当前位置:主页 > 技术文章 > 高速摄影的种类

高速摄影的种类

发布时间:2021-03-22 点击次数:276
  高速摄影综合使用光、机、电、光电传感器与计算机等一系列技术。高速摄影按其作用技术可以分为光机式、光电子类与可见化技术。
 
  一.光机式相机
 
  所有使用几何光学原理及高速动作的机械机构实现对快速现象观测记录的设备,统称为光机式高速相机。它通常又可以分为以下3类。
 
  1.间歇式高速摄影机
 
  相机有输片、收片与光学系统。底片在抓片机构的拖动下间歇运动。曝光在底片静止的片刻完成。限于底片两侧齿孔的强度,这类相机的拍摄速度的上限为360幅/s。底片通常长约(200~300)m。结果可以按放电影的频率放映,使原有现象变化的速度放慢至多15倍,也可以用专门的判读仪测出运动的多种参数。我们通常看到的体育运动的慢动作,早先都是用这类摄影机拍摄的,速度约在(50~100)幅/s之间。近十多年来,人们逐渐使用了高速视频录像技术代替了此类高速摄影机。
 
  2.光学补偿式高速摄影机
 
  在这类相机中,底片连续运动,从静止逐步达到某一稳定速度,为了获得清晰的图像,人们使用移动的透镜、旋转的棱镜或反射镜,使图像在曝光时间内与底片同速运动、相对静止,目前使用**多的是旋转棱镜。这类相机的底片长度通常在(30~120)m之间,**长也有600m的,所得结果可以放电影。由于光学补偿式高速摄影机结构简单,操作方便,体积小而造价低廉,它被广泛地应用于研究各种发光的和不发光的(加照明装置)快速现象,如工业机器的运转、流体力学、爆轰学、加工工艺研究、材料力学、航空航天技术等领域。这类相机还可按底片运动的方式分为牵引输片式和鼓轮式,牵引输片式相机的胶片总长约(200~300)m,拍摄频率每秒数千幅,16mm胶片拍摄频率上限为1.1万幅/s。鼓轮式相机的底片固定在一个高速旋转鼓轮的内表面或外表面上,片长约1m,拍摄频率可达数万至数十万幅每秒,画幅总数可达到数百至数千幅。
 
  3.转镜式高速摄影机
 
  在这类相机中,底片固定在暗箱内一个近似圆弧的片架上,用旋转反射镜使成像光束在底片上高速扫过。如在底片前面放置一排小透镜,光束扫过它们时会在底片上形成一幅幅图像,构成所谓分幅相机。如在光学系统前设置一个狭缝,将目标成像在狭缝上,并经转镜成像在底片上,则当转镜旋转时会在底片上形成一个条状图像,条纹的宽度表示目标沿狭缝方向线度随时间的变化,条纹的黑度表示目标的发光强度随时间的变化。由于拍摄结果是一个条带,因此称为条纹相机,有时也按动作称为扫描相机。其时间分辨率取决于扫描的速度和相机沿扫描方向的空间分辨率,一般在纳秒(10-9s)量级。分幅式转镜相机片长(1~2)m,画幅数为十至数百幅(视画幅大小而定),拍摄频率数为十万至两千万幅每秒。为了避免较长的发光过程造成底片重复曝光,这类相机备有快开快门和快关快门。前者在转镜转至某一角度时打开,后者则在光束重复扫描前关闭。转镜相机的转镜可以用特种钢制造。当速度进入超高速范畴时,通常采用铍制作,取其轻而刚韧兼备。这种相机多用于靶场,是爆轰物理、磁约束受控聚变研究及试验等的有力工具。光机式高速相机在20世纪70年代末已经发展得十分成熟,并在A.Dubovikde的“高速过程的照相记录”中有仔细深入的论述。由于这类相机的拍摄速度都分别达到了它们所使用的机构和材料的极限,所以自80年代以来这三类相机的技术还没有什么显著的进步。
 
  二.光电子类相机
 
  所有使用电光、光电效应及脉冲电光源的高速相机,我们统统归入光电子类。它们还可以细分为闪光摄影、电光摄影与变像管摄影。
 
  1.闪光摄影
 
  闪光可以是火花放电或氙灯,也可以是脉冲激光。相机的曝光时间就是闪光持续的时间。一般火花放电的持续时间可以短至纳秒,而激光脉冲则可以短至皮秒(10-12s)甚至飞秒(10-15s)。闪光摄影一次获得一幅照片,如果使用依次放电的火花隙阵列或序列激光脉冲,也可以获得多幅照片。当使用X射线闪光时,就形成了叫做射线高速摄影的技术。
 
  2.电光摄影
 
  某些液体,例如硝基苯、二硫化碳等,在电场中有双折射现象,电场消失后这种现象也很快消失,称为Kerr电光效应。在一对正交的偏振片中间放置一个能施加电场的充有上述液体的盒子(通常叫克尔盒),就构成一个快门。不加电场时,这个快门是不透光的,当加一合适的电场时,这个快门就透光了。快门打开的持续时间取决于电场存在的时间,即加在克尔盒上的高压电脉冲的宽度,通常为纳秒量级。当使用二硫化碳液体并用脉冲激光的电场驱动时可以达到皮秒量级。
 
  3.变像管高速摄影
 
  变像管由光电阴极、电子光学聚焦系统及荧光屏组成。当光学图像照在它的光电阴极上时,光电阴极即发射出一个电子密度与光强相应的电子图像,这个电子图像经电子光学系统聚焦成像在荧光屏上就重新转换成一个与原来的光学图像相同的可见光图像。变像管有这样一些优点:**,它可以实现波长变换。依靠使用不同的光电阴极,可以将红外图像、紫外图像及X射线影像转化为可见光图像;第二,利用在变像管内放置二维电子倍增器(MCP)倍增电子数目并提高对电子的加速电压,可以实现图像的亮度强,增益通常可达数千倍至数万倍;第三,利用电磁场可以控制电子束的运动,使之偏转扫描或中断,从而形成快门动作,构成变像管高速摄影机。其时间分辨率可以达到皮秒甚至飞秒量级。与光机式高速摄影机类似,变像管相机也可以按照拍摄的结果分为单幅、多幅和条纹相机。近贴式第二代像增强器可以用作单幅高速摄影。开关电脉冲可以加在其光电阴极与微通道板的输入面或MCP的输入面与输出面之间。管子的导通时间取决于电脉冲的宽度。作为分幅或扫描用的变像管,目前大多数是静电聚焦电偏转式。其中的偏转板使电子束在荧光屏上扫描,形成条纹相机。若使电子束扫过几个狭缝并于电子束穿过狭缝后用另一偏转板做反向偏转以补偿其漂移,则可形成分幅相机。另有一种光学分幅与偏转扫描相结合的分幅变像管,目标被两个小孔成像在光电阴极上,所得的两个电子图像被偏转板偏转而扫过管中狭缝板上的两个狭缝,分别形成两次曝光,总计形成了四幅图像。使用光学分幅的另一种结构是在微通道板上制作微带线,目标由列阵针孔成像在位于MCP的输入面上的微带线上,当电脉冲沿微带线传输时就依次打开了快门,使图像依次形成在荧光屏上。新近有一种短磁聚焦的飞秒条纹管。磁聚焦避免了空间电荷效应,在光阴极之后立即对光电子扫描,避免了光电子从光电阴极至荧光屏的飞行过程中出现的时间弥散和空间电荷效应。使用行波偏转器提高了扫描速度,因而可以获得飞秒级时间分辨率。
 
  4.高速摄像
 
  光机式高速摄影机都是使用胶片记录图像的。这就需要显影、定影等事后处理,费时费事。磁带录相技术出现之后,人们致力于高帧频的摄录技术,研制成功了采用高密度磁头与磁带的高速视频摄录机,摄录频率可达2000幅/s,画面分割后可以更高,例如六分之后可达12000幅/s。**近几年,随着固体摄像器件CCD、SSPD(自扫描光电二极管阵列器件)及CMOS的发展和大容量集成电路存储芯片的出现,新的系统采用高速用CCD、SSPD或CMOS作为图像传感器,大容量集成电路存储芯片作为记录介质,研制成功了固态全数字高速视频录像系统。这种系统既无需胶片事后处理,可以即时以标准电视制式任意倍率慢放和对画面进行自动搜索,也没有光机式高速摄影机及用磁带记录的高速视频录像系统的高速运动部件,因而没有噪音,没有磨损,寿命长,实现了快速变化现象的捕获、记录与立即重放。目前,使用CCD和CMOS的高速视频录像的分辨率可达(1280×1280)像元,拍摄频率至少已达2000万幅/s。同时也发展了对红外[波长(1~5)μm]敏感的高速相机(InSb焦平面阵列探测器,256×256;128×128时6000幅/s)。
 
  三.可见化技术
 
  客观世界中除了物体形态、位置、亮度等等的变化是明显可见之外,还有一些物理量是不可见的,例如温度的分布、密度的分布、压力的分布、应力的分布,等等。然而这些物理量往往对空气动力学、爆轰学、激波等的研究极为重要,于是人们发展了若干技术来显现这些物理量的分布及其变化,我们称之为可见化技术。它的基本原理有的是基于温度或压力的变化会引起空气密度的变化,空气密度的变化导致折射率的变化,从而引起光线传输路径的变化,造成阴影或纹影。这些阴影或纹影反映了温度或压力的分布。有的是基于光的干涉。应力会引起双折射效应,形成干涉花纹。人们可以从干涉图中判断应力的分布及大小。可见化技术方面,以前应用**多的是阴影法和纹影法,近些年发展了剪切干涉与全息干涉。使用硬X射线或γ射线的摄影可以使人们看到原本看不到的物体内部的情况或被烟雾与火光遮蔽了的事物,因而也可以归入可见化技术。

版权所有 © 2021 成都光纳科技有限公司 备案号:蜀ICP备18010627号-2 技术支持:化工仪器网 sitemap.xml

在线交流 联系方式 二维码

服务热线

028-86953923

扫一扫,关注我们