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高速摄像中照明技术简介

在极短的时间内,使像面得到满足传感器要求的目标曝光或目标和背景感光反差比是高速动目标摄像的突出特征和成功的关键。所以,摄像速度高到一定程度,配置照明光源是必不可少的,更甚者照明系统同时起快门的作用,例如序列脉冲闪光摄影。否则,只有设法使拍摄物自发光。

合适的像面曝光或目标和背景感光反差比是保证得到高质量图像所需的光能量。它既直接和记录介质的特性、曝光时间、入射到靶面上的照度有关,又和目标的亮度、摄影镜头的透过率,相对孔径等有关。还与被摄对象的表面光吸收、反射特征及照度角分布有关。

光源是指能够产生光辐射的辐射源,一般分为天然光源和人工光源。天然光源是自然界中存在的辐射源,如太阳、天空、恒星等,它属于连续照明光源。人工光源是人为将各种形式的能量(热能、电能、化学能)转化成光辐射能的器件,其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源。实际使用的人工光源有两种,即连续照明光源和序列高能量脉冲光源。序列脉冲光源必须同摄像系统的画幅同步。

于是,照明方案的制定,应结合具体试验及像机性能的实际情况,紧抓住像面所需照度和待测物体表面特征而展开,直至追踪选择到合适的照明光源和方法。

1.间歇式照明光源

间歇式照明光源主要包括以下几种。

(1)一次性闪光灯(Expendable flash bulbs)

一次性闪光灯在高速摄像系统应用的比较普遍,具有曝光时间适中、能量高、体积小,价位低等特点。精确的闪光时间对事件和摄影机都是重要的,它广泛地应用在野外的弹道摄影中。多个闪光管控制系统可使多个灯管同时闪光,或顺序闪光,如果有足够的灯管,则闪光的时间可持续几秒长的时间。

(2)电子闪光灯

电子闪光灯的闪光时间可小到毫秒级,可作为摄像系统的快门,具有体积小、可携带等特点。由于其闪光的发射角大,发光面积大,不适合于阴影摄影和纹形摄影。

(3)氩原子闪光灯

氩原子闪光灯主要用于对爆炸的研究,而且具有很高的专业性。爆炸的部分能量通过振动引起类似于氩气的气体使其在最短时间内释放出高能量的光能,这主要应用于军事领域。

(4)高压放电光源

高压放电光源广泛应用于阴影摄影和纹形摄像中,其持续时间为亚毫秒级,并且发光面积小。多个高压放电光源的组合也应用在间隔时间短的多重曝光的摄像系统中。

(5)激光闪光光源

激光闪光光源应用也比较广泛,其闪光的时间短,可达纳秒级,它必须同分幅式摄像系统同步使用,以获得高速运动目标的清晰图像。

2.连续光源

连续光源主要有以下几种。

(1)阳光

明亮的阳光在一些应用中可以满足要求,摄像频率可以高达2000幅/s,但明亮的天空并不时刻都有,最好的办法还是要有一个人工光源。

(2)电弧灯

电弧灯主要用作连续光源,由于存在闪烁,以前不是很适合高速摄影。但现在HMI型光源发光比较平稳,且发光效率很高,也可作为一种待选光源。

(3)钨灯

由于卤钨灯具有工作寿命长,输出几乎恒定的色温等特性,因此,钨灯广泛地应用在高速摄像领域中。

(4)连续激光光源

连续激光光源相对昂贵,但它具有高能量、单色性等特点,非常适合对自发光物体的照明。在实际应用中,利用一个窄带的滤光器,可只使激光通过而阻止其他波长的光进入摄像机中。接下来主要从应用角度介绍各类光源的特性、发光光谱等,并重点介绍人工光源的分类、原理、性能指标及相应的照明技术等。


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