专利名称：用于光电图像选通快门时间标定的测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明是对光电图像选通快门时间标定测量方法的改进，具体涉及变 象管分幅相机选通快门时间的精密标定，属于光电仪器测量技术领域。
背景技术：
变象管分幅相机中纳秒(IO"秒)和皮秒(10_12秒)选通快门时间的
精密标定测量是一项非常重要却又十分困难的工作。电脉沖的测量可借助 高频示波器实施，但耦合到变象管分幅相机的实际负载上，要精密标定测
量选通快门的时间，目前可供选择的技术方法不多，大多是采用F-P标准 具(Fabry-Perot etalon)产生光脉沖串的方法。其是>1巴激光产生的或经 倍频产生的单光脉冲引入F-P标准具，产生有固定脉沖间隔时间(取决于 标准具的间隙)的光脉冲串，光脉冲串强度按F-P标准具输入输出窗口的 光学膜系衰减系数递减。其缺点 一是光脉冲串是递减的，由于变象管相 机的动态范围不大，所以能探测到光脉冲串的脉沖个数是有限的，这直接 影响测量精度；二是标准具产生光脉冲串要用光学方法在空间展开，这会 引入误差，影响测量精度。
经检索，未发现有更好的选通快门时间标定的测量方法。
发明内容
本发明的目的就是4是出 一种光电图像选通快门时间标定的测量方法， 并设计出用于光电图像选通快门时间标定的测量器件-一超快光尺。使其具 有测量精度高、可靠性强、重复性好、测量效率高和成本低的优点。
本发明所提出的光电图像选通快门时间标定的测量方法是按以下技术 方案实现。釆用能够按固定时差依次平面显示光信号阵列的器件，使光信 号阵列的平面像聚焦在图像转换器件的光阴极面，在该光阴极面与成像面
(荧光屏)之间加有被测选通快门；当由光信号阵列器件的输入端输入一个
超短光脉冲信号，该器件输出端则以固定时差按阵列顺序依次显示光脉沖 信号，此时被测选通快门开启，则有按时差顺序显示的光脉沖信号被成像 记录，依据^皮记录光斑亮点的多少即可确定^^皮测选通快门的开通时间，实 现对分幅相机选通快门的精密标定测量。也就是在快门开启的时间段内，
成像面所记录的阵列光斑点itn减1,乘以所述的固定时间差At可得到选 通快门的曝光时间T,即T- (n-l) x厶t。还可以对成^f象面记录的光斑 点阵列通过处理软件得到亮度增益曲线，其半宽度即为选通快门曝光时间。 所述的固定时间差为纳秒/皮秒量级。
实现本发明光电图像选通快I' 1时间标定的测量方法，所釆用的能够按 固定时差依次平面显示光信号阵列的器件称之为超快光尺，其结构特点是， 把一束有着相同长度差的光纤一端对齐固定为光输入端，另 一端按光纤的 长短顺序排列成阵列对齐端面固定，为光输出端。所述的一束光纤是由几 十根至上百根不等的光纤组成，具体是根据测量范围和精度来确定。所述 的按长短顺序排列，是指所排列光纤每相邻两根光纤有着相同的长度差。 所述的相同长度差(AL)意为若第一根光纤的长度为L,则第二根的长 度为L+AL,第三根的长度为L+2AL,…以此类推。所述的排列阵列可以 是矩形(axb)阵列，也可以是圓形或其他形状的阵列，但都需确定排列 顺序。
本发明的实质就是要形成有固定间隔时间(纳秒或皮秒间隔)的有序 光点阵列，实现对光电图像选通快门时间的精密标定测量。所以，本发明
所设计的超快光尺中的每相邻两根光纤有着相同的长度差，当由输入端输 入一个超短光脉冲信号，由于相同光纤介质中的光速是定值(如石英光纤的 折射率1.5，光速为2xl0"cm/s),相邻光纤相同的长度差导致输出端以固 定时差按阵列顺序依次显示光脉冲信号。可以看出，光纤的长度差确定了 依次显示光脉冲信号的固定时差，也决定了超快光尺测量的精度，即长度 差越短，测量的精度越高；而使用光纤的数量决定了超快光尺测量时间的 尺度范围，即光纤数量越多，测量时间的尺度范围越大。
实现本发明对光电图像选通快门时间标定的测量方法，还包括输入端 能发出超短光脉沖信号的激光器，激光器作为测量光源，可以选择皮秒级
的固体激光器，波长^L被测仪器感光面(或变象管光阴极)的响应光i普而定， 可以是红外光、可见光或紫外光；当相应波长的激光脉沖光斑照在超快光 尺(其传输窗口应与变象管阴极响应光谱匹配)的输入端面上，其光斑须 均匀充满整个端面；在超快光尺输出端可以通过平行光管或是其他光学系 统把输出端面上的光斑阵列图像聚焦在光电转换面上。所述的光电转换面 可以是被测仪器的感光面，如分幅相机变象管的阴极面，经与其焚光屏耦 合的CCD相机可获得光斑阵列图像；也可以直接聚焦在CCD相机感光面上， 对其选通快门脉冲实施精密标定。根据分幅变象管的结构，选通快门电脉 沖应加在变象管光阴极和荧光屏之间的器件(如微通道板-MCP电子倍增 器)或相关电极上。测量时需要调整激光脉冲与选通快门电脉沖的同步时 间，使得激光光斑点阵列成像在选通快门电脉冲的前沿或中间或后沿，实 现对变象管分幅相机超快选通脉冲的精密标定。若选通快门电脉冲的起始 点与照射光纤束的激光脉冲同步时，则通过与变象管荧光屏耦合的CCD相 机获得选通光纤光斑阵列图像。若选通快门电脉冲的起始点与照射光纤束 的激光脉沖不同步时，须要求照射光纤束的激光脉冲时间宽度远小于选通 快门曝光时间。
本发明所提出的光电图像选通快门时间标定的测量方法、及所设计的 超快光尺，可根据不同的测量精度，选择不同的长度差，形成固定的时间 间隔。经过多次实验证明可行，实现了本发明的目的，克服了 F-P标准具 的缺点，与现有技术相比，具有精度高、可靠性强、重复性好、测量效率 高、操作方便、成本低等优点。 附图及其说明
附
图1为本发明所设计超快光尺的结构示意图，图中1为输入端，2为 光纤束，3为输出端；附图2为本发明所制作超快光尺的实物照片；附图3 为所设计超快光尺输出端光斑阵列全亮时静态照片，可以看出共有30根光
纤，其光纤由短至长的排列顺序是由上右向左，再下左至右，再下右至 左；附图4为用图3超快光尺动态测量结果照片(第二、三排)，可以看出 其为14至27有14个光斑被记录；附图5为用图3超快光尺另一次动态测 量结果照片(三排均有)，可以看出其为8至22有15个光斑被记录；附图 6为对应图5所测量的增益曲线。由于选通快门脉沖不可能是理想的矩形脉 冲，所得光斑亮度(实质上也是增益变化)结果按灰度处理可得一近似高 斯分布曲线，可将该曲线的半高宽度定义为选通快门的曝光时间。
具体实施例方式
以下结合附图详细说明本发明技术方案的具体实施和效果。 如图1所示，本发明所设计的超快光尺是由输入端、输出端和光纤束 组成。光纤头在输入端面是随机均匀排列的，但输入端面直径不宜太大， 这取决于激光光斑的大小和均匀性。光纤头在输出端面按光纤长短有序均 匀(光纤头之间加适当暗丝)排列成阵列，其形状和大小尺寸视被测仪器 感光面形状、尺寸及光学成像系统的放大倍率综合确定。输入端面和输出 端面要按光学端面的工艺处理。所述光纤的材料根据不同的光波长，可选 择石英光纤、玻璃光纤、塑料光纤等，直径在几十iam。当然，还可以在光 纤材料中掺入或去除某种物质，以降低或提高光纤中的光速(或是某一波 长的光速)，这有利于提高光尺的精度和结构性能。
在激光照射到光尺的输入端面上，按顺序依次到达光尺输出端面，有 着固定的时间间隔，在被测仪器选通快门开启时会有部分连续的光斑点成 像在感光面上。所以，所选择激光器的光脉沖宽度应与所确定光尺的固定 时差相匹配。 一套超快光尺的光纤束只有一种长度差、 一种时间间隔，即 一种时间测量精度，与我们平素用的米尺、卡尺、千分尺等相似，有着固 定的测量范围和精度。 实例1.
按上述要求，选取直径50|Lim的石英光纤(石英光纤的折射率是1. 5， 光速是2x 1(Tcm/s)30根。把光纤长度差定为15mm，其时间间隔就为75ps;
第一根光纤(最短一根)长300mm，从第二根起，每根比前一根加长15 mm， 第三十根(最长一根)长300+435=735 mm;光纤头的一端随机均匀排列成 ①3mm的圓，固定成为输入端；输出端按短长顺序排列成3 x 10阵列固定， 尺寸为5 mmxlmm。该光尺的光斑点为30个，如图3所示。理论上能测量 75ps — 2. 18ns范围内选通快门时间，实际测量中因同步问题，难免有丟失， 测量范围应更小；所以，需要调整光斑点成像与选通快门电脉沖的同步时 间，最好抓在光斑点图形成像在光斑阵列中间位置。该光尺的精度为75ps。 用该超快光尺对lns分幅相机的选通快门进行了二次测量实验，其结果见 图4和图5，图4中光斑点为14个，计算得到选通快门的曝光时间T= (14 -1 ) x 75=0. 975ns;图5中光斑点为15个，计算得到选通快门的曝光时 间T= ( 15 - 1 ) x 75-1. 05ns;同时，对图5所测量光斑亮度结果用软件按 灰度处理得到亮度增益曲线(见图6)，其半宽度即选通快门曝光时间为 0. 957ns。 实例2.
按前述要求，选取直径40 mm的塑料光纤(折射率约是1. 59) 101根。 把光纤长度差定为2咖，其时间间隔就为10ps;第一#^光纤(最短一根)长 200mm，从第二根起，每根比前一根加长2mm，第101根(最长一根)长 200+200=400 mm;光纤头的一端随才几均匀排列成0>3 mm的圆，固定成为输 入端；输出端按短长顺序排列成由里向外的螺旋线阵列固定，外形尺寸为 <t>5 mm的圆。该光尺的光斑点为101个。理论上能测量lOps —lns范围内 选通快门时间，精度为10ps。例如测出91个光斑点(91个光斑点最好抓 在光斑阵列在光纤阵列中间位置)，其选通快门的曝光时间T= (91-1) x L0=900ps。
权利要求
1、一种光电图像选通快门时间标定的测量方法，其特征在于，采用能够按固定时差依次平面显示光信号阵列的器件，使光信号阵列的平面像聚焦在图像转换器件的光阴极面，在该光阴极面与成像面之间加有被测选通快门；当由光信号阵列器件的输入端输入一个超短光脉冲信号，该器件输出端则以固定时差按阵列顺序依次显示光脉冲信号，此时被测选通快门开启，则有按时差顺序显示的光脉冲信号被成像记录，依据被记录光斑亮点的多少即可确定被测选通快门的开通时间，实现对选通快门时间的标定测量。
2、 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述的固定时间差 为纳秒/皮秒量级。
3、 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，用所述成像面记录的阵列光斑点数n减1，乘以所述的固定时间差At可得到选通快门的曝光 时间T,即T- (n-1) xAt;或是将成像面记录的光斑点阵列通过软 件处理得到亮度增益曲线，其半宽度即为选通快门曝光时间。
4、 实现权利要求1所述测量方法的超快光尺，其特征在于，把一束有 着相同长度差的光纤一端对齐固定为光输入端，另 一端按光纤的长短顺序 排列成阵列对齐端面固定，为光输出端；所述的按长短顺序排列是指所排 列光纤每相邻两根光纤有着相同的长度差。
全文摘要
一种光电图像选通快门时间标定的测量方法及装置，本发明采用能够按固定时差依次平面显示光信号阵列的器件，使光信号阵列平面像聚焦在图像转换器件的光阴极面，在其与成像平面之间加有被测选通快门；当由光信号阵列器件输入端输入超短光脉冲信号，在器件输出端则以固定时差按阵列顺序依次显示光脉冲信号，此时被测选通快门开启，则有按时差顺序显示的光脉冲信号被成像记录，依据被记录光斑亮点的多少即可确定被测选通快门的开通时间，实现对选通快门的时间标定测量。所述器件——超快光尺中的每相邻两根光纤有着相同长度差，当超短光脉冲照射在输入端面，则在输出端面以固定时差按阵列顺序依次显示光脉冲信号。与现有技术相比，具有精度高、可靠性强、重复性好、测量效率高、操作方便、成本低的优点。
文档编号G01M11/02GK101113938SQ20071007543
公开日2008年1月30日 申请日期2007年7月31日 优先权日2007年7月31日
发明者刘进元, 彭文达, 骊 李, 欧均富, 牛丽红, 袁华涛 申请人:深圳大学