精雕细琢、创新突破 | 记录分幅相机的优化之路
图1 中智科仪逐光系列二分幅、四分幅、八分幅相机
前沿
超高速分幅相机成像技术是目前进行超高速运动物体和瞬时变化过程研究的主要成像手段。在过去的几十年里，超高速分幅相机主要应用于某些特定的军工领域，受限于市场需求相对较窄，导致商品化产品的市场较为稀缺。
随着科技的进步，近年来各学科发展迅速，各行业各应用领域对超高速成像也有了广泛的需求。生物医学、燃烧学、空气动力学、材料科学、核科学、能源科学等多种学科都对超高速成像有着广泛的需求。这也促进了超高速分幅相机产品的快速发展。
01、产品历程
中智科仪自2016年成立以来，一直致力于国产科学仪器的开发，并专注于超快时间分辨成像领域。结合超高速分幅相机的市场需求以及自身在超快时间分辨成像领域的技术积累，中智科仪组建了一支专业高效的技术团队，持续对超高速分幅相机关键技术进行开发和攻关，团队由经验丰富的光学工程师、机械工程师、电学工程师、工艺工程师组成，分别针对超高速分幅相机的几个核心关键技术问题进行持续研发和迭代，致力于将超高速分幅相机产品打造成技术指标先进、可靠性高、操作简单方便的实用化科研仪器，为国内科学家的研究提供得力的实验工具。
经过长达两年时间的设计和研发，以及对产品的多次迭代和锤炼，2023年，中智科仪首推国内第一台商用化超高速分幅相机，单帧最短曝光时间≤3ns，最小帧间隔≤10ps，各帧之间曝光时间抖动≤35ps，等效帧速≥3亿帧/秒。产品推出以后，受到国内有超高速成像需求的科研单位关注。随后，中智科仪陆续开发出了“逐光”系列二分幅、四分幅、八分幅相机。目前中智科仪的超高速分幅相机已在核聚变等离子体研究、爆炸过程高速成像和光谱诊断、含能材料冲击波演化过程等多种应用场景下助力科学家在关键技术上的研究和突破。
第一台八分幅相机2023年在西安工厂下线，并交付客户使用。
截止目前，中智科仪已经陆续为国内近10家科研单位交付了20+台超高速分幅相机，这些产品已在部分用户单位服务超过1年，现在均稳定正常工作，并发挥了重要作用。
图3 在国内某科研单位投入使用的中智科仪八分幅相机
02、产品改进
在过去的一年里，中智科仪积极采纳了用户反馈的宝贵意见，并认真评估、分析，针对目前分幅相机产品存在的问题和不足之处，分别从结构、硬件、软件三个方面进行了优化和升级。
1、在结构方面，从设备的体积、重量、安装调试的易操作性等多个方面出发，对分幅相机进行了结构上的优化：
图4 八分幅相机内部立体结构布局
Ⅰ.相对于初代产品，改进后的版本整体结构高度降低了20mm，长度降低了45mm;
Ⅱ.整体进行了轻量化设计，面板和底板进行了冗余消除处理，在确保安装使用可靠性与稳定性的前提下，整体重量减轻了约10%;
Ⅲ.将成像芯片校准工装更改为三个自由度可调的结构，方便进行各个画幅精准的成像调节。
图5 超高速分幅相机成像芯片校准调节工装
以上结构创新，使得相机更加紧凑、重量更轻、功耗更低，同时为各通道各画幅之间的一致性校准提供了结构保证。
2、在设备硬件方面，对设备运行过程中存在的丢帧、断连、误触发、电磁干扰等偶发性问题进行了针对性的解决和优化：
Ⅰ.对CMOS相机进行了升级，解决偶发的丢帧问题;
Ⅱ.增强了通讯稳定性，解决可能出现的设备不稳定连接问题;
Ⅲ.同步时序控制(DDG)固件升级，排除了极限参数状态下触发无输出风险;
Ⅳ.在分幅相机中使用可靠性更高的高压模块，设备稳定工作得到保证;
Ⅴ.从模块和整机两个方面进行设计和优化，提升超高速分幅相机整机的抗电磁干扰能力。
图6 分幅相机对提升抗电磁干扰能力所做的结构设计改造
通过以上硬件优化，提高了超高速分幅相机在工作过程中的稳定性和可靠性，也提升了超高速分幅相机在高压放电过程诊断、磁约束等离子体诊断等强电磁干扰环境下的稳定性和可靠性。
3、在软件方面，中智科仪先后进行了多次软件升级，分别更新和优化了包括序列功能、相机校准功能、自动保存功能等多项软件功能。
Ⅰ.增加了序列采集模式，完善累加模式，完善单帧，序列，累加，序列点采集模式，添加应用序列点参数至设备，改善时序可视化界面设置及显示;
Ⅱ.增加了数据自动保存功能和文件以自动序列增加命名;
Ⅲ.增加像增强器量子效率校准功能，解决因不同波长光源导致的图像强度差异问题;
Ⅳ.添加自定义通道增益偏置设置，解决不同通道增益不一致性。
图7 利用新版软件实现的八分幅相机各通道的增益线性度校准
图8 软件升级日志记录下的分幅相机软件功能的增加和优化
图9 八画幅超高速分幅相机各通道画幅强度均一性校准
这些软件实用功能的添加和更新，能够帮助用户在使用过程中更快地确定延迟参数设置，更方便地进行数据在线分析测量，并优化成像采集效果。
目前，中智科仪最新一代超高速分幅相机已经优化完成，我们相信这些优化将会给用户带来更好的使用体验。为了让更多的用户能体验到中智科仪超高速分幅相机在瞬态过程成像的卓越性能，中智科仪专用于演示的四分幅相机样机已经生产完成，并开始接受试用申请。您可拨打下方的联系方式申请试用，我们的工作人员将尽快与您联系，并安排试用。您也可以直接联系区域销售人员预约试用。
我们正不断努力，只愿为您提供更好的使用体验!
