專利名稱：瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及圖像記錄技術，具體涉及一種能超高速記錄瞬態現象二維序列圖像記錄系統。
背景技術：
在進行爆轟、高壓放電、高速風動、激波物理、渦流、彈道與穿甲、爆炸和碎裂、高速運動和變形、化學反應、細觀和微觀等超快變化過程的技術研究時，需要以序列圖像的方式記錄這些瞬變現象；現在所采用的超高速圖像記錄技術主要有以下幾種變像管技術、網格技術、鼓輪技術、特種CCD技術和激光電光快門技術；上述技術存在以下缺點變像管技術能實現超高速、光增強，但是像質差、畫幅小和畫幅數少(≤8幅)；網格技術是攝影頻率高，但畫幅數少、像質差，要“再現”不方便使用，用戶極少；鼓輪技術難以做到頻率高，應用受到局限；特種超高速CCD技術尚不成熟、激光電光快門技術局限于特定的研究領域。

發明內容
本發明要解決的技術問題在于，提供一種瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統，這種系統的記錄頻率高(＞104～107pps)、象質優良(攝影空間分辨率＞20～30lp/mm)、畫幅大(φ24mm)、畫幅數多(100～200幅)、可實現光學等待，能滿足高速瞬變現象(約占60％)對時間、空間分辨細節的要求。
本發明提供的技術方案是構造一種瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統，其特征在于，包括目標圖像信息發生單元、圖像成像單元，控制所述目標圖像信息發生單元和圖像成像單元工作的控制單元。
在上述瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統中，所述圖像成像單元包括依序由物鏡、目鏡、場鏡、真空球罩轉鏡和排鏡構成的光學成像系統、設置在所述光學成像系統中的快門系統，控制所述快門系統工作的快門控制電路，控制所述真空球罩轉鏡工作的控制和驅動裝置，所述快門控制電路和控制和驅動裝置分別與所述控制單元連接。
在上述瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統中，所述目標圖像信息發生單元包括與所述控制單元連接的保護電路、分別與保護電路連接的高壓脈沖發生器和照明單元控制器，所述照明單元控制器控制照明光源為目標提供光源，所述高壓脈沖發生器觸發目標產生圖像信息。
在上述瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統中，所述快門系統包括設置在所述物鏡和目鏡之間的電涌式金屬箔快開快門，設置在目鏡與場鏡之間的爆炸快關快門和電磁安全快門或電光快門；所述控制和驅動裝置包括與所述轉鏡連接的同軸增速驅動電機，與所述電機連接的驅動電路，所述驅動電路與所述控制單元連接，還包括設置在所述轉鏡中的轉速檢測傳感器，與該傳感器連接，將傳感信號處理后送至控制單元的轉速信號處理單元。
在上述瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統中，所述控制單元包括實現可視化監控的虛擬控制面板，與所述面板連接的控制PC主板，通過ISA總線與所述控制PC主板連接，可同時實現同步、精測、延時、電機驅動及調速、高壓脈沖形成及觸發的擴展卡，所述擴展卡的輸出接口分別與所述目標圖像信息發生單元和圖像成像單元連接。
在上述瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統中，所述真空球罩轉鏡包括是一種設置在真空球罩中的高強度鋁合金轉鏡。
實施本發明提供的瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統，由于在系統中設置了轉鏡式超高速記錄裝置，在控制單元的控制下，既能對起爆時刻隨機性大的瞬變現象進行等待記錄，亦能對零點漂移不大的瞬變現象進行同步攝影；既能用于瞬變現象時間短于記錄時間等待記錄，亦能用于瞬變現象時間大于記錄時間的等待記錄。能實現在其他條件不變的情況下，畫幅尺寸盡可能大，這樣時間方向的信息量高；小體積的超高速電驅動轉鏡系統，使用方便，易于自動控制；快門系統齊全，除了有電磁快門外，還有μs級的快開快門和快關快門；電控系統應可靠，能實現虛擬控制和實時可視化監測；測速精度和觸發延時精度達到國際先進水平；本記錄系統有著記錄頻率高(＞104～107pps)、象質優良(攝影空間分辨率＞20～30lp/mm)、畫幅大(φ24mm)、畫幅數多(100～200幅)和可實現光學等待等優點，因而能滿足一大類高速瞬變現象(約占60％)對時間、空間分辨細節的要求。本發明已應用在S-150型超高速等待式分幅攝影機的研制中。經檢測，該機的經濟攝影頻率104pps～1.4×106pps，最高可達2.24×106pps(對鋁轉鏡)，攝影頻率實現連續可調；畫幅尺寸14×20mm2，畫幅數(有效)110幅；動態攝影分辨率20lp/mm(時間方向)，動態目視分辨率大于34lp/mm(時間方向)、大于75lp/mm(空間方向)；快開快門動作時間小于28μs(通常為22μs)，爆炸快門關門時間小于10μs(通常為5μs)；測速誤差±0.1％，穩速誤差±3％；四路延時精度±0.1μs；三路觸發高壓，脈沖幅沿小于0.1μs；直流驅動，脈寬調速，可實現無級變速。可用于等待記錄，亦可用于同步記錄。


圖1是本發明系統的結構框圖；圖2是圖1所示系統中的光學系統結構圖。
具體實施例方式
本發明是一種能高性能記錄瞬態現象(超快過程)二維序列圖像的多用途的轉鏡式超高速記錄系統。所謂超高速，是指攝影記錄頻率要大于105～107pps。本發明采用了非冗余設計的方法，是基于轉鏡旋轉中心在第三象限、像面的非對稱設計和軸外點的漸暈光學設計原理。從而增加了時間方向的畫幅尺寸和增大了時空信息量。如圖1所示，系統由目標圖像信息發生單元3、圖像成像單元2，控制所述目標圖像信息發生單元和圖像成像單元工作的控制單元1構成。
成像單元2如圖2所示，由物鏡、目鏡、場鏡、真空球罩轉鏡和排鏡構成的光學成像系統，目標圖像信息發生單元包由與控制單元連接的保護電路、分別與保護電路連接的高壓脈沖發生器和照明單元控制器構成，照明單元控制器控制照明光源為目標提供光源，高壓脈沖發生器使目標發出圖像信息。
成像單元2的成像原理如圖2所示一次像面I1成在目鏡L2的前焦面上，二次像I2成在轉鏡M5附近，三次像I3成在底片面上；S1為孔徑光闌，成像在出瞳光闌S2上，當系統中的轉鏡M5高速轉動時，會形成高速掃描的光學快門，依次曝光成像，從而實現超高速分幅的目的。光學系統采用物鏡-目鏡-場鏡-球罩(負透鏡)-排鏡系統，目鏡和場鏡之間構成平行光路，便于安排快門系統。
在系統中設置有完善的快門系統，可避免重復曝光；如圖2所示，設有電涌式金屬箔快開快門S3，電涌式金屬箔快開快門采用預磁場，使開門時間小于28μs，可達22μs(實現0.7mm/μs快門速度，為國際最好成績)，這種快門可避免開拍前的重復曝光；爆炸快關快門S4，關門時間小于10μs，最小達5μs，這種快門避免拍攝后的重復曝光；電磁安全快門S5，開關時間在ms級，用以安全保護，盡量減小重復曝光。在激光或準單色光照明情況下，還可以采用電光快門(ns級)來取代快開快門S3和爆炸快門S4。
系統中的轉鏡M5在真空球罩中轉動，不僅阻力小也有利于上高速，而且不存在對成像有影響的渦流。采用電動大速比同軸增速超高速驅動鋁轉鏡和真空球罩系統，轉鏡M5可采用高強度鋁合金轉鏡。這種鋁轉鏡工藝性好、極限破壞線速度高(1070mps)、鏡面質量和反射率都能滿足要求，最高轉速達4×105rpm，這時邊緣線速度已達800mps，較鋼轉鏡提高了三分之一。采用電機驅動轉鏡M5，具有不需要氣源、操作方便、速度靈活(易于智能控制、遠程控制)的優點，由于調速性能好的高速直流電機也只有3×104rpm，要達到4×105rpm，需要升速。本系統設計了大速比的同軸升速機械結構，體積小，速比可達2×13＝26(一級齒輪增速2∶1，同軸增速機構的增速比是13∶1)。
采用超高速轉鏡攝影機電控系統中的虛擬控制技術，實現可視化監控，和同時實現同步、精測、延時、電機驅動及調速、高壓脈沖形成及觸發。
電控系統處于強弱電混合的復雜環境中，所以對電控系統的主要要求是穩定可靠、抗干擾、操作方便、實時監控和測速延時精度高，本發明采用了虛擬控制技術，以虛擬開關取代了以往幾十個安裝數據用機械開關，幾乎無故障，可靠性極高；該系統有效實現對瞬態現象全過程的可視化實時跟蹤，利于發現和排除隱患；同時具有完善的抗干擾措施，嚴格隔離了強電的干擾。
權利要求
1.一種瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統，其特征在于，包括目標圖像信息發生單元(3)、圖像成像單元(2)、控制所述目標圖像信息發生單元(3)和圖像成像單元(2)工作的控制單元(1)。
2.根據權利要求1所述瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統，其特征在于，所述圖像成像單元包括依序由物鏡、目鏡、場鏡、真空球罩轉鏡和排鏡構成的光學成像系統、設置在所述光學成像系統中的快門系統，控制所述快門系統工作的快門控制電路，控制所述真空球罩轉鏡工作的控制和驅動裝置，所述快門控制電路和控制和驅動裝置分別與所述控制單元連接。
3.根據權利要求1所述瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統，其特征在于，所述目標圖像信息發生單元包括與所述控制單元連接的保護電路、分別與保護電路連接的高壓脈沖發生器和照明單元控制器，所述照明單元控制器控制照明光源為目標提供光源，所述高壓脈沖發生器使目標產生圖像信息。
4.根據權利要求2所述瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統，其特征在于，所述快門系統包括設置在所述物鏡和目鏡之間的電涌式金屬箔快開快門，設置在目鏡與場鏡之間的爆炸快關快門和電磁安全快門；所述控制和驅動裝置包括與所述轉鏡連接的同軸增速驅動電機，與所述電機連接的驅動電路，所述驅動電路與所述控制單元連接，還包括設置在所述轉鏡中的轉速檢測傳感器，與該傳感器連接，將傳感信號處理后送至控制單元的轉速信號處理單元。
5.根據權利要求1-4之一所述的瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統，其特征在于，所述控制單元包括實現可視化監控的虛擬控制面板，與所述面板連接的控制PC主板，通過ISA總線與所述控制PC主板連接，可同時實現同步、精測、延時、電機驅動及調速、高壓脈沖形成及觸發的擴展卡，所述擴展卡的輸出接口分別與所述目標圖像信息發生單元和圖像成像單元連接。
6.根據權利要求2-4之一所述瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統，其特征在于，所述真空球罩轉鏡是一種設置在真空球罩中的高強度鋁合金轉鏡。
全文摘要
本發明公開了一種瞬態現象二維序列圖像多用途記錄系統，其特征在于，包括目標圖像信息發生單元、圖像成像單元、控制所述目標圖像信息發生單元和圖像成像單元工作的控制單元；在系統中設置有轉鏡式超高速記錄裝置，在控制單元的控制下，既能對起爆時刻隨機性大的瞬變現象進行等待記錄，亦能對零點漂移不大的瞬變現象進行同步攝影；既能用于瞬變現象時間短于記錄時間等待記錄，亦能用于瞬變現象時間大于記錄時間的等待記錄。能實現在其他條件不變的情況下，畫幅尺寸大，在時間方向的信息量高；小體積的超高速電驅動轉鏡系統，使用方便，易于自動控制；快門系統齊全，電控系統可靠，能實現虛擬控制和實時可視化監測；測速精度和觸發延時精度高。
文檔編號G06T11/00GK1494038SQ02135068
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
發明者李景鎮, 孫鳳山, 劉寧文, 李善祥 申請人:深圳大學