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超高速成像
让超高速成像成为现实
材料来源:激光世界           录入时间:2010-10-12 8:30:06

超高速分幅相机已经发展成为单独的即插即用系统,在其独特的潜望式光学结构中采用了分光器以及波长选择性元件。

Wai Chan, Keith TaylorSpecialised Imaging公司

通常,超高速分幅相机用于超快现象研究领域,例如高压放电、裂纹扩展、爆炸学以及极高速粒子碰撞研究。现在,这类传统科学已经与生物医学、植物学研究、纳米技术以及空间科学相结合。在这些新领域中,图像捕捉速度并不总是最重要的考量因素。在很多情况下,每秒50万帧(fps)或更低的速度也能够满足要求。具备能够“冻结”运动并获得高质量、高分辨率的图像以进行详尽、精确的分析能力才是最关键的。过去,对事件进行拍摄时,有好的图像序列就可以了。但如今,由于通常会将通过图像获取的数据与模拟结果相关联,然后用其调整数值模型,从而加深对物理过程的理解,因此精确定时、高分辨率以及短的曝光时间是必须的。

新成像工具

直到最近,采用分光器的超高速相机还存在着体积过大或渐晕、视差、象散等图像伪影问题。Specialised Imaging公司与光学设计公司Resolve Optics Limited共同开发了基于分光器的SIM相机。该相机消除了限制多通道分幅相机性能的光学像差问题。

光学建模软件工具实现了小型潜望式光学设计。利用这一设计,入射到SIM相机的16个视口的所有波长的光,都具有相等的渡越时间。由于无法预言入射到分光器的光的波长,因此需要格外注意透镜设计,以确保焦平面相对于波长在350~900nm范围内的所有可见光保持一致(见图1)。分光器上的每个视口都配有18mm高分辨率图像增强器,与1380×1040像素的隔行转移CCD传感器相耦合。

1:Specialised Imaging相机采用16通道分光器设计、小型潜望式光学结构,以及1个用于超高速成像的增强型CCD传感器。

增强型CCD(ICCD)传感器是法国Photonis公司专门为SIM相机开发的。该CCD传感器带有1个通道间距为6 µm的微通道板(MCP,具有600万个通道),分辨率达到了惊人的每毫米50线对(lp/mm)。通过快速开关光电阴极以起到超快快门的作用,曝光时间可以短至3ns。增强器输出端的荧光屏衰减相对较慢,因此CCD传感器有足够的时间捕获图像。

由于MCP能够倍增电子并根据施加电压的变化调节增益,因此相机内所有ICCD元件的灵敏度可以相互匹配,在捕捉强度快速变化的事件(例如爆炸、等离子体或者放电)的图像时,可以提供必要的精密控制,从而改变每帧图像的灵敏度。将微通道间距MCP同高灵敏微粒P43荧光屏相结合,并通过4mm低失真光纤抽头耦合到CCD传感器,可以实现50lp/mm的分辨率。

利用ICCD附近专用的视频信号处理器,将各个通道的CCD传感器输出的模拟视频信号转换为12比特的数字信号。在将这些信号传送到主控电路之前,使其噪声及干扰降至最低。然后,采用大型现场可编程门阵列(FPGA)装置将8路分离的12比特数据通道复用到单块高速存储器上。图像序列在存储器中保持不变,直至按照需要将其下载到控制PC中。要处理如此大量的高速数据,需要精心设计和布局印刷电路板(PCB),以避免引入不必要的噪声。

灵活控制

要想捕获发生时间为几秒钟的快速事件,需要进行精密控制。但要对仅持续百万分之一秒或者更短时间的现象进行成像,既需要对定时进行极精密的控制,也需要对简单灵活的端触发系统进行精密控制。SIM系列相机的触发系统能够接收-50~+50V范围内的任何电信号。1GHz的速率对触发信号进行采样,这样脉冲检测时间可以短至2ns,且具有非常好的可重复性(抖动小于1ns)。SURESHOT设备采用两个单独的触发输入,可以进一步增强触发。首先,SURESHOT依靠两个已知距离的触发点测量1ns内的速度;然后根据触发器到相机视场的距离,计时电路计算出准确捕获视场中在预先确定点处运动的物体的第一幅像所需的精确时延。采用这种设备,用户甚至可以在速度不断变化或无法预知的情况下,准确地确定开始记录的精确时刻。

2:SIMX8分幅相机利用80~200mm的f2.8透镜捕获的直径为1mm的射弹的25mm×20mm成像视场。相机的最近的对焦距离为50cm。相机以800,000fps的速率采集数据,曝光时间为5ns。背光光源为氙灯。

触发信号一旦被接收到,就会被传入高速定时脉冲发生器中。由该发生器同步所有的ICCD通道,以确保帧速达到10亿fps(包括重叠的快门时间)。FPGA内独特的基于随机存取存储器(RAM)的高速定时脉冲发生器,可以产生上升沿到上升沿的时间间隔为1ns~10ms的快门脉冲。采用复杂算法可以对每个ICCD通道进行独立控制,在1ns步长内的曝光时间为3ns~10ms。定时信号随后被转换为高压脉冲序列,在适当时间对图像增强器进行开关。

极高速运动

对极高速微粒碰撞进行研究是最为繁重的实验之一。这是由于射弹的速度具有不确定性,并且通常需要在较小的2~4cm2视场(FOV)中拍摄具有高放大率的图像。射弹速度通常为2~5km/s。因此,即便是微小的速度变化也可能会导致无法成功捕获图像。射弹运动速度为1km/s时,以1µs曝光时间成像将导致1mm的动态模糊。如果视场仅为6.3cm×5cm,特别是需要从图像中采集解析数据的条件下,这一结果将令人无法接受。

 

3:直径为3mm的铝制1100射弹以4119m/s的速度撞击直径为2mm的铝制2024目标靶时,利用SIM8分幅相机和105mm f2.5镜头记录撞击产生的碎片云的变化,得到了63mm的水平视场。数据采集速度为200,000fps,曝光时间为20ns,并且再次使用氙灯作为背景光源。

在一个研究1mm射弹以8km/s的速度与铝靶进行极高速碰撞的实验中,采用SIM相机内置的SURESHOT触发装置采集图像序列(见图2)。利用到目标靶射程范围内的两个激光束中断触发点,首先将触发点之间的距离值输入到SIM软件中。然后,输入从第二个触发点到拍摄第一帧图像时射弹在视场中所需到达的位置之间的距离。在实时条件下,不考虑速度变化的话,SIMX8能够精确测量两个触发点之间的速度,并且调整第二个触发的延迟时间,这样射弹就会在第一帧图像中一直处于相同的位置,从而确保在小视场中对快速事件进行无抖动触发。

 

4:利用SIM相机对碎片云成像所获得的速度值与利用其他成像方法获得的速度值的比较。t/D值代表靶厚度(t)与射弹直径(D)的比值。

在一个类似的超高速成像实验中,SIM相机以极高的清晰度拍摄了小型射弹分裂所导致的碎片云的变化过程(见图3)。在最初的几张图像中显示了经典的“行进中的羽毛球”形状,这是此类高速碰撞实验研究的特征。人们可以从这些记录以及复原的靶中得到许多量化的信息,从而与计算机模拟结果进行关联比较。此外,也可以将实验中测量到的碎片云轴向速度与采用其他方法得到的结果相比较,包括传统的影像薄膜技术等(见图4)。[1],[2],[3],[4]比较结果显示此实验结果与利用其他方法得到的结果一致,并且与通过影像薄膜法得到的值十分接近。这表明数字SIM成像能够提供高品质、高分辨率,确保最终能得到精确、可靠的数据。

参考文献:

  1. A.J. Piekutowski, Int. J. Impact Eng. 23, 711–722 (1999).
  2. P.L. Hereil et al., Centre d'Etudes de Gramat Report T2001-00059/CEG/NC, Gramat, France (2001).
  3. J.M. Sibeaud et al., Int. J. Impact Eng. 29, 647–658 (2003)
  4. Q. Zhang et al., Int. J. Impact Eng. 35, 1884–1891 (2008).

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