納秒級分幅超高速視覺成像裝置的研制.pdf

1、高速視覺成像技術(shù)能夠?qū)⒛骋凰查g事物的變化歷程以圖像的方式記錄下來，在國防科技、科學研究、生物醫(yī)療等領(lǐng)域均有廣泛應用。成像裝置性能受圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)、讀出噪聲和幀率制約，目前世界上圖像傳感器最高幀率達到107fps，圖像傳感器的曝光時間間隔為1us，要實現(xiàn)對1us以內(nèi)高速物理現(xiàn)象的精確觀測，需要在保證圖像質(zhì)量的情況下進一步提升圖像采集幀率。
　　本文研制了一臺基于分幅技術(shù)的超高速成像裝置，幀率500fps，其曝光時間間隔能夠在0至

2、4ms范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)精度高達10ns。采用光學分幅技術(shù)，在保持原有圖像傳感器成像質(zhì)量的基礎(chǔ)上提升了整體成像速度。通過調(diào)節(jié)不同圖像傳感器的曝光間隔，實現(xiàn)對于高速運動物體運動學信息的檢測。本文主要工作和成果包括：
　　(1)針對成像裝置性能受圖像傳感器性能制約的問題，設(shè)計二分光成像光路結(jié)構(gòu)；針對精密光學的分光需求，采用高精度機械調(diào)校機構(gòu)，實現(xiàn)了精度為1um的機械校準；完成基于FPGA的雙SCMOS高速硬件電路的設(shè)計與調(diào)試。
　

3、　(2)根據(jù)成像裝置圖像數(shù)據(jù)量大、輸出速度高的需求，開發(fā)了基于FPGA的固件程序，實現(xiàn)了兩個圖像傳感器的參數(shù)配置及精度為10ns的時序控制；采用千兆以太網(wǎng)實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)通信，通過上位機實現(xiàn)了成像裝置的圖像顯示和參數(shù)配置；采用具備CRC校驗機制的Cameralink協(xié)議高速傳輸圖像，實現(xiàn)了峰值速度4080Mb/s的圖像數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。
　　(3)根據(jù)光路及機械結(jié)構(gòu)特點，研究了不同圖像傳感器圖像重合度提升的方法，實現(xiàn)了圖像相關(guān)度由