高速攝影的種類
高速攝影綜合使用光、機、電、光電傳感器與計算機等一系列技術(shù)。高速攝影按其作用技術(shù)可以分為光機式、光電子類與可見化技術(shù)。
一.光機式相機
所有使用幾何光學(xué)原理及高速動作的機械機構(gòu)實現(xiàn)對快速現(xiàn)象觀測記錄的設(shè)備，統(tǒng)稱為光機式高速相機。它通常又可以分為以下３類。
１．間歇式高速攝影機
相機有輸片、收片與光學(xué)系統(tǒng)。底片在抓片機構(gòu)的拖動下間歇運動。曝光在底片靜止的片刻完成。限于底片兩側(cè)齒孔的強度，這類相機的拍攝速度的上限為360幅／ｓ。底片通常長約（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出運動的多種參數(shù)。我們通�？吹降捏w育運動的慢動作，早先都是用這類攝影機拍攝的，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。
２．光學(xué)補償式高速攝影機
在這類相機中，底片連續(xù)運動，從靜止逐步達到某一穩(wěn)定速度，為了獲得清晰的圖像，人們使用移動的透鏡、旋轉(zhuǎn)的棱鏡或反射鏡，使圖像在曝光時間內(nèi)與底片同速運動、相對靜止，目前使用**多的是旋轉(zhuǎn)棱鏡。這類相機的底片長度通常在（30～120）ｍ之間，**長也有600ｍ的，所得結(jié)果可以放電影。由于光學(xué)補償式高速攝影機結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，體積小而造價低廉，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)機器的運轉(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。這類相機還可按底片運動的方式分為牽引輸片式和鼓輪式，牽引輸片式相機的膠片總長約（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。鼓輪式相機的底片固定在一個高速旋轉(zhuǎn)鼓輪的內(nèi)表面或外表面上，片長約１ｍ，拍攝頻率可達數(shù)萬至數(shù)十萬幅每秒，畫幅總數(shù)可達到數(shù)百至數(shù)千幅。
３．轉(zhuǎn)鏡式高速攝影機
在這類相機中，底片固定在暗箱內(nèi)一個近似圓弧的片架上，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，光束掃過它們時會在底片上形成一幅幅圖像，構(gòu)成所謂分幅相機。如在光學(xué)系統(tǒng)前設(shè)置一個狹縫，將目標成像在狹縫上，并經(jīng)轉(zhuǎn)鏡成像在底片上，則當(dāng)轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時會在底片上形成一個條狀圖像，條紋的寬度表示目標沿狹縫方向線度隨時間的變化，條紋的黑度表示目標的發(fā)光強度隨時間的變化。由于拍攝結(jié)果是一個條帶，因此稱為條紋相機，有時也按動作稱為掃描相機。其時間分辨率取決于掃描的速度和相機沿掃描方向的空間分辨率，一般在納秒（10－９ｓ）量級。分幅式轉(zhuǎn)鏡相機片長（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。為了避免較長的發(fā)光過程造成底片重復(fù)曝光，這類相機備有快開快門和快關(guān)快門。前者在轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)至某一角度時打開，后者則在光束重復(fù)掃描前關(guān)閉。轉(zhuǎn)鏡相機的轉(zhuǎn)鏡可以用特種鋼制造。當(dāng)速度進入超高速范疇時，通常采用鈹制作，取其輕而剛韌兼?zhèn)洹＿@種相機多用于靶場，是爆轟物理、磁約束受控聚變研究及核武器試驗等的有力工具。光機式高速相機在20世紀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”中有仔細深入的論述。由于這類相機的拍攝速度都分別達到了它們所使用的機構(gòu)和材料的極限，所以自80年代以來這三類相機的技術(shù)還沒有什么顯著的進步。
二．光電子類相機
所有使用電光、光電效應(yīng)及脈沖電光源的高速相機，我們統(tǒng)統(tǒng)歸入光電子類。它們還可以細分為閃光攝影、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。相機的曝光時間就是閃光持續(xù)的時間。一般火花放電的持續(xù)時間可以短至納秒，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，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，在電場中有雙折射現(xiàn)象，電場消失后這種現(xiàn)象也很快消失，稱為Ｋｅｒｒ電光效應(yīng)。在一對正交的偏振片中間放置一個能施加電場的充有上述液體的盒子（通常叫克爾盒），就構(gòu)成一個快門。不加電場時，這個快門是不透光的，當(dāng)加一合適的電場時，這個快門就透光了。快門打開的持續(xù)時間取決于電場存在的時間，即加在克爾盒上的高壓電脈沖的寬度，通常為納秒量級。當(dāng)使用二硫化碳液體并用脈沖激光的電場驅(qū)動時可以達到皮秒量級。
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，光電陰極即發(fā)射出一個電子密度與光強相應(yīng)的電子圖像，這個電子圖像經(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：**，它可以實現(xiàn)波長變換。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)目并提高對電子的加速電壓，可以實現(xiàn)圖像的亮度強，增益通常可達數(shù)千倍至數(shù)萬倍；第三，利用電磁場可以控制電子束的運動，使之偏轉(zhuǎn)掃描或中斷，從而形成快門動作，構(gòu)成變像管高速攝影機。其時間分辨率可以達到皮秒甚至飛秒量級。與光機式高速攝影機類似，變像管相機也可以按照拍攝的結(jié)果分為單幅、多幅和條紋相機。近貼式第二代像增強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。若使電子束掃過幾個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)以補償其漂移，則可形成分幅相機。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，目標被兩個小孔成像在光電陰極上，所得的兩個電子圖像被偏轉(zhuǎn)板偏轉(zhuǎn)而掃過管中狹縫板上的兩個狹縫，分別形成兩次曝光，總計形成了四幅圖像。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時間分辨率。
４．高速攝像
光機式高速攝影機都是使用膠片記錄圖像的。這就需要顯影、定影等事后處理，費時費事。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，攝錄頻率可達2000幅／ｓ，畫面分割后可以更高，例如六分之后可達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，可以即時以標準電視制式任意倍率慢放和對畫面進行自動搜索，也沒有光機式高速攝影機及用磁帶記錄的高速視頻錄像系統(tǒng)的高速運動部件，因而沒有噪音，沒有磨損，壽命長，實現(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（1280×1280）像元，拍攝頻率至少已達2000萬幅／ｓ。同時也發(fā)展了對紅外［波長（１～５）μｍ］敏感的高速相機（ＩｎＳｂ焦平面陣列探測器，256×256；128×128時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空氣動力學(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。可見化技術(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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