高速攝像機(jī)簡介、原理及應(yīng)用范圍

目前國內(nèi)已有自產(chǎn)的高速攝像機(jī)，但是由于高速攝像機(jī)起步較晚，總體上來說目前高速攝像機(jī)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的積累都不夠，攝像機(jī)的性能和品質(zhì)依然遠(yuǎn)落后于進(jìn)口攝像設(shè)備。而進(jìn)口高速攝像機(jī)品牌中，要數(shù)日本和美國的品牌比較優(yōu)質(zhì)。其中作為世界上第一家做高速攝像機(jī)的日本nac公司，其生產(chǎn)的高速攝像機(jī)種類繁多，性能頂尖，獲得了全球各個(gè)國家的高度認(rèn)可。高速攝像機(jī)通常來說，決定高速攝像機(jī)性能主要的參數(shù)有：分辨率幀率感光度曝光時(shí)間像元尺寸圖像深度。而像nac品牌這種頂尖的高速攝像機(jī)不僅在這些主要參數(shù)上十分優(yōu)秀，還擁有獨(dú)特的PIV模式以及適合多個(gè)種類實(shí)驗(yàn)的觸發(fā)方式。高速攝像機(jī)技術(shù)具有實(shí)時(shí)目標(biāo)捕獲、圖像快速記錄、即時(shí)回放、圖像直觀清晰等突出優(yōu)點(diǎn)。高速運(yùn)動目標(biāo)受到自然光或人工輔助照明燈光的照射產(chǎn)生反射光，或者運(yùn)動目標(biāo)本身發(fā)光,這些光的一部分透過高速成像系統(tǒng)的成像物鏡。經(jīng)物鏡成像后，落在光電成像器件的像感面上，受驅(qū)動電路控制的光電器件，會對像感面上的目標(biāo)像快速響應(yīng)，即根據(jù)像感面上目標(biāo)像光能量的分布，在各采樣點(diǎn)即像素點(diǎn)產(chǎn)生響應(yīng)大小的電荷包，完成圖像的光電轉(zhuǎn)換。帶有圖像信息的各個(gè)電荷包被迅速轉(zhuǎn)移到讀出寄存器中。讀出信號經(jīng)信號處理后傳輸至電腦中，由電腦對圖像進(jìn)行讀出顯示和判讀，并將結(jié)果輸出。因此，一套完整的高速成像系統(tǒng)由光學(xué)成像、光電成像、信號傳輸、控制、圖像存儲與處理等幾部分組成。高速攝像機(jī)主要應(yīng)用于科研，軍事測試以及工業(yè)生產(chǎn)評估等領(lǐng)域。例如汽車碰撞測試，焊接過程中的電弧的產(chǎn)生，電池爆炸過程中的有機(jī)液體飛濺，像這一類速度非常快的現(xiàn)象必須借助高速攝像機(jī)才能清晰的捕捉到。高速攝像機(jī)可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成對高速目標(biāo)的快速、多次采樣，當(dāng)以常規(guī)速度放映時(shí)，所記錄目標(biāo)的變化過程就清晰、緩慢地呈現(xiàn)在我們眼前。高速攝像機(jī)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用主要表現(xiàn)在：彈道追蹤、導(dǎo)彈發(fā)射、燃燒測試、材料測試、PIV測試等。高速攝像機(jī)是憑借著它高頻率的拍攝速度以捕捉那些普通相機(jī)無法捕捉到的高速物體的移動軌跡，準(zhǔn)確的跟蹤對象運(yùn)動，測量其大小、距離及變化和速度，然后再以人眼所能看到的畫面頻率進(jìn)行播放。高速攝像機(jī)在科學(xué)研究領(lǐng)域主要表現(xiàn)在：材料測試、燃燒、生物力學(xué)、裂紋擴(kuò)展、流體動力學(xué)、振動、噴霧和噴霧等分析。為了滿足高校實(shí)驗(yàn)室、研究所及科研的實(shí)驗(yàn)分析，需要用到超高分辨率高速攝像機(jī)的記錄，能將高速運(yùn)動現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展和運(yùn)動規(guī)律等清晰成像。高速攝像機(jī)在汽車測試領(lǐng)域主要表現(xiàn)在：車輛碰撞試驗(yàn)、氣囊點(diǎn)爆試驗(yàn)、汽車零部件沖擊試驗(yàn)、燃燒測試試驗(yàn)、車輛性能測試、發(fā)動機(jī)和車輪動態(tài)測試等。隨著社會的不斷發(fā)展，人們對車輛的安全性能提出了越來越高的要求。汽車生產(chǎn)商和汽車研發(fā)機(jī)構(gòu)為了改善車輛的安全性能，進(jìn)行著越來越多的汽車測試與實(shí)驗(yàn)，高速攝像機(jī)在這一領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。圖例：北京理工大學(xué)納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用nac品牌高速攝像機(jī)對激光誘導(dǎo)等離子體瞬間的變化進(jìn)行捕捉。上圖實(shí)驗(yàn)所使用的設(shè)備為nac品牌中的ASC型號高速攝像機(jī)，該型號為nac新出產(chǎn)品，也是目前世界上首個(gè)能達(dá)到每秒400億像素的高速攝像機(jī)，基本參數(shù)如下：傳感器獨(dú)特的CMOS全局快門芯片大小為28.16mm×19.71mm像元尺寸20um最大分辨率1280×896最大拍攝速率22萬fps感光度ISO（REI）50000支持PIVPIV幀間間隔125ns內(nèi)置存儲空間64GB/128GB/256GB圖像深度8bit/10bit/12bit可輸入信號Trigger（TTL/Contact）/EST/IRIG-B接口類型千兆網(wǎng)口/USB3.0電源20-32V直流大小175W×175H×206D（單位：mm）重量7.3kg幀率與像素對應(yīng)表如下：FPSPixelHV40,0001280800