專利名稱：一種測量掃描式轉鏡高速攝影機瞬時掃描速度的方法
技術領域：
本發明屬于光學儀器領域，它特別涉及掃描式轉鏡高速攝影機。
背景技術：
轉鏡式高速攝影機有納秒級的時間分辨本領，良好的空間分辨率，還有與被攝目標可以準確同步、使用可靠、操作簡單等其他優點。因此它在高速攝影儀器中占據重要的地位，被廣泛應用于爆炸力學、高壓物理、實驗室等離子體、火花放電、新型激光光源和激光光譜學等領域的研究(見譚顯祥，光學高速攝影測試技術，第一版，科學出版社，1990年)。通過高速攝影可以為研究者提供既可目視觀察，又可精確測定所需數據的底片，從而對被研究對象進行理論分析和定量描述。在各種參數中，最重要的是狹縫象在底片上的掃描速度。
圖1是掃描式轉鏡高速攝影機光學原理圖。在圖1中，被攝目標經第一物鏡1、狹縫2、第二物鏡3和反射轉鏡4成像在底片5上。由于反射轉鏡4的高速旋轉，使狹縫像在底片上掃描，由此記錄下被攝目標在狹縫方向的空間位置隨時間的變化過程。在同步型掃描式轉鏡高速攝影機中，記錄膠片都是固定不動的，而且由于攝影機結構的限制，膠片的長度也較短，其有效工作角一般不超過90度。
在圖1中，O點為轉鏡4的轉軸中心，轉鏡4具有一定的厚度，因此轉鏡4的轉軸中心O點不在轉鏡4的鏡面上，O點向轉鏡4的鏡面做垂線的垂足為B點，O點到B點的距離是a，A0是第二物鏡3所成象的虛象點，O點到A0點的距離為L，A0′是狹縫象，則掃描速度在理論上可以由下式計算v＝2lω(1+acosφ/l) (1)式中v為狹縫象A0′在其象面上的掃描速度；ω為轉鏡4的角頻率；φ為光軸與轉鏡4法線的夾角。
由(1)式可知，這是一條巴斯卡爾蝸線，因此當ω恒定時象面上的掃描速度并不恒定，而且與成象位置有關，是角φ的函數。
掃描速度的測量是掃描式轉鏡高速攝影機系統中的重要技術。傳統的掃描速度的測量方法如下(見譚顯祥，光學高速攝影測試技術，第一版，科學出版社，1990.)轉鏡轉速傳感器在轉鏡每旋轉一周發出一個電脈沖信號，通過測量相鄰兩個脈沖間隔的時間得到轉鏡旋轉一周所需的時間T，則ω＝2π/T，掃描速度可由(1)式算出。然而，在攝影機設計時，為了制造方便，用一條圓弧來代替蝸線，這樣就帶來誤差；此外，在攝影機的加工中，以及在用控制臺調控轉鏡轉速時都會引入誤差，這些使得實際掃描速度與(1)式計算出來的速度有偏差。
為了測出真實的掃描速度，并進而判定攝影機設計和操作控制的準確程度，為測試提供可靠的數據，必須在膠片框的不同部位上測出掃描速度。
中國工程物理研究院流體物理研究所曾用下述方法來測量掃描速度(見葉式燦，董金軒，轉鏡式高速相機掃描速度及其不均勻性測量，爆炸與沖擊，vol.17，No.2，1997.)。在膠片框上不同位置放置與狹縫平行的標準金屬雙縫，在雙縫后接光電倍增管，將閃光燈成象在狹縫上。當狹縫象掃過雙縫時，光電倍增管輸出兩個形狀相同有一定時間間隔的脈沖，通過測量各個光電倍增管輸出的兩個電脈沖信號的間隔，就可以測得膠片框的不同部位上的掃描速度。這種方法可以對掃描速度的均勻性作鑒定，并可用鑒定結果來修正實際拍攝時的測量結果，但它不能直接測量實際拍攝時的掃描速度。
綜上所述，現有技術均不能解決在實際拍攝時高精度地測量有效記錄過程中不同時刻的掃描速度問題。

發明內容
本發明的任務是提供一種掃描式轉鏡高速攝影機在實際拍攝時高精度地測量有效記錄過程中不同時刻掃描速度的測量方法。
本發明的任務是用如下方法實現的第一步，在掃描式轉鏡高速攝影機的附近放置一個窄縫形的激光光源10(如圖2、圖3所示)，該光源10通過反射鏡11、攝影機第一物鏡1、第二物鏡3和轉鏡4成象在底片5上，光源10的靜止象12成象位置在狹縫靜止象13的沿狹縫方向的一側，如圖4所示。對于反射鏡11和物鏡1的位置關系要求是激光光源10發出的激光通過反射鏡11和物鏡1后能夠成象在狹縫2的一端。
第二步，在有效記錄過程中，通過控制激光光源10，形成一定時間間隔T的短光脈沖序列，在底片5上曝光就形成一列時標點14，如圖5所示。在圖5中，相鄰時標點(即對應底片5上的不同位置)之間的時間間隔就是相鄰光脈沖間的時間間隔T。在底片上時標點的多少可根據具體要求設置。
第三步，在采用底片分析儀分析底片5時，對應于有效記錄過程中的不同時刻，根據該時刻相鄰時標點間的距離L和時間間隔T，便可測得該時刻的掃描速度V，V＝L/T。
采用本發明的優點首先在于在實際拍攝時，可以測得有效記錄過程中不同時刻的掃描速度值。因此也就可以測得有效記錄過程中掃描速度的變化。其二，由于聚焦激光光源10在底片5上形成的靜止象12很小，而光脈沖的時間間隔T用晶振的振蕩頻率(或由專用的時間序列發生器產生的頻率)作時標，可以達到很高精度，從而使平均掃描速度的測量可以達到很高精度。
附圖及


圖1是掃描式轉鏡高速攝影機光學原理圖其中，1是第一物鏡，2狹縫，3是第二物鏡，4是轉鏡，5是膠片(底片)；O點為轉鏡4的轉軸中心，O點向轉鏡4的鏡面做垂線的垂足為B點，A0是第二物鏡3所成象的虛象點，A0′是狹縫象。
圖2本發明方法中的儀器布置示意圖其中，6是被攝目標，7是攝影機，8是攝影機控制臺，9是激光器電源，10是激光光源，11是反光鏡；圖3本發明的光學系統圖其中，對于反射鏡11和物鏡1的位置關系要求是激光光源10發出的激光通過反射鏡11和物鏡1后能夠成象在狹縫2的一端；圖4激光光源10在底片5上的成象位置示意圖其中，12是激光光源的靜止象，13是狹縫靜止象；圖5在底片上記錄下的時標點和目標掃描過程的示意圖其中，14是時標點，15是有效記錄過程。
具體實施例方式
采用GSJ型高速相機，工作在6萬轉/分，名義掃描速度為3mm/μs；采用二極管泵浦固體激光器作激光光源10，工作在0.5MHz的頻率，光脈沖寬度＜1ns，因此相鄰光脈沖間的時間間隔T為2μs，在底片5上得到62個時標點，而相鄰時標點間的距離L可以通過底片分析得到。因此就可以精確測出在底片上61個不同位置上的速度。晶振控制的相鄰光脈沖間的時間間隔誤差＜0.001％，萬能工具顯微鏡或專用底片分析儀(如98J型精密測量投影儀)的測量誤差＜±0.001mm，所以每個位置上的平均速度的測量精度達到±0.05％。
權利要求
1.一種測量掃描式轉鏡高速攝影機瞬時掃描速度的方法，它包括掃描式轉鏡高速攝影機(7)、攝影機控制臺(8)，激光器電源(9)，激光光源(10)、反射鏡(11)、底片分析儀，其特征是它采用下面的步驟工作第一步，在掃描式轉鏡高速攝影機的附近放置一個窄縫形的激光光源(10)，該光源(10)通過反射鏡(11)、攝影機第一物鏡(1)、第二物鏡(3)和轉鏡(4)成象在底片(5)上，光源(10)的靜止象(12)成象位置在狹縫靜止象(13)的沿狹縫方向的一側；對于反射鏡11和物鏡1的位置關系要求是激光光源10發出的激光通過反射鏡11和物鏡1后能夠成象在狹縫2的一端；第二步，在有效記錄過程中，通過控制激光光源(10)，形成一定時間間隔T的短光脈沖序列，在底片(5)上曝光就形成一列時標點(14)，相鄰時標點之間的時間間隔就是相鄰光脈沖間的時間間隔T；第三步，在采用底片運動分析儀分析底片(5)時，對應于有效記錄過程中的不同時刻，根據該時刻相鄰時標點間的距離L和時間間隔T，便可測得該時刻的掃描速度V，V＝L/T。
2.根據權利要求1所述的一種測量掃描式轉鏡高速攝影機瞬時掃描速度的方法，其特征在于在所述的第二步中，相鄰時標點(14)的時間間隔T的大小可以根據使用的具體要求設置，時間間隔T可由頻率穩定度高的晶振電路產生，或由專用的時間序列發生器產生。
全文摘要
本發明提供了一種測量掃描式轉鏡高速攝影機瞬時掃描速度的方法，它是通過激光脈沖序列在底片上曝光形成一列時標點，采用底片分析儀分析底片時，對應于有效記錄過程中的不同時刻，根據相鄰時標點間的距離L和時間間隔T，便可測得該時刻的掃描速度(V＝L/T)。因此，采用本發明方法可以高精度、實時測量掃描式轉鏡高速攝影機瞬時掃描速度。
文檔編號G03B39/00GK1493918SQ0213399
公開日2004年5月5日 申請日期2002年10月31日 優先權日2002年10月31日
發明者葉玉堂, 吳云峰, 余學才, 楊先明, 范超, 秦宇偉, 方勇文, 鄭華, 李瑩波, 張雪琴 申請人:電子科技大學