅高速相机 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 原理 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 实例（炸药水下爆炸） 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 4、高速电影摄影机 高速电影摄影机在高速相机属中、低速摄影机范 围。其频率范围很宽，从100至几万幅每秒。因 此，高速电影摄影机的应用范围很广，既适合于 军用，也适合于民用。例如导弹摄影，弹头着靶 的速度、姿态的研究 高速电影摄影机的种类也很多，最典型的有旋 转梭镜补偿式高速电影摄影机和旋转反射镜补偿 式高速电影摄影机，还有旋转透镜补偿式高速电 影摄影机，间歇式相机、鼓轮相机等。 一、高速摄影技术一、高速摄影技术 （1）旋转棱镜补偿式高速电影摄影机 1一摄影物镜； 2一旋转棱镜补偿器； 3一拍片轮； 4一 连续运动胶片 一、高速摄影技术一、高速摄影技术
