Скоростная фотография - High-speed photography

Фотография Мейбриджа скачущей скаковой лошади, впервые опубликованная в 1878 году.

Высокоскоростная фотография - это наука о съемке очень быстрых явлений. В 1948 году Общество инженеров кино и телевидения (SMPTE) определило высокоскоростную фотографию как любой набор фотографий, снятых камерой со скоростью 69 кадров в секунду или больше и состоящей как минимум из трех последовательных кадров. Высокоскоростная фотография может считаться противоположностью покадровой фотографии .

В обычном использовании высокоскоростная фотография может иметь одно или оба следующих значения. Во-первых, сама фотография может быть сделана таким образом, чтобы казалось, что движение останавливается, особенно для уменьшения размытости движения . Во-вторых, можно сделать серию фотографий с высокой частотой дискретизации или частотой кадров. Для первого требуется датчик с хорошей чувствительностью и либо очень хорошая система опалубки, либо очень быстрый стробоскоп. Второй требует некоторых средств захвата последовательных кадров, либо с помощью механического устройства, либо путем очень быстрого переноса данных с электронных датчиков.

Другие соображения для высокоскоростных фотографов - длина записи, степень взаимности и пространственное разрешение .

Ранние приложения и разработка

Ядерный взрыв сфотографирован рапатронной камерой менее чем через 1 миллисекунду после взрыва. Огненный шар имеет диаметр около 20 метров. Шипы в нижней части огненного шара возникают из-за так называемого эффекта трюка с веревкой .

Первым практическим применением высокоскоростной фотографии было исследование Эдварда Мейбриджа 1878 года, выяснив, действительно ли ноги лошади отрываются от земли сразу во время галопа . Первая фотография сверхзвуковой летящей пули была сделана австрийским физиком Петером Сальхером в Риеке в 1886 году. Эту технику позже использовал Эрнст Мах в своих исследованиях сверхзвукового движения. Немецкие ученые-оружейники применили эту технику в 1916 году, а Японский институт авиационных исследований изготовил камеру, способную записывать 60 000 кадров в секунду в 1931 году.

Bell Telephone Laboratories была одним из первых заказчиков камеры, разработанной Eastman Kodak в начале 1930-х годов. Белл использовал систему, которая воспроизводила 16-миллиметровую пленку со скоростью 1000 кадров / с и имела грузоподъемность 100 футов (30 м), чтобы изучить дребезг реле . Когда Kodak отказалась от разработки более высокоскоростной версии, Bell Labs разработала ее самостоятельно, назвав Fastax. Fastax был способен передавать 5000 кадров в секунду. В конце концов Белл продал конструкцию камеры Western Electric , которая, в свою очередь, продала ее Wollensak Optical Company . Wollensak дополнительно улучшил конструкцию до 10 000 кадров / с. Redlake Laboratories представила еще одну камеру с вращающейся призмой на 16 мм, Hycam, в начале 1960-х годов. Photo-Sonics разработала несколько моделей камеры с вращающейся призмой, способной снимать 35- и 70-мм пленку в 1960-х годах. Компания Visible Solutions представила 16-миллиметровую камеру Photec IV в 1980-х годах.

В 1940 году Сирси Д. Миллер подал патент на камеру с вращающимся зеркалом, теоретически способную передавать один миллион кадров в секунду. Первое практическое применение этой идеи было во время Манхэттенского проекта , когда Берлин Брикснер, фотограф, работавший над проектом, построил первую известную полнофункциональную камеру с вращающимся зеркалом. Эта камера использовалась для фотографирования первых прототипов первой ядерной бомбы и решила ключевой технический вопрос о форме и скорости взрыва, который был источником активного спора между инженерами по взрывчатым веществам и теоретиками физики.

В 1957 году компания DB Milliken разработала 16-миллиметровую камеру прерывистого действия с фиксированной фиксацией для скорости 400 кадров / с. Mitchell , Redlake Laboratories и Photo-Sonics в конечном итоге последовали за ней в 1960-х годах с различными типами 16, 35 и 70 мм. прерывистые камеры.

Стробоскопия и лазерные приложения

Гарольду Эдгертону обычно приписывают новаторство в использовании стробоскопа для остановки быстрого движения. В конце концов он помог основать EG&G , которая использовала некоторые методы Эдгертона для определения физики взрывов, необходимых для детонации ядерного оружия. Одним из таких устройств был EG&G Microflash 549, представляющий собой вспышку с воздушным зазором . Также посмотрите фотографию взрыва, сделанную камерой Rapatronic .

Фотография стрельбы Smith & Wesson, сделанная со вспышкой с воздушным зазором . Фотография была сделана в затемненной комнате с открытым затвором камеры и срабатыванием вспышки по звуку выстрела с помощью микрофона.

Продвигая идею стробоскопа, исследователи начали использовать лазеры для остановки высокоскоростного движения. Последние достижения включают использование генерации высоких гармоник для захвата изображений молекулярной динамики вплоть до масштаба аттосекунды (10 -18  с).

Высокоскоростные пленочные камеры

Основная статья: Скоростная камера
Захват кофе из соломинки за 5 миллисекунд.
После отскока вверх капля улавливается стробоскопом.
Вытяжной вентилятор на этой фотографии вращался на полной скорости, когда фотография была сделана.

Под высокоскоростной камерой понимается способность снимать видео со скоростью, превышающей 250 кадров в секунду. Существует много различных типов высокоскоростных пленочных фотоаппаратов, но в большинстве случаев их можно сгруппировать в пять различных категорий:

  • Камеры прерывистого движения, которые представляют собой ускоренную версию стандартной кинокамеры, в которой используется механизм типа швейной машины для периодического продвижения пленки к фиксированной точке экспозиции за линзой объектива,
  • Камеры с вращающейся призмой, которые непрерывно пропускают пленку мимо точки экспонирования и используют вращающуюся призму между линзой объектива и пленкой для придания движению изображения, которое соответствует движению пленки, тем самым подавляя его,
  • Камеры с вращающимся зеркалом, которые передают изображение через вращающееся зеркало на дугу пленки и могут работать в непрерывном или синхронном доступе в зависимости от конструкции.
  • Камеры анализа изображения, которые могут использовать систему вращающегося зеркала, и
  • Растровые камеры, которые записывают "нарезанную" версию изображения.

Камеры с прерывистым движением способны передавать сотни кадров в секунду, камеры с вращающейся призмой - от тысяч до миллионов кадров в секунду, камеры с вращающимся зеркалом - с миллионами кадров в секунду, растровые камеры - с миллионами кадров в секунду, а изображение камеры рассечения способны делать миллиарды кадров в секунду.

По мере совершенствования пленочного и механического транспорта высокоскоростная пленочная камера стала доступной для научных исследований. Kodak в конечном итоге изменил свою пленку из ацетата основания к Эстар (названию компании Kodak для майлара -эквивалентного пластика), который повышенной прочность и позволил ей быть выведена быстрее. Estar также был более стабильным, чем ацетат, что позволяло проводить более точные измерения, и не был так подвержен возгоранию.

Каждый тип пленки доступен во многих размерах загрузки. Их можно вырезать и положить в магазины для облегчения загрузки. Магазин длиной 1200 футов (370 м) обычно является самым длинным из доступных для 35- и 70-миллиметровых камер. Магазин длиной 400 футов (120 м) типичен для 16-миллиметровых камер, хотя доступны магазины длиной 1000 футов (300 м). Обычно в камерах с поворотной призмой используется пленка длиной 100 футов (30 м). Изображения на 35-миллиметровой высокочувствительной пленке обычно имеют более прямоугольную форму с длинной стороной между отверстиями звездочек, а не параллельны краям, как при стандартной фотографии. Изображения 16 мм и 70 мм обычно более квадратные, чем прямоугольные. Доступен список форматов и размеров ANSI .

В большинстве камер используются импульсные временные метки по краю пленки (внутри или снаружи перфорации пленки), создаваемые искрами или позже светодиодами. Это позволяет точно измерить светочувствительность пленки и, в случае появления полос или смазанных изображений, измерить скорость объекта. Эти импульсы обычно повторяются с частотой 10, 100, 1000 Гц в зависимости от настройки скорости камеры.

Прерывистый регистр контактов

Как и в случае со стандартной кинокамерой, камера с прерывистым регистром фактически останавливает пленку в воротах пленки, пока делается фотография. В высокоскоростной фотографии это требует некоторых модификаций механизма для достижения этого прерывистого движения на таких высоких скоростях. Во всех случаях до и после ворот формируется петля для создания и устранения провисания. Вытягивающие зажимы, которые входят в пленку через перфорацию, натягивают ее на место, а затем втягиваются из перфораций и выходят из отверстия для пленки, умножаются, чтобы захватить пленку через несколько перфораций в пленке, тем самым уменьшая напряжение, которое испытывает каждая отдельная перфорация. подвергается. Регистрирующие штифты, которые фиксируют пленку через перфорацию в конечном положении во время ее экспонирования, после втягивания захватов для вытягивания также множатся и часто изготавливаются из экзотических материалов. В некоторых случаях вакуумное всасывание используется для удержания пленки, особенно пленки 35 мм и 70 мм, плоской, чтобы изображения были в фокусе по всему кадру.

  • Регистр выводов 16 мм: DB Milliken Locam, скорость 500 кадров / с; дизайн в конечном итоге был продан Redlake. Компания Photo-Sonics создала 16-миллиметровую камеру с регистром контактов, способную делать 1000 кадров / с, но в конце концов они удалили ее с рынка.
  • Регистр контактов 35 мм: ранние камеры включали Mitchell 35 мм. Photo-Sonics выиграла премию Оскар за технические достижения для 4ER в 1988 году. 4E может делать 360 кадров в секунду.
  • Регистр штырей 70 мм: камеры включают модель производства Hulcher , а также камеры Photo-Sonics 10A и 10R, способные производить 125 кадров / с.

Поворотная призма

Камера с поворотной призмой позволила увеличить частоту кадров без чрезмерной нагрузки на пленку или механизм транспортировки. Пленка непрерывно движется мимо вращающейся призмы, которая синхронизирована с главной звездочкой пленки, так что скорость пленки и скорость призмы всегда движутся с одинаковой пропорциональной скоростью. Призма расположена между линзой объектива и пленкой, так что вращение призмы «рисует» кадр на пленке для каждой грани призмы. Призмы обычно кубические или четырехсторонние для полнокадровой экспозиции. Поскольку экспонирование происходит при вращении призмы, изображения в верхней или нижней части кадра, где призма существенно смещена от оси, страдают от значительной аберрации. Затвор может улучшить результаты за счет более плотного стробирования экспозиции вокруг точки, где грани призмы почти параллельны.

  • Вращающаяся призма 16 мм - камеры Redlake Hycam способны передавать 11 000 кадров / с с полнокадровой призмой (4 грани), 22 000 кадров / с с комплектом полукадра и 44 000 кадров / с с комплектом четверть кадра. Visible Solutions также делает Photec IV. В качестве более надежного решения Weinberger сделал Stalex 1B, который делает до 3000 полных кадров в секунду и может быть установлен на борту для краш-тестов. Камеры Fastax могут достигать 18 000 кадров в секунду с 8-сторонней призмой.
  • Вращающаяся призма 35 мм. Камеры Photo-Sonics 4C обеспечивают скорость 2500 кадров / с с полнокадровой призмой (4 грани), 4000 кадров / с с комплектом полукадра и 8000 кадров / с с комплектом четверть кадра.
  • Вращающаяся призма 70 мм. Камеры Photo-Sonics 10B могут обеспечивать скорость 360 кадров / с с полнокадровой призмой (4 грани) и 720 кадров / с с комплектом полукадров.

Вращающееся зеркало

Поворотные зеркальные камеры можно разделить на две подкатегории; чистые вращающиеся зеркальные камеры и вращающийся барабан или камеры Dynafax.

В камерах с чисто вращающимся зеркалом пленка удерживается неподвижно по дуге с центром вокруг вращающегося зеркала. Основная конструкция камеры с вращающимся зеркалом состоит из четырех частей; линза основного объектива, полевая линза, линзы компенсации изображения и вращающееся зеркало для последовательной экспозиции кадров. Изображение исследуемого объекта формируется в области вращающегося зеркала с плоскими гранями (обычно используется трехгранное зеркало, поскольку оно имеет относительно высокую скорость разрыва, но использовались конструкции с восемью и более гранями). Полевая линза оптически сопрягает зрачок линзы основного объектива в области ряда компенсационных линз, а конечные компенсационные линзы оптически сопрягают зеркало с поверхностью фотоприемника. Для каждого кадра, сформированного на пленке, требуется одна компенсационная линза, но в некоторых конструкциях используется серия плоских зеркал. Таким образом, эти камеры обычно записывают не более ста кадров, но было записано до 2000 кадров. Это означает, что они записывают очень короткое время - обычно менее миллисекунды. Следовательно, они требуют специального оборудования для хронометража и освещения. Камеры с вращающимся зеркалом способны воспроизводить до 25 миллионов кадров в секунду с типичной скоростью в миллионы кадров в секунду.

Вращающаяся барабанная камера работает, удерживая полосу пленки в виде петли на внутренней дорожке вращающегося барабана. Затем этот барабан раскручивается до скорости, соответствующей желаемой скорости кадрирования. Изображение по-прежнему передается на внутреннее вращающееся зеркало с центром на дуге барабана. Зеркало многогранное, обычно имеет от шести до восьми граней. Требуется только одна вторичная линза, так как экспонирование всегда происходит в одной и той же точке. По мере прохождения пленки через эту точку формируется серия кадров. Дискретные рамки формируются, когда каждая последующая грань зеркала проходит через оптическую ось. Вращающиеся барабанные камеры могут иметь скорость от десятков тысяч до миллионов кадров в секунду, но поскольку максимальная периферийная линейная скорость барабана практически составляет около 500 м / с, увеличение частоты кадров требует уменьшения высоты кадра и / или увеличения количество кадров, экспонируемых вращающимся зеркалом.

В обоих типах камер с вращающимся зеркалом двойная экспозиция может происходить, если система не управляется должным образом. В камере с чисто вращающимся зеркалом это происходит, если зеркало делает второй проход через оптику, в то время как свет все еще попадает в камеру. Во вращающейся барабанной камере это происходит, если барабан делает более одного оборота, когда в камеру попадает свет. Многие камеры используют сверхвысокоскоростные затворы, например те, в которых используется взрывчатка, чтобы разбить стеклянный блок и сделать его непрозрачным. В качестве альтернативы можно использовать высокоскоростные вспышки с контролируемой продолжительностью. В современных системах визуализации ccd датчики могут быть закрыты за микросекунды, что устраняет необходимость во внешнем затворе.

В последнее время технология камеры с вращающимся зеркалом была применена к электронному изображению, где вместо пленки вокруг вращающегося зеркала размещается массив однокадровых камер CCD или CMOS . Эта адаптация позволяет использовать все преимущества электронной визуализации в сочетании со скоростью и разрешением вращающегося зеркала. Возможна скорость до 25 миллионов кадров в секунду с типичной скоростью в миллионы кадров в секунду.

Коммерческая доступность обоих типов камер с вращающимся зеркалом началась в 1950-х годах с компаний Beckman & Whitley и Cordin Company. Beckman & Whitley продавала как вращающиеся зеркальные, так и вращающиеся барабанные камеры, и ввела термин «Dynafax». В середине 1960-х годов компания Cordin купила Beckman & Whitley и с тех пор является единственным поставщиком вращающихся зеркальных камер. Ответвление компании Cordin, Millisecond Cinematography, представило технологию барабанных камер на рынке коммерческой кинематографии.

Рассечение изображения

Большинство конструкций камер для разделения изображения включают тысячи волоконно-оптических волокон, связанных вместе, которые затем разделяются в линию, которая записывается с помощью традиционных средств полосовой камеры (вращающийся барабан, вращающееся зеркало и т. Д.). Разрешение ограничено количеством волокон, и обычно можно использовать всего несколько тысяч волокон.

Растровые камеры

Растровые камеры, которые в литературе часто называют камерами рассечения изображений, основаны на принципе, согласно которому для получения различимого изображения необходимо записать только небольшую часть изображения. Этот принцип чаще всего используется при лентикулярной печати, когда множество изображений помещается на один и тот же материал, а массив цилиндрических линз (или щелей) позволяет одновременно просматривать только одну часть изображения.

Большинство растровых камер используют черную сетку с вытравленными на ней очень тонкими линиями, с сотнями или тысячами прозрачных линий между гораздо более толстыми непрозрачными областями. Если ширина каждой щели составляет 1/10 ширины каждой непрозрачной области, при перемещении растра можно записать 10 изображений на расстоянии между двумя щелями. Этот принцип обеспечивает чрезвычайно высокое временное разрешение, жертвуя некоторым пространственным разрешением (большинство камер имеют только около 60 000 пикселей, разрешение около 250x250 пикселей) со скоростью записи до 1,5 миллиарда кадров в секунду. Растровые технологии были применены к фотоаппаратам, сделанным из преобразователей изображений, для гораздо более высоких скоростей. Растровое изображение часто перемещается через систему вращающегося зеркала, но сам растр также можно перемещать по листу пленки. Эти камеры может быть очень трудно синхронизировать, поскольку они часто имеют ограниченное время записи (менее 200 кадров) и кадры легко перезаписываются.

Растр может быть выполнен из лентикулярных листов, сетки непрозрачных щелей, массивов конической (Selfoc) волоконной оптики и т. Д.

Полосовая фотография

Полосовая фотография (тесно связанная с полосовой фотографией ) использует полосовую камеру для объединения серии по существу одномерных изображений в двухмерное изображение. Термины «полосатая фотография» и «полосатая фотография» часто меняются местами, хотя некоторые авторы проводят различие.

Удалив призму из камеры с поворотной призмой и используя очень узкую щель вместо затвора, можно получать изображения, экспозиция которых, по существу, представляет собой одно измерение пространственной информации, непрерывно записываемой во времени. Таким образом, записи полос представляют собой графическую запись пространства-времени. Полученное изображение позволяет очень точно измерять скорости. Также возможно делать записи полос с использованием технологии вращающегося зеркала на гораздо более высоких скоростях. Для этого также могут использоваться цифровые линейные датчики, а также некоторые двумерные датчики с щелевой маской.

Для проявления взрывчатых веществ изображение линии образца проецировалось на дугу пленки через вращающееся зеркало. Распространение пламени проявлялось в виде наклонного изображения на пленке, по которому измерялась скорость детонации.

Фотография с компенсацией движения (также известная как баллистическая синхронная фотография или фотография с размытием, когда используется для изображения высокоскоростных снарядов) - это форма полосовой фотографии. Когда движение пленки противоположно движению объекта с инвертирующей (положительной) линзой и синхронизировано должным образом, изображения показывают события как функцию времени. Объекты, оставшиеся неподвижными, отображаются в виде полос. Это техника, используемая для фотографирования финишной черты. Ни в коем случае нельзя сделать неподвижную фотографию, которая дублирует результаты фотографии финишной черты, сделанной этим методом. Еще есть фотография в момент, полоса / мазок фотография представляет собой фотографию из времени. При использовании для изображения высокоскоростных снарядов использование щели (как в полосовой фотографии) обеспечивает очень короткое время экспозиции, обеспечивая более высокое разрешение изображения. Использование высокоскоростных снарядов означает, что одно неподвижное изображение обычно создается на одном рулоне кинопленки. По этому изображению может быть определена такая информация, как рыскание или тангаж. Из-за его измерения изменения скорости во времени также будут отображаться боковыми искажениями изображения.

Комбинируя эту технику с дифрагированным волновым фронтом света, как острием ножа, можно делать фотографии фазовых возмущений в однородной среде. Например, можно снимать ударные волны от пуль и других высокоскоростных объектов. См., Например, теневую и шлирен-фотографию .

В декабре 2011 года исследовательская группа Массачусетского технологического института сообщила о комбинированной реализации приложений лазерной (стробоскопической) и линейной камеры для захвата изображений повторяющегося события, которые можно повторно собрать для создания видео с частотой триллион кадров в секунду. Такая скорость получения изображения, которая позволяет захватывать изображения движущихся фотонов, возможна за счет использования полосовой камеры для быстрого сбора каждого поля обзора в узких одиночных полосчатых изображениях. Освещая сцену лазером, который излучает световые импульсы каждые 13 наносекунд, синхронизируясь с полосковой камерой с повторной выборкой и позиционированием, исследователи продемонстрировали сбор одномерных данных, которые могут быть скомпилированы с помощью вычислений в двухмерное видео. Хотя этот подход ограничен разрешением по времени для повторяющихся событий, возможны стационарные приложения, такие как медицинский ультразвук или промышленный анализ материалов.

видео

Разрыв наполненного водой воздушного шара, снятый со скоростью 480 кадров / с

Высокоскоростные фотографии можно рассматривать индивидуально, чтобы следить за развитием деятельности, или их можно быстро отображать последовательно в виде движущейся пленки с замедленным движением.

Ранние видеокамеры, использующие трубки (такие как Vidicon ), страдали от сильного "двоения" из-за того, что скрытое изображение на цели оставалось даже после того, как объект перемещался. Кроме того, когда система сканировала цель, движение сканирования относительно объекта приводило к появлению артефактов, которые скомпрометировали изображение. Мишень в трубках камеры типа Vidicon может быть изготовлена ​​из различных фотопроводящих химикатов, таких как сульфид сурьмы ( Sb 2 S 3 ), оксид свинца (II) ( Pb O ) и другие, обладающие различными свойствами «прилипания» к изображению. Фарнсворт Image Диссектор не страдал от образа «палки» из видиконов типа обладает, и поэтому связанными оптическими преобразователями специального изображения может быть использован для захвата коротких последовательностей кадров при очень высокой скорости.

Механический затвор, изобретенный Пэтом Келлером и его коллегами в Чайна-Лейк в 1979 году ( US 4171529  ), помог заморозить действие и устранить ореолы. Это был механический затвор, похожий на тот, который используется в высокоскоростных пленочных фотоаппаратах - диск с удаленным клином. Открытие было синхронизировано с частотой кадров, а размер отверстия был пропорционален времени интегрирования или затвора. Сделав отверстие очень маленьким, движение можно было остановить.

Несмотря на улучшение качества изображения, эти системы по-прежнему были ограничены 60 кадрами в секунду.

В 1950-х годах появились другие системы на основе трубок Image Converter, которые включали модифицированный усилитель изображения GenI с дополнительными дефлекторными пластинами, которые позволяли преобразовывать фотонное изображение в фотоэлектронный луч. Изображение, находящееся в этом фотоэлектронном состоянии, может включаться и выключаться всего за несколько наносекунд и отклоняться в различные области больших люминофорных экранов диаметром 70 и 90 мм для создания последовательностей до 20+ кадров. В начале 1970-х годов эти камеры достигли скорости до 600 миллионов кадров / с при времени экспозиции 1 нс и более 20 кадров на событие. Поскольку они были аналоговыми устройствами, цифровых ограничений на скорость передачи данных и скорость передачи пикселей не было. Однако разрешение изображения было довольно ограниченным из-за естественного отталкивания электронов и зернистости люминофорного экрана, а также из-за небольшого размера каждого отдельного изображения. Разрешение 10 линий  / мм было типичным. Кроме того, изображения изначально были монохромными, так как информация о длине волны теряется в процессе преобразования фотон-электрон-фотон. Также был довольно крутой компромисс между разрешением и количеством изображений. Все изображения должны попадать на выходной люминофорный экран. Следовательно, последовательность из четырех изображений будет означать, что каждое изображение занимает одну четверть экрана; последовательность из девяти изображений имеет каждое изображение, занимающее одну девятую, и т. д. Изображения проецировались и удерживались на экране люминофора трубки в течение нескольких миллисекунд, достаточно долго, чтобы оптически, а затем оптоволоконно соединить с пленкой для захвата изображения. Камеры этой конструкции были произведены Hadland Photonics Limited и NAC. Было сложно изменить время экспозиции без изменения частоты кадров с более ранними проектами, но в более поздних моделях были добавлены дополнительные пластины с «затвором», позволяющие изменять время экспозиции и скорость кадрирования независимо друг от друга. Ограничивающим фактором этих систем является время, в течение которого изображение может быть перемещено в следующую позицию.

Помимо обрамляющих труб, эти трубы также могут быть сконфигурированы с одним или двумя наборами дефлекторных пластин на одной оси. Поскольку свет преобразовывался в фотоэлектроны, эти фотоэлектроны могли проходить через люминофорный экран с невероятной скоростью развертки, ограничиваемой только электроникой развертки, для создания первых электронных полосовых камер. Без движущихся частей можно было достичь скорости развертки до 10 пикосекунд на мм, что дает техническое временное разрешение в несколько пикосекунд. Еще в 1973–74 годах появились коммерческие стрик-камеры с временным разрешением 3 пикосекунды, что было обусловлено необходимостью оценки сверхкоротких лазерных импульсов, которые разрабатывались в то время. Электронные полосовые камеры все еще используются сегодня с временным разрешением, равным субпикосекундам, и являются единственным верным способом измерения коротких оптических событий в пикосекундной шкале времени.

ПЗС-матрица

Появление ПЗС-матрицы произвело революцию в области высокоскоростной фотографии в 1980-х годах. Смотрел массив конфигурация датчика устранила сканирование артефактов. Точный контроль времени интегрирования заменил использование механического затвора. Однако архитектура CCD ограничивала скорость считывания изображений с сенсора. Большинство этих систем по-прежнему работали со скоростью NTSC (примерно 60 кадров / с), но некоторые, особенно те, что были созданы группой Kodak Spin Physics, работали быстрее и записывались на специально сконструированные кассеты с видеолентой. Группа Kodak MASD разработала первую высокоскоростную цифровую цветную камеру HyG (прочную) под названием RO, которая пришла на смену 16-миллиметровым пленочным фотоаппаратам. Многие новые инновации и методы записи были введены в RO, а дальнейшие улучшения были внесены в HG2000, камеру, которая могла работать со скоростью 1000 кадров / с с датчиком 512 x 384 пикселей в течение 2 секунд. Группа Kodak MASD также представила сверхвысокоскоростную камеру CCD под названием HS4540, которая была разработана и изготовлена ​​Photron в 1991 году и позволяла записывать 4500 кадров / с при разрешении 256 x 256. HS4540 широко использовался компаниями, производящими автомобильные подушки безопасности, для проведения серийных испытаний. что требовало высокой скорости записи для изображения развертывания 30 мс. Roper Industries приобрела это подразделение у Kodak в ноябре 1999 года, и оно было объединено с Redlake (которое также было куплено Roper Industries). С тех пор Redlake был приобретен компанией IDT , которая сегодня является лидером на рынке высокоскоростных камер и продолжает обслуживать рынок автомобильных краш-тестов.

ПЗС-матрица с усиленным стробированием

В начале 1990-х годов были разработаны очень светосильные камеры на основе усилителей изображения с микроканальными пластинами (МКП) . Усилитель MCP аналогичен технологии, используемой для приложений ночного видения. Они основаны на аналогичном фотон-электронно-фотонном преобразовании, что и описанные выше трубки преобразователя изображения, но содержат микроканальную пластину. Этой пластине подается высоковольтный заряд, так что электроны, идущие от входного фотокатода к отверстиям, создают каскадный эффект, тем самым усиливая сигнал изображения. Эти электроны падают на выходной люминофор, создавая излучение фотонов, составляющих результирующее изображение. Устройства можно включать и выключать с пикосекундной шкалой времени. Выход MCP подключается к CCD, обычно с помощью плавленого оптоволоконного конуса, создавая электронную камеру с очень высокой чувствительностью и способной к очень короткому времени экспозиции, хотя также и камеру, которая по своей сути является монохромной из-за того, что информация о длине волны является теряется при преобразовании фотон-электрон-фотон. Новаторская работа в этой области была проделана Полом Хёссом в компании PCO Imaging в Германии.

Последовательность изображений на этих очень высоких скоростях может быть получена путем мультиплексирования камер MCP-CCD за оптическим светоделителем и переключения устройств MCP с помощью электронного управления секвенсором. Эти системы обычно используют от восьми до шестнадцати формирователей изображения MCP-CCD, обеспечивая последовательность кадров со скоростью до 100 миллиардов кадров в секунду. Некоторые системы были построены с построчными ПЗС-матрицами, что позволяет использовать два изображения на канал или последовательность из 32 кадров, хотя и не на самых высоких скоростях (из-за минимального времени межстрочного переноса). Эти типы камер производились Hadland Photonics, а затем DRS Hadland до 2010 года. Компания Specialized Imaging в Великобритании также производит эти камеры, которые обеспечивают скорость до миллиарда кадров в секунду. Однако минимальное время экспозиции составляет 3 наносекунды, что ограничивает эффективную скорость кадрирования до нескольких сотен миллионов кадров в секунду. В 2003 году Stanford Computer Optics представила мультикадровую камеру XXRapidFrame. Он позволяет создавать последовательности изображений до 8 изображений со временем срабатывания затвора до 200 пикосекунд и частотой кадров в несколько миллиардов кадров в секунду.

IS-CCD

Другой подход к захвату изображений с чрезвычайно высокой скоростью - использование ISIS (ПЗС-чипа для хранения данных на месте, например, в камерах Shimadzu HPV-1 и HPV-2. В типичном ПЗС-чипе с построчным переносом каждый пиксель имеет один регистр. Плата) из отдельного пикселя могут быть быстро перенесены в его регистр в микросекундной шкале времени. Эти заряды затем считываются с чипа и сохраняются в последовательном процессе "чтения", который занимает больше времени, чем передача в регистр. Камера Shimadzu предназначена для на основе микросхемы, в которой каждый пиксель имеет 103 регистра. Затем заряд от пикселя может быть передан в эти регистры так, чтобы последовательность изображений сохранялась «на микросхеме», а затем считывалась задолго до завершения интересующего события. Высокая частота кадров поскольку возможен миллиард кадров в секунду, с текущими камерами (Kirana и HPV), достигающими до 10 миллионов кадров в секунду. Камеры ISIS имеют очевидное преимущество перед зеркальными камерами с вращающимся зеркалом, заключающееся в том, что требуется только один фотодетектор, а количество кадров может быть намного больше. Comp Схема синхронизации lex, необходимая для камер с синхронным вращающимся зеркалом, также не требуется с ISIS. Основная проблема с микросхемами хранения на месте - это двоение кадров и низкое пространственное разрешение, но современные устройства, такие как Kirana от Specialized Imaging, частично решили эту проблему. Основное применение этого типа системы визуализации - это система, в которой событие происходит между 50 мкс и 2 мс, например, приложения со шкалой давления Сплит-Хопкинсона , анализ напряжений, газовая пушка , исследования удара цели и DIC (корреляция цифровых изображений) ).

Датчики ISIS достигли скорости более 3,5 мегапикселей в секунду, что в сотни раз лучше, чем у современных высокоскоростных камер считывания.

ПЗС-матрица с вращающимся зеркалом

Технология поворотных зеркальных пленочных камер была адаптирована для использования преимуществ формирования изображений на ПЗС-матрице путем размещения массива ПЗС-камер вокруг вращающегося зеркала вместо пленки. Принципы работы по существу аналогичны принципам работы пленочных камер с вращающимся зеркалом, в том, что изображение передается с линзы объектива на вращающееся зеркало, а затем обратно на каждую камеру CCD, которые, по сути, работают как однокадровые камеры. Скорость кадрирования определяется скоростью зеркала, а не скоростью считывания микросхемы изображения, как в однокристальных системах ПЗС и КМОП. Это означает, что эти камеры обязательно должны работать в режиме серийной съемки, поскольку они могут захватывать столько кадров, сколько имеется устройств CCD (обычно 50–100). Кроме того, они представляют собой гораздо более сложные (и, следовательно, дорогостоящие) системы, чем однокристальные высокоскоростные камеры. Однако в этих системах достигается максимальная комбинация скорости и разрешения, поскольку у них нет компромисса между скоростью и разрешением. Типичная скорость составляет миллионы кадров в секунду, а типичное разрешение составляет от 2 до 8 мегапикселей на изображение. Эти типы камер были представлены компанией Beckman Whitley, а затем приобретены и произведены компанией Cordin.

CMOS

Взрывающаяся дыня, записанная со скоростью 600 кадров в секунду камерой Casio EX-F1 .

Внедрение технологии CMOS- сенсоров снова произвело революцию в высокоскоростной фотографии в 1990-х годах и служит классическим примером революционной технологии . Процесс CMOS, основанный на тех же материалах, что и компьютерная память, был дешевле в изготовлении, чем CCD, и его легче было интегрировать с памятью на кристалле и функциями обработки. Они также предлагают гораздо большую гибкость в определении подмассивов как активных. Это позволяет высокоскоростным CMOS-камерам иметь широкую гибкость в выборе компромисса между скоростью и разрешением. Современные высокоскоростные CMOS-камеры обеспечивают скорость кадрирования в полном разрешении в тысячи кадров в секунду с разрешением в несколько мегапикселей. Но эти же камеры можно легко настроить для захвата изображений с частотой кадров в миллионы кадров в секунду, хотя и со значительно меньшим разрешением. Качество изображения и квантовая эффективность устройств CCD все еще незначительно выше, чем у CMOS.

Первый патент Активного Pixel Sensor (APS), представленный JPL «s Эрик Фоссум , привело к спин-офф от Photobit, который был в конечном счете куплен Micron Technology . Однако сначала Photobit интересовался рынком стандартных видео; Первой высокоскоростной CMOS-системой была HSV 1000 от NAC Image Technology, впервые выпущенная в 1990 году. Vision Research Phantom , Photron , NAC, Mikrotron , IDT и другие высокоскоростные камеры используют в своих камерах датчики изображения CMOS (CIS). Первый CMOS-датчик Vision Research Phantom , используемый в Phantom 4, был разработан в Бельгийском межвузовском центре микроэлектроники (IMEC). Эти системы быстро проникли на рынок высокоскоростных пленочных камер 16 мм, несмотря на разрешение и рекордное время (Phantom 4 имел разрешение 1024 x 1024 пикселей, или 1 мегапиксель , с пропускной способностью 4 с в полнокадровом режиме и 1000 кадров / с. ). IMEC в 2000 году выделила исследовательскую группу под названием FillFactory, которая стала доминирующим игроком в разработке потоковых высокоскоростных датчиков изображения. В 2004 году FillFactory была куплена Cypress Semiconductor и снова продана ON Semiconductor , в то время как ключевые сотрудники продолжили создавать CMOSIS в 2007 году, а Caeleste - в 2006. Photobit в конечном итоге представил 1,3- мегапиксельный сенсор со скоростью 500 кадров / с , настоящую камеру на кристалле. Устройство можно найти во многих недорогих высокоскоростных системах.

Впоследствии на рынке высокоскоростного цифрового видео конкурируют несколько производителей камер, включая iX-Cameras, AOS Technologies, Fastec Imaging, Mega Speed ​​Corp, NAC, Olympus, Photron , Mikrotron , Redlake, Vision Research, Slow Motion Camera Company и IDT , с сенсорами, разработанными Photobit, Cypress, CMOSIS и собственными дизайнерами. В дополнение к этим научным и инженерным типам камер, целая отрасль была построена вокруг промышленных систем машинного зрения и требований. Основное применение было для высокоскоростного производства. Система обычно состоит из камеры, устройства захвата кадров , процессора, а также систем связи и записи для документирования или управления производственным процессом.

Инфракрасный

Высокоскоростная инфракрасная фотография стала возможной с появлением Amber Radiance, а затем Indigo Phoenix. Amber была куплена Raytheon , команда дизайнеров Amber покинула компанию и сформировала Indigo, а Indigo теперь принадлежит FLIR Systems . Telops, Xenics, Santa Barbara Focal Plane, CEDIP и Electrophysics также представили высокоскоростные инфракрасные системы.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Edgerton, Harold E .; Киллиан, Джеймс Р. (1939). Вспышка !: Увидеть невидимое с помощью сверхскоростной фотографии . ASIN B00085INJ.
  • Эдгертон, Гарольд Э. (1987). Электронная вспышка, стробоскоп (3-е изд.). Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 0-262-55014-8.
  • Миллс, Мара (2014), «(Сверхскоростная) фотографическая инженерия». , Поток 19
  • Пендли, Гил (июль 2003 г.). Клод Кавайлер; Грэм П. Хэддлтон; Манфред Хугеншмидт (ред.). «Технология высокоскоростной визуализации; вчера, сегодня и завтра». Труды SPIE . 25-й Международный конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике. 4948 : 110–113. Bibcode : 2003SPIE.4948..110P . DOI : 10.1117 / 12.516992 . S2CID  108691587 .
  • Рэй, SF (1997). Скоростная фотография и фотоника . Оксфорд, Великобритания: Focal Press.
  • Settles, GS (2001). Шлирен и методы теневого графа: визуализация явлений в прозрачных средах . Берлин: Springer-Verlag. ISBN 3-540-66155-7.

Примечания

  • В документальном фильме «Движущийся неподвижный» (трансляция в 1980 году по каналам PBS Nova и BBS Horizon) есть кадры этих процессов вплоть до современной твердотельной эпохи.

внешние ссылки