《光电子成像技术》-15

15.1引

言平时人们所看到的图像有两种，一种是静态图像，如照片，报纸、文字和插图等；另一种是动态图像，如电影机、电视机等所播放的连续动态画面等。获得这些图像的技术手段通常有照相机、复印机、印刷机、电影摄影机和电视摄像机等。无论对于哪种图像，人们往往追求其有尽可能好的图像清晰度(细节)、尽可能多的灰度层次和尽可能赏心悦目的多彩画面。这些要求对于静止画面的获取来说并非难事，例如，高清晰度摄影胶片的分辨能力可达3000lp/mm，灰度再现能力可达28(256级，甚至更高)，彩色保真度可以达到见像如看其景、以假乱真的程度；然而，对于动态目标影像的获取就没有那么容易了。下一页返回15.1引

言例如，你可以非常清楚地辨认一个人的眉毛、眼睛及熟悉的面孔(在视觉工程中谓之‘辨认’，Identificantion)；但是，当这个人运动起来，或者你自己处于运动状态中(如在车上)，或者彼此均处于运动状态中时，你就很难辨认他，充其量只能达到识别级(Recognition，他有别于其他动物)，甚至只能达到发现级水平(Detection，视场中有目标出现，但不知为何物)。这是为什么呢？其根本原因就在于任何图像传感器(包括人眼睛)都有一定的惰性(或叫视觉暂留作用)，即目标图像到来时，图像传感器不能马上响应，须滞后一段时间；上一页下一页返回15.1引

言输入图像消失后，还要再暂留一定时间，例如，人眼的视觉暂留时间大约为40ms。这样一来，运动着的目标的下一幅图像到来时，将与前一幅残留下来的图像相重叠。可以想象，如果相邻两幅图像到来的时间间隔等于或长于40ms，则人眼的这种视觉暂留特性可以用来拍电影(电视)和放电影(电视)，使人能看到连续的电影(电视)画面；但是，如果相邻输入画面的时间间隔小于40ms，例如，快马奔腾、子弹飞行、炸弹爆炸等运动过程的摄录，如果不采取特殊的技术措施，将会因前后图像相互重叠而模糊不清，失去任何欣赏和研究分析的价值。上一页下一页返回15.1引

言这里所说的特殊技术手段正是本章所要涉及的高速摄影技术和摄像技术。二者，既有相同之处，又有各自的特点。1.高速摄影与高速摄像相同之处(1)二者所摄取的都是高速运动目标的瞬态图像，所要分辨的前后两幅图像之时间间隔(tm)远小于人眼视觉暂留时间，即tm可分别达到毫秒级(ms，10－3s)、微秒级(s，10－6s)、纳秒级(ns，10－9s)、皮秒级(ps，10－12s)、飞秒级(fs，10－15s)，甚至更快；上一页下一页返回15.1引

言(2)二者的设计理论基础及评价体系主要基于傅里叶频谱分析和信噪比理论，即以欲分辨像元为关注点，如何通过有效的光电技术手段，把一个输入景物的瞬态物方分布I＝f(x，y，z，t…)，尽可能无失真地转换为输出图像分布I’＝f(x’，y’，z’，t’…)，以供人们欣赏或科学分析用；(3)二者都需要配置一个适当的光学机械系统，如光学成像系统和快门装置，前者，把景物高保真度地传递给图像传感器光敏面上，后者用来使被摄瞬态景物的照明与摄影(像)准确同步，以尽可能减少不必要的传递过程带宽损失；上一页下一页返回15.1引

言(4)对于不允许使用闪光灯辅助照明的情况，或者瞬态现象发出的是非可见光(例如，X光、紫外光或红外光)，而且辐射强度又很弱的情况下，二者都需要借助于宽光谱光阴极像增强器之类的图像传感器，来扩展高速摄影(像)机的光谱响应范围，增强欲分辨像元上的信号光电子数，以保证有尽可能高的图像信噪比和大的动态范围。上一页下一页返回15.1引

言2.高速摄影与高速摄像的不同之处(1)高速摄影技术采用的是有光化学效应的感光胶片作为图像传感器和记录介质；而高速摄像机采用固体摄像器件(如CCD，或CMOS)，或真空光电子摄像器件(如像增强器、条纹像管)；高速摄像技术采用各类计算机用存储介质，如高比特磁盘及光盘等作为图像信息存储介质；上一页下一页返回15.1引

言(2)从图像信息数字化、网络化角度讲，高速摄像技术自然得天独厚，异常方便。这是因为，模拟式摄像机输出的全电视信号，可以通过必要的A/D转换为数字信号，易于进一步进行图像处理、图像压缩和视频通信，易于在网上或超时空图像传输，新近问世的CMOS图像传感器，能够集时钟、放大、整形、A/D等多项电子功能于一个芯片，输出标准的数字电视信号；而对于高速摄影胶片，却要经过胶片黑度阅读器、扫描仪、模数变换、图像处理等一系列冗长的事后处理程序，才能勉强做到这一点。上一页下一页返回15.1引

言以直接和间接的瞬态现象观察、瞄准、测量和分析为目的的各类高速摄影(像)技术已越来越广泛地应用于军事、科学研究、生物医疗和工农业等各个领域。主要应用范围包括：流体和燃烧研究、飞行及武器研究、机械加工及工具设计、物理/化学过程分析、运动/生理研究、动物行为和运动观察、光电工程研究、生物/医疗研究、天体物理研究、意外事故分析、比赛计时、运输和交通工具研究、材料研究、原子能研究、学习教育以及广播和娱乐等。上一页下一页返回15.1引

言本章在简短回顾高速摄影(像)技术的发展动态及相关技术之后，将分别介绍它们的基本构成、特性参数、工作机理及其理论依据，给出了用作者单位生产的紫外像增强器研制成的纳秒级ICCD高速摄像系统的主要性能及其设计考虑，文末，列举了光电子高速摄影及摄像系统在民用、军用、工业及科学研究等领域里应用的典型事例。上一页下一页返回15.1引

言本章要点：高速摄影(像)技术需求背景和发展动态高速摄影(像)系统基本构成和特性参数高速摄影(像)系统总体性能分析高速摄影(像)系统及其应用上一页返回15.2高速摄影(像)技术需求背景和发展动态15.2.1需求背景在日常生活、军事侦察和科学研究中所遇到的图像80％以上是动态图像，因此，光电子高速摄影(像)技术在这些领域里正发挥着愈来愈重要的作用，有很强的军民两用需求背景。(1)军事上：对高速运动目标的观察、瞄准、跟踪、制导、告警和测量；(2)体育上：提供优秀运动员运动姿态的慢动作回放，促进运动学的深入研究和科学教练；下一页返回15.2高速摄影(像)技术需求背景和发展动态

(3)工业上：用于机床高速切削过程优化设计的摄录放，工业过程优化控制、机器人视觉设计、以及无人运载器导航；(4)商用上：用于高清晰度电视及电话会议的高速动态图像的摄取、压缩和传输；(5)医学上：用于生物组织(如显微镜下的细胞和X光或超声波下的器官检查)的动态图像摄取和分析；上一页下一页返回15.2高速摄影(像)技术需求背景和发展动态

(6)科研上：对炮弹飞行、炸弹爆炸、核能冲击波等瞬态过程，进行实时摄影(像)记录、测试和分析，为其改进和创新提供实验数据；(7)遥感上：用于云图、地貌、物产、灾害等图像摄影(像)、分析和预报。上一页下一页返回15.2高速摄影(像)技术需求背景和发展动态15.2.2发展动态1.高速摄影技术发展历史回顾1990年前，美国电影与电视工程师学会(SMPTE)建议把高速摄影技术定义为：曝光时间≤1ms、摄影速度≥250幅/s；2004年美国召开的第26届高速摄影和光子学会议将高速摄影技术的定义修改为：摄影速度≥128幅/s，可连续获得3幅以上的摄影。整个高速摄影技术的发展历史基本上都是围绕提升传感器(感光胶片)灵敏度、增强脉冲光源强度、缩短快门曝光时间、提高每秒拍摄速度等关键技术而逐步展开和更新换代的。上一页下一页返回15.2高速摄影(像)技术需求背景和发展动态

(1)我国对光和影像的研究，有着十分悠久的历史。早在公元前四百多年，《墨经》一书就详细记载了光的直线前进、光的反射，以及平面镜、凹面镜、凸面镜的成像现象。到了宋代，在沈括所著的《梦溪笔谈》(1031—1095年)一书中，还详细叙述了“小孔成像匣”的原理(最早的照相机原理构想)；(2)1851年，世界上第一个“高速摄影”原理样机由英国化学家及摄影先驱亨利•塔尔博特(HenryTalbot)所发明，他用莱顿瓶放电产生的强闪光(速度为0.5ms)，拍摄了几平方厘米(处于正旋转着的椅子上照片)原版；上一页下一页返回15.2高速摄影(像)技术需求背景和发展动态

(3)19世纪高速摄影的其他8项重大发明和进展有：■1861年英国伦敦第1次获得弹丸飞行照片，闪光照明100s；■1867年拍摄旋转圆盘50幅照片，获得1次人和动物的运动过程的照片；■1871年“溴化银明胶干板法”将胶片感光灵敏度由几秒钟，提高到几十分之一秒；■1872年美国加州跑马场的一场“赌局”争论：“奔腾中的快马的四条腿是否至少有一条腿是着地的？！”。一个摄影师用丝线同时控制多台相机快门进行照相，拍摄结果引证了反方的观点；上一页下一页返回15.2高速摄影(像)技术需求背景和发展动态■1874年，法国宇航员设计一种自动相机，完成了对金星运动轨迹的拍摄，相机70s，拍了8幅照片；■1882年，把上述相机改进为照相枪，速度12幅/s，曝光时间1/720s，后来用胶片代替玻璃板，进一步达到100幅/s和1/1000s；■1884年，普鲁士，发明焦平面快门便携摄影机及宽银幕电影系统，1/1000s，1214个相机同时工作；■1893年，美国，爱迪生发明活动电影放映机。上一页下一页返回15.2高速摄影(像)技术需求背景和发展动态

(4)20世纪高速摄影技术的重大科研成果及发明有：■1939—1945年美、英、法、德相继推出连续补偿高速摄影相机，最大速度可达800幅/s(分幅可达6000幅/s)；记录炸弹爆炸、炮弹飞行和降落伞张开过程用的相机275幅/s，快门100s2ms分段可选；■使用特殊胶片规格、不同记录方式的专用条纹相机和单幅面高速相机，不仅能拍下高速目标细节，还能给出目标速度、转速和姿态等信息；■快速旋转鼓轮四周装有胶片的高速摄影相机，250s内，帧速250000幅/s。上一页下一页返回15.2高速摄影(像)技术需求背景和发展动态2.高速摄像技术发展历史回顾■1926年，苏格兰人约翰•洛克•贝尔德，发明了世界上第一台电视摄像机，能以集束光线扫描物体的摄影机，并利用光电管把被扫描物体的光与影转换成电流，最后将原来的物体投射到粉红色(即黑白电视)荧幕上，成功地再现了一个小朋友模特的电视画面，当时的电视画面仅为30线，图像较闪烁不定。■1939年4月30日由美国无线电视公司播放了第一个电视节目，内容是罗斯福总统在纽约世界博览会上的致开幕词。上一页下一页返回15.2高速摄影(像)技术需求背景和发展动态■1953年彩色电视机正式在美国面世。■20—21世纪，英国广播公司(BBC)电视摄录放节目制作数字化。即电视节目储存、编辑、播出全面实现数字化，或称非磁带化，从而极大地提高了工作效率，节省了制作成本。■电视传输技术多元化，除了传统的无线微波传输外，还有有线电视、卫星电视等传输方式，它们有效地减轻了信号在传输过程中必然发生的衰减现象，保证了较好的接收质量。上一页下一页返回15.2高速摄影(像)技术需求背景和发展动态■电视接收显示技术的数字化变革，传统CRT显示及背投电视机，正在被液晶电视机和等离子电视机所替代，数字化声画质量提高和双向互动是数字化电视能得到到广泛应用的两个最大突出特点。3.固态半导体高速摄像技术的最新发展■目前主流高速摄像机均基于CCD和CMOS等固态半导体图像传感器。■1980年12月，美国Kodak公司推出用CCD传感器的SP2000的视频运动分析系统，开始了高速视频摄像技术研究及广泛应用的先河。上一页下一页返回15.2高速摄影(像)技术需求背景和发展动态■1986年使用微处理器控制磁带记录的Ektapro系列1000取代了SP2000，251000幅/s，分幅后可达6000幅/s，价格是SP2000的1/2。■20世纪90年代，半导体和电脑技术使基于电脑的高速摄像机成为可能，用半导体内存代替传统的磁带，可实现摄、录、存、放一体化，加速高速摄像技术的数字化和网络化。上一页下一页返回15.2高速摄影(像)技术需求背景和发展动态■当前市场上最先进的固态电子存储系统有：Ektapro1000EM(美国，1989)，1000幅/s，可存储1200帧图像信息，分幅存储可分别达到6000幅/s和7200帧；EktaproHS4540数字式高速摄像系统，速度达4500幅/s和容量5152帧。■我国中科院西安光机所代表了我国高速摄影界的最高水平，他们1993年研制的HTV－500高速电视及录像系统，达到了当时国际先进水平。上一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数15.3.1高速摄影(像)系统基本构成及其功能高速摄影和摄像系统的基本构成分别如图15-1(a)和图15-1(b)所示，各部分(子系统)的功能及其物理机制分别是下述几项内容。(1)被摄对象：为高速运动中的景物；该景物分自发光景物(如炸弹爆炸火光、目标本身红外辐射、生化荧光体等)，另一类为自身不发光而需要辅助光源照明、通过反射光而成像的景物，例如被太阳光、夜天光、快门闪光、激光等光源照射下的景物。下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数

(2)光学机电系统：包括由透镜、反射镜、棱镜、滤光镜等光学元件组成的摄影(像)光学系统，用以把景物图像高保真度地成像于图像传感器的光敏面上；机械电子系统包括快门机构和承载所有光学/光电元部件的精密机械系统，用来在电子脉冲选通控制下，提供必要的目标照明、快门开启/关闭、摄影记录等功能的同步有序执行。上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数

(3)图像传感器：对于高速摄影系统，采用感光胶片作为图像传感器，借助它的光化学效应及后续显影/定影处理，把输入景物的光子数时－空分布图像变为黑白灰度图像或RGB彩色图像；对于高速摄像系统，采用电视摄像器件(如CCD或摄像管)作为图像传感器，它能把输入景物的光子数时－空分布图像，成比例地转换为半导体光敏面中的光生载流子数(电子/空穴)分布，然后，按照一定的扫描制式扫描成时序视频信号，继而经必要的图像处理后，通过监视器再现为的黑白灰度或RGB彩色图像。上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数

(4)视频处理子系统：目前，高速摄像系统有模拟摄像机和数码摄像机之分，前者输出的是模拟视频信号；后者是通过CCD芯片外的模数转换(A/D)等电路，或者是通过CMOS芯片内的A/D等电路，变为数码视频信号。高速摄像视频处理子系统的功能包括：灰度图像处理、彩色图像处理、图像平滑、图像锐化、图像校正、图像亮度/对比度/色度等通用图像处理和专用的图像消模糊处理，以及为了更有利于高保真度视频图像传输的数字处理、编码压缩、视频通信、网络化处理等功能。上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数

(5)终端显示分析子系统：通过终端显示器和计算机程序对摄取的高速运动目标的图像进行定性观察和运动参数(轨迹、速度、加速度及运动姿态等)的定量测试分析。上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数15.3.2高速摄影(像)系统的主要特性参数1.光学系统焦距、视场及放大率焦距是高速摄影(像)系统的一个最基本的参数，它决定了系统的光学放大率、视场和角分辨率。从图15-1(a)和图15-1(b)可以看出，对于望远系统(物体在无限远处)，物镜焦距f’、视场角2ω与像大小y’间的关系是y’＝f’tanω(15-1)而对于摄影照相系统(物体在有限距离)，物与像尺寸间的关系为y’＝βy(15-2)上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数式中：β＝－f/x＝－x’/f’为所对应共轭平面的垂直轴放大率；摄像系统的焦距f’还决定了物与像的横向放大率β，即β＝f’/s(15-3)式中：s为物距。可见，对同一距离s的物体进行拍摄时，焦距长的物镜得到的像尺寸也大。所以，为适应不同场合应用，高速摄像机通常需配备不同焦距的物镜，焦距可短到8mm、10mm，长至5m；高级的摄像系统，一般采用变倍(焦)光学系统，通过换挡调节或连续调节可以把物镜焦距改变几倍到几十倍。上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数2.像面照度Ek对望远物镜和摄影物镜系统，它们各自的像面照度分别为

上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数式中：D物、f物和T物———物镜系统的口径、焦距和光学透过率(％)；D物/f物———该物镜的相对孔径；Lφ———被摄景物(目标)的亮度(cd/m2，尼特)。假定，曝光灯在景物上产生的照度为E0＝100lx，该景物为朗伯反射体，反射系数为ρ＝0.8，则L＝ρE0；此外，令D物/f物＝1/2，则根据式(15-4)，不难计算出像面照度Ek＝49lx，即49lm/m2。由光度学可知，对于色温为2856K的标准光源，1lx＝1.3×1016

个光子m－2•s－1。上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数这里，举此例的用意在于说明以光子数m－2s－1为单位来表示像面照度，在分析高速摄影(像)图像质量时有重要实际意义。因为在这一应用领域，人们更习惯于用像面曝光量(光照度×曝光时间)来表示输入光量的大小，尤其是对用于摄影(像)系统的阵列式图像传感器而言，人们更关心的是在特定像元上所获得的景物输入光子数照度。例如，如果特定像元尺寸为10m×10m，则在其上1lx的照度，只相当于有1.3×106

个光子m－2•s－1。下一节的分析将会看到，这种有限的像元光子数、加之非常短的曝光(快门)时间，将会对感兴趣像元的探测、识别和辨认，带来严重的信噪比问题困扰。上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数3.静态空间分辨率和MTF特性系统的静态空间分辨率和MTF特性是高速摄影(像)系统动态衬度传递能力的基础。与其他光电子成像系统一样，高速摄影(像)系统对静态目标靶的空间分辨率，用成像面上能够分辨的最小空间间隔来表征，单位为lp/mm，对电视图像，用TVL/帧高来表示。高速摄影(像)系统的空间分辨率与物镜系统、图像传感器、电子处理电路等子系统的空间频谱特性(MTF)因素有关。对于空间不变的线性级联成像系统，有上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数

式中：M(N)和Nf分别代表系统及其相应子系统的MTF(％)和极限分辨率(lp/mm)。上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数对于CCD及CMOS等图像传感器，通常按其水平和垂直方向上的像元数来表示它的分辨率。如上所述，图像传感器的静态分辨率限制了高速摄像系统的空间分辨率。电视图像工程上常见到的光学分辨率RP(lp/mm)、电视分辨率RTV(TVL)和相应的视频带宽WB(Hz)间的关系可按以下方法换算。令图像传感器扫描面对角线尺寸为De(mm)，宽高比为4∶3，按照我国电视制式，帧频fH＝25帧/s，行频fL＝15625Hz，于是，上述三个分辨率单位间的关系为上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数水平电视分辨率

图像视频带宽

上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数4.时间分辨率及摄像速度(帧频)用高速摄影(像)系统能分辨的两个独立事件的最小时间间隔t称为它的时间分辨本领，即t＝l/vS(15-10)式中：l是事件1和2在像面上沿扫描方向能被分辨开的最小距离，或靶面上所允许的运动模糊量，可以看成允许的像元数(一般取0.020.05mm，或2个像元数)；vS是相机对像面的扫描速度。如果目标的运动速度为v，摄影物镜的放大率为β，则vS＝βv。上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数为了进一步提高系统的时间分辨率，常采用缩短画幅周期(T/s)和控制允许的曝光时间(t允/s)双管齐下的办法，定义η＝t允/T为快门系数，于是有：t允＝l/(βv)(15-11)进而得到系统的扫描速度(帧频)：f帧＝ηβv/l(15-12)由式(15-12)可知，目标的运动速度、物镜放大倍率和快门系数数值越大，而且所允许的像面“运动模糊”距离越小，则要求高速摄影(像)系统的扫描速度(帧频)越高。上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数5.灵敏度、暗输出和动态工作范围(1)灵敏度。灵敏度是摄像系统的重要参数之一，它决定了无辅助照明情况下系统能够正常工作的最低照度和系统信噪比等特性。灵敏度的单位为mA/W，或A/lm；对于给定芯片尺寸的图像传感器而言，常用nA/lx，或mV/(lx•s)来表示。详细定义和测量方法见本书第四章。(2)暗输出。暗输出指无外界光输入时图像传感器的暗背景输出特性，它主要来源于暗(无照)电流。暗输出特性决定了系统无辅助照明情况下能够工作的最低照度和系统信噪比。上一页下一页返回15.3高速摄影(像)系统基本构成和特性参数

(3)动态工作范围。图像传感器单个像元的满阱电荷(e)数及其暗背景光电子(电荷)数分别决定了系统工作范围的上限和下限，即动态工作范围，其数值可以用输出端信号峰值电压与均方根噪声电压之比(dB)来表示，一般为6080dB。上一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析15.4.1基本思路与其他光电子成像系统一样，高速摄影(像)系统最终也是为人眼视神经或其他末端传感执行机构提供可分辨图像为目的的。应该说他们具有基本相同的成像质量评价体系。所不同的是，前一类成像系统提供的是静止的或时－空变化很缓慢的图像，其成像质量可用系统静态空域像差和MTF理论予以描述；而后一类就是本章所关注的高速摄影(像)系统，涉及对运动景物所成的动态图像质量评价问题。通常，人们习惯于从“个体到全体”，先分析各子系统子环节的时－空MTF特性，然后利用线性系统频谱相乘原理，求出系统总的时－空MTF。下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析笔者在这里试图采用由“全体到个体”的思维模式，即从用户的总体要求出发，根据本书第七章所介绍的视觉特性方程的基本思想，逐步分解说明高速摄影(像)系统个各相关环节的像质影响因素。这种思维方法的基本要点在于：

(1)系统静态像差和MTF(用Ms(N)表示)是高速摄影(像)系统成像质量的理论基础。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析

(2)动像模糊的物理本质是由于图像传感器及载体随动系统只具有有限的带宽(较长的视觉暂留时间或惰性)，以至不能及时地跟踪目标在像面上的运动，导致前后图像细节重叠而使图像模糊。显然，这种机理也存在一个与像面目标速度v、传感器惰性τ和空间频率N有关的动像MTF，Md(v，τ，N)，这是一个≤1的频谱函数。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析

(3)在高速摄影(像)系统的设计和应用中，为了克服上述“动像模糊”，不得不采用尽可能短的曝光时间，或尽可能快的帧频。这样，必然会带来由于曝光量(特征面元光子数n乘以曝光时间t)的不足，而使该特征面元的信噪比不断下降，从而为对它的感知带来越来越大的困难，图像被辨认的概率会大幅度下降。分析证明，特征面元的信噪比是一个与输入光子数照度E0、曝光时间t，以及面元的面积Ai(或相应的空间频率N)有关的频谱函数，Ms/N(E0，t，N)≤1。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析综合以上所述，本分析方法的总体思路是：■根据用户的要求，确定运动目标被感知的级别，发现(目标有无)、识别(分辨类别)和辨认(辨认细节)，确定特征面元的尺寸及其必须的信噪比，感知级别愈高，所需的信噪比愈高；上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析■根据本书第七章的视觉探测方程理论，确定满足上述特征面元信噪比要求所需的系统相关光学及光电参数，属于静态目标感知的参数有目标尺寸、反射(或辐射)率、距离、物镜口径、焦距、透过率、放大率、传感器灵敏度等；属于动态目标感知的有传感器惰性、快门宽度(或曝光时间)及最小帧频等。其中系统总的动像MTF特性由上述三个时－空频谱函数相乘得到。即M系统(N)＝Ms(N)•Md(v，τ，N)•Ms/N(E0，a，t，N)。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析■应该指出，以上分析过程只是在一系列假定前提下近似的推算结果，针对不同的具体情况，侧重面会有所区别，但总体思路应该是基本合理的。以下将从运动图像模糊的机理分析开始，分别就特征面元信噪比链理论、线性级联系统MTF理论及视觉特性方程在高速摄影(像)系统像质评价中的应用等问题，分别予以说明。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析15.4.2光电成像系统动像模糊的成因任何一个图像传感器及载体随动系统都有一定惰性，或只有有限的时域带宽。这样一来，在对一个运动目标(例如“动像模糊”4个字)进行摄影或摄像时，传到末端显示器(例如人眼)的前一幅图像还未消失时，后序的各幅图像接踵而来，相互重叠使图像变得模糊不清。图15-2是这种动像模糊过程的示意图。很显然，如果传感器没有惰性(或具有∞带宽)，或者目标像运动速度很慢，且有稳像随动装置始终跟踪目标，使目标在像面上始终处于相对静止的位置，那么就不存在上述动像模糊问题。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析所以，大的系统带宽、低目标像面移动速度和实时准确的稳像随动机构，是实现高清晰度高速摄影(像)的必要条件。关于光电子成像的稳像稳瞄技术已在本书第十一章进行了全面介绍。本章只涉及非稳像稳瞄条件下的摄影(像)的相关问题。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析15.4.3线性级联高速摄影(像)系统的时－空MTF理论1.线性级联成像系统的时－空MTF基本概念高速摄影(像)技术是一个复杂的系统工程，被摄取的瞬态景物有一个固有的目标/背景调制度M0(N)，需要经过物镜光学系统的M物镜(N)、图像传感器M器件(N)、电子处理、控制和显346现代光电子成像技术概论示M电子(N)等多个环节的逐级传递，才能获得一个提供感知和分析的输出图像。设景物(包括目标和背景)及其输出图像分别是光子数(光强)的空间、时间等自变量的多维分布I景物和I输出，即I景物＝f(r，t)和I输出＝f’(r’，t)。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析则根据线性光电成像频谱理论，输出图像是系统各级成像环节对输入δ函数强度分布逐级卷积的结果，如果I景物＝f(r，t)可做分离变量处理，则系统对脉冲的响应函数－点扩展函数(－卷积运算符)H(r，t)＝h(r)

h(t)(15-13)对其进行傅里叶变换并经归一化后，可得到系统的MTF，即M(Nr，Nf)＝M(Nr)•M(Nf)(15-14)式中：Nr和Nf分别为输入像面上的空间频率(lp/mm)和时间频率(c/s)。如果目标像以速度v做匀速直线运动，则其时－空频率相互换算关系是Nf＝v•Nr。为方便计，以下讨论均用空间频率单位。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析鉴于高速摄影(像)系统的特殊性，我们在式(15-14)的基础上，进一步考虑了被拍摄景物特征面元信噪比的影响因子MS/N(E0，t，N)，它也是一个空间频率的函数，且与接收到的曝光光子数(照度E0•面元面积A)和曝光时间t有关。于是M系统(N)＝MS(N)•Md(v，τ，N)•MS/N(E0，a，t，N)(15-15)关于各类光电子成像器件和系统的静像MTF已在第七章中作过介绍，这里只简要说明它们的动像MTF和特征面元信噪比对系统MTF的影响问题。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析2.高速摄影(像)系统的动像MTF问题高速摄影(像)系统的很多环节的响应速度都会影响到系统的动像MTF特性。■光机系统扫描速度：转镜扫描像面的速度、幅面大小及所能达到的最高帧频；■图像传感器的惰性，例如，人眼、感光胶片、CCD芯片和像管荧光屏等的响应速度；■保证系统正常工作的电子控制系统的响应速度或带宽等。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析仅以像管电子快门为例，其影响系统动像MTF特性的因素就有：快门选通电路的带宽、光阴极衬底的方块电阻、阴极/MCP间的电容以及用作末端显示的荧光屏余晖等。假定所有与时间相关联的有i个环节，它们的带宽及时间分辨率分别为Ni和ti，则可根据线性级联系统的性质，求出系统的总带宽和时间分辨率分别为

上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析关于如何从频谱曲线(Mi(f))计算有效带宽问题，有几种取值方法，有的取峰值的1/e，70％、30％和MTFA法，笔者倾向于后者，即把与MTFA(传递函数面积)相等的矩形频谱的截止频率，取为该系统的带宽。在实际评价系统的动像MTF时，需要逐级分析各个环节的频谱特性，给出计算式或实测数据，再按照式(15-16)和式(15-17)，求出系统的总带宽N系统或时间分辨率t系统。在进行上述比较分析时，往往要把各个环节的影响程度排序，按权重大小，分别处理。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析这里，以MCP近贴型像增强器为例，说明器件静态M0(N)、像匀速运动动像Md(N)对器件总的Ms(N)的不同影响。本书第七章分别给出了M0(N)和Md(N)的表达式：

上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析式中：Nc———器件频率常数，即M0(N)＝e－1时对应的空间频率(lp/mm)；n———器件指数；对近贴型像增强器，通常，Nc＝16，n＝1.7；v———目标像匀速运动速度(设为10mm/s，对f＝150mm相机，则相当于15m开外百米赛跑运动员平行于系统像面的移动速度10m/s)；τ———荧光屏余晖(40×10－3s)。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析所以，器件总的MTF为

上述M0(N)、Md(N)和Ms(N)的相互关系如图15-3所示，可见动像条件下的Md(N)对M0(N)的衰减作用是相当明显的。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析3.图像分辨及其“特征面元”问题如果把一个目标像的整体尺寸设为ω•ω，则人们对此目标的分辨程度可以分成三个档次：探测(判断有无目标)、识别(辨别目标类别)和辨认(分清目标细节)。档次愈高，要求分别该目标的细节愈密；文献中常用ω、ω/4和ω/8来分别对应上述三个档次。在一些特殊场合下(如文艺欣赏、精密测量等)，最后一个数会取得更小，如取为ω/16，甚至ω/32…。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析这里，ω、ω/4和ω/8…，或a1，a2，a3…(它们相应的像面空间频率分别是1/2ω，4/2ω和8/2ω，lp/mm)的正方形就是笔者主张引入的所谓“特征面元”(CharacteristicAreaElements，CAE)的概念。其所以把这些面元a1，a2，a3…叫做“特征面元”，是因为它们依次代表了人们对该图像欲分辨的等级，只有相应部位相邻特征面元间在空间光强度上、光颜色上或其他物理参数值上有所“差别”，才能被观察者感知，才算达到了既定的技术指标。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析作为高速摄影(像)系统总体性能分析的主要任务之一，就是把这种对特征面元视觉分辨指标与系统的相关性能及其与各个环节的物理技术参数联系起来，以求达到最优化的总体设计效果。图15-4是5匹正在奔腾赛跑骏马的图像，要通过高速摄影(或摄像)机判定哪匹马先撞线获胜，显然要求系统有8/ω以上的像面动态空间分辨率，这里，ω代表马身长。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析4.曝光时间、信噪比对高速摄影(像)质量的影响前面业已指出，特征面元间必须在空间光子数强度上、光颜色上或其他物理特性上有一定的“差别”，才能被观察者感知；如果这种差别与噪声水平相当或被噪声淹没，那就转求其次，降低视觉分辨档次；如果不想降低档次，就只好改进系统性能，以求适应之。现在让我们来具体考察一下相邻两特征面元上的光子数之差别(或对比度)与其信噪比的关系。令特征面元的面积为a，在t曝光时间(s)内，受到照明，像面照度为Ek(1lx＝1.3×1016个光子m－2•s－1)，于是，面元a的光子数强度(曝光量)为上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析I＝a•Ek•t可以想见，当a很小(边长为100m)，快门(曝光)时间很短(例如1ns)，以及E0

适度(如100lx)，I＝10个光子，此时已接近光子噪声的极限水平了，根据第七章的分析，该特征面元的噪声为(a•Ek•t)1/2，所以其信噪比为(S/N)a＝(a•Ek•t)1/2上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析可以看出，在一定曝光时间t下，(S/N)a也是一个与空间频率N(＝1/2a1/2)有关的函数

或

式(15-21)和式(15-22)的物理意义分别是：上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析

(1)特征面元上光子数信噪比与其相应的像面空间频率N成反比，空间频率N愈高，信噪比愈低；与像面照度E0和曝光时间t乘积的平方根成正比；(2)对于给定的信噪比要求，能够获得的特征空间频率N，同样与像面照度E0和曝光时间t乘积的平方根成正比。因此，为了获得满意的高速摄影(像)图像(高的特征面元信噪比)，可以通过提高闪光灯(或激光)强度，或采用较宽的曝光时间来实现。然而，曝光时间变得较宽，不易捕获较快目标的图像；而且，随着t接近40ms(人眼视觉暂留时间)，系统分辨能力将趋于静态分辨率极限。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析15.4.4高速光电子摄影(像)系统总体性能评价1.系统对特征面元的分辨能力(Ns)问题在以上分析基础上，进一步考虑到环境条件、景物属性、物镜性能和传感器量子效率等参数，则可用第七章的式(7-64)来评价高速光电子摄影(像)系统总体性能，即系统对目标特征面元的分辨角

上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析式中：景物参数：W———目标尺寸(m)，R———视距(m)，ρ0———目标反射率(％)；环境条件：τ大气———大气透过率(％)；E0———辅助光源在目标上的照度(lx)；上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析物镜参数：D———口径(mm)；f———焦距(mm)；τ物镜———透过率(％)；器件参数：η———光敏面量子效率(％)；t———曝光时间(s)；C———像面目标特征面元对比度(％)，C＝(na－nb)/na；上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析视觉参数：(S/N)a———特征面元信噪比，σ＝1.3×1016个光子/lm。式(15-23)把W/R(或ω/f)与系统内外部参数联系起来，就构成光电子高速摄影(像)系统的视距探测方程，或视觉探测方程。需要说明的是，上述“像面目标特征面元对比度”(％)，C＝(na－nb)/na，与MTF理论中的调制度M＝(na－nb)/(na＋nb)间的换算关系是：上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析C(N)＝2M(N)/［1＋M(N)］(15-24a)M(N)＝C(N)/［2－C(N)］(15-24b)很显然，像面上的特征面元对比度或调制度是由景物、大气、物镜、器件和电子单元各个环节MTF联乘的结果，据此可以分析各级Mi(N)对系统总的M系统(N)的影响。上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析我们用面元尺寸ω(mm)与空间频率N(lp/mm)间的转换关系(N＝1/ω)，把公式(1523)变为对像面上特征面元的分辨能力(lp/mm)

上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析这里，σ＝1.3×1016光子/(lm•s)，为考察曝光时间t、系统MTF特性M(Na)、物镜相对孔径D/f和景物照度等参量对系统像面特征面元分辨率Na的影响，令ρ0＝0.3，τ物镜τ大气＝0.8，η＝0.2，E0＝100lx＝100lm/m2

＝10－4lm/mm2，(S/N)a＝2(对应的可分辨的不确定度为4.55％)，代入式(15-25b)中，得

上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析可见在特征面元光子数受限情况下，Na与(t)1/2成正比关系，但不会无限增大，而趋于器件的极限分辨率Nm；根据式(15-16)，系统在像面上的分辨率Ns由下式给出

上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析2.式(15-26)及式(15-27)物理意义图15-5以系统MTF特性及景物照度为参量，形象地展示了高速摄影(像)系统像面分辨率Ns与曝光时间t间关系的物理意义：■系统静态极限分辨率Nm是高速摄影(像)系统像质优劣的基础，它决定了Ns的极限；■随着曝光时间的缩短，像面特征面元上的光子数减少，光子数的统计涨落噪声使Ns随(t)1/2而下降；上一页下一页返回15.4高速摄影(像)系统总体性能分析■在同一曝光时间下，随着系统MTF特性由理想系统(M＝1)，到实际系统的静态值(设为M＝0.6)，再到其动态值(设为M＝0.3)，则系统的Ns值会相应恶化；■在同一曝光时间下，如果增强曝光照度E0，由100lx，提高到10000lx，则高曝光量将弥补短曝光时间所带来光子数有限带来的问题，使Ns有相当可观的提升。上一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例本节将根据前面阐述的基本原理，分别介绍高速摄影(像)技术的一些典型结构和应用。主要举例包括：■胶片连续运动的高速电影摄影机(帧频≤104

幅/s，时间分辨率≤亚ms)；■转镜式高速分幅相机(帧频106107

幅/s，时间分辨率≤亚s)；■ICCD高速分幅相机(帧频108109

幅/s，时间分辨率≤ns)；下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例■高速变像管条纹相机(帧频10121015幅/s，时间分辨率ps—fs)；■SP－2000高速摄像运动分析系统(帧频10121015幅/s，时间分辨率ps—fs)；■HTV－500高速摄像系统(帧频10121015幅/s，时间分辨率ps—fs)；■瞬态动高压光谱摄影测量系统(高速摄影在非直接瞬态现象分析上的应用)等。上一页下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例15.5.1胶片连续运动的高速电影摄影机在拍摄运动速度不很快的现象时，目前广泛采用胶片连续移动的高速电影摄影机，拍摄频率102

幅/s104

幅/s，幅频为几千幅/s。研制这种摄影机的技术难题是：一要解决胶片在高速运动中不被拉断问题；二要解决曝光过程中的目标影像模糊问题。解决的技术途径分别是：(1)缩短曝光时间：用同频闪光灯辅助照明与高速快门的同步工作，闪光与快门双管齐下协调工作对有效缩短曝光时间十分重要；上一页下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例

(2)光学象移补偿：使目标像的移动与胶片的运动尽可能一致，以减少动像模糊程度。这种高速电影摄影机的基本光路如图15-6所示。图中，1是摄影物镜，2是旋转棱镜，也是光学像移补偿器，3是输片齿轮，4是连续运动的电影胶片。其中，棱镜可以是四棱镜，八棱镜或十六棱镜，以提高帧频，但同时必然会牺牲画面的有效尺寸。棱镜之所以可以用作像移补偿器，是利用了它偏折光线的距离(图中的Z)与它对光线的倾斜角度有关这一特性。上一页下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例进一步提高这种高速电影摄影机的帧频的制约因素是电影胶片的强度问题，后来通过采用鼓轮式高速摄影机方案，把相机的帧频由104

幅/s，提高到105幅/s。上一页下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例15.5.2转镜式高速分幅相机上述高速相机，无论是连续胶片运动式还是鼓轮式，感光胶片必须贴定在转轮或鼓轮上，要达到高帧频和长胶片，必须把鼓轮设计得很大，例如，安装1.5m的胶片，转(鼓)轮的直径需半米左右，如此大的鼓轮在高速旋转时，很难承受巨大的离心力。机械强度因素制约着这种相机的最高帧频和时间分辨率。采用如图15-7所示的转镜式高速分幅相机，可以把相机的帧频提高到106107幅/s，时间分辨率压缩到s—亚s级。其基本工作过程是：上一页下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例被摄目标经第一物镜1、场镜4形成一中间像到反射镜6的反射面上，此像经分幅透镜8成像于胶片9上，由于反射镜的高速旋转，中间像依次通过各分幅透镜，在底片上得到一系列分幅图像。图中，2为光阑，经场镜4和反射镜6与分幅光阑7共轭，并组成光快门。5是视场光阑(用于限制成像范围)，3是电磁快门。可以看出，把底片与高速旋转的反射镜分开是这种相机优于其前辈的主要特征。图15-8还说明了这种转镜式高速分幅相机的另一技术特点，即同时具有“放大”输入光线旋转角度的作用。即当反射镜从实线位置转到虚线位置、转过φ角的时候，由反射镜反射的光线实际要转过2φ角。该特性对于提高高速摄影的帧频有十分有利的作用。上一页下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例15.5.3ICCD高速分幅相机图15-8反射镜放大旋转角度原理图MCP像增强器与CCD级联而成的ICCD是一种高灵敏度、快响应的电子快门和图像传感器，可以广泛用于核反应内爆炸力学瞬态行为的高速摄影(像)诊断上。图15-9是用三组ICCD系统组装成的可见光分幅相机的整体结构示意图。上一页下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例该相机已成功用于丝阵负载Z箍缩产生的高强度等离子体内爆炸力学瞬态过程的图像诊断上。图中，辐射源的光学图像经光学系统成像在像增强器光阴极面上，在相继三个选通脉冲的控制下(图15-10)，该光学图像依次转换为电子图像，经MCP电子倍增后通过荧光屏变为亮度得到增强的可见光图像，继而通过CCD相机转换为视频图像，最后由图像采集系统转换为数字图像。上一页下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例该相机各功能部件的主要性能：(1)主物镜系统：长变焦光学系统，焦距从170500mm连续可调，以满足不同尺寸负载下的成像要求。(2)像增强器：S20光阴极/双MCP近贴型像增强器，由作者所在单位西安应用光学研究所提供，时间分辨率亚ns级，亮度增益≥3000，光阴极积分灵敏度≥120A/lm，等效背景输入照度≤5×10－7lx，空间分辨率≥25lp/mm。像增强器在本系统中的功能是：上一页下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例光学－电子－光学图像的增强成像；光阴极衬底镀低电阻透明导电膜，以利于快门选通；输出端选0.6ms长余晖P20荧光屏，将ns级光信号变为s级光信号，便于通过计算机采集。(3)CCD图像传感器：像素阵列795×596，像素尺寸10m×10m，帧频50幅/s，光积分时间20ms，下限灵敏度0.02lx，灰度校正01可调。上一页下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例15.5.4变相管高速条纹相机变相管条纹相机是目前时间分辨率最快(ps—fs)的一类高速摄影相机，这种优越性来源于以往的光学快门、机械扫描被在电(磁)场控制下的电子的偏转扫描所代替，加之集像管的光图15-11变相管高速条纹相机的示意图谱转换、电子倍增及荧光显示于一体的综合优势。图15-11是这种变相管高速条纹相机的示意图。上一页下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例物镜把被拍摄的物体(可以是其他电磁辐射波谱)成像于像管光阴极上，光阴极把输光子数的二维分布成比例地转换为光电子图像分布，后经电子透镜(静电透镜或电磁透镜)聚焦、偏转，并以高能量轰击荧光屏，产生多幅或多条输出可见光图像。从而把运动物体高速运动扫描展开成向像于同一荧光屏上，继而经中继透镜记录于感光胶片上。上一页下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例早期的变相管光阴极后面加有一对极板，它在正常情况下处于负电位，使光电子流截止；而当需要曝光时，再加一脉冲正电压，使电子流能通过，这样起到了高速电子快门的作用，曝光时间达到ns级。后来经过如图15-11所示的一系列改进，在阳极后面安排了快门板、孔径光阑板、补偿板和偏转板等。这样一来，加在快门板上的电压使从阳极释出的成像电子束偏转。在不需要曝光时，这些电子束不能通过孔径光阑板上的小孔，电子束被阻断，荧光屏上无图像；上一页下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例而一旦需要曝光时，快门板上的电压变化到使成像电子束的偏转角度恰好能通过孔径光阑板上的小孔，进而轰击荧光屏，重现目标图像。这种变相管电子快门的时间分辨率可达ps—fs级。图中的补偿板用来补偿快门板上由于电压波动造成的影像跳动；偏转板的作用是控制图像在荧光屏上的位置。上一页下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例这种变相管高速快门与可尔快门(一种靠脉冲电压控制而改变偏振态的电光晶体)相比，具有两大优点：一是所需功耗较小，易于作成极短的脉冲，即控制速度优于后者；二是在相管中不存在光能损失，相反还能通过电子加速提高成像亮度，一级管增益50倍，3级可达8000倍，这特别适宜于拍摄亮度极低的高速过程。上一页下一页返回15.5高速摄影(像)系统及其应用举例15.5.5SP－2000高速摄像运动分析系统SP－2000高速摄像运动分析系统是当前最先进的高速摄像分析系统，由柯达公司研制推出。该系统采用信号电荷注入器件作为图像传感器，可提供2000幅/s(分幅可达12000幅/s)帧频，并可立即重放。记录介质是合式磁带，在最高