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高頻高速攝像機(jī)工作原理

? ? ? 高速攝像光電成像系統(tǒng)的組成、工作原理 ?高速攝像機(jī)是一種把高速運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程的空間信息和時(shí)間緊密聯(lián)系在一起進(jìn)行圖像記錄的方法，能將瞬變、高速過(guò)程連續(xù)記錄下來(lái)，并運(yùn)用圖像分析設(shè)備進(jìn)行定量計(jì)算的方法，其最早應(yīng)用于彈道分析，至今已從軍事擴(kuò)展到民用, 從工業(yè)到醫(yī)學(xué)生物, 從宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)到微觀機(jī)制的研究。 ?高速攝像可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)高速目標(biāo)的快速、多次采樣，當(dāng)以常規(guī)速度放映時(shí)，所記錄目標(biāo)的變化過(guò)程就清晰、緩慢地呈現(xiàn)在我們眼前。高速光電成像技術(shù)具有實(shí)時(shí)目標(biāo)捕獲、圖像快速記錄、即時(shí)回放、圖像直觀清晰等突出優(yōu)點(diǎn)。?
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? ? ? 高速攝像系統(tǒng)工作原理是 ：高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)受到自然光或人工輔助照明燈光的照射產(chǎn)生反射光，或者運(yùn)動(dòng)目標(biāo)本身發(fā)光,這些光的一部分透過(guò)高速成像系統(tǒng)的成像物鏡。經(jīng)物鏡成像后，落在光電成像器件的像感面上，受驅(qū)動(dòng)電路控制的光電器件，會(huì)對(duì)像感面上的目標(biāo)像快速響應(yīng)，即根據(jù)像感面上目標(biāo)像光能量的分布，在各采樣點(diǎn)即像素點(diǎn)產(chǎn)生響應(yīng)大小的電荷包，完成圖像的光電轉(zhuǎn)換。帶有圖像信息的各個(gè)電荷包被迅速轉(zhuǎn)移到讀出寄存器中。讀出信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理后傳輸至電腦中，由電腦對(duì)圖像進(jìn)行讀出顯示和判讀，并將結(jié)果輸出。因此，一套完整的高速成像系統(tǒng)由光學(xué)成像、光電成像、信號(hào)傳輸、控制、圖像存儲(chǔ)與處理等幾部分組成。 ?

? ? ?（1）光學(xué)成像系統(tǒng)包含成像物鏡。成像物鏡將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行成像，并保證使目標(biāo)像落在光電成像器件的成像面上，同時(shí)還要保證有足夠大的口徑，以滿足在很短的曝光時(shí)間內(nèi)成像面仍有足夠的光照度，能滿足光電成像器件的響應(yīng)需要。此外，成像物鏡的分辨率、像差、焦距等參數(shù)也必須與光電成像器件相匹配。

? ? ? （2）光電成像系統(tǒng)包含光電成像器件及信號(hào)處理系統(tǒng)，其中光電成像器件無(wú)疑是高速光電成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵，它很大程度上決定了整個(gè)成像系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。光電成像器件主要完成對(duì)落在其成像面上的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)像的多次、快速采樣，而每次采樣過(guò)程又包括光生電荷的積累、含有圖像信息的電荷包的轉(zhuǎn)移和讀出、輸出信號(hào)的處理等過(guò)程。它最為主要的指標(biāo)是像元素?cái)?shù)和響應(yīng)時(shí)間，因?yàn)檫@決定了圖像的分辨率和拍攝頻率；光電成像器件現(xiàn)多采用高速成像CCD（電荷耦合器件）或CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）傳感器及其與其它光電成像器件的組合來(lái)構(gòu)成適用于特定場(chǎng)合應(yīng)用的光電成像系統(tǒng)，如在CCD或CMOS像感面前加上像增強(qiáng)器而使其能更好地適應(yīng)暗光環(huán)境。

? ? ? （3）信號(hào)傳輸系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著長(zhǎng)距離、高質(zhì)量將圖像信號(hào)傳送到圖像記錄和顯示系統(tǒng)的任務(wù)。按照傳輸方式分為無(wú)線傳輸和有線傳輸。 ?

? ? ? （4）控制系統(tǒng)完成對(duì)鏡頭光圈、焦距、聚焦的控制，若有像增強(qiáng)器，則還必須有對(duì)其電壓、增益、快門(mén)等進(jìn)行操作的控制器。對(duì)于高速成像系統(tǒng)主要是一些參數(shù)設(shè)定，如拍攝頻率、拍攝時(shí)間、觸發(fā)方式、存儲(chǔ)格式的預(yù)置等，對(duì)需要輔助照明的系統(tǒng)還需要對(duì)照明燈的亮度進(jìn)行控制。在這個(gè)過(guò)程中需要實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)實(shí)際情況參與控制系統(tǒng)。 ?

? ? ? （5）圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成圖像的快速存儲(chǔ)，現(xiàn)多采用數(shù)字化的存儲(chǔ)方式，由計(jì)算機(jī)直接控制記錄和重放。需要說(shuō)明的是存儲(chǔ)圖像的數(shù)量、質(zhì)量和大小與存儲(chǔ)芯片的容量成正比，因此在實(shí)驗(yàn)中需要合理使用存儲(chǔ)容量，用有限的存儲(chǔ)來(lái)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 ?

? ? ?（6）圖像處理系統(tǒng)應(yīng)用軟件完成對(duì)圖像質(zhì)量的改善和判讀。軟件為高速攝像儀器的一部分，也可以使用其它的圖像處理軟件。

? ? ? （7）其它輔助系統(tǒng)具體由使用場(chǎng)合決定，如：輔助照明系統(tǒng)，抗震防水系統(tǒng)，抗干擾系統(tǒng)等。

? ? ?高速攝像的應(yīng)用 ? ? ?

? ? ? 高速攝像的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括：彈道分析、燃燒研究、爆炸測(cè)試、動(dòng)態(tài)破壞、飛行試驗(yàn)、彈性分析、裂紋擴(kuò)展研究、抗振動(dòng)沖擊性能分析、農(nóng)業(yè)機(jī)械研究、生物及醫(yī)學(xué)研究、化工過(guò)程分析、汽車(chē)碰撞測(cè)試、焊縫檢驗(yàn)、自動(dòng)化生產(chǎn)線檢測(cè)、噴射及粒子分析、院校科研、安防監(jiān)控、體育運(yùn)動(dòng)等。?

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