[实用新型]一种高速快门装置

说明书

技术领域

本实用新型属于光学快门领域，特别涉及一种高速快门装置，用于距离选通主动成像。

背景技术

能见度（visibility）是反映大气透明度的一个指标。在空气洁净的地区，晴天能见度一般会大于15Km，视野清晰。在雨、雾、霾、沙尘暴等天气情况下，大气的能见度比较差，当大气能见度低于1Km时，能见度很差。水中视程指的是标准视力的人从水中背景中能识别出具有一定大小目标物的距离，在淡水或海水中的视程仅为几十米，甚至几米。

空气中的微粒对光的吸收和散射是影响大气能见度的关键因素。水滴、固体颗粒对光的吸收会导致光的强度减弱，从而使观察的景象变暗；微粒对光的散射会导致光传输路径的变化，这不仅会使观察目标的景象变暗，还会导致目标物变得模糊。在水中，由于水体本身和其中的其它颗粒对光产生了强烈的吸收和散射，从而导致水中的视程很短。

对于光学成像探测而言，分辨率和对比度是成像质量的重要组成部分，分辨率是指成像系统所能重现的被测物体细节的数量，对比度则是成像系统所产生的被测物体与其背景之间的灰度差别。在能见度低的情况下，通过主动成像，提高照射到目标物上的光的强度，可以有效增加对比度。然而，仅通过提高光强的方法并不能提升系统的分辨率，因为散射的光强也会随着目标物上的光强一起增加，探测器上的信噪比并没有得到改善，所成的像依然模糊，难以分辨细节。

为了提高在大气或水体中成像的分辨率，可以采用距离选通主动成像方法，该方法需要光源、探测目标、高速快门和探测器等部分，其工作原理如下（如图1所示）：在背景光相对较弱的大气或水体中，t1时刻光源用足够强的脉冲光照射距离已知的探测目标，t2时刻这一段脉冲完全发射出去，光在空气或水体中传播至t3时刻到达目标，t4时刻反射光开始到达探测器，此时打开高速快门，接收光信号，t5时刻反射光全部到达探测面，关闭高速快门。这样，对于未经散射的有用光信号，全部都能到达探测面成像；而对于散射光，从发出光脉冲的t1时刻到t4时刻快门均处于闭合状态，不予接收，仅在快门开启的t4~t5时间内的少量散射光能到达成像面。通过这种方法，能够滤除大量噪声，提高信噪比，提升成像的分辨率。

距离选通主动成像方法中的一个关键器件是高速快门，由于光脉冲在以光速传播，快门从开启到关闭整个过程要在几十纳秒以内。目前常见的成像快门有机械快门、液晶快门和电子快门。机械快门是通过弹簧、凸轮、齿轮等机械结构或电磁结构来控制光线进入时间的装置，一般能将光线进入时间控制到毫秒级，最快的能到微秒级。液晶快门是通过电控制液晶分子的排列方式，从而改变光的透过率，来实现光路开启和关断的目的，液晶快门的一个重要缺点是响应时间相对较慢，目前能达到毫秒级。

电子快门是成像芯片常用的快门种类，它利用了芯片感光系统不通电就不工作的原理，仅在需要开启快门的时间内感光系统通电，实现控制光线进入时间的功能，目前常用的成像芯片电子快门开启时间能达到微秒级。有一种特殊的探测器称为增强型影像CCD（简称为ICCD），由于其成像原理，ICCD的电子快门可以实现百皮秒级的开合。

综上所述，当前的成像快门中，只有ICCD的电子快门的开关速度可以满足距离选通主动成像的要求。经过水下成像实验，证明采用ICCD相机确实能够有效提升图像的分辨率。然而，当前市场上的ICCD相机（Princeton Instruments公司的PI-MAX系列、StanfordComputer Optics公司的4Quik E系列、Andor公司的iStar系列）都存在体积大（大于20cm×10cm×10cm）、内部电路控制复杂的问题，不适于制作小型化的距离选通主动成像装置。

实用新型内容：

为解决恶劣天气与水下成像视程短的问题，本实用新型提出一种高速快门装置，该装置能够实现纳秒级的开合，使探测器能够屏蔽大部分杂散光信号，只接收有用光信号，利用该装置配合主动脉冲光源和成像探测器成像时，可以有效提高恶劣天气与水下成像的分辨率。

实现本实用新型目的的技术方案如下：

一种快门装置，设置在成像探测器前，用于选择性地接收或阻隔进入成像探测器的光线，实现距离选通主动成像，其特征在于，该装置具体包括：