專利名稱：用于光電圖像選通快門時間標定的測量方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明是對光電圖像選通快門時間標定測量方法的改進，具體涉及變 象管分幅相機選通快門時間的精密標定，屬于光電儀器測量技術領域。
背景技術：
變象管分幅相機中納秒(IO"秒)和皮秒(10_12秒)選通快門時間的
精密標定測量是一項非常重要卻又十分困難的工作。電脈沖的測量可借助 高頻示波器實施，但耦合到變象管分幅相機的實際負載上，要精密標定測
量選通快門的時間，目前可供選擇的技術方法不多，大多是采用F-P標準 具(Fabry-Perot etalon)產生光脈沖串的方法。其是>1巴激光產生的或經 倍頻產生的單光脈沖引入F-P標準具，產生有固定脈沖間隔時間(取決于 標準具的間隙)的光脈沖串，光脈沖串強度按F-P標準具輸入輸出窗口的 光學膜系衰減系數遞減。其缺點 一是光脈沖串是遞減的，由于變象管相 機的動態范圍不大，所以能探測到光脈沖串的脈沖個數是有限的，這直接 影響測量精度；二是標準具產生光脈沖串要用光學方法在空間展開，這會 引入誤差，影響測量精度。
經檢索，未發現有更好的選通快門時間標定的測量方法。
發明內容
本發明的目的就是4是出 一種光電圖像選通快門時間標定的測量方法， 并設計出用于光電圖像選通快門時間標定的測量器件-一超快光尺。使其具 有測量精度高、可靠性強、重復性好、測量效率高和成本低的優點。
本發明所提出的光電圖像選通快門時間標定的測量方法是按以下技術 方案實現。釆用能夠按固定時差依次平面顯示光信號陣列的器件，使光信 號陣列的平面像聚焦在圖像轉換器件的光陰極面，在該光陰極面與成像面
(熒光屏)之間加有被測選通快門；當由光信號陣列器件的輸入端輸入一個
超短光脈沖信號，該器件輸出端則以固定時差按陣列順序依次顯示光脈沖 信號，此時被測選通快門開啟，則有按時差順序顯示的光脈沖信號被成像 記錄，依據^皮記錄光斑亮點的多少即可確定^^皮測選通快門的開通時間，實 現對分幅相機選通快門的精密標定測量。也就是在快門開啟的時間段內，
成像面所記錄的陣列光斑點itn減1,乘以所述的固定時間差At可得到選 通快門的曝光時間T,即T- (n-l) x厶t。還可以對成^f象面記錄的光斑 點陣列通過處理軟件得到亮度增益曲線，其半寬度即為選通快門曝光時間。 所述的固定時間差為納秒/皮秒量級。
實現本發明光電圖像選通快I' 1時間標定的測量方法，所釆用的能夠按 固定時差依次平面顯示光信號陣列的器件稱之為超快光尺，其結構特點是， 把一束有著相同長度差的光纖一端對齊固定為光輸入端，另 一端按光纖的 長短順序排列成陣列對齊端面固定，為光輸出端。所述的一束光纖是由幾 十根至上百根不等的光纖組成，具體是根據測量范圍和精度來確定。所述 的按長短順序排列，是指所排列光纖每相鄰兩根光纖有著相同的長度差。 所述的相同長度差(AL)意為若第一根光纖的長度為L,則第二根的長 度為L+AL,第三根的長度為L+2AL,…以此類推。所述的排列陣列可以 是矩形(axb)陣列，也可以是圓形或其他形狀的陣列，但都需確定排列 順序。
本發明的實質就是要形成有固定間隔時間(納秒或皮秒間隔)的有序 光點陣列，實現對光電圖像選通快門時間的精密標定測量。所以，本發明
所設計的超快光尺中的每相鄰兩根光纖有著相同的長度差，當由輸入端輸 入一個超短光脈沖信號，由于相同光纖介質中的光速是定值(如石英光纖的 折射率1.5，光速為2xl0"cm/s),相鄰光纖相同的長度差導致輸出端以固 定時差按陣列順序依次顯示光脈沖信號。可以看出，光纖的長度差確定了 依次顯示光脈沖信號的固定時差，也決定了超快光尺測量的精度，即長度 差越短，測量的精度越高；而使用光纖的數量決定了超快光尺測量時間的 尺度范圍，即光纖數量越多，測量時間的尺度范圍越大。
實現本發明對光電圖像選通快門時間標定的測量方法，還包括輸入端 能發出超短光脈沖信號的激光器，激光器作為測量光源，可以選擇皮秒級
的固體激光器，波長^L被測儀器感光面(或變象管光陰極)的響應光i普而定， 可以是紅外光、可見光或紫外光；當相應波長的激光脈沖光斑照在超快光 尺(其傳輸窗口應與變象管陰極響應光譜匹配)的輸入端面上，其光斑須 均勻充滿整個端面；在超快光尺輸出端可以通過平行光管或是其他光學系 統把輸出端面上的光斑陣列圖像聚焦在光電轉換面上。所述的光電轉換面 可以是被測儀器的感光面，如分幅相機變象管的陰極面，經與其焚光屏耦 合的CCD相機可獲得光斑陣列圖像；也可以直接聚焦在CCD相機感光面上， 對其選通快門脈沖實施精密標定。根據分幅變象管的結構，選通快門電脈 沖應加在變象管光陰極和熒光屏之間的器件(如微通道板-MCP電子倍增 器)或相關電極上。測量時需要調整激光脈沖與選通快門電脈沖的同步時 間，使得激光光斑點陣列成像在選通快門電脈沖的前沿或中間或后沿，實 現對變象管分幅相機超快選通脈沖的精密標定。若選通快門電脈沖的起始 點與照射光纖束的激光脈沖同步時，則通過與變象管熒光屏耦合的CCD相 機獲得選通光纖光斑陣列圖像。若選通快門電脈沖的起始點與照射光纖束 的激光脈沖不同步時，須要求照射光纖束的激光脈沖時間寬度遠小于選通 快門曝光時間。
本發明所提出的光電圖像選通快門時間標定的測量方法、及所設計的 超快光尺，可根據不同的測量精度，選擇不同的長度差，形成固定的時間 間隔。經過多次實驗證明可行，實現了本發明的目的，克服了 F-P標準具 的缺點，與現有技術相比，具有精度高、可靠性強、重復性好、測量效率 高、操作方便、成本低等優點。 附圖及其說明
附
圖1為本發明所設計超快光尺的結構示意圖，圖中1為輸入端，2為 光纖束，3為輸出端；附圖2為本發明所制作超快光尺的實物照片；附圖3 為所設計超快光尺輸出端光斑陣列全亮時靜態照片，可以看出共有30根光
纖，其光纖由短至長的排列順序是由上右向左，再下左至右，再下右至 左；附圖4為用圖3超快光尺動態測量結果照片(第二、三排)，可以看出 其為14至27有14個光斑被記錄；附圖5為用圖3超快光尺另一次動態測 量結果照片(三排均有)，可以看出其為8至22有15個光斑被記錄；附圖 6為對應圖5所測量的增益曲線。由于選通快門脈沖不可能是理想的矩形脈 沖，所得光斑亮度(實質上也是增益變化)結果按灰度處理可得一近似高 斯分布曲線，可將該曲線的半高寬度定義為選通快門的曝光時間。
具體實施例方式
以下結合附圖詳細說明本發明技術方案的具體實施和效果。 如圖1所示，本發明所設計的超快光尺是由輸入端、輸出端和光纖束 組成。光纖頭在輸入端面是隨機均勻排列的，但輸入端面直徑不宜太大， 這取決于激光光斑的大小和均勻性。光纖頭在輸出端面按光纖長短有序均 勻(光纖頭之間加適當暗絲)排列成陣列，其形狀和大小尺寸視被測儀器 感光面形狀、尺寸及光學成像系統的放大倍率綜合確定。輸入端面和輸出 端面要按光學端面的工藝處理。所述光纖的材料根據不同的光波長，可選 擇石英光纖、玻璃光纖、塑料光纖等，直徑在幾十iam。當然，還可以在光 纖材料中摻入或去除某種物質，以降低或提高光纖中的光速(或是某一波 長的光速)，這有利于提高光尺的精度和結構性能。
在激光照射到光尺的輸入端面上，按順序依次到達光尺輸出端面，有 著固定的時間間隔，在被測儀器選通快門開啟時會有部分連續的光斑點成 像在感光面上。所以，所選擇激光器的光脈沖寬度應與所確定光尺的固定 時差相匹配。 一套超快光尺的光纖束只有一種長度差、 一種時間間隔，即 一種時間測量精度，與我們平素用的米尺、卡尺、千分尺等相似，有著固 定的測量范圍和精度。 實例1.
按上述要求，選取直徑50|Lim的石英光纖(石英光纖的折射率是1. 5， 光速是2x 1(Tcm/s)30根。把光纖長度差定為15mm，其時間間隔就為75ps;
第一根光纖(最短一根)長300mm，從第二根起，每根比前一根加長15 mm， 第三十根(最長一根)長300+435=735 mm;光纖頭的一端隨機均勻排列成 ①3mm的圓，固定成為輸入端；輸出端按短長順序排列成3 x 10陣列固定， 尺寸為5 mmxlmm。該光尺的光斑點為30個，如圖3所示。理論上能測量 75ps — 2. 18ns范圍內選通快門時間，實際測量中因同步問題，難免有丟失， 測量范圍應更小；所以，需要調整光斑點成像與選通快門電脈沖的同步時 間，最好抓在光斑點圖形成像在光斑陣列中間位置。該光尺的精度為75ps。 用該超快光尺對lns分幅相機的選通快門進行了二次測量實驗，其結果見 圖4和圖5，圖4中光斑點為14個，計算得到選通快門的曝光時間T= (14 -1 ) x 75=0. 975ns;圖5中光斑點為15個，計算得到選通快門的曝光時 間T= ( 15 - 1 ) x 75-1. 05ns;同時，對圖5所測量光斑亮度結果用軟件按 灰度處理得到亮度增益曲線(見圖6)，其半寬度即選通快門曝光時間為 0. 957ns。 實例2.
按前述要求，選取直徑40 mm的塑料光纖(折射率約是1. 59) 101根。 把光纖長度差定為2咖，其時間間隔就為10ps;第一#^光纖(最短一根)長 200mm，從第二根起，每根比前一根加長2mm，第101根(最長一根)長 200+200=400 mm;光纖頭的一端隨才幾均勻排列成0>3 mm的圓，固定成為輸 入端；輸出端按短長順序排列成由里向外的螺旋線陣列固定，外形尺寸為 <t>5 mm的圓。該光尺的光斑點為101個。理論上能測量lOps —lns范圍內 選通快門時間，精度為10ps。例如測出91個光斑點(91個光斑點最好抓 在光斑陣列在光纖陣列中間位置)，其選通快門的曝光時間T= (91-1) x L0=900ps。
權利要求
1、一種光電圖像選通快門時間標定的測量方法，其特征在于，采用能夠按固定時差依次平面顯示光信號陣列的器件，使光信號陣列的平面像聚焦在圖像轉換器件的光陰極面，在該光陰極面與成像面之間加有被測選通快門；當由光信號陣列器件的輸入端輸入一個超短光脈沖信號，該器件輸出端則以固定時差按陣列順序依次顯示光脈沖信號，此時被測選通快門開啟，則有按時差順序顯示的光脈沖信號被成像記錄，依據被記錄光斑亮點的多少即可確定被測選通快門的開通時間，實現對選通快門時間的標定測量。
2、 根據權利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述的固定時間差 為納秒/皮秒量級。
3、 根據權利要求1所述的測量方法，其特征在于，用所述成像面記錄的陣列光斑點數n減1，乘以所述的固定時間差At可得到選通快門的曝光 時間T,即T- (n-1) xAt;或是將成像面記錄的光斑點陣列通過軟 件處理得到亮度增益曲線，其半寬度即為選通快門曝光時間。
4、 實現權利要求1所述測量方法的超快光尺，其特征在于，把一束有 著相同長度差的光纖一端對齊固定為光輸入端，另 一端按光纖的長短順序 排列成陣列對齊端面固定，為光輸出端；所述的按長短順序排列是指所排 列光纖每相鄰兩根光纖有著相同的長度差。
全文摘要
一種光電圖像選通快門時間標定的測量方法及裝置，本發明采用能夠按固定時差依次平面顯示光信號陣列的器件，使光信號陣列平面像聚焦在圖像轉換器件的光陰極面，在其與成像平面之間加有被測選通快門；當由光信號陣列器件輸入端輸入超短光脈沖信號，在器件輸出端則以固定時差按陣列順序依次顯示光脈沖信號，此時被測選通快門開啟，則有按時差順序顯示的光脈沖信號被成像記錄，依據被記錄光斑亮點的多少即可確定被測選通快門的開通時間，實現對選通快門的時間標定測量。所述器件——超快光尺中的每相鄰兩根光纖有著相同長度差，當超短光脈沖照射在輸入端面，則在輸出端面以固定時差按陣列順序依次顯示光脈沖信號。與現有技術相比，具有精度高、可靠性強、重復性好、測量效率高、操作方便、成本低的優點。
文檔編號G01M11/02GK101113938SQ20071007543
公開日2008年1月30日 申請日期2007年7月31日 優先權日2007年7月31日
發明者劉進元, 彭文達, 驪 李, 歐均富, 牛麗紅, 袁華濤 申請人:深圳大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
