Højhastighedsfotografering - High-speed photography

Muybridges fotografiske sekvens af en racerhest i galop, først udgivet i 1878.

Højhastighedsfotografering er videnskaben om at tage billeder af meget hurtige fænomener. I 1948 definerede Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE) højhastighedsfotografering som ethvert sæt fotografier, der blev taget med et kamera, der var i stand til 69 billeder i sekundet eller mere, og mindst tre billeder i træk. Højhastighedsfotografering kan betragtes som det modsatte af time-lapse-fotografering .

Ved almindelig brug kan højhastighedsfotografering referere til en eller begge af de følgende betydninger. Det første er, at selve fotografiet kan tages på en måde, der ser ud til at fryse bevægelsen, især for at reducere sløring af bevægelse . Den anden er, at en række fotografier kan tages med en høj samplingsfrekvens eller billedhastighed. Den første kræver en sensor med god følsomhed og enten et meget godt skoddersystem eller et meget hurtigt stroboskoplys. Den anden kræver nogle midler til at fange successive rammer, enten med en mekanisk enhed eller ved at flytte data fra elektroniske sensorer meget hurtigt.

Andre overvejelser for højhastighedsfotografer er rekordlængde, gensidighedsnedbrud og rumlig opløsning .

Tidlige applikationer og udvikling

Atomeksplosion fotograferet af rapatronic kamera mindre end 1 millisekund efter detonation. Ildkuglen er omkring 20 meter i diameter. Spidserne i bunden af ​​ildkuglen skyldes det, der er kendt som tovtrikseffekten .

Den første praktiske anvendelse af højhastighedsfotografering var Eadweard Muybridge 's undersøgelse fra 1878 om, hvorvidt hestes fødder faktisk var alle på jorden på én gang under en galop . Det første fotografi af en supersonisk flyvende kugle blev taget af den østrigske fysiker Peter Salcher i Rijeka i 1886, en teknik, der senere blev brugt af Ernst Mach i hans studier af supersonisk bevægelse. Tyske våbenforskere anvendte teknikkerne i 1916, og The Japanese Institute of Aeronautical Research fremstillede et kamera, der kunne optage 60.000 billeder i sekundet i 1931.

Bell Telephone Laboratories var en af ​​de første kunder til et kamera udviklet af Eastman Kodak i begyndelsen af ​​1930'erne. Bell brugte systemet, der kørte 16 mm film ved 1000 billeder/s og havde en 30-fods belastningskapacitet, til at studere relæafvisning . Da Kodak nægtede at udvikle en hurtigere version, udviklede Bell Labs den selv og kaldte den Fastax. Fastax var i stand til 5.000 billeder/s. Bell solgte til sidst kameradesignet til Western Electric , som igen solgte det til Wollensak Optical Company . Wollensak forbedrede yderligere designet til at opnå 10.000 billeder/s. Redlake Laboratories introducerede endnu et 16 mm roterende prisme -kamera, Hycam, i begyndelsen af ​​1960'erne. Photo-Sonics udviklede flere modeller af roterende prisme-kamera, der kunne køre 35 mm og 70 mm film i 1960'erne. Visible Solutions introducerede Photec IV 16 mm kameraet i 1980'erne.

I 1940 blev der indgivet patent af Cearcy D. Miller på det roterende spejlkamera, der teoretisk set var i stand til en million billeder i sekundet. Den første praktiske anvendelse af denne idé var under Manhattan -projektet , da Berlin Brixner, fotografisk tekniker på projektet, byggede det første kendte fuldt funktionelle roterende spejlkamera. Dette kamera blev brugt til at fotografere tidlige prototyper af den første atombombe og løste et centralt teknisk problem om implosionens form og hastighed, der havde været kilden til en aktiv strid mellem sprængstofingeniørerne og fysikteoretikerne.

DB Milliken-virksomheden udviklede et intermitterende, pin-registreret, 16 mm kamera til hastigheder på 400 billeder/sek i 1957. Mitchell , Redlake Laboratories og Photo-Sonics fulgte til sidst i 1960'erne med en række 16, 35 og 70 mm intermitterende kameraer.

Stroboskopi og laser applikationer

Harold Edgerton krediteres generelt for at være banebrydende i brugen af stroboskopet til at fastfryse hurtig bevægelse. Til sidst hjalp han med at finde EG&G , som brugte nogle af Edgertons metoder til at fange fysikken i eksplosioner, der kræves for at detonere atomvåben. En sådan enhed var EG&G Microflash 549, som er en luftspalteblitz . Se også fotografiet af en eksplosion ved hjælp af et Rapatronic -kamera .

Et foto af en Smith & Wesson-affyring, taget med et luftgab-blitz . Billedet blev taget i et mørkt rum med kameraets lukker åben, og blitzen blev udløst af lyden af ​​skuddet ved hjælp af en mikrofon.

For at fremme ideen om stroboskopet begyndte forskere at bruge lasere til at stoppe højhastighedsbevægelse. Nylige fremskridt omfatter anvendelse af High Harmonisk Generation til at tage billeder af molekylær dynamik ned til omfanget af attosekund (10 -18  s).

Højhastighedsfilmkameraer

Hovedartikel: Højhastighedskamera
En 5 millisekund fangst af kaffe blæst ud af et sugerør.
En dråbe fanges med en strobe efter at have vendt opad.
Udstødningsventilatoren på dette fotografi roterede med fuld hastighed, da billedet blev taget.

Et højhastighedskamera er defineret som at have mulighed for at optage video med en hastighed på over 250 billeder i sekundet. Der er mange forskellige typer højhastighedsfilmkameraer, men de kan stort set alle grupperes i fem forskellige kategorier:

  • Intermitterende bevægelseskameraer, som er en hurtigere version af standardfilmkameraet, der anvender en symaskintype mekanisme til at bevæge filmen intermitterende til et fast eksponeringspunkt bag objektivet,
  • Roterende prisme -kameraer, der kører film kontinuerligt forbi et eksponeringspunkt og bruger et roterende prisme mellem objektivlinsen og filmen til at overføre bevægelse til billedet, der matcher filmbevægelsen, og derved annullere det,
  • Roterende spejlkameraer, som videresender billedet gennem et roterende spejl til en filmbue og kan arbejde i kontinuerlig adgang eller synkron adgang afhængigt af designet.
  • Billeddissektionskameraer, som kan bruge et roterende spejlsystem, og
  • Rasterkameraer, der optager en "hakket" version af et billede.

Intermitterende bevægelseskameraer er i stand til hundredvis af billeder i sekundet, roterende prisme -kameraer er i stand til tusinder til millioner af billeder pr. Sekund, roterende spejlkameraer er i stand til millioner af billeder i sekundet, rasterkameraer kan opnå millioner af billeder i sekundet og billede dissektionskameraer er i stand til milliarder af billeder i sekundet.

Efterhånden som film og mekaniske transporter blev forbedret, blev højhastighedsfilmkameraet tilgængeligt til videnskabelig forskning. Kodak flyttede til sidst sin film fra acetatbase til Estar (Kodaks navn for en Mylar -ækvivalent plast), hvilket forstærkede styrken og gjorde det muligt at trække den hurtigere. Estar var også mere stabil end acetat, hvilket muliggjorde mere præcis måling, og den var ikke lige så udsat for brand.

Hver filmtype fås i mange belastningsstørrelser. Disse kan skæres ned og lægges i magasiner for lettere indlæsning. Et blad på 1.200 fod (370 m) er typisk det længste, der er tilgængeligt for 35 mm og 70 mm kameraer. Et magasin på 400 fod (120 m) er typisk for 16 mm kameraer, selvom der er tilgængelige 300 fod (1.000 fod) magasiner. Normalt bruger roterende prisme -kameraer 30 m (100 fod) filmbelastninger. Billederne på 35 mm højhastighedsfilm er typisk mere rektangulære med den lange side mellem tandhjulshullerne i stedet for parallelle med kanterne som ved standardfotografering. 16 mm og 70 mm billeder er typisk mere firkantede frem for rektangulære. En liste over ANSI -formater og størrelser er tilgængelig.

De fleste kameraer bruger pulserede timing -mærker langs kanten af ​​filmen (enten inden i eller uden for filmperforeringerne) frembragt af gnister eller senere af LED'er. Disse tillader nøjagtig måling af filmhastigheden og i tilfælde af stribe- eller udstrygningsbilleder måles hastighedsmåling af motivet. Disse pulser cykliseres normalt ved 10, 100, 1000 Hz afhængigt af kameraets hastighedsindstilling.

Intermitterende stifteregister

Ligesom med et almindeligt filmkamera stopper det intermitterende registerpindkamera faktisk filmen i filmporten, mens fotografiet tages. Ved højhastighedsfotografering kræver dette nogle ændringer af mekanismen for at opnå denne intermitterende bevægelse ved så høje hastigheder. I alle tilfælde dannes en løkke før og efter porten for at oprette og derefter tage op af slakken. Pulldown -kløer, der kommer ind i filmen gennem perforeringer, trækker den på plads og derefter trækker sig ud af perforeringerne og ud af filmporten, multipliceres for at få fat i filmen gennem flere perforeringer i filmen og derved reducere belastningen af, at enhver individuel perforering er udsat for. Registrer stifter, som sikrer filmen gennem perforeringer i den endelige position, mens den bliver udsat, efter nedtrapningsklørne er trukket tilbage, multipliceres også og ofte fremstillet af eksotiske materialer. I nogle tilfælde vakuum sugning anvendes til at holde filmen, især 35 mm og 70 mm film, flad, så at billederne er i fokus over hele rammen.

  • 16 mm stifteregister: DB Milliken Locam, i stand til 500 billeder/sek. designet blev til sidst solgt til Redlake. Photo-Sonics byggede et 16 mm pin-registreret kamera, der var i stand til 1000 billeder/s, men de fjernede det til sidst fra markedet.
  • 35 mm stifteregister: Tidlige kameraer inkluderede Mitchell 35 mm. Photo-Sonics vandt en Oscar for teknisk præstation for 4ER i 1988. 4E er i stand til 360 frame/s.
  • 70 mm stifteregister : Kameraerne indeholder en model fremstillet af Hulcher og Photo-Sonics 10A og 10R kameraer, der kan rumme 125 billeder/sek.

Rotary prisme

Det roterende prisme -kamera tillod højere billedhastigheder uden at belaste filmen eller transportmekanismen så meget. Filmen bevæger sig kontinuerligt forbi et roterende prisme, som er synkroniseret med hovedfilmhjulet, således at filmens hastighed og prismenes hastighed altid kører med den samme proportionelle hastighed. Prismen er placeret mellem objektivlinsen og filmen, således at prismeets revolution "maler" en ramme på filmen for hvert prisme. Prismer er typisk kubiske eller firsidede for eksponering i fuld ramme. Da eksponering forekommer, når prismen roterer, lider billeder nær toppen eller bunden af ​​rammen, hvor prismen er i det væsentlige uden for aksen, af betydelig aberration. En lukker kan forbedre resultaterne ved at lukke eksponeringen tættere omkring det punkt, hvor prismaoverfladerne er næsten parallelle.

  • 16 mm roterende prisme-Redlake Hycam-kameraer er i stand til 11.000 frame/s med et full frame-prisme (4 facetter), 22.000 frame/s med et half-frame kit og 44.000 frame/s med et kvart-frame kit. Visible Solutions laver også Photec IV. For en mere robust løsning lavede Weinberger Stalex 1B, der rammer op til 3000 fulde billeder i sekundet, og havde mulighed for at blive monteret om bord til test af bilulykker. Fastax-kameraer kan opnå op til 18.000 billeder i sekundet med et 8-sidet prisme.
  • 35 mm roterende prisme-Photo-Sonics 4C-kameraer er i stand til 2.500 billeder/s med et full frame-prisme (4 facetter), 4.000 frame/s med et halv-frame kit og 8.000 frame/s med et kvart-frame kit.
  • 70 mm roterende prisme-Photo-Sonics 10B-kameraer er i stand til 360 frame/s med et full frame-prisme (4 facetter) og 720 frame/s med et half-frame kit.

Roterende spejl

Roterende spejlkameraer kan opdeles i to underkategorier; rene roterende spejlkameraer og roterende tromle eller Dynafax -kameraer.

I rene roterende spejlkameraer holdes filmen stille i en bue centreret omkring et roterende spejl. Grundkonstruktionen af ​​et roterende spejlkamera består af fire dele; en hovedobjektiv, en feltlinse, billedkompensationslinser og et roterende spejl for sekventielt at eksponere rammer. Et billede af objektet, der undersøges, dannes i området omkring et roterende spejl med flade flader (et trekantet spejl bruges almindeligvis, fordi det har en relativt høj sprænghastighed, men designs med otte eller flere flader er blevet brugt). En feltlinse konjugerer optisk pupillen af ​​hovedobjektivet i området af en bank med kompensationslinser, og de sidste kompensationslinser konjugerer optisk spejlet til overfladen af ​​en fotodetektor. For hver ramme, der dannes på filmen, kræves en kompensationslinse, men nogle designs har brugt en række flade spejle. Som sådan optager disse kameraer typisk ikke mere end hundrede billeder, men billedtællinger op til 2000 er blevet optaget. Det betyder, at de kun optager i meget kort tid - typisk mindre end et millisekund. Derfor kræver de specialiseret timing- og belysningsudstyr. Roterende spejlkameraer er i stand til op til 25 millioner billeder i sekundet med en typisk hastighed i millioner af fps.

Det roterende tromlekamera fungerer ved at holde en strimmel film i en sløjfe på indersporet af en roterende tromle. Denne tromle centrifugeres derefter til den hastighed, der svarer til en ønsket indramningshastighed. Billedet videresendes stadig til et internt roterende spejl centreret ved tromlens bue. Spejlet er mangefacetteret og har typisk seks til otte ansigter. Der kræves kun ét sekundært objektiv, da eksponeringen altid sker på samme tidspunkt. Rammen af ​​rammer dannes, når filmen bevæger sig hen over dette punkt. Diskrete rammer dannes, når hver på hinanden følgende spejlflade passerer gennem den optiske akse. Roterende tromlekameraer kan hastighed fra titusinder til millioner af billeder pr. Sekund, men da tromlens maksimale perifere lineære hastighed praktisk talt er omkring 500 m/s, kræver forøgelse af billedhastigheden at reducere rammens højde og/eller øge antallet af rammer udsat for det roterende spejl.

I begge typer af roterende spejlkameraer kan der opstå dobbelt eksponering, hvis systemet ikke styres korrekt. I et rent roterende spejlkamera sker dette, hvis spejlet foretager et andet pass på tværs af optikken, mens lys stadig kommer ind i kameraet. I et roterende tromlekamera sker det, hvis tromlen foretager mere end en omdrejning, mens lys kommer ind i kameraet. Mange kameraer bruger ultrahastighedsskodder som dem, der anvender sprængstof til at knuse en glasblok, hvilket gør den uigennemsigtig. Alternativt kan højhastighedsblink med en kontrolleret varighed bruges. I moderne ccd -billeddannelsessystemer kan sensorerne lukkes inden for mikrosekunder, hvilket undgår behovet for en ekstern lukker.

Roterende spejlkamera -teknologi er for nylig blevet anvendt på elektronisk billeddannelse, hvor i stedet for film er en række enkeltskudede CCD- eller CMOS -kameraer placeret rundt om det roterende spejl. Denne tilpasning muliggør alle fordelene ved elektronisk billeddannelse i kombination med hastigheden og opløsningen af ​​det roterende spejl. Hastigheder på op til 25 millioner billeder i sekundet kan opnås med typiske hastigheder i millioner af fps.

Kommerciel tilgængelighed af begge typer af roterende spejlkameraer begyndte i 1950'erne med Beckman & Whitley og Cordin Company. Beckman & Whitley solgte både roterende spejl og roterende tromlekameraer og opfandt udtrykket "Dynafax". I midten af ​​1960'erne købte Cordin Company Beckman & Whitley og har siden været den eneste kilde til roterende spejlkameraer. En udløber af Cordin Company, Millisecond Cinematography, leverede tromlekamera -teknologi til det kommercielle filmmarked.

Billeddissektion

De fleste billeddissektionskamera -designs involverer tusindvis af fiberoptiske fibre, der er samlet sammen, og som derefter adskilles i en linje, der optages med traditionelle streak -kamera -midler (roterende tromle, roterende spejl osv.). Opløsningen er begrænset til antallet af fibre, og normalt kan kun et par tusinde fibre praktisk talt bruges.

Rasterkameraer

Rasterkameraer, der ofte omtales som billeddissektionskameraer i litteraturen, involverer princippet om, at kun en lille brøkdel af et billede skal optages for at producere et synligt billede. Dette princip bruges mest til linseformet udskrivning, hvor mange billeder placeres på det samme materiale, og en række cylindriske linser (eller slidser) giver kun mulighed for at se en del af billedet ad gangen.

De fleste rasterkameraer fungerer ved hjælp af et sort gitter med meget tynde linjer ætset ind i det, med hundredvis eller tusinder af gennemsigtige linjer mellem meget tykkere uigennemsigtige områder. Hvis hver spalte er 1/10 af bredden som hvert uigennemsigtigt område, når rasteren flyttes, kan der optages 10 billeder i afstanden mellem to slidser. Dette princip tillader ekstremt høj tidsopløsning ved at ofre en vis rumlig opløsning (de fleste kameraer har kun omkring 60.000 pixels, cirka 250x250 pixel opløsning), med optagelseshastigheder på op til 1,5 milliarder billeder i sekundet. Rasterteknikker er blevet anvendt på streak -kameraer lavet af billedomformere til meget højere hastigheder. Rasterbilledet flyttes ofte gennem et roterende spejlsystem, men selve rasteren kan også flyttes hen over et filmark. Disse kameraer kan være meget vanskelige at synkronisere, da de ofte har begrænsede optagelsestider (under 200 billeder), og billeder let overskrives.

Rasteren kan laves med linseformede plader, et gitter med uigennemsigtige slidser, arrays af koniske (Selfoc) fiberoptiske osv.

Streakfotografering

Streakfotografering (tæt forbundet med stripfotografering ) bruger et streak-kamera til at kombinere en række i det væsentlige endimensionelle billeder til et todimensionalt billede. Begreberne "streak photography" og "strip photography" udskiftes ofte, selvom nogle forfattere skelner mellem dem.

Ved at fjerne prismen fra et roterende prisme -kamera og bruge en meget smal spalte i stedet for lukkeren, er det muligt at tage billeder, hvis eksponering i det væsentlige er en dimension af rumlig information, der er optaget kontinuerligt over tid. Streak records er derfor en mellemrum i forhold til tid grafisk rekord. Det billede, der resulterer, muliggør meget præcis måling af hastigheder. Det er også muligt at fange streak records ved hjælp af roterende spejlteknologi ved meget hurtigere hastigheder. Digitale linjesensorer kan også bruges til denne effekt, ligesom nogle todimensionale sensorer med en slidsmaske.

Til udviklingen af ​​sprængstoffer blev billedet af en prøvelinie projiceret på en filmbue via et roterende spejl. Flammens fremskridt optrådte som et skråt billede på filmen, hvorfra detonationens hastighed blev målt.

Bevægelseskompensationsfotografering (også kendt som ballistisk synkrofotografering eller udstrygningsfotografering, når det bruges til billedhøjhastighedsprojektiler) er en form for streakfotografering. Når filmens bevægelse er modsat motivet for motivet med en inverterende (positiv) linse og synkroniseret korrekt, viser billederne begivenheder som en funktion af tiden. Objekter, der forbliver ubevægelige, vises som striber. Dette er den teknik, der bruges til målfotografier. Det er på intet tidspunkt muligt at tage et stillbillede, der duplikerer resultaterne af et målfotografi taget med denne metode. Et stillbillede er et fotografi i tide, et streak/smear -fotografi er et fotografi af tiden. Når det bruges til at billede højhastighedsprojektiler, giver brugen af ​​en slids (som ved stregfotografering) meget korte eksponeringstider, der sikrer højere billedopløsning. Anvendelsen til højhastighedsprojektiler betyder, at der normalt produceres ét stillbillede på en rulle film. Ud fra dette billede kan information såsom gribning eller stigning bestemmes. På grund af dets måling af tidsvariationer i hastighed vil også blive vist ved laterale forvrængninger af billedet.

Ved at kombinere denne teknik med en afbøjet lysbølgefront, som ved en knivkant, er det muligt at tage fotografier af faseforstyrrelser inden for et homogent medium. For eksempel er det muligt at fange stødbølger af kugler og andre højhastighedsobjekter. Se f.eks. Skyggefotografering og schlieren fotografering .

I december 2011 rapporterede en forskningsgruppe ved MIT en kombineret implementering af laser- (stroboskopisk) og streak-kameraapplikationer for at tage billeder af en gentagen begivenhed, der kan samles igen for at oprette en billion-frame-per-second video. Denne billedoptagelseshastighed, som muliggør optagelse af billeder af fotoner i bevægelse, er mulig ved brug af streak -kameraet til hurtigt at indsamle hvert synsfelt i smalle enkeltstreg -billeder. Ved at belyse en scene med en laser, der udsender lysimpulser hvert 13. nanosekund, synkroniseret med streak-kameraet med gentagen sampling og positionering, har forskere demonstreret indsamling af endimensionelle data, der kan beregnes til en todimensionel video. Selvom denne tilgang er begrænset af tidsopløsning til gentagelige begivenheder, er stationære applikationer såsom medicinsk ultralyd eller industriel materialeanalyse muligheder.

Video

Ruptur af vandfyldt ballon fanget med 480 billeder/s

Højhastighedsfotografier kan undersøges individuelt for at følge en aktivitets forløb, eller de kan hurtigt vises i rækkefølge som en film i bevægelse med langsom bevægelse.

Tidlige videokameraer, der brugte rør (f.eks. Vidicon ) led af alvorlig "spøgelse" på grund af det faktum, at det latente billede på målet forblev, selv efter motivet havde flyttet sig. Efterhånden som systemet scannede målet, resulterede bevægelsen af ​​scanningen i forhold til motivet i artefakter, der kompromitterede billedet. Målet i Vidicon -kamerarør kan være fremstillet af forskellige fotokonduktive kemikalier, såsom antimonsulfid ( Sb 2 S 3 ), bly (II) oxid ( Pb O ) og andre med forskellige billed "stick" -egenskaber. Den Farnsworth Billede Dissector lider ikke billedet "pind" af typen Vidicons udstille, og så relaterede særlige billedomformerrør kan anvendes til at indfange korte ramme sekvenser med meget høj hastighed.

Den mekaniske lukker, opfundet af Pat Keller , et al., Ved China Lake i 1979 ( US 4171529  ), hjalp med at fastfryse handlingen og eliminere spøgelser. Dette var en mekanisk lukker, der lignede den, der blev brugt i højhastighedsfilmkameraer-en disk med en kile fjernet. Åbningen blev synkroniseret med billedhastigheden, og åbningens størrelse var proportional med integrations- eller lukkertid. Ved at gøre åbningen meget lille, kunne bevægelsen standses.

På trods af de resulterende forbedringer i billedkvaliteten var disse systemer stadig begrænset til 60 billeder/sek.

Andre billedkonverter -rørbaserede systemer opstod i 1950'erne, som inkorporerede en modificeret GenI -billedforstærker med yderligere afbøjningsplader, der gjorde det muligt at konvertere et fotonbillede til en fotoelektronstråle. Billedet, mens det var i denne fotoelektron -tilstand, kunne lukkes til og fra så kort som et par nanosekunder og afbøjes til forskellige områder af de store fosforskærme med 70 og 90 mm diameter for at producere sekvenser på op til 20+ billeder. I begyndelsen af ​​1970'erne opnåede dette kamera hastigheder på op til 600 millioner billeder/s med 1 ns eksponeringstid med mere end 20 billeder pr. Hændelse. Da de var analoge enheder, var der ingen digitale begrænsninger for datahastigheder og pixeloverførselshastigheder. Imidlertid var billedopløsningen ganske begrænset på grund af den iboende frastødning af elektroner og fosforskærmens korn samt den enkelte størrelses lille størrelse. Opløsninger på 10  lp/mm var typiske. Billederne var også iboende monokrome, da bølgelængdeinformation går tabt i foton-elektron-foton-konverteringsprocessen. Der var også en temmelig stejl afvejning mellem opløsning og antal billeder. Alle billeder er nødvendige for at falde på output -phosphorskærmen. Derfor ville en sekvens på fire billeder betyde, at hvert billede fylder en fjerdedel af skærmen; en ni billedsekvens har hvert billede optaget en niende osv. Billeder blev projiceret og holdt på rørets fosforskærm i flere millisekunder, længe nok til at være optisk og senere fiberoptisk, koblet til film til billedoptagelse. Kameraer af dette design blev lavet af Hadland Photonics Limited og NAC. Det var svært at ændre eksponeringstiden uden at ændre billedhastigheden med tidligere designs, men senere modeller tilføjede yderligere "lukkede" plader for at tillade eksponeringstid og indramningshastighed at blive ændret uafhængigt. Den begrænsende faktor for disse systemer er den tid, et billede kan fejes til den næste position.

Ud over at indramme rør kunne disse rør også konfigureres med et eller to sæt afbøjningsplader i en akse. Da lyset blev konverteret til fotoelektroner, kunne disse fotoelektroner fejes hen over fosforskærmen ved utrolige fejehastigheder, der kun blev begrænset af fejeelektronikken, for at generere de første elektroniske streak -kameraer. Uden bevægelige dele kunne der opnås fejehastigheder på op til 10 picosekunder pr. Mm, hvilket giver teknisk tidsopløsning på flere picosekunder. Allerede i 1973–74 var der kommercielle streak -kameraer i stand til 3 pikosekunders tidsopløsning, der stammer fra behovet for at evaluere de ultrakorte laserpulser, der blev udviklet på det tidspunkt. Elektroniske streak -kameraer bruges stadig i dag med tidsopløsning så kort som under picosekunder og er den eneste sande måde at måle korte optiske hændelser i picosekund -tidsskalaen.

CCD

Indførelsen af CCD revolutionerede højhastighedsfotografering i 1980'erne. Den stirrende matrix konfiguration af sensoren eliminerede scanning artefakter. Præcis styring af integrationstiden erstattede brugen af ​​den mekaniske lukker. CCD -arkitekturen begrænsede imidlertid den hastighed, hvormed billeder kunne aflæses fra sensoren. De fleste af disse systemer kørte stadig med NTSC -hastigheder (ca. 60 billeder/s), men nogle, især dem, der blev bygget af Kodak Spin Physics -gruppen, kørte hurtigere og optog på specialkonstruerede videobåndkassetter. Kodak MASD-gruppen udviklede det første HyG (robuste) højhastigheds digitale farvekamera kaldet RO, der erstattede 16 mm crash-slædekameraer. Mange nye innovationer og optagelsesmetoder blev introduceret i RO, og yderligere forbedringer blev introduceret i HG2000, et kamera, der kunne køre med 1000 billeder/s med en 512 x 384 pixelsensor i 2 sekunder. Kodak MASD-gruppen introducerede også et ultrahøjhastigheds-CCD-kamera kaldet HS4540, der blev designet og fremstillet af Photron i 1991, der optog 4.500 billeder/s ved 256 x 256. HS4540 blev brugt i vid udstrækning af virksomheder, der fremstiller bilairbag til at lave lot-test hvilket krævede den hurtige optagelseshastighed for at afbilde en implementering på 30 ms. Roper Industries købte denne division fra Kodak i november 1999, og den blev fusioneret med Redlake (som også blev købt af Roper Industries). Redlake er siden blevet købt af IDT , som i dag er førende på markedet for højhastighedskamera -markedet, og fortsætter med at betjene markedet for crashtest i biler.

Gated intensiveret CCD

I begyndelsen af ​​1990'erne blev der udviklet meget hurtige kameraer baseret på billedforstærkere med mikrokanalplader (MCP) . MCP -forstærkeren ligner teknologi, der bruges til nattesynsapplikationer. De er baseret på en lignende foton-elektron-foton-konvertering som de ovenfor beskrevne billedkonverterrør, men har en mikrokanalplade. Denne plade får en højspændingsladning, så elektroner, der kommer fra input-fotokatoden til hullerne, skaber en kaskadeffekt og derved forstærker billedsignalet. Disse elektroner falder på et outputfosfor, hvilket skaber emission af fotoner, der sammensætter det resulterende billede. Enhederne kan tændes og slukkes på tidsskalaen for picosekunder. Outputtet fra MCP'en er koblet til en CCD, normalt ved hjælp af en fusioneret fiberoptisk konus, hvilket skaber et elektronisk kamera med meget høj følsomhed og i stand til meget korte eksponeringstider, dog også en der iboende er monokrom på grund af bølgelængdeinformation tabt i foton-elektron-foton-konvertering. Pionerarbejdet på dette område blev udført af Paul Hoess, mens han var på PCO Imaging i Tyskland.

En billedsekvens ved disse meget hurtige hastigheder kan opnås ved at multiplexere MCP-CCD-kameraer bag en optisk strålesplitter og skifte MCP-enheder ved hjælp af en elektronisk sequencer-kontrol. Disse systemer bruger typisk otte til seksten MCP-CCD-billeddannere, hvilket giver en rammesekvens med hastigheder på op til 100 milliarder fps. Nogle systemer blev bygget med interline CCD'er, som muliggør to billeder pr. Kanal eller en 32 billedsekvens, dog ikke ved de højeste hastigheder (på grund af den minimale tid for overførsel mellem linjer). Disse typer kameraer blev bygget af Hadland Photonics og derefter DRS Hadland indtil 2010. Specialized Imaging i Storbritannien producerer også disse kameraer, som opnår hastigheder på op til en milliard billeder i sekundet. Den mindste eksponeringstid er dog 3 nanosekunder, hvilket begrænser den effektive billedramme til flere hundrede millioner billeder i sekundet. I 2003 introducerede Stanford Computer Optics multi-frame kameraet, XXRapidFrame. Det tillader billedsekvenser på op til 8 billeder med en lukkertid ned til 200 picosekunder med en billedhastighed på flere milliarder billeder i sekundet.

IS-CCD

En anden fremgangsmåde til at tage billeder ved ekstremt høje hastigheder er med en ISIS (In Situ storage CCD-chip, f.eks. I Shimadzu HPV-1 og HPV-2-kameraer. I en typisk interline-overførsels-CCD-chip har hver pixel et enkelt register. Opladning fra en individuel pixel kan hurtigt overføres til dets register i mikrosekundets tidsskala. Disse afgifter læses derefter ud af chippen og gemmes i en seriel "læs" -proces, der tager mere tid end overførslen til registret. Shimadzu -kameraet er baseret på en chip, hvor hver pixel har 103 registre. Opladning fra pixlen kan derefter overføres til disse registre, således at billedsekvensen gemmes "på chip" og derefter læses godt efter, at interessen er overstået. Billedhastigheder så høje som en milliard fps er mulige, idet nuværende kameraer (Kirana og HPV) opnår op til 10 millioner fps. ISIS -kameraer har den indlysende fordel i forhold til roterende spejlkameraer, at der kun er brug for en fotodetektor, og billedtallet kan være meget højere. Comp lex -synkroniseringskredsløb, der er nødvendige for synkrone roterende spejlkameraer, er heller ikke nødvendige med ISIS. Et hovedproblem med in situ -lagringschips er ghosting af rammer og lav rumlig opløsning, men moderne enheder som Kirana fra Specialized Imaging har delvist løst problemet. Hovedanvendelsen af ​​denne type billeddannelsessystem er en, hvor hændelsen finder sted mellem 50 µs og 2 ms, f.eks. Applikationer med Split-Hopkinson-trykstang , stressanalyse, lysgaspistol , målpåvirkningsstudier og DIC (Digital Image Correlation ).

ISIS -sensorer har opnået hastigheder på mere end 3,5 terapixel pr. Sekund, flere hundrede gange bedre end de topmoderne højhastighedsaflæsningskameraer.

Roterende spejl CCD

Roterende spejlfilmkamera -teknologi er blevet tilpasset til at drage fordel af CCD -billeddannelse ved at placere en række CCD -kameraer omkring et roterende spejl i stedet for film. Driftsprincipperne ligner i det væsentlige dem for roterende spejlfilmkameraer, idet billedet videresendes fra en objektiv til et roterende spejl og derefter tilbage til hvert CCD -kamera, der alle i det væsentlige fungerer som et enkelt skudkamera. Indramningshastighed bestemmes af spejlets hastighed, ikke aflæsningshastigheden af ​​billedchippen, som i enkeltchip CCD- og CMOS-systemer. Det betyder, at disse kameraer nødvendigvis skal fungere i en burst -tilstand, da de kun kan fange lige så mange billeder, som der er CCD -enheder (typisk 50–100). De er også meget mere udførlige (og derfor dyre) systemer end enkeltchip-højhastighedskameraer. Disse systemer opnår imidlertid den maksimale kombination af hastighed og opløsning, da de ikke har nogen afvejning mellem hastighed og opløsning. Typiske hastigheder er i millioner af billeder i sekundet, og typiske opløsninger er 2 til 8 megapixel pr. Billede. Disse typer kameraer blev introduceret af Beckman Whitley -virksomheden og senere købt og fremstillet af Cordin Company.

CMOS

Eksploderende cantaloupe optaget med 600 billeder i sekundet med et Casio EX-F1 kamera.

Indførelsen af CMOS- sensorteknologi revolutionerede igen højhastighedsfotografering i 1990'erne og fungerer som et klassisk eksempel på en forstyrrende teknologi . Baseret på de samme materialer som computerhukommelse var CMOS-processen billigere at bygge end CCD og lettere at integrere med on-chip-hukommelse og behandlingsfunktioner. De tilbyder også meget større fleksibilitet til at definere delarrays som aktive. Dette gør det muligt for CMOS-kameraer med høj hastighed at have bred fleksibilitet i forhold til at afvikle hastighed og opløsning. Nuværende højhastigheds CMOS-kameraer tilbyder billedrammer i fuld opløsning i tusinder af fps med opløsninger i de lave megapixel. Men de samme kameraer kan let konfigureres til at tage billeder i millioner af fps, dog med væsentligt reduceret opløsning. Billedkvaliteten og kvanteeffektiviteten af ​​CCD -enheder er stadig marginalt bedre end CMOS.

Det første patent på en Active Pixel Sensor (APS), forelagt af JPL 's Eric Fossum , førte til spin-off af Photobit, som til sidst blev købt af Micron Technology . Photobits første interesse var imidlertid på standardvideomarkedet; det første højhastigheds CMOS-system var NAC Image Technology's HSV 1000, der først blev produceret i 1990. Vision Research Phantom , Photron , NAC, Mikrotron , IDT og andre højhastighedskameraer bruger CMOS-billedsensorer (CIS) i deres kameraer. Vision Research Phantoms første CMOS -sensor, der blev brugt i Phantom 4, blev designet på det belgiske interuniversitets mikroelektronikcenter (IMEC). Disse systemer gjorde hurtigt indhug i 16 mm højhastighedsfilmkamera-markedet på trods af opløsning og rekordtider (Phantom 4 var en 1024 x 1024 pixel eller 1 megapixel med en kørekapacitet på 4 s ved fuld ramme og 1000 billeder/s ). IMEC afviklede i 2000 forskningsgruppen som FillFactory, som blev den dominerende spiller inden for design af streaming af højhastigheds billedsensorer. FillFactory blev i 2004 købt af Cypress Semiconductor og solgt igen til ON Semiconductor , mens nøglemedarbejdere fortsatte med at oprette CMOSIS i 2007 og Caeleste i 2006. Photobit introducerede til sidst en 500 frame/s 1,3 megapixelsensor , en ægte kamera-on-chip enhed fundet i mange low-end højhastighedssystemer.

Efterfølgende konkurrerer flere kameraproducenter på markedet for højhastigheds digital video, herunder iX-kameraer, AOS Technologies, Fastec Imaging, Mega Speed ​​Corp, NAC, Olympus, Photron , Mikrotron , Redlake, Vision Research, Slow Motion Camera Company og IDT , med sensorer udviklet af Photobit, Cypress, CMOSIS og interne designere. Ud over disse videnskabs- og ingeniørtyper af kameraer er der opbygget en hel industri omkring industrielle maskinsyn og krav. Den største anvendelse har været til højhastighedsfremstilling. Et system består typisk af et kamera, en rammegriber , en processor og kommunikations- og optagelsessystemer til at dokumentere eller kontrollere fremstillingsprocessen.

Infrarød

Højhastigheds infrarød fotografering er blevet mulig med introduktionen af ​​Amber Radiance og senere Indigo Phoenix. Amber blev købt af Raytheon , Amber designteam forlod og dannede Indigo, og Indigo er nu ejet af FLIR Systems . Telops, Xenics, Santa Barbara Focal Plane, CEDIP og Electrophysics har også introduceret højhastigheds infrarøde systemer.

Se også

Referencer

Yderligere læsning

  • Edgerton, Harold E .; Killian, James R. (1939). Flash !: Se det usynlige ved ultrahøjhastighedsfotografering . ASIN B00085INJ.
  • Edgerton, Harold E. (1987). Elektronisk blitz, strobe (3. udgave). Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 0-262-55014-8.
  • Mills, Mara (2014), "(Ultra-High-Speed) Photographic Engineering." , Flow 19
  • Pendley, Gil (juli 2003). Claude Cavailler; Graham P. Haddleton; Manfred Hugenschmidt (red.). "High-Speed ​​Imaging Technology; I går, i dag og i morgen". Procedure fra SPIE . 25. internationale kongres for højhastighedsfotografering og fotonik. 4948 : 110–113. Bibcode : 2003SPIE.4948..110P . doi : 10.1117/12.516992 . S2CID  108691587 .
  • Ray, SF (1997). Højhastighedsfotografering og fotonik . Oxford, Storbritannien: Focal Press.
  • Settles, GS (2001). Schlieren og skyggegraveteknikker: Visualisering af fænomener i gennemsigtige medier . Berlin: Springer-Verlag. ISBN 3-540-66155-7.

Noter

  • dokumentarfilm Moving Still (1980 udsendt på PBS Nova og BBS Horizon) har optagelser af disse processer op til den moderne solid state -æra.

eksterne links