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尖端科学仪器高性能条纹相机

2018-06-08 09:16四面体科技

人类获取信息的主要途径是通过眼睛、耳朵等感觉器官，其中90%以上的信息是通过眼睛获取的。受眼睛分辨力的限制，人眼只能识别时间间隔大于1/24秒的现象，以及1米处大于0.291毫米的物体。然而，在我们身边还存在许多快速变化的瞬间，例如水滴落地、拳头击打水面、气泡破裂等，由于变化过程极快，超出了人眼的分辨极限，无法直接观察。

观测这些快速变化过程需要借助于先进的科学仪器，这就是高速摄影技术。对于一个人眼无法跟踪的高速流逝过程，高速摄影提供了一种耦合的时空信息序列，其中空间信息用图像来表达，时间信息用拍摄频率表达。2004年在美国召开的第26届“国际高速摄影和光子学会议”将高速摄影定义为速度大于128帧/秒（时间间隔相当于小于1/128秒），可连续获得3帧以上的摄影。高速摄影技术也是一种时间放大技术，可以在短时间内对高速运动物体或者现象进行采集，采集完的片段以较慢的速度放映，最终将快速变化的运动过程放慢到人眼视觉的时间分辨程度，使人能够得以观察。目前，市场上常规的CCD或者CMOS相机的成像速度可达到上百帧/秒，专业的工业相机最高成像速度已达到几十万帧/秒。但帧频越高，它的像素数越低，因此工业相机成像速度的提高是以牺牲空间分辨率为前提的。同时，受芯片存储和数据读出速度的限制，进一步提高现有相机的成像速度变得非常困难。

在自然界或科学技术研究领域也存在许多持续时间小于百万分之一秒的现象（称为超快现象），例如：人们熟知的植物光合作用过程、食盐在水中的溶解过程、生物材料荧光发射的时间尺度、半导体材料载流子寿命、化学反应的分子动力学过程等，常规的探测和记录仪器是来不及记录下整个过程的。这种超快现象测量技术称之为超快诊断技术，主要的诊断手段为对目标进行瞬时成像，所以也有人称之为超高速摄影技术。当前唯一可实现高时空分辨率的超快现象线性诊断的工具是条纹相机，其时间分辨率可以达到飞秒量级（10-15秒），对于前面提到的一些高速运动的现象，如果采用条纹相机来观测，如同时间静止一样，可以很清晰地观察整个运动过程。

1ns=1×〖10〗^(-9) s（十亿分之一秒）

1ps=1×〖10〗^(-12) s（一万亿分之一秒）

1fs=1×〖10〗^(-15) s（一千万亿分之一秒）

如同普通CCD相机一样，条纹相机的前端也有光学镜头，用于对目标图像的聚焦和成像，条纹相机的后端有图像采集芯片用于对光学图像信息的数字采集。但是在条纹相机的中间部分有一个核心组件，叫条纹变像管，主要由光电阴极、扫描偏转板和荧光屏组成。目标的光学图像经过光学镜头上的狭缝以后变为一维的狭缝像，一维狭缝图像在与条纹管的光电阴极作用后将光学信号，通过光电转换变为容易被调控的电子信号。电子信号在传输过程中会受到扫描偏转板内线性电场的作用，将不同时间到达的电子信号在空间上展开，这些电子轰击荧光屏后再产生光学信号，最终采用图像采集芯片将光学信号记录。也就是说，条纹相机在整个记录过程中将入射光的时间信息转换为了空间信息，根据事先设定的扫描速度及空间位置信息可计算出入射的时间间隔。而条纹相机前面的狭缝像也导致了记录到的信息为一条一条的条纹，因此这种超快成像仪器被称为条纹相机。由于条纹相机的先进性和尖端性，我们可以称其为尖端科学仪器皇冠上的明珠。

[来源：西安光学精密机械研究所]

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