超高速相机工作原理

超高速相机基本依赖于进口设备，与高速相机最大的区别在于超高速相机极

短的曝光时间、纳秒时间分辨率和纳秒级触发精度、纳秒级的帧间间隔时间（德

国standford生产的超高速相机可达皮秒）以及数千倍的增益。而高速相机一

般只能达到毫秒或微秒级，增益也是从几倍到数十倍左右。

虽然超高速相机拥有如此多极其优秀的特点，但超高速相机每次拍摄只能获

得几张图像（单通道情况下），而高速相机一次拍摄可获得的图像数量可多达几

万甚至数十万张。

超高速相机作为一种有着尖端科学技术含量的设备，在全球范围内能够生产

出优质超高速相机的厂家并不多，而德国standford公司可以说是业内顶尖，

下面以此公司的产品为例，简单介绍一下超高速相机的基本工作原理和特点。超

高速相机的超高速图像采集系统主要由相机主机、控制分析软件、图像处理仪组

成。各部分示意图如下：

图像采集系统主机内主要由分光系统和ICCD通道系统组成，示意图如下：

在CCD上产生的增强的信号是由一个系列链产生的，通过以下一些部件：

超高速相机内部示意图：

ICCD通道系统内的基本工作原理：通过透镜将拍摄的目标对像光信号传送

到增强器的光阴极上，像增强器在高压窄脉冲控制下输出具有较短曝光时间的图

像，并由后续CCD接收和记录。系统曝光时间和摄影频率由像增强器驱动源以

及精密同步系统控制。

多通道图像分光耦合系统工作原理：传统的图像分割技术往往使用立方或半

透膜分束器将一个图像分割成两个相同的低强度二级图像。由于一般图像都不是

单频的，所以传统技术都不可能预测强度比率。XXRapidFrame系列相机使用

全反射镜观察所有子图像，使得所有的强度分布都能在一个镜像几何函数中反映

出来。这个方法可以很容易地扩展到紫外光谱区域。在每个光学路径的通道上都

装有一个滤波器，它能产生一些特殊的效果，比如对一个实验生成三种颜色的图

像。对于各种通道设置的不同延迟时间，它还可以用来恢复成3-D空间信息。

下图为图像分光耦合系统示意图：

Stanford Computer Optics的ICCD摄像机是独立的解决方案，可以通过

RS232，Camera Link或USB连接远程操作和调整。4 Spec E软件可以作为一

体化解决方案，以满足超高速ICCD摄像机系统的所有操作要求。

4 Spec E包括四个功能模块：远程摄像控制，实况监视，图像编辑和光谱分

析。因此，软件可以作为全面的高速ICCD相机操作和数据分析工具。

4 Spec E软件的截图

软件主要功能有：

1.相机控制 远程摄像机控制提供了对ICCD摄像机操作参数的远程访

问。它可以直接在计算机上配置超高速ICCD摄像机系统。ICCD摄像机的所有

参数都可远程编程。这些参数包括例如MCP电压供应，门控时间，视频增益，

触发配置和曝光模式。任何曝光系列都可以编程并应用于ICCD相机。

2.实时监控 实时监视可以直接访问ICCD摄像机图像。它通过ICCD摄像

机的视频流模拟PC上的视频监视器。实时显示专为用户的相机对准和相机参数

控制而设计。

3.图像编辑 图像编辑可以抓取，编辑和存储超高速图像。它允许手动或自

动背景减法和平场校正。此外，它提供广泛的图像编辑功能，并支持从基本帧添

加到复杂扫描序列的许多不同的采集功能。可以用一个或多个图像执行任何数学

运算作为操作数。图像可以以img-data格式保存，以bmp或tif文件格式导出，

并导入进行编辑。

4.光谱分析 4 Spec E从原始图像中通过用户定义的区域提取光谱，并使

处理和后处理达到215个单独的光谱曲线。后处理可包括一个或多个曲线的其

他背景减法，校准，微分和数学运算作为操作数。此外，可以识别光谱的各个峰，

并且可以计算和绘制峰积分。4 Spec E软件可以实现多个数据呈现选项，如重

叠图和动画。因此，4 Spec E可以快速全面地评估所收集的光谱数据。

软件操作界面如下：

曝光模式简介：

单通道单次曝光模式

单通道多重曝光模式

单通道双重曝光模式

应用领域：1.计量学应用领域 2.物理学应用领域 3.生命科学应用领域

4.光谱应用领域

相关案例：

氙闪光管多次曝光，单词放电，120微秒内10次曝光

高压放电实验（武汉高压研究院特高压实验基地雷电波击穿模拟实验）

等离子体释放实验

水中放电实验（水电开关的电触发触发分解的时间发展，曝光时间为0.5纳

秒，负时间是击穿时间之前的时间。）

以上就是为大家分享超高速相机相关内容，希望对你有所帮助，武汉中创联

达科技有限公司，专业从事光电子影像产品（低照度相机、高速摄 像机，超高

速相机，高分辨率相机及其图像分析软件）的销售、研发， 提供特殊环境下的

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PIV、纤维成像、焊接、等离子体放电、材料拉伸变形、仿生学等领域提供详细、

专业的解决方案。公司将在以下应用领域提供产品：

◆ 高速摄影 （弹道学、碰撞实验、高速粒子运动实验 PIV 、材料学、气囊膨胀

实验、燃烧实验、电弧运动、 离子束运动、流体力学、喷射实验、爆炸分析以

及其他超高速运动领域）

◆ 高分辨率成像 （弹道学、粒子运动实验 PIV 、工业质量检测、喷射实验、电

泳现象、火焰分析）

◆ 显微成像 （微生物光学成像、分子细胞成像）

◆ 低照度成像 （燃烧实验、弹道学、碰撞实验、爆炸分析、天文学领域、微光

成像、工业检测监视）

◆ 光谱成像 （红外感应范围应用、光源波谱分析）

◆ 高速运动分析软件及PIV系统分析软件