工程测试第二讲.ppt
第二讲,高速摄影和CCD技术的应用,内容,高速摄影技术CCD技术,一、高速摄影技术,概述高速摄影技术发展史高速摄影的分类几种典型的高速摄影技术,高速摄影，主要以高的摄影频率或高的时间分辨本领，与普通摄影相区别。一般认为，摄影频率高于100fs，或时间分辨短干11000s，就属于高速摄影研究范围。,一、高速摄影技术,1851年，福克斯塔尔博特(Fox Talbet、WH)用一个莱顿瓶的放电火花作照射光源，拍摄快速旋转固盘上的报纸，获得了清晰图像。从而取得了高速摄影最早的专利。到20世纪30年代，主要的各种光机式高速接影设备的结构原理都已提出。第二次世界大战后，随着国防尖端科学技术发展的需要，各种各样的光机式高速相机，在50、60牛代获得了高度的发展。同时，克尔盒相机和变像管相机等超高速摄影设备，以其高的时间分辨本领而获得了广泛重视。特别是变像管相机在等离子体物理和激光核聚变研究中的应用，开创了高速摄影技术的新局面，并使高速摄影与光子学相结合，扩展研究范围。,一、高速摄影技术,1、高速摄影历史,2、高速摄影设备的分类 高速摄影设备的分类方法，迄今并无定论。这里，我们按照时间分辨本领的高低，将它们分成以下10类，并对它们作一简介。,一、高速摄影技术,1、间歇式高速电影摄影机,这类相机中，连续运动的胶片，经间歇式抓片机构后，作间歇运动，即当胶片静止时，快门打开，被摄物体在胶片上成像、曝光。然后，快门关闭抓片机构将已曝光胶片移开，并使末曝光胶片移到成像位置。如此周而复姑，得到被摄物体的一系列发展图像。胶片在这种“静止”“运动“的反复过程中，加速度很大，承受了很大的冲击载荷。因此，胶片运动速度不能太快。也就是摄影频率不能太高。国外，使用135型胶片的间歇式相机，最高摄影频率为360fs。如果用16m m胶片，则可达1000f/s体。国内，成都光电技术研究所研制的135型胶片相机，摄影频率为320f/s。这种相机，因拍摄图像时，胶片是静止的，故成像质量最好。,一、高速摄影技术,2、光学补偿式相机,在这种相机中，胶片连续运动，被摄物体经相机中的光学系统和补偿光学元件后，所成的图像，与胶片运动方向相同，运动速度相等。即图像与胶片之间保持相对静止。通过周而复始的快门作用，获得系列图像。实现光学补偿的方法很多，最常用的是旋转多面体棱镜法，称为棱镜补偿式相机。它有很广泛的用途。使用135型胶片的棱镜补偿式相机，国外已达到的最高摄影频率为3250fs，国内为2000fs。使用16m m胶片的相机，国外为11000f5，国内西安光学精密机械研究所也已达到这一水平。,一、高速摄影技术,3、高速录像,摄像机把被摄物体成像在摄像管靶面或CCD阵列上，各像素的电荷数与图像照度成正比。然后按时序输出这一电荷图像模拟信号，经处理后存贮在磁带或磁盘上。这类相机，有实时记录的特点配有图像数据口功分析系统，使用方便，工作效率高。磁带或磁盘可以反复利用，胶片记录事后各种繁琐的处理工作。其缺点是，目前它的图像质量较差，最高摄影频率最近虽然达到12000/s，但每幅图像上的像素只有32x 240个(用CCD阵列器件作图像传感器)。,一、高速摄影技术,4、鼓轮式高速相机,鼓轮式高速相机，胶片紧贴在高速旋转的金属鼓轮内圆柱或外圆柱表面上。随鼓轮一道旋转。用光学补偿方法使被摄物体图像与胶片保持相对静止。也可不用光学补偿，而用序列超短光脉冲照明，使在曝光时间内，胶片上的像移保持在允许范围之内。鼓轮式相机有分幅和扫描两种。分幅相机的摄影频率自数千幅至数万幅每秒；扫描相机的时间分辨本领可达108s。,一、高速摄影技术,5、脉冲光源多幅高速相机,当被摄物体本身不发光，需外加照明光源时，用多个光脉冲依次照明物体，每个光源都有独立的摄影光学系统，胶片静止。光脉冲的宽度就是图像的曝光时间。用多个电火花光源照明时，目前已达到的最高摄影频率为106fs，单幅曝光时间为亚微秒。如用多个激光脉冲作光源，曝光时间还可进一步缩短。,一、高速摄影技术,6、转镜式高速相机,这类相机中，胶片静止不动，被摄物体的图像，通过相机反射镜的高速旋转，随时间展开。转镜分幅相机的最高摄影频率为2x107fs；扫描相机的时间分辨本领达109s。,一、高速摄影技术,7、网格式高速相机,网格板将被摄物体分成许多像素。像素之间有相等的间隔距离，当它们同时移动个象素距离时，所有的新像素组成另一幅图像。所以，一张胶片上可同时贮存数十幅图像。拍摄完毕后，冲洗胶片，并在原相机上照明胶片，通过网格板依次把各幅图像还原出来。这类相机，理论上可达到109fs的摄影频率，但实际使用的相机，多数摄影频率很低，而且应用不普遍。,一、高速摄影技术,8、克尔盒高速相机,以克尔盒为快门构成的单幅相机，即为克尔盒高速相机。每次拍摄只能获得一幅曝光时间很短的图像。如果要得到多幅图像就要把多台相机联用。克尔盆是利用某些液体在电场作用下的双折射克尔效应和光的偏振原理设计成的高速快门。施加电压脉冲的克尔快门，单帕图像曝光时间可短到109s。因为光也是电磁波，故用强光脉冲，也能产生克尔效应。称为光克尔盒、它的曝光时间可达1012s。但克尔快门对入射光强损失很大。同时，当它关闭时，漏光现象比较严重，影响了它的普遍使用。,一、高速摄影技术,9、高速全息摄影,全息摄影把物光波和参考光波的干涉图形记录在全息胶片上，故得全息干涉图。经显影、定影处理后的全息图，用参考光照射，它的衍射图像精确地重现了被摄物体。由于被摄物体的高速运动，在记录一幅全息图的曝光时间内，物光和参考光的光程差要发生变化。如果这一变化达到2(为激光波长)，根据光的干涉原理，就记录不到干涉条纹。因此，高速全息摄影中，物体运动速度不能太快。,一、高速摄影技术,10、高速变像管相机,以变像管作成象器件的高速相机，是目前最有生命力的高速摄影设备。用作扫描摄影时，已达到的时间分辨本领为5x1013s。商业分幅相机的最高摄影频率达6x108fs。扫描相机与实时图像数据处理系统配合，可以以实时获得被摄对象的各种参数。极大地提高了工作效率。,一、高速摄影技术,几种典型的高速摄影技术1、转镜式高速扫描相机,转镜式扫描相机是一种重要的高速摄影设备，它的时间分辨本领达到10-9s,仅次于变像管扫描相机。在爆炸力学和等离子体物理实验研究工作中，是不可缺少的设备。通常用于研究被摄物体沿某特定方向的位移随时间的变化，测量时间间隔，求出被摄物体运动速度和加速度等。,一、高速摄影技术,1、原理,国产GSJ型转镜式高速相机原理,一、高速摄影技术,同步式和等待式扫描相机,同步式扫描相机中像面只占有限范围。如图说示，A、B为像面当转镜处于I位置。物体成像于相面始端A：处于II位置时，成像于像面末端B。转镜I至II的转角。因此转镜的位置与拍摄过程发生时刻应严格协调，方能拍摄到图像。或者说，被拍摄过程的发生时刻应由相机控制。,一、高速摄影技术,等待式相机转镜结构与同步式相机不同，如图所示，被摄物体所发出的光束，被多面体转镜分割成几部分，一部分经由多面体的反射面1成像在相机像面的末端B。另部分经反射面2成像在像面始端A。r为相机像面张角。当多面体继续旋转时，反射面1超出成像范围，反射面2使像由A向B扫描。当它把像成在B点时，反射面3又把像成在A点。因此，只要多面体转镜在旋转，被镊过程不管何时出现，均会成像于相机的像面上。这就是等待式相机的构造原理。,等待式相机,一、高速摄影技术,2、转镜式高速分幅相机,转镜式高速分幅相机是光学机械高速摄影设备中，具有很高摄影频率的相机。虽然网格式高速相机从原理上讲，可以得到更高的摄影频率，但因图像复原等方面的困难，至今仍末推广应用。而转镜式分幅相机已得到了广泛的应用。目前，它的摄影频率仅次于变像管相机。转镜式分幅相机的最高摄影频率可达2107f/s。,一、高速摄影技术,分幅相机记录二维空间信息随时间的变化情况：二维空间信息是连续的，时间信息却是间断的，即获得一幅图像需要一定时间，相邻两幅间有一定的时间间隔。扫描相机则正相反，它的时间信息是连续的，空间信息被限制在一维狭缝方向。,一、高速摄影技术,被摄物体经第一物镜1，场镜4成中继像于转镜6的反射表面。此像经分幅透镜8成像于底片9上。由于转镜6的高速旋转，中继像依次通过各分幅透镜在底片上得到一系列分幅图像。同时，阶梯光阑2经场镜4和转镜6与分幅光阑7共轭，组成光快门：5为视场光阑，3为电磁快门。GSJ型分幅相机即采用这种光学系统。,一、高速摄影技术,光学共轭成像原理,一、高速摄影技术,FJZ250型分幅相机工作原理,一、高速摄影技术,最终成像光束的光能量远少于物镜O的满口径光能量。若要使参与成像的光能量尽可能多，必须加大阶梯光阑的宽度，相应地也要加大分幅光阑孔的宽度。这样，分幅光阑圆弧上的总通光孔数就会减少，因而转镜每转一周得到的图象数减少，使摄影频率降低。转镜式分幅相机之所以有很高的摄影频率(或高的时间分辨本领)，是牺牲成像光束能量，也就是牺牲图像空间分辨率的结果。,一、高速摄影技术,单独从扫描和分幅两种记录都能得到有价值的数据，但也都存在着明显的不足足，例如，单独从扫描照片，无法看出被摄物体在二维空间的运动是否对称。局部奇异现象无法观察。单独从分幅照片往往很难精确求出各运动参数。在各种快速现象的研究中，人们希望同时用扫描和分幅相机对同一过程进行记录。同时分幅扫描相机，所得到的扫描和分幅记录具有同一时间基准，从而可以更准确地得到快速现象的发展和变化过程，以及所需的实验数据。,3、同时扫描和分幅高速相机,一、高速摄影技术,原理,一、高速摄影技术,实例（炸药水下爆炸）,一、高速摄影技术,4、高速电影摄影机,高速电影摄影机在高速相机属中、低速摄影机范围。其频率范围很宽，从100至几万幅每秒。因此，高速电影摄影机的应用范围很广，既适合于军用，也适合于民用。例如导弹摄影，弹头着靶的速度、姿态的研究 高速电影摄影机的种类也很多，最典型的有旋转梭镜补偿式高速电影摄影机和旋转反射镜补偿式高速电影摄影机，还有旋转透镜补偿式高速电影摄影机，间歇式相机、鼓轮相机等。,一、高速摄影技术,（1）旋转棱镜补偿式高速电影摄影机,1一摄影物镜；2一旋转棱镜补偿器；3一拍片轮；4一连续运动胶片,一、高速摄影技术,LBS16A型摄影机（西安光机所）原理图1主物镜 2一滤光片；3 补偿棱镜；4一胶齿带；5圆盘决门；6检焦镜；7一胶片；8一直角棱镜；9一输出齿轮,一、高速摄影技术,（2）旋转平面反射镜补偿式高速电影摄影机,这种类型的典型相机是德意志民主共和国生产的Pentazet-35型相机,E一光阐 G一内反射镜轮 O固定物镜 B一转象校镜 W-传动土轴 M一电动机C一内齿轮 K一收片轴 K一供片轴 F一暗盒 R1一供片轮 R 2一收片轮 L导轮 N一电磁离合器 S一反肘镜 U一反射镜轮 V一箱体后盖,一、高速摄影技术,变像管是一种宽电子速成像器件，它由光电阴极、电子光学系统和荧光屏组成。光电阴极接收输入光学系统所成的光辐射图像。把它转变成不同电流密度的电子束流，电子束经电子光学系统加速、聚焦、通、断、控制和偏转后，轰击荧光屏，转变成可见光图像。由输出光学系统将图像记录在胶片上或由数据处理系统进行实时数据处理。以变像管为成像部件组成的相机，即为高速变像管相机。属于光电式高速摄影设备。光机式高速摄影仪器中，机械部件的高速运动受驱动功率、材料强度、动态像质等多方面的限制。因此、它们的时间分辨本领或摄影频率，在目前条件下很难进一步提高。变像管中对电子束的控制则是很灵活方便的，因此它能达到的性能指标远远超过了光机式相机。,5、高速变像管相机,一、高速摄影技术,历史和分类,变像管相机于上世纪20年代初即用了高速摄影，60年代初，它的时间分辨本领便达到亚纳秒。70年代是皮秒时间分辨相机蓬勃发展的时代。1980年以后、研制工作巳向亚皮秒时间分辨进军。同时推出了各种性能较完善的定型产品，广泛地在弹道学、爆炸力学、天文学、高能物地、光化学、激光核聚变和等离子体物理等研究领域推广应用。高速变像管相机，根据它的不同的记录功能可分为扫描、单幅和分幅三种类型。从相机与被摄对像的关系分为同步式和等待式两种。按照变像管中采用的电子光学系统类型，分为近贴式、静电聚焦和磁聚焦三类。,一、高速摄影技术,特点,与光机式高速摄影设备相比，变相管相机有如下特点；1、光谱灵敏范围宽：改变光电阴极的材料，便可记录x射线、紫外、可见光和近红外波段的光辐射图像。2、时间分辨本领高：在高速摄影设备中，它具有最高的时间分辨本领。3、光增益高：所有光机式设备，都要损耗入射光辐射的能量，而变相管相机却能提高图像的光强度。通过电子束在变像管内的加速以及专门设置的像增强器件，可使光增益从几十到几十万倍。为研究弱光高速过程创造广良好条件。4、扫描变像管相机的图像数据、已实现实时处理，大大提高了工作效率和数据处理精度。使用实时数据处理系统的相机，对入射辐射的灵敏度要比现代最灵敏的普拉胶片高约23个数量级。缺点：变像管相机的不足之处是图像的空间分辨率低空间信息容量小；只有灰度信息，没有色度信息；扫描非线性大等。,一、高速摄影技术,几种典型的变像管相机,1）近贴聚焦变像管相机 近贴聚焦变像管的电子光学系统最简单，光电阴极和荧光屏密封在真空中，两者之间的距离只有1m m左右。荧光屏上施加正高压，光电阴极各像素发射出的光电子，被电场加速，并以抛物线运动轨迹，到达获光屏，使之发光。1光电阴极；2荧光屏,一、高速摄影技术,这种变像管的结构简单，屏上边缘图像和中心图像一样好，空间分辨率也较好。如果光电阴极和荧光屏间距1mm，屏上电压为l kv，则空间分辨率可达17lpm m左右。但这种像管的光增益低。为此，在阴极和屏之间安置电子倍增器件微通道板，组成双近贴式变像管。光电阴极和微通道板输入面间，微通道板输出面和荧光屏间的距离均为毫米量级。,一、高速摄影技术,2）静电聚焦变像管,这是一种应用最为普遍的变像管。下图是英国John Hadland公司的Imacon型静电聚焦变像管，有分幅和扫描两种功能。下图为分幅工作方式及各电极上电压的变化。图中变像管内各电极均施加相应电压，组成电子光学成像和控制系统。,一、高速摄影技术,(a)变像管结构；(b)备电极上施加的电压：(c)荧光屏上图像排列,一、高速摄影技术,高速摄影作品,一、高速摄影技术,一、高速摄影技术,一、高速摄影技术,一、高速摄影技术,一、高速摄影技术,一、高速摄影技术,一、高速摄影技术,第二部分 CCD技术的应用,一、CCD相机的工作原理二、CCD相机的特点三、CCD相机的应用,CCD技术的应用,一、CCD相机的工作原理,CCD是英文ChargeCoupled Devices的缩写，中文通常将其译成“电荷耦合器件”。它是一种以电荷包的形式存贮和传递信息的半导体表面器件，是1969年秋由美国贝尔(Be11)实验室的WSBoyle和GESmith发明的。,CCD技术的应用,CCD结构和工作原理,一、势阱的产生,CCD技术的应用,2、电荷的注入和储存（感光）,CCD技术的应用,当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。,2、电荷的耦合（转移）,CCD技术的应用,CCD的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器,它的表面由不透光的铝层覆盖,以实现光屏蔽.由上面讨论可知,MOS电容器上的电压愈高,产生的势阱愈深,当外加电压一定,势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小.利用这一特性,通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱深浅,4、电荷的输出,CCD的信号电荷读出方法有两种:输出二极管电流法和浮置栅MOS放大器电压法,ICCD的结构,1、线型ICCD,单沟道线型ICCD,CCD技术的应用,CCD技术的应用,面阵CCD结构,1、三相帧转移面阵CCD,CCD技术的应用,2、隔列转移型面阵CCD,CCD技术的应用,3、线转移型面阵CCD,CCD技术的应用,二、CCD的基本特性参数,1、光电转移特性 2 23 404 在CCD中，电荷包是硅衬底被光子激发产生的少数载流子产生的，具有良好的光电转换效率，一般最大可达到99.7%。2、光谱相应特性 CCD接受光的照射分为正面照射和反面照射两种，由于正面布置有电极，由于电极的吸收、反射、衍射造成正面照射的CCD的光谱灵敏度比反面照射低，因此通常采用背面照射。,CCD技术的应用,采用硅衬底的ICCD的光谱响应范围为031um，平均量子效率为25，绝对响应尺为0.1-02(/W),CCD技术的应用,动态范围动态范围由势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比决定。下面分别介绍可存储的最大电荷量和噪声。1)势阱中的最大信号电荷量CCD势阱中可容纳的最大信号电荷量取决于CCD的电极面积及器件结构、时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素,CCD技术的应用,2、噪声(1)光子噪声：由于光子发射是随机过程，因而势阱中收集的光电荷也是随机的，这就成为噪声源；由于这种噪声源与CCD传感器无关。而取决于光子的性质，因而成为摄像器件的基本限制因素：这种噪声主要对于低光强下的摄像有影响。（2）暗电流噪声：与光子发射一样，暗电流也是个随机过程，因而也成为噪声源；而且若每CCD单元的暗电流不一样，就会产生图像噪声。,CCD技术的应用,（3）胖零噪声：包括光学和电子胖零噪声，光学胖零噪声由使用时的偏置光的大小决定，电子胖零噪声由电子注入胖零机构决定。（4）浮获噪声：在SCCD中起因为界面缺限，在BCCD中起因于体缺陷，但BCCD中浮获噪音小。（5）输出噪声：这种噪声起因输出电路复位过程中产生的热噪声。此外，器件的单元尺寸不同或间隔不同也会成为噪声源，但这种噪声源可以通过改进光刻技术而减少。,CCD技术的应用,三、ICCD器件的应用三维机器视觉,人类的大部分信息是通过视觉系统来获取的。随着科学技术的不断进步，研究了利用计算机等现代化工具来实现视觉功能，以增加对三维世界的理解，由此形成丁一门崭新的学科计算机视觉(Computer Vision)，又称机器视觉(Machine Vision)。近年来，计算机技术及电子技术的不断进步及光电器件的完善和发展，推动了计算机视觉技术的快速发展。,CCD技术的应用,1、激光三角法测量原理,(a)直射式结构；(b)斜射式结构1一激光器；2汇聚透镜；3一被测表面；4一接收透镜；5一CCD,CCD技术的应用,位移公式,1）直射式2）斜射式,直射式和斜射式的特点：1)斜射式可接收来自被测物体的正反射光当被测物表面为镜面时，不会由于散射光过弱而导致光电探测器输出信号太小，使测量无法进行。直射式适合于测量散射性能好的表面；2)斜射式在被测物体移动之后，光点移动，因此，无法知道被测物体某点的位移情况，而直射式却可以。3)斜射式传感器分辨力高于直射式，但它测量范围小、体积大。,CCD技术的应用,视觉传感器分类,(1)点结构光传感器，如图a所示，以半导体激光器作光源，其产生的光束照射被测表面，经表面散射(或反射)后，用面阵CCD摄像机接收，光点在CCD敏感面上的位置将反映出表面在法线方向上的变化。,CCD技术的应用,(2)线结构光传感器，如图b所示，半导体激光器产生的激光经柱面镜变成线结构光，透射到被测区域形成一激光带，用面阵CCD摄像机接收散射光，从而获得表面被照区域的截面形状或轮廓o,(3)多线结构传感器，如图c所示，半导体激光器发出的激光扩束后照射到光栅上，便产生多条线结构光，投射到被测表面上形成多条亮带，用面阵CCD摄像机接收，可获得表面的三维信息。,CCD技术的应用,轿车白车身视觉测量系统,CCD技术的应用,芯片管脚共面性测量原理图,CCD技术的应用,二 高速摄像,PhantomV12.1为美国VRI公司最新推出的一款超高速数字摄像机，其采用了12位SR-CMOS传感器，全画幅分辨率为1280800，全画幅拍摄速率高达6,242幅/秒，最高拍摄速率可达到1,000,000幅/秒。,美国VisionResearch公司推出世界上最快4百万像素高速摄像机PhantomV640，超大25601600分辨率CMOS传感器，满幅摄速率为1,400帧/秒，最高拍摄速率300,000帧/秒。,思考题,1、典型的高速电影摄影机有哪几种？旋转棱镜补偿式高速电影摄影机中的棱镜的功能是什么？2、目前拍摄频率最高的高速摄影机是什么类型的？其摄影频率能达到多少？其基本工作原理是什么？3、势阱的作用是什么？CCD单元之间如何传递电荷？4、三角法激光测量法分哪几种？各自特点是什么？,参考文献,1、谭显祥 韩立石等编著，高速摄影技术，原子能出版社，1990年9月；2、王庆有等编,CCD应用技术，天津大学出版社，2000,11；3、孙长库，叶声华编著，激光测量技术,天津大学出版社，2001年7月（上一讲文献3）,
