高速视觉成像技术能够将某一瞬间事物的变化历程以图像的方式记录下来,在国防科技、科学研究、生物医疗等领域均有广泛应用。成像装置性能受图像传感器像素结构、读出噪声和帧率制约,目前世界上图像传感器最高帧率达到107fps,图像传感器的曝光时间间隔为1us,要实现对1us以内高速物理现象的精确观测,需要在保证图像质量的情况下进一步提升图像采集帧率。本文研制了一台基于分幅技术的超高速成像装置,帧率500fps,其曝光时间间隔能够在0至4ms范围内可调,调节精度高达10ns。采用光学分幅技术,在保持原有图像传感器成像质量的基础上提升了整体成像速度。通过调节不同图像传感器的曝光间隔,实现对于高速运动物体运动学信息的检测。本文主要工作和成果包括:(1)针对成像装置性能受图像传感器性能制约的问题,设计二分光成像光路结构;针对精密光学的分光需求,采用高精度机械调校机构,实现了精度为1um的机械校准;完成基于FPGA的双SCMOS高速硬件电路的设计与调试。(2)根据成像装置图像数据量大、输出速度高的需求,开发了基于FPGA的固件程序,实现了两个图像传感器的参数配置及精度为10ns的时序控制;采用千兆以太网实现与上位机的数据通信,通过上位机实现了成像装置的图像显示和参数配置;采用具备CRC校验机制的Cameralink协议高速传输图像,实现了峰值速度4080Mb/s的图像数据的稳定传输。(3)根据光路及机械结构特点,研究了不同图像传感器图像重合度提升的方法,实现了图像相关度由0.915至0.995的提升;分析论证了导致图像畸变和噪声的电学和光学原因,采用硬件算法实现图像滤波、数字域相关双采样、平场校正等预处理操作,大幅提升了原始图像清晰度;(4)设计了跨帧时间精度验证实验,验证成像装置不同图像传感器的曝光间隔精度;设计了快速运动乒乓球运动检测实验,提出了一种单一背景下快速运动乒乓球速度检测方法,实现了对高速运动物体运动状态分析。