超高速分幅相機(jī)已經(jīng)發(fā)展成為單獨(dú)的即插即用系統(tǒng)，在其獨(dú)特的潛望式光學(xué)結(jié)構(gòu)中采用了分光器以及波長選擇性元件。

Wai Chan, Keith Taylor；Specialised Imaging公司

通常,超高速分幅相機(jī)用于超快現(xiàn)象研究領(lǐng)域,例如高壓放電、裂紋擴(kuò)展、爆炸學(xué)以及極高速粒子碰撞研究。現(xiàn)在，這類傳統(tǒng)科學(xué)已經(jīng)與生物醫(yī)學(xué)、植物學(xué)研究、納米技術(shù)以及空間科學(xué)相結(jié)合。在這些新領(lǐng)域中，圖像捕捉速度并不總是最重要的考量因素。在很多情況下，每秒50萬幀（fps）或更低的速度也能夠滿足要求。具備能夠“凍結(jié)”運(yùn)動并獲得高質(zhì)量、高分辨率的圖像以進(jìn)行詳盡、精確的分析能力才是最關(guān)鍵的。過去，對事件進(jìn)行拍攝時(shí)，有好的圖像序列就可以了。但如今，由于通常會將通過圖像獲取的數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果相關(guān)聯(lián)，然后用其調(diào)整數(shù)值模型，從而加深對物理過程的理解，因此精確定時(shí)、高分辨率以及短的曝光時(shí)間是必須的。

新成像工具

直到最近，采用分光器的超高速相機(jī)還存在著體積過大或漸暈、視差、象散等圖像偽影問題。Specialised Imaging公司與光學(xué)設(shè)計(jì)公司Resolve Optics Limited共同開發(fā)了基于分光器的SIM相機(jī)。該相機(jī)消除了限制多通道分幅相機(jī)性能的光學(xué)像差問題。

光學(xué)建模軟件工具實(shí)現(xiàn)了小型潛望式光學(xué)設(shè)計(jì)。利用這一設(shè)計(jì)，入射到SIM相機(jī)的16個視口的所有波長的光，都具有相等的渡越時(shí)間。由于無法預(yù)言入射到分光器的光的波長，因此需要格外注意透鏡設(shè)計(jì)，以確保焦平面相對于波長在350～900nm范圍內(nèi)的所有可見光保持一致（見圖1）。分光器上的每個視口都配有18mm高分辨率圖像增強(qiáng)器，與1380×1040像素的隔行轉(zhuǎn)移CCD傳感器相耦合。

圖1：Specialised Imaging相機(jī)采用16通道分光器設(shè)計(jì)、小型潛望式光學(xué)結(jié)構(gòu)，以及1個用于超高速成像的增強(qiáng)型CCD傳感器。

增強(qiáng)型CCD（ICCD）傳感器是法國Photonis公司專門為SIM相機(jī)開發(fā)的。該CCD傳感器帶有1個通道間距為6 µm的微通道板（MCP，具有600萬個通道），分辨率達(dá)到了驚人的每毫米50線對（lp/mm）。通過快速開關(guān)光電陰極以起到超快快門的作用，曝光時(shí)間可以短至3ns。增強(qiáng)器輸出端的熒光屏衰減相對較慢，因此CCD傳感器有足夠的時(shí)間捕獲圖像。

由于MCP能夠倍增電子并根據(jù)施加電壓的變化調(diào)節(jié)增益，因此相機(jī)內(nèi)所有ICCD元件的靈敏度可以相互匹配，在捕捉強(qiáng)度快速變化的事件（例如爆炸、等離子體或者放電）的圖像時(shí)，可以提供必要的精密控制，從而改變每幀圖像的靈敏度。將微通道間距MCP同高靈敏微粒P43熒光屏相結(jié)合，并通過4mm低失真光纖抽頭耦合到CCD傳感器，可以實(shí)現(xiàn)50lp/mm的分辨率。

利用ICCD附近專用的視頻信號處理器，將各個通道的CCD傳感器輸出的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為12比特的數(shù)字信號。在將這些信號傳送到主控電路之前，使其噪聲及干擾降至最低。然后，采用大型現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）裝置將8路分離的12比特?cái)?shù)據(jù)通道復(fù)用到單塊高速存儲器上。圖像序列在存儲器中保持不變，直至按照需要將其下載到控制PC中。要處理如此大量的高速數(shù)據(jù)，需要精心設(shè)計(jì)和布局印刷電路板（PCB），以避免引入不必要的噪聲。

靈活控制

要想捕獲發(fā)生時(shí)間為幾秒鐘的快速事件，需要進(jìn)行精密控制。但要對僅持續(xù)百萬分之一秒或者更短時(shí)間的現(xiàn)象進(jìn)行成像，既需要對定時(shí)進(jìn)行極精密的控制，也需要對簡單靈活的端觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行精密控制。SIM系列相機(jī)的觸發(fā)系統(tǒng)能夠接收-50～+50V范圍內(nèi)的任何電信號。1GHz的速率對觸發(fā)信號進(jìn)行采樣，這樣脈沖檢測時(shí)間可以短至2ns，且具有非常好的可重復(fù)性（抖動小于1ns）。SURESHOT設(shè)備采用兩個單獨(dú)的觸發(fā)輸入，可以進(jìn)一步增強(qiáng)觸發(fā)。首先，SURESHOT依靠兩個已知距離的觸發(fā)點(diǎn)測量1ns內(nèi)的速度；然后根據(jù)觸發(fā)器到相機(jī)視場的距離，計(jì)時(shí)電路計(jì)算出準(zhǔn)確捕獲視場中在預(yù)先確定點(diǎn)處運(yùn)動的物體的第一幅像所需的精確時(shí)延。采用這種設(shè)備,用戶甚至可以在速度不斷變化或無法預(yù)知的情況下，準(zhǔn)確地確定開始記錄的精確時(shí)刻。

圖2：SIMX8分幅相機(jī)利用80～200mm的f2.8透鏡捕獲的直徑為1mm的射彈的25mm×20mm成像視場。相機(jī)的最近的對焦距離為50cm。相機(jī)以800,000fps的速率采集數(shù)據(jù)，曝光時(shí)間為5ns。背光光源為氙燈。

觸發(fā)信號一旦被接收到，就會被傳入高速定時(shí)脈沖發(fā)生器中。由該發(fā)生器同步所有的ICCD通道，以確保幀速達(dá)到10億fps（包括重疊的快門時(shí)間）。FPGA內(nèi)獨(dú)特的基于隨機(jī)存取存儲器（RAM）的高速定時(shí)脈沖發(fā)生器，可以產(chǎn)生上升沿到上升沿的時(shí)間間隔為1ns～10ms的快門脈沖。采用復(fù)雜算法可以對每個ICCD通道進(jìn)行獨(dú)立控制，在1ns步長內(nèi)的曝光時(shí)間為3ns～10ms。定時(shí)信號隨后被轉(zhuǎn)換為高壓脈沖序列，在適當(dāng)時(shí)間對圖像增強(qiáng)器進(jìn)行開關(guān)。

極高速運(yùn)動

對極高速微粒碰撞進(jìn)行研究是最為繁重的實(shí)驗(yàn)之一。這是由于射彈的速度具有不確定性，并且通常需要在較小的2～4cm²視場（FOV）中拍攝具有高放大率的圖像。射彈速度通常為2～5km/s。因此，即便是微小的速度變化也可能會導(dǎo)致無法成功捕獲圖像。射彈運(yùn)動速度為1km/s時(shí)，以1µs曝光時(shí)間成像將導(dǎo)致1mm的動態(tài)模糊。如果視場僅為6.3cm×5cm，特別是需要從圖像中采集解析數(shù)據(jù)的條件下，這一結(jié)果將令人無法接受。

圖3：直徑為3mm的鋁制1100射彈以4119m/s的速度撞擊直徑為2mm的鋁制2024目標(biāo)靶時(shí)，利用SIM8分幅相機(jī)和105mm f2.5鏡頭記錄撞擊產(chǎn)生的碎片云的變化，得到了63mm的水平視場。數(shù)據(jù)采集速度為200,000fps，曝光時(shí)間為20ns,并且再次使用氙燈作為背景光源。

在一個研究1mm射彈以8km/s的速度與鋁靶進(jìn)行極高速碰撞的實(shí)驗(yàn)中,采用SIM相機(jī)內(nèi)置的SURESHOT觸發(fā)裝置采集圖像序列（見圖2）。利用到目標(biāo)靶射程范圍內(nèi)的兩個激光束中斷觸發(fā)點(diǎn)，首先將觸發(fā)點(diǎn)之間的距離值輸入到SIM軟件中。然后，輸入從第二個觸發(fā)點(diǎn)到拍攝第一幀圖像時(shí)射彈在視場中所需到達(dá)的位置之間的距離。在實(shí)時(shí)條件下，不考慮速度變化的話，SIMX8能夠精確測量兩個觸發(fā)點(diǎn)之間的速度，并且調(diào)整第二個觸發(fā)的延遲時(shí)間，這樣射彈就會在第一幀圖像中一直處于相同的位置，從而確保在小視場中對快速事件進(jìn)行無抖動觸發(fā)。

圖4：利用SIM相機(jī)對碎片云成像所獲得的速度值與利用其他成像方法獲得的速度值的比較。t/D值代表靶厚度（t）與射彈直徑（D）的比值。

在一個類似的超高速成像實(shí)驗(yàn)中，SIM相機(jī)以極高的清晰度拍攝了小型射彈分裂所導(dǎo)致的碎片云的變化過程（見圖3）。在最初的幾張圖像中顯示了經(jīng)典的“行進(jìn)中的羽毛球”形狀，這是此類高速碰撞實(shí)驗(yàn)研究的特征。人們可以從這些記錄以及復(fù)原的靶中得到許多量化的信息，從而與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)比較。此外，也可以將實(shí)驗(yàn)中測量到的碎片云軸向速度與采用其他方法得到的結(jié)果相比較，包括傳統(tǒng)的影像薄膜技術(shù)等（見圖4）。^{[1],[2],[3],[4]}比較結(jié)果顯示此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與利用其他方法得到的結(jié)果一致，并且與通過影像薄膜法得到的值十分接近。這表明數(shù)字SIM成像能夠提供高品質(zhì)、高分辨率，確保最終能得到精確、可靠的數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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