Fotografia de alta velocidade

Aplicações e desenvolvimento iniciais

A primeira aplicação prática da fotografia de alta velocidade foi a investigação de Eadwears Muybridge em 1878 sobre se os pés de cavalos estavam realmente fora do chão de uma só vez durante um galope. A primeira fotografia de uma bala voadora supersônica foi tirada pelo físico austríaco Peter Salcher em Rijeka em 1886, uma técnica que mais tarde foi usada por Ernst Mach em seus estudos sobre movimento supersônico. Os cientistas de armas alemãs aplicaram as técnicas em 1916, e o Instituto Japonês de Pesquisa Aeronáutica fabricou uma câmera capaz de gravar 60.000 quadros por segundo em 1931.

A Bell Telephone Laboratories foi um dos primeiros clientes para uma câmera desenvolvida pela Eastman Kodak no início da década de 1930. Bell usou o sistema, que executou um filme de 16 mm a 1000 quadros/se tinha uma capacidade de carga de 30 metros (30 m), para estudar o salto de relé. Quando a Kodak se recusou a desenvolver uma versão de alta velocidade, a Bell Labs a desenvolveu, chamando-a de Fastax. O FASTAX era capaz de 5.000 quadros/s. Bell acabou vendendo o design da câmera para a Western Electric, que por sua vez o vendeu para a Wollensak Optical Company. Wollensak melhorou ainda mais o design para obter 10.000 quadros/s. A Redlake Laboratories introduziu outra câmera de prisma rotativa de 16 mm, a Hycam, no início dos anos 1960. A foto-e-sônica desenvolveu vários modelos de câmera PRISM rotativa capazes de executar filmes de 35 mm e 70 mm na década de 1960. A Visible Solutions introduziu a câmera PhotoC IV 16 mm na década de 1980.

Em 1940, uma patente foi arquivada pela Cearcy D. Miller para a câmera espelhada rotativa, teoricamente capaz de um milhão de quadros por segundo. A primeira aplicação prática dessa idéia foi durante o projeto de Manhattan, quando Berlin Brixner, o técnico fotográfico do projeto, construiu a primeira câmera espelhada rotativa totalmente conhecida. Esta câmera foi usada para fotografar protótipos iniciais da primeira bomba nuclear e resolveu uma questão técnica -chave sobre a forma e a velocidade da implosão, [qual?] Essa foi a fonte de uma disputa ativa entre os engenheiros de explosivos e os teóricos da física .

A D. B. Milliken Company desenvolveu uma câmera intermitente, registrada em pinos, 16 mm para velocidades de 400 quadros/s em 1957. Mitchell, Redlake Laboratories e Photo-Sonics acabaram se seguindo na década de 1960 com uma variedade de 16, 35 e 70 mm câmeras intermitentes.

Stroboscopia e aplicações a laser

Harold Edgerton é geralmente creditado por pioneiro no uso do estroboscópio para congelar o movimento rápido. Ele finalmente ajudou a fundar a EG&G, que usou alguns dos métodos de Edgerton para capturar a física das explosões necessárias para detonar armas nucleares. Um desses dispositivos foi o EG&G Microflash 549, que é um flash de gap de ar. Veja também a fotografia de uma explosão usando uma câmera rapatrônica.

Avançando a idéia do estroboscópio, os pesquisadores começaram a usar lasers para interromper o movimento de alta velocidade. Os avanços recentes incluem o uso de alta geração harmônica para capturar imagens de dinâmica molecular até a escala do altossegundo (10 a 18 s).

Câmeras de filme de alta velocidade

Uma câmera de alta velocidade é definida como tendo a capacidade de capturar vídeo a uma taxa superior a 250 quadros por segundo. Existem muitos tipos diferentes de câmeras de filme de alta velocidade, mas elas podem ser agrupadas em cinco categorias diferentes:

Intermittent motion cameras, which are a speed-up version of the standard motion picture camera using a sewing machine type mechanism to advance the film intermittently to a fixed exposure point behind the objective lens,Rotating prism cameras, which run film continuously past an exposure point and use a rotating prism between the objective lens and the film to impart motion to the image which matches the film motion, thereby canceling it out,Rotating mirror cameras, which relay the image through a rotating mirror to an arc of film, and can work in continuous access or synchronous access depending on the design.Image dissection cameras, which can use a rotating mirror system, andRaster cameras, which record a "chopped up" version of an image.

As câmeras de movimento intermitente são capazes de centenas de quadros por segundo, as câmeras de prisma rotativas são capazes de milhares a milhões de quadros por segundo, as câmeras de espelho rotativas são capazes de milhões de quadros por segundo, câmeras rastas podem obter milhões de quadros por segundo e imagem As câmeras de dissecção são capazes de bilhões de quadros por segundo. [Citação necessária]

À medida que o cinema e os transportes mecânicos melhoravam, a câmera de filme de alta velocidade ficou disponível para pesquisa científica. A Kodak acabou mudando seu filme da base de acetato para o Estar (o nome de Kodak para um plástico equivalente a Mylar), que aumentou a força e permitiu que ela fosse puxada mais rapidamente. O ESTAR também era mais estável que o acetato, permitindo uma medição mais precisa e não era tão propensa a disparar.

Cada tipo de filme está disponível em muitos tamanhos de carga. Estes podem ser cortados e colocados em revistas para facilitar o carregamento. Uma revista de 1.200 pés (370 m) é tipicamente a mais longa disponível para as câmeras de 35 mm e 70 mm. Uma revista de 400 pés (120 m) é típica para câmeras de 16 mm, embora estejam disponíveis revistas de 1.000 pés (300 m). Normalmente, as câmeras Prism rotativas usam cargas de filme de 100 pés (30m). As imagens em filme de alta velocidade de 35 mm são tipicamente mais retangulares, com o lado longo entre os orifícios da roda dentada, em vez de paralelo às bordas, como na fotografia padrão. As imagens de 16 mm e 70 mm são tipicamente mais quadradas do que retangulares. Uma lista de formatos e tamanhos ANSI está disponível.

A maioria das câmeras usa marcas de tempo pulsadas ao longo da borda do filme (dentro ou fora das perfurações do filme) produzidas por Sparks ou posterior por LEDs. Eles permitem medição precisa da velocidade do filme e, no caso de imagens de faixa ou mancha, medição de velocidade do sujeito. Esses pulsos geralmente são ciclados a 10, 100, 1000 Hz, dependendo da configuração de velocidade da câmera.

Registro intermitente de pinos

Assim como em uma câmera de cinema padrão, a câmera intermitente de pino de registro interrompe o filme no portão do filme enquanto a fotografia está sendo tirada. Na fotografia de alta velocidade, isso requer algumas modificações no mecanismo para alcançar esse movimento intermitente em velocidades tão altas. Em todos os casos, um loop é formado antes e depois do portão para criar e depois pegar a folga. Garras pulldown, que entram no filme através de perfurações, puxando -o no lugar e depois se retirando das perfurações e fora do portão do filme, são multiplicadas para agarrar o filme através de múltiplas perfurações no filme, reduzindo assim o estresse que qualquer perfuração individual é sujeito a. Os pinos de registro, que prendem o filme através de perfurações na posição final enquanto ele está sendo exposto, depois que as garras de pulldown são retraídas também são multiplicadas e geralmente feitas de materiais exóticos. Em alguns casos, a sucção a vácuo é usada para manter o filme, especialmente o filme de 35 mm e 70 mm, para que as imagens estejam em foco em todo o quadro.

16 mm pin register: D. B. Milliken Locam, capable of 500 frame/s; the design was eventually sold to Redlake. Photo-Sonics built a 16 mm pin-registered camera that was capable of 1000 frame/s, but they eventually removed it from the market.35 mm pin register: Early cameras included the Mitchell 35 mm. Photo-Sonics won an Academy Award for Technical Achievement for the 4ER in 1988. The 4E is capable of 360 frame/s.70 mm pin register: Cameras include a model made by Hulcher, and Photo-Sonics 10A and 10R cameras, capable of 125 frame/s.

PRISMO ROTÁRIO

A câmera do Prism Rotary permitiu taxas de quadros mais altas sem colocar tanto estresse no filme ou mecanismo de transporte. O filme passa continuamente além de um prisma rotativo que é sincronizado com a roda dentada do filme principal, de modo que a velocidade do filme e a velocidade do prisma estão sempre funcionando na mesma velocidade proporcional. O prisma está localizado entre a lente objetiva e o filme, de modo que a revolução do prisma "pinta" uma moldura no filme para cada face do prisma. Os prismas são tipicamente cúbicos, ou quatro lados, para exposição a quadros cheios. Como a exposição ocorre à medida que o prisma gira, as imagens próximas à parte superior ou inferior da estrutura, onde o prisma está substancialmente fora do eixo, sofrem de aberração significativa. Um obturador pode melhorar os resultados, gatando a exposição mais firmemente em torno do ponto em que as faces do prisma são quase paralelas.

16 mm rotary prism – Redlake Hycam cameras are capable of 11,000 frame/s with a full frame prism (4 facets), 22,000 frame/s with a half-frame kit, and 44,000 frame/s with a quarter-frame kit. Visible Solutions also makes the Photec IV. For a more rugged solution, Weinberger made the Stalex 1B, which frames at up to 3000full frames per second, and had the ability to be mounted on board for car crash testing. Fastax cameras can achieve up to 18,000 frames per second with an 8-sided prism.35 mm rotary prism – Photo-Sonics 4C cameras are capable of 2,500 frame/s with a full frame prism (4 facets), 4,000 frame/s with a half-frame kit, and 8,000 frame/s with a quarter-frame kit.70 mm rotary prism – Photo-Sonics 10B cameras are capable of 360 frame/s with a full frame prism (4 facets), and 720 frame/s with a half-frame kit.

Espelho rotativo

As câmeras de espelho rotativas podem ser divididas em duas subcategorias; Câmeras de espelho rotativo puro e tambor rotativo, ou câmeras Dynafax.

Em câmeras de espelho rotativo puro, o filme é realizado em um arco centrado em um espelho rotativo. A construção básica de uma câmera de espelho rotativa consiste em quatro partes; Uma lente objetiva principal, uma lente de campo, lentes de compensação de imagem e um espelho rotativo para expor sequencialmente os quadros. Uma imagem do objeto em estudo é formada na região de um espelho rotativo com faces planas (um espelho triedral é comumente usado porque possui uma velocidade de ruptura relativamente alta, mas os desenhos com oito ou mais faces foram usados). Uma lente de campo conjuga opticamente a pupila da lente objetiva principal na região de um banco de lentes de compensação, e as lentes finais de compensação conjugam opticamente o espelho à superfície de um fotodetetor. Para cada quadro formado no filme, é necessária uma lente de compensação, mas alguns designs usaram uma série de espelhos planos. Como tal, essas câmeras normalmente não registram mais de cem quadros, mas a contagem de quadros até 2000 foram registrados. Isso significa que eles gravam por apenas um tempo muito curto - normalmente menos de um milissegundo. Portanto, eles exigem equipamentos de tempo e iluminação especializados. As câmeras de espelho rotativas são capazes de até 25 milhões de quadros por segundo, com velocidade típica nos milhões de FPS.

A câmera de bateria rotativa funciona segurando uma faixa de filme em um loop na faixa interna de um tambor rotativo. Esse tambor é então aumentado à velocidade correspondente a uma taxa de enquadramento desejada. A imagem ainda é transmitida para um espelho rotativo interno centrado no arco do tambor. O espelho é multifacetado, normalmente com seis a oito faces. Apenas uma lente secundária é necessária, pois a exposição sempre ocorre no mesmo ponto. A série de quadros é formada à medida que o filme viaja por esse ponto. Os quadros discretos são formados à medida que cada face sucessiva do espelho passa pelo eixo óptico. As câmeras rotativas de tambor são capazes de velocidade das dezenas de milhares a milhões de quadros por segundo, mas como a velocidade linear periférica máxima do tambor é praticamente cerca de 500 m/s, aumentar a taxa de quadros requer diminuição da altura da estrutura e/ou aumentando O número de quadros expostos do espelho rotativo.

Nos dois tipos de câmeras de espelho rotativas, a exposição dupla pode ocorrer se o sistema não for controlado corretamente. Em uma câmera de espelho rotativo puro, isso acontece se o espelho fizer um segundo passe pela ótica enquanto a luz ainda está entrando na câmera. Em uma câmera de bateria rotativa, isso acontece se o tambor fizer mais de uma revolução enquanto a luz estiver entrando na câmera. Muitas câmeras usam persianas de alta velocidade, como aquelas que empregam explosivos para quebrar um bloco de vidro, tornando -o opaco. Alternativamente, flashes de alta velocidade com uma duração controlada podem ser usados. Nos modernos sistemas de imagem CCD, os sensores podem ser fechados em microssegundos, evitando a necessidade de um obturador externo.

A tecnologia de câmera de espelho rotativa foi aplicada mais recentemente às imagens eletrônicas, onde, em vez de filme, uma variedade de câmeras de CCD ou CMOS de tiro único ou CMOS é organizado em torno do espelho rotativo. Essa adaptação permite todas as vantagens da imagem eletrônica em combinação com a velocidade e a resolução da abordagem de espelho rotativo. Velocidade de até 25 milhões de quadros por segundo são alcançáveis, com velocidades típicas nos milhões de FPS.

A disponibilidade comercial de ambos os tipos de câmeras espelhadas rotativas começou na década de 1950 com a Beckman & Whitley e a Cordin Company. A Beckman & Whitley venderam câmeras de tambor rotativo e rotativo e cunhou o termo "dynafax". Em meados da década de 1960, a Cordin Company comprou a Beckman & Whitley e tem sido a única fonte de câmeras de espelho rotativas desde então. Uma ramificação da Cordin Company, a milissegundo cinematografia, forneceu tecnologia de câmera de bateria para o mercado de cinematografia comercial.

Dissecção de imagem

A maioria dos designs da câmera de dissecção de imagens envolve milhares de fibras de fibra óptica reunidas que são então separadas em uma linha registrada com meios tradicionais de câmera de faixa (tambor rotativo, espelho rotativo etc.). A resolução é limitada ao número de fibras e, geralmente, apenas alguns milhares de fibras podem ser praticamente usados.

Câmeras rasters

As câmeras rasters, que geralmente são chamadas de câmeras de dissecção de imagem na literatura, envolvem o princípio de que apenas uma pequena fração de uma imagem precisa ser registrada para produzir uma imagem discernível. Esse princípio é usado mais comumente na impressão lenticular, onde muitas imagens são colocadas no mesmo material e uma matriz de lentes cilíndricas (ou fendas) apenas permite que uma parte da imagem seja vista por vez.

A maioria das câmeras rasters opera usando uma grade preta com linhas muito finas gravadas nela, com centenas ou milhares de linhas transparentes entre áreas opacas muito mais espessas. Se cada fenda for 1/10 a largura como cada área opaca, quando a varredura é movida, 10 imagens podem ser registradas à distância entre duas fendas. Esse princípio permite uma resolução de tempo extremamente alta, sacrificando alguma resolução espacial (a maioria das câmeras tem apenas cerca de 60.000 pixels, cerca de 250x250 pixels de resolução), com taxas registradas de até 1,5 bilhão de quadros por segundo. Técnicas de raster foram aplicadas às câmeras de faixa feitas de conversores de imagem para velocidades muito mais altas. A imagem raster é frequentemente movida através de um sistema de espelho rotativo, mas o próprio raster também pode ser movido através de uma folha de filme. Essas câmeras podem ser muito difíceis de sincronizar, pois geralmente têm tempos de gravação limitados (menos de 200 quadros) e os quadros são facilmente substituídos.

A varredura pode ser feita com folhas lenticulares, uma grade de fendas opacas, matrizes de fibra de fibra cônica (egoísta), etc.

Fotografia de riscos

A fotografia de faixa (intimamente relacionada à fotografia de tira) usa uma câmera de faixa para combinar uma série de imagens essencialmente unidimensionais em uma imagem bidimensional. Os termos "fotografia de sequência" e "fotografia de tira" são frequentemente trocados, embora alguns autores façam uma distinção.

Ao remover o prisma de uma câmera de prisma rotativa e usar uma fenda muito estreita no lugar do obturador, é possível tirar imagens cuja exposição é essencialmente uma dimensão de informações espaciais registradas continuamente ao longo do tempo. Os registros do Streak são, portanto, um registro gráfico de espaço vs. Time. A imagem que resulta permite uma medição muito precisa das velocidades. Também é possível capturar registros de faixas usando a tecnologia de espelho rotativa em velocidades muito mais rápidas. Os sensores de linha digital também podem ser usados ​​para esse efeito, assim como alguns sensores bidimensionais com uma máscara de fenda.

Para o desenvolvimento de explosivos, a imagem de uma linha de amostra foi projetada em um arco de filme através de um espelho rotativo. O avanço da chama apareceu como uma imagem oblíqua no filme, da qual a velocidade de detonação foi medida.

A fotografia de compensação de movimento (também conhecida como fotografia síncro balística ou fotografia de esfregaço quando usada para imaginar projéteis de alta velocidade) é uma forma de fotografia de estrias. Quando o movimento do filme é oposto ao do sujeito com uma lente inversora (positiva) e sincronizada adequadamente, as imagens mostram eventos em função do tempo. Objetos permanecem imóveis aparecem como estrias. Esta é a técnica usada para fotografias da linha de chegada. Em nenhum momento é possível tirar uma fotografia parada que duplica os resultados de uma fotografia de linha de chegada tirada com esse método. A Still é uma fotografia a tempo, uma fotografia/mancha é uma fotografia do tempo. Quando usados ​​para imaginar projéteis de alta velocidade, o uso de uma fenda (como na fotografia de streak) produz tempos de exposição muito curtos, garantindo uma maior resolução de imagem. O uso para projéteis de alta velocidade significa que uma imagem ainda é normalmente produzida em um rolo de filme cine. A partir desta imagem, informações como guinada ou tom podem ser determinadas. Devido à sua medição das variações de tempo na velocidade, também serão mostradas por distorções laterais da imagem.

Ao combinar essa técnica com uma frente de onda difratada de luz, como por uma borda da faca, é possível tirar fotografias de perturbações de fase dentro de um meio homogêneo. Por exemplo, é possível capturar ondas de choque de balas e outros objetos de alta velocidade. Veja, por exemplo, ShadowGraph e Schlieren Photography.

Em dezembro de 2011, um grupo de pesquisa do MIT relatou uma implementação combinada do laser (estroboscópica) e aplicativos de câmera Streak para capturar imagens de um evento repetitivo que pode ser remontado para criar um vídeo de trilhão de quadros por segundo. Essa taxa de aquisição de imagens, que permite a captura de imagens de fótons em movimento [duvidosa - discuta], é possível pelo uso da câmera de sequência para coletar cada campo de visão rapidamente em imagens estreitas de faixa única. Iluminando uma cena com um laser que emite pulsos de luz a cada 13 nanossegundos, sincronizados com a câmera de sequência com amostragem e posicionamento repetidos, os pesquisadores demonstraram coleta de dados unidimensionais que podem ser compilados computacionalmente em um vídeo bidimensional. Embora essa abordagem seja limitada pela resolução de tempo a eventos repetíveis, aplicações estacionárias, como ultrassom médico ou análise de materiais industriais, são possibilidades.

Vídeo

Fotografias de alta velocidade podem ser examinadas individualmente para seguir o progresso de uma atividade, ou podem ser exibidas rapidamente em sequência como um filme em movimento com movimento lento.

As câmeras de vídeo iniciais usando tubos (como o Vidicon) sofriam de "fantasmas" graves devido ao fato de que a imagem latente no alvo permaneceu mesmo depois que o sujeito se moveu. Além disso, à medida que o sistema digitalizou o alvo, o movimento da varredura em relação ao sujeito resultou em artefatos que comprometiam a imagem. O alvo nos tubos da câmera do tipo Vidicon pode ser feito de vários produtos químicos fotocondutivos, como sulfeto de antimônio (SB2S3), óxido de chumbo (II) (PBO) e outros com várias propriedades de "stick" da imagem. O dissector de imagem de Farnsworth não sofreu com a imagem "bastão" do tipo que os vidicons exibem, e os tubos de conversor de imagem especiais relacionados podem ser usados ​​para capturar sequências de estrutura curta em alta velocidade. [Citação necessária]

O obturador mecânico, inventado por Pat Keller e outros em China Lake em 1979, ajudou a congelar a ação e eliminar fantasmas. Era um obturador mecânico semelhante ao usado em câmeras de filme de alta velocidade-um disco com uma cunha removida. A abertura foi sincronizada com a taxa de quadros e o tamanho da abertura foi proporcional à integração ou tempo do obturador. Ao tornar a abertura muito pequena, o movimento pode ser interrompido.

Apesar das melhorias resultantes na qualidade da imagem, esses sistemas ainda estavam limitados a 60 quadros/s.

Outros sistemas baseados em tubo de conversor de imagem surgiram na década de 1950, que incorporaram um intensificador de imagem GENI modificado com placas de defletor adicionais que permitiam que uma imagem de fóton fosse convertida em um feixe de fotoelétrons. A imagem, enquanto neste estado de fotoelétron, pode ser fechada e desativada tão curta quanto alguns nanossegundos e desviada para diferentes áreas das grandes telas de fósforo de 70 e 90 mm de diâmetro para produzir sequências de até 20 quadros. No início da década de 1970, essas câmeras atingiram velocidades de até 600 milhões de quadros/s, com 1 NS de exposição, com mais de 20 quadros por evento. Como eram dispositivos analógicos, não havia limitações digitais nas taxas de dados e taxas de transferência de pixels. No entanto, a resolução da imagem foi bastante limitada, devido à repulsão inerente aos elétrons e ao grão da tela do fósforo, bem como ao tamanho pequeno de cada imagem individual. As resoluções de 10 lp/mm foram típicas. Além disso, as imagens eram inerentemente monocromáticas, pois as informações do comprimento de onda são perdidas no processo de conversão de fótons-elétron-fóton. Houve também uma troca bastante acentuada entre resolução e número de imagens. Todas as imagens necessárias para cair na tela de fósforo de saída. Portanto, uma sequência de quatro imagens significaria que cada imagem ocupa um quarto da tela; Uma sequência de nove imagens tem cada imagem que ocupava uma nona, etc. As imagens foram projetadas e mantidas na tela de fósforo do tubo para vários milissegundos, por tempo suficiente para serem opticamente, e posteriormente fibra opticamente, acoplados ao filme para captura de imagem. As câmeras deste design foram feitas pela Hadland Photonics Limited e NAC. Era difícil alterar o tempo de exposição sem alterar a taxa de quadros com projetos anteriores, mas os modelos posteriores adicionaram placas adicionais de "fechamento" para permitir que o tempo de exposição e a taxa de enquadramento sejam alterados de forma independente. O fator limitante desses sistemas é o tempo em que uma imagem pode ser varrida para a próxima posição.

Além dos tubos de enquadramento, esses tubos também podem ser configurados com um ou dois conjuntos de placas de defletor em um eixo. Como a luz foi convertida em fotoelétrons, esses fotoelétrons podiam ser varridos pela tela do fósforo em velocidades de varredura incríveis limitadas apenas pelos eletrônicos de varredura, para gerar as primeiras câmeras eletrônicas. Sem peças móveis, podem ser alcançadas velocidades de varredura de até 10 picossegundos por mm, dando à resolução de tempo técnico de vários picossegundos. Já em 1973-74, havia câmeras comerciais capazes de 3 resolução de tempo de picossegundos derivados da necessidade de avaliar os pulsos de laser ultra curtos que estavam sendo desenvolvidos na época. As câmeras de faixa eletrônica ainda são usadas hoje com resolução de tempo tão curta quanto sub -picossegundos e são a única maneira verdadeira de medir eventos ópticos curtos na escala de tempo de picossegundos.

CCD

A introdução da CCD revolucionou a fotografia de alta velocidade na década de 1980. A configuração do array do sensor eliminou os artefatos de varredura. O controle preciso do tempo de integração substituiu o uso do obturador mecânico. No entanto, a arquitetura do CCD limitou a taxa na qual as imagens poderiam ser lidas no sensor. A maioria desses sistemas ainda era executada a taxas do NTSC (aproximadamente 60 quadros/s), mas alguns, especialmente os construídos pelo Kodak Spin Physics Group, correram mais rápido e gravado em cassetes de fita de vídeo especialmente construídas. O Kodak Masd Group desenvolveu a primeira câmera de cores digital de alta velocidade HYG (robusta) chamada RO que substituiu as câmeras de filme de trenó de 16 mm. Muitas novas inovações e métodos de gravação foram introduzidos no RO e aprimoramentos adicionais foram introduzidos no HG2000, uma câmera que poderia ser executada a 1000 quadros/s com um sensor de 512 x 384 pixels por 2 segundos. O Kodak Masd Group também introduziu uma câmera CCD de alta velocidade chamada HS4540, projetada e fabricada pela Photron em 1991, que registrou 4.500 quadros/s a 256 x 256. O HS4540 foi amplamente utilizado por empresas que fabricam bolsas de airs automotivas para fazer testes de lotes que exigia a velocidade de recorde rápida para imaginar uma implantação de 30 ms. A Roper Industries comprou esta divisão da Kodak em novembro de 1999 e foi fundida com Redlake (que também foi comprada pela Roper Industries). Desde então, a Redlake foi comprada pela IDT, que hoje é líder de mercado no mercado de câmeras de alta velocidade, e continua a servir ao mercado de testes de colisão automotiva.

CCD intensificado e intensificado

No início dos anos 90, foram desenvolvidos câmeras muito rápidas baseadas em intensificadores de imagem de imagem de micro-canais (MCP). O intensificador do MCP é semelhante à tecnologia usada para aplicações de visão noturna. Eles são baseados em uma conversão semelhante de fótone-elétron-fóton aos tubos conversores de imagem acima descrita, mas incorporam uma placa de micro-canais. Esta placa recebe uma carga de alta tensão, de modo que os elétrons provenientes do fotocatodo de entrada para os orifícios criem um efeito em cascata, amplificando assim o sinal da imagem. Esses elétrons caem em um fósforo de saída, criando a emissão de fótons que compõem a imagem resultante. Os dispositivos podem ser ligados e desligados na escala de tempo de picossegundos. A saída do MCP é acoplada a um CCD, geralmente por meio de um círio de fibra óptica fundido, criando uma câmera eletrônica com sensibilidade muito alta e capaz de tempos de exposição muito curtos, embora também seja inerentemente monocromático devido a informações sobre o comprimento de onda Perdido na conversão de fótons-elétron-fóton. O trabalho pioneiro nessa área foi realizado por Paul Hoess enquanto estava na PCO Imaging na Alemanha.

Uma sequência de imagens nessas velocidades muito rápidas pode ser obtida com câmeras MCP-CCD multiplexador atrás de um divisor de feixe óptico e alternando os dispositivos MCP usando um controle de sequenciador eletrônico. Esses sistemas normalmente usam oito a dezesseis imagens de MCP-CCD, produzindo uma sequência de quadros em velocidades de até 100 bilhões de FPS. Alguns sistemas foram construídos com CCDs entre linha, que permitem duas imagens por canal, ou uma sequência de quadros 32, embora não esteja nas velocidades mais altas (devido ao tempo mínimo da transferência entre linha). Esses tipos de câmeras foram construídos pela Hadland Photonics e depois aos Drs Hadland até 2010. Imagens especializadas no Reino Unido também fabrica essas câmeras, que atingem taxas a um bilhão de quadros por segundo. No entanto, o tempo mínimo de exposição é de 3 nanossegundos, o que limita a taxa efetiva de enquadramento a várias centenas de milhões de quadros por segundo. Em 2003, a Stanford Computer Optics introduziu a câmera multi-quadro, xxrapidframe. Ele permite sequências de imagem de até 8 imagens com um tempo de obturador até 200 picossegundos a uma taxa de quadros de vários bilhões de quadros por segundo.

IS-CCD

Outra abordagem para capturar imagens em velocidades extremamente altas é com um ISIS (chip CCD de armazenamento in situ, como nas câmeras Shimadzu HPV-1 e HPV-2. De um pixel individual, pode ser rapidamente transferido para o seu registro na escala de tempo de microssegundos. Essas cargas são lidas do chip e armazenadas em um processo de "leitura" em série que leva mais tempo do que a transferência para o registro. A câmera Shimadzu é com base em um chip em que cada pixel possui 103 registros. A carga do pixel pode ser transferida para esses registros, de modo que a sequência de imagens seja armazenada "no chip" e depois leia bem após o término do evento. Como um bilhão de FPs são possíveis, com as câmeras atuais (Kirana e HPV) atingindo até 10 milhões de câmeras ISIS têm a vantagem óbvia sobre as câmeras espelhadas rotativas de que apenas um fotodetector é necessário e a contagem de quadros pode ser muito maior. Comp. Os circuitos de sincronização de Lex necessários para câmeras de espelho rotativo síncrono também não são necessárias com o ISIS. Um problema principal com chips de armazenamento in situ é o fantasma de quadros e baixa resolução espacial, mas dispositivos modernos como o Kirana da imagem especializada resolveram parcialmente o problema. O principal uso desse tipo de sistema de imagem é aquele em que o evento ocorre entre 50 µs e 2 ms, como aplicações com barra de pressão Split-Hopkinson, análise de tensão, arma de gás leve, estudos de impacto-alvo e DIC (Correlação de imagem digital ).

Os sensores do ISIS alcançaram taxas de mais de 3,5 terapixels por segundo, centenas de vezes melhores que as câmeras de leitura de alta velocidade de última geração.

Espelho rotativo ccd

A tecnologia de câmera de filme espelhado rotativa foi adaptada para aproveitar a imagem do CCD, colocando uma variedade de câmeras CCD em torno de um espelho rotativo no lugar do filme. Os princípios operacionais são substancialmente semelhantes aos das câmeras de filme espelhado rotativo, pois a imagem é retransmitida de uma lente objetiva para um espelho rotativo e depois de volta para cada câmera CCD, que está operando essencialmente como uma única câmeras de tiro. A taxa de enquadramento é determinada pela velocidade do espelho, não pela taxa de leitura do chip de imagem, como nos sistemas CCD e CMOS de chip único. Isso significa que essas câmeras devem necessariamente funcionar no modo de explosão, pois só podem capturar tantos quadros quanto os dispositivos CCD (normalmente 50-100). Eles também são sistemas muito mais elaborados (e, portanto, caros) do que as câmeras de alta velocidade de chip. Esses sistemas, no entanto, alcançam a combinação máxima de velocidade e resolução, pois não têm troca entre velocidade e resolução. As velocidades típicas estão entre os milhões de quadros por segundo, e as resoluções típicas são de 2 a 8 megapixels por imagem. Esses tipos de câmeras foram introduzidos pela Beckman Whitley Company e mais tarde comprados e fabricados pela Cordin Company.

CMOS

A introdução da tecnologia do sensor CMOS revolucionou novamente a fotografia de alta velocidade nos anos 90 e serve como um exemplo clássico de uma tecnologia disruptiva. Com base nos mesmos materiais que a memória do computador, o processo CMOS era mais barato de construir do que o CCD e mais fácil de integrar com a memória no chip e as funções de processamento. Eles também oferecem uma flexibilidade muito maior na definição de sub-maiores de teatro como ativos. Isso permite que as câmeras CMOS de alta velocidade tenham ampla flexibilidade na negociação de velocidade e resolução. As câmeras CMOS de alta velocidade atuais oferecem taxas de enquadramento de resolução completa nos milhares de FPS com resoluções nos megapixels baixos. Mas essas mesmas câmeras podem ser facilmente configuradas para capturar imagens nos milhões de FPS, embora com resolução significativamente reduzida. A qualidade da imagem e a eficiência quântica dos dispositivos CCD ainda são marginalmente superiores aos CMOs.

A primeira patente de um sensor de pixel ativo (APS), enviado por Eric Fossum, da JPL, levou ao spin-off do Photobit, que acabou sendo comprado pela Micron Technology. No entanto, o primeiro interesse da Photobit estava no mercado de vídeo padrão; O primeiro sistema CMOS de alta velocidade foi o HSV 1000 da NAC Image Technology, produzido pela primeira vez em 1990. Vision Research Phantom, Photron, NAC, Mikrotron, IDT e outras câmera de alta velocidade usa sensores de imagem CMOS (ICs) em suas câmeras. O primeiro sensor CMOS da Vision Research Phantom, usado no Phantom 4, foi projetado no Centro de Microeletronics da Interuniversidade Belga (IMEC). Esses sistemas rapidamente fizeram incursões no mercado de câmeras de filmes de alta velocidade de 16 mm, apesar dos tempos de resolução e recorde (o Phantom 4 era um 1024 x 1024 pixels, ou 1 megapixel, com uma capacidade de execução de 4 s em quadro completo e 1000 quadros/s ). Em 2000, o IMEC girou o grupo de pesquisa como FillFactory, que se tornou o jogador dominante no design de sensores de imagem de alta velocidade. O FillFactory foi em 2004 adquirido pela Cypress Semiconductor e vendido novamente para o semicondutor, enquanto a equipe-chave criou cmose em 2007 e Caeleste em 2006. A Photobit acabou introduzindo um sensor de 500 quadros/s 1,3 megapixel, uma verdadeira câmera on-chip dispositivo encontrado em muitos sistemas de alta velocidade em baixa.

Posteriormente, vários fabricantes de câmeras competem no mercado de vídeos digitais de alta velocidade, incluindo IX-Cameras, AOS Technologies, Fastec Imaging, Mega Speed ​​Corp, NAC, Olympus, Photron, Mikrotron, Redlake, Vision Research, Slow Motion Camera Company e IDT, Com sensores desenvolvidos por Photobit, Cypress, Cmose e designers internos. Além dos tipos de câmeras científicas e de engenharia, uma indústria inteira foi construída em torno dos sistemas e requisitos de visão de máquinas industriais. A principal aplicação tem sido para fabricação de alta velocidade. Um sistema normalmente consiste em uma câmera, um agarrador de quadros, um processador e sistemas de comunicação e gravação para documentar ou controlar o processo de fabricação.

Infravermelho

A fotografia infravermelha de alta velocidade tornou-se possível com a introdução do brilho âmbar e, posteriormente, o Indigo Phoenix. Amber foi comprada pela Raytheon, a equipe de design da Amber deixada e formou o Indigo, e o Indigo agora é de propriedade da FLIR Systems. Telops, Xenics, Santa Barbara Focal Plane, CEDIP e eletrofísica também introduziram sistemas infravermelhos de alta velocidade.

Veja também

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