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。

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。