CN112945205B - 一种超快多幅二维图像探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于图像探测技术领域，提供了一种超快多幅二维图像探测方法及装置，解决了利用图像转换结构和条纹相机组合实现二维图像探测时获取图像的有效像素数量受限问题，条纹管通过第一图像耦合结构接收输入图像，通过第二图像耦合结构输出图像到相机并被记录，本发明增设了图像转换结构和条纹管控制电路，二维图像经图像转换结构接收并重新排列为n排一维图像输出，条纹管控制电路控制条纹管对n排一维图像进行选通和扫描控制，n排一维图像在特定时间内的连续序列图像从条纹管输出，条纹管输出图像被相机记录并上传到计算机，计算机记录的图像按图像转换结构的二维和一维图像的各像素一一对应关系进行还原，得到特定时间内的连续多幅二维图像序列。

Description

一种超快多幅二维图像探测方法及装置

技术领域

本发明属于图像探测技术领域，特别涉及基于图像转换结构和条纹管控制电路配合实现超高时间分辨多幅二维图像探测的装置，具体是一种超快多幅二维图像探测方法及装置，适用于单次连续获取多幅超高时间分辨的二维光图像信息。

背景技术

获取多幅不同时刻的超高时间分辨二维光图像信息在物理、化学、生物医学等研究领域中都具有重要作用，是分析并研究超快过程的重要手段。传统获取不同时刻的多幅超高时间分辨二维光图像通过分幅相机来实现，分幅相机通过基于分光镜或反射镜等的分光光路对光图像进行多分幅处理，再由多台像增强型相机进行记录，受像增强器中的空间电荷效应等因素影响，时间分辨最快在30ps量级，此外，更多分幅图像的获取需要更多次的分光和更多的像增强型相机记录，导致系统灵敏度下降和光学结构难于集成等难题。条纹相机具有超高时间分辨特性，时间分辨最快可达百fs量级，然而，由于其通常只对一条线上的一维图像进行探测而受到应用限制。近些年，利用条纹相机实现二维图像的探测得到发展，其中，Lihong V.Wang团队提出了基于压缩方法来利用条纹相机实现二维图像的探测，但是该方法需要图像复原算法重建才能得到连续时间多幅二维光图像序列；美国利弗莫尔国家实验室提出基于空间采样的方法来利用条纹相机实现多幅超高时间分辨二维图像的探测，通过多针孔或光纤采样，将二维图像按像素重新排列成一排，然后再用条纹相机对该排一维图像进行探测，而后利用二维图像和一维图像的各像素对应关系复原获取连续时间多幅二维光图像序列，但是由于二维图像仅通过采样排列成一排，图像有效的像素数量受到限制。

发明内容

本发明的目的是针对基于采样方法利用条纹相机实现多幅超高时间分辨二维图像探测时获取二维图像有效像素数量受到限制的问题，提出一种超快多幅二维图像探测方法及装置，利用图像转换结构对二维图像接收并重新排列为n排一维图像输出，再通过条纹管控制电路控制条纹管实现对n排一维图像在特定时间内进行图像选通和扫描，条纹管输出图像由记录相机记录，计算机利用图像转换结构中二维图像和n排一维图像之间的各像素对应关系，将记录图像还原为特定时间内的连续多幅二维图像序列。

本发明为实现其目的采用的技术方案是提供一种超快多幅二维图像探测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、接收二维图像并将二维图像重新排列为n排一维图像输出；其中n为大于等于2的自然数；

步骤2、将n排一维图像成像到条纹管图像输入面；

步骤3、控制条纹管对n排一维图像进行时间选通，经时间选通后的n排一维图像经条纹管扫描后在条纹管图像输出面的不同空间区域输出；

对条纹管输入图像进行时间选通，避免n排一维图像经条纹管扫描后在条纹管图像输出面上发生图像重叠；

步骤4、将条纹管输出的n排一维图像的扫描后图像成像到记录相机像面进行记录后上传至计算机；

步骤5、计算机根据图像转换结构二维图像和重新排列后的n排一维图像的各像素一一对应关系进行还原，得到特定时间内的连续多幅二维图像。

本发明还提供一种超快多幅二维图像探测装置，其特殊之处在于：包括图像转换结构、第一图像耦合结构、条纹管、条纹管控制电路、第二图像耦合结构、记录相机与计算机；

图像转换结构用于接收二维图像并将二维图像重新排列为n排一维图像输出；其中n为大于等于2的自然数；

第一图像耦合结构用于将n排一维图像成像到条纹管图像输入面；

条纹管为具有图像输入选通功能的条纹管；

条纹管控制电路用于控制条纹管对n排一维图像进行时间选通，经时间选通后的n排一维图像经条纹管扫描后在条纹管图像输出面的不同空间区域输出；

第二图像耦合结构用于将条纹管输出的n排一维图像的扫描后图像成像到记录相机像面；

记录相机用于记录条纹管输出图像并上传至计算机；

计算机用于根据图像转换结构采集的二维图像和重新排列后的n排一维图像的各像素一一对应关系进行还原，得到特定时间内的连续多幅二维图像。

进一步地，图像转换结构由光纤排列组成，光纤输入端作为二维图像输入端，光纤输出端作为一维图像输出端；

二维图像输入端用于接收二维图像，一维图像输出端用于输出n排一维图像；

在二维图像输入端，光纤输入端按照特定顺序排列成二维阵列；在一维图像输出端，光纤输出端按照特定顺序排列成n排一维阵列；二维图像输入端与一维图像输出端的各像素有一一对应关系。

进一步地，在二维图像输入端，光纤输入端面排列成像素数为m×k的矩形光纤阵列，阵列单元为a×b根光纤组成的子矩形光纤阵列，每个阵列单元对应一个像素单元；其中m、k、a、b均为自然数；

图像转换结构中的n排一维图像的排数根据单幅图像有效像素数i和单次分幅数量j的平衡关系确定，M＝i×j，M为条纹管输出像面总有效像素数，在图像转换结构一维图像输出端，n＝i/s，结果向上取整，s为条纹管输出像面在垂直于扫描方向上的有效像素数。

进一步地，在二维图像输入端，光纤输入端面排列成像素数为64×64矩形光纤阵列，阵列单元为4×4根光纤组成的子矩形光纤阵列，每个阵列单元对应一个像素单元；

在一维图像输出端，将二维光纤阵列中的每8排，按首尾排列顺序，形成一排一维光纤阵列，每排一维光纤阵列包括512个阵列单元，总共排列成8排一维光纤阵列。

进一步地，条纹管控制电路包括选通信号输出电路与扫描信号输出电路；

选通信号输出电路与扫描信号输出电路同步输出选通信号和扫描信号；

选通信号用于控制条纹管的光阴极实现特定时间内光图像选通，扫描信号用于控制条纹管对选通的光图像进行扫描。

进一步地，第一图像耦合结构与第二图像耦合结构为光锥或镜头。

进一步地，第一图像耦合结构为光锥时，条纹管图像输入端为光纤维面板接口；

第二图像耦合结构为光锥时，条纹管图像输出端和记录相机图像输入端均为光纤维面板接口。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、现有超高时间分辨多分幅图像探测技术中，通常利用像增强型相机来实现，但受像增强器中的空间电荷效应等因素影响，时间分辨最快约30ps，同时，利用该技术想实现更多分幅图像的获取则会造成系统灵敏度下降和系统集成困难等问题。在利用条纹相机实现超高时间分辨多分幅图像探测技术中，基于压缩方法利用条纹相机实现二维图像的探测时，需要图像复原算法重建才能得到连续时间多幅二维光图像序列，复原过程中存在一定的不确定性；在利用转换结构搭配条纹相机的技术中，由于现有技术仅利用光纤或针孔将二维图像转换为一排一维图像进行扫描和测量，受条纹相机空间分辨特性的限制，一排一维图像对应的二维图像的有效像素数有限。

为此，本发明提供一种利用图像转换结构和条纹管控制电路配合的图像探测方式，图像转换结构将二维图像重新排列为n排一维图像，n为大于等于2的自然数，条纹管控制电路控制条纹管对n排一维图像选通和扫描，以此解决多排一维图像扫描重叠问题，n排一维图像同时扫描可有效提高相应的二维单分幅图像的有效像素数量。

2、本发明采用光纤排列组成图像转换结构，光纤输入端作为二维图像输入端，光纤输出端作为一维图像输出端；在二维图像输入端，光纤输入端面按照特定顺序排列成二维阵列；在一维图像输出端，光纤输出端面按照特定顺序排列成n排一维阵列。与基于多针孔或多透镜将二维图像转换成一维图像的图像转换结构相比，光纤阵列在探测纤维阵列发光图像时可通过光纤维结构进行图像耦合，因此光收集效率更高；图像转换结构的有效像素数量与针孔、透镜、采样光纤的数量相关，目前，光纤阵列可借助于机器排丝加工，更易于建立有效像素数更高的图像转换结构，此外，基于光纤阵列的图像转换结构按像素采样图像并按像素输出图像，使用更加灵活方便。

附图说明

图1是本发明实施例超快多幅二维图像探测装置结构示意图；

图2是本发明实施例图像转换结构二维图像输入端光纤排列情况示意图；

图3是本发明实施例图像转换结构一维图像输出端光纤排列情况示意图；

图4是本发明实施例图像转换结构排列过程示意图；

图5是本发明实施例条纹管控制电路的选通和扫描功能示意图。

图中附图标记为：1-图像转换结构，2-第一图像耦合结构，3-条纹管，4-条纹管控制电路，5-第二图像耦合结构，6-记录相机，7-计算机；

11-二维图像输入端，12-传像光纤，13-一维图像输出端。

具体实施方式

目前，获取不同时刻的多幅超高时间分辨二维图像通过分幅相机来实现，分幅相机通过基于分光镜或反射镜等的分光光路对光图像进行多分幅处理，再由多台像增强型相机进行记录，受像增强器中的空间电荷效应等因素影响，时间分辨最快在30ps量级。此外，更多分幅图像的获取需要更多次的分光和更多的像增强型相机记录，导致系统灵敏度下降和光学结构难于集成等难题。条纹相机具有超高时间分辨特性，时间分辨最快可达百fs量级，然而，由于其通常只对一条线上的一维图像进行探测而受到应用限制。近些年，利用条纹相机实现二维图像的探测得到发展，其中基于压缩方法来利用条纹相机实现二维图像的探测需要图像复原算法重建才能得到连续时间多幅二维光图像序列，复原过程中存在一定的不确定性。现有通过多针孔或光纤采样方法来实现二维图像探测时，由于仅将二维图像转换成一排一维图像，图像的有效像素数量受到限制，直接将二维图像转换为多排图像再记录，存在多排图像重叠问题。为此，本发明展开了研究与技术创新，提供了一种基于图像转换结构和条纹管控制电路配合使用来解决有效像素数量受限问题的超快多幅二维图像探测装置。

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步地说明。

本实施例一种超快多幅二维图像探测装置，参见图1，包括图像转换结构1、第一图像耦合结构2、条纹管3、条纹管控制电路4、第二图像耦合结构5、记录相机6与计算机7；条纹管3通过第一图像耦合结构2接收前端输入图像，条纹管3输出图像经第二图像耦合结构5成像到记录相机6像面并被记录。具体第一图像耦合结构2可以为镜头或光锥，当使用光锥作为第一图像耦合结构2时，需要保证前端图像通过光纤阵列输入且条纹管3图像输入端为光纤维面板输入窗口；第二图像耦合结构5也可以为镜头或光锥，当使用光锥作为第二图像耦合结构5时，需要保证条纹管3图像输出端为光纤维面板输出窗口，并且后端记录相机6芯片可以开窗与光锥直接接触耦合。

本发明图像转换结构1位于第一图像耦合结构2的前端，用于接收二维图像并将二维图像重新排列为n排一维图像输出。本实施例中图像转换结构1可由光纤按照一定顺序排列组成，在二维图像输入端11，光纤输入端面按照特定顺序排列成二维光纤阵列；在一维图像输出端13，光纤输出端面按照特定顺序排列成n排一维光纤阵列，二维图像输入端11与一维图像输出端13的各像素有一一对应关系。

n排一维图像的排数可根据单分幅图像有效像素数和单次分幅数量的平衡关系确定。M＝i×j，M为条纹管3输出像面总有效像素数，在图像转换结构1一维图像输出端13，n＝i/s，结果向上取整，s为条纹管3输出像面在垂直于扫描方向上的有效像素数。

如图2所示，本实施例，在二维图像输入端11，光纤输入端面排列成像素数为64×64矩形二维光纤阵列；阵列单元为4×4子矩形光纤阵列，每个阵列单元对应一个像素单元，图中每个小虚线框代表一个阵列单元，H为列数，V为排数。如图3所示，在一维图像输出端13，将二维图像输入端11的二维光纤阵列中的每8排，按首尾排列顺序，形成一排一维阵列，每排一维光纤阵列包括512个光纤阵列单元，总共排列成8排一维光纤阵列。

可利用南京春辉科技实业有限公司的排丝机器将直径约20μm的光纤按照如图4方式紧密排列并粘接成图像转换结构1，需要指出，仅在图4所示的虚线区域内保证有序排列和胶粘固定，其余位置不需要。每4×4根光纤可看为一个有效像素。

如图2所示，组成矩形二维光纤阵列的每一排的有效像素数为1×64，如图2中第一排，序号排列从H1V1到H1V64，利用排丝机器每次按照如图4方式紧密排列成1×64光纤单元，排列好的光纤可从中间切开，切开的位置如图4所示，切开后的一端用来组成二维图像输入端，即有序排列成如图2所示的二维阵列，另一端用来排列成一维图像输出端，如图3所示。使用64个如上光纤单元可在图像转换结构1的图像输入端排列成有效像素数为64×64的二维图像，如图2所示，序号从H1V1到H64V64。在图像转换结构1的图像输出端将64个单元排列成8排一维图像，如图3所示，每排有8个单元，每排有效像素数为1×512，第一排的序号从H1V1到H8V64，需要指出，光纤的排列形式可根据需要改变。

中国科学院西安光学精密机械研究所的大面积光阴极条纹管的图像输入面尺寸可达直径35mm，内嵌矩形的大小为24.7mm×24.7mm，动态分辨率可达12lp/mm，内嵌矩形的有效像素数量约为592×592。因此，使用镜头或光锥将8排一维图像成像到该条纹管光阴极上，两端的分辨率可以基本匹配。如果8排一维图像等间隔平排排列，且总像素数为512×512时，该有效像素数量接近条纹管的极限可分辨像素数592×592，在这样前提下每一排在时间方向上的扫描范围可以有64像素，考虑到相邻区域避免重叠的影响，可假定约有50像素的时间方向上的扫描范围可用，因此，在当下条件下，可以获得50分幅像素数为64×64的图像。

本发明的条纹管控制电路4包括选通信号输出电路与扫描信号输出电路，选通信号和扫描信号同步，选通信号可控制条纹管3的光阴极实现特定时间内图像选通，扫描信号控制条纹管3对选通的图像进行扫描。选通和扫描共同配合以避免选通时间外的光对扫描过程产生影响，避免多排一维图像在条纹管3扫描过程中发生重叠现象。

下面具体说明，假设条纹管3接收两排一维图像，两排一维图像静态时在条纹管3输出处的位置如图5所示，图中，虚线代表第一排一维图像，实线代表第二排一维图像，按照如图5所示的扫描方向。动态扫描工作时，这两排一维图像将从起始位置扫描到结束位置，如果前端不加图像选通功能，第一排扫描区间(虚线区域)将与第二排扫描区间(实线区域)重叠，这样就会导致第一排与第二排一维图像在扫描过程中图像重叠。当加入图像选通功能后，只有特定时间内的图像可以进入扫描，通过控制选通时间，可以使得第一排和第二排图像有独立的空间区域扫描，两部分对应的扫描区间不重叠，图像不互相影响。

n排一维图像经第一图像耦合结构2成像到条纹管3图像输入面，条纹管控制电路4控制条纹管3对n排一维图像进行选通和扫描控制，本实施例条纹管控制电路4可为高压脉冲产生电路，可产生高压选通电信号脉冲，用来选通条纹管3的光阴极，只有当光阴极选通时，前面的图像才能进入条纹管3并进行扫描。扫描电信号与选通电信号同步，确保选通时进行扫描，两个电信号可通过与研究对象同步的电信号触发后输出，以确保与被研究对象时间同步。n排一维图像在特定时间内的连续序列图像从条纹管3输出，条纹管3输出图像被相机记录，上传到计算机7，计算机7记录的图像按图像转换结构1的二维和一维图像的各像素一一对应关系进行还原，从而得到特定时间内的连续多幅二维图像序列。

图像还原过程可通过标定来实现，包括像素位置标定和不同像素相对灵敏度标定。像素位置标定时，调整一维图像成像到光阴极时与扫描方向垂直，使用刀口或狭缝在二维图像端垂直于每个一维单元放置，使用均匀光照明，通过沿着一维单元方向平移刀口或狭缝，每次在静态下记录图像，这样可以获得一维图像和二维图像之间各像素的位置对应关系。不同像素相对灵敏度标定时，二维图像输入面在无遮挡状态下使用可调节光强的均匀光源照明，获得不同强度下一维图像，这样可以得到每一个像素的相对灵敏度。根据标定结果，将选通和扫描后的图像沿时间方向对每排进行还原，获得二维图像输入面处的光强分布，以此得到多幅不同时刻序列的超高时间分辨二维光图像信息。

现有技术中，仅将二维图像通过光纤阵列转换结构排列成一排一维图像，二维图像的有效像素数仅为15×15，有效像素数量较少。为了使获取的二维图像具有更多有效像素数，本发明提出利用图像转换结构将二维图像采样并重新排列为多排一维图像，以此将采样二维图像时的有效像素数量提升到64×64，同时，借助条纹管控制电路配合使用解决多排一维图像在条纹管内扫描时重叠的问题，相比于现有技术，条纹管可以一次对多排一维图像独立扫描，且互不重叠干扰。因此，本发明可以显著提高获取的二维图像的有效像素数量，提升了获取的二维图像质量。

Claims (6)

1.一种超快多幅二维图像探测装置，其特征在于：包括图像转换结构（1）、第一图像耦合结构（2）、条纹管（3）、条纹管控制电路（4）、第二图像耦合结构（5）、记录相机（6）与计算机（7）；

图像转换结构（1）用于接收二维图像并将二维图像重新排列为n排一维图像输出；其中n为大于等于2的自然数；

第一图像耦合结构（2）用于将n排一维图像成像到条纹管（3）图像输入面；

条纹管（3）为具有图像输入选通功能的条纹管；

条纹管控制电路（4）用于控制条纹管（3）对n排一维图像进行时间选通，经时间选通后的n排一维图像经条纹管（3）扫描后在条纹管（3）图像输出面的不同空间区域输出；

第二图像耦合结构（5）用于将条纹管（3）输出的n排一维图像的扫描后图像成像到记录相机（6）的像面；

记录相机（6）用于记录条纹管（3）输出图像并上传至计算机（7）；

计算机（7）用于根据图像转换结构（1）采集的二维图像和重新排列后的n排一维图像的各像素一一对应关系进行还原，得到特定时间内的连续多幅二维图像；

图像转换结构（1）由光纤排列组成，光纤输入端作为二维图像输入端（11），光纤输出端作为一维图像输出端（13）；

二维图像输入端（11）用于接收二维图像，一维图像输出端（13）用于输出n排一维图像；

在二维图像输入端（11），光纤输入端按照特定顺序排列成二维阵列；在一维图像输出端（13），光纤输出端按照特定顺序排列成n排一维阵列；二维图像输入端（11）与一维图像输出端（13）的各像素有一一对应关系；

条纹管控制电路（4）包括选通信号输出电路与扫描信号输出电路；

选通信号输出电路与扫描信号输出电路同步输出选通信号和扫描信号；

选通信号用于控制条纹管（3）的光阴极实现特定时间内图像选通，扫描信号用于控制条纹管（3）对选通的图像进行扫描。

2.根据权利要求1所述的一种超快多幅二维图像探测装置，其特征在于：

在二维图像输入端（11），光纤输入端面排列成像素数为m×k的矩形光纤阵列，阵列单元为a×b根光纤组成的子矩形光纤阵列，每个阵列单元对应一个像素单元；其中m、k、a、b均为自然数；

图像转换结构（1）中的n排一维图像的排数根据单分幅图像有效像素数i和单次分幅数量j的平衡关系确定，M=i×j，M为条纹管（3）输出像面总有效像素数，在图像转换结构的一维图像输出端（13），n=i/s，结果向上取整，s为条纹管（3）输出像面在垂直于扫描方向上的有效像素数。

3.根据权利要求2所述的一种超快多幅二维图像探测装置，其特征在于：

在二维图像输入端（11），光纤输入端面排列成像素数为64×64矩形光纤阵列，阵列单元为4×4根光纤组成的子矩形光纤阵列，每个阵列单元对应一个像素单元；

在一维图像输出端（13），将二维光纤阵列中的每8排，按首尾排列顺序，形成一排一维光纤阵列，每排一维光纤阵列包括512个阵列单元，总共排列成8排一维光纤阵列。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种超快多幅二维图像探测装置，其特征在于：第一图像耦合结构（2）与第二图像耦合结构（5）为光锥或镜头。

5.根据权利要求4所述的一种超快多幅二维图像探测装置，其特征在于：第一图像耦合结构（2）为光锥时，条纹管（3）图像输入端为光纤维面板接口；

第二图像耦合结构（5）为光锥时，条纹管（3）图像输出端和记录相机（6）图像输入端均为光纤维面板接口。

6.一种超快多幅二维图像探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、基于权利要求1-5任一所述超快多幅二维图像探测装置，接收二维图像并将二维图像重新排列为n排一维图像输出；其中n为大于等于2的自然数；

步骤2、将n排一维图像成像到条纹管图像输入面；

步骤3、控制条纹管对n排一维图像进行时间选通，经时间选通后的n排一维图像经条纹管扫描后在条纹管图像输出面的不同空间区域输出；

步骤4、将条纹管输出的n排一维图像的扫描后图像成像到记录相机像面进行记录后上传至计算机；

步骤5、计算机根据二维图像和重新排列后的n排一维图像的各像素一一对应关系进行还原，得到特定时间内的连续多幅二维图像。

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