高速攝影的種類
高速攝影綜合使用光、機(jī)、電、光電傳感器與計(jì)算機(jī)等一系列技術(shù)。高速攝影按其作用技術(shù)可以分為光機(jī)式、光電子類與可見化技術(shù)。
一.光機(jī)式相機(jī)
所有使用幾何光學(xué)原理及高速動(dòng)作的機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)快速現(xiàn)象觀測(cè)記錄的設(shè)備，統(tǒng)稱為光機(jī)式高速相機(jī)。它通常又可以分為以下３類。
１．間歇式高速攝影機(jī)
相機(jī)有輸片、收片與光學(xué)系統(tǒng)。底片在抓片機(jī)構(gòu)的拖動(dòng)下間歇運(yùn)動(dòng)。曝光在底片靜止的片刻完成。限于底片兩側(cè)齒孔的強(qiáng)度，這類相機(jī)的拍攝速度的上限為360幅／ｓ。底片通常長(zhǎng)約（200～300）ｍ。結(jié)果可以按放電影的頻率放映，使原有現(xiàn)象變化的速度放慢至多15倍，也可以用專門的判讀儀測(cè)出運(yùn)動(dòng)的多種參數(shù)。我們通常看到的體育運(yùn)動(dòng)的慢動(dòng)作，早先都是用這類攝影機(jī)拍攝的，速度約在（50～100）幅／ｓ之間。近十多年來，人們逐漸使用了高速視頻錄像技術(shù)代替了此類高速攝影機(jī)。
２．光學(xué)補(bǔ)償式高速攝影機(jī)
在這類相機(jī)中，底片連續(xù)運(yùn)動(dòng)，從靜止逐步達(dá)到某一穩(wěn)定速度，為了獲得清晰的圖像，人們使用移動(dòng)的透鏡、旋轉(zhuǎn)的棱鏡或反射鏡，使圖像在曝光時(shí)間內(nèi)與底片同速運(yùn)動(dòng)、相對(duì)靜止，目前使用**多的是旋轉(zhuǎn)棱鏡。這類相機(jī)的底片長(zhǎng)度通常在（30～120）ｍ之間，**長(zhǎng)也有600ｍ的，所得結(jié)果可以放電影。由于光學(xué)補(bǔ)償式高速攝影機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，體積小而造價(jià)低廉，它被廣泛地應(yīng)用于研究各種發(fā)光的和不發(fā)光的（加照明裝置）快速現(xiàn)象，如導(dǎo)彈的發(fā)射、工業(yè)機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)、流體力學(xué)、爆轟學(xué)、加工工藝研究、材料力學(xué)、航空航天技術(shù)等領(lǐng)域。這類相機(jī)還可按底片運(yùn)動(dòng)的方式分為牽引輸片式和鼓輪式，牽引輸片式相機(jī)的膠片總長(zhǎng)約（200～300）ｍ，拍攝頻率每秒數(shù)千幅，16ｍｍ膠片拍攝頻率上限為1.1萬幅／ｓ。鼓輪式相機(jī)的底片固定在一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)鼓輪的內(nèi)表面或外表面上，片長(zhǎng)約１ｍ，拍攝頻率可達(dá)數(shù)萬至數(shù)十萬幅每秒，畫幅總數(shù)可達(dá)到數(shù)百至數(shù)千幅。
３．轉(zhuǎn)鏡式高速攝影機(jī)
在這類相機(jī)中，底片固定在暗箱內(nèi)一個(gè)近似圓弧的片架上，用旋轉(zhuǎn)反射鏡使成像光束在底片上高速掃過。如在底片前面放置一排小透鏡，光束掃過它們時(shí)會(huì)在底片上形成一幅幅圖像，構(gòu)成所謂分幅相機(jī)。如在光學(xué)系統(tǒng)前設(shè)置一個(gè)狹縫，將目標(biāo)成像在狹縫上，并經(jīng)轉(zhuǎn)鏡成像在底片上，則當(dāng)轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)在底片上形成一個(gè)條狀圖像，條紋的寬度表示目標(biāo)沿狹縫方向線度隨時(shí)間的變化，條紋的黑度表示目標(biāo)的發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。由于拍攝結(jié)果是一個(gè)條帶，因此稱為條紋相機(jī)，有時(shí)也按動(dòng)作稱為掃描相機(jī)。其時(shí)間分辨率取決于掃描的速度和相機(jī)沿掃描方向的空間分辨率，一般在納秒（10－９ｓ）量級(jí)。分幅式轉(zhuǎn)鏡相機(jī)片長(zhǎng)（１～２）ｍ，畫幅數(shù)為十至數(shù)百幅（視畫幅大小而定），拍攝頻率數(shù)為十萬至兩千萬幅每秒。為了避免較長(zhǎng)的發(fā)光過程造成底片重復(fù)曝光，這類相機(jī)備有快開快門和快關(guān)快門。前者在轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)至某一角度時(shí)打開，后者則在光束重復(fù)掃描前關(guān)閉。轉(zhuǎn)鏡相機(jī)的轉(zhuǎn)鏡可以用特種鋼制造。當(dāng)速度進(jìn)入超高速范疇時(shí)，通常采用鈹制作，取其輕而剛韌兼?zhèn)�。這種相機(jī)多用于靶場(chǎng)，是爆轟物理、磁約束受控聚變研究及核武器試驗(yàn)等的有力工具。光機(jī)式高速相機(jī)在20世紀(jì)70年代末已經(jīng)發(fā)展得十分成熟，并在A.Dubovikde的“高速過程的照相記錄”中有仔細(xì)深入的論述。由于這類相機(jī)的拍攝速度都分別達(dá)到了它們所使用的機(jī)構(gòu)和材料的極限，所以自80年代以來這三類相機(jī)的技術(shù)還沒有什么顯著的進(jìn)步。
二．光電子類相機(jī)
所有使用電光、光電效應(yīng)及脈沖電光源的高速相機(jī)，我們統(tǒng)統(tǒng)歸入光電子類。它們還可以細(xì)分為閃光攝影、電光攝影與變像管攝影。
１．閃光攝影
閃光可以是火花放電或氙燈，也可以是脈沖激光。相機(jī)的曝光時(shí)間就是閃光持續(xù)的時(shí)間。一般火花放電的持續(xù)時(shí)間可以短至納秒，而激光脈沖則可以短至皮秒（10－12ｓ）甚至飛秒（10－15ｓ）。閃光攝影一次獲得一幅照片，如果使用依次放電的火花隙陣列或序列激光脈沖，也可以獲得多幅照片。當(dāng)使用Ｘ射線閃光時(shí)，就形成了叫做射線高速攝影的技術(shù)。
２．電光攝影
某些液體，例如硝基苯、二硫化碳等，在電場(chǎng)中有雙折射現(xiàn)象，電場(chǎng)消失后這種現(xiàn)象也很快消失，稱為Ｋｅｒｒ電光效應(yīng)。在一對(duì)正交的偏振片中間放置一個(gè)能施加電場(chǎng)的充有上述液體的盒子（通常叫克爾盒），就構(gòu)成一個(gè)快門。不加電場(chǎng)時(shí)，這個(gè)快門是不透光的，當(dāng)加一合適的電場(chǎng)時(shí)，這個(gè)快門就透光了�？扉T打開的持續(xù)時(shí)間取決于電場(chǎng)存在的時(shí)間，即加在克爾盒上的高壓電脈沖的寬度，通常為納秒量級(jí)。當(dāng)使用二硫化碳液體并用脈沖激光的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)時(shí)可以達(dá)到皮秒量級(jí)。
３．變像管高速攝影
變像管由光電陰極、電子光學(xué)聚焦系統(tǒng)及熒光屏組成。當(dāng)光學(xué)圖像照在它的光電陰極上時(shí)，光電陰極即發(fā)射出一個(gè)電子密度與光強(qiáng)相應(yīng)的電子圖像，這個(gè)電子圖像經(jīng)電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦成像在熒光屏上就重新轉(zhuǎn)換成一個(gè)與原來的光學(xué)圖像相同的可見光圖像。變像管有這樣一些優(yōu)點(diǎn)：**，它可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)變換。依靠使用不同的光電陰極，可以將紅外圖像、紫外圖像及Ｘ射線影像轉(zhuǎn)化為可見光圖像；第二，利用在變像管內(nèi)放置二維電子倍增器（ＭＣＰ）倍增電子數(shù)目并提高對(duì)電子的加速電壓，可以實(shí)現(xiàn)圖像的亮度強(qiáng)，增益通�？蛇_(dá)數(shù)千倍至數(shù)萬倍；第三，利用電磁場(chǎng)可以控制電子束的運(yùn)動(dòng)，使之偏轉(zhuǎn)掃描或中斷，從而形成快門動(dòng)作，構(gòu)成變像管高速攝影機(jī)。其時(shí)間分辨率可以達(dá)到皮秒甚至飛秒量級(jí)。與光機(jī)式高速攝影機(jī)類似，變像管相機(jī)也可以按照拍攝的結(jié)果分為單幅、多幅和條紋相機(jī)。近貼式第二代像增強(qiáng)器可以用作單幅高速攝影。開關(guān)電脈沖可以加在其光電陰極與微通道板的輸入面或ＭＣＰ的輸入面與輸出面之間。管子的導(dǎo)通時(shí)間取決于電脈沖的寬度。作為分幅或掃描用的變像管，目前大多數(shù)是靜電聚焦電偏轉(zhuǎn)式。其中的偏轉(zhuǎn)板使電子束在熒光屏上掃描，形成條紋相機(jī)。若使電子束掃過幾個(gè)狹縫并于電子束穿過狹縫后用另一偏轉(zhuǎn)板做反向偏轉(zhuǎn)以補(bǔ)償其漂移，則可形成分幅相機(jī)。另有一種光學(xué)分幅與偏轉(zhuǎn)掃描相結(jié)合的分幅變像管，目標(biāo)被兩個(gè)小孔成像在光電陰極上，所得的兩個(gè)電子圖像被偏轉(zhuǎn)板偏轉(zhuǎn)而掃過管中狹縫板上的兩個(gè)狹縫，分別形成兩次曝光，總計(jì)形成了四幅圖像。使用光學(xué)分幅的另一種結(jié)構(gòu)是在微通道板上制作微帶線，目標(biāo)由列陣針孔成像在位于ＭＣＰ的輸入面上的微帶線上，當(dāng)電脈沖沿微帶線傳輸時(shí)就依次打開了快門，使圖像依次形成在熒光屏上。新近有一種短磁聚焦的飛秒條紋管。磁聚焦避免了空間電荷效應(yīng)，在光陰極之后立即對(duì)光電子掃描，避免了光電子從光電陰極至熒光屏的飛行過程中出現(xiàn)的時(shí)間彌散和空間電荷效應(yīng)。使用行波偏轉(zhuǎn)器提高了掃描速度，因而可以獲得飛秒級(jí)時(shí)間分辨率。
４．高速攝像
光機(jī)式高速攝影機(jī)都是使用膠片記錄圖像的。這就需要顯影、定影等事后處理，費(fèi)時(shí)費(fèi)事。磁帶錄相技術(shù)出現(xiàn)之后，人們致力于高幀頻的攝錄技術(shù)，研制成功了采用高密度磁頭與磁帶的高速視頻攝錄機(jī)，攝錄頻率可達(dá)2000幅／ｓ，畫面分割后可以更高，例如六分之后可達(dá)12000幅／ｓ。**近幾年，隨著固體攝像器件ＣＣＤ、ＳＳＰＤ（自掃描光電二極管陣列器件）及ＣＭＯＳ的發(fā)展和大容量集成電路存儲(chǔ)芯片的出現(xiàn)，新的系統(tǒng)采用高速專用ＣＣＤ、ＳＳＰＤ或ＣＭＯＳ作為圖像傳感器，大容量集成電路存儲(chǔ)芯片作為記錄介質(zhì)，研制成功了固態(tài)全數(shù)字高速視頻錄像系統(tǒng)。這種系統(tǒng)既無需膠片事后處理，可以即時(shí)以標(biāo)準(zhǔn)電視制式任意倍率慢放和對(duì)畫面進(jìn)行自動(dòng)搜索，也沒有光機(jī)式高速攝影機(jī)及用磁帶記錄的高速視頻錄像系統(tǒng)的高速運(yùn)動(dòng)部件，因而沒有噪音，沒有磨損，壽命長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了快速變化現(xiàn)象的捕獲、記錄與立即重放。目前，使用ＣＣＤ和ＣＭＯＳ的高速視頻錄像的分辨率可達(dá)（1280×1280）像元，拍攝頻率至少已達(dá)2000萬幅／ｓ。同時(shí)也發(fā)展了對(duì)紅外［波長(zhǎng)（１～５）μｍ］敏感的高速相機(jī)（ＩｎＳｂ焦平面陣列探測(cè)器，256×256；128×128時(shí)6000幅／ｓ）。
三．可見化技術(shù)
客觀世界中除了物體形態(tài)、位置、亮度等等的變化是明顯可見之外，還有一些物理量是不可見的，例如溫度的分布、密度的分布、壓力的分布、應(yīng)力的分布，等等。然而這些物理量往往對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)、爆轟學(xué)、激波等的研究極為重要，于是人們發(fā)展了若干技術(shù)來顯現(xiàn)這些物理量的分布及其變化，我們稱之為可見化技術(shù)。它的基本原理有的是基于溫度或壓力的變化會(huì)引起空氣密度的變化，空氣密度的變化導(dǎo)致折射率的變化，從而引起光線傳輸路徑的變化，造成陰影或紋影。這些陰影或紋影反映了溫度或壓力的分布。有的是基于光的干涉。應(yīng)力會(huì)引起雙折射效應(yīng)，形成干涉花紋。人們可以從干涉圖中判斷應(yīng)力的分布及大小�？梢娀夹g(shù)方面，以前應(yīng)用**多的是陰影法和紋影法，近些年發(fā)展了剪切干涉與全息干涉。使用硬Ｘ射線或γ射線的攝影可以使人們看到原本看不到的物體內(nèi)部的情況或被煙霧與火光遮蔽了的事物，因而也可以歸入可見化技術(shù)。
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