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高速摄像机光电成像系统的组成、工作原理

日期：2020/4/27 16:05:48    浏览：8550次

1．高速摄像机光电成像系统的组成、工作原理

高速摄像机是一种把高速运动变化过程的空间信息和时间紧密联系在一起进行图像记录的方法，能将瞬变、高速过程连续记录下来，并运用图像分析设备进行定量计算的方法，其应用于弹道分析，至今已从军事扩展到民用, 从工业到医学生物, 从宏观机械运动到微观机制的研究。

高速摄像机可以在很短的时间内完成对高速目标的快速、多次采样，当以常规速度放映时，所记录目标的变化过程就清晰、缓慢地呈现在我们眼前。高速光电成像技术具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等突出优点。

高速摄像机系统工作原理是：高速运动目标受到自然光或人工辅助照明灯光的照射产生反射光，或者运动目标本身发光,这些光的一部分透过高速成像系统的成像物镜。经物镜成像后，落在光电成像器件的像感面上，受驱动电路控制的光电器件，会对像感面上的目标像快速响应，即根据像感面上目标像光能量的分布，在各采样点即像素点产生响应大小的电荷包，完成图像的光电转换。带有图像信息的各个电荷包被迅速转移到读出寄存器中。读出信号经信号处理后传输至电脑中，由电脑对图像进行读出显示和判读，并将结果输出。因此，一套完整的高速成像系统由光学成像、光电成像、信号传输、控制、图像存储与处理等几部分组成。

（1）光学成像机系统包含成像物镜。成像物镜将运动目标进行成像，并保证使目标像落在光电成像器件的成像面上，同时还要保证有足够大的口径，以满足在很短的曝光时间内成像面仍有足够的光照度，能满足光电成像器件的响应需要。此外，成像物镜的分辨率、像差、焦距等参数也必须与光电成像器件相匹配。

（2）光电成像系统包含光电成像器件及信号处理系统，其中光电成像器件无疑是高速光电成像系统中的关键，它很大程度上决定了整个成像系统性能的优劣。光电成像器件主要完成对落在其成像面上的高速运动目标像的多次、快速采样，而每次采样过程又包括光生电荷的积累、含有图像信息的电荷包的转移和读出、输出信号的处理等过程。它最为主要的指标是像元素数和响应时间，因为这决定了图像的分辨率和拍摄频率；光电成像器件现多采用高速成像CCD（电荷耦合器件）或CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器及其与其它光电成像器件的组合来构成适用于特定场合应用的光电成像系统，如在CCD或CMOS像感面前加上像增强器而使其能更好地适应暗光环境。

（3）信号传输系统担负着长距离、高质量将图像信号传送到图像记录和显示系统的任务。按照传输方式分为无线传输和有线传输。

（4）控制系统完成对镜头光圈、焦距、聚焦的控制，若有像增强器，则还必须有对其电压、增益、快门等进行操作的控制器。对于高速成像系统主要是一些参数设定，如拍摄频率、拍摄时间、触发方式、存储格式的预置等，对需要辅助照明的系统还需要对照明灯的亮度进行控制。在这个过程中需要实验人员根据实际情况参与控制系统。

（5）图像存储系统负责完成图像的快速存储，现多采用数字化的存储方式，由计算机直接控制记录和重放。需要说明的是存储图像的数量、质量和大小与存储芯片的容量成正比，因此在实验中需要合理使用存储容量，用有限的存储来记录实验数据。

（6）图像处理系统应用软件完成对图像质量的改善和判读。软件为高速摄像仪器的一部分，也可以使用其它的图像处理软件。

（7）其它辅助系统具体由使用场合决定，如：辅助照明系统，抗震防水系统，抗干扰系统等。

2．高速摄像机的应用

    高速摄像机的应用领域非常广泛，包括：弹道分析、燃烧研究、爆炸测试、动态破坏、飞行试验、弹性分析、裂纹扩展研究、抗振动冲击性能分析、农业机械研究、生物及医学研究、化工过程分析、汽车碰撞测试、焊缝检验、自动化生产线检测、喷射及粒子分析、院校科研、安防监控、体育运动等。