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第二讲 高速摄影和CCD技术的应用 内容 高速摄影技术 CCD技术 像增强器技术 一、高速摄影技术 概述 高速摄影技术发展史 高速摄影的分类 几种典型的高速摄影技术 高速摄影，主要以高的摄影频率或高的时间分辨本领，与普通摄影相区别。一般认为，摄影频率高于100f／s，或时间分辨短干1／1000s，就属于高速摄影研究范围。 1851年，福克斯—塔尔博特(Fox Talbet、W．H．) 用一个莱顿瓶的放电火花作照射光源，拍摄快速旋转固盘上的报纸，获得了清晰图像。从而取得了高速摄影最早的专利。 到20世纪30年代，主要的各种光机式高速接影设备的结构原理都已提出。第二次世界大战后，随着国防尖端科学技术发展的需要，各种各样的光机式高速相机，在50、60牛代获得了高度的发展。 同时，克尔盒相机和变像管相机等超高速摄影设备，以其高的时间分辨本领而获得了广泛重视。特别是变像管相机在等离子体物理和激光核聚变研究中的应用，开创了高速摄影技术的新局面，并使高速摄影与光子学相结合，扩展研究范围。 2、高速摄影设备的分类 高速摄影设备的分类方法，迄今并无定论。这里，我们按照时间分辨本领的高低，将它们分成以下10类，并对它们作一简介。 1、间歇式高速电影摄影机 这类相机中，连续运动的胶片，经间歇式抓片机构后，作间歇运动，即当胶片静止时，快门打开，被摄物体在胶片上成像、曝光。然后，快门关闭．抓片机构将已曝光胶片移开，并使末曝光胶片移到成像位置。如此周而复姑，得到被摄物体的一系列发展图像。 胶片在这种“静止”“运动“的反复过程中，加速度很大，承受了很大的冲击载荷。因此，胶片运动速度不能太快。也就是摄影频率不能太高。国外，使用135型胶片的间歇式相机，最高摄影频率为360f／s。如果用16m m胶片，则可达1000f/s体。国内，成都光电技术研究所研制的135型胶片相机，摄影频率为320f/s。这种相机，因拍摄图像时，胶片是静止的，故成像质量最好。 2、光学补偿式相机 在这种相机中，胶片连续运动，被摄物体经相机中的光学系统和补偿光学元件后，所成的图像，与胶片运动方向相同，运动速度相等。即图像与胶片之间保持相对静止。通过周而复始的快门作用，获得系列图像。实现光学补偿的方法很多，最常用的是旋转多面体棱镜法，称为棱镜补偿式相机。它有很广泛的用途。使用135型胶片的棱镜补偿式相机，国外已达到的最高摄影频率为3250f／s，国内为2000f／s。使用16m m胶片的相机，国外为11000f／5，国内西安光学精密机械研究所也已达到这一水平。 3、高速摄像 摄像机把被摄物体成像在摄像管靶面或CCD阵列上，各像素的电荷数与图像照度成正比。然后按时序输出这一电荷图像模拟信号，经处理后存贮在磁带或磁盘上。 这类相机，有实时记录的特点．配有图像数据口功分析系统，使用方便，工作效率高。磁带或磁盘可以反复利用，胶片记录事后各种繁琐的处理工作。其缺点是，目前它的图像质量较差，最高摄影频率最近虽然达到106/s，但每幅图像上的像素只有32x 240个(用CCD阵列器件作图像传感器)。 4、鼓轮式高速相机 鼓轮式高速相机，胶片紧贴在高速旋转的金属鼓轮内圆柱或外圆柱表面上。随鼓轮一道旋转。用光学补偿方法使被摄物体图像与胶片保持相对静止。也可不用光学补偿，而用序列超短光脉冲照明，使在曝光时间内，胶片上的像移保持在允许范围之内。鼓轮式相机有分幅和扫描两种。分幅相机的摄影频率自数千幅至数万幅每秒；扫描相机的时间分辨本领可达10－8s。 5、脉冲光源多幅高速相机 当被摄物体本身不发光，需外加照明光源时，用多个光脉冲依次照明物体，每个光源都有独立的摄影光学系统，胶片静止。光脉冲的宽度就是图像的曝光时间。用多个电火花光源照明时，目前已达到的最高摄影频率为106f／s，单幅曝光时间为亚微秒。如用多个激光脉冲作光源，曝光时间还可进一步缩短。 6、 转镜式高速相机 这类相机中，胶片静止不动，被摄物体的图像，通过相机反射镜的高速旋转，随时间展开。转镜分幅相机的最高摄影频率为2x107f／s；扫描相机的时间分辨本领达10－9s。 7、网格式高速相机 网格板将被摄物体分成许多像素。像素之间有相等的间隔距离，当它们同时移动—个象素距离时，所有的新像素组成另一幅图像。所以，一张胶片上可同时贮存数十幅图像。拍摄完毕后，冲洗胶片，并在原相机上照明胶片，通过网格板依次把各幅图像还原出来。这类相机，理论上可达到109f／s的摄影频率，但实际使用的相机，多数摄影频率很低，而且应用不普遍。 8、克尔盒高速相机 以克尔盒为快门构成的单幅相机，即为克尔盒高速相机。每次拍摄只能获得一幅曝光时间很短的图像。如果要得到多幅图像．就要把多台相机联用。 克尔盆是利用某些液体在电场作用下的双折射克尔效应和