專利名稱：用于光電圖像選通快門時(shí)間標(biāo)定的測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是對(duì)光電圖像選通快門時(shí)間標(biāo)定測(cè)量方法的改進(jìn)，具體涉及變 象管分幅相機(jī)選通快門時(shí)間的精密標(biāo)定，屬于光電儀器測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
變象管分幅相機(jī)中納秒(IO"秒)和皮秒(10_12秒)選通快門時(shí)間的
精密標(biāo)定測(cè)量是一項(xiàng)非常重要卻又十分困難的工作。電脈沖的測(cè)量可借助 高頻示波器實(shí)施，但耦合到變象管分幅相機(jī)的實(shí)際負(fù)載上，要精密標(biāo)定測(cè)
量選通快門的時(shí)間，目前可供選擇的技術(shù)方法不多，大多是采用F-P標(biāo)準(zhǔn) 具(Fabry-Perot etalon)產(chǎn)生光脈沖串的方法。其是>1巴激光產(chǎn)生的或經(jīng) 倍頻產(chǎn)生的單光脈沖引入F-P標(biāo)準(zhǔn)具，產(chǎn)生有固定脈沖間隔時(shí)間(取決于 標(biāo)準(zhǔn)具的間隙)的光脈沖串，光脈沖串強(qiáng)度按F-P標(biāo)準(zhǔn)具輸入輸出窗口的 光學(xué)膜系衰減系數(shù)遞減。其缺點(diǎn) 一是光脈沖串是遞減的，由于變象管相 機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍不大，所以能探測(cè)到光脈沖串的脈沖個(gè)數(shù)是有限的，這直接 影響測(cè)量精度；二是標(biāo)準(zhǔn)具產(chǎn)生光脈沖串要用光學(xué)方法在空間展開，這會(huì) 引入誤差，影響測(cè)量精度。
經(jīng)檢索，未發(fā)現(xiàn)有更好的選通快門時(shí)間標(biāo)定的測(cè)量方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是4是出 一種光電圖像選通快門時(shí)間標(biāo)定的測(cè)量方法， 并設(shè)計(jì)出用于光電圖像選通快門時(shí)間標(biāo)定的測(cè)量器件-一超快光尺。使其具 有測(cè)量精度高、可靠性強(qiáng)、重復(fù)性好、測(cè)量效率高和成本低的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明所提出的光電圖像選通快門時(shí)間標(biāo)定的測(cè)量方法是按以下技術(shù) 方案實(shí)現(xiàn)。釆用能夠按固定時(shí)差依次平面顯示光信號(hào)陣列的器件，使光信 號(hào)陣列的平面像聚焦在圖像轉(zhuǎn)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(cè)選通快門；當(dāng)由光信號(hào)陣列器件的輸入端輸入一個(gè)
超短光脈沖信號(hào)，該器件輸出端則以固定時(shí)差按陣列順序依次顯示光脈沖 信號(hào)，此時(shí)被測(cè)選通快門開啟，則有按時(shí)差順序顯示的光脈沖信號(hào)被成像 記錄，依據(jù)^皮記錄光斑亮點(diǎn)的多少即可確定^^皮測(cè)選通快門的開通時(shí)間，實(shí) 現(xiàn)對(duì)分幅相機(jī)選通快門的精密標(biāo)定測(cè)量。也就是在快門開啟的時(shí)間段內(nèi)，
成像面所記錄的陣列光斑點(diǎn)itn減1,乘以所述的固定時(shí)間差A(yù)t可得到選 通快門的曝光時(shí)間T,即T- (n-l) x厶t。還可以對(duì)成^f象面記錄的光斑 點(diǎn)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(shí)間。 所述的固定時(shí)間差為納秒/皮秒量級(jí)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明光電圖像選通快I' 1時(shí)間標(biāo)定的測(cè)量方法，所釆用的能夠按 固定時(shí)差依次平面顯示光信號(hào)陣列的器件稱之為超快光尺，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是， 把一束有著相同長度差的光纖一端對(duì)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(duì)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(jù)測(cè)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(fā)明的實(shí)質(zhì)就是要形成有固定間隔時(shí)間(納秒或皮秒間隔)的有序 光點(diǎn)陣列，實(shí)現(xiàn)對(duì)光電圖像選通快門時(shí)間的精密標(biāo)定測(cè)量。所以，本發(fā)明
所設(shè)計(jì)的超快光尺中的每相鄰兩根光纖有著相同的長度差，當(dāng)由輸入端輸 入一個(gè)超短光脈沖信號(hào)，由于相同光纖介質(zhì)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(dǎo)致輸出端以固 定時(shí)差按陣列順序依次顯示光脈沖信號(hào)?？梢钥闯?，光纖的長度差確定了 依次顯示光脈沖信號(hào)的固定時(shí)差，也決定了超快光尺測(cè)量的精度，即長度 差越短，測(cè)量的精度越高；而使用光纖的數(shù)量決定了超快光尺測(cè)量時(shí)間的 尺度范圍，即光纖數(shù)量越多，測(cè)量時(shí)間的尺度范圍越大。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明對(duì)光電圖像選通快門時(shí)間標(biāo)定的測(cè)量方法，還包括輸入端 能發(fā)出超短光脈沖信號(hào)的激光器，激光器作為測(cè)量光源，可以選擇皮秒級(jí)
的固體激光器，波長^L被測(cè)儀器感光面(或變象管光陰極)的響應(yīng)光i普而定， 可以是紅外光、可見光或紫外光；當(dāng)相應(yīng)波長的激光脈沖光斑照在超快光 尺(其傳輸窗口應(yīng)與變象管陰極響應(yīng)光譜匹配)的輸入端面上，其光斑須 均勻充滿整個(gè)端面；在超快光尺輸出端可以通過平行光管或是其他光學(xué)系 統(tǒng)把輸出端面上的光斑陣列圖像聚焦在光電轉(zhuǎn)換面上。所述的光電轉(zhuǎn)換面 可以是被測(cè)儀器的感光面，如分幅相機(jī)變象管的陰極面，經(jīng)與其焚光屏耦 合的CCD相機(jī)可獲得光斑陣列圖像；也可以直接聚焦在CCD相機(jī)感光面上， 對(duì)其選通快門脈沖實(shí)施精密標(biāo)定。根據(jù)分幅變象管的結(jié)構(gòu)，選通快門電脈 沖應(yīng)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(guān)電極上。測(cè)量時(shí)需要調(diào)整激光脈沖與選通快門電脈沖的同步時(shí) 間，使得激光光斑點(diǎn)陣列成像在選通快門電脈沖的前沿或中間或后沿，實(shí) 現(xiàn)對(duì)變象管分幅相機(jī)超快選通脈沖的精密標(biāo)定。若選通快門電脈沖的起始 點(diǎn)與照射光纖束的激光脈沖同步時(shí)，則通過與變象管熒光屏耦合的CCD相 機(jī)獲得選通光纖光斑陣列圖像。若選通快門電脈沖的起始點(diǎn)與照射光纖束 的激光脈沖不同步時(shí)，須要求照射光纖束的激光脈沖時(shí)間寬度遠(yuǎn)小于選通 快門曝光時(shí)間。
本發(fā)明所提出的光電圖像選通快門時(shí)間標(biāo)定的測(cè)量方法、及所設(shè)計(jì)的 超快光尺，可根據(jù)不同的測(cè)量精度，選擇不同的長度差，形成固定的時(shí)間 間隔。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)證明可行，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的，克服了 F-P標(biāo)準(zhǔn)具 的缺點(diǎn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有精度高、可靠性強(qiáng)、重復(fù)性好、測(cè)量效率 高、操作方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。 附圖及其說明
附

圖1為本發(fā)明所設(shè)計(jì)超快光尺的結(jié)構(gòu)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(fā)明所制作超快光尺的實(shí)物照片；附圖3 為所設(shè)計(jì)超快光尺輸出端光斑陣列全亮?xí)r靜態(tài)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(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果照片(第二、三排)，可以看出 其為14至27有14個(gè)光斑被記錄；附圖5為用圖3超快光尺另一次動(dòng)態(tài)測(cè) 量結(jié)果照片(三排均有)，可以看出其為8至22有15個(gè)光斑被記錄；附圖 6為對(duì)應(yīng)圖5所測(cè)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(shí)質(zhì)上也是增益變化)結(jié)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(shí)間。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案的具體實(shí)施和效果。 如圖1所示，本發(fā)明所設(shè)計(jì)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(jī)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(dāng)暗絲)排列成陣列，其形狀和大小尺寸視被測(cè)儀器 感光面形狀、尺寸及光學(xué)成像系統(tǒng)的放大倍率綜合確定。輸入端面和輸出 端面要按光學(xué)端面的工藝處理。所述光纖的材料根據(jù)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(dāng)然，還可以在光 纖材料中摻入或去除某種物質(zhì)，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(jié)構(gòu)性能。
在激光照射到光尺的輸入端面上，按順序依次到達(dá)光尺輸出端面，有 著固定的時(shí)間間隔，在被測(cè)儀器選通快門開啟時(shí)會(huì)有部分連續(xù)的光斑點(diǎn)成 像在感光面上。所以，所選擇激光器的光脈沖寬度應(yīng)與所確定光尺的固定 時(shí)差相匹配。 一套超快光尺的光纖束只有一種長度差、 一種時(shí)間間隔，即 一種時(shí)間測(cè)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(cè)量范圍和精度。 實(shí)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(shí)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(jī)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(diǎn)為30個(gè)，如圖3所示。理論上能測(cè)量 75ps — 2. 18ns范圍內(nèi)選通快門時(shí)間，實(shí)際測(cè)量中因同步問題，難免有丟失， 測(cè)量范圍應(yīng)更??；所以，需要調(diào)整光斑點(diǎn)成像與選通快門電脈沖的同步時(shí) 間，最好抓在光斑點(diǎn)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(duì)lns分幅相機(jī)的選通快門進(jìn)行了二次測(cè)量實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見 圖4和圖5，圖4中光斑點(diǎn)為14個(gè)，計(jì)算得到選通快門的曝光時(shí)間T= (14 -1 ) x 75=0. 975ns;圖5中光斑點(diǎn)為15個(gè)，計(jì)算得到選通快門的曝光時(shí) 間T= ( 15 - 1 ) x 75-1. 05ns;同時(shí)，對(duì)圖5所測(cè)量光斑亮度結(jié)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(shí)間為 0. 957ns。 實(shí)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(shí)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(diǎn)為101個(gè)。理論上能測(cè)量lOps —lns范圍內(nèi) 選通快門時(shí)間，精度為10ps。例如測(cè)出91個(gè)光斑點(diǎn)(91個(gè)光斑點(diǎn)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(shí)間T= (91-1) x L0=900ps。
權(quán)利要求
1、一種光電圖像選通快門時(shí)間標(biāo)定的測(cè)量方法，其特征在于，采用能夠按固定時(shí)差依次平面顯示光信號(hào)陣列的器件，使光信號(hào)陣列的平面像聚焦在圖像轉(zhuǎn)換器件的光陰極面，在該光陰極面與成像面之間加有被測(cè)選通快門；當(dāng)由光信號(hào)陣列器件的輸入端輸入一個(gè)超短光脈沖信號(hào)，該器件輸出端則以固定時(shí)差按陣列順序依次顯示光脈沖信號(hào)，此時(shí)被測(cè)選通快門開啟，則有按時(shí)差順序顯示的光脈沖信號(hào)被成像記錄，依據(jù)被記錄光斑亮點(diǎn)的多少即可確定被測(cè)選通快門的開通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)選通快門時(shí)間的標(biāo)定測(cè)量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述的固定時(shí)間差 為納秒/皮秒量級(jí)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，用所述成像面記錄的陣列光斑點(diǎn)數(shù)n減1，乘以所述的固定時(shí)間差A(yù)t可得到選通快門的曝光 時(shí)間T,即T- (n-1) xAt;或是將成像面記錄的光斑點(diǎn)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(shí)間。
4、 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述測(cè)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(duì)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(duì)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(shí)間標(biāo)定的測(cè)量方法及裝置，本發(fā)明采用能夠按固定時(shí)差依次平面顯示光信號(hào)陣列的器件，使光信號(hào)陣列平面像聚焦在圖像轉(zhuǎn)換器件的光陰極面，在其與成像平面之間加有被測(cè)選通快門；當(dāng)由光信號(hào)陣列器件輸入端輸入超短光脈沖信號(hào)，在器件輸出端則以固定時(shí)差按陣列順序依次顯示光脈沖信號(hào)，此時(shí)被測(cè)選通快門開啟，則有按時(shí)差順序顯示的光脈沖信號(hào)被成像記錄，依據(jù)被記錄光斑亮點(diǎn)的多少即可確定被測(cè)選通快門的開通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)選通快門的時(shí)間標(biāo)定測(cè)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(dāng)超短光脈沖照射在輸入端面，則在輸出端面以固定時(shí)差按陣列順序依次顯示光脈沖信號(hào)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有精度高、可靠性強(qiáng)、重復(fù)性好、測(cè)量效率高、操作方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01M11/02GK101113938SQ20071007543
公開日2008年1月30日 申請(qǐng)日期2007年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月31日
發(fā)明者劉進(jìn)元, 彭文達(dá), 驪 李, 歐均富, 牛麗紅, 袁華濤 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)