即使是價(jià)格低廉的數(shù)碼相機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)接近1000fps的幀率，但是針對(duì)生物和工業(yè)過程凍結(jié)時(shí)間的科研相機(jī),需要依賴于新穎的探測(cè)器和圖像處理技術(shù)，達(dá)到每秒幾千到100萬幀的拍攝速率。

　　根據(jù)維基百科的描述，幀率超過250fps的相機(jī)都屬于高速相機(jī)。然而，以科學(xué)術(shù)語(yǔ)來衡量，這種類型的速度屬于“小兒科”，很容易實(shí)現(xiàn)。即使是價(jià)格低廉的數(shù)碼相機(jī)，通常也能實(shí)現(xiàn)超過1000fps的幀率，而超高速掃描照相機(jī)已經(jīng)設(shè)計(jì)達(dá)到萬億幀/秒的幀率。

　　但是對(duì)于研究基于激光的點(diǎn)火事件、超快工業(yè)生產(chǎn)線組裝和加工、化學(xué)和生物事件，甚至是車輛碰撞測(cè)試結(jié)果的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室，主要依賴的是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）或電荷耦合器件（CCD）相機(jī)，成像速度范圍從幾千到大約100萬幀/秒。

　　當(dāng)然，成像速度與成像分辨率和光強(qiáng)級(jí)別緊密相關(guān)。隨著光子學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高速成像相機(jī)的性能不斷提升，使用戶能夠針對(duì)不斷擴(kuò)大的應(yīng)用范圍凍結(jié)時(shí)間。

　　核心部分

　　每臺(tái)相機(jī)都是一個(gè)完整的光電系統(tǒng)，包含光學(xué)原件、光機(jī)械、探測(cè)器、外殼和電子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和控制組件。但在一般情況下，任何相機(jī)的性能參數(shù)都是由圖像傳感器決定的；因此，所有其他系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)，都是圍繞圖像傳感器來展開的。

　　通常，CMOS傳感器被認(rèn)為是高速成像應(yīng)用的最佳選擇。不同于像素?cái)?shù)量有限的CCD傳感器，將輸入光轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后通過數(shù)量有限（一個(gè)到幾個(gè)）的輸出節(jié)點(diǎn)以模擬信號(hào)的形式發(fā)送出芯片；CMOS傳感器的芯片內(nèi)包含放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），避開了CCD圖像處理的高功耗和較慢的讀出速度。

　　“CMOS傳感器是許多高速相機(jī)的核心，主要考慮到其較高數(shù)量的傳感器通道，用于實(shí)現(xiàn)迅速的光子/電子轉(zhuǎn)換，快速將電子從傳感器送走�！泵绹�(guó)Photron公司銷售和市場(chǎng)營(yíng)銷總監(jiān)Andrew Bridges說，“大量的DAC可以成為大的發(fā)熱體，因?yàn)檫@需要更多的內(nèi)存。幸運(yùn)的是，CMOS中理想的板載內(nèi)存情況，也可以通過快速數(shù)據(jù)卸載技術(shù)來實(shí)現(xiàn)�！�

　　除了減少生熱和傳感器噪聲，“光靈敏度是高速成像應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵因素�！盉ridges說，“當(dāng)FASTCAM SA5在2008年左右推出時(shí)，10000的ISO值給人們留下了深刻的印象�，F(xiàn)在，F(xiàn)ASTCAM SA-Z中新的傳感器電子產(chǎn)品，為12位單色相機(jī)提供50000的ISO值，為36位Bayer彩色相機(jī)提供20000的ISO值，兩者均采用20μm2的像素�！盉ridges介紹說，通過開發(fā)新的電路設(shè)計(jì)，大大降低了噪聲，提高了增益，從而提高了靈敏度。

　　“我們根據(jù)真正的行業(yè)ISO Ssat12232標(biāo)準(zhǔn)，來衡量FASTCAM相機(jī)在高幀率下的光靈敏度，在同樣的照明條件下采用更快的快門/曝光速度和更大的景深，無需更多的照明�！盉ridges說。

　　標(biāo)準(zhǔn)面陣相機(jī)的一種替代方案是線陣相機(jī)。線陣相機(jī)的速度不是以每秒幀數(shù)來衡量，而是以頻率來衡量，即在被掃描的物體運(yùn)動(dòng)的情況下，線陣相機(jī)每秒能夠掃描的線數(shù)，每條線攜帶數(shù)千像素信息，用于采集數(shù)據(jù)。線陣相機(jī)具有更短的曝光時(shí)間，通常與高亮度光源配合，用于工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用。

　　德國(guó)Chromasens公司的三線相機(jī)，通過布置極其接近的三條RGB傳感器線，實(shí)現(xiàn)以高水平的顏色精確度捕獲移動(dòng)物體的圖像。該公司的allPIXAwave相機(jī)基于四線CMOS彩色線掃描傳感器，線長(zhǎng)高達(dá)15000×4行，工作速度為150kHz，吞吐量為850Mpixels/s。

　　加拿大Teledyne DALSA公司在2003年開發(fā)了定制的傳感器和相機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)1億幀/秒的成像速率。該高幀率相機(jī)采用定制式像素設(shè)計(jì)，主要針對(duì)那些需要極短成像時(shí)間（爆炸式成像），以及拍攝圖像的數(shù)量有限（10-15張）并且讀出緩慢的應(yīng)用，該相機(jī)能夠提供圍繞單個(gè)事件的相關(guān)情況的詳細(xì)信息。

　　美國(guó)Specialised Imaging公司使用圍繞光學(xué)分束器創(chuàng)建的多個(gè)超高分辨率（高達(dá)1360×1040像素）傳感器，用于持續(xù)時(shí)間從幾十微秒至幾十納秒的超高速事件，如激光引發(fā)的沖擊、微爆炸、超高速碰撞、彈道事件和以及某些生物過程。通過以從100幀/秒到高達(dá)10億幀/秒的任意幀率序列觸發(fā)每個(gè)傳感器，避免了不得不快速讀出傳感器數(shù)據(jù)所帶來的限制。分束器將主圖像分割為多達(dá)16個(gè)端口，同時(shí)保持具有>100 lp/mm的空間分辨率和近零視差的無畸變圖像。

　　Specialised Imaging公司的相機(jī)使用增強(qiáng)CCD（ICCD）傳感器，作為計(jì)數(shù)時(shí)間短至幾納秒的電光快門，也作為增益級(jí)將光的短曝光時(shí)間放大至CCD可記錄的級(jí)別，然后光纖耦合至微通道管板。通過使用快速（300ns的衰減）熒光粉和線轉(zhuǎn)移型CCD，ICCD兩幀之間的捕獲間隔小于550ns，最終實(shí)現(xiàn)16幀相機(jī)，具有1450萬幀/秒的最高速率，所有均來自于8通道ICCD相機(jī)。

　　幀率和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

　　“幾年前，我們的FASTCAM ultima APX-RS是市面上最快的高速視頻相機(jī)，幀率25萬幀/秒，但只有128像素寬×16像素高的非常低的分辨率�！盉ridges說道，“今天，F(xiàn)ASTCAM SA-Z能以128×8像素[寬×高]、210萬幀/秒，或者384×128像素、25.2萬幀/秒的速率記錄圖像�！�

　　但是美國(guó)Fastec Imaging公司的產(chǎn)品經(jīng)理Tim Brandt提醒我們，更高的幀率并不總是捕捉有意義信息的最佳途徑�！坝辛烁�高的分辨率，有可能在覆蓋更大視場(chǎng)上做得更好。假如想通過幀拍攝移動(dòng)物體的五幅圖像以表征其運(yùn)動(dòng)，不受阻礙的物體移動(dòng)通過非常有限的視場(chǎng)，將比其通過較大視場(chǎng)時(shí)快得多，因此為了在有限的視場(chǎng)內(nèi)捕獲五幅圖像，將需要更高的幀率�！彼�繼續(xù)說，“但采用更大的視場(chǎng)有兩大優(yōu)勢(shì)：首先并不需要這么高的幀率；其次，將得到物體在更長(zhǎng)時(shí)間周期內(nèi)的圖像，這將產(chǎn)生關(guān)于其行為的更多和更好的信息�！�

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