本发明属于高速摄影技术领域，涉及到一种基于分光棱镜的光学成像系统及超高帧频成像方法。
背景技术
高速摄影技术是研究高速物体运动的一种行之有效的方法，与传统摄影相比，高速摄影具有高的时间分辨本领，能跟踪并记录快速变化过程。目前，高速摄影已经广泛应用物理、生物、医学、军事、体育等行业和领域，其在研究火工品动作、炮弹发射及飞行、火法放电、爆炸、化学反应、汽车碰撞、闪电探测、流体动力学、体操动作等方面发挥着极其重要的作用。
传统的高速摄影机能实现很高的帧频，但是多采用胶片作为感光元件，且系统存在扫描运动部件，不仅造成系统体积庞大，而且这也限制了其应用范围。数字式高速相机帧频与分辨率存在制约关系，高的分辨率必然导致帧频的降低，一般帧频较低，仅为几百帧～几千帧左右，很难满足实际应用对分辨率及更高帧频的需求。而传统的超高速分幅成像系统多采用iccd或像增强器的接收系统作为光电探测器，这种成像器件分辨率较低，像元尺寸较大，难以获取目标更加清晰、细腻的信息。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提出了一种高分辨率超高速分幅成像系统及超高帧频成像方法，解决了高分辨率与帧频之间的矛盾，系统具有高帧频、高分辨率、结构紧凑、成像优良、使用方便、环境适应性强等特点。
本发明的技术解决方案是：一种基于分光棱镜的光学成像系统，包括光学系统、探测器组件；所述光学系统中含有分光棱镜；光束进入光学系统后，经光学系统中的多个分光棱镜进行分光，最终分别在多个探测器组件上成像，同时控制多个探测器组件依次进行曝光，实现场景的高帧频成像。
所述光学系统焦距为5.6mm，相对孔径1/2.2，视场角为90.8°×5.8°，光学系统畸变小于4％，系统总长小于195mm，光学系统空间频率为70lp/mm。
还包括led照明光源，实现对场景补光或提供亮照明背景。
所述光学系统内部设置有多个分光棱镜，且光束经每个分光棱镜后形成的八个成像光路完全相同。
所述分光棱镜为立方棱镜，材料为k9，内部包含有一个45°半反半透分光面，实现能量均分。
每一个成像光路均包括沿光轴方向自左向右依次同轴设置的第一弯月正透镜、第一弯月负透镜、第二弯月负透镜、第三弯月厚透镜、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一双凸正透镜、光阑、第一胶合件、第三分光棱镜、第四弯月负透镜、第二双凸正透镜、第二胶合件及第三双凸正透镜，探测器位于光学系统最右侧。
所述第一分光棱镜、第二分光棱镜及第三分光棱镜在光学系统光路中通光口径依次减小。
一种基于分光棱镜的光学成像系统及超高帧频成像方法，步骤如下：
1)搭建基于分光棱镜的八通道成像光路；
2)根据需求的成像帧频m帧/s，确定单个探测器组件需要工作的帧频；
3)根据传感器帧频确定单个探测器组件的曝光时间间隔；
4)设计单个探测器组件曝光起始时刻位置，每隔一个固定时间间隔，轮流向每个探测器组件曝光指令，每个探测器组件在接收到曝光指令之后，立即进行电子曝光，完成对外部景物的拍摄，获取并存储图像。
所述固定时间间隔在微秒量级。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)通过采用多个分光棱镜分光，光能量分布均匀，不存在光学分辨率损失，且八个光路完全相同，使整个光学成像系统集成度高，结构紧凑，体积小、重量轻。
(2)八个相同的成像光路高度集成，有利于增强高帧频成像系统环境适应性，保证系统在不同温度、气压环境下光学系统成像质量及内方位元素等参数变化一致。
(3)系统通过分光棱镜将八个成像光路进行整合，使得装调简单、方便，各成像光路视场配准容易，配准精度高，容易实现保证相同的观察视场，这对于保证高帧频成像至关重要。
(4)系统成像视场大，畸变小，分辨率高。本发明直接采用高灵敏度的cmos探测器，该探测器分辨率高、像元尺寸更小，有利于对目标细节的观察。
(5)本专利高频成像方法在实现高帧频成像的同时减小探测器数量，从而减小了系统体积、功耗、成本。
(6)本专利以多台低速相机阵列实现高速相机的功能，降低了单个相机的设计难度和系统复杂程度。
(7)本发明特别适合于环境条件较为恶劣的航空、航天等领域中目标的高速摄影测量，尤其是对近距离高速运动目标的超高帧频、高分辨率成像的应用场合，具有极其重要的意义。
附图说明
图1为本专利成像系统组成示意图；
图2为本专利光学系统图。
图3为本专利每一路成像光路图。
图4为本专利曝光时序控制图
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例涉及的高分辨率高帧频成像系统主要由八通道分幅的光学系统1、高分辨率成像的探测器组件2以及led照明光源等部分组成，系统组成如图1所示。本发明可实现的主要技术指标：
(1)光谱范围：400nm～750nm
(2)分辨率：1600×80
(3)水平视场角：90°
(4)帧频：105fps
高分辨率超高帧频成像系统工作原理：光束进入光学系统后，巧妙地利用光学系统中的多个分光棱镜进行分光，将入射光能量分成均匀的八等份，分别成像在八个cmos探测器上，同步控制单元控制八个接收系统按照设定的时序拍照，从而达到分幅高速摄影的功能。led照明光源实现对场景补光或提供亮照明背景。
本实施例光学系统内部设置有三种不同通光口径的分光棱镜，且光束经每个分光棱镜后形成的八个成像光路完全相同。
本实施例光学系统中，每一个成像光路均包括沿光轴方向自左向右依次同轴设置的第一弯月正透镜1-1、第一弯月负透镜1-2、第二弯月负透镜1-3、第三弯月厚透镜1-4、第一分光棱镜1-5、第二分光棱镜1-6、第一双凸正透镜1-7、光阑1-8、第一胶合件1-9、第三分光棱镜1-10、第四弯月负透镜1-11、第二双凸正透镜1-12、第二胶合件1-13及第三双凸正透镜1-14。
第一分光棱镜1-5、第二分光棱镜1-6及第三分光棱镜1-10在光学系统1光路中通光口径依次减小，且第一分光棱镜1-5、第二分光棱镜1-6位于光阑前并在光路中相邻依次设置，第三分光棱镜位于光阑后面，靠近探测器一侧。
所有透镜表面通光面镀制宽带增透膜，在400nm～750nm光谱范围内，反射率小于0.5％。
光学系统中第一分光棱镜1-5数量为1个，口径为25mm×25mm×25mm；第二分光棱镜1-6数量为2个，口径为23mm×23mm×23mm；第三分光棱镜1-10数量为:，分光棱镜1片，分光棱镜2片4个，口径为20mm×20mm×20mm。所有分光棱镜均为立方棱镜，材料为k9，其均内部包含有一个45°半反半透分光面，实现能量均分，棱镜表面通光面镀制宽带增透膜，在400nm～750nm光谱范围内，反射率小于0.5％。
本实施例中，光学系统采用棱镜进行分光，避免了采用棱锥必须在光学系统出瞳位置或等效位置分光造成各分幅子图像光学分辨率的下降。
本实施例中，光学系统光路采用反摄远结构，首片透镜材料为采用性能优异的光学石英玻璃，它起到保护玻璃的作用，具有抗高低温冲击、抗辐射和抗力学冲击的能力，对于近距离成像应用时可为系统提供良好的保护与防护作用。
本实施例中，光学系统焦距为5.6mm，相对孔径1/2.2，设计视场角为90.8°×5.8°，光学系统畸变小于4％，系统总长小于195mm，光学系统空间频率需计算到70lp/mm，光学系统成像视场大，畸变小，分辨率高，成像质量优良，在空间频频率70lp/mm处，mtf值平均值大于0.7。
本实施例中的高分辨率成像探测器组件2(包括探测器组件2-1、探测器组件2-2、探测器组件2-3、探测器组件2-4、探测器组件2-5、探测器组件2-6、探测器组件2-7及探测器组件2-8，且8个探测器组件完全相同)采用cmos图像探测器，像元大小为1600×80，其具有分辨率高、功耗低的特点，探测器采用较小的像元尺寸(7um×7um)，有利于提高系统获取目标清晰信息的能力。此外，探测器可实现一定的超频，单片探测器帧频为10000fps，超频后帧频可达12500fps，这也有利于实现高帧频的同时减小探测器数量，从而减小系统体积、重量，实现低功耗，小型化设计。
本实施例探测器组件2包括探测器组件2-1、探测器组件2-2、探测器组件2-3、探测器组件2-4、探测器组件2-5、探测器组件2-6、探测器组件2-7及探测器组件2-8，且8个探测器及其组件完全相同。
本实施例中，超高帧频成像系统采用外部触发方式进行控制，触发信号采用fpga产生，fpga控制器对8片cmos图像传感器进行时序控制，实现等间隔时间采样，获取的图像通过实时存储阵列存储在高速摄像机中。拍摄结束后，通过千兆以太网将存储阵列内的图像依次读出。
本实施例中，超高帧频成像系统的内部的主控板与8个cmos成像板卡通过高可靠性板间电连接器互联，实现图像数据和指令的交互通讯。主控板在接收到外部拍摄开始指令信号之后，其板卡上的fpga内部计数器触发开始工作，每隔一个固定时间间隔(定时时间间隔在微秒量级)，轮流向8个cmos成像板卡发送触发曝光指令，完成对8个cmos成像板卡的时序控制和工作调度。每个cmos成像板在接收到主控板的曝光指令之后，立即进行电子曝光，完成对外部景物的拍摄，进行图像存储。这样，在主控板fpga的控制下，整个系统实现高帧频摄影。
主控板与各个cmos成像板之间的时序控制流程如图4所示。
本实施例中，照明led光源主要用于为高速成像系统提供良好的照明条件，保证系统工作时获取良好信噪比的图像。照明光源采用大功率led作为光源，照明光源功耗为100w，可通过更换不同色温或者功耗的灯具满足不同的使用要求，本发明中的led光源可以满足对在1m～3m远处运动目标成像时的照明需求。根据任务需求，该照明光源既可作为补光源，也可作为背景光源，以满足不同场景高帧频拍照需求。
本实施例高帧频成像方法步骤如下：
1)搭建基于分光棱镜的八通道成像光路。
2)根据需求的成像帧频(105帧/s)，确定单个图像传感器需要工作的帧频。本专利采用8个图像传感器，单个图像传感器工作帧频为n＝105/8＝12500帧。
3)根据传感器帧频确定单个图像传感器的曝光时间间隔。时间间隔为1/12500＝80us。
4)设计单个图像传感器起始时刻位置，八台相机依次曝光，循环输出。设计方式如图4所示。
5)获取图像信息。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。