Hochgeschwindigkeitsfotografie

Muybridge's Fotografische Sequenz eines Rennpferdes galoppiert, das erstmals 1878 veröffentlicht wurde.

Hochgeschwindigkeitsfotografie ist die Wissenschaft, fotografierte sehr schnelle Phänomene. 1948 die Gesellschaft für Film- und Fernsehingenieure (SMPTE) definierte Hochgeschwindigkeitsfotografie als jede Reihe von Fotografien, die von einer Kamera mit 69 Bildern pro Sekunde oder mehr und mindestens drei aufeinanderfolgende Frames aufgenommen wurden. Hochgeschwindigkeitsfotografie kann als Gegenteil von angesehen werden Zeitraffer Fotografie.

Bei allgemeiner Verwendung kann sich die Hochgeschwindigkeitsfotografie auf eine oder beide der folgenden Bedeutungen beziehen. Das erste ist, dass das Foto selbst auf eine Weise aufgenommen werden kann, um die Bewegung zu frieren, insbesondere um sich zu reduzieren Bewegungsunschärfe. Die zweite ist, dass eine Reihe von Fotografien mit einer hohen Abtastfrequenz oder einer Bildrate aufgenommen werden kann. Der erste erfordert einen Sensor mit guter Empfindlichkeit und entweder ein sehr gutes Shuttering -System oder ein sehr schnelles Blitzlicht. Die zweite erfordert einige Mittel, um aufeinanderfolgende Frames zu erfassen, entweder mit einem mechanischen Gerät oder durch sehr schnelles Verschieben von Daten auf elektronische Sensoren.

Andere Überlegungen für Hochgeschwindigkeitsfotografen sind Rekordlänge, Gegenseitigkeit Aufschlüsselung und räumliche Auflösung.

Frühe Anwendungen und Entwicklung

Nukleare Explosion fotografiert von Rapatronikkamera weniger als 1 Millisekunden nach der Detonation. Der Feuerball hat einen Durchmesser von etwa 20 Metern. Die Spikes am Boden des Feuerballs sind auf das zurückzuführen, was als die genannt wird Seiltrick -Effekt.

Die erste praktische Anwendung der Hochgeschwindigkeitsfotografie war Eadweard Muybridge's 1878 Untersuchung darüber, ob die Füße der Pferde während a tatsächlich alle gleichzeitig vom Boden waren Galopp. Das erste Foto einer überschallenden fliegenden Kugel wurde vom österreichischen Physiker Peter Salcher in aufgenommen Rijeka 1886 eine Technik, die später verwendet wurde von Ernst Mach in seinen Studien über Überschallbewegungen.^[1] Deutsche Waffenwissenschaftler wendeten die Techniken 1916 an,^[2] Das japanische Institut für Luftfahrtforschung stellte eine Kamera her, die 1931 60.000 Frames pro Sekunde aufnehmen kann.^[3]

Bell Telefonlabors war einer der ersten Kunden für eine Kamera, die von entwickelt wurde von Eastman Kodak In den frühen 1930er Jahren.^[4] Bell benutzte das System, das 16 mm lief Film bei 1000 Frame/s und hatte eine 30-m-Belastungskapazität, um zu untersuchen Relais Spring. Als Kodak es ablehnte, eine Version mit höherer Geschwindigkeit zu entwickeln, entwickelte sie sie selbst und nannte sie den Fastax. Der Fastax war mit 5.000 Frame/s in der Lage. Bell verkaufte schließlich das Kameradesign an an Westliche Elektrik, der es wiederum an die verkaufte Wollensak Optical Company. Wollensak verbesserte das Design weiter, um 10.000 Frame/s zu erreichen. Redlake Laboratories führte in den frühen 1960er Jahren eine weitere 16 mm rotierende Prismkamera, die Hycam, ein.^[5] Photo-Sonics entwickelte mehrere Modelle der rotierenden Prisma-Kamera, die in den 1960er Jahren 35 mm und 70 mm Film ausführen können. Sichtbare Lösungen führten in den 1980er Jahren die Photec IV 16 mm Kamera ein.

Im Jahr 1940 wurde Cearcy D. Miller ein Patent für die rotierende Spiegelkamera eingereicht, die theoretisch von einer Million Bildern pro Sekunde fähig war. Die erste praktische Anwendung dieser Idee war während der Manhattan -ProjektAls Berlin Brixner, der Fototechniker des Projekts, baute die erste bekannte voll funktionsfähige rotierende Spiegelkamera. Diese Kamera wurde verwendet, um frühe Prototypen der ersten Atombombe zu fotografieren, und löste ein wichtiges technisches Problem über die Form und Geschwindigkeit der Implosion.^[die?] Das war die Quelle eines aktiven Streits zwischen den Sprengstoffingenieuren und den Physik -Theoretikern gewesen.

Die D. B. Milliken Company entwickelte 1957 eine intermittierende, pinregistrierte 16-mm-Kamera für Geschwindigkeiten von 400 Rahmen.^[5] Mitchell, Redlake Laboratories und Photo-Sonics folgten schließlich in den 1960er Jahren mit einer Vielzahl von 16, 35 und 70 mm intermittierenden Kameras.

Stroboskopie- und Laseranwendungen

Harold Edgerton wird im Allgemeinen Pionierarbeit für die Verwendung des Stroboskop schnelle Bewegung einfrieren.^[6][7] Er half schließlich gefunden EI, die einige der Methoden von Edgerton verwendete, um die Physik von Explosionen zu erfassen, die erforderlich sind, um Atomwaffen zu detonieren. Ein solches Gerät war das EI Mikroflash 549,^[8] Welches ist ein Luftriegel Blitz. Sehen Sie auch das Foto einer Explosion mit a Rapatronikkamera.

Ein Foto eines Smith & Wesson -Schusses, aufgenommen mit einem Luftriegel Blitz. Das Foto wurde in einem abgedunkelten Raum aufgenommen, wobei der Verschluss der Kamera geöffnet war und der Blitz durch den Schuss der Schuss mit einem Mikrofon ausgelöst wurde.

Förderung der Idee des Stroboskops begannen die Forscher zu verwenden Laser Hochgeschwindigkeitsbewegung stoppen. Zu den jüngsten Fortschritten gehört die Verwendung von Hohe harmonische Generation Bilder der molekularen Dynamik bis zur Skala der erfassen Attosekunde (10^–18s).^[9][10]

Hochgeschwindigkeitsfilmkameras

Eine 5 -Millisekunde -Gefangennahme von Kaffee aus einem Strohhalm.

Ein Tröpfchen wird mit einem Blitz erwischt, nachdem er nach oben abprallte.

Der Auspuff-Fan in diesem Foto drehte sich bei seiner vollständigen Geschwindigkeit, als das Foto aufgenommen wurde.

Eine Hochgeschwindigkeitskamera ist definiert als die Fähigkeit, Video mit einer Geschwindigkeit von mehr als 250 Bildern pro Sekunde zu erfassen.^[11] Es gibt viele verschiedene Arten von Hochgeschwindigkeitsfilmkameras, aber sie können meistens in fünf verschiedene Kategorien eingeteilt werden:

• Intermittierende Bewegungskameras, die eine Geschwindigkeitsversion der Standard-Filmkamera mit einem Maschinenmechanismus sind, um den Film zeitweise auf einen festen Belichtungspunkt hinter der objektiven Linse zu befördern.
• Drehende Prisma -Kameras, die einen Film kontinuierlich an einem Expositionspunkt überschreiten und ein rotierendes Prisma zwischen der objektiven Linse und dem Film verwenden, um dem Bild, das der Filmbewegung entspricht, Bewegung zu verleihen, und dadurch abzubrechen.
• Drehende Spiegelkameras, die das Bild durch einen rotierenden Spiegel in einen Filmbogen weiterleiten und je nach Design bei kontinuierlichem Zugriff oder synchronem Zugriff arbeiten können.^[12]
• Bild -Dissektionskameras, die ein rotierendes Spiegelsystem verwenden können, und
• Rasterkameras, die eine "gehackte" Version eines Bildes aufzeichnen.

Intermittierende Bewegungskameras können Hunderte von Bildern pro Sekunde pro Sekunde in der Lage sind, rotierende Prisma -Kameras können Tausende bis Millionen Frames pro Sekunde in der Lage sind, rotierende Spiegelkameras können Millionen von Bildern pro Sekunde pro Sekunde in der Lage sind Dissektionskameras können Milliarden Frames pro Sekunde in der Lage sind.

Als sich die Film- und mechanischen Transporte verbesserten, wurde die Hochgeschwindigkeitsfilmkamera für die wissenschaftliche Forschung erhältlich. Kodak verlegte schließlich seinen Film von Acetatbasis nach Estar (Kodaks Name für a Mylar-äquivalentes Kunststoff), der die Festigkeit verstärkte und es ermöglichte, schneller gezogen zu werden. Der Estar war auch stabiler als Acetat, was eine genauere Messung ermöglichte, und es war nicht so anfällig für Feuer.

Jeder Filmtyp ist in vielen Lastgrößen erhältlich. Diese können in Zeitschriften gesenkt werden, um das Laden leichter zu laden. Ein 370 m (200 Fuß) Magazin ist in der Regel das längste für die Kameras von 35 mm und 70 mm. Ein 400-Fuß-Magazin ist typisch für 16-mm-Kameras, obwohl 1.000 Fuß (300 m) Magazine erhältlich sind. Typischerweise verwenden Rotations -Prismenkameras eine Filmlast von 100 Fuß (30 m). Die Bilder auf 35 mm Hochgeschwindigkeitsfilm sind typischerweise rechteckiger mit der langen Seite zwischen den Kettenradlöchern als parallel zu den Kanten wie bei der Standardfotografie. 16 mm und 70 mm Bilder sind typischerweise eher quadratisch als rechteckig. Eine Liste von Ansi Formate und Größen sind verfügbar.^[13][14]

Die meisten Kameras verwenden gepulste Zeitmarkierungen am Rande des Films (entweder innerhalb oder außerhalb der Filmperforationen), die von Funken oder später von LEDs produziert werden. Diese ermöglichen eine genaue Messung der Filmgeschwindigkeit und bei Streifen oder Abstrichbildern die Geschwindigkeitsmessung des Subjekts. Diese Impulse werden normalerweise mit 10, 100, 1000 Hz abhängig von der Geschwindigkeitseinstellung der Kamera gefahren.

Intermittierender Pinregister

Genau wie bei einer Standard -Filmkamera stoppt die zeitweise Register -PIN -Kamera den Film tatsächlich in der Filmtor während das Foto aufgenommen wird. In der Hochgeschwindigkeitsfotografie erfordert dies einige Modifikationen zum Mechanismus, um diese intermittierende Bewegung bei solchen hohen Geschwindigkeiten zu erreichen. In allen Fällen wird vor und nach dem Tor eine Schleife gebildet, um die Lücke zu erstellen und dann aufzunehmen. Pulldown -Krallen, die durch Perforationen in den Film eintreten, ihn an Ort und Stelle ziehen und dann aus den Perforationen und aus dem Filmtor herausziehen, werden multipliziert, um den Film durch mehrere Perforationen im Film zu ergreifen, wodurch der Stress reduziert wird, dem jede einzelne Perforation ausgesetzt ist. Stifte registrieren, die den Film durch Perforationen in der endgültigen Position sichern, während er ausgesetzt wird, nachdem die Pulldown -Krallen zurückgezogen wurden, werden ebenfalls multipliziert und häufig aus exotischen Materialien hergestellt. In einigen Fällen Vakuum Absaugen wird verwendet, um den Film, insbesondere 35 mm und 70 mm Film, flach zu halten, damit die Bilder im gesamten Rahmen im Fokus stehen.

• 16 mm Pin Register: D. B. Milliken Lokam, 500 Frame/s; Das Design wurde schließlich an Redlake verkauft. Photo-Sonics baute eine 16-mm-Kamera mit Pin-Registrierung mit 1000 Frame/s, entfernte sie jedoch schließlich vom Markt.
• 35 mm Pin Register: Frühe Kameras enthielten die Mitchell 35 mm. Foto-Sonics gewann eine Academy Award für technische Leistungen für den 4er im Jahr 1988.^[15] Der 4E ist zu 360 Frame/s.
• 70 mm Pin Register: Kameras umfassen ein Modell von Hulcher und Photo-Sonics 10A- und 10R-Kameras, die 125 Frame/s fähig sind.

Rotary Prisma

Die Rotations -Prismkamera ermöglichte höhere Bildraten, ohne den Film- oder Transportmechanismus so zu belasten. Der Film bewegt sich kontinuierlich an einem rotierenden Prisma vorbei, das mit dem Hauptfilm -Kettenrad synchronisiert wird, so dass die Geschwindigkeit des Films und die Geschwindigkeit des Prismas immer mit der gleichen proportionalen Geschwindigkeit laufen. Das Prisma befindet sich zwischen der objektiven Linse und dem Film, so dass die Revolution des Prismas für jedes Gesicht des Prismas einen Rahmen auf den Film "malt". Prismen sind typischerweise kubisch oder vierseitig für die Exposition von Vollframe. Da die Exposition auftritt, wenn sich das Prisma dreht, leiden Bilder in der Nähe der Ober- oder Unterseite des Rahmens, wobei das Prisma wesentlich von der Achse ist, unter einer signifikanten Aberration. Ein Verschluss kann die Ergebnisse verbessern, indem die Exposition enger um den Punkt umgeht, an dem das Prismgesichter nahezu parallel sind.

• 16 mm Drehprisma-Redlake-Hycam-Kameras können 11.000 Rahmen/s mit einem Vollrahmen-Prisma (4 Facetten), 22.000 Rahmen/s mit einem halben Rahmenkit und 44.000 Frame/s mit einem Viertel-Rahmen-Kit fähig sind. Sichtbare Lösungen machen auch die Photec IV. Für eine robustere Lösung machte Weinberger den Stalex 1B, der bis zu 3000 Full -Frames pro Sekunde einrahmt und die Fähigkeit hatte, an Bord zu montieren, um Auto -Crash -Tests zu testen. Fastax-Kameras können bis zu 18.000 Frames pro Sekunde mit einem 8-seitigen Prisma erzielen.
• 35 mm Rotary Prisma-Photo-Sonics 4C-Kameras können 2.500 Rahmen/s mit einem Vollrahmen-Prisma (4 Facetten), 4.000 Frame/s mit einem halben Rahmenkit und 8.000 Frame/s mit einem Viertel-Rahmen-Kit fähig sind.
• 70 mm Drehprisma-Photo-Sonics 10B-Kameras können 360 Rahmen/s mit einem Vollrahmen-Prisma (4 Facetten) und 720 Rahmen/s mit einem halben Rahmenkit fähig sind.

Drehspiegel

Drehspiegelkameras können in zwei Unterkategorien unterteilt werden. Reine rotierende Spiegelkameras und rotierende Trommel- oder Dynafax -Kameras.

In reinen rotierenden Spiegelkameras wird der Film in einem Lichtbogen um einen rotierenden Spiegel stationär gehalten. Die grundlegende Konstruktion einer rotierenden Spiegelkamera besteht aus vier Teilen. Eine Hauptzielobjektiv, eine Feldlinse, Bildkompensationslinsen und ein rotierender Spiegel, um Frames nacheinander freizulegen. Ein Bild des untersuchten Objekts wird in der Region eines rotierenden Spiegels mit flachen Gesichtern gebildet (ein Trihedralspiegel wird üblicherweise verwendet, da es eine relativ hohe Burstgeschwindigkeit aufweist, aber Konstruktionen mit acht oder mehr Gesichtern verwendet wurden). Eine Feldlinse konjugiert optisch den Schüler der Hauptziellinse in der Region einer Bank von Kompensationslinsen, und die endgültigen Kompensationslinsen konjugieren den Spiegel optisch an die Oberfläche eines Fotodetektors. Für jeden auf dem Film gebildeten Frame ist ein Kompensationsobjektiv erforderlich, aber einige Designs haben eine Reihe von flachen Spiegeln verwendet. Daher werden diese Kameras normalerweise nicht mehr als einhundert Frames aufnehmen, aber die Rahmenzählungen bis zu 2000 wurden aufgezeichnet. Dies bedeutet, dass sie nur eine sehr kurze Zeit aufzeichnen - in der Regel weniger als eine Millisekunde. Daher erfordern sie spezielle Zeit- und Beleuchtungsausrüstung. Rotierende Spiegelkameras können bis zu 25 Millionen Frames pro Sekunde in der Lage sind,^[16] mit typischer Geschwindigkeit in Millionen von FPS.

Die rotierende Drumkamera hält einen Filmstreifen in einer Schleife auf der Innenspur einer rotierenden Trommel.^[17] Diese Trommel wird dann auf die Geschwindigkeit gedreht, die einer gewünschten Rahmenrate entspricht. Das Bild wird immer noch an einen internen rotierenden Spiegel geleitet, der am Bogen der Trommel zentriert ist. Der Spiegel ist facettenreich und hat normalerweise sechs bis acht Gesichter. Es ist nur eine sekundäre Linse erforderlich, da die Exposition immer am gleichen Punkt auftritt. Die Serie der Frames wird gebildet, wenn der Film über diesen Punkt fließt. Diskrete Frames werden gebildet, da jede aufeinanderfolgende Gesicht des Spiegels durch die optische Achse fließt. Drehende Drumkameras können von den Zehntausenden bis Millionen Frames pro Sekunde Geschwindigkeit in der Lage sind, aber da die maximale periphere lineare Geschwindigkeit der Trommel praktisch bei 500 m/s liegt Die Anzahl der Frames, die aus dem rotierenden Spiegel ausgesetzt sind.

Bei beiden Arten von rotierenden Spiegelkameras kann eine doppelte Belichtung auftreten, wenn das System nicht ordnungsgemäß gesteuert wird. In einer reinen rotierenden Spiegelkamera geschieht dies, wenn der Spiegel einen zweiten Durchgang über die Optik macht, während das Licht noch in die Kamera eindringt. In einer rotierenden Drum -Kamera kommt es vor, wenn die Trommel mehr als eine Revolution macht, während Licht in die Kamera eindringt. Viele Kameras verwenden ultrahoch hohe Geschwindigkeitsläden, wie z. Alternativ kann hohe Geschwindigkeitsblitze mit einer kontrollierten Dauer verwendet werden. In modernen CCD -Bildgebungssystemen können die Sensoren in Mikrosekunden geschlossen werden, was die Notwendigkeit eines externen Verschlusses meidet.

Die rotierende Spiegelkamera -Technologie wurde in jüngerer Zeit auf die elektronische Bildgebung angewendet.^[18] wo statt film, eine Reihe von Single Shot CCD oder CMOs Die Kameras sind um den rotierenden Spiegel herum angeordnet. Diese Anpassung ermöglicht alle Vorteile der elektronischen Bildgebung in Kombination mit der Geschwindigkeit und Auflösung des rotierenden Spiegelansatzes. Geschwindigkeiten von bis zu 25 Millionen Bildern pro Sekunde sind erreichbar,^[16] mit typischen Geschwindigkeiten in Millionen von FPS.

Die kommerzielle Verfügbarkeit beider Arten von rotierenden Spiegelkameras begann in den 1950er Jahren mit Beckman & Whitley,^[17] und Cordin Company. Beckman & Whitley verkauften sowohl rotierende Spiegel- als auch rotierende Drumkameras und prägten den Begriff "Dynafax". Mitte der 1960er Jahre kaufte die Cordin Company Beckman & Whitley und ist seitdem die einzige Quelle für rotierende Spiegelkameras. Ein Ableger von Cordin Company, Millisekundenkinematographie, bot dem kommerziellen Kinematographiemarkt Drum Camera -Technologie.

Bilddissektion

Die meisten Bild -Dissektionskamera -Designs umfassen Tausende von Glasfaserfasern, die dann in eine Linie unterteilt werden, die mit herkömmlichen Streifenkamera (rotierende Trommel, rotierender Spiegel usw.) aufgezeichnet wird. Die Auflösung beschränkt sich auf die Anzahl der Fasern, und normalerweise können praktisch nur wenige tausend Fasern verwendet werden.

Rasterkameras

Rasterkameras, die in der Literatur häufig als Bilddissektionskameras bezeichnet werden, beinhalten das Prinzip, dass nur ein kleiner Teil eines Bildes aufgezeichnet werden muss, um ein erkennbares Bild zu erzeugen. Dieses Prinzip wird am häufigsten im Linsendruck verwendet, bei dem viele Bilder auf demselben Material platziert werden, und eine Reihe zylindrischer Linsen (oder Schlitze) ermöglicht es nur, dass ein Teil des Bildes gleichzeitig angezeigt wird.

Die meisten Rasterkameras arbeiten mit einem schwarzen Gitter mit sehr dünnen Linien, mit Hunderten oder Tausenden von transparenten Linien zwischen viel dickeren undurchsichtigen Bereichen. Wenn jeder Schlitz 1/10 die Breite wie jeder undurchsichtige Bereich beträgt, können 10 Bilder in der Entfernung zwischen zwei Schlitzen aufgezeichnet werden, wenn der Raster bewegt wird. Dieses Prinzip ermöglicht eine extrem hohe Zeitauflösung, indem es eine räumliche Auflösung opfert (die meisten Kameras haben nur rund 60.000 Pixel, etwa 250 x 250 Pixelauflösung), wobei die aufgezeichneten Raten von bis zu 1,5 Milliarden Bildern pro Sekunde aufgezeichnet wurden. Rastertechniken wurden auf Streifenkameras aus Bildwandern für viel höhere Geschwindigkeit angewendet. Das Rasterbild wird oft durch ein rotierendes Spiegelsystem bewegt, aber der Raster selbst kann auch über ein Filmblatt bewegt werden. Diese Kameras können sehr schwer zu synchronisieren sein, da sie häufig nur begrenzte Aufzeichnungszeiten (unter 200 Frames) aufweisen und Rahmen leicht überschrieben werden.

Der Raster kann mit linsenförmigen Blättern, einem Gitter von undurchsichtigen Schlitzen, Arrays von sich verjüngten (selfoc-) Glasfaser -Optik usw. hergestellt werden.

Streifenfotografie

Streifenfotografie (eng verwandt mit Streifenfotografie) verwendet a Stachelkamera Eine Reihe von im Wesentlichen eindimensionalen Bildern zu einem zweidimensionalen Bild zu kombinieren. Die Begriffe "Streifenfotografie" und "Streifenfotografie" werden oft austauscht, obwohl einige Autoren eine Unterscheidung machen.^[19]

Durch Entfernen des Prismas von einer Rotations -Prisma -Kamera und der Verwendung eines sehr engen Schlitzes anstelle des Verschlusss ist es möglich, Bilder aufzunehmen, deren Exposition im Wesentlichen eine Dimension räumlicher Informationen ist, die im Laufe der Zeit kontinuierlich aufgezeichnet wurden. Streak -Datensätze sind daher ein grafischer Datensatz von Space vs. Time. Das Bild, das Ergebnisse erzielt, ermöglicht eine sehr präzise Messung von Geschwindigkeiten. Es ist auch möglich, Streifenakten mithilfe der rotierenden Spiegeltechnologie mit viel schnelleren Geschwindigkeiten aufzunehmen. Digitale Liniensensoren können auch für diesen Effekt verwendet werden, ebenso wie einige zweidimensionale Sensoren mit einer Schlitzmaske.

Für die Entwicklung von Sprengstoff wurde das Bild einer Probelinie über einen rotierenden Spiegel auf einen Filmbogen projiziert. Der Fortschritt der Flamme erschien als schräges Bild auf dem Film, aus dem die Detonationsgeschwindigkeit gemessen wurde.^[20]

Bewegungskompensationsfotografie (auch als ballistische Synchronfotografie oder Abstrichfotografie bezeichnet, wenn sie zum Bild von Hochgeschwindigkeitsprojektilen verwendet werden) ist eine Form der Streifenfotografie. Wenn die Bewegung des Films der des Subjekts mit einer invertierenden (positiven) Linse entgegengesetzt und angemessen synchronisiert ist, zeigen die Bilder Ereignisse als Funktion der Zeit. Objekte, die bewegungslos sind, tauchen als Streifen auf. Dies ist die Technik, die für die Ziellinienfotos verwendet wird. Zu keinem Zeitpunkt ist es möglich, ein stilles Foto aufzunehmen, das die Ergebnisse eines mit dieser Methode aufgenommenen Ziellinienfotos dupliziert. A still ist ein Foto in Zeit, ein Streifen-/Schmierfoto ist ein Foto von Zeit. Wenn Sie zum Bild von Hochgeschwindigkeitsprojektilen verwendet werden, erzeugt die Verwendung eines Schlitzes (wie in der Streifenfotografie) sehr kurze Belichtungszeiten, um eine höhere Bildauflösung zu gewährleisten. Die Verwendung für Hochgeschwindigkeitsprojektile bedeutet, dass ein Standbild normalerweise auf einer Rolle Cine-Film produziert wird. Aus diesen Bildinformationen wie Gier oder Tonhöhe können ermittelt werden. Aufgrund seiner Messung der Zeitvariationen in der Geschwindigkeit wird auch durch laterale Verzerrungen des Bildes gezeigt.

Durch die Kombination dieser Technik mit einer gebeugten Wellenfront des Lichts, wie durch eine Messerkante, ist es möglich, Fotos von Phasenstörungen in einem homogenen Medium zu machen. Zum Beispiel ist es möglich, Schockwellen von Kugeln und anderen Hochgeschwindigkeitsobjekten zu erfassen. Siehe zum Beispiel, Schattenbild und Schlieren Fotografie.

Im Dezember 2011 berichtete eine Forschungsgruppe am MIT über eine kombinierte Implementierung des Laser (Stroboscopic) und Streak-Kameraanwendungen, um Bilder eines sich wiederholenden Ereignisses zu erfassen, das wieder zusammengesetzt werden kann, um ein Video mit Billionen-Fram-pro-Sekunden-Ereignis zu erstellen. Diese Rate der Bildaufnahme, die die Erfassung von Bildern von sich bewegenden Photonen ermöglicht^{[zweifelhaft – diskutieren]}, ist durch die Verwendung der Streifenkamera möglich, um jedes Sichtfeld in schmalen Einzelstreifenbildern schnell zu sammeln. Illumination einer Szene mit einem Laser, der alle 13 Nanosekunden Lichtimpulse ausgibt, synchronisiert mit der Streifenkamera mit wiederholter Stichproben und Positionierung, haben die Sammlung eindimensionaler Daten nachgewiesen, die rechnerisch zu einem zweidimensionalen Video kompiliert werden können. Obwohl dieser Ansatz durch zeitliche Auflösung auf wiederholbare Ereignisse begrenzt ist, sind stationäre Anwendungen wie medizinische Ultraschall- oder Industriematerialanalysen Möglichkeiten.^[21]

Video

Hochgeschwindigkeitsfotos können einzeln untersucht werden, um dem Fortschritt einer Aktivität zu folgen, oder sie können schnell als bewegender Film mit verlangsamter Bewegung angezeigt werden.

Frühe Videokameras verwenden Röhrchen (so wie die Vidicon) litt unter schwerem "Ghosting", weil das latente Bild auf dem Ziel auch nachdem sich das Subjekt bewegt hatte. Als das System das Ziel scannte, führte die Bewegung des Scans relativ zum Thema zu Artefakten, die das Bild beeinträchtigt haben. Das Ziel in Kamera -Röhrchen vom Vidicon -Typ kann aus verschiedenen photoleitigen Chemikalien bestehen, z. Antimonsulfid (Sb₂S₃), Blei (ii) Oxid (PbO) und andere mit verschiedenen Bild "Stick" Eigenschaften. Das Farnsworth Bilddissektor leiden nicht unter Bild "Stick" der Typ -Vidicons -Ausstellungen, und so können verwandte spezielle Bildwandlerröhrchen verwendet werden, um kurze Rahmensequenzen bei sehr hoher Geschwindigkeit zu erfassen.

Der mechanische Verschluss, erfunden von Pat Keller und anderen bei China Lake 1979 half, die Aktion einzufrieren und Ghosting zu beseitigen.^[22] Dies war ein mechanischer Verschluss, ähnlich dem in Hochgeschwindigkeitsfilmkameras verwendeten-eine Festplatte mit einem Keil entfernt. Die Öffnung wurde mit der Bildrate synchronisiert, und die Größe der Öffnung war proportional zur Integration oder zur Verschlusszeit. Indem die Öffnung sehr klein ist, konnte die Bewegung gestoppt werden.

Trotz der daraus resultierenden Verbesserungen der Bildqualität waren diese Systeme immer noch auf 60 Frame/s begrenzt.

In den 1950er Jahren tauchten andere Systeme auf dem Bildwandlerrohr auf, die einen modifizierten Geni -Bildverstärker mit zusätzlichen Deflektorplatten enthielten, wodurch ein Photonenbild in einen Photoelektronenstrahl konvertiert werden konnte. Das Bild in diesem Photoelektronenzustand könnte so kurz wie einige Nanosekunden ein- und ausgeschaltet werden und in verschiedene Bereiche der großen Phosphor -Bildschirme von 70 und 90 mm Durchmesser abgelenkt werden, um Sequenzen von bis zu 20+ Frames zu erzeugen. In den frühen 1970er Jahren erreichte diese Kamera Geschwindigkeiten von bis zu 600 Millionen Rahmen/s mit 1 NS -Belichtungszeiten mit mehr als 20 Bildern pro Ereignis. Da es sich um analoge Geräte handelte, gab es keine digitalen Einschränkungen für die Datenraten und Pixelübertragungsraten. Die Bildauflösung war jedoch aufgrund der inhärenten Abstoßung der Elektronen und des Körners des Phosphorbildschirms sowie der geringen Größe jedes einzelnen Bildes recht begrenzt. Auflösungen von 10LP/mm waren typisch. Außerdem waren die Bilder von Natur aus monochrom, da Wellenlängeninformationen im Photon-Elektronen-Photon-Konvertierungsprozess verloren gehen. Es gab auch einen ziemlich steilen Kompromiss zwischen Auflösung und Anzahl der Bilder. Alle Bilder mussten auf den Ausgangsphosphorbildschirm fallen. Daher würde eine Vier -Bild -Sequenz bedeuten, dass jedes Bild einen Viertel des Bildschirms einnimmt; Eine neun Bildsequenz hat jedes Bild, das einen neunten usw. besetzt usw. Die Bilder wurden projiziert und für mehrere Millisekunden auf dem Phosphorbildschirm des Röhrchens gehalten, lang genug, um optisch und später optisch mit Filmen gekoppelt zu sein, um die Bildaufnahme zu filmen. Kameras dieses Designs wurden von Hadland Photonics Limited und NAC hergestellt. Es war schwierig, die Expositionszeit zu ändern, ohne die Bildrate mit früheren Designs zu ändern. Spätere Modelle fügten jedoch zusätzliche "Shuttering" -Platten hinzu, um die Expositionszeit und die Rahmenrate unabhängig zu ändern. Der begrenzende Faktor dieser Systeme ist die Zeit, die ein Bild in die nächste Position übertragen werden kann.

Zusätzlich zu Framing -Röhrchen könnten diese Röhrchen auch mit einem oder zwei Sätzen Deflektorplatten in einer Achse konfiguriert werden. Als Licht in Photoelektronen umgewandelt wurde, konnten diese Photoelektronen mit unglaublichen Sweep -Geschwindigkeiten, die nur durch die Sweep -Elektronik begrenzt wurden, über den Phosphorbildschirm gefegt werden, um die ersten elektronischen Streifenkameras zu erzeugen. Ohne bewegliche Teile konnten Sweep -Geschwindigkeiten von bis zu 10 Pikosekunden pro mm erreicht werden, was somit eine technische Auflösung mehrerer Pikosekunden ergibt. Bereits 1973–74 gab es kommerzielle Streifenkameras, die 3 Pikosekundenzeitauflösung in der Lage waren, die zu diesem Zeitpunkt entwickelten ultra -kurzen Laserimpulse zu bewerten. Elektronische Streifenkameras werden bis heute mit zeitlicher Auflösung von Sub Picosekunden verwendet und sind die einzig wahre Möglichkeit, kurze optische Ereignisse in der Zeitskala der Pikosekunden zu messen.

CCD

Die Einführung der CCD Revolutionierte Hochgeschwindigkeitsfotografie in den 1980er Jahren. Das Array anstarren Die Konfiguration des Sensors beseitigte die Scan -Artefakte. Die genaue Kontrolle der Integrationszeit ersetzte die Verwendung des mechanischen Verschlusss. Die CCD -Architektur begrenzte jedoch die Rate, mit der Bilder vom Sensor gelesen werden konnten. Die meisten dieser Systeme lief immer noch um Ntsc Die Raten (ca. 60 Rahmen/n), aber einige, insbesondere die von der Kodak Spin Physics Group erstellten, wurden schneller und auf speziell konstruierten Videobandkassetten aufgezeichnet. Die Kodak Masd-Gruppe entwickelte die erste hyg (robuste) Hochgeschwindigkeits-digitale Farbkamera mit dem Namen RO, die 16-mm-Crash-Schlittenfilmkameras ersetzte.^[23] In der RO wurden viele neue Innovationen und Aufzeichnungsmethoden eingeführt, und weitere Verbesserungen wurden im HG2000 eingeführt, eine Kamera, die mit 1000 Frame/s mit einem 512 x 384 ausgeführt werden konnte Pixel Sensor für 2 Sekunden. Die Kodak Masd Group stellte auch eine Ultra-Hochgeschwindigkeits-CCD-Kamera mit dem Namen HS4540 vor, die 1991 von Photron entworfen und hergestellt wurde^[24] Das zeichnete 4.500 Frame/s bei 256 x 256 auf. Der HS4540 wurde von Unternehmen ausgiebig verwendet, um Automobil -Airbags herzustellen, um Lotentests durchzuführen, wodurch die schnelle Rekordgeschwindigkeit erforderlich war, um eine 30 -ms -Bereitstellung zu erhalten. Roper Industries kaufte diese Abteilung im November 1999 aus Kodak und wurde mit Redlake (das auch von Roper Industries gekauft) zusammengeführt. Redlake wurde seitdem von gekauft von IdtDies ist heute ein Marktführer auf dem Markt für Hochgeschwindigkeitskamera und dient weiterhin dem Automobil -Crash -Testmarkt.

Gated verstärkt CCD

In den frühen neunziger Jahren basierend auf der Mikrokanalplatte (MCP) sehr schnelle Kameras Bildverstärker wurden entwickelt. Der MCP -Verstärker ähnelt der Technologie, die für Nachtsichtanwendungen verwendet wird. Sie basieren auf einer ähnlichen Photonelektronen-Photonenumwandlung wie die oben beschriebenen Bildwandlerröhrchen, enthalten jedoch eine Mikrokanalplatte. Diese Platte erhält eine Hochspannungsladung, so dass Elektronen, die vom Eingangsphotokathode zu den Löchern kommen, einen Kaskadeneffekt erzeugen, wodurch das Bildsignal verstärkt wird. Diese Elektronen fallen auf einen Ausgangsphosphor und erzeugen die Emission von Photonen, aus denen das resultierende Bild besteht. Die Geräte können auf der Zeitskala der Pikosekunden ein- und ausgeschaltet werden. Die Ausgabe des MCP ist mit einem CCD gekoppelt, normalerweise durch eine fusionierte faseroptische Verjüngung, wodurch eine elektronische Kamera mit sehr hoher Empfindlichkeit erzeugt wird und sehr kurze Belichtungszeiten in der Lage ist verloren in der Photon-Elektron-Photonen-Umwandlung. Die Pionierarbeit in diesem Bereich wurde von Paul Hoess während der PCO -Bildgebung in Deutschland erledigt.

Eine Folge von Bildern bei diesen sehr schnellen Geschwindigkeiten kann durch Multiplexing-MCP-CCD-Kameras hinter einem optischen Strahlsplitter und Schalten der MCP-Geräte mithilfe einer elektronischen Sequenzersteuerung erhalten werden. Diese Systeme verwenden normalerweise acht bis sechzehn MCP-CCD-Bilder, was eine Frame-Sequenz mit Geschwindigkeiten von bis zu 100 Milliarden fps ergibt. Einige Systeme wurden mit Interline -CCDs erstellt, wodurch zwei Bilder pro Kanal oder eine 32 -Frame -Sequenz ermöglicht werden, jedoch nicht bei den höchsten Geschwindigkeiten (aufgrund der minimalen Zeit der Interline -Übertragung). Diese Arten von Kameras wurden bis 2010 von Hadland Photonics und dann DRS Hadland gebaut. Spezialisierte Bildgebung in Großbritannien stellt auch diese Kameras her, die eine Preise mit bis zu einer Milliarde Frames pro Sekunde erreichen. Die Mindestexpositionszeit beträgt jedoch 3 Nanosekunden, was die wirksame Rahmenquote auf mehrere hundert Millionen Frames pro Sekunde einschränkt. Im Jahr 2003 führte die Stanford Computer Optics die Multi-Framing-Kamera xxrapidframe ein. Es ermöglicht Bildsequenzen von bis zu 8 Bildern mit einer Verschlusszeit auf 200 Pikosekunden bei einer Bildrate von mehreren Milliarden Bildern pro Sekunde.^[25]

Is-ccd

Ein weiterer Ansatz zum Aufnehmen von Bildern bei extrem hohen Geschwindigkeiten ist mit einem ISIS (In -situ -Speicher -CCD -Chip, wie in der Shimadzu HPV-1 und HPV-2^[26] Kameras.^[27] In einem typischen CCD -Chip mit Interline -Übertragung verfügt jedes Pixel über ein einzelnes Register. Die Gebühr von einem einzelnen Pixel kann schnell in die Zeitskala der Mikrosekrose in sein Register übertragen werden. Diese Gebühren werden dann aus dem Chip gelesen und in einem seriellen "Lese-" -Prozess gespeichert, der mehr Zeit dauert als die Übertragung in das Register. Die Shimadzu -Kamera basiert auf einem Chip, bei dem jedes Pixel 103 Register hat. Die Ladung aus dem Pixel kann dann in diese Register übertragen werden, sodass die Bildsequenz "auf Chip" gespeichert wird und dann nach Ablauf des Interessesereignisses gut vorlesen wird. Die Bildraten von bis zu einer Milliarde fps sind möglich, wobei aktuelle Kameras (Kirana und HPV) bis zu 10 Millionen fps erreicht werden. ISIS -Kameras haben den offensichtlichen Vorteil gegenüber rotierenden Spiegelkameras, dass nur ein Fotodetektor benötigt wird und die Rahmenzahl viel höher sein kann. Komplexe Synchronisationsschaltungen, die für synchrone rotierende Spiegelkameras erforderlich sind, sind bei ISIS ebenfalls nicht erforderlich. Ein Hauptproblem bei In -situ -Speicherchips ist das Geister von Frames und eine geringe räumliche Auflösung, aber moderne Geräte wie die Kirana von Specialized Imaging haben das Problem teilweise gelöst. Die Hauptverwendung dieser Art von Bildgebungssystem ist eines, bei dem das Ereignis zwischen 50 µs und 2 ms stattfindet, z. B. Anwendungen mit Split-Hopkinson-Druckleiste, Spannungsanalyse, Light-Gas-Pistole, Ziel -Impact -Studien und DIC (Digitale Bildkorrelation).

ISIS -Sensoren haben eine Rate von mehr als 3,5 Terapixeln pro Sekunde erreicht, Hunderte Male besser als die hochgeschwindigkeitsübergreifenden Anlehungskameras.

Drehspiegel CCD

Drehende Spiegelfilmkamera -Technologie wurde angepasst, um die CCD -Bildgebung zu nutzen^[28] indem Sie eine Reihe von CCD -Kameras anstelle des Films um einen rotierenden Spiegel stellen. Die Betriebsprinzipien ähneln den rotierenden Spiegelfilmkameras im Wesentlichen, da das Bild von einer objektiven Linse zu einem rotierenden Spiegel und dann zu jeder CCD -Kamera zurückgeführt wird, die im Wesentlichen als einzelne Schusskameras betrieben werden. Die Framierungsrate wird durch die Geschwindigkeit des Spiegels bestimmt, nicht die Leseauslese des Bildgebungschips, wie in Einzelchip-CCD- und CMOS-Systemen. Dies bedeutet, dass diese Kameras notwendigerweise in einem Burst -Modus funktionieren müssen, da sie nur so viele Frames erfassen können, wie es CCD -Geräte gibt (normalerweise 50–100). Sie sind auch viel ausgefeiltere (und daher kostspielige) Systeme als Einzelchip-Highspeed-Kameras. Diese Systeme erreichen jedoch die maximale Kombination von Geschwindigkeit und Auflösung, da sie keinen Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Auflösung haben. Typische Geschwindigkeiten sind in Millionen von Frames pro Sekunde und typische Auflösungen betragen 2 bis 8 Megapixel pro Bild. Diese Arten von Kameras wurden von der Beckman Whitley Company eingeführt und später von Cordin Company gekauft und hergestellt.

CMOs

Die Einführung von CMOs Die Sensortechnologie revolutionierte in den neunziger Jahren erneut die Hochgeschwindigkeitsfotografie und dient als klassisches Beispiel für a störende Technologie. Basierend auf den gleichen Materialien wie Computerspeicher war der CMOS-Prozess billiger zu erstellen als CCD und leichter in die Chip-Speicher- und Verarbeitungsfunktionen integriert. Sie bieten auch eine viel größere Flexibilität bei der Definition von Sub-Arrays als aktiv. Auf diese Weise können Hochgeschwindigkeits-CMOS-Kameras eine breite Flexibilität beim Handeln von Geschwindigkeit und Auflösung haben. Aktuelle Hochgeschwindigkeits-CMOS-Kameras bieten in den Tausenden von FPS mit Auflösungen in den niedrigen Megapixeln eine vollständige Auflösung. Dieselben Kameras können jedoch leicht konfiguriert werden, um Bilder in Millionen von FPS zu erfassen, jedoch mit einer signifikant verringerten Auflösung. Die Bildqualität und die Quanteneffizienz von CCD -Geräten sind CMOs immer noch geringfügig überlegen.

Das erste Patent eines aktiven Pixelsensors (APS), eingereicht von Jpl's Eric Fossum, führte zur ausgründen von Photobit, das schließlich von gekauft wurde von Mikron -Technologie. Das erste Interesse von Photobit lag jedoch auf dem Standard -Videomarkt. Das erste Hochgeschwindigkeits-CMOS-System war HSV 1000 der NAC Image Technology, das 1990 erstmals hergestellt wurde. Vision Research Phantom, Photron, NAC, NAC, Mikrotron, Idt, und andere Hochgeschwindigkeitskamera Verwendet CMOS -Bildgebungssensoren (CIS) in ihren Kameras. Vision Research PhantomDer erste CMOS -Sensor, der im Phantom 4 verwendet wurde, wurde am Belgier entworfen Interuniversity Microelectronics Center (IMEC). Diese Systeme haben sich trotz Auflösung und Rekordzeiten schnell in den 16-mm-Markt für Hochgeschwindigkeitsfilmkamera eingeleitet (das Phantom 4 war ein 1024 x 1024 Pixel oder 1 Megapixelmit einer Laufkapazität von 4 s bei Vollbild und 1000 Frame/s). IMEC im Jahr 2000 drehte die Forschungsgruppe als FILFAKTORY aus, der zum dominierenden Spieler bei der Gestaltung von Hochgeschwindigkeits -Bildsensoren wurde. FILFACTORY wurde 2004 von gekauft von Cypress Semiconductor und wieder verkauft an Auf HalbleiterWährend der wichtigsten Mitarbeiter 2007 CMOSE und 2006 Caeleste erstellten Megapixel Sensor, ein echtes Kamera-On-Chip-Gerät, das in vielen Hochgeschwindigkeitssystemen mit niedrigem Endgeschwindigkeit zu finden ist.

Anschließend konkurrieren mehrere Kamerahersteller auf dem Hochgeschwindigkeits-digitalen Videomarkt, darunter IX-Cameras, AOS-Technologien, Fastec-Bildgebung, Mega Speed ​​Corp, NAC, Olympus, Photron, Mikrotron, Redlake, Vision Research, Zeitlupe Camera Company und Idt, mit Sensoren, die durch Photobit-, Zypressen-, Cmosis- und interne Designer entwickelt wurden. Zusätzlich zu jenen Wissenschafts- und Ingenieurtypen von Kameras wurde eine ganze Branche in Bezug auf industrielle Sichtsysteme und -anforderungen aufgebaut. Die Hauptanwendung war für die Hochgeschwindigkeitsherstellung. Ein System besteht normalerweise aus einer Kamera, a Rahmengrabber, ein Prozessor sowie Kommunikations- und Aufzeichnungssysteme, um den Herstellungsprozess zu dokumentieren oder zu steuern.

Infrarot

Die Hochgeschwindigkeits-Infrarotfotografie ist mit der Einführung der Bernsteinstrahl und später des Indigo Phoenix möglich geworden. Bernstein wurde von gekauft von Raytheon, das Bernsteindesign -Team verließ und hat Indigo geformt, und Indigo gehört jetzt FLIR -Systeme. Telops, Xenics, Santa Barbara Focalebene, Cedip und Elektrophysik haben ebenfalls Hochgeschwindigkeitsinfrarotsysteme eingeführt.

Siehe auch

Verweise

Weitere Lektüre

• Edgerton, Harold E.; Killian, James R. (1939). Blitz!. Asin B00085inj.
• Edgerton, Harold E. (1987). Elektronischer Blitz, Strobe (3. Aufl.). Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 0-262-55014-8.
• Mills, Mara (2014), "(Ultrahohe-hohe Geschwindigkeit) Fotografie-Engineering.", Fließen 19
• Pendley, Gil (Juli 2003). Claude Cavailler; Graham P. Haddleton; Manfred Hugenschmidt (Hrsg.). "Hochgeschwindigkeitsbildgebungstechnologie; gestern, heute & morgen". Verfahren von Spie. 25. Internationaler Kongress für Hochgeschwindigkeitsfotografie und Photonik. 4948: 110–113. Bibcode:2003spie.4948..110p. doi:10.1117/12.516992. S2CID 108691587.
• Ray, S. F. (1997). Hochgeschwindigkeitsfotografie und Photonik. Oxford, Großbritannien: Focal Press.
• Settles, G. S. (2001). Schlieren- und ShadowGraph -Techniken: Visualisierung von Phänomenen in transparenten Medien. Berlin: Springer-Verlag. ISBN 3-540-66155-7.

Anmerkungen

• Dokumentarfilm Moving Still (1980 über PBS NOVA und BBS Horizon) hat Aufnahmen dieser Prozesse bis zur modernen Solid State -Ära.

Externe Links

• Angebots-/Nachfragemuster hohe Geschwindigkeit