La fotografía de alta velocidad es la ciencia que se ocupa 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 captadas por una cámara capaz de producir 69 fotogramas por segundo o más, y de al menos tres fotogramas consecutivos. [ cita requerida ] La fotografía de alta velocidad puede considerarse lo opuesto a la fotografía time-lapse .
En el uso común, la fotografía de alta velocidad puede referirse a uno o ambos de los siguientes significados. El primero es que la fotografía en sí puede tomarse de una manera que parezca congelar el movimiento, especialmente para reducir el desenfoque de movimiento . El segundo es que se puede tomar una serie de fotografías a una alta frecuencia de muestreo o velocidad de cuadros. El primero requiere un sensor con buena sensibilidad y un muy buen sistema de obturación o una luz estroboscópica muy rápida. El segundo requiere algún medio para capturar cuadros 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 duración del registro, la ruptura de la reciprocidad y la resolución espacial .
La primera aplicación práctica de la fotografía de alta velocidad fue la investigación de Eadweard Muybridge en 1878 sobre si las patas de los caballos estaban realmente todas en el aire al mismo tiempo durante un galope . La primera fotografía de una bala supersónica en vuelo fue tomada por el físico austríaco Peter Salcher en Rijeka en 1886, una técnica que luego fue utilizada por Ernst Mach en sus estudios del movimiento supersónico. [1] Los científicos de armas alemanes aplicaron las técnicas en 1916, [2] y el Instituto Japonés de Investigación Aeronáutica fabricó una cámara capaz de grabar 60.000 fotogramas por segundo en 1931. [3]
Bell Telephone Laboratories fue uno de los primeros clientes de una cámara desarrollada por Eastman Kodak a principios de la década de 1930. [4] Bell utilizó el sistema, que procesaba películas de 16 mm a 1000 fotogramas por segundo y tenía una capacidad de carga de 100 pies (30 m), para estudiar el rebote de relé . Cuando Kodak se negó a desarrollar una versión de mayor velocidad, Bell Labs la desarrolló ellos mismos, llamándola Fastax. La Fastax era capaz de procesar 5000 fotogramas por segundo. 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 fotogramas por segundo. Redlake Laboratories presentó otra cámara de prisma giratorio de 16 mm, la Hycam, a principios de la década de 1960. [5] Photo-Sonics desarrolló varios modelos de cámara de prisma giratorio capaces de procesar películas de 35 mm y 70 mm en la década de 1960. Visible Solutions introdujo 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, capaz teóricamente de producir un millón de fotogramas por segundo. La primera aplicación práctica de esta idea se produjo durante el Proyecto Manhattan , cuando Berlin Brixner, el técnico fotográfico del proyecto, construyó la primera cámara de espejo giratorio completamente 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 empresa DB Milliken desarrolló una cámara intermitente de 16 mm con registro de pines para velocidades de 400 cuadros por segundo en 1957. [5] Mitchell , Redlake Laboratories y Photo-Sonics finalmente siguieron sus pasos en la década de 1960 con una variedad de cámaras intermitentes de 16, 35 y 70 mm.
A Harold Edgerton se le atribuye generalmente el mérito de ser pionero en el uso del estroboscopio para congelar el movimiento rápido. [6] [7] 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, [8] que es un flash de espacio de aire . Véase también la fotografía de una explosión utilizando una cámara Rapatronic .
Los investigadores, que avanzaron en la idea del estroboscopio, comenzaron a utilizar láseres para detener el movimiento a alta velocidad. Entre los avances más recientes se incluye el uso de la generación de armónicos elevados para capturar imágenes de dinámicas moleculares a escala de attosegundos (10 −18 s). [9] [10]
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Una cámara de alta velocidad se define como aquella que tiene la capacidad de capturar video a una velocidad superior a 250 cuadros por segundo. [11] Hay muchos tipos diferentes de cámaras de película de alta velocidad, pero la mayoría se pueden agrupar en cinco categorías diferentes:
Las cámaras de movimiento intermitente son capaces de capturar cientos de fotogramas por segundo, las cámaras de prisma giratorio son capaces de capturar miles a millones de fotogramas por segundo, las cámaras de espejo giratorio son capaces de capturar millones de fotogramas por segundo, las cámaras de trama pueden alcanzar millones de fotogramas por segundo y las cámaras de disección de imágenes son capaces de capturar miles de millones de fotogramas por segundo. [ cita requerida ]
A medida que las películas y los medios de transporte mecánicos mejoraron, la cámara de película de alta velocidad se hizo disponible para la investigación científica. Kodak finalmente cambió su película de base de acetato a Estar (el nombre de Kodak para un plástico equivalente al Mylar ), lo que mejoró la resistencia y permitió que se estirara 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 se pueden cortar y colocar en cargadores para facilitar la carga. Un cargador de 1200 pies (370 m) es típicamente 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 cargadores de 1000 pies (300 m) disponibles. Por lo general, las cámaras de prisma rotatorio utilizan cargas de película de 100 pies (30 m). Las imágenes en película de alta velocidad de 35 mm son típicamente más rectangulares con el lado largo entre los agujeros de la rueda dentada en lugar de paralelo a los bordes como en la fotografía estándar. Las imágenes de 16 mm y 70 mm son típicamente más cuadradas en lugar de rectangulares. Hay disponible una lista de formatos y tamaños ANSI . [13] [14]
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. Estas permiten una medición precisa de la velocidad de la película y, en el caso de imágenes con rayas o manchas, la medición de la velocidad del sujeto. Estos pulsos suelen tener un ciclo de 10, 100 o 1000 Hz, según la configuración de velocidad de la cámara.
Al igual que en una cámara cinematográfica estándar, la cámara con pasadores de registro intermitentes detiene la película en la compuerta de 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 compuerta para crear y luego absorber la holgura. Las garras de arrastre, que entran en la película a través de perforaciones, tirando de ella hacia su lugar y luego retrayéndola fuera de las perforaciones y de la compuerta de película, se multiplican para agarrar la película a través de múltiples perforaciones en la película, reduciendo así la tensión a la que se somete cada perforación individual. 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 arrastre, también se multiplican y, a menudo, están hechos de materiales exóticos. En algunos casos, se utiliza succión al vacío para mantener la película, especialmente la película de 35 mm y 70 mm, plana para que las imágenes estén enfocadas en todo el marco.
La cámara con prisma rotatorio permite velocidades de cuadro más altas sin ejercer tanta presión sobre la película o el mecanismo de transporte. La película se mueve continuamente pasando por un prisma rotatorio que está sincronizado con la rueda dentada principal de la película, de modo que la velocidad de la película y la velocidad del prisma siempre funcionan 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 son típicamente cúbicos, o de cuatro lados, para una exposición de fotograma completo. Dado que la exposición se produce a medida que el prisma gira, las imágenes cerca de la parte superior o inferior del fotograma, 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.
Las cámaras de espejo giratorio se pueden dividir en dos subcategorías: cámaras de espejo giratorio puro y cámaras de tambor giratorio o Dynafax.
En las cámaras de espejo rotatorio puro, la película se mantiene estacionaria en un arco centrado alrededor de un espejo rotatorio. La construcción básica de una cámara de espejo rotatorio consta de cuatro partes: una lente de objetivo principal, una lente de campo, lentes de compensación de imagen y un espejo rotatorio para exponer secuencialmente los fotogramas. Se forma una imagen del objeto en estudio en la región de un espejo rotatorio con caras planas (un espejo triedro se usa comúnmente porque tiene una velocidad de ráfaga relativamente alta, pero se han usado diseños con ocho o más caras). Una lente de campo conjuga ópticamente la pupila de la lente de 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 usado una serie de espejos planos. Como tal, estas cámaras normalmente no graban más de cien fotogramas, pero se han registrado recuentos de fotogramas de hasta 2000. Esto significa que graban solo por un tiempo muy corto, generalmente menos de un milisegundo. Por lo tanto, requieren equipo de iluminación y sincronización especializado. Las cámaras de espejo giratorio tienen una capacidad de hasta 25 millones de cuadros por segundo, [16] 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. [17] Luego, este tambor gira hasta la velocidad correspondiente a una frecuencia de encuadre deseada. La imagen aún se transmite a un espejo giratorio interno centrado en el arco del tambor. El espejo tiene múltiples facetas, por lo general tiene de seis a ocho caras. Solo se requiere una lente secundaria, ya que la exposición siempre se produce en el mismo punto. La serie de fotogramas se forma a medida que la película se desplaza a través de este punto. Los fotogramas discretos se forman a medida que cada cara sucesiva del espejo pasa por el eje óptico. Las cámaras de tambor giratorio pueden alcanzar velocidades de decenas de miles a millones de fotogramas por segundo, pero como la velocidad lineal periférica máxima del tambor es prácticamente de alrededor de 500 m/s, aumentar la frecuencia de fotogramas requiere disminuir la altura del fotograma y/o aumentar el número de fotogramas expuestos desde el espejo giratorio.
En ambos tipos de cámaras de espejo giratorio, puede producirse una doble exposición si el sistema no se controla correctamente. En una cámara de espejo giratorio puro, esto sucede si el espejo realiza una segunda pasada por la óptica mientras la luz todavía está entrando en la cámara. En una cámara de tambor giratorio, sucede si el tambor realiza más de una revolución mientras la luz entra en la cámara. Muchas cámaras utilizan obturadores de velocidad ultraalta, como los que emplean explosivos para romper un bloque de vidrio y volverlo opaco. Alternativamente, se pueden utilizar flashes de alta velocidad con una duración controlada. En los sistemas de imágenes CCD modernos, los sensores se pueden obturar en microsegundos, lo que evita la necesidad de un obturador externo.
La tecnología de cámaras con espejo giratorio se ha aplicado más recientemente a la obtención de imágenes electrónicas [18], 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 disfrutar de todas las ventajas de la obtención de imágenes electrónicas en combinación con la velocidad y la resolución del método del espejo giratorio. Se pueden alcanzar velocidades de hasta 25 millones de fotogramas por segundo [16] , 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, [17] y Cordin Company. Beckman & Whitley vendió tanto cámaras de espejo giratorio como de tambor giratorio y acuñó el término "Dynafax". A mediados de la década de 1960, Cordin Company compró Beckman & Whitley y ha sido la única fuente de cámaras de espejo giratorio desde entonces. Una rama de Cordin Company, Millisecond Cinematography, proporcionó tecnología de cámaras de tambor al mercado de la cinematografía comercial.
La mayoría de los diseños de cámaras de disección de imágenes implican miles de fibras ópticas agrupadas que luego se separan en una línea que se graba con los medios tradicionales de las cámaras de rayas (tambor giratorio, espejo giratorio, etc.). La resolución está limitada a la cantidad de fibras y, por lo general, solo se pueden utilizar en la práctica unos pocos miles de fibras.
Las cámaras rasterizadas, a las que en la literatura se hace referencia con frecuencia como cámaras de disección de imágenes, se basan en el principio de que solo es necesario registrar una pequeña fracción de una imagen para producir una imagen discernible. Este principio se utiliza con mayor frecuencia en la impresión lenticular, en la que se colocan muchas imágenes sobre el mismo material y una serie de lentes cilíndricas (o rendijas) solo permiten ver una parte de la imagen a la vez.
La mayoría de las cámaras rasterizadas funcionan con 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 rendija tiene un ancho de 1/10 de cada área opaca, cuando se mueve la cuadrícula, se pueden grabar 10 imágenes en la distancia entre dos rendijas. Este principio permite una resolución temporal extremadamente alta sacrificando algo de resolución espacial (la mayoría de las cámaras solo tienen alrededor de 60.000 píxeles, aproximadamente una resolución de 250x250 píxeles), con velocidades de grabación de hasta 1.500 millones de fotogramas por segundo. Las técnicas de cuadrícula se han aplicado a cámaras de rayas hechas con convertidores de imágenes para velocidades mucho más altas. La imagen de cuadrícula a menudo se mueve a través de un sistema de espejo giratorio, pero la cuadrícula en sí también se puede mover a lo largo 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.
La trama se puede realizar con láminas lenticulares, una cuadrícula de rendijas opacas, conjuntos de fibras ópticas cónicas (Selfoc), etc.
La fotografía de rayas (estrechamente relacionada con la fotografía de tiras ) 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 tiras" a menudo se intercambian, aunque algunos autores establecen una distinción. [19]
Al retirar el prisma de una cámara de prisma rotatorio y utilizar una rendija muy estrecha en lugar del obturador, es posible tomar imágenes cuya exposición es esencialmente una dimensión de información espacial registrada de forma continua a lo largo del tiempo. Los registros de rayas son, por tanto, un registro gráfico de espacio versus tiempo. La imagen resultante permite una medición muy precisa de las velocidades. También es posible capturar registros de rayas utilizando tecnología de espejo rotatorio a velocidades mucho más rápidas. También se pueden utilizar sensores de línea digitales para este efecto, así como algunos sensores bidimensionales con una máscara de rendija.
Para el desarrollo de explosivos, la imagen de una línea de muestra se proyectaba sobre un arco de película a través de un espejo giratorio. El avance de la llama aparecía como una imagen oblicua sobre la película, a partir de la cual se medía la velocidad de detonación. [20]
La fotografía con compensación de movimiento (también conocida como fotografía sincrónica balística o fotografía con efecto de mancha cuando se utiliza para obtener imágenes de proyectiles de alta velocidad) es una forma de fotografía con efecto de mancha. Cuando el movimiento de la película es opuesto al del sujeto con una lente inversora (positiva) y se sincroniza adecuadamente, las imágenes muestran los eventos en función del tiempo. Los objetos que permanecen inmóviles se muestran como manchas. Esta es la técnica que se utiliza 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 fotografía fija es una fotografía en el tiempo, una fotografía con efecto de mancha es una fotografía del tiempo. Cuando se utiliza para obtener imágenes de proyectiles de alta velocidad, el uso de una rendija (como en la fotografía con efecto de mancha) produce tiempos de exposición muy cortos, lo que garantiza una mayor resolución de la imagen. El uso para 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 la inclinación o el cabeceo. Debido a su medición del tiempo, las variaciones en la velocidad también se mostrarán mediante distorsiones laterales de la imagen.
Al combinar esta técnica con un frente de onda de luz difractado, como si se tratara de un filo de cuchillo, 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 a alta velocidad. Véase, por ejemplo, la fotografía de sombras y la fotografía de Schlieren .
En diciembre de 2011, un grupo de investigación del MIT informó sobre una implementación combinada de las aplicaciones de láser (estroboscópico) y cámara de rayos para capturar imágenes de un evento repetitivo que se pueden volver a ensamblar para crear un video de un billón de cuadros por segundo. Esta tasa de adquisición de imágenes, que permite la captura de imágenes de fotones en movimiento [ dudoso – discutir ] , es posible mediante el uso de la cámara de rayos para recolectar cada campo de visión rápidamente en imágenes estrechas de un solo rayo. Al iluminar una escena con un láser que emite pulsos de luz cada 13 nanosegundos, sincronizado con la cámara de rayos con muestreo y posicionamiento repetidos, los investigadores han demostrado la recopilación de datos unidimensionales que se pueden compilar computacionalmente en un video bidimensional. Aunque este enfoque está limitado por la resolución temporal para eventos repetibles, existen posibilidades de aplicaciones estacionarias como el ultrasonido médico o el análisis de materiales industriales. [21]
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 cámara lenta.
Las primeras cámaras de vídeo que utilizaban tubos (como el Vidicon ) sufrían de graves efectos fantasma, ya que la imagen latente en el objetivo permanecía incluso después de que el sujeto se hubiera movido. Además, a medida que el sistema escaneaba el objetivo, el movimiento del escaneo en relación con el sujeto daba lugar a artefactos que comprometían la imagen. El objetivo de los tubos de cámara de tipo Vidicon puede estar hecho de diversos productos químicos fotoconductores, como sulfuro de antimonio ( Sb 2 S 3 ), óxido de plomo (II) ( Pb O ) y otros con diversas propiedades de "adherencia" de la imagen. El disector de imágenes Farnsworth no sufría de "adherencia" de la imagen del tipo que presentan los Vidicon, por lo que se podían utilizar tubos convertidores de imágenes especiales relacionados para capturar secuencias de fotogramas cortos a muy alta velocidad. [ cita requerida ]
El obturador mecánico, inventado por Pat Keller y otros en China Lake en 1979, ayudó a congelar la acción y eliminar las imágenes superpuestas. [22] Se trataba de un obturador mecánico similar al que se utilizaba en las cámaras de película de alta velocidad: un disco al que se le había quitado una cuña. La apertura estaba sincronizada con la velocidad de fotogramas y el tamaño de la apertura era proporcional al tiempo de integración o de obturación. Al hacer que la apertura fuera muy pequeña, se podía detener el movimiento.
A pesar de las mejoras resultantes en la calidad de la imagen, estos sistemas todavía estaban limitados a 60 cuadros por segundo.
En la década de 1950 surgieron otros sistemas basados en tubos convertidores de imágenes que incorporaban un intensificador de imágenes GenI modificado con placas deflectoras adicionales que permitían convertir una imagen de fotones en un haz de fotoelectrones. La imagen, mientras se encontraba en este estado de fotoelectrones, podía activarse y desactivarse en tan solo unos pocos nanosegundos y desviarse a diferentes áreas de las grandes pantallas de fósforo de 70 y 90 mm de diámetro para producir secuencias de hasta 20 fotogramas o más. A principios de la década de 1970, estas cámaras alcanzaban velocidades de hasta 600 millones de fotogramas por segundo, con tiempos de exposición de 1 ns y más de 20 fotogramas por evento. Como eran dispositivos analógicos, no existían limitaciones digitales en cuanto a la velocidad de datos y la velocidad de transferencia de píxeles. Sin embargo, la resolución de la imagen era 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. Las resoluciones típicas eran de 10 lp/mm . Además, las imágenes eran inherentemente monocromas, ya que la información de longitud de onda se pierde en el proceso de conversión fotón-electrón-fotón. También había una compensación bastante pronunciada entre la resolución y el número de imágenes. Todas las imágenes debían aparecer en la pantalla de fósforo de salida. Por lo tanto, una secuencia de cuatro imágenes significaría que cada imagen ocuparía una cuarta parte de la pantalla; una secuencia de nueve imágenes tiene cada imagen ocupando una novena parte, etc. Las imágenes se proyectaban y se mantenían en la pantalla de fósforo del tubo durante varios milisegundos, tiempo suficiente para ser acopladas ópticamente, y más tarde mediante fibra óptica, a la película para capturar 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 los 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 una imagen puede ser barrida a la siguiente posición.
Además de los tubos de encuadre, 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 barrer a través de la pantalla de fósforo a velocidades de barrido increíbles limitadas solo por la electrónica de barrido, para generar las primeras cámaras de raya electrónica. Sin partes móviles, se podían alcanzar velocidades de barrido de hasta 10 picosegundos por mm, lo que proporcionaba una resolución temporal técnica de varios picosegundos. Ya en 1973-74 había cámaras de raya comerciales capaces de una resolución temporal de 3 picosegundos derivada de la necesidad de evaluar los pulsos láser ultracortos que se estaban desarrollando en ese momento. Las cámaras de raya electrónica se siguen utilizando hoy en día con una resolución temporal tan corta como subpicosegundos, y son la única forma verdadera de medir eventos ópticos cortos en la escala temporal de picosegundos.
La introducción del CCD revolucionó la fotografía de alta velocidad en la década de 1980. La configuración de matriz de observación del sensor eliminó los artefactos de escaneo. El control preciso del tiempo de integración reemplazó el uso del obturador mecánico. Sin embargo, la arquitectura del CCD limitó la velocidad a la que se podían leer las imágenes del sensor. La mayoría de estos sistemas todavía funcionaban a velocidades NTSC (aproximadamente 60 fotogramas por segundo), pero algunos, especialmente los construidos por el grupo Kodak Spin Physics, funcionaban más rápido y grababan en casetes de cinta de video especialmente construidos. El grupo Kodak MASD desarrolló la primera cámara digital en color HyG (resistente) de alta velocidad llamada RO que reemplazó a las cámaras de película de trineo de choque de 16 mm. [23] Se introdujeron muchas innovaciones y métodos de grabación nuevos en la RO y se introdujeron más mejoras en la HG2000, una cámara que podía funcionar a 1000 fotogramas por segundo con un sensor de 512 x 384 píxeles durante 2 segundos. El grupo Kodak MASD también presentó una cámara CCD de ultraalta velocidad llamada HS4540, que fue diseñada y fabricada por Photron en 1991 [24] y que grababa 4.500 fotogramas por segundo a 256 x 256. La HS4540 fue utilizada ampliamente por empresas que fabricaban bolsas de aire para automóviles para realizar pruebas en lotes que requerían una velocidad de grabación rápida para capturar imágenes de una implementación de 30 ms. Roper Industries compró esta división a Kodak en noviembre de 1999 y se fusionó con Redlake (que también fue adquirida por Roper Industries). Desde entonces, Redlake ha sido adquirida por IDT, que es hoy líder del mercado en el mercado de cámaras de alta velocidad y continúa prestando servicios en el mercado de pruebas de choque de automóviles.
A principios de los años 90 se desarrollaron cámaras muy rápidas basadas en intensificadores de imagen de placa de microcanales (MCP) . El intensificador MCP es similar a la tecnología utilizada para aplicaciones de visión nocturna. Se basan en una conversión fotón-electrón-fotón similar a la de los tubos convertidores de imagen descritos anteriormente, pero incorporan una placa de microcanales. Esta placa recibe una carga de alto voltaje de modo que los electrones que llegan desde el 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, normalmente mediante un cono de fibra óptica fusionado, creando una cámara electrónica con una sensibilidad muy alta y capaz de tiempos de exposición muy cortos, aunque también es inherentemente monocromática debido a que la información de longitud de onda se pierde en la conversión fotón-electrón-fotón. El trabajo pionero en esta área fue realizado por Paul Hoess mientras trabajaba en PCO Imaging en Alemania.
Se puede obtener una secuencia de imágenes a estas velocidades tan rápidas multiplexando cámaras MCP-CCD detrás de un divisor de haz óptico y conmutando los dispositivos MCP mediante un control de secuenciador electrónico. Estos sistemas suelen utilizar de ocho a dieciséis sensores de imágenes MCP-CCD, lo que produce una secuencia de fotogramas a velocidades de hasta 100 mil millones de fotogramas por segundo. Algunos sistemas se construyeron con CCD interlineales, lo que permite dos imágenes por canal, o una secuencia de 32 fotogramas, aunque no a las velocidades más altas (debido al tiempo mínimo de transferencia interlineal). Este tipo de cámaras fueron construidas por Hadland Photonics y luego por DRS Hadland hasta 2010. Specialised Imaging en el Reino Unido también fabrica estas cámaras, que alcanzan velocidades de hasta mil millones de fotogramas por segundo. Sin embargo, el tiempo mínimo de exposición 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 encuadre múltiple, XXRapidFrame. Permite secuencias de imágenes de hasta 8 imágenes con un tiempo de obturación de hasta 200 picosegundos a una velocidad de cuadros de varios miles de millones de cuadros por segundo. [25]
Otro enfoque para capturar imágenes a velocidades extremadamente altas es con un ISIS (chip CCD de almacenamiento in situ, como en las cámaras Shimadzu HPV-1 y HPV-2. [26] [27] En un chip CCD de transferencia interlineal típico, cada píxel tiene un solo registro. La carga de un píxel individual se puede transferir rápidamente a su registro en la escala de tiempo de microsegundos. Luego, estas cargas se leen del chip y se almacenan en un proceso de "lectura" en serie que lleva más tiempo que la transferencia al registro. La cámara Shimadzu se basa 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 mucho después de que finalice el evento de interés. Son posibles velocidades de cuadro de hasta mil millones de fps, y las cámaras actuales (Kirana y HPV) 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 cuadros puede ser mucho mayor. Los complejos circuitos de sincronización necesarios para las cámaras de 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 tensión, pistola de gas ligero , estudios de impacto de objetivos y DIC (correlación de imágenes digitales).
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.
La tecnología de las cámaras de película con espejo giratorio se ha adaptado para aprovechar las ventajas de la imagen CCD [28] colocando una serie de cámaras CCD alrededor de un espejo giratorio en lugar de película. Los principios de funcionamiento son sustancialmente similares a los de las cámaras de película con espejo giratorio, en el sentido de que la imagen se transmite desde una lente 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 entre 50 y 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 compromiso entre velocidad y resolución. Las velocidades típicas están en 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 empresa Beckman Whitley y posteriormente adquiridas y fabricadas por Cordin Company.
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 una 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 para intercambiar velocidad y resolución. Las cámaras CMOS de alta velocidad actuales ofrecen velocidades de encuadre de resolución completa en miles de fps con resoluciones en los megapíxeles bajos. Pero estas mismas cámaras se pueden configurar fácilmente para capturar imágenes en los millones de fps, aunque con una resolución significativamente reducida. La calidad de imagen y la eficiencia cuántica de los dispositivos CCD siguen siendo marginalmente superiores a los CMOS.
La primera patente de un sensor de píxeles activos (APS), presentada por Eric Fossum del JPL , condujo a la escisión de Photobit, que finalmente fue comprada por Micron Technology . Sin embargo, el primer interés de Photobit fue en el mercado de video 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 imágenes CMOS (CIS) en sus cámaras. El primer sensor CMOS de Vision Research Phantom , utilizado en el Phantom 4, fue diseñado en el Centro Interuniversitario Belga de Microelectrónica (IMEC). Estos sistemas rápidamente incursionaron en el mercado de cámaras de película de alta velocidad de 16 mm a pesar de la resolución y los tiempos de grabación (el Phantom 4 era un 1024 x 1024 píxeles, o 1 megapíxel , con una capacidad de ejecución de 4 s a fotograma completo y 1000 fotogramas/s). En 2000, IMEC escindió el grupo de investigación y lo convirtió en FillFactory, que se convirtió en el actor dominante en el diseño de sensores de imágenes de alta velocidad con transmisión en tiempo real. En 2004, Cypress Semiconductor compró FillFactory y luego lo vendió a ON Semiconductor , mientras que el personal clave se dedicó a crear CMOSIS en 2007 y Caeleste en 2006. Photobit finalmente introdujo un sensor de 1,3 megapíxeles de 500 cuadros por segundo , un verdadero dispositivo de cámara en chip 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, incluidos 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 científicas e ingenieriles, se ha creado toda una industria en torno a los sistemas y requisitos de visión artificial industrial. La principal aplicación ha sido para la fabricación a alta velocidad. Un sistema generalmente consta de una cámara, un capturador de fotogramas , un procesador y sistemas de comunicaciones y grabación para documentar o controlar el proceso de fabricación.
La fotografía infrarroja de alta velocidad se hizo posible con la introducción del Amber Radiance y, más tarde, del Indigo Phoenix. Amber fue adquirida por Raytheon , el equipo de diseño de Amber se fue y formó Indigo, y ahora Indigo es propiedad de FLIR Systems . Telops, Xenics, Santa Barbara Focal Plane, CEDIP y Electrophysics también han presentado sistemas infrarrojos de alta velocidad.
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