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, способной делать 69 кадров в секунду или больше, и состоящей как минимум из трех последовательных кадров. [ необходима цитата ] Высокоскоростную фотографию можно считать противоположностью покадровой фотографии .
В общем смысле высокоскоростная фотография может иметь одно или оба следующих значения. Первое заключается в том, что сама фотография может быть сделана таким образом, чтобы казалось, что движение заморожено, особенно для уменьшения размытости изображения . Второе заключается в том, что серия фотографий может быть сделана с высокой частотой дискретизации или частотой кадров. Первое требует сенсора с хорошей чувствительностью и либо очень хорошей системы затвора, либо очень быстрого стробоскопа. Второе требует некоторых средств захвата последовательных кадров, либо с помощью механического устройства, либо путем очень быстрого перемещения данных с электронных сенсоров.
Другими факторами, которые следует учитывать фотографам, снимающим на высокой скорости, являются длина записи, распределение взаимности и пространственное разрешение .
Первым практическим применением высокоскоростной фотографии было исследование Эдварда Мейбриджа 1878 года, посвященное тому, действительно ли лошадиные копыта отрываются от земли одновременно во время галопа . Первая фотография сверхзвуковой летящей пули была сделана австрийским физиком Петером Сальхером в Риеке в 1886 году, этот метод позже использовал Эрнст Мах в своих исследованиях сверхзвукового движения. [1] Немецкие ученые-оружейники применили этот метод в 1916 году, [2] а Японский институт аэронавтических исследований изготовил камеру, способную записывать 60 000 кадров в секунду в 1931 году. [3]
Bell Telephone Laboratories была одним из первых клиентов камеры, разработанной Eastman Kodak в начале 1930-х годов. [4] Bell использовала систему, которая работала с 16-мм пленкой со скоростью 1000 кадров/с и имела грузоподъемность 100 футов (30 м), для изучения дребезга реле . Когда Kodak отказалась разрабатывать более скоростную версию, Bell Labs разработала ее сама, назвав ее Fastax. Fastax была способна снимать со скоростью 5000 кадров/с. В конечном итоге Bell продала конструкцию камеры компании Western Electric , которая, в свою очередь, продала ее компании Wollensak Optical Company . Wollensak дополнительно усовершенствовала конструкцию, достигнув скорости 10 000 кадров/с. Redlake Laboratories представила еще одну 16-мм вращающуюся призменную камеру, Hycam, в начале 1960-х годов. [5] Photo-Sonics разработала несколько моделей вращающихся призменных камер, способных работать с 35-мм и 70-мм пленкой в 1960-х годах. В 1980-х годах компания Visible Solutions представила камеру Photec IV 16 мм.
В 1940 году Cearcy D. Miller подал патент на вращающуюся зеркальную камеру, теоретически способную делать миллион кадров в секунду. Первое практическое применение этой идеи было во время Манхэттенского проекта , когда Берлин Брикнер, фототехник проекта, построил первую известную полностью функциональную вращающуюся зеркальную камеру. Эта камера использовалась для фотографирования ранних прототипов первой ядерной бомбы и решила ключевую техническую проблему о форме и скорости взрыва, [ какой? ], которая была источником активного спора между инженерами-взрывниками и физиками-теоретиками.
В 1957 году компания DB Milliken разработала 16-миллиметровую камеру с прерывистым съемом и штифтовой регистрацией, которая обеспечивала скорость съемки 400 кадров в секунду. [5] В 1960-х годах Mitchell , Redlake Laboratories и Photo-Sonics в конечном итоге последовали их примеру, выпустив ряд 16-, 35- и 70-миллиметровых камер с прерывистым съемом.
Гарольду Эджертону обычно приписывают пионерское использование стробоскопа для заморозки быстрого движения. [6] [7] В конечном итоге он помог основать EG&G , которая использовала некоторые методы Эджертона для захвата физики взрывов, необходимых для детонации ядерного оружия. Одним из таких устройств был EG&G Microflash 549, [8] представляющий собой вспышку с воздушным зазором . Также см. фотографию взрыва, сделанную камерой Rapatronic .
Развивая идею стробоскопа, исследователи начали использовать лазеры для остановки высокоскоростного движения. Недавние достижения включают использование High Harmonic Generation для захвата изображений молекулярной динамики вплоть до масштаба аттосекунды ( 10 −18 с). [9] [10]
.jpg/1280px-Waterdrops_(4648726722).jpg)
Высокоскоростная камера определяется как имеющая возможность снимать видео со скоростью более 250 кадров в секунду. [11] Существует много различных типов высокоскоростных пленочных камер, но все они могут быть сгруппированы в пять различных категорий:
Камеры прерывистого движения способны снимать сотни кадров в секунду, камеры с вращающейся призмой способны снимать от тысяч до миллионов кадров в секунду, камеры с вращающимся зеркалом способны снимать миллионы кадров в секунду, растровые камеры могут снимать миллионы кадров в секунду, а камеры с диссекцией изображения способны снимать миллиарды кадров в секунду. [ необходима ссылка ]
С улучшением пленки и механических транспортеров высокоскоростная пленочная камера стала доступна для научных исследований. В конечном итоге Kodak перешла с ацетатной основы на Estar (название Kodak для пластика, эквивалентного Mylar ), что повысило прочность и позволило быстрее ее протягивать. Estar также был более стабильным, чем ацетат, что позволяло проводить более точные измерения, и не был так склонен к возгоранию.
Каждый тип пленки доступен во многих размерах загрузки. Их можно обрезать и поместить в магазины для более легкой загрузки. Магазин на 1200 футов (370 м) обычно самый длинный из доступных для 35-мм и 70-мм камер. Магазин на 400 футов (120 м) типичен для 16-мм камер, хотя доступны магазины на 1000 футов (300 м). Обычно камеры с вращающейся призмой используют 100-футовую (30-метровую) загрузку пленки. Изображения на 35-мм высокоскоростной пленке обычно более прямоугольные с длинной стороной между отверстиями зубчатого колеса, а не параллельны краям, как в стандартной фотографии. Изображения на 16-мм и 70-мм обычно более квадратные, чем прямоугольные. Доступен список форматов и размеров ANSI . [13] [14]
Большинство камер используют импульсные временные метки вдоль края пленки (внутри или снаружи перфораций пленки), создаваемые искрами или позднее светодиодами. Они позволяют точно измерять скорость пленки, а в случае полос или смазанных изображений — скорость объекта. Эти импульсы обычно циклически повторяются с частотой 10, 100, 1000 Гц в зависимости от настройки скорости камеры.
Как и в случае со стандартной кинокамерой, камера с прерывистым регистрирующим штифтом фактически останавливает пленку в затворе пленки , пока делается фотография. В высокоскоростной фотографии это требует некоторых модификаций механизма для достижения этого прерывистого движения на таких высоких скоростях. Во всех случаях петля формируется до и после затвора, чтобы создать, а затем выбрать слабину. Прижимные лапки, которые входят в пленку через перфорацию, втягивают ее на место, а затем вытягиваются из перфорации и из затвора пленки, умножаются, чтобы захватить пленку через несколько перфораций в пленке, тем самым уменьшая напряжение, которому подвергается каждая отдельная перфорация. Регистрирующие штифты, которые фиксируют пленку через перфорацию в конечном положении во время ее экспонирования, после того, как прижимные лапки убираются, также умножаются и часто изготавливаются из экзотических материалов. В некоторых случаях вакуумное всасывание используется для того, чтобы пленка, особенно 35-мм и 70-мм пленка, была ровной, так что изображения находятся в фокусе по всему кадру.
Камера с вращающейся призмой позволяла получать более высокие частоты кадров, не оказывая большой нагрузки на пленку или транспортный механизм. Пленка непрерывно движется мимо вращающейся призмы, которая синхронизирована с основным колесом пленки, так что скорость пленки и скорость призмы всегда работают с одинаковой пропорциональной скоростью. Призма расположена между объективом и пленкой, так что вращение призмы «рисует» кадр на пленке для каждой грани призмы. Призмы обычно кубические или четырехсторонние для полнокадровой экспозиции. Поскольку экспозиция происходит при вращении призмы, изображения вблизи верхней или нижней части кадра, где призма существенно смещена относительно оси, страдают от значительной аберрации. Затвор может улучшить результаты, более плотно ограничивая экспозицию вокруг точки, где грани призмы почти параллельны.
Камеры с вращающимся зеркалом можно разделить на две подкатегории: камеры с вращающимся зеркалом и камеры с вращающимся барабаном, или камеры Dynafax.
В камерах с чистым вращающимся зеркалом пленка удерживается неподвижно в дуге, центрированной вокруг вращающегося зеркала. Основная конструкция камеры с вращающимся зеркалом состоит из четырех частей: основной объектив, полевая линза, линзы компенсации изображения и вращающееся зеркало для последовательной экспозиции кадров. Изображение изучаемого объекта формируется в области вращающегося зеркала с плоскими гранями (обычно используется трехгранное зеркало, поскольку оно имеет относительно высокую скорость вспышки, но использовались конструкции с восемью и более гранями). Полевая линза оптически сопрягает зрачок основной объективной линзы в области банка 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 ряд плоских зеркал. Таким образом, эти камеры обычно не записывают более ста кадров, но было записано до 2000 кадров. Это означает, что они записывают только в течение очень короткого времени — обычно менее миллисекунды. Поэтому для них требуется специализированное оборудование для синхронизации и освещения. Камеры с вращающимся зеркалом способны снимать со скоростью до 25 миллионов кадров в секунду [16] при типичной скорости в миллионы кадров в секунду.
Вращающаяся барабанная камера работает, удерживая полосу пленки в петле на внутренней дорожке вращающегося барабана. [17] Затем этот барабан раскручивается до скорости, соответствующей желаемой частоте кадров. Изображение по-прежнему передается на внутреннее вращающееся зеркало, центрированное 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. Серия кадров формируется по мере того, как пленка проходит через эту точку. Дискретные кадры формируются, когда каждая последующая грань зеркала проходит через оптическую ось. Вращающиеся барабанные камеры способны развивать скорость от десятков тысяч до миллионов кадров в секунду, но поскольку максимальная периферийная линейная скорость барабана составляет практически около 500 м/с, увеличение частоты кадров требует уменьшения высоты кадра и/или увеличения количества кадров, экспонируемых с вращающегося зеркала.
В обоих типах вращающихся зеркальных камер двойная экспозиция может возникнуть, если система не контролируется должным образом. В чисто вращающейся зеркальной камере это происходит, если зеркало совершает второй проход по оптике, пока свет все еще попадает в камеру. В вращающейся барабанной камере это происходит, если барабан совершает более одного оборота, пока свет попадает в камеру. Во многих камерах используются сверхскоростные затворы, например, те, которые используют взрывчатые вещества для разбивания блока стекла, делая его непрозрачным. В качестве альтернативы можно использовать высокоскоростные вспышки с контролируемой длительностью. В современных системах формирования изображений ПЗС датчики могут закрываться в течение микросекунд, что устраняет необходимость во внешнем затворе.
Технология вращающихся зеркальных камер недавно была применена к электронной визуализации, [18] где вместо пленки массив однокадровых ПЗС или КМОП- камер выстраивается вокруг вращающегося зеркала. Эта адаптация позволяет использовать все преимущества электронной визуализации в сочетании со скоростью и разрешением подхода вращающихся зеркал. Достижимы скорости до 25 миллионов кадров в секунду, [16] с типичной скоростью в миллионы кадров в секунду.
Коммерческая доступность обоих типов вращающихся зеркальных камер началась в 1950-х годах с Beckman & Whitley, [17] и Cordin Company. Beckman & Whitley продавала как вращающиеся зеркальные, так и вращающиеся барабанные камеры и придумала термин «Dynafax». В середине 1960-х годов Cordin Company купила Beckman & Whitley и с тех пор является единственным источником вращающихся зеркальных камер. Дочерняя компания Cordin Company, Millisecond Cinematography, предоставила технологию барабанных камер на рынок коммерческой кинематографии.
Большинство конструкций камер для препарирования изображений включают в себя тысячи волоконно-оптических волокон, сгруппированных вместе, которые затем разделяются в линию, которая регистрируется с помощью традиционных средств стрик-камеры (вращающийся барабан, вращающееся зеркало и т. д.). Разрешение ограничено количеством волокон, и обычно на практике можно использовать только несколько тысяч волокон.
Растровые камеры, которые в литературе часто называют камерами диссекции изображений, используют принцип, согласно которому для получения различимого изображения необходимо записать лишь небольшую часть изображения. Этот принцип чаще всего используется в лентикулярной печати, где множество изображений размещаются на одном и том же материале, а массив цилиндрических линз (или щелей) позволяет просматривать только одну часть изображения за раз.
Большинство растровых камер работают с использованием черной сетки с очень тонкими линиями, выгравированными на ней, с сотнями или тысячами прозрачных линий между гораздо более толстыми непрозрачными областями. Если каждая щель 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 методы были применены к стрик-камерам, изготовленным из преобразователей изображений, для гораздо более высоких скоростей. Растровое изображение часто перемещается через вращающуюся зеркальную систему, но сам растр также может перемещаться по листу пленки. Эти камеры может быть очень трудно синхронизировать, так как они часто имеют ограниченное время записи (менее 200 кадров), и кадры легко перезаписываются.
Растр может быть изготовлен с помощью линзовидных листов, сетки непрозрачных щелей, массивов конических (Selfoc) волоконно-оптических кабелей и т. д.
Стрик-фотография (тесно связанная с полосовой фотографией ) использует стрик-камеру для объединения серии по существу одномерных изображений в двумерное изображение. Термины «стрик-фотография» и «стрип-фотография» часто взаимозаменяемы, хотя некоторые авторы проводят различие. [19]
Удалив призму из камеры с вращающейся призмой и используя очень узкую щель вместо затвора, можно делать снимки, экспозиция которых по сути является одним измерением пространственной информации, записанной непрерывно с течением времени. Таким образом, записи полос являются графической записью пространства и времени. Получающееся изображение позволяет очень точно измерять скорости. Также можно делать записи полос с использованием технологии вращающегося зеркала на гораздо более высоких скоростях. Для этого эффекта можно использовать цифровые линейные датчики, а также некоторые двумерные датчики с маской щели.
Для разработки взрывчатых веществ изображение линии образца проецировалось на дугу пленки через вращающееся зеркало. Продвижение пламени появлялось в виде косого изображения на пленке, по которому измерялась скорость детонации. [20]
Фотография с компенсацией движения (также известная как баллистическая синхронная фотография или фотография со смазыванием, когда используется для съемки высокоскоростных снарядов) является формой полосовой фотографии. Когда движение пленки противоположно движению объекта с инвертирующим (положительным) объективом и синхронизировано соответствующим образом, изображения показывают события как функцию времени. Объекты, остающиеся неподвижными, отображаются в виде полос. Этот метод используется для фотографий финишной черты. Ни в коем случае невозможно сделать неподвижную фотографию, которая дублирует результаты фотографии финишной черты, сделанной с помощью этого метода. Неподвижная фотография — это фотография во времени, фотография со смазыванием/штрихом — это фотография времени . При использовании для съемки высокоскоростных снарядов использование щели (как в полосовой фотографии) обеспечивает очень короткое время экспозиции, обеспечивающее более высокое разрешение изображения. Использование для высокоскоростных снарядов означает, что одно неподвижное изображение обычно создается на одном рулоне кинопленки. Из этой информации об изображении можно определить, например, рыскание или тангаж. Из-за измерения временных изменений скорости также будут видны боковые искажения изображения.
Объединив эту технику с дифрагированным волновым фронтом света, как лезвием ножа, можно делать фотографии фазовых возмущений в однородной среде. Например, можно снимать ударные волны пуль и других высокоскоростных объектов. См., например, shadowgraph и schlieren photography .
В декабре 2011 года исследовательская группа Массачусетского технологического института сообщила о комбинированной реализации приложений лазерной (стробоскопической) и стрик-камеры для захвата изображений повторяющегося события, которые могут быть повторно собраны для создания видео с триллионом кадров в секунду. Такая скорость получения изображений, которая позволяет захватывать изображения движущихся фотонов [ сомнительно – обсудить ] , возможна при использовании стрик-камеры для быстрого сбора каждого поля зрения в узкие одиночные стрик-изображения. Освещая сцену лазером, который испускает импульсы света каждые 13 наносекунд, синхронизированным с стрик-камерой с повторной выборкой и позиционированием, исследователи продемонстрировали сбор одномерных данных, которые могут быть вычислительно скомпилированы в двумерное видео. Хотя этот подход ограничен временным разрешением для повторяющихся событий, возможны стационарные приложения, такие как медицинский ультразвук или промышленный анализ материалов. [21]
Высокоскоростные фотографии можно просматривать по отдельности, чтобы следить за ходом действия, или их можно быстро демонстрировать в последовательности, как движущийся фильм с замедленным движением.
Ранние видеокамеры, использующие трубки (например, видикон ), страдали от сильного «залипания» 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 искажали изображение. Мишень в камерах типа видикон 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 «залипания» изображения. Фарнсвортский диссектор изображений не страдал от «залипания» изображения, как у видиконов, и поэтому соответствующие специальные трубки преобразователя изображения могли использоваться для захвата коротких последовательностей кадров на очень высокой скорости. [ необходима цитата ]
Механический затвор, изобретенный Пэтом Келлером и другими в Чайна-Лейк в 1979 году, помог заморозить действие и устранить ореолы. [22] Это был механический затвор, похожий на тот, что используется в высокоскоростных кинокамерах — диск с удаленным клином. Открытие было синхронизировано с частотой кадров, а размер открытия был пропорционален интегрированию или времени затвора. Сделав открытие очень маленьким, можно было остановить движение.
Несмотря на достигнутое улучшение качества изображения, эти системы по-прежнему были ограничены скоростью 60 кадров/с.
Другие системы на основе ЭОП появились в 1950-х годах, включавшие модифицированный усилитель изображения GenI с дополнительными дефлекторными пластинами, которые позволяли преобразовывать фотонное изображение в фотоэлектронный луч. Изображение, находясь в этом фотоэлектронном состоянии, можно было включать и выключать всего на несколько наносекунд и отклонять в разные области больших фосфорных экранов диаметром 70 и 90 мм для создания последовательностей из более чем 20 кадров. В начале 1970-х годов эти камеры достигли скорости до 600 миллионов кадров/с, с временем экспозиции 1 нс, с более чем 20 кадрами на событие. Поскольку они были аналоговыми устройствами, не было никаких цифровых ограничений на скорость передачи данных и скорость передачи пикселей. Однако разрешение изображения было довольно ограниченным из-за присущего отталкивания электронов и зерна фосфорного экрана, а также малого размера каждого отдельного изображения. Типичным было разрешение 10 пар линий/мм . Кроме того, изображения были изначально монохромными, поскольку информация о длине волны теряется в процессе преобразования фотон-электрон-фотон. Также существовал довольно крутой компромисс между разрешением и количеством изображений. Все изображения должны были попадать на выходной фосфорный экран. Таким образом, последовательность из четырех изображений будет означать, что каждое изображение занимает одну четвертую экрана; последовательность из девяти изображений означает, что каждое изображение занимает одну девятую и т. д. Изображения проецировались и удерживались на фосфорном экране трубки в течение нескольких миллисекунд, достаточно долго, чтобы их можно было оптически, а позднее и оптоволоконно соединить с пленкой для захвата изображения. Камеры такой конструкции были изготовлены Hadland Photonics Limited и NAC. Было сложно изменить время экспозиции без изменения частоты кадров в более ранних конструкциях, но более поздние модели добавили дополнительные «затворные» пластины, чтобы время экспозиции и частоту кадров можно было изменять независимо. Ограничивающим фактором этих систем является время, за которое изображение может быть перемещено в следующую позицию.
В дополнение к обрамляющим трубкам, эти трубки также могли быть сконфигурированы с одним или двумя наборами дефлекторных пластин на одной оси. Поскольку свет преобразовывался в фотоэлектроны, эти фотоэлектроны могли перемещаться по фосфорному экрану с невероятной скоростью развертки, ограниченной только электроникой развертки, для создания первых электронных стрик-камер. При отсутствии подвижных частей можно было достичь скорости развертки до 10 пикосекунд на мм, что давало техническое временное разрешение в несколько пикосекунд. Еще в 1973–74 годах появились коммерческие стрик-камеры, способные на временное разрешение в 3 пикосекунды, что было обусловлено необходимостью оценки сверхкоротких лазерных импульсов, которые разрабатывались в то время. Электронные стрик-камеры до сих пор используются с временным разрешением всего в субпикосекунды и являются единственным верным способом измерения коротких оптических событий в пикосекундной шкале времени.
Внедрение ПЗС произвело революцию в высокоскоростной фотографии в 1980-х годах. Конфигурация матрицы направленного света датчика устранила артефакты сканирования. Точный контроль времени интеграции заменил использование механического затвора. Однако архитектура ПЗС ограничивала скорость, с которой изображения могли считываться с датчика. Большинство этих систем по-прежнему работали со скоростью NTSC (приблизительно 60 кадров/с), но некоторые, особенно созданные группой Kodak Spin Physics, работали быстрее и записывали на специально сконструированные видеокассеты. Группа Kodak MASD разработала первую высокоскоростную цифровую цветную камеру HyG (прочную), названную RO, которая заменила 16-миллиметровые краш-санные пленочные камеры. [23] В RO было представлено много новых инноваций и методов записи, а в HG2000, камере, которая могла работать со скоростью 1000 кадров/с с датчиком 512 x 384 пикселей в течение 2 секунд, были введены дополнительные усовершенствования . Группа Kodak MASD также представила сверхскоростную ПЗС-камеру HS4540, разработанную и произведенную Photron в 1991 году [24] , которая записывала 4500 кадров/с при разрешении 256 x 256. HS4540 широко использовалась компаниями, производящими автомобильные подушки безопасности, для проведения испытаний партий, которым требовалась высокая скорость записи для отображения развертывания за 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). Redlake с тех пор был куплен IDT, которая сегодня является лидером на рынке высокоскоростных камер и продолжает обслуживать рынок автомобильных краш-тестов.
В начале 1990-х годов были разработаны очень быстрые камеры на основе усилителей изображения на основе микроканальных пластин (MCP) . Усилитель изображения на основе MCP похож на технологию, используемую для ночного видения. Они основаны на аналогичном преобразовании фотон-электрон-фотон, как и описанные выше трубки преобразователя изображения, но включают в себя микроканальную пластину. Эта пластина получает заряд высокого напряжения, так что электроны, поступающие от входного фотокатода к отверстиям, создают каскадный эффект, тем самым усиливая сигнал изображения. Эти электроны попадают на выходной люминофор, создавая излучение фотонов, которые составляют результирующее изображение. Устройства можно включать и выключать в пикосекундном масштабе времени. Выход MCP соединен с ПЗС, обычно с помощью сплавленного волоконно-оптического конуса, создавая электронную камеру с очень высокой чувствительностью и способную к очень коротким временам экспозиции, хотя также и монохромную по своей сути из-за потери информации о длине волны при преобразовании фотон-электрон-фотон. Новаторская работа в этой области была проделана Полом Хёссом во время работы в PCO Imaging в Германии.
Последовательность изображений на этих очень высоких скоростях может быть получена путем мультиплексирования камер MCP-CCD за оптическим расщепителем луча и переключения устройств MCP с помощью электронного управления секвенсором. Эти системы обычно используют от восьми до шестнадцати формирователей изображений MCP-CCD, что обеспечивает последовательность кадров со скоростью до 100 миллиардов кадров в секунду. Некоторые системы были построены с использованием построчных ПЗС, что позволяет получать два изображения на канал или последовательность из 32 кадров, хотя и не на самых высоких скоростях (из-за минимального времени построчного переноса). Эти типы камер были созданы Hadland Photonics, а затем DRS Hadland до 2010 года. Specialised 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 скорость кадрирования несколькими сотнями миллионов кадров в секунду. В 2003 году Stanford Computer Optics представила многокадровую камеру XXRapidFrame. Он позволяет делать последовательности изображений до 8 с выдержкой до 200 пикосекунд при частоте кадров в несколько миллиардов кадров в секунду. [25]
Другой подход к захвату изображений на чрезвычайно высоких скоростях — это использование ISIS (In Situ storage CCD chip, например, в камерах Shimadzu HPV-1 и HPV-2). [26] [27] В типичном построчном переносе CCD-чипе каждый пиксель имеет один регистр. Заряд от отдельного пикселя может быть быстро передан в его регистр в масштабе времени микросекунды. Затем эти заряды считываются с чипа и сохраняются в последовательном процессе «считывания», который занимает больше времени, чем передача в регистр. Камера Shimadzu основана на чипе, где каждый пиксель имеет 103 регистра. Затем заряд от пикселя может быть передан в эти регистры таким образом, что последовательность изображений сохраняется «на чипе», а затем считывается после того, как интересующее событие закончилось. Возможна частота кадров до миллиарда кадров в секунду, при этом современные камеры (Kirana и HPV) достигают до 10 миллионов кадров в секунду. Камеры ISIS имеют очевидное преимущество перед камерами с вращающимся зеркалом, поскольку требуется только один фотодетектор, а количество кадров может быть намного больше. Сложная схема синхронизации, необходимая для синхронных вращающихся зеркальных камер, также не нужна с ISIS. Основной проблемой чипов хранения in situ является ореолирование 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 то, где событие происходит между 50 мкс и 2 мс, например, приложения с баром давления Сплит-Хопкинсона , анализ напряжений, газовая пушка , исследования ударов по мишеням и DIC (цифровая корреляция изображений).
Датчики ISIS достигли скорости более 3,5 терапикселей в секунду, что в сотни раз превышает показатели современных высокоскоростных камер считывания.
Технология вращающихся зеркальных пленочных камер была адаптирована для использования преимуществ формирования изображений ПЗС [28] путем размещения массива ПЗС-камер вокруг вращающегося зеркала вместо пленки. Принципы работы в значительной степени аналогичны принципам вращающихся зеркальных пленочных камер, в том смысле, что изображение передается с объектива на вращающееся зеркало, а затем обратно на каждую ПЗС-камеру, которые по сути работают как камеры для одиночных снимков. Скорость кадровой съемки определяется скоростью зеркала, а не скоростью считывания чипа изображения, как в однокристальных ПЗС- и КМОП-системах. Это означает, что эти камеры обязательно должны работать в пакетном режиме, поскольку они могут захватывать только столько кадров, сколько имеется ПЗС-устройств (обычно 50–100). Они также являются гораздо более сложными (и, следовательно, дорогими) системами, чем однокристальные высокоскоростные камеры. Однако эти системы достигают максимального сочетания скорости и разрешения, поскольку у них нет компромисса между скоростью и разрешением. Типичные скорости составляют миллионы кадров в секунду, а типичные разрешения составляют от 2 до 8 мегапикселей на изображение. Эти типы камер были представлены компанией Beckman Whitley, а позднее приобретены и произведены компанией Cordin.
Внедрение технологии сенсора CMOS снова произвело революцию в высокоскоростной фотографии в 1990-х годах и служит классическим примером прорывной технологии . Основанный на тех же материалах, что и компьютерная память, процесс CMOS был дешевле в изготовлении, чем CCD, и его было легче интегрировать с памятью на кристалле и функциями обработки. Они также предлагают гораздо большую гибкость в определении подматриц как активных. Это позволяет высокоскоростным камерам CMOS иметь широкую гибкость в компромиссе между скоростью и разрешением. Современные высокоскоростные камеры CMOS предлагают скорость кадрирования с полным разрешением в тысячи кадров в секунду с разрешением в несколько мегапикселей. Но эти же камеры можно легко настроить для съемки изображений в миллионы кадров в секунду, хотя и со значительно сниженным разрешением. Качество изображения и квантовая эффективность устройств CCD по-прежнему незначительно превосходят CMOS.
Первый патент на датчик активных пикселей (APS), поданный Эриком Фоссумом из JPL , привел к выделению Photobit, который в конечном итоге был куплен Micron Technology . Однако первым интересом Photobit был рынок стандартного видео; первой высокоскоростной системой CMOS была HSV 1000 от NAC Image Technology, впервые произведенная в 1990 году. Vision Research Phantom , Photron , NAC, Mikrotron , IDT и другие высокоскоростные камеры используют в своих камерах датчики изображения CMOS (CIS). Первый датчик CMOS от Vision Research Phantom , используемый в Phantom 4, был разработан в Бельгийском межуниверситетском центре микроэлектроники (IMEC). Эти системы быстро проникли на рынок 16-мм высокоскоростных пленочных камер, несмотря на разрешение и время записи (Phantom 4 имел разрешение 1024 x 1024 пикселя или 1 мегапиксель , с емкостью 4 с при полном кадре и 1000 кадров/с). В 2000 году IMEC выделила исследовательскую группу в FillFactory, которая стала доминирующим игроком в разработке потоковых высокоскоростных датчиков изображения. FillFactory была куплена в 2004 году Cypress Semiconductor и снова продана ON Semiconductor , в то время как ключевые сотрудники продолжили создавать CMOSIS в 2007 году и Caeleste в 2006 году. В конечном итоге Photobit представила датчик 500 кадров/с с разрешением 1,3 мегапикселя , настоящее устройство «камера на чипе», встречающееся во многих недорогих высокоскоростных системах.
Впоследствии несколько производителей камер конкурируют на рынке высокоскоростного цифрового видео, включая 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 внутренними разработчиками. В дополнение к этим научным и инженерным типам камер, целая отрасль была создана вокруг промышленных систем машинного зрения и требований. Основным применением было высокоскоростное производство. Система обычно состоит из камеры, устройства захвата кадров , процессора и систем связи и записи для документирования или управления производственным процессом.
Высокоскоростная инфракрасная фотография стала возможной с появлением Amber Radiance, а позднее Indigo Phoenix. Amber была куплена Raytheon , команда разработчиков Amber ушла и сформировала Indigo, а Indigo теперь принадлежит FLIR Systems . Telops, Xenics, Santa Barbara Focal Plane, CEDIP и Electrophysics также представили высокоскоростные инфракрасные системы.
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь ){{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
Медиа, связанные с Высокоскоростная фотография на Wikimedia Commons