Высокоскоростная фотография

Мейбриджа , впервые опубликованная в 1878 году. Серия фотографий скачущей скаковой лошади

Скоростная 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 выше и состоящей как минимум из трех последовательных кадров. Высокоскоростную фотографию можно считать противоположностью покадровой фотографии .

В обычном использовании высокоскоростная фотография может относиться к одному или обоим из следующих значений. Во-первых, сама фотография может быть сделана таким образом, чтобы казалось, что движение заморожено, особенно для уменьшения размытости при движении . Во-вторых, серия фотографий может быть сделана с высокой частотой дискретизации или частотой кадров. Для первого требуется датчик с хорошей чувствительностью и либо очень хорошая система затвора, либо очень быстрый стробоскоп. Второй требует некоторых средств захвата последовательных кадров либо с помощью механического устройства, либо путем очень быстрого перемещения данных с электронных датчиков.

Другими факторами, которые следует учитывать при работе с высокоскоростными фотографами, являются длина записи, нарушение взаимности и пространственное разрешение .

Ранние приложения и разработки

Ядерный взрыв, сфотографированный рапатронной камерой менее чем через 1 миллисекунду после детонации. 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 стало исследование Эдварда Мейбриджа в 1878 году о том, действительно ли все ноги лошади отрываются от земли одновременно во время галопа . Первая фотография сверхзвуковой летящей пули была сделана австрийским физиком Петером Зальхером в Риеке в 1886 году. Этот метод позже использовал Эрнст Мах в своих исследованиях сверхзвукового движения. Немецкие ученые-оружейники применили эти методы в 1916 году. и Японский институт аэронавтических исследований в 1931 году изготовил камеру, способную записывать 60 000 кадров в секунду.

Bell Telephone Laboratories была одним из первых заказчиков фотоаппарата, разработанного Eastman Kodak в начале 1930-х годов. Белл использовал систему, которая пропускала 16-миллиметровую пленку со скоростью 1000 кадров в секунду и имела грузоподъемность 100 футов (30 м), для изучения отражения реле . Когда компания Kodak отказалась разрабатывать более высокоскоростную версию, Bell Labs разработала ее самостоятельно, назвав ее Fastax. Fastax имел скорость 5000 кадров в секунду. В конечном итоге Белл продал конструкцию камеры компании Western Electric , которая, в свою очередь, продала ее компании Wollensak Optical Company . Волленсак усовершенствовал конструкцию и достиг скорости 10 000 кадров в секунду. В начале 1960-х годов компания Redlake Laboratories представила еще одну камеру с вращающейся призмой диаметром 16 мм — Hycam. В 1960-х годах компания Photo-Sonics разработала несколько моделей фотоаппаратов с вращающейся призмой, способных снимать пленку шириной 35 и 70 мм. 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 снимать один миллион кадров в секунду. Первое практическое применение этой идеи произошло во время Манхэттенского проекта , когда Берлин Брикснер, фотограф-техник проекта, построил первую известную полнофункциональную камеру с вращающимся зеркалом. Эта камера использовалась для фотографирования ранних прототипов первой ядерной бомбы и решила ключевую техническую проблему, связанную с формой и скоростью взрыва. это стало источником активного спора между инженерами-взрывотехниками и физиками-теоретиками.

В 1957 году компания DB Milliken разработала 16-мм камеру прерывистого действия с игольной регистрацией и скоростью 400 кадров/с. В конце концов, в 1960-х годах Mitchell , Redlake Laboratories и Photo-Sonics выпустили множество камер прерывистого действия с фокусным расстоянием 16, 35 и 70 мм.

Стробоскопия и лазерные применения

Гарольду Эдгертону обычно приписывают новаторское использование стробоскопа для фиксации быстрого движения. В конце концов он помог основать компанию 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. это вспышка с воздушным зазором . Также смотрите фотографию взрыва с помощью камеры Rapatronic .

Фотография стрельбы из «Смит-Вессона», сделанная со вспышкой с воздушным зазором . Фотография была сделана в затемненной комнате, с открытым затвором камеры, а вспышка срабатывала по звуку выстрела с помощью микрофона.

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

Высокоскоростные пленочные фотоаппараты

Основная статья: Высокоскоростная камера

5-миллисекундный снимок кофе, выдутого из соломинки.

Капля ловится стробоскопом после отскока вверх.

Вытяжной вентилятор на этой фотографии вращался на полной скорости, когда фотография была сделана.

Высокоскоростная камера определяется как способная снимать видео со скоростью более 250 кадров в секунду. Существует много различных типов высокоскоростных пленочных камер, но в основном все их можно сгруппировать в пять разных 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 объективом.
• Камеры с вращающейся призмой, которые непрерывно пропускают пленку мимо точки экспонирования и используют вращающуюся призму между объективом и пленкой, чтобы придать изображению движение, соответствующее движению пленки, тем самым компенсируя 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.
• Камеры разделения изображений, в которых может использоваться система вращающихся зеркал, и
• Растровые камеры, записывающие «разрезанную» версию изображения.

Камеры прерывистого движения способны снимать сотни кадров в секунду, камеры с вращающейся призмой — от тысяч до миллионов кадров в секунду, камеры с вращающимся зеркалом — миллионы кадров в секунду, растровые камеры — миллионы кадров в секунду и Камеры для вскрытия способны снимать миллиарды кадров в секунду.

По мере совершенствования пленки и механического транспорта для научных исследований стала доступна высокоскоростная пленочная камера. В конечном итоге компания Kodak сменила свою пленку с ацетатной основы на Estar (название Kodak пластика, эквивалентного майлару ), что повысило прочность и позволило ее быстрее тянуть. Estar также был более стабилен, чем ацетат, что позволяло проводить более точные измерения, и не было так подвержено возгоранию.

Каждый тип пленки доступен во многих размерах загрузки. Их можно разрезать и поместить в магазины для облегчения загрузки. Магазин длиной 1200 футов (370 м) обычно является самым длинным из доступных для камер 35 мм и 70 мм. Магазин длиной 400 футов (120 м) типичен для 16-мм камер, хотя доступны магазины длиной 1000 футов (300 м). Обычно камеры с вращающейся призмой используют пленку длиной 100 футов (30 м). Изображения на высокоскоростной пленке 35 мм обычно более прямоугольные, с длинной стороной между отверстиями звездочек, а не параллельно краям, как в стандартной фотографии. Изображения размером 16 мм и 70 мм обычно более квадратные, чем прямоугольные. список форматов и размеров ANSI . Доступен

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

Прерывистый контактный регистр

Как и в стандартной кинокамере, камера с прерывистой регистрацией фактически останавливает пленку в затворе пленки во время съемки. В высокоскоростной фотографии это требует некоторых модификаций механизма достижения прерывистого движения на таких высоких скоростях. Во всех случаях до и после ворот образуется петля, которая создает и затем устраняет слабину. Вытягивающие захваты, которые входят в пленку через перфорацию, втягивают ее на место, а затем вытягивают из перфораций и затвора пленки, умножаются, чтобы захватывать пленку через несколько перфораций в пленке, тем самым уменьшая напряжение, которое возникает при каждой отдельной перфорации. подвергается. Регистрирующие штифты, которые закрепляют пленку через перфорацию в конечном положении во время экспонирования после втягивания прижимных захватов, также умножены и часто изготавливаются из экзотических материалов. В некоторых случаях используется вакуумный отсос , чтобы пленка, особенно пленка шириной 35 мм и 70 мм, оставалась плоской, чтобы изображения были в фокусе по всему кадру.

• Штыревой регистр 16 мм: DB Milliken Locam, скорость 500 кадров/с; в конечном итоге дизайн был продан Redlake. Компания Photo-Sonics создала 16-миллиметровую камеру с контактной регистрацией, способную снимать 1000 кадров в секунду, но в конечном итоге удалила ее с рынка.
• Штыревой регистр 35 мм: ранние камеры включали Mitchell 35 мм. Photo-Sonics получила премию Оскар за технические достижения за 4ER в 1988 году. 4E способен снимать со скоростью 360 кадров/с.
• Контактный регистр 70 мм: камеры включают модель производства Hulcher , а также камеры Photo-Sonics 10A и 10R со скоростью 125 кадров/с.

Поворотная призма

Камера с вращающейся призмой обеспечивала более высокую частоту кадров без особой нагрузки на пленку или механизм транспортировки. Пленка непрерывно движется мимо вращающейся призмы, которая синхронизирована с основной звездочкой пленки, так что скорость пленки и скорость призмы всегда имеют одинаковую пропорциональную скорость. Призма расположена между объективом и пленкой, так что вращение призмы «рисует» на пленке кадр для каждой грани призмы. Призмы обычно имеют кубическую или четырехстороннюю форму для полнокадровой экспозиции. Поскольку экспозиция происходит при вращении призмы, изображения в верхней или нижней части кадра, где призма существенно смещена от оси, страдают от значительных аберраций. Затвор может улучшить результаты, более плотно стробируя экспозицию вокруг точки, где грани призмы почти параллельны.

• Поворотная призма 16 мм — камеры Redlake Hycam способны снимать 11 000 кадров/с с полнокадровой призмой (4 грани), 22 000 кадров/с с полукадровым комплектом и 44 000 кадров/с с четвертькадровым комплектом. Компания Visible Solutions также производит Photec IV. В качестве более надежного решения компания Weinberger разработала Stalex 1B, который производит кадр со скоростью до 3000 полных кадров в секунду и имеет возможность установки на борт для проведения краш-тестов автомобилей. Камеры Fastax могут снимать до 18 000 кадров в секунду с помощью 8-сторонней призмы.
• Поворотная призма 35 мм. Камеры Photo-Sonics 4C способны снимать 2500 кадров/с с полнокадровой призмой (4 грани), 4000 кадров/с с полукадровым комплектом и 8000 кадров/с с четвертькадровым комплектом.
• Поворотная призма 70 мм. Камеры Photo-Sonics 10B способны снимать 360 кадров/с с полнокадровой призмой (4 грани) и 720 кадров/с с полукадровым комплектом.

Вращающееся зеркало

Камеры с вращающимся зеркалом можно разделить на две подкатегории; камеры с чистым вращающимся зеркалом и вращающимся барабаном или камеры Dynafax.

В камерах с чисто вращающимся зеркалом пленка удерживается неподвижно по дуге, центрированной вокруг вращающегося зеркала. Основная конструкция камеры с вращающимся зеркалом состоит из четырех частей; объектив основного объектива, полевая линза, линзы компенсации изображения и вращающееся зеркало для последовательной экспонирования кадров. Изображение исследуемого объекта формируется в области вращающегося зеркала с плоскими гранями (обычно используют трехгранное зеркало, поскольку оно имеет сравнительно высокую скорость разрыва, но применяются конструкции с восемью и более гранями). Полевая линза оптически сопрягает зрачок основного объектива в области блока 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 ряд плоских зеркал. Таким образом, эти камеры обычно не записывают более ста кадров, но количество кадров может достигать 2000. Это означает, что они записывают очень короткое время — обычно менее миллисекунды. Поэтому им требуется специализированное оборудование для синхронизации и освещения. Камеры с вращающимся зеркалом способны снимать до 25 миллионов кадров в секунду. с типичной скоростью в миллионы кадров в секунду.

Камера с вращающимся барабаном работает, удерживая полосу пленки в виде петли на внутренней направляющей вращающегося барабана. Затем этот барабан раскручивается до скорости, соответствующей желаемой частоте кадров. Изображение по-прежнему передается на внутреннее вращающееся зеркало, расположенное по дуге барабана. Зеркало многогранное, обычно имеет от шести до восьми граней. Требуется только одна дополнительная линза, поскольку экспозиция всегда происходит в одной и той же точке. Серия кадров формируется по мере прохождения фильма через эту точку. Дискретные кадры формируются при прохождении каждой последующей грани зеркала через оптическую ось. Камеры с вращающимся барабаном способны развивать скорость от десятков тысяч до миллионов кадров в секунду, но поскольку максимальная окружная линейная скорость барабана практически составляет около 500 м/с, для увеличения частоты кадров необходимо уменьшить высоту кадра и/или увеличить его. количество кадров, экспонированных вращающимся зеркалом.

В обоих типах камер с вращающимся зеркалом может возникнуть двойная экспозиция, если система не контролируется должным образом. В камере с чисто вращающимся зеркалом это происходит, если зеркало второй раз проходит через оптику, в то время как свет все еще попадает в камеру. Во вращающейся барабанной камере это происходит, если барабан совершает более одного оборота при попадании света в камеру. Во многих камерах используются сверхвысокоскоростные затворы, например, в которых используется взрывчатка, которая разбивает кусок стекла и делает его непрозрачным. В качестве альтернативы можно использовать высокоскоростные вспышки с контролируемой продолжительностью. В современных системах формирования изображений ccd датчики могут закрываться за микросекунды, что устраняет необходимость во внешнем затворе.

Технология камеры с вращающимся зеркалом совсем недавно стала применяться для получения электронных изображений. группа одиночных камер CCD или CMOS где вместо пленки вокруг вращающегося зеркала расположена . Эта адаптация обеспечивает все преимущества электронной визуализации в сочетании со скоростью и разрешением вращающегося зеркала. Достижима 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 у компании Beckman & Whitley. и компания Кордин. Компания Beckman & Whitley продавала камеры как с вращающимся зеркалом, так и с вращающимся барабаном, а также придумала термин «Dynafax». В середине 1960-х годов компания Cordin купила Beckman & Whitley и с тех пор является единственным поставщиком камер с вращающимися зеркалами. Компания Milli Second Cinematography, дочернее предприятие Cordin Company, представила технологию барабанных камер на рынке коммерческой кинематографии.

Рассечение изображения

В большинстве конструкций камер для анализа изображения используются тысячи волоконно-оптических волокон, объединенных вместе, которые затем разделяются на линию, которая записывается традиционными средствами полосовой камеры (вращающийся барабан, вращающееся зеркало и т. д.). Разрешение ограничено количеством волокон, и обычно на практике можно использовать только несколько тысяч волокон.

Растровые камеры

Растровые камеры, которые в литературе часто называют камерами для разделения изображений, основаны на принципе, согласно которому для получения различимого изображения необходимо записать лишь небольшую часть изображения. Этот принцип чаще всего используется при лентикулярной печати, когда множество изображений размещается на одном и том же материале, а набор цилиндрических линз (или щелей) позволяет просматривать только одну часть изображения за раз.

Большинство растровых камер работают с использованием черной сетки с выгравированными на ней очень тонкими линиями с сотнями или тысячами прозрачных линий между гораздо более толстыми непрозрачными областями. Если каждая щель составляет 1/10 ширины каждой непрозрачной области, то при перемещении растра на расстоянии между двумя щелями можно записать 10 изображений. 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 миллиардов кадров в секунду. Растровые методы были применены к стрик-камерам, созданным с помощью преобразователей изображений, для гораздо более высоких скоростей. Растровое изображение часто перемещается через систему вращающихся зеркал, но сам растр также можно перемещать по листу пленки. Эти камеры бывает очень сложно синхронизировать, так как они часто имеют ограниченное время записи (менее 200 кадров), а кадры легко перезаписываются.

Растр может быть выполнен с помощью двояковыпуклых листов, сетки непрозрачных щелей, массивов конической (Selfoc) волоконной оптики и т. д.

Полосатая фотография

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

Убрав призму из камеры с вращающейся призмой и используя очень узкую щель вместо затвора, можно делать изображения, экспозиция которых, по сути, представляет собой одно измерение пространственной информации, непрерывно записываемой во времени. Таким образом, записи полос представляют собой графическую запись зависимости пространства от времени. Полученное изображение позволяет очень точно измерить скорость. Также возможно регистрировать полосовые записи с использованием технологии вращающегося зеркала на гораздо более высоких скоростях. Для этого эффекта также можно использовать цифровые линейные датчики, а также некоторые двумерные датчики с щелевой маской.

Для разработки взрывчатых веществ изображение линии образца проецировалось на дугу пленки через вращающееся зеркало. Движение пламени выглядело на пленке косым изображением, по которому измерялась скорость детонации.

Фотография с компенсацией движения (также известная как баллистическая синхронная фотография или фотография размытия, когда она используется для изображения высокоскоростных снарядов) представляет собой форму полосовой фотографии. Когда движение пленки противоположно движению объекта с помощью инвертирующей (положительной) линзы и соответствующим образом синхронизировано, изображения показывают события как функцию времени. Объекты, остающиеся неподвижными, отображаются в виде полос. Это техника, используемая для фотографий финишной линии. Ни в коем случае невозможно сделать фотографию, дублирующую результаты фотографии финиша, сделанной этим методом. Фотография — это фотография во времени, фотография с полосами/размазками — это фотография времени . При съемке высокоскоростных снарядов использование щели (как при съемке полос) 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 этой информации изображения можно определить такую ​​информацию, как отклонение от курса или угол наклона. Из-за его измерения изменения скорости во времени также будут проявляться боковыми искажениями изображения.

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

В декабре 2011 года исследовательская группа Массачусетского технологического института сообщила о совместной реализации приложений лазерной (стробоскопической) и стробоскопической камеры для захвата изображений повторяющегося события, которые можно повторно собрать для создания видео с частотой триллиона кадров в секунду. Эта скорость получения изображений, которая позволяет захватывать изображения движущихся фотонов. , возможно за счет использования полосовой камеры для быстрого сбора каждого поля зрения в узких одиночных изображениях. Освещая сцену лазером, который излучает импульсы света каждые 13 наносекунд, синхронизированным со стриминговой камерой с повторяющейся выборкой и позиционированием, исследователи продемонстрировали сбор одномерных данных, которые можно вычислительным путем скомпилировать в двухмерное видео. Хотя этот подход ограничен временным разрешением повторяющихся событий, возможны стационарные приложения, такие как медицинский ультразвук или анализ промышленных материалов.

Видео

Duration: 14 seconds.0:14

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

Высокоскоростные фотографии можно рассматривать индивидуально, чтобы следить за ходом действия, или их можно быстро показывать последовательно в виде движущегося фильма 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 переместился. Более того, когда система сканировала цель, движение сканирования относительно объекта приводило к появлению артефактов, которые искажали изображение. Мишень в фотокамерах типа Vidicon может быть изготовлена ​​из различных фотопроводящих химикатов, таких как сульфид сурьмы ( Sb ₂ S ₃ ), оксид свинца (II) ( Pb O ) и других с различными свойствами «прилипания» изображения. Диссектор Фарнсворта изображений не страдает от «прилипания» изображения, как у экспонатов Vidicons, поэтому соответствующие специальные трубки преобразователя изображений могут использоваться для захвата последовательностей коротких кадров на очень высокой скорости.

Механический затвор, изобретенный Пэтом Келлером и другими в Чайна-Лейк в 1979 году, помог заморозить действие и устранить двоение изображения. Это был механический затвор, аналогичный тому, который применяется в скоростных пленочных фотоаппаратах, — диск со снятым 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 достигнутое в результате улучшение качества изображения, эти системы по-прежнему были ограничены частотой 60 кадров в секунду.

В 1950-х годах появились другие системы на основе ламповых преобразователей изображений, которые включали модифицированный усилитель изображения GenI с дополнительными дефлекторными пластинами, которые позволяли преобразовывать фотонное изображение в фотоэлектронный луч. Изображение, находящееся в этом фотоэлектронном состоянии, можно было включать и выключать затвором всего за несколько наносекунд и отклонять в разные области больших люминофорных экранов диаметром 70 и 90 мм для создания последовательностей длиной до 20+ кадров. В начале 1970-х годов эта камера достигла скорости до 600 миллионов кадров в секунду, времени экспозиции 1 нс и более 20 кадров на событие. Поскольку это были аналоговые устройства, не было цифровых ограничений на скорость передачи данных и скорость передачи пикселей. Однако разрешение изображения было весьма ограниченным из-за внутреннего отталкивания электронов и зернистости люминофорного экрана, а также небольшого размера каждого отдельного изображения. Типичное разрешение составляло 10 пар линий/мм . 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 четверть экрана; в последовательности из девяти изображений каждое изображение занимает одну девятую и т. д. Изображения проецировались и удерживались на люминофорном экране трубки в течение нескольких миллисекунд, достаточно долго, чтобы их можно было оптически, а затем оптоволоконно соединить с пленкой для захвата изображения. Камеры такой конструкции производили компании Hadland Photonics Limited и NAC. В более ранних моделях было трудно изменить время экспозиции без изменения частоты кадров, но в более поздних моделях были добавлены дополнительные «затворные» пластины, позволяющие независимо изменять время экспозиции и частоту кадров. Ограничивающим фактором этих систем является время, в течение которого изображение может быть перемещено в следующую позицию.

Помимо каркасных трубок, эти трубы также могли быть оснащены одним или двумя наборами дефлекторных пластин на одной оси. Поскольку свет преобразовывался в фотоэлектроны, эти фотоэлектроны могли перемещаться по люминофорному экрану с невероятной скоростью, ограниченной только электроникой развертки, создавая первые электронные стрик-камеры. При отсутствии движущихся частей можно 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 связано с необходимостью оценки сверхкоротких лазерных импульсов, которые разрабатывались в то время. Электронные стриминговые камеры до сих пор используются с временным разрешением до субпикосекунд и являются единственным верным способом измерения коротких оптических событий в пикосекундном масштабе времени.

ПЗС-матрица

Появление ПЗС-матрицы произвело революцию в высокоскоростной фотографии в 1980-х годах. устранила Конфигурация датчика со смотровой решеткой артефакты сканирования. Точный контроль времени интегрирования заменил использование механического затвора. Однако архитектура CCD ограничивала скорость считывания изображений с датчика. Большинство из этих систем по-прежнему работали со скоростью NTSC (примерно 60 кадров в секунду), но некоторые, особенно те, которые были созданы группой Kodak Spin Physics, работали быстрее и записывались на специально сконструированные кассеты с видеокассетами. Группа Kodak MASD разработала первую высокоскоростную цифровую цветную камеру HyG (защищенную) под названием RO, которая заменила 16-мм пленочные фотоаппараты. Многие новые инновации и методы записи были внедрены в RO, а дальнейшие усовершенствования 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 сверхскоростную ПЗС-камеру под названием HS4540, которая была разработана и произведена компанией Photron в 1991 году. он записал 4500 кадров/с при разрешении 256 x 256. HS4540 широко использовался компаниями, производящими автомобильные подушки безопасности, для проведения серийных испытаний, которые требовали высокой скорости записи для изображения срабатывания за 30 мс. Roper Industries приобрела это подразделение у Kodak в ноябре 1999 года и было объединено с Redlake (которое также было куплено Roper Industries). С тех пор Redlake была приобретена компанией IDT, которая сегодня является лидером рынка высокоскоростных камер и продолжает обслуживать рынок автомобильных краш-тестов.

Закрытая усиленная ПЗС-матрица

на основе микроканальных пластин (MCP) В начале 1990-х годов были разработаны очень быстрые камеры на основе усилителей изображения . Усилитель MCP аналогичен технологии, используемой в системах ночного видения. Они основаны на том же фотон-электронно-фотонном преобразовании, что и описанные выше трубки преобразователя изображения, но включают в себя микроканальную пластину. На эту пластину подается заряд высокого напряжения, так что электроны, поступающие от входного фотокатода к отверстиям, создают каскадный эффект, тем самым усиливая сигнал изображения. Эти электроны падают на выходной люминофор, создавая излучение фотонов, которые составляют результирующее изображение. Устройства можно включать и выключать в пикосекундном масштабе времени. Выход MCP соединен с ПЗС-матрицей, обычно с помощью сплавленного оптоволоконного конуса, создавая электронную камеру с очень высокой чувствительностью и способную к очень короткому времени экспозиции, хотя также и камеру, которая по своей сути является монохромной, поскольку информация о длине волны теряется при преобразовании фотон-электрон-фотон. Новаторскую работу в этой области провел Пол Хёсс в компании PCO Imaging в Германии.

Последовательность изображений на таких очень высоких скоростях можно получить путем мультиплексирования камер MCP-CCD за оптическим светоделителем и переключения устройств MCP с помощью электронного управления секвенсором. В этих системах обычно используются от восьми до шестнадцати изображений MCP-CCD, обеспечивающих последовательность кадров со скоростью до 100 миллиардов кадров в секунду. Некоторые системы были построены с межстрочными ПЗС-матрицами, что позволяет обеспечить два изображения на канал или последовательность из 32 кадров, хотя и не на самых высоких скоростях (из-за минимального времени межстрочной передачи). Эти типы камер производились компанией Hadland Photonics, а затем DRS Hadland до 2010 года. Компания Specialized Imaging в Великобритании также производит эти камеры, которые достигают скорости до миллиарда кадров в секунду. Однако минимальное время экспозиции составляет 3 наносекунды, что ограничивает эффективную частоту кадров несколькими сотнями миллионов кадров в секунду. В 2003 году Stanford Computer Optics представила многокадровую камеру XXRapidFrame. Он позволяет создавать последовательности изображений до 8 изображений с выдержкой до 200. пикосекунд при частоте кадров в несколько миллиардов кадров в секунду.

IS-CCD

Другой подход к захвату изображений на чрезвычайно высоких скоростях — использование ISIS (чип ПЗС-памяти In Situ, например, в камерах Shimadzu HPV-1 и HPV-2). В типичном ПЗС-чипе с межстрочной передачей каждый пиксель имеет один регистр. Заряд от отдельного пикселя можно быстро передать в его регистр за микросекундные сроки. Эти заряды затем считываются с чипа и сохраняются в процессе последовательного «считывания», который занимает больше времени, чем передача в регистр. Камера Shimadzu основана на чипе, где каждый пиксель имеет 103 регистра. Заряд от пикселя затем может быть передан в эти регистры, так что последовательность изображений сохраняется «на чипе», а затем считывается после завершения интересующего события. Возможна частота кадров до миллиарда кадров в секунду, а современные камеры (Kirana и HPV) достигают скорости до 10 миллионов кадров в секунду. Камеры ISIS имеют очевидное преимущество перед камерами с вращающимся зеркалом: требуется только один фотодетектор, а количество кадров может быть намного выше. Сложная схема синхронизации, необходимая для синхронных камер с вращающимся зеркалом, также не требуется для ISIS. Основная проблема с чипами хранения данных на месте — ореолы кадров и низкое пространственное разрешение, но современные устройства, такие как Kirana от Specialized Imaging, частично решили эту проблему. Основное использование этого типа системы визуализации — это ситуация, когда событие происходит в диапазоне от 50 мкс до 2 мс, например, в приложениях с Бар давления Сплит-Хопкинсона , анализ напряжений, легкогазовая пушка , исследования воздействия на цель и DIC (корреляция цифровых изображений).

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

Вращающееся зеркало CCD

Технология пленочной камеры с вращающимся зеркалом была адаптирована для использования преимуществ ПЗС-изображения. разместив множество ПЗС-камер вокруг вращающегося зеркала вместо пленки. Принципы работы по существу аналогичны принципам пленочных камер с вращающимся зеркалом: изображение передается от объектива к вращающемуся зеркалу, а затем обратно к каждой ПЗС-камере, которые по существу работают как однокадровые камеры. Частота кадров определяется скоростью зеркала, а не скоростью считывания микросхемы изображения, как в однокристальных системах CCD и CMOS. Это означает, что эти камеры обязательно должны работать в серийном режиме, поскольку они могут захватывать столько кадров, сколько имеется ПЗС-устройств (обычно 50–100). Кроме того, это гораздо более сложные (и, следовательно, дорогостоящие) системы, чем одночиповые высокоскоростные камеры. Однако эти системы обеспечивают максимальное сочетание 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. Камеры этого типа были представлены компанией Beckman Whitley, а затем приобретены и произведены компанией Cordin.

КМОП

Взрыв дыни, записанный со скоростью 600 кадров в секунду камерой Casio EX-F1 .

Внедрение сенсорной технологии CMOS 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 создании, чем CCD, и его легче интегрировать со встроенной памятью и функциями обработки. Они также предлагают гораздо большую гибкость при определении подмассивов как активных. Это позволяет высокоскоростным камерам CMOS иметь широкую гибкость в выборе скорости и разрешения. Современные высокоскоростные CMOS-камеры обеспечивают скорость кадрирования при полном разрешении в тысячи кадров в секунду при разрешении в несколько мегапикселей. Но эти же самые камеры можно легко настроить для захвата изображений со скоростью в миллионы кадров в секунду, хотя и со значительно уменьшенным разрешением. Качество изображения и квантовая эффективность устройств CCD по-прежнему незначительно превосходят CMOS.

Первый патент на активный пиксельный датчик (APS), представленный JPL из Эриком Фоссумом , привел к выделению компании Photobit, которую в конечном итоге купила Micron Technology . Однако в первую очередь Photobit заинтересовался рынком стандартного видео; Первой высокоскоростной системой CMOS 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-сенсор компании Vision Research Phantom , использованный в Phantom 4, был разработан в Бельгийском межуниверситетском центре микроэлектроники (IMEC). Эти системы быстро проникли на рынок высокоскоростных пленочных 16-миллиметровых пленочных фотоаппаратов, несмотря на разрешение и рекордное время (Phantom 4 имел разрешение 1024 x 1024 пикселей, или 1 мегапиксель , с продолжительностью работы 4 секунды в полнокадровом режиме и частотой 1000 кадров/с). ). В 2000 году IMEC выделила исследовательскую группу в FillFactory , которая стала доминирующим игроком в разработке потоковых высокоскоростных датчиков изображения. FillFactory была приобретена в 2004 году компанией Cypress Semiconductor и снова продана ON Semiconductor , в то время как ключевые сотрудники приступили к созданию в 2007 году и Caeleste в 2006 году CMOSIS . конечные высокоскоростные системы.

Впоследствии на рынке высокоскоростного цифрового видео конкурируют несколько производителей камер, в том числе iX-Cameras, AOS Technologies, Fastec Imaging, Mega Speed ​​Corp, NAC, Olympus, Photron , Mikrotron , Redlake, Vision Research, Slow Motion Camera Company и IDT. с датчиками, разработанными Photobit, Cypress, CMOSIS и собственными разработчиками.В дополнение к этим научным и инженерным типам камер, целая индустрия была построена вокруг промышленных систем машинного зрения и требований. Основное применение - высокоскоростное производство. Система обычно состоит из камеры, устройства захвата кадров , процессора, а также систем связи и записи для документирования или контроля производственного процесса.

Инфракрасный

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

См. также

• пленка 16 мм
• 35-мм пленка
• пленка 70 мм
• Вспышка с воздушным зазором
• Фастакс (Высокоскоростная камера)
• Фемтофотография
• Гарольд Юджин Эдгертон
• Высокоскоростная камера
• Фотография природы
• Photron (высокоскоростные камеры Photron FASTCAM)
• замедленная съемка (менее продвинутая, чем высокоскоростная фотография)
• Vision Research Phantom (высокоскоростные камеры Vision Research Phantom)
• Фотография дикой природы

Ссылки

Дальнейшее чтение

• Эдгертон, Гарольд Э. и Киллиан, Джеймс Р. (1939). Вспышка!: Увидеть невидимое с помощью сверхскоростной фотографии . Бостон, Массачусетс: Хейл, Кушман и Флинт.
• Эдгертон, Гарольд Э. (1987). Электронная вспышка-стробоскоп (3-е изд.). Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN  0-262-55014-8 .
• Миллс, Мара (2014). «(Сверхскоростная) фотографическая техника» . Поток . 19 (5).
• Пендли, Гил (июль 2003 г.). Кавайе, Клод; Хэддлтон, Грэм П. и Хугеншмидт, Манфред (ред.). «Технология высокоскоростной визуализации: вчера, сегодня и завтра». Труды SPIE . 25-й Международный конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике. 4948 : 110–113. Бибкод : 2003SPIE.4948..110P . дои : 10.1117/12.516992 . S2CID   108691587 .
• Рэй, Сан-Франциско (1997). Высокоскоростная фотография и фотоника . Оксфорд, Великобритания: Focal Press.
• Сетлс, GS (2001). Методы шлирена и теневой фотографии: визуализация явлений в прозрачных средах . Берлин: Springer Verlag. ISBN  3-540-66155-7 .

Примечания

• Документальный фильм «Moving Still» (трансляция 1980 года на каналах PBS Nova и BBS Horizon) содержит кадры этих процессов вплоть до современной эры полупроводников.

Внешние ссылки

• Модель спроса/предложения. Высокая скорость. Архивировано 7 октября 2016 г. на Wayback Machine.
• IDT (компактные и прочные высокоскоростные камеры)