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 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 a intervalos .
En el uso común, 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 por movimiento . La segunda es que se puede tomar una serie de fotografías con una frecuencia de muestreo o velocidad de cuadros 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 algún medio para capturar fotogramas sucesivos, ya sea con un dispositivo mecánico o moviendo datos muy rápidamente desde sensores electrónicos.
Otras consideraciones para los fotógrafos de alta velocidad son la duración del registro, el desglose 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 en realidad 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, técnica que posteriormente utilizó Ernst Mach en sus estudios del movimiento supersónico. [1] Los científicos alemanes en armas 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/s y tenía una capacidad de carga de 100 pies (30 m), 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 alcanzar 5.000 cuadros 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 alcanzar 10.000 fotogramas/s. Redlake Laboratories introdujo otra cámara con prisma giratorio de 16 mm, la Hycam, a principios de la década de 1960. [5] Photo-Sonics desarrolló varios modelos de cámara con prisma giratorio capaz de procesar 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 producir 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 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, [ ¿cuál? ] que había sido el origen de una activa disputa 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 pin para velocidades de 400 cuadros/s en 1957. [5] Mitchell , Redlake Laboratories y Photo-Sonics finalmente siguieron en la década de 1960 con una variedad de cámaras de 16, 35, y cámaras intermitentes de 70 mm.
A Harold Edgerton generalmente se le atribuye el mérito de ser pionero en el uso del estroboscopio para congelar movimientos rápidos. [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 con espacio de aire . Vea también la fotografía de una explosión usando una cámara Rapatronic .
Al avanzar en la idea del estroboscopio, los investigadores comenzaron a utilizar láseres para detener el movimiento a alta velocidad. Los avances recientes incluyen el uso de alta generación de armónicos para capturar imágenes de dinámica molecular hasta la escala del attosegundo (10 −18 s). [9] [10]
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Una cámara de alta velocidad se define como aquella que tiene la capacidad de capturar vídeo a una velocidad superior a 250 fotogramas por segundo. [11] Hay muchos tipos diferentes de cámaras de película de alta velocidad, pero en su mayoría se pueden agrupar en cinco categorías diferentes:
Las cámaras de movimiento intermitente son capaces de generar cientos de fotogramas por segundo, las cámaras de 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 rasterizadas pueden alcanzar millones de fotogramas por segundo y las cámaras de imagen Las cámaras de disección son capaces de capturar miles de millones de fotogramas por segundo. [ cita necesaria ]
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 mediciones más precisas y no era tan propenso a dispararse.
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 370 m (1200 pies) suele ser el más largo disponible para las cámaras de 35 mm y 70 mm. Un cargador de 120 m (400 pies) es típico para las cámaras de 16 mm, aunque hay cargadores de 300 m (1000 pies) disponibles. Normalmente, las cámaras de prisma giratorio utilizan cargas de película de 30 m (100 pies). Las imágenes de la película de alta velocidad de 35 mm suelen ser más rectangulares con el lado largo entre los orificios de las ruedas dentadas en lugar de paralelo a los bordes como en la fotografía estándar. Las imágenes de 16 mm y 70 mm suelen ser más cuadradas que 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 luego por LED. Estos 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 generalmente se ciclan a 10, 100, 1000 Hz dependiendo de la configuración de velocidad de la cámara.
Al igual que con una cámara cinematográfica estándar, la cámara con clavija de registro intermitente en realidad detiene la película en la puerta de la película mientras se toma la fotografía. En 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 tensar la holgura. Las garras de tracción, que ingresan a la película a través de perforaciones, la colocan en su lugar y luego se retraen fuera de las perforaciones y fuera de la puerta de la película, se multiplican para agarrar la película a través de múltiples perforaciones en la película, reduciendo así la tensión que cualquier perforación individual genera. sometido a. Los pasadores de registro, que aseguran la película a través de perforaciones en su 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, se utiliza succión al vacío para mantener la película, especialmente la de 35 mm y 70 mm, plana para que las imágenes estén enfocadas en todo el encuadre.
La cámara de prisma giratorio permitió velocidades de fotogramas más altas sin ejercer tanta presión sobre la película o el mecanismo de transporte. La película se mueve continuamente pasando por un prisma giratorio que está sincronizado con la rueda dentada de película principal de modo que la velocidad de la película y la velocidad del prisma siempre corren 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 encuadre, donde el prisma está sustancialmente fuera de eje, sufren una aberración significativa. Un obturador puede mejorar los resultados ajustando la exposición más estrechamente alrededor del punto donde las caras del prisma son casi paralelas.
Las cámaras con espejo giratorio se pueden dividir en dos subcategorías; Cámaras puras de espejo giratorio y tambor giratorio, o cámaras Dynafax.
En las cámaras de espejo giratorio puro, la película se mantiene estacionaria formando un arco centrado alrededor de un espejo giratorio. La construcción básica de una cámara con 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 fotogramas secuencialmente. Una imagen del objeto en estudio se forma en la región de un espejo giratorio con caras planas (comúnmente se usa un espejo triédrico porque tiene una velocidad de explosión relativamente alta, pero se han usado diseños con ocho o más caras). Una lente de campo conjuga ópticamente la pupila de la lente 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 normalmente no graban más de cien cuadros, pero se han registrado cuadros de hasta 2000. Esto significa que graban sólo durante un tiempo muy corto, normalmente menos de un milisegundo. Por lo tanto, requieren equipos especializados de sincronización e iluminación. Las cámaras con espejo giratorio son capaces de capturar hasta 25 millones de fotogramas 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] Este tambor luego se hace girar a 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 y suele tener de seis a ocho caras. Sólo se necesita una lente secundaria, ya que la exposición siempre se produce en el mismo punto. La serie de fotogramas se va formando a medida que la película recorre este punto. Se forman marcos discretos cuando cada cara sucesiva del espejo pasa a través del eje óptico. Las cámaras de tambor giratorio son capaces de alcanzar velocidades de decenas de miles a millones de cuadros por segundo, pero dado que la velocidad lineal periférica máxima del tambor es prácticamente de alrededor de 500 m/s, aumentar la velocidad de cuadros requiere disminuir la altura del cuadro 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 adecuadamente. En una cámara con espejo giratorio puro, esto sucede si el espejo realiza un segundo paso a través de la óptica mientras la luz aún ingresa a la cámara. En una cámara de tambor giratorio, esto sucede si el tambor hace más de una revolución mientras la luz ingresa a la cámara. Muchas cámaras utilizan obturadores de velocidad ultrarrápida, 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 cerrar en microsegundos, eliminando la necesidad de un obturador externo.
La tecnología de cámara de espejo giratorio se ha aplicado más recientemente a la obtención de imágenes electrónicas, [18] donde, en lugar de película, se dispone una serie de cámaras CCD o CMOS de un solo disparo alrededor del espejo giratorio. Esta adaptación permite todas las ventajas de las imágenes electrónicas en combinación con la velocidad y resolución del enfoque 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 cámaras de tambor giratorio y de espejo 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, Millisegundo Cinematografía, proporcionó tecnología de cámara 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 registra con medios de cámara de rayas tradicionales (tambor giratorio, espejo giratorio, etc.). La resolución está limitada al número de fibras y, normalmente, en la práctica sólo se pueden utilizar unos pocos miles de fibras.
Las cámaras rasterizadas, a las que a menudo se hace referencia en la literatura como cámaras de disección de imágenes, implican el principio de que sólo es necesario grabar una pequeña fracción de una imagen para producir una imagen discernible. Este principio se utiliza más comúnmente en la impresión lenticular, donde se colocan muchas imágenes en 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 rasterizadas 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 rendija tiene 1/10 del ancho de cada área opaca, cuando se mueve la trama, se pueden grabar 10 imágenes en la distancia entre dos rendijas. Este principio permite una resolución temporal extremadamente alta al sacrificar algo de resolución espacial (la mayoría de las cámaras sólo tienen alrededor de 60.000 píxeles, una resolución de aproximadamente 250 x 250 píxeles), con velocidades de grabación de hasta 1.500 millones de fotogramas por segundo. Se han aplicado técnicas de trama a cámaras de trama fabricadas a partir de convertidores de imágenes para velocidades mucho más altas. La imagen rasterizada a menudo se mueve a través de un sistema de espejo giratorio, pero la imagen rasterizada 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.
La trama se puede realizar con láminas lenticulares, una rejilla de hendiduras 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 hacen una distinción. [19]
Quitando el prisma de una cámara con prisma giratorio y utilizando una rendija muy estrecha en lugar del obturador, es posible tomar imágenes cuya exposición es esencialmente una dimensión de 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 las velocidades. También es posible capturar registros de rachas utilizando tecnología de espejo giratorio a velocidades mucho más rápidas. Para este efecto también se pueden utilizar sensores de línea digitales, así como algunos sensores bidimensionales con máscara de hendidura.
Para el revelado de explosivos se proyectaba la imagen de una línea de muestra sobre un arco de película mediante un espejo giratorio. El avance de la llama aparecía como una imagen oblicua en la película, a partir de la cual se medía la velocidad de detonación. [20]
La fotografía con compensación de movimiento (también conocida como fotografía sincronizada balística o fotografía difusa 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 invertida (positiva) y está sincronizado apropiadamente, las imágenes muestran eventos en función del tiempo. Los objetos que permanecen inmóviles aparecen 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 fotografía fija es una fotografía en el tiempo, una fotografía con rayas o manchas es una fotografía del tiempo. Cuando se utiliza para fotografiar proyectiles de alta velocidad, el uso de una rendija (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 la guiñada o el 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 con el filo de un 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 de alta velocidad. Véase, por ejemplo, fotografía de sombras y fotografía Schlieren .
En diciembre de 2011, un grupo de investigación del MIT informó sobre una implementación combinada de aplicaciones de cámara láser (estroboscópica) y cámara de racha para capturar imágenes de un evento repetitivo que se puede volver a ensamblar para crear un video de un billón de fotogramas por segundo. Esta velocidad de adquisición de imágenes, que permite la captura de imágenes de fotones en movimiento [ dudoso ] , es posible mediante el uso de la cámara de racha 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, sincronizado 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. [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 movimiento más lento.
Las primeras cámaras de vídeo que utilizaban tubos (como el Vidicon ) sufrían graves "efecto fantasma" debido al hecho de que la imagen latente en el objetivo permanecía incluso después de que el sujeto se había movido. Además, cuando el sistema escaneaba el objetivo, el movimiento del escaneo en relación con el sujeto generaba 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 "pegajosidad" de imagen. El disector de imágenes Farnsworth no padecía el "palo" de imágenes del tipo que exhiben los Vidicons, por lo que se podrían utilizar tubos convertidores de imágenes especiales relacionados para capturar secuencias de fotogramas cortos a muy alta velocidad. [ cita necesaria ]
El obturador mecánico, inventado por Pat Keller y otros en China Lake en 1979, ayudó a congelar la acción y eliminar las imágenes fantasma. [22] Se trataba de un obturador mecánico similar al utilizado en las cámaras de película de alta velocidad: un disco al que se le quitaba una cuña. La apertura se sincronizó con la velocidad de fotogramas y el tamaño de la apertura fue proporcional a la integración o tiempo de obturación. Al hacer la abertura muy pequeña, se podría detener el movimiento.
A pesar de las mejoras resultantes en la calidad de la imagen, estos sistemas todavía estaban limitados a 60 fotogramas/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 permitían convertir una imagen de fotones en un haz de fotoelectrones. La imagen, mientras se encuentra en este estado de fotoelectrón, podría activarse y desactivarse en tan solo unos pocos nanosegundos y desviarse hacia diferentes áreas de las grandes pantallas de fósforo 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 alcanzaban 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 había limitaciones digitales en las velocidades de datos y en las velocidades 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. Eran típicas resoluciones de 10 lp/mm . Además, las imágenes eran inherentemente monocromáticas, ya que la información de longitud de onda se pierde en el proceso de conversión fotón-electrón-fotón. También hubo un equilibrio bastante pronunciado entre la resolución y la cantidad 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 una cuarta parte de la pantalla; en una secuencia de nueve imágenes, cada imagen ocupa una novena, etc. Las imágenes se proyectaron y mantuvieron en la pantalla de fósforo del tubo durante varios milisegundos, el tiempo suficiente para acoplarlas ópticamente, y luego mediante fibra óptica, a una película para capturar la imagen. 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 "obturador" 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 pasar 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 ser barridos a través de la pantalla de fósforo a increíbles velocidades de barrido limitadas únicamente por la electrónica de barrido, para generar las primeras cámaras de racha electrónica. Sin piezas móviles, se podrían alcanzar velocidades de barrido de hasta 10 picosegundos por mm, lo que daría una resolución temporal técnica de varios picosegundos. Ya en 1973-74 existían cámaras comerciales de racha con capacidad de resolución de tiempo de 3 picosegundos derivadas 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 sub picosegundos y son la única forma verdadera de medir eventos ópticos cortos en la escala de tiempo de picosegundos.
La introducción del CCD revolucionó la fotografía de alta velocidad en los años 1980. La configuración del conjunto de miradas del sensor eliminó los artefactos de escaneo. El control preciso del tiempo de integración reemplazó el uso del obturador mecánico. Sin embargo, la arquitectura CCD limitó la velocidad a la que se podían leer las imágenes en el sensor. La mayoría de estos sistemas todavía funcionaban a velocidades NTSC (aproximadamente 60 fotogramas/s), pero algunos, especialmente los construidos por el grupo Kodak Spin Physics, funcionaban más rápido y grababan en cintas de vídeo especialmente construidas. 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 el RO y se introdujeron más mejoras en la HG2000, una cámara que podía funcionar a 1000 fotogramas/s con un sensor de 512 x 384 píxeles durante 2 segundos. El grupo Kodak MASD también introdujo una cámara CCD de ultra alta velocidad llamada HS4540, que fue diseñada y fabricada por Photron en 1991 [24] y grabó 4.500 fotogramas/s a 256 x 256. La HS4540 fue utilizada ampliamente por empresas que fabricaban bolsas de aire para automóviles para Realice muchas pruebas que requirieron una velocidad de grabación rápida para crear 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 comprada por Roper Industries). Desde entonces, Redlake ha sido adquirida por IDT, que hoy es líder del mercado de cámaras de alta velocidad y continúa sirviendo al mercado de pruebas de choque automovilístico.
A principios de la década de 1990 se desarrollaron cámaras muy rápidas basadas en intensificadores de imágenes de placas 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 imágenes descritos anteriormente, pero incorporan una placa de microcanales. A esta placa se le aplica una carga de alto voltaje de modo que los electrones que llegan desde el fotocátodo de entrada a los orificios crean un efecto de 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 una escala de tiempo de picosegundos. La salida del MCP está acoplada a un CCD, generalmente por medio de 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 transmite. perdido en la conversión fotón-electrón-fotón. El trabajo pionero en esta área lo realizó 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 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 interlínea, 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 fotogramas por segundo. Sin embargo, el tiempo mínimo de exposición es de 3 nanosegundos, lo que limita la velocidad de fotograma 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 fotogramas de varios miles de millones de fotogramas 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 interlínea típico, cada píxel tiene un solo registro. La carga de un píxel individual se puede transferir rápidamente a su registro en una escala de tiempo de microsegundos. Estas cargas luego se leen del chip y se almacenan en un proceso de "lectura" en serie que lleva más tiempo que la transferencia al chip. 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 se haya producido el evento de interés. Es posible alcanzar velocidades de fotogramas 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 fotogramas puede ser mayor. mucho más alto. Los complejos circuitos de sincronización necesarios para las cámaras de espejo giratorio síncrono 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 digital de imágenes). ).
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 imágenes CCD [28] colocando una serie de cámaras CCD alrededor de un espejo giratorio en lugar de película. Los principios operativos 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 regreso a cada cámara CCD, que esencialmente funcionan 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 imágenes, como en los sistemas CCD y CMOS de un solo chip. Esto significa que estas cámaras deben funcionar necesariamente en modo ráfaga, ya que sólo pueden capturar tantos fotogramas como dispositivos CCD haya (normalmente entre 50 y 100). También son sistemas mucho más elaborados (y por 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 son de 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 revolucionó nuevamente 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 el chip y las funciones de procesamiento. También ofrecen mucha mayor flexibilidad a la hora de definir submatrices como activas. Esto permite que las cámaras CMOS de alta velocidad tengan una amplia flexibilidad a la hora de equilibrar velocidad y resolución. Las cámaras CMOS de alta velocidad actuales ofrecen velocidades de encuadre de resolución completa de miles de fps con resoluciones de pocos megapíxeles. Pero estas mismas cámaras se pueden configurar fácilmente para capturar imágenes a 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 los CMOS.
La primera patente de un sensor de píxeles activo (APS), presentada por Eric Fossum del JPL , dio lugar a la escisión de Photobit, que finalmente fue comprada por Micron Technology . Sin embargo, el primer interés de Photobit fue el mercado del 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 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 de Microelectrónica de Bélgica (IMEC). Estos sistemas rápidamente incursionaron en el mercado de las cámaras cinematográficas de alta velocidad de 16 mm a pesar de la resolución y los tiempos récord (la Phantom 4 tenía una resolución de 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 como FillFactory, que se convirtió en el actor dominante en el diseño de sensores de imágenes de alta velocidad. FillFactory fue comprada en 2004 por Cypress Semiconductor y vendida nuevamente a ON Semiconductor , mientras que el personal clave creó CMOSIS en 2007 y Caeleste en 2006. Photobit finalmente introdujo un sensor de 1,3 megapíxeles de 500 fotogramas/s , 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 vídeo 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 de ciencia e ingeniería, se ha creado toda una industria en torno a los sistemas y requisitos de visión artificial industrial. La principal aplicación ha sido la fabricación de alta velocidad. Un sistema normalmente 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 ha hecho posible con la introducción del Amber Radiance y más tarde del 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 Electrophysics también han introducido sistemas infrarrojos de alta velocidad.
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