一种针对旋转目标的成像系统及方法

本发明涉及成像领域，具体涉及一种针对旋转目标的成像系统及方法。

背景技术：

在日常生活、工业应用、科学研究、国防等领域有大量的场合有对高速旋转运动的物体实现高空间分辨率和高时间分辨率的成像需要。通常的高速相机可以提供物体运动过程和一些细节信息，被广泛的应用。高速相机为捕捉到高速运动的细节信息需要达到极高的帧率，但这样由于读取速率和数据传输速率会丢失很多细节。如果需要追求高质量空间分辨的图像，又会损失帧率，出现运动模糊重影的情况。在很多工业、科研等的实际应用中，往往需要追求高时间分辨率的同时，追求高空间分辨率，实现对高速运动物体的高质量成像。

现有的商用高速相机产品采集速度可以达到每秒几百帧到上万帧，曝光时间达到纳秒量级。但是这些传统高速相机往往适用领域有限，对紫外、红外波段由于工艺限制，在保证一定空间分辨率实现高帧率是非常困难的，即使可以满足一定的需求，其制造成本也是十分昂贵。因此，寻找一种新型的对高速旋转运动物体的成像方法，具有十分重要的意义和使用价值。目前已经有很多针对相机的工艺、结构、成像技术的改进，譬如近年来压缩成像领域在高帧频的成像领域有非常卓越的表现，将高速运动的目标在时间域压缩成像，达到不损失空间分辨率的情况下大大提高时间分辨效果。但此类技术的突破均是解决了通常可见光波段的成像水平，对于紫外红外等特殊领域的高速成像依然没有很好的解决办法。

在科研、工业等领域有很多情况需求紫外、红外等波段的高速成像，特别是针对高速旋转目标的状态监控是一个十分重要的应用。譬如在磁约束离子阱实验领域，被外场约束的离子晶体会在约束势场内以几十到几百khz的高转速旋转。离子阱领域实验的一个重要环节就是对单个离子荧光的收集、成像。被囚禁离子很多情况会发出紫外波段的荧光。为实现针对单个离子的成像，若使用一般的高速相机，需要达到上万帧频才有可能获得清晰的成像效果。但是一般的相机很难针对紫外波段，实现上万帧频的成像。如果能针对此类的特殊需求，实现对高速旋转目标的高分辨成像，对科研、工业等领域将具有十分重要的研究意义和应用前景。

另外，对于彭宁式离子阱，需要对旋转的离子阵列进行荧光读出。由于离子荧光需要累积一定时间，跟离子在运动本身有较大矛盾，需要变成相对静止利于快速读出。现有技术中采用周期性读出积累，效率较低。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

如何实现对高速旋转目标的高分辨成像。

(二)技术方案

为了解决上述问题，本发明一方面提供了一种针对旋转目标的成像系统，所述系统包括：相机，用于对旋转目标进行成像；设置在旋转目标与相机镜头之间的旋转棱镜组件；所述旋转棱镜组件以预设转速旋转，使得所述旋转目标经过所述旋转棱镜组件的像与所述相机镜头相对静止。

可选地，所述旋转棱镜组件包括n个棱镜，n≥1。

可选地，所述棱镜为道威棱镜、直角棱镜、或还原棱镜。

可选地，所述旋转棱镜组件的预设转速满足下列式子：

∑iωi＝ω/2

其中，ω为所述旋转目标的转速，ωi为第i个所述棱镜的转速，i＝1-n。

可选地，当所述旋转棱镜组件为一个棱镜时，所述一个棱镜的旋转轴为所述旋转目标与所述相机的连线，并且，所述旋转轴垂直于所述旋转目标待成像平面。

可选地，当所述旋转棱镜组件由超过一个的棱镜组成时，第一个棱镜的旋转轴垂直于所述旋转目标待成像平面；其余棱镜与所述第一个棱镜平行，每个棱镜之间的光路上设置平面反射镜，将经过棱镜的像进行反射，相机设置在最后一个棱镜的光出路上，其中每个棱镜可单独旋转。

可选地，所述系统还包括传动组件，用于带动所述旋转棱镜组件旋转；

控制分析模块，用于控制所述传动组件的转动，并实时分析相机成像质量，并根据所述成像质量调整所述传动组件带动所述旋转棱镜组件以调整转速进行旋转。

可选地，所述系统还包括监测和反馈模块，用于使用激光侧面照射在旋转棱镜组件上，实时探测旋转的情况，以稳定所述传动组件噪声。

本发明另一方面提供了一种针对旋转目标的成像方法，所述方法包括：s1，在相机镜头和旋转目标之间加入旋转棱镜组件；s2，利用控制分析模块控制传动组件带动所述旋转棱镜组件以预设转速进行旋转，使得所述旋转目标经过所述旋转棱镜组件的像与所述相机镜头相对静止；s3，利用相机对所述旋转目标进行成像。

可选地，所述方法还包括：利用控制分析模块实时分析相机成像质量，并根据所述成像质量调整所述传动组件带动所述旋转棱镜组件以调整转速进行旋转。

(三)有益效果

本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明利用旋转棱镜组件，将旋转目标的像进行反向旋转，并且通过控制棱镜旋转跟随旋转目标的旋转速度，使得在相机端获得的像保持位置稳定。从而可以获得稳定高分辨的相机曝光，从而获得高速旋转运动物体的高质量像。即使旋转目标经过所述旋转棱镜组件的像与所述相机镜头相对静止，实现了时间高分辨、空间高分辨成像，实现对从hz到几十khz转速目标成像物体的高质量成像。并且本发明实施例避免了对超高速成像的这一领域需要对相机本身的制程工艺、成像技术算法的复杂改进，而是采用了针对成像光路做特别的改造即可便捷的实现对高速旋转运动目标的高质量成像。

(2)本发明大大减小了对高速旋转目标物体成像的成本，特别是可以对紫外，红外波段的进行高分辨的成像。

(3)本发明还可以将上文所述的旋转棱镜组件、控制分析模块、传动组件可以为一体化集成，可以将这些组件均集成为一个光学成像镜头装置，以使得本发明实施例提供的针对旋转目标的成像系统结构更为精简，配合上外部的适合具体使用场景的成像相机，对于工业、商业应用更加便捷，实用。

(4)对于彭宁式离子阱，需要对旋转的离子阵列进行荧光读出。由于离子荧光需要累积一定时间，跟离子在运动本身有较大矛盾，需要变成相对静止利于快速读出。相比于现有技术中使用周期性读出累积，本发明的系统及方法可以达三个数量级的时间效率提升。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的针对旋转目标的成像系统结构示意图；

图2是本发明一个实施例提供的针对旋转目标的成像系统框图；

图3是本发明另一个实施例提供的针对旋转目标的成像系统结构示意图；

图4是本发明实施例中道威棱镜平面结构示意图；

图5是本发明实施例中道威棱镜立体结构示意图；

图6是本发明实施例提供的针对旋转目标的成像方法流程图。

附图说明为：

1、旋转目标待成像平面；2、道威棱镜；3、相机；4、道威棱镜旋转轴；5、道威棱镜法向；6、旋转目标平面参考坐标轴；7、平面反射镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明一个实施例提供了一种针对旋转目标的成像系统，参见图1，结合图2，所述系统包括：相机，用于对旋转目标进行成像，该相机可以为普通帧率相机；设置在旋转目标与相机镜头之间的旋转棱镜组件；所述旋转棱镜组件以预设转速旋转，使得所述旋转目标经过所述旋转棱镜组件的像与所述相机镜头相对静止。

由此可见，本发明实施例利用旋转棱镜组件，将旋转目标的像进行反向旋转，并且通过控制棱镜旋转跟随旋转目标的旋转速度，使得在相机端获得的像保持位置稳定。从而可以获得稳定高分辨的相机曝光，从而获得高速旋转运动物体的高质量像。即使旋转目标经过所述旋转棱镜组件的像与所述相机镜头相对静止，实现了时间高分辨、空间高分辨成像。并且本发明实施例避免了对超高速成像的这一领域需要对相机本身的制程工艺、成像技术算法的复杂改进，而是采用了针对成像光路做特别的改造即可便捷的实现对高速旋转运动目标的高质量成像。

具体地，所述旋转棱镜组件包括n个棱镜，n≥1。

其中，所述旋转棱镜组件的预设转速满足下列式子：

∑iωi＝ω/2

其中，ω为所述旋转目标的转速，ωi为第i个所述棱镜的转速，i＝1-n。

在本发明实施例的一个示例中，参见图1，本实施例中采用道威棱镜2，当所述旋转棱镜组件为一个棱镜时，所述一个棱镜的旋转轴4为所述旋转目标与所述相机3的连线，并且，所述旋转轴垂直于所述旋转目标待成像平面1。其中为道威棱镜2与目标成像物之间的相对旋转角度，即道威棱镜法向5与旋转目标平面参考坐标轴6之间的夹角。当棱镜旋转时，的值会在0度至360度之间变化。

在本发明实施例的另一个示例中，参见图3，本实施例中采用道威棱镜，当所述旋转棱镜组件由超过一个的棱镜组成时，第一个棱镜的旋转轴垂直于所述旋转目标待成像平面；其余棱镜与所述第一个棱镜平行，每个棱镜之间的光路上设置平面反射镜7，本发明实施例中在每个棱镜之间的光路上设置2个平面反射镜7，将经过棱镜的像进行反射，相机3设置在最后一个棱镜的光出路上，其中每个棱镜可单独旋转。此处，每个棱镜可单独旋转是指本发明实施例中提供的系统可以单独控制每个棱镜，包括控制每个棱镜的旋转方向、旋转速度。每个棱镜的旋转方向和旋转速度均可以不同。

道威棱镜示意图参照图4和图5，一束光从一侧入射进入道威棱镜，经过光学面1的折射后，在光学面2自然的经行全反射，在第三个光学面出射。在这一过程中，出射后的光束会发现变换。简单而言，平行于光学面2方向保持不变，垂直于光学面2方向做一次反向。当棱镜与目标成像物之间相对旋转角度那么经过棱镜后相会相对的旋转角度当棱镜以角速度ω高速旋转时，经过棱镜的像会以2ω高速旋转。

这一光学过程可以由琼斯矩阵来描述：

其中：

其中α是道威棱镜的棱镜底角参数，n是道威棱镜材质的折射率，为棱镜与目标物体之间的夹角。棱镜可以根据需求镀不同的增透膜，针对不同场合满足不同波段的成像需求。

在上述示例中，采用道威棱镜作为例子进行说明，可以理解的是，本发明对棱镜的种类不作具体限定，例如其还可以为直角棱镜、还原棱镜。这些棱镜均属于对本实施例的等同替换，均不应排除在本发明的保护范围之外。只需实现在旋转棱镜组件以预设转速旋转，使得所述旋转目标经过所述旋转棱镜组件的像与所述相机镜头相对静止即可。

另外，所述系统还包括传动组件，用于带动所述旋转棱镜组件旋转。具体地，传动组件例如高速电机，为棱镜的高速旋转提供高转速动力，电机的转速和提供的动力功率直接决定了本发明提供的系统可以高质量拍摄目标物的转速范围。

所述系统还包括控制分析模块，用于控制所述传动组件的转动，并实时分析相机成像质量，并根据所述成像质量调整所述传动组件带动所述旋转棱镜组件以调整转速进行旋转。即该控制分析模块可以对相机获得的像做实时分析，通过对像的成像质量进行鉴别，判断是否有拖影、模糊，以及拖影方向，实时的对棱镜转速经行调节，实现对高速旋转目标物的实时跟随。该控制分析模块可以通过控制器硬件实现，例如pc、数采卡、单片机等可实现存储分析的硬件。在这里也需要从软件上实现高速实时的图像识别的图像处理。从而实现长时间稳定高分辨的成像效果。在这一过程中，可以采用不同类型的动力传动系统、电机系统和反馈与控制系统，采用不同的系统组合，均不偏离本发明的发明精神和发明思路，不同使用场景采用不同的系统组合均属于本发明的同类替代，均不应排除在本发明的保护范围之外。本领域的专业人员可以根据实际应用的实际需求来选用不同的组合来满足实际需求。

所述系统还包括监测和反馈模块，用于使用激光侧面照射在旋转棱镜组件上，实时探测旋转的情况，以稳定所述传动组件噪声。

此外，需要说明的是，本发明实施例还可以将上文所述的旋转棱镜组件、控制分析模块、监测和反馈模块、传动组件可以为一体化集成，可以将这些组件均集成为一个光学成像镜头装置，以使得本发明实施例提供的针对旋转目标的成像系统结构更为精简，配合上外部的适合具体使用场景的成像相机，对于工业、商业应用更加便捷，实用。

本发明另一个实施例提供了一种针对旋转目标的成像方法，参见图6，所述方法包括下列步骤s0-s3的内容：

步骤s0，利用相机对旋转目标拍摄带有拖影模糊的像。对该相机进行粗略调节其成像视野、对焦等参数。

步骤s1，在相机镜头和旋转目标之间加入旋转棱镜组件。

步骤s2，利用控制分析模块控制传动组件带动所述旋转棱镜组件以预设转速进行旋转，使得所述旋转目标经过所述旋转棱镜组件的像与所述相机镜头相对静止。

通过旋转棱镜组件将高速旋转目标的像反向旋转，并且通过控制棱镜旋转跟随旋转目标的旋转速度，使得在相机端获得的像保持位置稳定。从而可以获得稳定高分辨的相机曝光，从而获得高速旋转运动物体的高质量像。

其中，利用控制分析模块实时分析相机成像质量，并根据所述成像质量调整所述传动组件带动所述旋转棱镜组件以调整转速进行旋转。可以理解的是，在该步骤中，可以是先通过控制分析模块控制旋转棱镜组件以预设转速进行旋转，然后再实时分析相机成像质量，判断是否有拖影、模糊，以及拖影方向，此时再通过控制分析模块实时的对旋转棱镜组件转速进行调节，使旋转棱镜组件以调节后转速(即调整转速)进行旋转。

另外，该步骤中还利用监测和反馈模块，其使用激光侧面照射在旋转棱镜组件上，实时探测旋转的情况，以稳定所述传动组件噪声。

步骤s3，利用相机对所述旋转目标进行成像。

此处，在通过相机获得成像后，还可以对对相机成像参数做精调，以获得高速旋转目标的高质量成像。这一过程中的相机的主要目的是接受经过棱镜成像系统的像，需要根据实际需要的成像波段、成像感光效率、相机帧率等需求，配合成像系统做合适的选择。这里不做特别的限定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。