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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)動變化過程的空間信息和時間緊密聯(lián)系在一起進(jìn)行圖像記錄的方法，能將瞬變、高速過程連續(xù)記錄下來，并運(yùn)用圖像分析設(shè)備進(jìn)行定量計算的方法，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)動到微觀機(jī)制的研究。 ?高速攝像可以在很短的時間內(nèi)完成對高速目標(biāo)的快速、多次采樣，當(dāng)以常規(guī)速度放映時，所記錄目標(biāo)的變化過程就清晰、緩慢地呈現(xiàn)在我們眼前。高速光電成像技術(shù)具有實時目標(biāo)捕獲、圖像快速記錄、即時回放、圖像直觀清晰等突出優(yōu)點。?
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? ? ? 高速攝像系統(tǒng)工作原理是 ：高速運(yùn)動目標(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)動目標(biāo)本身發(fā)光,這些光的一部分透過高速成像系統(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)動電路控制的光電器件，會對像感面上的目標(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，在各采樣點即像素點產(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電荷包被迅速轉(zhuǎn)移到讀出寄存器中。讀出信號經(jīng)信號處理后傳輸至電腦中，由電腦對圖像進(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、信號傳輸、控制、圖像存儲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，同時還要保證有足夠大的口徑，以滿足在很短的曝光時間內(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處理系統(tǒng)，其中光電成像器件無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成像系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。光電成像器件主要完成對落在其成像面上的高速運(yùn)動目標(biāo)像的多次、快速采樣，而每次采樣過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、輸出信號的處理等過程。它最為主要的指標(biāo)是像元素數(shù)和響應(yīng)時間，因為這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構(gòu)成適用于特定場合應(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）信號傳輸系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著長距離、高質(zhì)量將圖像信號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線傳輸和有線傳輸。 ?

? ? ? （4）控制系統(tǒng)完成對鏡頭光圈、焦距、聚焦的控制，若有像增強(qiáng)器，則還必須有對其電壓、增益、快門等進(jìn)行操作的控制器。對于高速成像系統(tǒng)主要是一些參數(shù)設(shè)定，如拍攝頻率、拍攝時間、觸發(fā)方式、存儲格式的預(yù)置等，對需要輔助照明的系統(tǒng)還需要對照明燈的亮度進(jìn)行控制。在這個過程中需要實驗人員根據(jù)實際情況參與控制系統(tǒng)。 ?

? ? ? （5）圖像存儲系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成圖像的快速存儲，現(xiàn)多采用數(shù)字化的存儲方式，由計算機(jī)直接控制記錄和重放。需要說明的是存儲圖像的數(shù)量、質(zhì)量和大小與存儲芯片的容量成正比，因此在實驗中需要合理使用存儲容量，用有限的存儲來記錄實驗數(shù)據(jù)。 ?

? ? ?（6）圖像處理系統(tǒng)應(yīng)用軟件完成對圖像質(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、爆炸測試、動態(tài)破壞、飛行試驗、彈性分析、裂紋擴(kuò)展研究、抗振動沖擊性能分析、農(nóng)業(yè)機(jī)械研究、生物及醫(yī)學(xué)研究、化工過程分析、汽車碰撞測試、焊縫檢驗、自動化生產(chǎn)線檢測、噴射及粒子分析、院校科研、安防監(jiān)控、體育運(yùn)動等。?

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