机器视觉之分幅相机原理介绍讲解

分幅相机分幅相机是采用分光系统及快光电子技术，整合2台，甚至于8台ICCD相机于一体，实现高速分 幅拍摄的一种超高速相机。它的出现实现了分幅功能原理从机械式的转镜相机到完全没有旋转部件的固定 光学分光系统的转换，从而为提高摄影频率和良好的画质奠定了系统基础，实现了摄影频率和图像质量的 综合性能的大幅度提咼。1原理对于分幅相机而言，其实现超高速曝光的核心成像器件是ICCD相机（超快门控），依靠分光系统对光 信号进行分配，传输到各个ICCD相机单元上，并且采用快光电子控制技术对多台ICCD相机的良好控制 与整合，从而实现。1） ICCD的超快门控（超高速曝光）ICCD相机内的像增强器具备快速选通功能因而提供了 ICCD相机的所谓的门控能力即光闸功能。 当ICCD相机工作时，三个电压被施加到如下图所示的像增强器中。通过改变光电阴极和微通道板之间的 电压UC可以实现对像增强器的门控功能。如果光阴极和微通道板之间的电压UC为负时，从光电阴极飞 出的光电子，在电压作用下加速涌向微通道板，此时快门开启。如果电压UC为正时，光电子被电压束缚 在光电阴极上，此时快门关闭。而这种模式被称为门控，并且电压UC被称为选通电压。ICCD相机也正是 由于这种门控模式，才可以抓拍到非常短的曝光时间下（例如3 ns的曝光时间）的瞬态图像。图1 ICCD内像增强器的超快门控原理图2）分光系统禾I用光学分光系统进行分光的原理主要有两种：平行光中分光和会聚光中分光，如图1和图2在图1 所示的平行光中分光原理的光路中，物体首先经过主物镜进行成像，并且该成像面实际上是后面的分光光 学系统第一中继透镜的前焦平面，这样进入分光系统后的成像光线变为平行光束，这些平行光束再由分光 系统（如分光棱锥、分光平板或分光棱镜）进行分光而获得相应的在空间上分开的成像平行光束，最后这些 分开的成像平行光束进入不同的成像通道进行成像达到分幅成像目的由于这种方式是对成像过程中产生 的平行光束进行分光，故称之为平行光束分光原理目前，高速多幅分幅相机基本采用这种方式进行分幅成 像，只不过在采用分光元件上有所不同.幅数较多的一般采用多边分光棱锥，幅数较少的则采用分光棱镜。Im J UHriinu- kfhi IknwiiifJTCoUfililS|riBr%tcr图2平行光束分光原理图在图2所示的会聚光中分光原理的光路中，物体的成像光束在像空间用分光元件直接分光，然后再 成像在各个像平面上，遵循几何光学的成像原理这种分光原理简单，其特点是利用了全部的成像光线束， 光能量利用率高，并且各成像光路在光学设计时可以较容易地进行独立校正，成像质量可以满足较高的要 求，同时光学系统的数值孔径可以做得较大，具有较多的优势这种光学系统的主要限制是镜头的焦距，由于在镜头后的像空间进行分光，因此要求其像空间的工作距离要比较大，对应的镜头焦距也要大。Iningc plane $J-:planei ocu?RcHcdtK 二 7.-Mum kit图3会聚光中的分光原理3）快光电子控制系统简介控制系统主要针对这些关键部件的工作流程进行控制，是光电分幅相机的重要组成部分;不仅必须产 生满足严格要求的各种控制信号，如多台CCD相机的同步外触发、极快的门控型图像增强器光电阴极的导 通与关闭，同时还要满足图像数据及CCD相机控制参量的设置等功能要求。结合先进的大规模可编程集成电路的应用，分幅相机获得了在曝光时间、幅间间隔时间很好的可以独立进行控制的性能，满足了目前各种复杂的应用控制要求。下图3是一个典型的三分幅相机的控制流程示意。ccwL.AII吨ltd d討叫 卿cralifcrILKIJ?ISdjLu.linkLluiIivIIctCiwvtTiillerunikGbEv puM Fl 一1 R鞋lilKZfnrrHiLTixk ri图4三分幅相机的控制流程图2相机选型(.目W11爻叟養WAVELENGTH (nm)对分幅相机来说，由于核心成像器件是ICCD相机单元，因此在选型时，首先是要根据波段来选择MCP及光电阴极的材料。从上图可以看出，不同的MCP材料所对应的截止波段不同，对于MgF2材料而 言,它对于160 nm以上的紫外光都有良好的透过性,而普通的光纤微通道板则在400 nm左右就截止了， 紫外波段透过率不佳。再来就是光电阴极材料的选择，不同的阴极材料所对应的峰值波长不一致，QE值也不一样，如下表 所示。在对ICCD选型时，要根据应用背景选择最佳的光电阴极材料。光电陶圾林料峰值波慎（nrr）QE峰值波慎零效背眾输入暗计数5-VcmiS20 梦脸光阴极）4S0U% . 18%3101SOO525 （务雀红光阴根）60083 93%31010 000530-75023%31030 000GaAP4S0 亠 53050%3-1010 000最后是荧光屏的选择，目前主要是P43比P46两种，两者的差别如下表所示。P46荧光屏主要是体 现在快速响应上，用于超高速曝光应用比较适宜;而P43则主要是转换效率高，用于高灵敏探测的环境更为 出色。荧光衰織时何典辱撓赠Mnim-辍减至1CMP431 ms4 ms100%P4&0.2 -2|js30%