Fotografía de alta velocidad - High-speed photography

Secuencia fotográfica de Muybridge de un caballo de carreras al galope, publicada por primera vez en 1878.

La fotografía de alta velocidad es la ciencia de tomar fotografías de fenómenos muy rápidos. En 1948, la Sociedad de Ingenieros de Cine y Televisión (SMPTE) definió la fotografía de alta velocidad como cualquier conjunto de fotografías capturadas por una cámara capaz de 69 cuadros por segundo o más, y de al menos tres cuadros consecutivos. La fotografía de alta velocidad puede considerarse lo opuesto a la fotografía a intervalos .

En el uso común, la fotografía de alta velocidad puede referirse a uno o ambos de los siguientes significados. La primera es que la fotografía en sí puede tomarse de manera que parezca congelar el movimiento, especialmente para reducir el desenfoque de movimiento . La segunda es que se puede tomar una serie de fotografías con una frecuencia de muestreo o una frecuencia de cuadro alta. El primero requiere un sensor con buena sensibilidad y un muy buen sistema de obturación o una luz estroboscópica muy rápida. El segundo requiere algunos medios para capturar fotogramas sucesivos, ya sea con un dispositivo mecánico o moviendo datos de sensores electrónicos muy rápidamente.

Otras consideraciones para los fotógrafos de alta velocidad son la longitud del registro, el desglose de la reciprocidad y la resolución espacial .

Desarrollo y aplicaciones tempranas

Explosión nuclear fotografiada por una cámara rapatrónica menos de 1 milisegundo después de la detonación. La bola de fuego tiene unos 20 metros de diámetro. Los picos en la parte inferior de la bola de fuego se deben a lo que se conoce como efecto de truco de cuerda .

La primera aplicación práctica de la fotografía de alta velocidad fue la investigación de 1878 de Eadweard Muybridge sobre si las patas de los caballos no tocaban el suelo a la vez durante un galope . La primera fotografía de una bala voladora supersónica fue tomada por el físico austriaco Peter Salcher en Rijeka en 1886, una técnica que luego fue utilizada por Ernst Mach en sus estudios del movimiento supersónico. Los científicos de armas alemanes aplicaron las técnicas en 1916, y el Instituto Japonés de Investigación Aeronáutica fabricó una cámara capaz de grabar 60.000 fotogramas por segundo en 1931.

Bell Telephone Laboratories fue uno de los primeros clientes de una cámara desarrollada por Eastman Kodak a principios de la década de 1930. Bell usó el sistema, que corrió película de 16 mm a 1000 cuadros / sy tenía una capacidad de carga de 30 m (100 pies), para estudiar el rebote del relé . Cuando Kodak se negó a desarrollar una versión de mayor velocidad, Bell Labs la desarrolló ellos mismos, llamándola Fastax. El Fastax era capaz de 5.000 fotogramas / s. Bell finalmente vendió el diseño de la cámara a Western Electric , quien a su vez lo vendió a Wollensak Optical Company . Wollensak mejoró aún más el diseño para lograr 10,000 cuadros / s. Redlake Laboratories introdujo otra cámara con prisma giratorio de 16 mm, la Hycam, a principios de la década de 1960. Photo-Sonics desarrolló varios modelos de cámara con prisma giratorio capaz de ejecutar películas de 35 mm y 70 mm en la década de 1960. Visible Solutions presentó la cámara Photec IV de 16 mm en la década de 1980.

En 1940, Cearcy D. Miller presentó una patente para la cámara de espejo giratorio, teóricamente capaz de un millón de fotogramas por segundo. La primera aplicación práctica de esta idea fue durante el Proyecto Manhattan , cuando Berlin Brixner, el técnico fotográfico del proyecto, construyó la primera cámara de espejo giratorio totalmente funcional conocida. Esta cámara se utilizó para fotografiar los primeros prototipos de la primera bomba nuclear y resolvió un problema técnico clave sobre la forma y la velocidad de la implosión, que había sido la fuente de una disputa activa entre los ingenieros de explosivos y los teóricos de la física.

La compañía DB Milliken desarrolló una cámara intermitente de 16 mm con registro de pines para velocidades de 400 cuadros / s en 1957. Mitchell , Redlake Laboratories y Photo-Sonics finalmente siguieron en la década de 1960 con una variedad de 16, 35 y 70 mm. Cámaras intermitentes.

Aplicaciones de estroboscopia y láser

A Harold Edgerton se le atribuye generalmente el mérito de ser pionero en el uso del estroboscopio para congelar el movimiento rápido. Finalmente, ayudó a fundar EG&G , que utilizó algunos de los métodos de Edgerton para capturar la física de las explosiones necesarias para detonar armas nucleares. Uno de esos dispositivos fue el EG&G Microflash 549, que es un flash de espacio de aire . Vea también la fotografía de una explosión usando una cámara Rapatronic .

Una foto de un disparo de Smith & Wesson, tomada con un flash de espacio de aire . La foto se tomó en una habitación oscura, con el obturador de la cámara abierto y el flash se activó con el sonido de la toma mediante un micrófono.

Avanzando en la idea del estroboscopio, los investigadores comenzaron a usar láseres para detener el movimiento de alta velocidad. Los avances recientes incluyen el uso de la generación de armónicos altos para capturar imágenes de dinámica molecular hasta la escala del attosegundo ( 10-18  s).

Cámaras de película de alta velocidad

Artículo principal: cámara de alta velocidad
Una captura de 5 milisegundos de café soplado con una pajita.
Una gota se atrapa con una luz estroboscópica después de rebotar hacia arriba.
El extractor de aire en esta fotografía estaba girando a toda velocidad cuando se tomó la foto.

Una cámara de alta velocidad se define como la que tiene la capacidad de capturar video a una velocidad superior a 250 cuadros por segundo. Hay muchos tipos diferentes de cámaras de película de alta velocidad, pero en su mayoría se pueden agrupar en cinco categorías diferentes:

  • Cámaras de movimiento intermitente, que son una versión acelerada de la cámara de imágenes en movimiento estándar que usa un mecanismo tipo máquina de coser para hacer avanzar la película de manera intermitente hasta un punto de exposición fijo detrás del lente objetivo,
  • Cámaras de prisma giratorio, que pasan la película continuamente más allá de un punto de exposición y usan un prisma giratorio entre la lente del objetivo y la película para impartir un movimiento a la imagen que coincide con el movimiento de la película, y así lo cancela.
  • Cámaras de espejo giratorio, que transmiten la imagen a través de un espejo giratorio a un arco de película, y pueden funcionar en acceso continuo o acceso sincrónico según el diseño.
  • Cámaras de disección de imágenes, que pueden usar un sistema de espejo giratorio, y
  • Cámaras de trama, que graban una versión "cortada" de una imagen.

Las cámaras de movimiento intermitente tienen capacidad para cientos de fotogramas por segundo, las cámaras con prisma giratorio son capaces de miles a millones de fotogramas por segundo, las cámaras de espejo giratorio son capaces de millones de fotogramas por segundo, las cámaras de trama pueden alcanzar millones de fotogramas por segundo y la imagen Las cámaras de disección son capaces de realizar miles de millones de fotogramas por segundo.

A medida que mejoraron los transportes mecánicos y de película, la cámara de película de alta velocidad estuvo disponible para la investigación científica. Kodak finalmente cambió su película de base de acetato a Estar (el nombre de Kodak para un plástico equivalente a Mylar ), lo que mejoró la resistencia y permitió que se tirara más rápido. El Estar también era más estable que el acetato, lo que permitía una medición más precisa y no era tan propenso al fuego.

Cada tipo de película está disponible en muchos tamaños de carga. Estos pueden cortarse y colocarse en cargadores para facilitar la carga. Un cargador de 370 m (1.200 pies) suele ser el más largo disponible para las cámaras de 35 mm y 70 mm. Un cargador de 400 pies (120 m) es típico para las cámaras de 16 mm, aunque hay disponibles cargadores de 1,000 pies (300 m). Normalmente, las cámaras de prisma giratorio utilizan cargas de película de 30 m (100 pies). Las imágenes en una película de 35 mm de alta velocidad suelen ser más rectangulares con el lado largo entre los orificios de la rueda dentada en lugar de paralelas a los bordes como en la fotografía estándar. Las imágenes de 16 mm y 70 mm suelen ser más cuadradas que rectangulares. Está disponible una lista de formatos y tamaños ANSI .

La mayoría de las cámaras utilizan marcas de sincronización pulsadas a lo largo del borde de la película (ya sea dentro o fuera de las perforaciones de la película) producidas por chispas o posteriormente por LED. Estos permiten una medición precisa de la velocidad de la película y, en el caso de imágenes de rayas o manchas, la medición de la velocidad del sujeto. Estos pulsos generalmente se ciclan a 10, 100, 1000 Hz dependiendo de la configuración de velocidad de la cámara.

Registro de pin intermitente

Al igual que con una cámara de imágenes en movimiento estándar, la cámara de clavija de registro intermitente realmente detiene la película en la puerta de la película mientras se toma la fotografía. En la fotografía de alta velocidad, esto requiere algunas modificaciones en el mecanismo para lograr este movimiento intermitente a velocidades tan altas. En todos los casos, se forma un bucle antes y después de la puerta para crear y luego eliminar la holgura. Las garras de tracción , que entran en la película a través de perforaciones, la colocan en su lugar y luego se retraen de las perforaciones y salen de la puerta de la película, se multiplican para agarrar la película a través de múltiples perforaciones en la película, reduciendo así la tensión de cualquier perforación individual. sometido a. Los pasadores de registro, que aseguran la película a través de perforaciones en la posición final mientras se expone, después de que se retraen las garras de extracción, también se multiplican y, a menudo, están hechos de materiales exóticos. En algunos casos, la succión al vacío se utiliza para mantener la película, especialmente la película de 35 mm y 70 mm, plana para que las imágenes estén enfocadas en todo el cuadro.

  • Registro de clavijas de 16 mm: DB Milliken Locam, capaz de 500 cuadros / s; el diseño finalmente se vendió a Redlake. Photo-Sonics construyó una cámara con registro de clavija de 16 mm que era capaz de 1000 cuadros / s, pero finalmente la retiraron del mercado.
  • Registro de clavijas de 35 mm: las primeras cámaras incluían la Mitchell de 35 mm. Photo-Sonics ganó un premio de la Academia por logros técnicos por el 4ER en 1988. El 4E es capaz de 360 ​​fotogramas / s.
  • Registro de clavija de 70 mm: las cámaras incluyen un modelo fabricado por Hulcher y cámaras Photo-Sonics 10A y 10R, capaces de 125 fotogramas / s.

Prisma giratorio

La cámara con prisma giratorio permitió velocidades de cuadro más altas sin ejercer tanta presión sobre la película o el mecanismo de transporte. La película se mueve continuamente más allá de un prisma giratorio que está sincronizado con la rueda dentada principal de la película, de modo que la velocidad de la película y la velocidad del prisma funcionan siempre a la misma velocidad proporcional. El prisma está ubicado entre la lente del objetivo y la película, de modo que la revolución del prisma "pinta" un marco en la película para cada cara del prisma. Los prismas suelen ser cúbicos o de cuatro lados para una exposición de fotograma completo. Dado que la exposición se produce cuando el prisma gira, las imágenes cercanas a la parte superior o inferior del marco, donde el prisma está sustancialmente fuera del eje, sufren una aberración significativa. Un obturador puede mejorar los resultados al ajustar la exposición más estrechamente alrededor del punto donde las caras del prisma son casi paralelas.

  • Prisma giratorio de 16 mm: las cámaras Redlake Hycam son capaces de 11.000 fotogramas / s con un prisma de fotograma completo (4 facetas), 22.000 fotogramas / s con un kit de medio fotograma y 44.000 fotogramas / s con un kit de cuarto de fotograma. Visible Solutions también fabrica Photec IV. Para una solución más resistente, Weinberger fabricó el Stalex 1B, que enmarca hasta 3000 cuadros completos por segundo, y tenía la capacidad de montarse a bordo para pruebas de choques automovilísticos. Las cámaras Fastax pueden alcanzar hasta 18.000 fotogramas por segundo con un prisma de 8 lados.
  • Prisma giratorio de 35 mm: las cámaras Photo-Sonics 4C tienen capacidad para 2500 fotogramas / s con un prisma de fotograma completo (4 facetas), 4000 fotogramas / s con un kit de medio fotograma y 8000 fotogramas / s con un kit de cuarto de fotograma.
  • Prisma giratorio de 70 mm: las cámaras Photo-Sonics 10B pueden realizar 360 fotogramas / s con un prisma de fotograma completo (4 facetas) y 720 fotogramas / s con un kit de medio fotograma.

Espejo giratorio

Las cámaras de espejo giratorio se pueden dividir en dos subcategorías; cámaras de espejo giratorio puro y tambor giratorio, o cámaras Dynafax.

En las cámaras de espejo giratorio puro, la película se mantiene estacionaria en un arco centrado alrededor de un espejo giratorio. La construcción básica de una cámara de espejo giratorio consta de cuatro partes; una lente de objetivo principal, una lente de campo, lentes de compensación de imagen y un espejo giratorio para exponer los marcos secuencialmente. Una imagen del objeto en estudio se forma en la región de un espejo giratorio con caras planas (se usa comúnmente un espejo triédrico porque tiene una velocidad de ruptura relativamente alta, pero se han usado diseños con ocho o más caras). Una lente de campo conjuga ópticamente la pupila de la lente del objetivo principal en la región de un banco de lentes de compensación, y las lentes de compensación finales conjugan ópticamente el espejo con la superficie de un fotodetector. Para cada fotograma formado en la película, se requiere una lente de compensación, pero algunos diseños han utilizado una serie de espejos planos. Como tal, estas cámaras no suelen grabar más de cien fotogramas, pero se han registrado recuentos de fotogramas de hasta 2000. Esto significa que registran solo por un tiempo muy corto, generalmente menos de un milisegundo. Por lo tanto, requieren un equipo de iluminación y cronometraje especializado. Las cámaras de espejo giratorio tienen una capacidad de hasta 25 millones de fotogramas por segundo, con una velocidad típica de millones de fps.

La cámara de tambor giratorio funciona sosteniendo una tira de película en un bucle en la pista interior de un tambor giratorio. A continuación, este tambor se hace girar hasta la velocidad correspondiente a la velocidad de encuadre deseada. La imagen todavía se transmite a un espejo giratorio interno centrado en el arco del tambor. El espejo es multifacético, por lo general tiene de seis a ocho caras. Solo se requiere una lente secundaria, ya que la exposición siempre ocurre en el mismo punto. La serie de fotogramas se forma a medida que la película atraviesa este punto. Los marcos discretos se forman a medida que cada cara sucesiva del espejo pasa a través del eje óptico. Las cámaras de tambor giratorio pueden alcanzar velocidades de decenas de miles a millones de fotogramas por segundo, pero dado que la velocidad lineal periférica máxima del tambor es prácticamente de unos 500 m / s, aumentar la velocidad de fotogramas requiere disminuir la altura del fotograma y / o aumentar el número de fotogramas expuestos del espejo giratorio.

En ambos tipos de cámaras con espejo giratorio, puede ocurrir una doble exposición si el sistema no se controla adecuadamente. En una cámara de espejo giratorio puro, esto sucede si el espejo hace una segunda pasada a través de la óptica mientras la luz todavía entra en la cámara. En una cámara de tambor giratorio, sucede si el tambor da más de una revolución mientras la luz entra en la cámara. Muchas cámaras usan obturadores de ultra alta velocidad, como los que emplean explosivos para romper un bloque de vidrio, volviéndolo opaco. Alternativamente, se pueden utilizar flashes de alta velocidad con una duración controlada. En los sistemas de imágenes CCD modernos, los sensores se pueden cerrar en microsegundos, lo que evita la necesidad de un obturador externo.

La tecnología de cámara de espejo giratorio se ha aplicado más recientemente a la imagen electrónica, donde en lugar de película, se coloca una serie de cámaras CCD o CMOS de un solo disparo alrededor del espejo giratorio. Esta adaptación permite todas las ventajas de la imagen electrónica en combinación con la velocidad y resolución del enfoque del espejo giratorio. Se pueden alcanzar velocidades de hasta 25 millones de fotogramas por segundo, con velocidades típicas de millones de fps.

La disponibilidad comercial de ambos tipos de cámaras de espejo giratorio comenzó en la década de 1950 con Beckman & Whitley y Cordin Company. Beckman & Whitley vendió cámaras de espejo giratorio y de tambor giratorio, y acuñó el término "Dynafax". A mediados de la década de 1960, Cordin Company compró Beckman & Whitley y desde entonces ha sido la única fuente de cámaras con espejo giratorio. Una filial de Cordin Company, Millisecond Cinematography, proporcionó tecnología de cámara de tambor al mercado de la cinematografía comercial.

Disección de imágenes

La mayoría de los diseños de cámaras de disección de imágenes involucran miles de fibras ópticas agrupadas que luego se separan en una línea que se registra con los medios tradicionales de cámara de rayas (tambor giratorio, espejo giratorio, etc.). La resolución se limita al número de fibras y, por lo general, solo se pueden utilizar en la práctica unos pocos miles de fibras.

Cámaras ráster

Las cámaras de trama, que a menudo se denominan cámaras de disección de imágenes en la literatura, implican el principio de que solo es necesario grabar una pequeña fracción de una imagen para producir una imagen discernible. Este principio se usa más comúnmente en la impresión lenticular donde muchas imágenes se colocan sobre el mismo material y una serie de lentes cilíndricas (o rendijas) solo permite ver una parte de la imagen a la vez.

La mayoría de las cámaras ráster funcionan utilizando una cuadrícula negra con líneas muy finas grabadas en ella, con cientos o miles de líneas transparentes entre áreas opacas mucho más gruesas. Si cada hendidura tiene 1/10 del ancho de cada área opaca, cuando se mueve la trama, se pueden registrar 10 imágenes en la distancia entre dos hendiduras. Este principio permite una resolución de tiempo extremadamente alta sacrificando algo de resolución espacial (la mayoría de las cámaras solo tienen alrededor de 60,000 píxeles, una resolución de alrededor de 250x250 píxeles), con tasas de grabación de hasta 1,5 mil millones de cuadros por segundo. Se han aplicado técnicas de ráster a las cámaras de rayas fabricadas con convertidores de imágenes para velocidades mucho más altas. La imagen de trama a menudo se mueve a través de un sistema de espejo giratorio, pero la trama en sí también se puede mover a través de una hoja de película. Estas cámaras pueden ser muy difíciles de sincronizar, ya que a menudo tienen tiempos de grabación limitados (menos de 200 fotogramas) y los fotogramas se sobrescriben fácilmente.

El ráster se puede hacer con láminas lenticulares, una cuadrícula de rendijas opacas, matrices de fibras ópticas ahusadas (Selfoc), etc.

Fotografía de racha

La fotografía de rayas (muy relacionada con la fotografía de rayas ) utiliza una cámara de rayas para combinar una serie de imágenes esencialmente unidimensionales en una imagen bidimensional. Los términos "fotografía de rayas" y "fotografía de rayas" a menudo se intercambian, aunque algunos autores hacen una distinción.

Al quitar el prisma de una cámara con prisma giratorio y usar una rendija muy estrecha en lugar del obturador, es posible tomar imágenes cuya exposición es esencialmente una dimensión de la información espacial registrada continuamente a lo largo del tiempo. Los registros de racha son, por lo tanto, un registro gráfico de espacio versus tiempo. La imagen resultante permite una medición muy precisa de velocidades. También es posible capturar registros de rachas utilizando tecnología de espejo giratorio a velocidades mucho más rápidas. También se pueden usar sensores de línea digital para este efecto, al igual que algunos sensores bidimensionales con una máscara de hendidura.

Para el desarrollo de explosivos, la imagen de una línea de muestra se proyectó sobre un arco de película a través de un espejo giratorio. El avance de la llama apareció como una imagen oblicua sobre la película, a partir de la cual se midió la velocidad de detonación.

La fotografía de compensación de movimiento (también conocida como fotografía sincrónica balística o fotografía de difuminado cuando se utiliza para obtener imágenes de proyectiles de alta velocidad) es una forma de fotografía de rayas. Cuando el movimiento de la película es opuesto al del sujeto con una lente inversora (positiva) y sincronizado apropiadamente, las imágenes muestran eventos en función del tiempo. Los objetos que permanecen inmóviles se muestran como rayas. Esta es la técnica utilizada para las fotografías de la línea de meta. En ningún momento es posible tomar una fotografía fija que duplique los resultados de una fotografía de la línea de meta tomada con este método. Una imagen fija es una fotografía en el tiempo, una fotografía de rayas / manchas es una fotografía del tiempo. Cuando se utiliza para obtener imágenes de proyectiles de alta velocidad, el uso de una hendidura (como en la fotografía de rayas) produce tiempos de exposición muy cortos, lo que garantiza una mayor resolución de imagen. El uso de proyectiles de alta velocidad significa que normalmente se produce una imagen fija en un rollo de película de cine. A partir de esta imagen, se puede determinar información como guiñada o cabeceo. Debido a su medición del tiempo, las variaciones de velocidad también se mostrarán mediante distorsiones laterales de la imagen.

Combinando esta técnica con un frente de onda de luz difractada, como por el filo de una navaja, es posible tomar fotografías de perturbaciones de fase dentro de un medio homogéneo. Por ejemplo, es posible capturar ondas de choque de balas y otros objetos de alta velocidad. Véase, por ejemplo, shadowgraph y fotografía schlieren .

En diciembre de 2011, un grupo de investigación del MIT informó sobre una implementación combinada de las aplicaciones de cámara láser (estroboscópica) y de racha para capturar imágenes de un evento repetitivo que se pueden volver a ensamblar para crear un video de billones de cuadros por segundo. Esta velocidad de adquisición de imágenes, que permite la captura de imágenes de fotones en movimiento, es posible mediante el uso de la cámara de rayas para recopilar cada campo de visión rápidamente en imágenes estrechas de una sola racha. Al iluminar una escena con un láser que emite pulsos de luz cada 13 nanosegundos, sincronizados con la cámara de racha con muestreo y posicionamiento repetidos, los investigadores han demostrado la recopilación de datos unidimensionales que pueden compilarse computacionalmente en un video bidimensional. Aunque este enfoque está limitado por la resolución temporal de eventos repetibles, existen posibilidades de aplicaciones estacionarias como el ultrasonido médico o el análisis de materiales industriales.

Video

Ruptura de globo lleno de agua capturada a 480 cuadros / s

Las fotografías de alta velocidad se pueden examinar individualmente para seguir el progreso de una actividad, o se pueden mostrar rápidamente en secuencia como una película en movimiento con movimiento lento.

Las primeras cámaras de video que usaban tubos (como el Vidicon ) sufrían un "efecto fantasma" grave debido al hecho de que la imagen latente en el objetivo permanecía incluso después de que el sujeto se había movido. Además, a medida que el sistema escaneaba el objetivo, el movimiento del escaneo en relación con el sujeto provocaba artefactos que comprometían la imagen. El objetivo en los tubos de cámara tipo Vidicon puede estar hecho de varios químicos fotoconductores como sulfuro de antimonio ( Sb 2 S 3 ), óxido de plomo (II) ( Pb O ) y otros con varias propiedades de "adherencia" de imagen. El disector de imágenes de Farnsworth no sufría de "pegamento" de imagen del tipo que exhiben los Vidicons, por lo que se podrían usar tubos convertidores de imágenes especiales relacionados para capturar secuencias de cuadros cortos a muy alta velocidad.

El obturador mecánico, inventado por Pat Keller , et al., En China Lake en 1979 ( US 4171529  ), ayudó a congelar la acción y eliminar el efecto fantasma. Este era un obturador mecánico similar al que se usa en las cámaras de película de alta velocidad: un disco al que se le quitó una cuña. La apertura se sincronizó con la velocidad de fotogramas y el tamaño de la apertura fue proporcional a la integración o al tiempo de obturación. Haciendo la apertura muy pequeña, el movimiento podría detenerse.

A pesar de las mejoras resultantes en la calidad de la imagen, estos sistemas todavía estaban limitados a 60 cuadros / s.

En la década de 1950 surgieron otros sistemas basados ​​en tubos Image Converter que incorporaron un intensificador de imágenes GenI modificado con placas deflectoras adicionales que permitieron convertir una imagen de fotón en un haz de fotoelectrones. La imagen, mientras se encuentra en este estado de fotoelectrón, podría encenderse y apagarse en tan solo unos pocos nanosegundos y desviarse a diferentes áreas de las pantallas de fósforo grandes de 70 y 90 mm de diámetro para producir secuencias de hasta más de 20 fotogramas. A principios de la década de 1970, estas cámaras alcanzaron velocidades de hasta 600 millones de fotogramas / s, con tiempos de exposición de 1 ns, con más de 20 fotogramas por evento. Como eran dispositivos analógicos, no existían limitaciones digitales en las velocidades de datos y las velocidades de transferencia de píxeles. Sin embargo, la resolución de la imagen fue bastante limitada, debido a la repulsión inherente de los electrones y al grano de la pantalla de fósforo, así como al pequeño tamaño de cada imagen individual. Fueron típicas resoluciones de 10  lp / mm . Además, las imágenes eran inherentemente monocromas, ya que la información de la longitud de onda se pierde en el proceso de conversión fotón-electrón-fotón. También hubo una compensación bastante pronunciada entre la resolución y el número de imágenes. Todas las imágenes debían caer en la pantalla de fósforo de salida. Por lo tanto, una secuencia de cuatro imágenes significaría que cada imagen ocupa un cuarto de la pantalla; una secuencia de nueve imágenes tiene cada imagen ocupando un noveno, etc. Las imágenes se proyectaron y se mantuvieron en la pantalla de fósforo del tubo durante varios milisegundos, el tiempo suficiente para acoplarse ópticamente, y luego fibra óptica, a la película para la captura de imágenes. Las cámaras de este diseño fueron fabricadas por Hadland Photonics Limited y NAC. Era difícil cambiar el tiempo de exposición sin cambiar la velocidad de fotogramas con diseños anteriores, pero los modelos posteriores agregaron placas de "obturación" adicionales para permitir que el tiempo de exposición y la velocidad de fotogramas se modificaran de forma independiente. El factor limitante de estos sistemas es el tiempo que puede pasar una imagen a la siguiente posición.

Además de los tubos de estructura, estos tubos también podrían configurarse con uno o dos juegos de placas deflectoras en un eje. A medida que la luz se convertía en fotoelectrones, estos fotoelectrones podían desplazarse a través de la pantalla de fósforo a velocidades de barrido increíbles limitadas únicamente por la electrónica de barrido, para generar las primeras cámaras de racha electrónica. Sin partes móviles, se podrían alcanzar velocidades de barrido de hasta 10 picosegundos por mm, dando así una resolución de tiempo técnico de varios picosegundos. Ya en 1973-1974 existían cámaras de racha comerciales capaces de una resolución de 3 picosegundos derivada de la necesidad de evaluar los pulsos láser ultracortos que se estaban desarrollando en ese momento. Las cámaras de racha electrónica todavía se utilizan hoy en día con una resolución de tiempo tan corta como subpicosegundos, y son la única forma verdadera de medir eventos ópticos cortos en la escala de tiempo de picosegundos.

CCD

La introducción del CCD revolucionó la fotografía de alta velocidad en la década de 1980. La configuración de la matriz de mirada del sensor eliminó los artefactos de escaneo. El control preciso del tiempo de integración sustituyó al uso del obturador mecánico. Sin embargo, la arquitectura CCD limitaba la velocidad a la que se podían leer las imágenes del sensor. La mayoría de estos sistemas aún funcionaban a velocidades NTSC (aproximadamente 60 cuadros / s), pero algunos, especialmente los construidos por el grupo Kodak Spin Physics, corrían más rápido y grababan en casetes de cinta de video especialmente construidos. El grupo Kodak MASD desarrolló la primera cámara digital en color de alta velocidad HyG (resistente) llamada RO que reemplazó a las cámaras de película de trineo de choque de 16 mm. Se introdujeron muchas innovaciones y métodos de grabación nuevos en el RO y se introdujeron más mejoras en la HG2000, una cámara que podía funcionar a 1000 cuadros / s con un sensor de 512 x 384 píxeles durante 2 segundos. El grupo Kodak MASD también presentó una cámara CCD de ultra alta velocidad llamada HS4540 que fue diseñada y fabricada por Photron en 1991 que registró 4.500 cuadros / sa 256 x 256. El HS4540 fue utilizado ampliamente por empresas que fabrican bolsas de aire automotrices para realizar pruebas de lotes. lo que requería la alta velocidad de grabación para obtener una imagen de una implementación de 30 ms. Roper Industries compró esta división de Kodak en noviembre de 1999 y se fusionó con Redlake (que también fue comprada por Roper Industries). Desde entonces, Redlake ha sido comprada por IDT , que hoy es líder en el mercado de cámaras de alta velocidad, y continúa sirviendo al mercado de pruebas de choque automotriz.

CCD intensificado cerrado

A principios de la década de 1990 se desarrollaron cámaras muy rápidas basadas en intensificadores de imagen de placa de microcanal (MCP) . El intensificador MCP es similar a la tecnología utilizada para aplicaciones de visión nocturna. Se basan en una conversión de fotón-electrón-fotón similar a la de los tubos convertidores de imagen descritos anteriormente, pero incorporan una placa de microcanales. A esta placa se le da una carga de alto voltaje de manera que los electrones que vienen del fotocátodo de entrada a los orificios crean un efecto en cascada, amplificando así la señal de la imagen. Estos electrones caen sobre un fósforo de salida, creando la emisión de fotones que componen la imagen resultante. Los dispositivos se pueden encender y apagar en la escala de tiempo de picosegundos. La salida del MCP está acoplada a un CCD, generalmente por medio de un cono de fibra óptica fusionada, creando una cámara electrónica con una sensibilidad muy alta y capaz de tiempos de exposición muy cortos, aunque también una que es inherentemente monocromática debido a que la información de longitud de onda es perdido en la conversión fotón-electrón-fotón. El trabajo pionero en esta área fue realizado por Paul Hoess mientras estaba en PCO Imaging en Alemania.

Se puede obtener una secuencia de imágenes a estas velocidades muy rápidas multiplexando cámaras MCP-CCD detrás de un divisor de haz óptico y cambiando los dispositivos MCP usando un control de secuenciador electrónico. Estos sistemas suelen utilizar de ocho a dieciséis lectores de imágenes MCP-CCD, lo que produce una secuencia de fotogramas a velocidades de hasta 100 mil millones de fps. Algunos sistemas se construyeron con CCD entre líneas, lo que permite dos imágenes por canal, o una secuencia de 32 cuadros, aunque no a las velocidades más altas (debido al tiempo mínimo de transferencia entre líneas). Este tipo de cámaras fueron construidas por Hadland Photonics y luego por DRS Hadland hasta 2010. Specialized Imaging en el Reino Unido también fabrica estas cámaras, que alcanzan velocidades de hasta mil millones de cuadros por segundo. Sin embargo, el tiempo de exposición mínimo es de 3 nanosegundos, lo que limita la velocidad de encuadre efectiva a varios cientos de millones de fotogramas por segundo. En 2003, Stanford Computer Optics presentó la cámara de fotogramas múltiples, XXRapidFrame. Permite secuencias de imágenes de hasta 8 imágenes con un tiempo de obturación de hasta 200 picosegundos a una velocidad de fotogramas de varios miles de millones de fotogramas por segundo.

IS-CCD

Otro enfoque para capturar imágenes a velocidades extremadamente altas es con un chip CCD de almacenamiento in situ ISIS, como en las cámaras Shimadzu HPV-1 y HPV-2. En un chip CCD de transferencia interlínea típico, cada píxel tiene un solo registro. de un píxel individual se puede transferir rápidamente a su registro en la escala de tiempo de microsegundos. Estas cargas se leen en el chip y se almacenan en un proceso de "lectura" en serie que lleva más tiempo que la transferencia al registro. La cámara Shimadzu es basado en un chip donde cada píxel tiene 103 registros. La carga del píxel se puede transferir a estos registros de modo que la secuencia de imágenes se almacene "en el chip" y luego se lea bien después de que finalice el evento de interés. Tasas de fotogramas tan altas ya que son posibles mil millones de fps, con las cámaras actuales (Kirana y HPV) que alcanzan hasta 10 millones de fps. Las cámaras ISIS tienen la ventaja obvia sobre las cámaras de espejo giratorio de que solo se necesita un fotodetector y el recuento de fotogramas puede ser mucho mayor. Los circuitos de sincronización lex necesarios para las cámaras con espejo giratorio sincrónico tampoco son necesarios con ISIS. Un problema principal con los chips de almacenamiento in situ es el efecto fantasma de los fotogramas y la baja resolución espacial, pero los dispositivos modernos como el Kirana de Specialized Imaging han resuelto parcialmente el problema. El uso principal de este tipo de sistema de imágenes es aquel en el que el evento tiene lugar entre 50 µs y 2 ms, como aplicaciones con barra de presión Split-Hopkinson , análisis de estrés, pistola de gas ligero , estudios de impacto de blancos y DIC (Correlación de imagen digital ).

Los sensores ISIS han alcanzado velocidades de más de 3,5 terapíxeles por segundo, cientos de veces mejores que las cámaras de lectura de alta velocidad de última generación.

Espejo giratorio CCD

La tecnología de cámara de película de espejo giratorio se ha adaptado para aprovechar las imágenes CCD al colocar una serie de cámaras CCD alrededor de un espejo giratorio en lugar de la película. Los principios operativos son sustancialmente similares a los de las cámaras de película de espejo giratorio, en el sentido de que la imagen se transmite desde una lente de objetivo a un espejo giratorio y luego de vuelta a cada cámara CCD, que funcionan esencialmente como cámaras de un solo disparo. La velocidad de encuadre está determinada por la velocidad del espejo, no por la velocidad de lectura del chip de imagen, como en los sistemas CCD y CMOS de un solo chip. Esto significa que estas cámaras deben funcionar necesariamente en modo ráfaga, ya que solo pueden capturar tantos fotogramas como dispositivos CCD haya (normalmente 50–100). También son sistemas mucho más elaborados (y por lo tanto costosos) que las cámaras de alta velocidad de un solo chip. Sin embargo, estos sistemas logran la combinación máxima de velocidad y resolución, ya que no tienen ningún compromiso entre velocidad y resolución. Las velocidades típicas están en los millones de fotogramas por segundo, y las resoluciones típicas son de 2 a 8 megapíxeles por imagen. Este tipo de cámaras fueron introducidas por la compañía Beckman Whitley y luego compradas y fabricadas por Cordin Company.

CMOS

Melón explosivo grabado a 600 fotogramas por segundo con una cámara Casio EX-F1 .

La introducción de la tecnología de sensores CMOS volvió a revolucionar la fotografía de alta velocidad en la década de 1990 y sirve como un ejemplo clásico de tecnología disruptiva . Basado en los mismos materiales que la memoria de la computadora, el proceso CMOS era más barato de construir que el CCD y más fácil de integrar con la memoria en chip y las funciones de procesamiento. También ofrecen una flexibilidad mucho mayor para definir submatrices como activas. Esto permite que las cámaras CMOS de alta velocidad tengan una amplia flexibilidad a la hora de intercambiar velocidad y resolución. Las cámaras CMOS de alta velocidad actuales ofrecen velocidades de encuadre de resolución completa de miles de fps con resoluciones de megapíxeles bajos. Pero estas mismas cámaras se pueden configurar fácilmente para capturar imágenes en millones de fps, aunque con una resolución significativamente reducida. La calidad de imagen y la eficiencia cuántica de los dispositivos CCD siguen siendo ligeramente superiores a las de CMOS.

La primera patente de un sensor de píxeles activos (APS), presentado por el JPL 's Eric Fossum , condujo a la escisión de Photobit, que finalmente fue comprada por Micron Technology . Sin embargo, el primer interés de Photobit fue el mercado de vídeo estándar; El primer sistema CMOS de alta velocidad fue el HSV 1000 de NAC Image Technology, producido por primera vez en 1990. Vision Research Phantom , Photron , NAC, Mikrotron , IDT y otras cámaras de alta velocidad utilizan sensores de imagen CMOS (CIS) en sus cámaras. El primer sensor CMOS de Vision Research Phantom , utilizado en el Phantom 4, fue diseñado en el Centro Interuniversitario de Microelectrónica de Bélgica (IMEC). Estos sistemas se introdujeron rápidamente en el mercado de las cámaras de película de alta velocidad de 16 mm a pesar de la resolución y los tiempos récord (el Phantom 4 tenía una resolución de 1024 x 1024 píxeles, o 1 megapíxel , con una capacidad de ejecución de 4 sa fotograma completo y 1000 fotogramas / s). ). IMEC en 2000 escindió el grupo de investigación como FillFactory, que se convirtió en el jugador dominante en el diseño de sensores de imágenes de alta velocidad. FillFactory fue comprado en 2004 por Cypress Semiconductor y vendido nuevamente a ON Semiconductor , mientras que el personal clave pasó a crear CMOSIS en 2007 y Caeleste en 2006. Photobit finalmente introdujo un sensor de 500 cuadros / s de 1.3 megapíxeles , una verdadera cámara en chip dispositivo que se encuentra en muchos sistemas de alta velocidad de gama baja.

Posteriormente, varios fabricantes de cámaras compiten en el mercado de video digital de alta velocidad, incluyendo iX-Cameras, AOS Technologies, Fastec Imaging, Mega Speed ​​Corp, NAC, Olympus, Photron , Mikrotron , Redlake, Vision Research, Slow Motion Camera Company e IDT , con sensores desarrollados por Photobit, Cypress, CMOSIS y diseñadores internos. Además de esos tipos de cámaras de ciencia e ingeniería, se ha construido toda una industria en torno a los sistemas y requisitos de visión artificial industrial. La principal aplicación ha sido la fabricación de alta velocidad. Normalmente, un sistema consta de una cámara, un capturador de fotogramas , un procesador y sistemas de comunicaciones y grabación para documentar o controlar el proceso de fabricación.

Infrarrojo

La fotografía infrarroja de alta velocidad se ha hecho posible con la introducción del Amber Radiance, y más tarde el Indigo Phoenix. Amber fue comprada por Raytheon , el equipo de diseño de Amber se fue y formó Indigo, e Indigo ahora es propiedad de FLIR Systems . Telops, Xenics, Santa Barbara Focal Plane, CEDIP y Electrofísica también han introducido sistemas infrarrojos de alta velocidad.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

  • Edgerton, Harold E .; Killian, James R. (1939). ¡Flash !: Ver lo invisible con la fotografía de ultra alta velocidad . ASIN B00085INJ.
  • Edgerton, Harold E. (1987). Flash electrónico, estroboscópico (3ª ed.). Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 0-262-55014-8.
  • Mills, Mara (2014), "(Ultra-High-Speed) Photographic Engineering". , Flujo 19
  • Pendley, Gil (julio de 2003). Claude Cavailler; Graham P. Haddleton; Manfred Hugenschmidt (eds.). "Tecnología de imágenes de alta velocidad; ayer, hoy y mañana". Procedimientos de SPIE . 25º Congreso Internacional de Fotografía y Fotónica de Alta Velocidad. 4948 : 110-113. Código Bibliográfico : 2003SPIE.4948..110P . doi : 10.1117 / 12.516992 . S2CID  108691587 .
  • Ray, SF (1997). Fotografía y fotónica de alta velocidad . Oxford, Reino Unido: Focal Press.
  • Se instala, GS (2001). Técnicas de Schlieren y shadowgraph: Visualización de fenómenos en medios transparentes . Berlín: Springer-Verlag. ISBN 3-540-66155-7.

Notas

  • El documental Moving Still (emitido en 1980 por PBS Nova y BBS Horizon) tiene imágenes de estos procesos hasta la era moderna del estado sólido.

enlaces externos