工程測(cè)試第二講-課件

第二講高速攝影和CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/271第二講高速攝影和CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/271內(nèi)容高速攝影技術(shù)CCD技術(shù)2020/12/272內(nèi)容高速攝影技術(shù)2020/12/272精品資料3精品資料3你怎么稱呼老師？如果老師最后沒(méi)有總結(jié)一節(jié)課的重點(diǎn)的難點(diǎn)，你是否會(huì)認(rèn)為老師的教學(xué)方法需要改進(jìn)？你所經(jīng)歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽(yáng)曬，也不怕那風(fēng)雨狂，只怕先生罵我笨，沒(méi)有學(xué)問(wèn)無(wú)顏見(jiàn)爹娘……”“太陽(yáng)當(dāng)空照，花兒對(duì)我笑，小鳥說(shuō)早早早……”44一、高速攝影技術(shù)概述高速攝影技術(shù)發(fā)展史高速攝影的分類幾種典型的高速攝影技術(shù)2020/12/275一、高速攝影技術(shù)概述2020/12/275高速攝影，主要以高的攝影頻率或高的時(shí)間分辨本領(lǐng)，與普通攝影相區(qū)別。一般認(rèn)為，攝影頻率高于100f／s，或時(shí)間分辨短干1／1000s，就屬于高速攝影研究范圍。類別低速、中速甚高速超高速攝影頻率（f/s)102－104104－106106－108時(shí)間分辨范圍（s）10－3－10－510－5－10－710－7－10－13一、高速攝影技術(shù)2020/12/276類別低速、中速甚高速超高速攝影頻率（f/s)102－10411851年，福克斯—塔爾博特(FoxTalbet、W．H．)用一個(gè)萊頓瓶的放電火花作照射光源，拍攝快速旋轉(zhuǎn)固盤上的報(bào)紙，獲得了清晰圖像。從而取得了高速攝影最早的專利。到20世紀(jì)30年代，主要的各種光機(jī)式高速接影設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理都已提出。第二次世界大戰(zhàn)后，隨著國(guó)防尖端科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，各種各樣的光機(jī)式高速相機(jī)，在50、60牛代獲得了高度的發(fā)展。同時(shí)，克爾盒相機(jī)和變像管相機(jī)等超高速攝影設(shè)備，以其高的時(shí)間分辨本領(lǐng)而獲得了廣泛重視。特別是變像管相機(jī)在等離子體物理和激光核聚變研究中的應(yīng)用，開(kāi)創(chuàng)了高速攝影技術(shù)的新局面，并使高速攝影與光子學(xué)相結(jié)合，擴(kuò)展研究范圍。一、高速攝影技術(shù)1、高速攝影歷史2020/12/2771851年，福克斯—塔爾博特(FoxTalbet、W．H．2、高速攝影設(shè)備的分類高速攝影設(shè)備的分類方法，迄今并無(wú)定論。這里，我們按照時(shí)間分辨本領(lǐng)的高低，將它們分成以下10類，并對(duì)它們作一簡(jiǎn)介。一、高速攝影技術(shù)2020/12/2782、高速攝影設(shè)備的分類一、高速攝影技術(shù)2020/12/2781、間歇式高速電影攝影機(jī)這類相機(jī)中，連續(xù)運(yùn)動(dòng)的膠片，經(jīng)間歇式抓片機(jī)構(gòu)后，作間歇運(yùn)動(dòng)，即當(dāng)膠片靜止時(shí)，快門打開(kāi)，被攝物體在膠片上成像、曝光。然后，快門關(guān)閉．抓片機(jī)構(gòu)將已曝光膠片移開(kāi)，并使末曝光膠片移到成像位置。如此周而復(fù)姑，得到被攝物體的一系列發(fā)展圖像。膠片在這種“靜止”“運(yùn)動(dòng)“的反復(fù)過(guò)程中，加速度很大，承受了很大的沖擊載荷。因此，膠片運(yùn)動(dòng)速度不能太快。也就是攝影頻率不能太高。國(guó)外，使用135型膠片的間歇式相機(jī)，最高攝影頻率為360f／s。如果用16mm膠片，則可達(dá)1000f/s體。國(guó)內(nèi)，成都光電技術(shù)研究所研制的135型膠片相機(jī)，攝影頻率為320f/s。這種相機(jī)，因拍攝圖像時(shí)，膠片是靜止的，故成像質(zhì)量最好。一、高速攝影技術(shù)2020/12/2791、間歇式高速電影攝影機(jī)這類相機(jī)中，連續(xù)運(yùn)動(dòng)的膠片，經(jīng)間歇式2、光學(xué)補(bǔ)償式相機(jī)在這種相機(jī)中，膠片連續(xù)運(yùn)動(dòng)，被攝物體經(jīng)相機(jī)中的光學(xué)系統(tǒng)和補(bǔ)償光學(xué)元件后，所成的圖像，與膠片運(yùn)動(dòng)方向相同，運(yùn)動(dòng)速度相等。即圖像與膠片之間保持相對(duì)靜止。通過(guò)周而復(fù)始的快門作用，獲得系列圖像。實(shí)現(xiàn)光學(xué)補(bǔ)償?shù)姆椒ê芏?，最常用的是旋轉(zhuǎn)多面體棱鏡法，稱為棱鏡補(bǔ)償式相機(jī)。它有很廣泛的用途。使用135型膠片的棱鏡補(bǔ)償式相機(jī)，國(guó)外已達(dá)到的最高攝影頻率為3250f／s，國(guó)內(nèi)為2000f／s。使用16mm膠片的相機(jī)，國(guó)外為11000f／5，國(guó)內(nèi)西安光學(xué)精密機(jī)械研究所也已達(dá)到這一水平。一、高速攝影技術(shù)2020/12/27102、光學(xué)補(bǔ)償式相機(jī)在這種相機(jī)中，膠片連續(xù)運(yùn)動(dòng)，被攝物體經(jīng)相機(jī)3、高速錄像攝像機(jī)把被攝物體成像在攝像管靶面或CCD陣列上，各像素的電荷數(shù)與圖像照度成正比。然后按時(shí)序輸出這一電荷圖像模擬信號(hào)，經(jīng)處理后存貯在磁帶或磁盤上。這類相機(jī)，有實(shí)時(shí)記錄的特點(diǎn)．配有圖像數(shù)據(jù)口功分析系統(tǒng)，使用方便，工作效率高。磁帶或磁盤可以反復(fù)利用，膠片記錄事后各種繁瑣的處理工作。其缺點(diǎn)是，目前它的圖像質(zhì)量較差，最高攝影頻率最近雖然達(dá)到12000/s，但每幅圖像上的像素只有32x240個(gè)(用CCD陣列器件作圖像傳感器)。一、高速攝影技術(shù)2020/12/27113、高速錄像攝像機(jī)把被攝物體成像在攝像管靶面或CCD陣列上，4、鼓輪式高速相機(jī)鼓輪式高速相機(jī)，膠片緊貼在高速旋轉(zhuǎn)的金屬鼓輪內(nèi)圓柱或外圓柱表面上。隨鼓輪一道旋轉(zhuǎn)。用光學(xué)補(bǔ)償方法使被攝物體圖像與膠片保持相對(duì)靜止。也可不用光學(xué)補(bǔ)償，而用序列超短光脈沖照明，使在曝光時(shí)間內(nèi)，膠片上的像移保持在允許范圍之內(nèi)。鼓輪式相機(jī)有分幅和掃描兩種。分幅相機(jī)的攝影頻率自數(shù)千幅至數(shù)萬(wàn)幅每秒；掃描相機(jī)的時(shí)間分辨本領(lǐng)可達(dá)10－8s。一、高速攝影技術(shù)2020/12/27124、鼓輪式高速相機(jī)鼓輪式高速相機(jī)，膠片緊貼在高速旋轉(zhuǎn)的金屬鼓5、脈沖光源多幅高速相機(jī)當(dāng)被攝物體本身不發(fā)光，需外加照明光源時(shí)，用多個(gè)光脈沖依次照明物體，每個(gè)光源都有獨(dú)立的攝影光學(xué)系統(tǒng)，膠片靜止。光脈沖的寬度就是圖像的曝光時(shí)間。用多個(gè)電火花光源照明時(shí)，目前已達(dá)到的最高攝影頻率為106f／s，單幅曝光時(shí)間為亞微秒。如用多個(gè)激光脈沖作光源，曝光時(shí)間還可進(jìn)一步縮短。一、高速攝影技術(shù)2020/12/27135、脈沖光源多幅高速相機(jī)當(dāng)被攝物體本身不發(fā)光，需外加照明光源6、轉(zhuǎn)鏡式高速相機(jī)這類相機(jī)中，膠片靜止不動(dòng)，被攝物體的圖像，通過(guò)相機(jī)反射鏡的高速旋轉(zhuǎn)，隨時(shí)間展開(kāi)。轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)的最高攝影頻率為2x107f／s；掃描相機(jī)的時(shí)間分辨本領(lǐng)達(dá)10－9s。一、高速攝影技術(shù)2020/12/27146、轉(zhuǎn)鏡式高速相機(jī)這類相機(jī)中，膠片靜止不動(dòng)，被攝物體的圖7、網(wǎng)格式高速相機(jī)

網(wǎng)格板將被攝物體分成許多像素。像素之間有相等的間隔距離，當(dāng)它們同時(shí)移動(dòng)—個(gè)象素距離時(shí)，所有的新像素組成另一幅圖像。所以，一張膠片上可同時(shí)貯存數(shù)十幅圖像。拍攝完畢后，沖洗膠片，并在原相機(jī)上照明膠片，通過(guò)網(wǎng)格板依次把各幅圖像還原出來(lái)。這類相機(jī)，理論上可達(dá)到109f／s的攝影頻率，但實(shí)際使用的相機(jī)，多數(shù)攝影頻率很低，而且應(yīng)用不普遍。一、高速攝影技術(shù)2020/12/27157、網(wǎng)格式高速相機(jī)

網(wǎng)格板將被攝物體分成許多像素。像素之8、克爾盒高速相機(jī) 以克爾盒為快門構(gòu)成的單幅相機(jī)，即為克爾盒高速相機(jī)。每次拍攝只能獲得一幅曝光時(shí)間很短的圖像。如果要得到多幅圖像．就要把多臺(tái)相機(jī)聯(lián)用。 克爾盆是利用某些液體在電場(chǎng)作用下的雙折射克爾效應(yīng)和光的偏振原理設(shè)計(jì)成的高速快門。施加電壓脈沖的克爾快門，單帕圖像曝光時(shí)間可短到10－9s。因?yàn)楣庖彩请姶挪?，故用?qiáng)光脈沖，也能產(chǎn)生克爾效應(yīng)。稱為光克爾盒、它的曝光時(shí)間可達(dá)10－12s。但克爾快門對(duì)入射光強(qiáng)損失很大。同時(shí)，當(dāng)它關(guān)閉時(shí)，漏光現(xiàn)象比較嚴(yán)重，影響了它的普遍使用。一、高速攝影技術(shù)2020/12/27168、克爾盒高速相機(jī) 以克爾盒為快門構(gòu)成的單幅相機(jī)，即9、高速全息攝影全息攝影把物光波和參考光波的干涉圖形記錄在全息膠片上，故得全息干涉圖。經(jīng)顯影、定影處理后的全息圖，用參考光照射，它的衍射圖像精確地重現(xiàn)了被攝物體。由于被攝物體的高速運(yùn)動(dòng)，在記錄一幅全息圖的曝光時(shí)間內(nèi)，物光和參考光的光程差要發(fā)生變化。如果這一變化達(dá)到λ／2(λ為激光波長(zhǎng))，根據(jù)光的干涉原理，就記錄不到干涉條紋。因此，高速全息攝影中，物體運(yùn)動(dòng)速度不能太快。一、高速攝影技術(shù)2020/12/27179、高速全息攝影全息攝影把物光波和參考光波的干涉圖形10、高速變像管相機(jī) 以變像管作成象器件的高速相機(jī)，是目前最有生命力的高速攝影設(shè)備。用作掃描攝影時(shí)，已達(dá)到的時(shí)間分辨本領(lǐng)為5x10－13s。商業(yè)分幅相機(jī)的最高攝影頻率達(dá)6x108f／s。掃描相機(jī)與實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)配合，可以以實(shí)時(shí)獲得被攝對(duì)象的各種參數(shù)。極大地提高了工作效率。一、高速攝影技術(shù)2020/12/271810、高速變像管相機(jī)一、高速攝影技術(shù)2020/12/2718幾種典型的高速攝影技術(shù)

1、轉(zhuǎn)鏡式高速掃描相機(jī) 轉(zhuǎn)鏡式掃描相機(jī)是一種重要的高速攝影設(shè)備，它的時(shí)間分辨本領(lǐng)達(dá)到10-9s,僅次于變像管掃描相機(jī)。在爆炸力學(xué)和等離子體物理實(shí)驗(yàn)研究工作中，是不可缺少的設(shè)備。通常用于研究被攝物體沿某特定方向的位移隨時(shí)間的變化，測(cè)量時(shí)間間隔，求出被攝物體運(yùn)動(dòng)速度和加速度等。一、高速攝影技術(shù)2020/12/2719幾種典型的高速攝影技術(shù)

1、轉(zhuǎn)鏡式高速掃描相機(jī)一、高速攝影技1、原理國(guó)產(chǎn)GSJ型轉(zhuǎn)鏡式高速相機(jī)原理一、高速攝影技術(shù)2020/12/27201、原理國(guó)產(chǎn)GSJ型轉(zhuǎn)鏡式高速相機(jī)原理一、高速攝影技術(shù)202同步式和等待式掃描相機(jī)

同步式掃描相機(jī)中．像面只占有限范圍。如圖說(shuō)示，A、B為像面．當(dāng)轉(zhuǎn)鏡處于I位置。物體成像于相面始端A：處于II位置時(shí)，成像于像面末端B。轉(zhuǎn)鏡I至II的轉(zhuǎn)角。因此轉(zhuǎn)鏡的位置與拍攝過(guò)程發(fā)生時(shí)刻應(yīng)嚴(yán)格協(xié)調(diào)，方能拍攝到圖像。或者說(shuō)，被拍攝過(guò)程的發(fā)生時(shí)刻應(yīng)由相機(jī)控制。一、高速攝影技術(shù)2020/12/2721同步式和等待式掃描相機(jī)

同步式掃描相機(jī)中．像面只占有限范圍等待式相機(jī)轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)與同步式相機(jī)不同，如圖所示，被攝物體所發(fā)出的光束，被多面體轉(zhuǎn)鏡分割成幾部分，一部分經(jīng)由多面體的反射面1成像在相機(jī)像面的末端B。另—部分經(jīng)反射面2成像在像面始端A。r為相機(jī)像面張角。當(dāng)多面體繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，反射面1超出成像范圍，反射面2使像由A向B掃描。當(dāng)它把像成在B點(diǎn)時(shí)，反射面3又把像成在A點(diǎn)。因此，只要多面體轉(zhuǎn)鏡在旋轉(zhuǎn)，被鑷過(guò)程不管何時(shí)出現(xiàn)，均會(huì)成像于相機(jī)的像面上。這就是等待式相機(jī)的構(gòu)造原理。等待式相機(jī)一、高速攝影技術(shù)2020/12/2722等待式相機(jī)轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)與同步式相機(jī)不同，如圖所示，被攝物體所發(fā)出2、轉(zhuǎn)鏡式高速分幅相機(jī)

轉(zhuǎn)鏡式高速分幅相機(jī)是光學(xué)機(jī)械高速攝影設(shè)備中，具有很高攝影頻率的相機(jī)。雖然網(wǎng)格式高速相機(jī)從原理上講，可以得到更高的攝影頻率，但因圖像復(fù)原等方面的困難，至今仍末推廣應(yīng)用。而轉(zhuǎn)鏡式分幅相機(jī)已得到了廣泛的應(yīng)用。目前，它的攝影頻率僅次于變像管相機(jī)。轉(zhuǎn)鏡式分幅相機(jī)的最高攝影頻率可達(dá)2×107f/s。一、高速攝影技術(shù)2020/12/27232、轉(zhuǎn)鏡式高速分幅相機(jī)

轉(zhuǎn)鏡式高速分幅相機(jī)是光學(xué)機(jī)械分幅相機(jī)記錄二維空間信息隨時(shí)間的變化情況：二維空間信息是連續(xù)的，時(shí)間信息卻是間斷的，即獲得一幅圖像需要一定時(shí)間，相鄰兩幅間有一定的時(shí)間間隔。掃描相機(jī)則正相反，它的時(shí)間信息是連續(xù)的，空間信息被限制在一維狹縫方向。一、高速攝影技術(shù)2020/12/2724分幅相機(jī)記錄二維空間信息隨時(shí)間的變化情況：二維空間信息是連被攝物體經(jīng)第一物鏡1，場(chǎng)鏡4成—中繼像于轉(zhuǎn)鏡6的反射表面。此像經(jīng)分幅透鏡8成像于底片9上。由于轉(zhuǎn)鏡6的高速旋轉(zhuǎn)，中繼像依次通過(guò)各分幅透鏡．在底片上得到一系列分幅圖像。同時(shí)，階梯光闌2經(jīng)場(chǎng)鏡4和轉(zhuǎn)鏡6與分幅光闌7共軛，組成光快門：5為視場(chǎng)光闌，3為電磁快門。GSJ型分幅相機(jī)即采用這種光學(xué)系統(tǒng)。一、高速攝影技術(shù)2020/12/2725被攝物體經(jīng)第一物鏡1，場(chǎng)鏡4成—中繼像于轉(zhuǎn)鏡6的反射表面。此光學(xué)共軛成像原理一、高速攝影技術(shù)2020/12/2726光學(xué)共軛成像原理一、高速攝影技術(shù)2020/12/2726FJZ—250型分幅相機(jī)工作原理一、高速攝影技術(shù)2020/12/2727FJZ—250型分幅相機(jī)工作原理一、高速攝影技術(shù)2020/1最終成像光束的光能量遠(yuǎn)少于物鏡O的滿口徑光能量。若要使參與成像的光能量盡可能多，必須加大階梯光闌的寬度，相應(yīng)地也要加大分幅光闌孔的寬度。這樣，分幅光闌圓弧上的總通光孔數(shù)就會(huì)減少，因而轉(zhuǎn)鏡每轉(zhuǎn)一周得到的圖象數(shù)減少，使攝影頻率降低。轉(zhuǎn)鏡式分幅相機(jī)之所以有很高的攝影頻率(或高的時(shí)間分辨本領(lǐng))，是犧牲成像光束能量，也就是犧牲圖像空間分辨率的結(jié)果。一、高速攝影技術(shù)2020/12/2728最終成像光束的光能量遠(yuǎn)少于物鏡O的滿口徑光能量。若要使參與單獨(dú)從掃描和分幅兩種記錄都能得到有價(jià)值的數(shù)據(jù)，但也都存在著明顯的不足足，例如，單獨(dú)從掃描照片，無(wú)法看出被攝物體在二維空間的運(yùn)動(dòng)是否對(duì)稱。局部奇異現(xiàn)象無(wú)法觀察。單獨(dú)從分幅照片往往很難精確求出各運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在各種快速現(xiàn)象的研究中，人們希望同時(shí)用掃描和分幅相機(jī)對(duì)同一過(guò)程進(jìn)行記錄。同時(shí)分幅掃描相機(jī)，所得到的掃描和分幅記錄具有同一時(shí)間基準(zhǔn)，從而可以更準(zhǔn)確地得到快速現(xiàn)象的發(fā)展和變化過(guò)程，以及所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3、同時(shí)掃描和分幅高速相機(jī)一、高速攝影技術(shù)2020/12/2729單獨(dú)從掃描和分幅兩種記錄都能得到有價(jià)值的數(shù)據(jù)，但也都存在著明原理一、高速攝影技術(shù)2020/12/2730原理一、高速攝影技術(shù)2020/12/2730實(shí)例（炸藥水下爆炸）一、高速攝影技術(shù)2020/12/2731實(shí)例（炸藥水下爆炸）一、高速攝影技術(shù)2020/12/27314、高速電影攝影機(jī)

高速電影攝影機(jī)在高速相機(jī)屬中、低速攝影機(jī)范圍。其頻率范圍很寬，從100至幾萬(wàn)幅每秒。因此，高速電影攝影機(jī)的應(yīng)用范圍很廣，既適合于軍用，也適合于民用。例如導(dǎo)彈攝影，彈頭著靶的速度、姿態(tài)的研究高速電影攝影機(jī)的種類也很多，最典型的有旋轉(zhuǎn)梭鏡補(bǔ)償式高速電影攝影機(jī)和旋轉(zhuǎn)反射鏡補(bǔ)償式高速電影攝影機(jī)，還有旋轉(zhuǎn)透鏡補(bǔ)償式高速電影攝影機(jī)，間歇式相機(jī)、鼓輪相機(jī)等。一、高速攝影技術(shù)2020/12/27324、高速電影攝影機(jī)

高速電影攝影機(jī)在高速相機(jī)屬中、低速攝影（1）旋轉(zhuǎn)棱鏡補(bǔ)償式高速電影攝影機(jī)

1一攝影物鏡；2一旋轉(zhuǎn)棱鏡補(bǔ)償器；3一拍片輪；4一連續(xù)運(yùn)動(dòng)膠片一、高速攝影技術(shù)2020/12/2733（1）旋轉(zhuǎn)棱鏡補(bǔ)償式高速電影攝影機(jī)

1一攝影物鏡；2一旋LBS—16A型攝影機(jī)（西安光機(jī)所）原理圖1－主物鏡2一濾光片；3－補(bǔ)償棱鏡；4一膠齒帶；5－圓盤決門；6—檢焦鏡；7一膠片；8一直角棱鏡；9一輸出齒輪一、高速攝影技術(shù)2020/12/2734LBS—16A型攝影（2）旋轉(zhuǎn)平面反射鏡補(bǔ)償式高速電影攝影機(jī)

這種類型的典型相機(jī)是德意志民主共和國(guó)生產(chǎn)的Pentazet-35型相機(jī) E一光闡G一內(nèi)反射鏡輪O—固定物鏡B一轉(zhuǎn)象校鏡W-傳動(dòng)土軸M一電動(dòng)機(jī)C一內(nèi)齒輪K一收片軸K一供片軸F一暗盒R1一供片輪R2一收片輪L—導(dǎo)輪N一電磁離合器S一反肘鏡U一反射鏡輪V一箱體后蓋一、高速攝影技術(shù)2020/12/2735（2）旋轉(zhuǎn)平面反射鏡補(bǔ)償式高速電影攝影機(jī)

這種類型的典型相機(jī)變像管是一種寬電子速成像器件，它由光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)和熒光屏組成。光電陰極接收輸入光學(xué)系統(tǒng)所成的光輻射圖像。把它轉(zhuǎn)變成不同電流密度的電子束流，電子束經(jīng)電子光學(xué)系統(tǒng)加速、聚焦、通、斷、控制和偏轉(zhuǎn)后，轟擊熒光屏，轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光圖像。由輸出光學(xué)系統(tǒng)將圖像記錄在膠片上或由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。以變像管為成像部件組成的相機(jī)，即為高速變像管相機(jī)。屬于光電式高速攝影設(shè)備。光機(jī)式高速攝影儀器中，機(jī)械部件的高速運(yùn)動(dòng)受驅(qū)動(dòng)功率、材料強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)像質(zhì)等多方面的限制。因此、它們的時(shí)間分辨本領(lǐng)或攝影頻率，在目前條件下很難進(jìn)一步提高。變像管中對(duì)電子束的控制則是很靈活方便的，因此．它能達(dá)到的性能指標(biāo)．遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了光機(jī)式相機(jī)。5、高速變像管相機(jī)一、高速攝影技術(shù)2020/12/27365、高速變像管相機(jī)一、高速攝影技術(shù)2020/12/2736歷史和分類變像管相機(jī)于上世紀(jì)20年代初即用了高速攝影，60年代初，它的時(shí)間分辨本領(lǐng)便達(dá)到亞納秒。70年代是皮秒時(shí)間分辨相機(jī)蓬勃發(fā)展的時(shí)代。1980年以后、研制工作巳向亞皮秒時(shí)間分辨進(jìn)軍。同時(shí)推出了各種性能較完善的定型產(chǎn)品，廣泛地在彈道學(xué)、爆炸力學(xué)、天文學(xué)、高能物地、光化學(xué)、激光核聚變和等離子體物理等研究領(lǐng)域推廣應(yīng)用。高速變像管相機(jī)，根據(jù)它的不同的記錄功能可分為掃描、單幅和分幅三種類型。從相機(jī)與被攝對(duì)像的關(guān)系分為同步式和等待式兩種。按照變像管中采用的電子光學(xué)系統(tǒng)類型，分為近貼式、靜電聚焦和磁聚焦三類。一、高速攝影技術(shù)2020/12/2737歷史和分類變像管相機(jī)于上世紀(jì)20年代初即用了高速攝影，60年特點(diǎn) 與光機(jī)式高速攝影設(shè)備相比，變相管相機(jī)有如下特點(diǎn)；1、光譜靈敏范圍寬：改變光電陰極的材料，便可記錄x射線、紫外、可見(jiàn)光和近紅外波段的光輻射圖像。2、時(shí)間分辨本領(lǐng)高：在高速攝影設(shè)備中，它具有最高的時(shí)間分辨本領(lǐng)。3、光增益高：所有光機(jī)式設(shè)備，都要損耗入射光輻射的能量，而變相管相機(jī)卻能提高圖像的光強(qiáng)度。通過(guò)電子束在變像管內(nèi)的加速以及專門設(shè)置的像增強(qiáng)器件，可使光增益從幾十到幾十萬(wàn)倍。為研究弱光高速過(guò)程創(chuàng)造廣良好條件。4、掃描變像管相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)、已實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，大大提高了工作效率和數(shù)據(jù)處理精度。使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的相機(jī)，對(duì)入射輻射的靈敏度要比現(xiàn)代最靈敏的普拉膠片高約2—3個(gè)數(shù)量級(jí)。缺點(diǎn)：變像管相機(jī)的不足之處是圖像的空間分辨率低．空間信息容量?。恢挥谢叶刃畔?，沒(méi)有色度信息；掃描非線性大等。一、高速攝影技術(shù)2020/12/2738特點(diǎn) 與光機(jī)式高速攝影設(shè)備相比，變相管相機(jī)有如下特點(diǎn)；一、高幾種典型的變像管相機(jī)1）近貼聚焦變像管相機(jī)近貼聚焦變像管的電子光學(xué)系統(tǒng)最簡(jiǎn)單，光電陰極和熒光屏密封在真空中，兩者之間的距離只有1mm左右。熒光屏上施加正高壓，光電陰極各像素發(fā)射出的光電子，被電場(chǎng)加速，并以拋物線運(yùn)動(dòng)軌跡，到達(dá)獲光屏，使之發(fā)光。1－光電陰極；2－熒光屏一、高速攝影技術(shù)2020/12/2739幾種典型的變像管相機(jī)1）近貼聚焦變像管相機(jī)一、高速攝影技術(shù)2這種變像管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屏上邊緣圖像和中心圖像一樣好，空間分辨率也較好。如果光電陰極和熒光屏間距1mm，屏上電壓為lkv，則空間分辨率可達(dá)17lp／mm左右。但這種像管的光增益低。為此，在陰極和屏之間安置電子倍增器件—微通道板，組成雙近貼式變像管。光電陰極和微通道板輸入面間，微通道板輸出面和熒光屏間的距離均為毫米量級(jí)。一、高速攝影技術(shù)2020/12/2740這種變像管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屏上邊緣圖像和中心圖像一樣好，空間分2）靜電聚焦變像管這是一種應(yīng)用最為普遍的變像管。下圖是英國(guó)JohnHadland公司的Imacon型靜電聚焦變像管，有分幅和掃描兩種功能。下圖為分幅工作方式及各電極上電壓的變化。圖中變像管內(nèi)各電極均施加相應(yīng)電壓，組成電子光學(xué)成像和控制系統(tǒng)。一、高速攝影技術(shù)2020/12/27412）靜電聚焦變像管一、高速攝影技術(shù)2020/12/2741(a)變像管結(jié)構(gòu)；(b)備電極上施加的電壓：(c)熒光屏上圖像排列一、高速攝影技術(shù)2020/12/2742(a)變像管結(jié)構(gòu)；(b)備電極上施加的電壓：高速攝影作品一、高速攝影技術(shù)2020/12/2743高速攝影作品一、高速攝影技術(shù)2020/12/27432020/12/27442020/12/27442020/12/27452020/12/2745一、高速攝影技術(shù)2020/12/2746一、高速攝影技術(shù)2020/12/2746一、高速攝影技術(shù)2020/12/2747一、高速攝影技術(shù)2020/12/2747一、高速攝影技術(shù)2020/12/2748一、高速攝影技術(shù)2020/12/2748一、高速攝影技術(shù)2020/12/2749一、高速攝影技術(shù)2020/12/2749一、高速攝影技術(shù)2020/12/2750一、高速攝影技術(shù)2020/12/2750一、高速攝影技術(shù)1.3毫秒，預(yù)噴射1.4毫秒，主噴射出現(xiàn)1.5毫秒1.6毫秒1.7毫秒2.3毫秒2020/12/2751一、高速攝影技術(shù)1.3毫秒，預(yù)噴射1.4毫秒，主噴射出現(xiàn)1.第二部分

CCD技術(shù)的應(yīng)用一、CCD相機(jī)的工作原理二、CCD相機(jī)的特點(diǎn)三、CCD相機(jī)的應(yīng)用CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/2752第二部分

CCD技術(shù)的應(yīng)用一、CCD相機(jī)的工作原理CCD技一、CCD相機(jī)的工作原理CCD是英文Charge—CoupledDevices的縮寫，中文通常將其譯成“電荷耦合器件”。它是一種以電荷包的形式存貯和傳遞信息的半導(dǎo)體表面器件，是1969年秋由美國(guó)貝爾(Be11)實(shí)驗(yàn)室的W．S．Boyle和G．E．Smith發(fā)明的。CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/2753一、CCD相機(jī)的工作原理CCD是英文Charge—CoupCCD結(jié)構(gòu)和工作原理2020/12/2754CCD結(jié)構(gòu)和工作原理2020/12/2754一、勢(shì)阱的產(chǎn)生CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/2755一、勢(shì)阱的產(chǎn)生CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/27552、電荷的注入和儲(chǔ)存（感光）CCD技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)器件受到光照時(shí)（光可從各電極的縫隙間經(jīng)過(guò)SiO2層射入，或經(jīng)襯底的薄P型硅射入），光子的能量被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這時(shí)出現(xiàn)的電子被吸引存貯在勢(shì)阱中，這些電子是可以傳導(dǎo)的。光越強(qiáng)，勢(shì)阱中收集的電子越多，光弱則反之，這樣就把光的強(qiáng)弱變成電荷的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了光與電的轉(zhuǎn)換，而勢(shì)阱中收集的電子處于存貯狀態(tài)，即使停止光照一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)損失，這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)光照的記憶。

2020/12/27562、電荷的注入和儲(chǔ)存（感光）CCD技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)器件受到光照時(shí)2、電荷的耦合（轉(zhuǎn)移）CCD技術(shù)的應(yīng)用CCD的移位寄存器是一列排列緊密的MOS電容器,它的表面由不透光的鋁層覆蓋,以實(shí)現(xiàn)光屏蔽.由上面討論可知,MOS電容器上的電壓愈高,產(chǎn)生的勢(shì)阱愈深,當(dāng)外加電壓一定,勢(shì)阱深度隨阱中的電荷量增加而線性減小.利用這一特性,通過(guò)控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來(lái)調(diào)節(jié)勢(shì)阱深淺2020/12/27572、電荷的耦合（轉(zhuǎn)移）CCD技術(shù)的應(yīng)用CCD的移位寄存器是一4、電荷的輸出CCD的信號(hào)電荷讀出方法有兩種:輸出二極管電流法和浮置柵MOS放大器電壓法2020/12/27584、電荷的輸出CCD的信號(hào)電荷讀出方法有兩種:輸出二極管電流ICCD的結(jié)構(gòu)1、線型ICCD單溝道線型ICCDCCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/2759ICCD的結(jié)構(gòu)1、線型ICCD單溝道線型ICCDCCD技術(shù)的CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/2760CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/2760面陣CCD結(jié)構(gòu)

1、三相幀轉(zhuǎn)移面陣CCDCCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/2761面陣CCD結(jié)構(gòu)

1、三相幀轉(zhuǎn)移面陣CCDCCD技術(shù)的應(yīng)用202、隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCDCCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/27622、隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCDCCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/273、線轉(zhuǎn)移型面陣CCDCCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/27633、線轉(zhuǎn)移型面陣CCDCCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/2762020/12/27642020/12/2764二、CCD的基本特性參數(shù)1、光電轉(zhuǎn)移特性223404在CCD中，電荷包是硅襯底被光子激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子產(chǎn)生的，具有良好的光電轉(zhuǎn)換效率，一般最大可達(dá)到99.7%。2、光譜相應(yīng)特性CCD接受光的照射分為正面照射和反面照射兩種，由于正面布置有電極，由于電極的吸收、反射、衍射造成正面照射的CCD的光譜靈敏度比反面照射低，因此通常采用背面照射。CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/2765二、CCD的基本特性參數(shù)1、光電轉(zhuǎn)移特性223404采用硅襯底的ICCD的光譜響應(yīng)范圍為0．3—1um，平均量子效率為25％，絕對(duì)響應(yīng)尺為0.1-0．2(?/W)CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/2766采用硅襯底的ICCD的光譜響應(yīng)范圍為0．3—1um，平均量子動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍由勢(shì)阱中可存儲(chǔ)的最大電荷量和噪聲決定的最小電荷量之比決定。下面分別介紹可存儲(chǔ)的最大電荷量和噪聲。1)勢(shì)阱中的最大信號(hào)電荷量 CCD勢(shì)阱中可容納的最大信號(hào)電荷量取決于CCD的電極面積及器件結(jié)構(gòu)、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)方式及驅(qū)動(dòng)脈沖電壓的幅度等因素CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/2767動(dòng)態(tài)范圍CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/27672、噪聲(1)光子噪聲：由于光子發(fā)射是隨機(jī)過(guò)程，因而勢(shì)阱中收集的光電荷也是隨機(jī)的，這就成為噪聲源；由于這種噪聲源與CCD傳感器無(wú)關(guān)。而取決于光子的性質(zhì)，因而成為攝像器件的基本限制因素：這種噪聲主要對(duì)于低光強(qiáng)下的攝像有影響。（2）暗電流噪聲：與光子發(fā)射一樣，暗電流也是—個(gè)隨機(jī)過(guò)程，因而也成為噪聲源；而且．若每CCD單元的暗電流不一樣，就會(huì)產(chǎn)生圖像噪聲。CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/27682、噪聲CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/2768（3）胖零噪聲：包括光學(xué)和電子胖零噪聲，光學(xué)胖零噪聲由使用時(shí)的偏置光的大小決定，電子胖零噪聲由電子注入胖零機(jī)構(gòu)決定。（4）浮獲噪聲：在SCCD中起因?yàn)榻缑嫒毕蓿贐CCD中起因于體缺陷，但BCCD中浮獲噪音小。（5）輸出噪聲：這種噪聲起因輸出電路復(fù)位過(guò)程中產(chǎn)生的熱噪聲。 此外，器件的單元尺寸不同或間隔不同也會(huì)成為噪聲源，但這種噪聲源可以通過(guò)改進(jìn)光刻技術(shù)而減少。CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/2769（3）胖零噪聲：包括光學(xué)和電子胖零噪聲，光學(xué)胖零噪聲由使用時(shí)三、ICCD器件的應(yīng)用

－三維機(jī)器視覺(jué) 人類的大部分信息是通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)獲取的。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究了利用計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化工具來(lái)實(shí)現(xiàn)視覺(jué)功能，以增加對(duì)三維世界的理解，由此形成丁一門嶄新的學(xué)科—計(jì)算機(jī)視覺(jué)(ComputerVision)，又稱機(jī)器視覺(jué)(MachineVision)。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)及電子技術(shù)的不斷進(jìn)步及光電器件的完善和發(fā)展，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的快速發(fā)展。CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/2770三、ICCD器件的應(yīng)用

－三維機(jī)器視覺(jué) 人類的大部分信息是1、激光三角法測(cè)量原理(a)直射式結(jié)構(gòu)；(b)斜射式結(jié)構(gòu)1一激光器；2－匯聚透鏡；3一被測(cè)表面；4一接收透鏡；5一CCDCCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/27711、激光三角法測(cè)量原理(a)直射式結(jié)構(gòu)；位移公式1）直射式2）斜射式直射式和斜射式的特點(diǎn)：1)斜射式可接收來(lái)自被測(cè)物體的正反射光．當(dāng)被測(cè)物表面為鏡面時(shí)，不會(huì)由于散射光過(guò)弱而導(dǎo)致光電探測(cè)器輸出信號(hào)太小，使測(cè)量無(wú)法進(jìn)行。直射式適合于測(cè)量散射性能好的表面；2)斜射式在被測(cè)物體移動(dòng)之后，光點(diǎn)移動(dòng)，因此，無(wú)法知道被測(cè)物體某點(diǎn)的位移情況，而直射式卻可以。3)斜射式傳感器分辨力高于直射式，但它測(cè)量范圍小、體積大。CCD技術(shù)的應(yīng)用2020/12/2