劉寧文，李 劍，趙新才，肖正飛，李澤仁

(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽 621999)

1 引 言

超高速光電分幅相機主要針對超快物理過程的測量，如爆轟過程中殼體的膨脹斷裂與分解過程、Z箍縮等離子體參數(shù)測量、直線感應(yīng)加速器(Linear Induction Accelerator，LIA)電子束斑診斷、激光聚變以及激光與物質(zhì)相互作用等[1-4]。目前，國際上綜合指標最先進的超高速光電分幅相機是英國Specialised Imaging有限公司生產(chǎn)的SIMX系列，其攝影頻率為2×109幅/秒；國內(nèi)綜合指標較先進的超高速光電分幅相機由深圳大學(xué)研制，其最高攝影頻率為1×108幅/秒[5]。為適應(yīng)超快武器物理過程測量的納秒時間分辨的需要(如Z箍縮過程、LIA電子束斑診斷過程只有約100 ns)，消除慢物理動態(tài)測量過程中由曝光時間長而造成的動態(tài)模糊，研制具有高性能的超高速光電分幅相機具有重要的意義。本文介紹我們研制的超高速光電分幅相機及其在超快物理過程測量中的應(yīng)用。

2 相機結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 超高速光電分幅相機原理圖Fig.1 Schematic of ultra-high-speed electro-optical framing camera

我們研制的超高速光電分幅相機由物鏡、分光系統(tǒng)、門控型微通道板像增強器、耦合器、CCD相機、工控機、同步延時控制器、快脈沖電源等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，分光系統(tǒng)由分光物鏡和緊接其后的分光棱錐(八棱錐分光)組成，分光棱錐置于系統(tǒng)的出瞳位置，入射光線經(jīng)分光棱錐和反光鏡反射后，直接成像于接收系統(tǒng)。

超高速光電分幅相機的工作原理為：被攝目標通過主物鏡、第二物鏡和分光系統(tǒng)后，在門控型微通道板像增強器的陰極面上成像，目標像經(jīng)像增強器放大耦合到CCD芯片中，CCD相機輸出的圖像由計算機顯示并完成圖像處理；相機的拍攝頻率和單幅曝光時間由同步控制部件和門控型微通道板像增強器專用脈沖電源設(shè)定[6]。

3 關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

3.1 分光系統(tǒng)

圖2 分光系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of splitting system

分光系統(tǒng)用于光學(xué)分幅。利用光學(xué)方法將被攝目標像分為8幅相同的像，要求光學(xué)分幅后的8幅像的像質(zhì)和光強均勻一致。采用棱錐分光法實現(xiàn)光學(xué)分幅，圖2為分光系統(tǒng)原理圖。被攝目標經(jīng)分光系統(tǒng)的放大光學(xué)系統(tǒng)和八棱錐分光鏡后，將目標像均勻地分為8幅，經(jīng)8個反射鏡轉(zhuǎn)向后成像到像增強器的光電陰極上。八棱錐分光鏡只是將光的能量分為8等份，不影響圖像的空間信息。

分光系統(tǒng)中的物鏡選用雙高斯結(jié)構(gòu)，設(shè)計時進行了補償和雜光分析，解決了各幅圖像不均勻的難題[7]。分光系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function，MTF)曲線和像面畸變曲線見圖3?？梢?，光學(xué)系統(tǒng)在空間分辨率為30 mm-1時，MTF值(M)大于或等于0.7，光學(xué)畸變小于0.2%。

圖3 分光系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(a)和像面畸變曲線(b)Fig.3 Modulation transfer function (a) and image plane distortion curve (b) of splitting system

3.2 快脈沖電源

圖4 快脈沖形成電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Circuit structure of the fast-pulse formation apparatus

門控型像增強器在相機系統(tǒng)中起光學(xué)快門和圖像增強的作用。作為高速光快門，其曝光時間取決于加在陰極上的脈沖寬度和上升時間?？扉T脈沖發(fā)生器須具有較短的延時、較小的觸發(fā)晃動、較短的輸出脈沖寬度，并且要求輸出脈沖具有較窄的前、后沿。由于采用陰極選通，脈沖極性為負，因此電路中利用雪崩晶體管產(chǎn)生快速下降沿，經(jīng)階躍二極管削波后，得到所需的觸發(fā)脈沖(可分檔調(diào)節(jié))?？烀}沖形成電路的結(jié)構(gòu)見圖4，其中：高壓電源為高頻高壓組件，主電路由雪崩晶體管和充電電容組成。為防止誤觸發(fā)，雪崩晶體管的觸發(fā)極采用負壓偏置[8-10]。

超高速光電分幅相機系統(tǒng)所選用的門控型像增強器的性能指標為：有效輸入直徑17.5 mm，空間分辨率50 mm-1，最大亮度增益1×104cd/(m2·lx)，最大等效背景照度0.2 μlx。

快脈沖電源的技術(shù)參數(shù)如下。

(1) 脈沖寬度：10、15、20、50、100、200 ns分檔可調(diào)(標稱值×(1±0.1))；

(2) 脈沖幅值：門輸入電阻為4.7 kΩ，門開啟電壓為-120～-200 V，門關(guān)閉電壓為30～50 V；

(3) 脈沖前沿：小于或等于3 ns；

(4) 觸發(fā)漂移：1 ns。

3.3 精確延時同步控制

由單片機和FPGA(Field-Programmable Gate Array)組成的同步觸發(fā)脈沖在外觸發(fā)脈沖或工控機自觸發(fā)的同步下，分別觸發(fā)CCD相機和門選通快脈沖電源。其功能之一是觸發(fā)8個CCD相機，使CCD相機同步拍攝目標像，工控機對拍攝到的圖像進行存儲、顯示和處理；功能之二是觸發(fā)快高壓脈沖產(chǎn)生電路，進而觸發(fā)門控型像增強器，門控型像增強器開門時間的長短取決于快脈沖時間寬度和器件本身的性能，亮度增益取決于微通道板(MCP)輸出端所加的電壓。具體的設(shè)計方案為：由PIC單片機、FPGA、模擬延時芯片以及外圍器件組成的同步控制電路，同步控制并延時輸出9路信號，其中一路為零延時，其余8路為可調(diào)延時，零延時用于控制拍攝目標同步，8路可調(diào)延時用于分別觸發(fā)快脈沖電源。

4 研制結(jié)果

圖5 超高速光電分幅相機實物圖Fig.5 Photograph of actual ultra-high-speed electro-optical framing camera

我們研制的超高速光電分幅相機實物見圖5。對其空間分辨率、攝影頻率、門控時間、圖像間隔、同步控制精度等指標進行靜態(tài)測試，結(jié)果表明：該相機可拍攝8幅圖像，攝影頻率為2×108幅/秒，像面空間分辨率達36 mm-1以上。該相機主要針對納秒級快物理瞬態(tài)過程測量，具有以下主要功能：

(1) 有3種工作方式，即靜態(tài)照相、等待照相和同步照相；

(2) 曝光時間分為5、10、20、30、50和100 ns 6檔；

(3) 圖像間隔從1 ns～1 ms可調(diào)(間隔1 ns)；

(4) CCD增益以1為單位在0～28范圍內(nèi)可調(diào)，MCP增益以50 V為間隔在500～900 V范圍內(nèi)可調(diào)；

(5) 采用尼康標準接口，可根據(jù)實驗需要更換不同規(guī)格的主物鏡鏡頭。

將我們研制的超高速光電分幅相機與國內(nèi)外同類產(chǎn)品進行比較，結(jié)果如表1所示。由表1可知：我們研制的超高速光電分幅相機的綜合指標與英國SIMX相機相當，最短曝光時間為5 ns，在抗電磁干擾能力和空間分辨率兩個指標上具有明顯的優(yōu)勢。

表1 4種超高速光電分幅相機性能比較Table 1 Performance comparison of four different ultra-high-speed electro-optical framing camera

5 相機的應(yīng)用

5.1 鎢絲發(fā)光實驗(曝光時間：5 ns)

采用我們研制的超高速光電分幅相機拍攝高壓放電鎢絲(直徑為20 μm)發(fā)光的動態(tài)過程，所獲得的圖像見圖6。實驗中相機設(shè)置為同步工作方式，曝光時間為5 ns，第1幅圖像的延時時間為0.60 μs，每幅圖像的時間間隔為50 ns，第8幅圖像的延時時間為1.00 μs。該組實驗圖像展現(xiàn)了高壓放電鎢絲從開始發(fā)光到發(fā)光最強的變化過程。

圖6 鎢絲發(fā)光圖像(曝光時間為5 ns)Fig.6 Luminescent process of the tungsten wire (5 ns of exposure time)

5.2 雷管破裂實驗(曝光時間：30 ns)

采用我們研制的超高速光電分幅相機拍攝雷管破裂過程，所獲得的圖像見圖7。實驗中相機設(shè)置為同步工作方式，曝光時間為30 ns，第1幅圖像的延時時間為2.0 μs，每幅圖像的時間間隔不等，第8幅圖像的延時時間為12.0 μs。該組實驗圖像展現(xiàn)了雷管爆炸時雷管破裂及生成產(chǎn)物等過程。

圖7 雷管破裂圖像(曝光時間為30 ns)Fig.7 Rupture process of the detonator (30 ns of exposure time)

6 結(jié) 論

設(shè)計并研制的超高速光電分幅相機可拍攝從納秒級到10 ms的動態(tài)運動過程，攝影頻率達到2×108幅/秒，像面空間分辨率達36 mm-1以上，可拍攝8幅圖像，具有靜態(tài)照相、等待照相和同步照相3種工作方式。采用我們研制的超高速光電分幅相機，成功獲取了高壓放電鎢絲的發(fā)光過程和雷管爆炸破裂過程圖像。該超高速光電分幅相機有望應(yīng)用于激光與物質(zhì)的相互作用、爆轟過程、材料微層裂破碎過程、LIA電子束強度變化過程等超快物理實驗。

[1] 蔣耀港,馬宏昊,沈兆武,等.冷激波滅火系統(tǒng)中激波對撲滅油盆火焰影響的研究 [J].高壓物理學(xué)報,2013,27(5):731-737.

JIANG Y G,MA H H,SHEN Z W,et al.Study of the interaction between shock and pool in cold shock extinguishing system [J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2013,27(5):731-737.

[2] 黃 超,汪 斌,劉倉理,等.柱形裝藥水中爆炸氣泡的形態(tài)演變 [J].高壓物理學(xué)報,2011,25(3):235-241.

HUANG C,WANG B,LIU C L,et al.On the shape evolution of underwater explosion bubbles by cylindrical charges [J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2011,25(3):235-241.

[3] 王 建,段吉員,趙繼波,等.氫氧爆轟波在激波管中的成長機制研究 [J].高壓物理學(xué)報,2011,25(6):514-518.

WANG J,DUAN J Y,ZHAO J B,et al.Study on the development mechanism of detonation wave for the hydrogen-oxygen mixture in a shock tube [J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2011,25(6):514-518.

[4] 譚顯祥.光學(xué)高速攝影測試技術(shù) [M].北京:科學(xué)出版社,1992.

TAN X X.Test technique for optical high speed photography [M].Beijing:Science Press,1992.

[5] 單寶忠,郭寶平,牛憨笨.多通道門選通納秒分幅相機 [J].光學(xué)精密工程,2007,15(12):1963-1968.

SHAN B Z,GUO B P,NIU H B.Multi-channel nano-second framing camera with gate selection [J].Optics and Precision Engineering,2007,15(12):1963-1968.

[6] 杜云飛,劉 波,胡炳樑,等.全幀型CCD數(shù)碼相機曝光時間的精確控制 [J].光子學(xué)報,2009,38(4):1025-1028.

DU Y F,LIU B,HU B L,et al.Precision control technology of exposure time for full-frame CCD digital camera [J].Acta Photonica Sinica,2009,38(4):1025-1028.

[7] 高志山.光學(xué)系統(tǒng)的雜光計算分析 [J].光學(xué)精密工程,1992(2):1-5.

GAO Z S.Stray light analysis of optical system [J].Optics and Precision Engineering,1992(2):1-5.

[8] 潘京生.微通道板及其主要特征性能 [J].應(yīng)用光學(xué),2004,25(5):25-29.

PAN J S.Microchannel plates and its main characteristics [J].Journal of Applied Optics,2004,25(5):25-29.

[9] 劉寧文,暢里華,肖正飛,等.門控型像增強器開門時間測量 [J].強激光與粒子束,2012,24(10):2447-2450.

LIU N W,CHANG L H,XIAO Z F,et al.Measuring gating time of gated image intensifier [J].High Power Laser and Particle Beams,2012,24(10):2447-2450.

[10] 蔡厚智,劉進元,牛麗紅,等.微通道板中電子時間倍增特性的數(shù)值模擬 [J].強激光與粒子束,2009,21(10):1542-1546.

CAI H Z,LIU J Y,NIU L H,et al.Theoretical simulation of electron transit time and gain characteristics in microchannel plate [J].High Power Laser and Particle Beams,2009,21(10):1542-1546.