Скоростная фотография - High-speed photography

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

Скоростная фотография это наука о фотографировании очень быстрых явлений. В 1948 г. Общество инженеров кино и телевидения (SMPTE) определила высокоскоростную фотографию как любой набор фотографий, снятых камерой со скоростью 69 кадров в секунду или больше и по крайней мере из трех последовательных кадров.[нужна цитата ]. Скоростная фотография может считаться противоположностью покадровая фотография.

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 Размытость. 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, взаимность поломка, и Пространственное разрешение.

Ранние приложения и разработка

Ядерный взрыв сфотографировал рапатронная камера менее 1 миллисекунды после детонации. Огненный шар имеет диаметр около 20 метров. Шипы в нижней части огненного шара возникают из-за того, что известно как эффект трюка с веревкой.

Первое практическое применение скоростной фотографии было Эдверд Мейбридж расследование 1878 года о том, действительно ли ноги лошадей оторвались от земли сразу во время галопом. Первая фотография сверхзвуковой летящей пули была сделана австрийским физиком Петером Сальхером в Риека в 1886 году техника, которая позже была использована Эрнст Мах в своих исследованиях сверхзвукового движения.[1] Немецкие ученые-оружейники применили эту технику в 1916 г.[2] Японский институт аэронавигационных исследований в 1931 году изготовил камеру, способную записывать 60 000 кадров в секунду.[3]

Bell Telephone Laboratories был одним из первых заказчиков камеры, разработанной Eastman Kodak в начале 1930-х гг.[4] Белл использовал систему, длина которой составляла 16 мм. фильм при скорости 1000 кадров / с и грузоподъемности 100 футов (30 м), чтобы изучить эстафета отказов. Когда Kodak отказалась от разработки более высокоскоростной версии, Bell Labs разработала ее самостоятельно, назвав Fastax. Fastax был способен передавать 5000 кадров в секунду. Белл в конце концов продал дизайн камеры Western Electric, который, в свою очередь, продал его Волленсак Оптическая Компания. 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.[5] Photo-Sonics разработала несколько моделей камеры с вращающейся призмой, способной снимать 35- и 70-миллиметровую пленку в 1960-х годах. Компания Visible Solutions представила 16-мм 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 Манхэттенский проект, когда Берлин Брикснер, фотограф, работавший над этим 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? ] это было источником активного спора между инженерами по взрывчатым веществам и теоретиками физики.

В 1957 году компания D. B. Milliken разработала 16-миллиметровую камеру прерывистого действия с фиксированной фиксацией для скорости 400 кадров / с.[5] Митчелл, Redlake Laboratories и Photo-Sonics в конечном итоге последовали в 1960-х годах с множеством 16, 35 и 70-миллиметровых камер прерывистого действия.

Стробоскопия и лазерные приложения

Гарольд Эдгертон обычно приписывают новаторское использование стробоскоп чтобы заморозить быстрое движение.[6][7] В конце концов он помог найти ЯЙЦО, в котором использовались некоторые методы Эдгертона для фиксации физики взрывов, необходимых для детонации ядерного оружия. Одним из таких устройств был ЯЙЦО Микрофлэш 549,[8] который является воздушный зазор. Также см. Фотографию взрыва с использованием Rapatronic камера.

Фотография стрельбы Smith & Wesson, сделанная с воздушный зазор. 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 остановить высокоскоростное движение. Последние достижения включают использование Генерация высоких гармоник для захвата изображений молекулярной динамики вплоть до масштаба аттосекунда (10−18 с).[9][10]

Высокоскоростные пленочные камеры

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

Под высокоскоростной камерой понимается способность снимать видео со скоростью, превышающей 250 кадров в секунду.[11]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, использующие 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 с непрерывным или синхронным доступом в зависимости от конструкции.[12]
  • Камеры рассечения изображений, которые могут использовать систему вращающихся зеркал, 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, зеркальные камеры - с миллионами кадров в секунду, растровые камеры - с миллионами кадров в секунду, а изображения камеры рассечения способны делать миллиарды кадров в секунду.

По мере совершенствования пленочного и механического транспорта для научных исследований стала доступна высокоскоростная пленочная камера. Kodak в конечном итоге перешла на использование пленки с ацетатной основы на Estar (название Kodak для Майлар -эквивалентный пластик), что повысило прочность и позволило быстрее тянуть. 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 обрезать и положить в магазины для облегчения загрузки. Магазин длиной 1200 футов (370 м) обычно является самым длинным из имеющихся для 35- и 70-мм камер. Магазин длиной 400 футов (120 м) типичен для 16-мм фотоаппаратов, хотя доступны магазины длиной 1000 футов (300 м). Обычно в камерах с поворотной призмой используется загрузка пленки 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. Список ANSI форматы и размеры доступны.[13][14]

Большинство камер используют импульсные метки синхронизации 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 фильм ворота 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. Вытягивание когтей, которые входят в пленку через перфорацию, вытягивают ее на место, а затем втягивают из перфораций и из затвора пленки, умножаются, чтобы захватить пленку через несколько перфораций в пленке, тем самым уменьшая напряжение, которому подвергается любая отдельная перфорация. Пины регистрации, которые закрепляют пленку через перфорацию в конечном положении, пока она обнажается, после того, как вытягивающие выступы втянуты, также множатся и часто изготавливаются из экзотических материалов. В некоторых случаях вакуум всасывание используется для удержания пленки, особенно пленки 35 мм и 70 мм, плоской, чтобы изображения были в фокусе по всему кадру.

  • Регистр штифта 16 мм: D. B. Milliken Locam, скорость 500 кадров / с; дизайн в конечном итоге был продан Redlake. Компания Photo-Sonics построила 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 Премия Оскар за технические достижения для 4ER в 1988 году.[15] 4E поддерживает скорость 360 кадров в секунду.
  • Регистр штифта 70 мм: Камеры включают модель, изготовленную Hulcher, а также камеры Photo-Sonics 10A и 10R со скоростью 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 имеют кубическую или четырехстороннюю форму 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 обеспечивать до 18 000 кадров в секунду с 8-сторонней призмой.
  • 35-миллиметровая поворотная призма - камеры Photo-Sonics 4C способны передавать 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 фотодетектора. 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. Поворотные зеркальные камеры способны передавать до 25 миллионов кадров в секунду,[16] с типичной скоростью в миллионы кадров в секунду.


Вращающаяся барабанная камера работает, удерживая полосу пленки в виде петли на внутренней дорожке вращающегося барабана.[17] 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, поскольку 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 обеспечивать 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 фотоаппаратов с вращающимся зеркалом двойная экспозиция может происходить, если система не контролируется 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 внешних шторках.

В последнее время технология поворотных зеркальных камер была применена для создания электронных изображений,[18] где вместо пленки массив одиночных кадров CCD или же CMOS камеры расположены вокруг вращающегося зеркала. Эта адаптация обеспечивает все преимущества электронной визуализации в сочетании со скоростью и разрешением вращающегося зеркала. Возможна скорость до 25 миллионов кадров в секунду,[16] с типичной скоростью в миллионы кадров в секунду.

Коммерческая доступность обоих типов поворотных зеркальных камер началась в 1950-х годах с Beckman & Whitley,[17] и компания Кордин. Компания Beckman & Whitley продавала как вращающиеся зеркальные камеры, так и вращающиеся барабанные камеры, и ввела термин «Dynafax». В середине 1960-х годов компания Cordin купила компанию 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 изображений 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 размещается на одном и том же материале, а массив цилиндрических линз (или щелей) позволяет просматривать только одну часть изображения за раз.

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, то 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 полосатая фотография ) использует полоса камеры объединить серию по существу одномерных изображений в двухмерное изображение. Термины «полосатая фотография» и «полосатая фотография» часто меняются местами, хотя некоторые авторы проводят различие.[19]

Удалив призму из камеры с поворотной призмой и используя очень узкую щель вместо затвора, можно получать изображения, экспозиция которых по существу является одним измерением 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 помощью 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 ВВ изображение линии образца проецировалось на дугу пленки через вращающееся зеркало. Распространение пламени проявлялось в виде наклонного изображения на пленке, по которому измерялась скорость детонации.[20]

Фотография с компенсацией движения (также известная как баллистическая синхронная фотография или фотография со смазанным пятном, когда используется для изображения высокоскоростных снарядов) - это форма полосовой фотографии. Когда движение пленки противоположно движению объекта с инвертирующим (положительным) объективом и синхронизировано надлежащим образом, изображения показывают события как функцию времени. Объекты, оставшиеся неподвижными, отображаются в виде полос. Это техника, используемая для фотографий финиша. Ни в коем случае нельзя сделать неподвижную фотографию, которая дублирует результаты фотографии финишной черты, сделанной этим методом. Еще это фотография в время, полоса / размытая фотография - это фотография из время. 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. Из этого изображения может быть определена такая информация, как рыскание или тангаж. Из-за его измерения изменения скорости во времени также будут показаны боковые искажения 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, теневой график и шлирен фотография.

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 могут быть повторно собраны для создания видео с триллионами кадров в секунду. Эта скорость получения изображения, которая позволяет захватывать изображения движущихся фотонов.[сомнительный – обсуждать], возможно за счет использования полосовой камеры для быстрого сбора каждого поля обзора в узких одиночных полосчатых изображениях. Освещая сцену лазером, излучающим световые импульсы каждые 13 наносекунд, синхронизированным с полосой камеры 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 повторяемых событий, возможны стационарные приложения, такие как медицинский ультразвук или промышленный анализ материалов.[21]

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 с использованием трубы (такой как Видикон ) страдал от сильного "ореола" из-за того, что скрытое изображение на объекте оставалось даже после того, как объект переместился. Кроме того, когда система сканировала цель, движение сканирования относительно объекта приводило к появлению артефактов, искажающих изображение. Мишень в трубках камеры типа Vidicon может быть сделана из различных светопроводящих химикатов, таких как сульфид сурьмы (Sb2S3), оксид свинца (II) (PbО) и другие с различными свойствами «стик» изображения. В Фарнсворт Диссектор изображений не страдают от "застревания" изображения, как у Vidicons, и поэтому для захвата коротких последовательностей кадров с очень высокой скоростью можно использовать соответствующие специальные преобразователи изображений.[нужна цитата ]

Механический затвор, изобретенный Пэт Келлер, et al., at Китайское озеро в 1979 г. (США 4171529 ), помог заморозить действие и устранить двоение изображения. Это был механический затвор, подобный тому, 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 все еще 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 отражающими 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 весьма ограниченным из-за естественного отталкивания электронов и зернистости люминофорного экрана, а также из-за небольшого размера каждого отдельного изображения. Разрешения 10lp / мм были типичными. Кроме того, изображения по своей сути были монохромными, поскольку информация о длине волны теряется в процессе преобразования фотон-электрон-фотон. Также существовал довольно резкий 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 люминофорном экране 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. Ограничивающим фактором этих систем является время, в течение которого изображение может быть перемещено в следующую позицию.

В дополнение к каркасным трубам эти трубы также могут быть сконфигурированы с одним или двумя наборами дефлекторных пластин на одной оси. Поскольку свет преобразовывался в фотоэлектроны, эти фотоэлектроны можно было перемещать по люминофорному экрану 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 существовали 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.

CCD

Введение CCD произвела революцию в высокоскоростной фотографии в 1980-х годах. В пристальный массив конфигурация сенсора исключила артефакты сканирования. Точный контроль времени интегрирования заменил использование механического затвора. Однако архитектура CCD ограничивала скорость считывания изображений с сенсора. Большинство этих систем все еще работали на NTSC скорости (примерно 60 кадров / с), но некоторые, особенно созданные группой Kodak Spin Physics, работали быстрее и записывались на специально сконструированные кассеты с видеокассетами. Группа Kodak MASD разработала первую высокоскоростную цифровую цветную камеру HyG (прочную) под названием RO, которая пришла на смену 16-миллиметровым пленочным фотоаппаратам.[22] В RO было введено много новых инноваций и методов записи, а в HG2000 были внесены дальнейшие усовершенствования - камера, которая могла работать со скоростью 1000 кадров / с с разрешением 512 x 384 пиксель датчик на 2 секунды. Группа Kodak MASD также представила сверхвысокоскоростную камеру CCD под названием HS4540, которая была разработана и изготовлена ​​Photron в 1991 году.[23] Это позволило записать 4500 кадров / с при разрешении 256 x 256. HS4540 широко использовался компаниями, производящими автомобильные подушки безопасности, для проведения испытаний партий, которые требовали высокой скорости записи для изображения развертывания 30 мс. Roper Industries приобрела это подразделение у Kodak в ноябре 1999 года и было объединено с Redlake (которое также было куплено Roper Industries). Redlake с тех пор был куплен 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 очень быстрые камеры на основе микроканальных пластин (MCP). усилители изображения были разработаны. Усилитель MCP - это аналогичная технология, используемая для приложений ночного видения. Они основаны на аналогичном фотон-электрон-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 камеру, которая по своей сути является монохромной из-за того, что информация о длине волны 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.В этих системах обычно используется от восьми до шестнадцати формирователей изображения MCP-CCD, что позволяет получать 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). Камеры такого типа 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 компания Stanford Computer Optics представила мультикадровую камеру XXRapidFrame. Он позволяет создавать последовательности изображений до 8 изображений с выдержкой до 200 пикосекунды с частотой кадров несколько миллиардов кадров в секунду.[24]

IS-CCD

Другой подход к захвату изображений с чрезвычайно высокой скоростью - использование ISIS (ПЗС-микросхемы хранения на месте, например Шимадзу ВПЧ-1 и ВПЧ-2[25] камеры.[26] В типичном ПЗС-кристалле с построчным переносом каждый пиксель имеет единственный регистр. Заряд от отдельного пикселя может быть быстро перенесен в его регистр в микросекундной шкале времени. Эти заряды затем считываются из микросхемы и сохраняются в последовательном процессе «чтения», который занимает больше времени, чем передача в регистр. Камера Shimadzu основана на чипе, в котором каждый пиксель имеет 103 регистра. Затем заряд пикселя может быть передан в эти регистры, так что последовательность изображений сохраняется «на кристалле» и затем считывается задолго до того, как интересующее событие закончилось. Возможна частота кадров до миллиарда кадров в секунду, а современные камеры (Kirana и HPV) достигают 10 миллионов кадров в секунду. Камеры ISIS имеют очевидное преимущество перед камерами с вращающимся зеркалом: нужен только один фотодетектор, а количество кадров может быть намного больше. С ISIS не требуется сложная схема синхронизации, необходимая для камер с синхронным вращающимся зеркалом. 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. В основном этот тип системы визуализации используется там, где событие происходит между 50 мкс и 2 мс, например, в приложениях с Бар давления Сплит-Хопкинсона, стресс-анализ, газовая пушка, целевые исследования воздействия 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.

Вращающееся зеркало CCD

Технология поворотной зеркальной пленочной камеры была адаптирована для использования ПЗС-изображений.[27] помещая массив CCD-камер вокруг вращающегося зеркала вместо пленки. Принципы работы в основном аналогичны принципам работы пленочных камер с вращающимся зеркалом, поскольку изображение передается с 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, так как они могут захватывать столько кадров, сколько имеется устройств CCD (обычно 50–100). Кроме того, они представляют собой гораздо более сложные (и, следовательно, дорогие) 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 - 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 с Casio EX-F1 камера.

Вступление к CMOS сенсорная технология снова произвела революцию в высокоскоростной фотографии в 1990-х годах и служит классическим примером прорывные 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 при определении подмассивов как активных. Это позволяет высокоскоростным КМОП-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 в миллионы кадров в секунду, хотя и со значительно меньшим разрешением. Качество изображения и квантовая эффективность устройств CCD по-прежнему незначительно выше, чем у CMOS.

Первый патент на активный пиксельный датчик (APS), представленный JPL с Эрик Фоссум, привело к Дополнительная выгода компании Photobit, которую в итоге купил Микронная технология. Однако сначала Photobit интересовался рынком стандартного видео; Первой высокоскоростной КМОП-системой была HSV 1000 от NAC Image Technology, впервые выпущенная в 1990 году. Призрак исследования зрения, Фотрон, НАК, Микротрон, IDT, и другие Скоростная камера использует в своих камерах датчики изображения CMOS (CIS). Призрак исследования зрения Первый датчик CMOS, используемый в Phantom 4, был разработан в Бельгии. Межвузовский центр 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 производительностью 4 с при полном кадре и 1000 кадров / с). IMEC в 2000 году выделила исследовательскую группу как FillFactory которая стала доминирующим игроком в разработке высокоскоростных датчиков потокового изображения. FillFactory была куплена в 2004 г. Cypress Semiconductor и снова продан ON Semiconductor, а ключевые сотрудники создали CMOSIS в 2007 году и Caeleste в 2006 году. Photobit в конечном итоге представил скорость 500 кадров / с 1.3 мегапиксель сенсор, настоящее устройство «камера на кристалле», которое можно найти во многих высокоскоростных системах низкого уровня.

Впоследствии несколько производителей камер конкурируют на рынке высокоскоростного цифрового видео, включая iX-Cameras, AOS Technologies, Fastec Imaging, Mega Speed ​​Corp, NAC, Olympus, Фотрон, Микротрон, 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, Фрейм-граббер, процессор, а также системы связи и записи для документирования или управления производственным процессом.

Инфракрасный

Высокоскоростная инфракрасная фотосъемка стала возможной с появлением Amber Radiance, а затем Indigo Phoenix. Янтарь был куплен Raytheon, команда дизайнеров Amber ушла и сформировала Indigo, и теперь Indigo принадлежит FLIR Systems. Telops, Xenics, Santa Barbara Focal Plane, CEDIP и Electrophysics также представили высокоскоростные инфракрасные системы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Петер Зальчер и Эрнст Мах, Schlierenfotografie von Überschall-Projektilen, В. Герхард Поль, Университет Вены, PLUS LUCIS 2/2002 - 1/2003 ISSN 1606-3015 (на немецком языке)«Архивная копия» (PDF). В архиве (PDF) из оригинала от 6 января 2012 г.. Получено 1 мая 2011.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  2. ^ The Quarterly of Film, Radio and Television vol 6 no 3, Spring 1952 p235 https://www.jstor.org/pss/1209846
  3. ^ Ежемесячный научно-популярный журнал (Том 119, № 2 изд.). Bonnier Corporation. Август 1931 г. с. 24. ISSN  0161-7370. Получено 18 декабря 2019.
  4. ^ Kodak High-Speed ​​Camera Type III, сентябрь 1944 г. «Архивная копия». В архиве из оригинала от 4 июля 2010 г.. Получено 3 ноября 2009.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь), Eastman Kodak Co .. Проверено 2 ноября 2009 г.
  5. ^ а б Пендли, Гил (июль 2003 г.). Клод Кавайлер, Грэм П. Хаддлтон, Манфред Хугеншмидт. изд. «Технология высокоскоростной визуализации; вчера, сегодня и завтра». Труды SPIE 4948: 110–113.
  6. ^ ГАРОЛЬД Э. «ДОК» ЭДГЕРТОН (1903–1990): Высокоскоростная стробоскопическая фотография, «Архивная копия». В архиве из оригинала 5 августа 2011 г.. Получено 19 июля 2011.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь). Проверено 22 августа 2009 года.
  7. ^ «Скоростная камера« Гарольд »Док« Эдгертон ». 28 ноября 2009 г. В архиве из оригинала 7 февраля 2010 г.. Получено 28 ноября 2009.
  8. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал 13 апреля 2012 г.. Получено 30 мая 2012.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  9. ^ Молекулы в кино, «Архивная копия». В архиве из оригинала 16 октября 2008 г.. Получено 9 октября 2009.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь). Проверено 9 октября 2009 года.
  10. ^ Аттосекундная технология, «Архивная копия». В архиве из оригинала 18 июня 2009 г.. Получено 9 октября 2009.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь). Проверено 9 октября 2009 года.
  11. ^ Журнал Общества инженеров киноискусства: высокоскоростная фотография, предисловие, стр. 5, март 1949 г.
  12. ^ The Wisconsin Engineer Vol 63 No. 2 Nov 1958 pp 22-25 Фотографирование высокоскоростного движения, Джордж Лассанске, «Архивная копия». В архиве из оригинала от 4 июня 2011 г.. Получено 10 ноября 2009.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  13. ^ ANSI / SMPTE 139–1996. СТАНДАРТ SMPTE для кинофильмов (35 мм) - KS перфорированный. Общество инженеров кино и телевидения. Уайт-Плейнс, штат Нью-Йорк.
  14. ^ ANSI / SMPTE 102-1997. СТАНДАРТ SMPTE для кинофильмов (35 мм) - CS-1870 с перфорацией. Общество инженеров кино и телевидения. Уайт-Плейнс, штат Нью-Йорк.
  15. ^ «Архивная копия». В архиве из оригинала 23 января 2009 г.. Получено 22 августа 2009.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь) (по состоянию на 21 августа 2009 г.)
  16. ^ а б Кордин (PDF) http://www.cordin.com/pdfs/Cordin510.pdf. В архиве (PDF) из оригинала от 26 июля 2015 г. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  17. ^ а б «Измерение скорости пули с помощью камеры Dynafax». В архиве из оригинала 25 февраля 2016 г.
  18. ^ «ПЗС-матрицы превосходят пленку в камерах с вращающимся зеркалом». photonics.co. В архиве из оригинала 7 октября 2016 г.
  19. ^ Дэвидхази, Эндрю; Петерсен, Фред (2007). Перес, Майкл Р. (ред.). Центральная энциклопедия фотографии: цифровые изображения, теория и приложения, история и наука (4-е изд.). Elsevier / Focal Press. п. 617.
  20. ^ Прикладная химия: учебник для инженеров и технологов, Хайман Д. Гессер, с.274 https://books.google.com/books?id=TXanxVprOPMC&pg=PA274&lpg=PA274&dq#v=onepage&q=&f=false
  21. ^ Хардести, Ларри. "Видео с триллионами кадров в секунду". В архиве из оригинала от 6 марта 2014 г.
  22. ^ «Замена 16-мм пленочных фотоаппаратов цифровыми фотоаппаратами высокой четкости» (PDF). motionvideoproducts.com. В архиве (PDF) из оригинала 11 сентября 2016 г.. Получено 5 мая 2018.
  23. ^ «КЛЮЧЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ HS 4540» (PDF). motionvideoproducts.com. В архиве (PDF) из оригинала 11 сентября 2016 г.. Получено 5 мая 2018.
  24. ^ Камера XXRapidFrame номинирована на премию Photonic Prism Awards 2014. «Архивная копия». В архиве из оригинала 9 декабря 2013 г.. Получено 10 декабря 2013.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  25. ^ «HyperVision HPV-2». Шимадзу. Архивировано из оригинал 19 апреля 2014 г.. Получено 17 апреля 2014.
  26. ^ . Hadland Imaging http://www.hadlandimaging.com/. В архиве из оригинала от 19 апреля 2014 г. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  27. ^ «ПЗС-матрицы превосходят пленку в камерах с вращающимся зеркалом». Фотоника. В архиве из оригинала 7 октября 2016 г.

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) фотоинженерия»., 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. Дои:10.1117/12.516992. S2CID  108691587.
  • Рэй, С. Ф. (1997). Скоростная фотография и фотоника. Оксфорд, Великобритания: Focal Press.
  • Сеттлс, Г. С. (2001). Методы шлирена и теневого графа: визуализация явлений в прозрачных средах. Берлин: Springer-Verlag. ISBN  3-540-66155-7.

Примечания

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

внешняя ссылка