超高速摄像技术的后续讨论

forcode：前几天，奇想录发布的帖子：奇想录小专题：超高速摄像技术（视频和组图）中提到，目前世界上帧速最快的摄像机能够达到每秒100万次。刚才DuckulA在奇想录qq群（11564958）里，又提起超高速摄影技术，并且找到了一些新的资料："纪念龚祖同诞辰100周年-西安光学精密机械研究所"，看这个链接的内容来看，西安光学所在几十年前就实现了每秒数千万帧的高速摄影？太不可思议了，难道中国在二十多年前就已经超过西方今天的高速摄影技术水平？还是说每秒100万帧是当前高速"数码"摄影技术的极限？"机械式"摄影技术（胶卷）早就已经达到1亿帧以上？如果这是真的，那么刘慈欣在《球状闪电》中所说的每秒6亿张也仍然保守了。聊天记录中有一些我们的猜测，纯粹是外行的猜测，没太多根据，或许有专业人士看到了可以给我们普及一下。本文末转载《瞬态光学技术及其应用》，当作科普吧，也是西安光学精密机械研究所的人写的。另外，forcode与DuckulA在讨论中所涉及的机械式与电子式区别中的存储和带宽问题很有趣，为什么机械式的就不会存在带宽问题呢？其实质是什么？有空好好琢磨下。简单地想，机械式的存储依靠的是胶卷，胶卷的面积也就对应着存储量；另外机械运动的速度与胶卷宽度也就对应着带宽……很有趣的问题。
本文全文地址：
http://www.qixianglu.cn/627717.html

forcode(8337601) 21:58:24
我怀疑是这样的：想像一个内空的圆柱体，圆柱体的轴有10米长，然后在轴上面套一个1米长的套筒，套筒上密密排着100个微型镜头，胶卷按照螺旋绕在圆柱 体内壳上，好像绕线一样，然后轴本身在以每秒1万转的速度转，并且沿轴向运动，同时圆柱体球壳每秒也是1万转的速度相反方向转，这样，每秒1万×1万=1 亿转的相对速度，也就实现了一秒换1亿张胶卷，另外，由于轴本身在迅速往外移动，比如，每秒往外移动10米。。。。。这样是不是就超过1亿次了？还没想清 楚

forcode Says:
04月 10th, 2008 at 4:26 下午 e

DuckulA 在 2008年04月10日 4:01 下午 说到:

　　研究所为我们召开了一个由几名工程师参加的小型会议，林云首先提出了要求，她说我们需要高速摄影设备，对方的几个人都面露难色。
　　负责人说："目前，我们的超高速摄影设备与世界水平还有一定的距离，设备在试运行中还很不稳定。"
　　"先说明你们要求的指标，我们看情况再说吧。"一位工程师说。
　　我战战兢兢地说出了那个数字："大约每秒钟拍摄3600万幅画面。"
　　我本预料对方大摇其头，没想到这几个人都哑然失笑，负责人说："说了半天，你们要求的只是普通的高速摄影！而位对超高速摄影的概念是五十年代的了，现在我们能达到的最高拍摄频率是每秒4亿幅画面，世界最高水平是每秒6亿幅。" －－《球状闪电》

看来我的数字还算保守了，不过百万次和亿次之间的差距貌似就没那么大了，不知道有没有接近物理极限。我怀疑大刘写的时候去网上搜索过相关资料。

"纪念龚祖同诞辰100周年-西安光学精密机械研究所"
http://www.opt.ac.cn/gzt/houxun.htm

又经一年，为我国首次原子弹试验研制成功了三台每秒拍摄20万幅的 转镜高速摄影机和三台克尔盒高速摄影机，它们都成功地于1964年10月16日那历史性一爆的瞬间获得了珍贵的核爆照片。在其后的岁月里，龚老带领全所科 技人员百尺竿头、更进一步，陆续研制出了拍摄频率从每秒几十帧到两千万帧的光机式高速摄影机和时间分辨率从微秒、纳秒直到皮秒的变像管高速摄影机。

奇想录小专题：超高速摄像技术（视频和组图）
http://www.qixianglu.cn/627628.html

080412更新的后续讨论：

DuckulA(106825799) 20:37:23
今天听到一个不确切的数据
DuckulA(106825799) 20:37:44
国产高速摄影机已经有2亿帧/s的了
forcode(8337601) 20:37:53
多少分辨率？
forcode(8337601) 20:37:59
型号？
DuckulA(106825799) 20:38:33
http://www.opt.ac.cn/gzt/houxun.htm不知道，我没查到任何数据
DuckulA(106825799) 20:38:42
但是这片文章里提到个事情
DuckulA(106825799) 20:38:56
陆续研制出了拍摄频率从每秒几十帧到两千万帧的光机式高速摄影机和时间分辨率从微秒、纳秒直到皮秒的变像管高速摄影机。
DuckulA(106825799) 20:39:41
你英文好，去找找有没有更专业的资料。RealTek那个就是民用级别啊
forcode(8337601) 20:39:43
2亿帧？
DuckulA(106825799) 20:40:17
是啊。。。我看到的就这个
forcode(8337601) 20:41:34
2千万帧
forcode(8337601) 20:41:38
不过也够快了
DuckulA(106825799) 20:42:19
这个人已经去世很久了
DuckulA(106825799) 20:42:31
18年，你想想，十八年啊
forcode(8337601) 20:43:52
那现在国外的高速摄像技术怎么才100万帧？落后中国几十年？
DuckulA(106825799) 20:45:02
那个是民用的呗
DuckulA(106825799) 20:45:24
没准过两年跟PC摄像头一样普及了
forcode(8337601) 21:39:41
。。。。。。。。。。
forcode(8337601) 21:40:02
那个也不是民用的
forcode(8337601) 21:40:08
据说是世界上最快的
DuckulA(106825799) 21:40:40
….还有一种可能
一个是机械的一个是电子的
forcode(8337601) 21:40:53
机械的似乎不可能有那么快
forcode(8337601) 21:42:08
到80年代初,…高速视频录像:光机式的高速摄影机都是使用胶片的,即使是变像管高速摄影机,以前也都是使用胶片做最后的图像记录的。
forcode(8337601) 21:42:22
胶片运动怎么能够这么快？
DuckulA(106825799) 21:42:34
动的是镜头
DuckulA(106825799) 21:42:43
依靠光学镜片
forcode(8337601) 21:42:46
镜头运动也难这么快啊
forcode(8337601) 21:42:55
不太懂
DuckulA(106825799) 21:43:20
我也是猜的，镜头本身不用动，内部的光学部件进行运动
forcode(8337601) 21:43:35
哦
DuckulA(106825799) 21:44:33
如果它在一秒钟内更换10次成像区域，那么配合正常胶片运动，就加速了10倍了
forcode(8337601) 21:45:15
没明白
DuckulA(106825799) 21:46:22
假设放10排胶卷。在胶卷运动的过程中，每排胶卷都被扫描到
驿雨情乡(402878948) 21:46:42
晕倒。。。都这么专业，高材生啊
forcode(8337601) 21:46:54
。。。。。。。。。。。。。。
DuckulA(106825799) 21:46:54
不是专业 ，我在猜测而已
DuckulA(106825799) 21:47:00
纯粹猜测。。
forcode(8337601) 21:47:03
10排怎么放？
forcode(8337601) 21:47:05
不懂
驿雨情乡(402878948) 21:47:26
语言专业啊，我都听不懂
DuckulA(106825799) 21:48:57
我就举例子，一卷也好解决
比如后面的成像区可以容纳大概十个格。
这十格在路过这成像区的时候，会被镜头挨个扫描一遍
一秒钟本来只能走100格。但是镜头在0.1秒内就扫描完了这一区域，那么就等于一秒钟走了1000格了
forcode(8337601) 21:50:31
这个还是得让镜头懂得很快啊
forcode(8337601) 21:50:52
还是靠机械运动啊
DuckulA(106825799) 21:52:03
对啊，不过可以通过光学部件来实现，光线通过反射，后面成像区运动10cm，反射区只需要运动0.1mm。。。
DuckulA(106825799) 21:52:57
至于运动频率，机械达到几百Hz应该没问题，不知道能不能上万
DuckulA(106825799) 21:54:46
中国科学院西安光学精密机械研究所，就是专门研究超高速摄影摄像、超高速感光胶片的。1962年，他们的超高速电影摄影机就达到了10亿帧每秒。某人在帖子里说的。。我晕。。我问问他，等回答中。。
forcode(8337601) 21:58:24
我怀疑是这样的：想像一个内空的圆柱体，圆柱体的轴有10米长，然后在轴上面套一个1米长的套筒，套筒上密密排着100个微型镜头，胶卷按照螺旋绕在圆柱 体内壳上，好像绕线一样，然后轴本身在以每秒1万转的速度转，并且沿轴向运动，同时圆柱体球壳每秒也是1万转的速度相反方向转，这样，每秒1万×1万=1 亿转的相对速度，也就实现了一秒换1亿张胶卷，另外，由于轴本身在迅速往外移动，比如，每秒往外移动10米。。。。。这样是不是就超过1亿次了？还没想清 楚
DuckulA(106825799) 21:59:08
也行。。不过你这个噪音太大了吧
forcode(8337601) 21:59:36
机械式的转速肯定有极限
forcode(8337601) 21:59:39
发热量一定很大
forcode(8337601) 21:59:46
电子式的估计要简单得多
DuckulA(106825799) 21:59:49
我还是倾向于内部光学构件的旋转和振动
DuckulA(106825799) 21:59:57
电子式暂时受制于存储问题
forcode(8337601) 22:00:07
哦
DuckulA(106825799) 22:00:22
普通的800*600的影片，未压缩1分钟就要几十兆。。
DuckulA(106825799) 22:00:49
我弄过一个700M的。。压缩还要浪费时间
DuckulA(106825799) 22:00:57
1分钟700M
forcode(8337601) 22:00:58
那是啊
forcode(8337601) 22:01:10
芯片之间的带宽估计都跟不上
forcode(8337601) 22:01:17
甚至芯片内部的带宽都不够
DuckulA(106825799) 22:01:33
恩，对啊，这也是大问题，所以分辨率降低
DuckulA(106825799) 22:01:39
你给的链接里有一个，32GB存储10秒钟。。。
DuckulA(106825799) 22:01:46
20秒啊
forcode(8337601) 22:01:49
哦
forcode(8337601) 22:36:33
刚又找了一些高速摄影的资料，明天发出来吧
DuckulA(106825799) 22:36:50
先透露下数据
forcode(8337601) 22:37:03
有一篇西安光学精密机械研究所的人写的论文
forcode(8337601) 22:37:07
还有篇高速摄影的科普

高速摄影　

普通的电影摄影机，每秒拍摄24幅，放映时也是每秒24幅。尽管银幕上的画面每秒变换24幅，但由于人眼的视觉暂留，我们看到的是连续的动作而不是断续的跳变。拍摄速度大于这个值的就可以称为高速摄影。例如，若每秒拍摄240幅而以每秒24幅的速度放映，则动作被放慢了10倍，我们就可以看得相当从容，相当仔细。进行高速摄影的机器称为高速相机。它也可以按工作原理分为光机式与光电子式，按工作结果分为条纹相机与分幅相机，还可以按拍摄速度分为中低速相机、高速相机及超高速相机。

光机式相机：所有使用几何光学原理及高速动作的机械机构实现对快速现象的观测记录的设备，都称为光机式高速相机，它通常又可以十分清晰地分为以下3类：

1.间歇式高速摄影机。相机有一个输片机构、收片机构与光学系统。底片在抓片机构的拖动下间歇运动。曝光在底片静止的片刻完成。限于底片两侧齿孔的强度，这类相机的拍摄速度的上限为360幅/秒。底片通常长约200～300米，持续拍摄约数分钟。结果可以放电影，使原有现象的速度放慢至多15倍，也可以用专门的判读仪测出运动的多种参数。我们通常看到的体育运动的慢动作，早先都是用这类摄影机拍摄的，速度约在50～100幅/秒之间。

近十多年来，人们逐渐使用了高速视频录像技术，俗称高速电视，它具有无需事后冲洗、放映速度可变，可以擦除等优点，方兴未艾，我们后面还要提及。

2.光学补偿式高速摄影机。在这类相机中，底片连续运动，从静止逐步迅速达到某一稳定速度。为了获得清晰的图像，人们使用移动的透镜、旋转的棱镜或反射镜，使图像在曝光时间内与底片同速运动、相对静止，目前使用最多的是旋转棱镜。这类相机的底片长度通常在30-120米之间，最长也有600米的，所得结果可以放电影。由于光学补偿式高速摄影机结构简单，操作方便，体积小而造价低廉，它被广泛地应用于研究各种发光的和不发光的（加照明装置）快速现象，如导弹的发射、工业机器的运转、流体力学、爆轰学、加工工艺研究、材料力学、航空航天技术等等。

这类相机可以按底片运动的方式分为牵引输片式，其胶片总长约200-300米，拍摄频率每秒数千幅，上限1.1万幅/秒；另一种为鼓轮式，它的底片固定在一个高速的鼓轮的内表面或外表面，片长约1米，拍摄频率数万-数十万幅/秒，画幅总数数百-数千幅。

3.转镜式高速摄影机。在这类相机中，底片固定在暗箱内一个近似圆孤的片架上，用旋转反射镜使成像光束相对于底片高速运动。如在底片前面放置一排小透镜，光束扫过它们时会在底片上形成一幅幅图像，构成所谓分幅相机。如在光学系统前设置一个狭缝，将目标成像在狭缝上，并将其经转镜成像在底片上，则当转镜旋转时会在底片上形成一个条状图像，条纹的宽度表示目标沿狭缝方向线度随时间的变化，条纹的黑度表示目标的发光强度随时间的变化。由于拍摄结果是一个条带，因此称为条纹相机，有时也因其来自光束在底片上的扫描而称为扫描相机。其时间分辨率取决于扫描的速度和相机沿扫描方向的空间分辨率，一般在纳秒（109秒）量级。分幅式转镜相机片长1-2米，画幅数十至数百（视画幅大小而定），拍摄频率数十万至两千万幅/秒。为了避免较长的发光过程造成底片重复曝光，这类相机备有快开快门和快关快门。前者在转镜转到某一角度时打开，后者则在光束重复扫描前关闭。由于需要高速动作，快开快门是一种大电流脉冲驱动的铝箔，快关快门是一块两侧置有电雷管、前后置有有机玻璃防护板的平板玻璃。当雷管起爆时玻璃块被粉碎，光路即被遮断。

转镜相机的转镜可以用特种钢制造。当速度进入超高速范畴时，通常采用铍制作，取其轻而刚韧兼备。这种相机多用于靶场，是爆轰物理、磁约束受控聚变研究及核武器试验等的有力工具。

光机式高速摄影机还有一些不常用的次要类型，由于时间关系，从略。我国自60年代初开展高速摄影技术的研究，到80年代初，已经成功地研制了上述各类相机并且达到了国际先进水平，打破了当时的禁运，满足了国防科研的需要。

光电子类相机：

所有使用电光、光电效应以及脉冲电光源的高速相机，我们统统归入光电子类，它还可以细分为闪光摄影、电光摄影与变像管摄影。

1.闪光摄影：这种摄影与我们日常在光线暗的场合使用闪光灯拍照类似，不同之处仅仅在于所使用的闪光的持续时间更短。闪光可以是火花放电、氙灯，也可以是脉冲激光。相机的曝光时间就是闪光持续的时间或者叫做光脉冲的宽度。一般火花放电的持续时间可以短至纳秒（10-9秒），而激光脉冲则可以短至皮秒（10-12秒）及飞秒（10-15秒）。闪光摄影一次获得一幅照片，如果使用依次放电的火花隙阵列或序列激光脉冲，也可以获得多幅照片。

当使用X射线闪光时，就形成了叫射线高速摄影的技术。

2.电光摄影：某些液体，例如硝基苯、二硫化碳等，在电场中有双折射现象，电场消失后这种现象也很快消失，称为Kerr电光效应。在一对正交的偏振片中间放置一个能施加电场的充有上述液体的盒子（通常叫克尔盒），就构成一个快门。不加电场时，这个快门是不透光的，即关闭的；当加一合适的电场时，这个快门就透光了。快门打开的持续时间取决于电场存在的时间，即加在克尔盒上的高压电脉冲的宽度，通常为纳秒量级。当使用二硫化碳液体并用脉冲激光的电场驱动时可以达到皮秒量级。1964年我国第一颗原子弹爆炸时，我们就使用了自己研制的三台克尔盒高速相机，获得了珍贵的核爆的早期照片。也可以用某些晶体的电致双折射效应构成一个高速快门，用于高速摄影。类似地，还可以利用法拉第磁光效应构成一个快门，不过因为磁场建立较慢，曝光时间较长。

3.变像管高速摄影：变像管是一种宽束光电成像器件。它由光电阴极、电子光学聚焦系统及荧光屏组成。当光学图像照在它的光电阴极上时，光电阴极即发射出一个电子密度与光强相应的电子图像，这个电子图像经电子光学系统聚焦成像在荧光屏上就重新转换成一个与原来的光学图像相同的可见光图像。

变像管有这样一个优点：第一，它可以实现波长变换。依靠使用不同的光电阴极，可以将红外图像、紫外图像及X射线影像转化为可见光图像。第二，利用在变像管内放置二维电子倍增器（MCP）倍增电子数目并提高对电子的加速电压，可以实现图像的亮度增强，即将微弱的光学图像增强为荧光屏上明亮的可见光图像，增益通常可达数千至数万倍。第三，利用电磁场可以控制电子束的运动，使之偏转扫描或中断，从而形成快门动作，构成变像管高速摄影机。由于电子的惯性极小，变像管相机的时间分辨率可以达到皮秒甚至飞秒量级。

像光机式高速摄影机一样，变像管相机也可以按照拍摄的结果分为单幅的、多幅的和条纹的。

短磁聚焦的飞秒条纹管，由于可以尽早对光电子偏转扫描，避免了光电子自光电阴极至荧光屏的飞行过程中出现的时间弥散，因而可以获得飞秒级的时间分辨率。

4.高速视频录像：光机式的高速摄影机都是使用胶片的，即使是变像管高速摄影机，以前也都是使用胶片做最后的图像记录的。这就需要显影、定影等事后处理，费时费事。磁带录像技术出现之后，人们致力于高帧频的摄录技术，研制成功了采用高密度磁头与磁带的高速视频摄录机，摄录频率可达2000帧/秒，画面分割后可以更高，例如6分之后可达12000帧/秒。

最近几年，随着固体摄像器件（CCD与自扫描光电二极管阵列器件）的发展和大容量集成电路存储芯片的出现，高速视频录像系统已经放弃了采用高密度磁头与磁带的途径。新的系统采用高速专用CCD或SSPD（自扫描光电二极管阵列）作为图像传感器，大容量集成电路存储芯片作为记录介质，研制成功了固态全数字高速视频录像系统。这种系统既无需光机式高速摄影机的胶片事后处理，可以即时以标准电视制式任意倍率慢放和对画面进行自动搜索，也没有光机式高速摄影机及用磁带记录的高速视频录像系统的高速运动部件，因而没有噪音，没有磨损，寿命长，实现了快速变化现象的捕获、记录与立即重放。今后，随着空间分辨率的进一步提高，必将取代中低速的高速摄影机。我国西安光机所已经研制成功这种新型高速摄录系统，拍摄频率500帧/秒，画面二分割之后可达1000帧/秒，记录容量4000幅。

可见化技术：

客观世界中除物体形态、位置、亮度等等的变化是明显可见的之外，还有一些物理量是不可见的，例如温度的分布、密度的分布、压力的分布、应力的分布等等。然而这些物理量往往对空气动力学、爆轰学、激波等的研究极为重要，于是人们发展了若干技术来显现这些物理量的分布及其变化。我们称之为可见化技术，也有称流场显示技术的。它的基本原理有的是温度或压力的变化引起空气密度的变化，空气密度的变化引起它对光的折射率的变化，从而引起光线传输路径的变化，造成阴影或纹影，这些阴影或纹影反映了温度或压力的分布。有的是光的干涉。应力会引起双折射效应，形成干涉花纹。人们可以从干涉图判断应力的分布及大小。

可见化技术方面，以前应用最多的是阴影法和纹影法，近些年发展了剪切干涉与全息干涉。

forcode：下面转载这篇论文，当作科普吧，也是西安光学精密机械研究所的人写的：

瞬态光学技术及其应用

    侯　洵

    中国科学院西安光学精密机械研究所

    侯洵　　光学家。１９３６年１２月６日出生于河南灵宝，原籍陕西咸阳。
１９５９年西北大学毕业。中国科学院西安光学精密机械研究所研究员。中国光
   学学会常务理事，中国光学学会高速摄影与光子学专业委员会主任。１９９１年
当选为中国科学院院士。主要从事瞬态光学方面的研究。

    瞬态光学技术是研究和发展用来观察、记录各种瞬态现象的光学技术的。瞬
态现象系指变化很快的现象，它可以是物体位置或形态的快速变化，也可以是某
种发生在原子分子层次上的表面上静悄悄的非常快速的物理化学过程或生物过程。

    为什么要发展瞬态光学技术？为了弥补人类眼睛对快速变化现象分辨能力的
   不足。我们人类的视网膜有１／２４秒的视觉暂留效应，即当在视网膜上的图像
消失后，我们在１／２４秒之内仍能感觉到它。这就是说，我们人类眼睛的时间
分辨能力只有１／２４秒。正因为如此，所以对于许许多多的快速变化，我们只
看到了变化前的状态和变化的结果，而看不清变化的过程。例如一个玻璃杯掉在
地上，我们只能看到地上的杯子碎片而看不清杯子撞击地面、破裂、然后飞散的
过程。子弹打在窗玻璃上，我们也只能看到结果，而看不清过程。
   
    为了认识世界和改造世界，我们就要研究和发展一种技术，用来弥补我们眼
睛时间分辨力的不足，正如我们发明了放大镜、显微镜、电子显微镜、扫描隧道
显微镜……来弥补我们眼睛的空间分辨能力的不足一样。类似地，我们还发明了
夜视仪来弥补人眼感光灵敏度的不足，发明了红外变像管来扩展人眼的光谱响应
范围。

    人类从客观世界获得的信息中有７０％是借助视觉的，因此，人类视觉的扩
展对于提高我们认识世界，进而改造世界的能力是至关重要的。事实上，人类视
   觉的任一种扩展都会给人类展现一个崭新的世界，开辟一个广阔的研究领域：天
文望远镜使我们得以研究宇宙，显微镜使我们得以发现细菌、研究微生物，而瞬
态光学技术则能使我们看清体操运动员的动作细节，了解高速运转的机器的动作
过程，研究反坦克弹的穿甲过程，记录原子弹爆炸的瞬间过程，探查高等绿色植
物中所发生的光合作用的机理……

    瞬态光学技术的分类

    瞬态光学技术是一种视觉扩展技术。它使用几何光学、物理光学、电子光学、
   精密机械、电子学、激光与光电子学等一系列技术。因此，可以有多种依照不同
标准的分类，例如按工作所依据的技术，按工作的结果等等。而研究不同的对象
常常需要不同的技术，因此也可以按研究的对象，将瞬态光学技术分为两大类：
一类是着重研究物质的形态变化与位移的。例如机器的运转、导弹飞行的轨迹和
姿态、体育运动、武器试验等等，称为高速摄影；另一类着重研究物质内部的瞬
变过程，特别是在原子分子层次上的高速过程，叫做超短光脉冲的产生与测量。
   由于时间关系，今天我先向大家介绍高

    速摄影及其应用。

    高速摄影

    普通的电影摄影机，每秒拍摄２４幅，放映时也是每秒２４幅。尽管银幕上
的画面每秒变换２４幅，但由于人眼的视觉暂留，我们看到的是连续的动作而不
是断续的跳变。拍摄速度大于这个值的就可以称为高速摄影。例如，若每秒拍摄
２４０幅而以每秒２４幅的速度放映，则动作被放慢了１０倍，我们就可以看得
相当从容，相当仔细。进行高速摄影的机器称为高速相机。它也可以按工作原理
   分为光机式与光电子式，按工作结果分为条纹相机与分幅相机，还可以按拍摄速
度分为中低速相机、高速相机及超高速相机。

    光机式相机：所有使用几何光学原理及高速动作的机械机构实现对快速现象
的观测记录的设备，都称为光机式高速相机，它通常又可以十分清晰地分为以下
３类：１。间歇式高速摄影机。相机有一个输片机构、收片机构与光学系统。底
片在抓片机构的拖动下间歇运动。曝光在底片静止的片刻完成。限于底片两侧齿
   孔的强度，这类相机的拍摄速度的上限为３６０幅／秒。底片通常长约２００～
３００米，持续拍摄约数分钟。结果可以放电影，使原有现象的速度放慢至多１
５倍，也可以用专门的判读仪测出运动的多种参数。我们通常看到的体育运动的
慢动作，早先都是用这类摄影机拍摄的，速度约在５０～１００幅／秒之间。

    近十多年来，人们逐渐使用了高速视频录像技术，俗称高速电视，它具有无
需事后冲洗、放映速度可变，可以擦除等优点，方兴未艾，我们后面还要提及。
   
    ２。光学补偿式高速摄影机。在这类相机中，底片连续运动，从静止逐步迅
速达到某一稳定速度。为了获得清晰的图像，人们使用移动的透镜、旋转的棱镜
或反射镜，使图像在曝光时间内与底片同速运动、相对静止，目前使用最多的是
旋转棱镜。这类相机的底片长度通常在３０－１２０米之间，最长也有６００米
的，所得结果可以放电影。由于光学补偿式高速摄影机结构简单，操作方便，体
积小而造价低廉，它被广泛地应用于研究各种发光的和不发光的（加照明装置）
   快速现象，如导弹的发射、工业机器的运转、流体力学、爆轰学、加工工艺研究、
材料力学、航空航天技术等等。

    这类相机可以按底片运动的方式分为牵引输片式，其胶片总长约２００－３
００米，拍摄频率每秒数千幅，上限１。１万幅／秒；另一种为鼓轮式，它的底
片固定在一个高速的鼓轮的内表面或外表面，片长约１米，拍摄频率数万－数十
万幅／秒，画幅总数数百－数千幅。

    ３。转镜式高速摄影机。在这类相机中，底片固定在暗箱内一个近似圆孤的
   片架上，用旋转反射镜使成像光束相对于底片高速运动。如在底片前面放置一排
小透镜，光束扫过它们时会在底片上形成一幅幅图像，构成所谓分幅相机。如在
光学系统前设置一个狭缝，将目标成像在狭缝上，并将其经转镜成像在底片上，
则当转镜旋转时会在底片上形成一个条状图像，条纹的宽度表示目标沿狭缝方向
线度随时间的变化，条纹的黑度表示目标的发光强度随时间的变化。由于拍摄结
果是一个条带，因此称为条纹相机，有时也因其来自光束在底片上的扫描而称为
   扫描相机。其时间分辨率取决于扫描的速度和相机沿扫描方向的空间分辨率，一
般在纳秒（１０９秒）量级。分幅式转镜相机

    片长１－２米，画幅数十至数百（视画幅大小而定），拍摄频率数十万至两
千万幅／秒。为了避免较长的发光过程造成底片重复曝光，这类相机备有快开快
门和快关快门。前者在转镜转到某一角度时打开，后者则在光束重复扫描前关闭。
由于需要高速动作，快开快门是一种大电流脉冲驱动的铝箔，快关快门是一块两
   侧置有电雷管、前后置有有机玻璃防护板的平板玻璃。当雷管起爆时玻璃块被粉
碎，光路即被遮断。

    转镜相机的转镜可以用特种钢制造。当速度进入超高速范畴时，通常采用铍
制作，取其轻而刚韧兼备。这种相机多用于靶场，是爆轰物理、磁约束受控聚变
研究及核武器试验等的有力工具。

    光机式高速摄影机还有一些不常用的次要类型，由于时间关系，从略。
   
    我国自６０年代初开展高速摄影技术的研究，到８０年代初，已经成功地研
制了上述各类相机并且达到了国际先进水平，打破了当时的禁运，满足了国防科
研的需要。

    光电子类相机：所有使用电光、光电效应以及脉冲电光源的高速相机，我们
统统归入光电子类，它还可以细分为闪光摄影、电光摄影与变像管摄影。

    １。闪光摄影：这种摄影与我们日常在光线暗的场合使用闪光灯拍照类似，
不同之处仅仅在于所使用的闪光的持续时间更短。闪光可以是火花放电、氙灯，
   也可以是脉冲激光。相机的曝光时间就是闪光持续的时间或者叫做光脉冲的宽度。
一般火花放电的持续时间可以短至纳秒（１０－９秒），而激光脉冲则可以短至
皮秒（１０－１２秒）及飞秒（１０－１５秒）。闪光摄影一次获得一幅照片，
如果使用依次放电的火花隙阵列或序列激光脉冲，也可以获得多幅照片。

    当使用Ｘ射线闪光时，就形成了叫射线高速摄影的技术。

    ２。电光摄影：某些液体，例如硝基苯、二硫化碳等，在电场中有双折射现
   象，电场消失后这种现象也很快消失，称为Ｋｅｒｒ电光效应。在一对正交的偏
振片中间放置一个能施加电场的充有上述液体的盒子（通常叫克尔盒），就构成
一个快门。不加电场时，这个快门是不透光的，即关闭的；当加一合适的电场时，
这个快门就透光了。快门打开的持续时间取决于电场存在的时间，即加在克尔盒
上的高压电脉冲的宽度，通常为纳秒量级。当使用二硫化碳液体并用脉冲激光的
电场驱动时可以达到皮秒量级。１９６４年我国第一颗原子弹爆炸时，我们就使
   用了自己研制的三台克尔盒高速相机，获得了珍贵的核爆的早期照片。也可以用
某些晶体的电致双折射效应构成一个高速快门，用于高速摄影。类似地，还可以
利用法拉第磁光效应构成一个快门，不过因为磁场建立较慢，曝光时间较长。

    ３。变像管高速摄影：变像管是一种宽束光电成像器件。它由光电阴极、电
子光学聚焦系统及荧光屏组成。当光学图像照在它的光电阴极上时，光电阴极即
发射出一个电子密度与光强相应的电子图像，这个电子图像经电子光学系统聚焦
   成像在荧光屏上就重新转换成一个与原来的光学图像相同的可见光图像。

    变像管有这样一个优点：第一，它可以实现波长变换。依靠使用不同的光电
阴极，可以将红外图像、紫外图像及Ｘ射线影像转化为可见光图像。第二，利用
在变像管内放置二维电子倍增器（ＭＣＰ）倍增电子数目并提高对电子的加速电
压，可以实现图像的亮度增强，即将微弱的光学图像增强为荧光屏上明亮的可见
光图像，增益通常可达数千至数万倍。第三，利用电磁场可以
   
    控制电子束的运动，使之偏转扫描或中断，从而形成快门动作，构成变像管
高速摄影机。由于电子的惯性极小，变像管相机的时间分辨率可以达到皮秒甚至
飞秒量级。

    像光机式高速摄影机一样，变像管相机也可以按照拍摄的结果分为单幅的、
多幅的和条纹的。

       短磁聚焦的飞秒条纹管，由于可以尽早对光电子偏转扫描，避免了光电子自
光电阴极至荧光屏的飞行过程中出现的时间弥散，因而可以获得飞秒级的时间分
辨率。

    ４。高速视频录像：光机式的高速摄影机都是使用胶片的，即使是变像管高
速摄影机，以前也都是使用胶片做最后的图像记录的。这就需要显影、定影等事
后处理，费时费事。磁带录像技术出现之后，人们致力于高帧频的摄录技术，研
制成功了采用高密度磁头与磁带的高速视频摄录机，摄录频率可达２０００帧／
   秒，画面分割后可以更高，例如６分之后可达１２０００帧／秒。

    最近几年，随着固体摄像器件（ＣＣＤ与自扫描光电二极管阵列器件）的发
展和大容量集成电路存储芯片的出现，高速视频录像系统已经放弃了采用高密度
磁头与磁带的途径。新的系统采用高速专用ＣＣＤ或ＳＳＰＤ（自扫描光电二极
管阵列）作为图像传感器，大容量集成电路存储芯片作为记录介质，研制成功了
固态全数字高速视频录像系统。这种系统既无需光机式高速摄影机的胶片事后处
   理，可以即时以标准电视制式任意倍率慢放和对画面进行自动搜索，也没有光机
式高速摄影机及用磁带记录的高速视频录像系统的高速运动部件，因而没有噪音，
没有磨损，寿命长，实现了快速变化现象的捕获、记录与立即重放。今后，随着
空间分辨率的进一步提高，必将取代中低速的高速摄影机。我国西安光机所已经
研制成功这种新型高速摄录系统，拍摄频率５００帧／秒，画面二分割之后可达
１０００帧／秒，记录容量４０００幅。

       可见化技术：客观世界中除物体形态、位置、亮度等等的变化是明显可见的
之外，还有一些物理量是不可见的，例如温度的分布、密度的分布、压力的分布、
应力的分布等等。然而这些物理量往往对空气动力学、爆轰学、激波等的研究极
为重要，于是人们发展了若干技术来显现这些物理量的分布及其变化。我们称之
为可见化技术，也有称流场显示技术的。它的基本原理有的是温度或压力的变化
引起空气密度的变化，空气密度的变化引起它对光的折射率的变化，从而引起光
   线传输路径的变化，造成阴影或纹影，这些阴影或纹影反映了温度或压力的分布。
有的是光的干涉。应力会引起双折射效应，形成干涉花纹。人们可以从干涉图判
断应力的分布及大小。

    可见化技术方面，以前应用最多的是阴影法和纹影法，近些年发展了剪切干
涉与全息干涉。

    高速摄影技术的应用

    高速摄影是人眼视觉能力在时间分辨能力方面的延伸，它可以应用于一切我
们想要探究的快速现象，最直观的也是最常见的是用于体育运动与国防科技的研
   究。体育动作的分析及生物力学的研究通常使用间歇式高速摄影机，其拍摄频率
上限为３６０帧／秒。国防科技方面，爆炸、燃烧、穿甲、弹道、飞行姿态等的
研究都离不开高速摄影，其中核武器的研究更需要超高速的高

    速摄影机。当研究链式裂变反应的初期状况时，甚至需要皮秒时间分辨能力
的变像管条纹相机与分幅相机。

    高速阴影、纹影、剪切干涉及全息干涉摄影是研究高速流场的最直观最有效
的手段。它可以显示温度、压力、密度、应力等的分布及其快速变化，对航空、
   航天、火工品、爆炸物理及常规武器研究十分重要。

    光机式高速摄影机与光谱仪配合可以组成具有时间分辨能力的光谱仪，用来
通过光谱及其强度随时间的变化研究某些发光现象中的化学物理过程。

    这类仪器由于光机式高速摄影机缺乏光增益功能及时间分辨率较低，只能研
   究一些自发光较强的慢过程。

    当需要研究快速的过程时，人们利用变像管条纹相机与光谱仪配合，建成具
有皮秒时间分辨率和光增益的超快速光谱仪。这种仪器可以用来记录快速变化的
发光光谱、荧光光谱与吸收光谱，藉以研究各种超快速的物理、化学及光生物过
程。

    自从６０年代中期实现固体激光器的锁模以来，激光脉冲的脉宽由数百皮秒
发展到了今天的几个飞秒。锁模激光器自身也经历了固体→染料→固体的螺旋上
   升过程。当前，掺钛宝石激光器已能直接产生短至８飞秒的脉冲，脉冲啁啾放大
技术已能将飞秒单脉冲的能量放大至百毫焦耳级。利用调谐技术、倍频技术及光
学参量振荡与放大技术（ＯＰＯ、ＯＰＡ），超短激光脉冲的波长也已经可以覆
盖紫外到近红外的整个波段。超短激光脉冲为人类提供了强有力的研究超快现象
的手段。利用超短激光脉冲组成的泵浦／探测系统，人们可以研究物理、化学、
生物学中的许多基本过程，例如超晶格量子阱材料中载流子的行为、有机偶极分
   子的光致电荷转移及电荷分离特性、高等植物光合作用的原初过程、血红蛋白动
力学、ＤＮＡ内能量转移的过程、视紫红质、视黄醛的光物理过程等等。超短激
光脉冲的宽度及功率发展到今天，不仅使人们得以研究许多需要飞秒级时间分辨
能力的仪器才能研究的深入到原子、分子层次的超快现象，而且展现了人类控制
化学反应的方向及进程并实现分子剪裁的前景。超短超强激光脉冲的聚焦还提供
了等同甚至高于氢原子场强（５×１０９Ｖ／ｃｍ）的光场，为人类开辟了一个
   新的研究领域——强场物理。

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