光机型高速摄影机进展_(定稿)A4.doc

光机型高速摄影技术进展
Development on Opto-mechanical Category of High
Speed PhotographicTechniques
李景镇
深圳大学，深圳，518060

摘要：近20年，光机型高速摄影的原理、内涵和技术，处于不断扩展和深化之中。相对变像管高速摄影而言，非管高速摄影技术，即光机型高速摄影技术包含高速光机技术、高速光电技术、高速电光快门技术和高速光光技术。本文将论及高速输片摄影技术，超高速转镜摄影技术，固态成像器件的多幅高速摄影技术，高速成像的显微原理、像分解原理及Cranz-Schardin原理，和主要是基于光学原理的极高速摄影技术。就摄影频率而言，光机型高速摄影机技术，几乎可以覆盖102～1015pps。
关键词：光机型高速摄影；超高速摄影；极高速摄影；非管摄影技术；像分解；相干快门；光学加速。
1． 引言
高速摄影是人眼时间分辨能力的延长。人眼的极限频闪时间分辨率（CFF）取决于快速事件的亮度、背景和颜色，通常在1/50～1/5s之间。人们把标准电影摄影频率选定为24pps，是考虑到了人眼的视觉暂留和有效消除人眼的频闪效应【1,2,3】高速摄影通常定义为摄影频率大于24pps的摄影技术。
二战之后，高速摄影技术得到了长足的发展。为了界定不同水平的摄影技术，国际电影电视工程师协会（SMPTE）在1948年高速摄影学术会议上首次明确提出：高速摄影是摄影频率大于或等于128pps、并至少获得3幅连续图像的摄影技术【4】。半个世纪以来，随着现代军事技术、现代科学研究水平和层次的提高，高速摄影的理论、技术得到了飞速发展，高速摄影的内涵进一步深化。为了描述不同层次的高速摄影技术，高速摄影又细分为甚高速摄影（102～104pps）、超高速摄影（104～106pps）和极高速摄影（106～1015pps）；如果依据时间分辨率亦可细分为毫秒摄影、微秒摄影、纳秒摄影、皮秒摄影和飞秒、阿秒摄影技术。
不同层次的瞬态事件（过程），需要不同时间分辨率的摄影技术：研究发射、碰撞类瞬变过程需要10-3s时间分辨率，研究爆轰、爆炸和激波类超快过程需要10-6s，研究高电压放电需要10-9s，研究固体中声子和激子的衰变和迁移、液体中的解相时间和分子振动弛豫、气体和固体中的等离子体增长和衰减需要10-12s，研究分子结构动力学（振动、化学键的断裂和形成等原子尺度上的原子运动）、光合作用的原初反应过程、超快速表面动力学过程需要10-15s，而要研究原子壳层内的电子动力学（束缚电子动力学，即能量的激发、电离和符合）则需要10-18s量级的时间分辨率【5，6，7】。
几乎只有高速摄影能同时提供瞬态事件的时间空间信息：空间信息以一维、二维、三维图像来表征，时间信息是以曝光时间、分幅时间来说明。高速摄影信息论的研究表明：高速摄影系统是一个复杂的时间信息系统、空间信息系统，要从广义自由度理论进行研究；同时又是一个大量时序瞬间（事件）累积的测量系统，要考虑测量的统计规律和实验规律。评价、描述高速摄影系统的信息量（bit）可用下式
（1）
式中Ns是画幅的空间带宽积，h是空间信息因子；Nt=fT，是瞬态事件的时间带宽积，f是摄影频率，T是记录时间，g是时间信息因子；Nc是颜色自由度，与系统所采用的波长信道数有关；Np是偏振自由度，与可分辨的偏振方向数有关；m是信噪比。
非管高速摄影【8，9】。高速摄影是把瞬变现象的光学图像记录在介质上：记录在胶片上就转化为化学图像，记录在图体成像器件上就转化为电荷图像。依据转化的次数不同，国际上就把高速摄影分为变像管高速摄影和非管高速摄影（即光机型高速摄影），前者经过光学图像－电子图像－光学图像－化学图像（或者电荷图像）等三次转化过程，后者仅经过光学图像－化学图像（或者电荷图像）一次转化过程。光机型高速摄影又分为光机式高速摄影、光电式高速摄影、电光快门高速摄影和光光式高速摄影。研究表明，光机式高速摄影的摄影频率覆盖范围可达102pps～1015pps。
本文将论及到光机型高速摄影中的高速输片摄影技术，超高速转镜摄影技术，固体成像器件的多幅高速摄影技术，高速成像的显微原理、像分解原理和Cranz-Schardin原理，和几种基于光学自身原理的极高速摄影技术。
2． 高速输片摄影技术
高速摄影的基本原理是瞬态事件的光学像和记录介质在曝光时相对静止（曝光原则），不曝光时相对运动（分幅原则），而两个原则的实现靠快门和高速形成系统；同时，进一步的研究表明，高速摄影系统的曝光功能和分幅功能相互独立，可以获得最大的时空信息量。高速输片摄影技术是靠胶片的运动和开口叶子板（或者滚筒）来实现高速摄影二原则的。高速输片的极限受制于胶片的材料和输片力的作用性质，可用输片动力学微分方程进行描述。高速输片分为间歇输片和连续输片二种，分别对应间歇式高速摄影和光学补偿式高速摄影。
2.1 间歇式高速摄影
间歇式高速摄影完全符合高速摄影的基本原理，没有原理误差：曝光时定片针定位，胶片静止；不曝光时，抓片爪作用胶片运动一个画幅的距离，因而间歇式高速摄影的像质优良，动态照相空间分辨率可达50～70lp/mm，画幅稳定性（指各个画幅同位点相对位移的均方根值）小于±0.02mm，在高速摄影领域是成像质量最高的一种摄影技术【10】。
间歇式高速摄影虽然有着较长时间的发展历史，技术已趋于成熟，但是，优良的像质、工作的可靠性和能在严酷条件下稳定工作，却依然处于发展之中，特别是更为理想的间歇机构的研制和大画幅间歇式高速摄影机的研制。按胶片的规格，间歇式高速摄影分为16mm、35mm和75mm三种类型：在标准画幅时，16mm（7.6×10.0mm2）间歇式高速摄影的摄影频率可达103pps，可在400～500pps稳定工作；35mm（18×24mm2）可达360pps，可在240～300pps稳定工作；70mm（57×57mm2）可达180pps，可在120pps下稳定工作。
一台完整的间歇式高速摄影机除了有间歇输片系统之外，还有粗瞄镜、检焦镜、同步控制系统、近贴成像集成数据组件、和数据记录系统（FDRS），能接收零脉冲信号和B码时统信号，可参看文献【7】982～984。我国在间歇式高速摄影研究领域取得的重要成就：
（1）间歇输片的微观动力学理论取得了突破[11,12]：从理论和实验二个方面证实了间歇输片的过程中，输片力是不连续的，呈现出序列脉冲的作用模式，而不是国内外学者认为的连续作用力；发现了间歇输片过程中胶片的下冲规律。这为间歇机构的设计提供了依据。
（2）研制了装备有近贴成像集成数据组件的微型机载间歇式高速摄影机（同类摄影机中，世界最小）WJJ-16mm型【13】和装备有近贴成像集成数据组件的大画幅可同步机载间歇式高速摄影机（重量仅12Kg）TTJ-35mm，使中国的间歇式高速摄影机一跃步入世界先进水平（见图1）。

（a） （b）
图1 机载间歇式高速摄影机（a）WJJ-16mm型微型机载间歇式高速摄影机
（b）装备于空中加油机的TTJ-35mm 间歇式高速摄影机
（3）首次把221同步高速间歇式高速摄影机用于GS-221高速摄影测量仪，使同步摄影频率由40pps一跃而为200pps，完成了大型火箭发射起飞段横向漂移量测量的任务，见图2。这得益于空间间歇式输片机构的设计和动平衡精度显著提高【14，15】。

图2 装备于西昌卫星发射中心的GS-221高速摄影测量仪
（4）间歇机构是间歇式高速摄影机的核心技术，分为抓片爪－定片针型、滚环型和差相偏心滑轮型（参看文献【3】958～959）。我国一直致力于间歇机构的设计理论研究工作，并取得了一些创新成果。
在抓片机构的优化设计方面进行了一些探索性的工作：抓片机构诸参数的优化问题多属于有约束极小化模型，属于单目标函数（多目标函数尽可能化成单目标函数）、多约束、多维非线性问题【16】，并成功应用在我国多种型号间歇式高速摄影机的设计中。
最能体现间歇式高速摄影机优势（空间带宽积大，高出高速数字摄像机二个数量级）的70mm间歇式高速摄影机，取得了新的进展，提出了抓片机构的新构思，并为实验所验证：对于70mm高速间歇摄影的大画幅距的间歇输片，曲柄摇杆抓片机构可以获得较小的曲柄参数，有利于加工、动平衡；双联式抓片机构有利于布置数目较多的抓片爪（例如16个）和不同的功能定位，以获得高的摄影频率；解决了大抓片间距抓片爪不同收缩量（胶片）的高速输片，实现了输片力分布在每个抓片爪作用的片孔间隔上。该新型70mm双摇杆抓片机构的设计指标是200pps【17】。
由于间歇式高速摄影机能提供优良的像质，为了提高摄影频率的上限，我国学者提出了自适应差相偏心滑轮机构，差相偏心滑轮与自动调节自身角速度的摩擦输片轮相结合。该新型机构的设计思想是：以胶片的整个有效截面取代片孔间隔来承受全部输片力，胶片的输片应力大大降低；在间歇输片的前半期内，减小片槽内胶片阻力，从而减小了最大输片力；在结构上采用易于动平衡的定轴转动构件作为间歇机构的主体，以减小间歇机构自身的惯性负荷。计算表明，在35mm标准画幅的情况下，自适应差相偏心滑轮间歇输片机构可达到的摄影频率是789～1067pps，这一指标是国际上公认的同类摄影机上限摄影频率的2－3倍【18】。
2.2光学补偿式高速摄影
光学补偿式高速摄影属甚高速摄影范畴，基本符合高速摄影的曝光原则和分幅原则：使用光学的办法，使瞬态事件的光学像和连续高速运动的胶片在曝光时保持相对静止，以获得高的像质，曝光和分幅是靠开口叶子板快门的同步高速旋转来实现的。所谓光学方法，是指用旋转棱镜、旋转反射镜鼓、旋转透镜环的方法补偿光学像和底片的相对运动，或者控制底片速度和目标像速一致的同步摄影方法。由于补偿运动的非线性和胶片的线性运动、光学补偿式高速摄影存在原理误差，成像的质量低于间歇式高速摄影。
光学补偿式高速摄影用途广泛，它的优势在于：摄影频率广，可达102～104pps，和间歇式输片相比易于实现高速；像质较好，摄影分辨率可达20～60lp/mm（视场边缘和视场中心有较大差别）；种类多，适应性强，有8mm、16mm、35mm和70mm等四种胶片规格摄影机可供选择；结构简单轻巧，易于操作使用。标准画幅下，16mm棱镜补偿式高速摄影机的摄影频率可高达1.1×104pps（Hycam公司的K20S4E），35mm的可达3.25×103pps（Photo Sonics公司的4C），70mm的可高达360pps（Photo sonics公司的10B）；70mm非标准画幅，Photo sonics公司的10B可达720pps（画幅尺寸28×57mm2），中国科学院西安光机所的LB5-70可高达103pps（19×55mm2），瑞典Stalex公司的HS-70A可高达103pps（画幅尺寸10×55mm2）。
有关各种类型的光学补偿式高速摄影机的详细资料，请参阅文献【3】967～965；国内外各种商用型号光学补偿式高速摄影机，请参阅文献【3】967～971，还可在Wollensak，Michell，Bell&Howell，Backman&Whitley，Flight Research，Bown，Fairchild，Milliken，Photo Sonics，和Red Lake公司的网站进行查询。
文献【4】的作者G..P.President对光学补偿式高速摄影机的过去、现在和将来进行了认真研究，认为光学补偿式高速摄影机由于像质好、工作稳定可靠、能在严酷的使用条件下正常工作，仍有很大的市场份额，高速电视摄像机（基于CCD和CMOS固体成像器件）尚不能取而代之（只是在摄影分辨率要求不高、使用条件一般的场合下才优先选用高速电视摄像机），当要求优良的空间分辨率（极大的空间带宽积）和高达103～4×103pps摄影频率，光学补偿式高速摄像机仍占有绝对的优势。我国光学补偿式高速摄影机起步较晚（上个世纪70年代），但是已经取得了很好的成绩，总体水平上已进入国际先进水平的行列，在16mm 棱镜补偿式高速摄影和反射镜补偿式高速摄影，有着自己的特色。
中国科学院西安光机所研制的LBS-16A棱镜补偿式高速摄影机比较成功【19】，见图3。光束通过主物镜1、补偿棱镜2和直角棱镜3成像在底片上。输片齿轮4和补偿棱镜2共轴。这种共轴设计消除了机械传动误差，提高了摄影频率和成像质量；由于是一次成像，省去了美国Hycam结构中的转像组，提高图3 LBS-16A高速摄影机光路图 了透过率；画幅中心的动态摄影分辨率可达64lp/mm；结构小巧，重量轻， 噪音小。最高摄影频率8×103pps，略低于Hycam水平。
双反射补偿式高速摄影，未见国外有同类补偿机理的报导【20】。双反射镜是指要经过2块（一组）转动平行反射镜来保持光学图像和胶片的相对静止。反射镜鼓是由32块反射镜配对为16组安装在转镜鼓上，每组反射镜面相对、平行固定在转鼓上，镜面与转鼓转轴成450角，入射光轴与转鼓转轴垂直。这种系统的最大优点是在快门系数1:1时可实现完全补偿，无残余像移和离焦，可获得优良的像质，可获得较长的曝光时间，但是体积较大。HS-200型双反射镜补偿式高速摄影机采用35mm胶片，在标准画幅下摄影频率2×103pps，摄影分辨率39lp/mm，画幅稳定性介于±0.045mm和±0.085mm之间。
3． 超高速转镜摄影技术
在超高速摄影研究领域，人们的注意力从转镜型转移到变像管型和固体成像器件型之后，又重新回到了转镜型超高速摄影。这从最近3届国际高速摄影和光子学会议就可以感到这种变化【7，21－25】。这不仅和它所具有的大画幅、大画幅数、高空间分辨率、宽光谱波段、摄影频率宽广和使用可靠、方便有关，更为重要的是超高速转镜摄影的理论和技术有突破性进展：提出了无原理误差的新设计理论，目前的照明技术可以解决弱光目标和不发光目标的能量增强问题，固体成像器件的应用在提高感光灵敏度的同时实现了实时数字图像的记录，可外触发同步的大速比光学加速偏转器的研制成功把摄影频率和时间分辨率提高一个量级。同时，有的学者估计，在超高速摄影应用领域，转镜摄影机承担了大部分超快过程的研究任务【26】。
转镜式超高速摄影是转镜高速转动、光学快门高速扫描依次曝光、底片静止的一种摄影技术，不符合分幅功能和曝光功能独立的原则，这就从根本上限制了摄影频率和空间分辨率同时增长的上限。Schardin极限原理就阐明了摄影频率、时间方向的空间分辨率和时间方向上的画幅尺寸三者之间的制约关系；三者之间的乘积取决于转镜边缘的线速度和光波波长。
超高速转镜摄影有分幅记录、扫描记录和分幅扫描同时记录之分，有同步工作方式和等待工作方式之分，还可与其它技术相结合构成转镜全息摄影、冲击转镜摄影、转镜网格摄影、转镜焦平面快门摄影和转镜扫描光谱仪。
3.1 同步型摄影机
同步分幅摄影机 大画幅、更高的信息量、更宽的光谱和实时数字图像记录是其发展方向。Miller原理是转镜分幅摄影的理论基础，该理论的要点是中间像面要成在转镜附近，入瞳经转镜后与排镜入瞳共轭，转镜扫描时，光学快门会起到曝光和分幅二种功能。然而Miller原理仍有进一步发展的余地，美国和荷兰学者在美国119型摄影机的基础上联合研制成功Grandaris 128可实时输出的显微超高速摄影机【25】：摄影频率高达2.5×107pps，128幅画幅，每个CCD的象素数500×292。我国研制的ZFK-2000型超高速摄影机，摄影频率高达2×107pps，画幅数243幅，画幅尺寸5×7mm2；ZFK-500型超高速摄影机，摄影频率高达5×106pps，画幅81幅，画幅尺寸9×9。图4（a）是ZFK-2000型超高速摄影机。

图4 同步超高速摄影机（a）ZFK-2000型分幅摄影机
（b）ZSK-30型铍转镜扫描摄影机
同步扫描摄影机 铍转镜在高速旋转时所产生的横向变形、所需要的驱动功率分别是钢转镜的1/10和1/4，所以铍转镜的利用和铍转镜的性能指标是衡量同步扫描摄影机水平的关键标志。当然，铍转镜的冶金、锻压、加工、研磨、镀膜的工艺难度，亦反映了一个国家制造业的水平和能力。我国研制的ZSK-30型铍转镜扫描摄影机，扫描速度高达34mm/μs，记录画幅22×400mm2，对底片的等效相对孔径7.75【27】。图3（b）是ZSK-30型铍转镜扫描摄影机。WPG-30型铍转镜扫描摄影机，扫描速度高达15mm/μs，记录画幅尺寸24×255 mm2，对底片的等效孔径数A＝12。美国的132型铍转镜扫描摄影机，扫描速度高达30mm/μs，记录画幅尺寸60×310 mm2，对底片的等效孔径数A＝11。可知，我国铍转镜超高速扫描摄影机，居世界前列，并得到国际学术界的认可【21】。
3.2 等待型摄影机
等待是相对同步而言，是指在机械快门打开的一段时间里都可在底片面上成像，这对研究瞬态过程的随机性大和时间上有可能主控的超快过程是极为有利的，几乎是唯一的选择。光学等待的原理和等待方案，俄国高速摄影的先驱A.S.Dubovik有着深入的研究【28】，我国对三面体转镜的等待方案和四面体“二层楼”的等待方案有一定的发展。
中国科学院西安光机所研制的ZFD-20型超高速摄影机，采用四面体二层楼的等待方案，摄影频率高达2×105pps，画幅尺寸9×10mm2，画幅数72幅，曾是参加我国第一次核试验的唯一一台等待型超高速摄影机，见图5（a）。ZFD-250型超高速摄影机采用三面体转镜、相向双入口、双工作区等待方案，摄影频率高达2.5×106pps，画幅尺寸9×9mm2，画幅数272幅，曾是我国进行核试验探测的主要设备之一，见图5（b）。
2002年深圳大学、中国工程物理研究院流体物理所、中国科学院西安光机所为满足特种爆轰类试验的急需，联合研制成功的S-150型超高速等待型分幅摄影机通过了专家鉴定，整体性能指标已达国际先进水平，在电机驱动同轴增速转镜式超高速摄影机领域中，国际领先：采用了先进的非冗余设计原理，增大了时空信息量；快开快门的开门时间是国际最好记录；实现了电控系统的虚拟化操作、记录过程实时可视化监控，提高测速精度到±0.1％、延时精度到±0.1μs，提高了抗干扰能力；摄影频率高达2.24×106pps（高强度铝转镜的边缘线速度已达国际最高水平），画幅尺寸14×20mm2，有效画幅数110幅【24】。
我国研制的等待型高速摄影机还有ZFD－50型和ZFD－180型，中国科学院西安光机所研制；DJS型，浙江大学研制；DPG型（扫描，铍转镜），中国工程物理研究院流体物理所研制【29】；等待型两用相机，苏州光仪厂【30】。应该说，我国在发展等待型高速摄影机，已走出了一条具有中国特色的道路。

（a） (b)
图5 等待型高速摄影机：（a）曾用于我国第一次核试验的ZFD-20超高速摄影机光路图
（b）曾用于核试验探测的ZFD-250型超高速摄影机光路图
美国研制的等待型分幅摄影机，140型是一个代表，摄影频率高达2.25×106pps，画幅尺寸16×25mm2,画幅数80幅，氦气涡轮驱动转镜，适于超快过程时间小于记录时间或用闪光照明时间小于记录时间的情况。等待型扫描摄影机，318型算是一个代表，扫描速度0.3mm/μs，记录尺寸25×1000mm2.
3.3 分幅扫描同时记录摄影机
分幅扫描同时记录是指一次实验能同时得到同一时基（分幅扫描用同一个转镜）、同一空基（分幅扫描用同一光路系统）的分幅扫描记录，以提高对瞬态事件的研究水平。俄国人发展了同一时基但是二套并行排列光学系统的非同一空基（有视差）分幅扫描同时记录系统203－M型【22】；美国也研制过同一空基但却是二个转镜的并非同一时基的分幅扫描同时记录系统150A型超高速摄影机。这两种分幅扫描同时记录的方案都有不足之处。
目前仅有美国研制成功的二种型号的分幅扫描同时记录超高速摄影机。Model 200同步型分幅扫描同时记录摄影机，Model 300等待型分幅扫描同时记录摄影机，均为同一时基、同一空基的摄影系统。Model 200的性能指标：分幅部分，摄影频率高达4×106pps，画幅尺寸18×23mm2，画幅数12幅；扫描部分，扫描速度高达27.6mm/μs，记录尺寸22.8×130mm2，对底片的有效相对孔径数A=22。Model 330的性能指标：分幅部分，摄影频率2×106pps，画幅尺寸18×25 mm2，画幅数80个；扫描部分，扫描速度高达10.6mm/μs，记录尺寸25×430mm2，对底片的有效相对孔径数A=22。
转镜等待型分幅扫描同时记录高速摄影机是一个复杂系统，被业界人士称为转镜型超高速摄影领域的“皇冠上的珍珠”，可见“摘取”之难。我国曾二次启动研制，均因难度大和其它原因而没能进行下去；但是，这种摄影机国家需要，美国禁运。从1998年开始，在国家的资助下，已开始对此类摄影机的斜光束等待原理和方案、分幅扫描同时记录的非空间光线的方案和计算、关键技术进行了深入研究，取得了有创新特色的阶段性成果。如果顺利，2005年可望完成样机调试。SSF型超高速摄影机主要特色：斜光束平面光路（不是美国采用的空间光路），成像无原理误差、恒速扫描、恒频记录，摄影频率高达2.2×106pps（可选5×106pps），画幅尺寸16×24mm2（可选11×11mm2），画幅数82幅（可选240幅），扫描速度可达16mm/μs，扫描记录尺寸24×653mm2（可选11×653mm2）。
3.4 冲击偏转型摄影机
冲击偏转（Galvanometer deflection）是指利用冲击电流计的原理实现转镜的瞬时高速偏转，这种摄影机的工作模式与等待型、同步型都有区别，可以算是一种“准同步型”，它的原型是脉冲马达式转镜摄影机。
英国学者A.E.Huston研制过脉冲马达摄影机：铝合金转镜是转子，定子是空心线圈，用脉冲触发，球隙击穿，定子电容放电来完成转镜的脉冲式转动。加速时间和所需的工作转速有关：当转镜瞬时速度要求104rpm，加速时间500μs,摄影频率2.4×105pps；如果当扫描摄影机用，最高扫描速度可达1mm/μs。此种摄影机的最大优点是简单，但同步精度不高、摄影频率不高、扫描速度过低、记录的信息过少，没有继续推广应用。
美国学者C.C.Lai对冲击式偏转进行了深入研究，并且研制成功了高性能的冲击偏转扫描摄影机【29】，这是一种新型的光学加速转镜摄影机，是转镜型摄影机的一个突破，参看图6。图6（a）给出了楔形光学加速器的原理图：入射光束进入楔形光学加速器后，基本按原路返回，但是出射光速由于经过动镜的N次反射，其光束偏转速度已是转镜速度的2N倍，适当调整楔角和入射方向可以改变N的大小。很显然，楔形光学加速器的二块反射镜可以相向（或者相反）同时转动，出射光束的旋转速度可以成倍增长。图6中用的光楔形光学加速器是动镜和静镜的组合，均用石英玻璃反射镜，反射率≥99％（对λ＝0.532μm），面形误差≤λ/4。图6（b）是冲击偏转扫描摄影机的光路图。整个系统包括楔形光学加速器、准直和成像透镜、狭缝、三块折射光路反射镜、科研级的水冷CCD成像器件（1K×1K象素，绿光的量子效率75％）和计算机。文献【9】给出了冲击偏转扫描摄影机和变像管扫描摄影机对同一目标同时进行摄影的对比测试结果，得出了该摄影机在主要性能上全面优于变像管摄影机的结论：高信号灵敏度，宽的线性动态范围，好的空间对比度，高时间分辨率，大信息容量和工作环境适应能力强。

图6 冲击偏转扫描摄影机（a）楔形光学加速器原理图；（b）摄影机的光路图
3.5 我国在超高速转镜摄影机领域的领先技术
为了满足提高战略武器试验和现代科研水平的需要，我国一直重视超高速转镜摄影技术的研究。中国科学院西安光机所和中国工程物理研究所等国家级专业研究所，深圳大学、浙江大学、天津大学等重点高校的相关研究室，苏州光仪厂、西北光仪厂、朝阳光学仪器厂等国防厂，都参加了超高速转镜摄影机的研制，并做出了重要贡献。在长期研究、研制的过程中，形成了中国自己的特色、自己的体系，并在若干关键技术方面，国际领先。
（1）铍转镜一整套工艺的形成和高质量铍转镜的成功应用，使我国超高速转镜扫描摄机，一步跨入国际先进水平【27】。
（2）超强度铝转镜的一整套工艺的形成和高质量超强度铝转镜的成功应用，达到边缘线速度800mps[31]，没有见到国际上其它国家的研制应用的报道。
（3）电机驱动同轴增速转镜机构的设计、加工、装配的成熟和成功应用，远超过国际上其它国家电机驱动的水平，形成我国在驱动技术上的一大特色（美国以气动涡轮为主）【24】。
（4）鉴于铍转镜的研制费用昂贵而且有毒，已从理论上计算出其横向变形和铍转镜相当的铝转镜结构，为取代铍转镜奠定了基础。
（5）予磁场电涌式金属箔快开快门的开门速度高达0.7mm/μs，高于美国的专利所报道的水平，而且无溅射、碎片污染，电压低【32】。
（6）基于转镜旋转中心的确定原则和光学设计的有关理论，提出了Miller型摄影机系统的非冗余设计方法，提高时空信息量；并成功应用到S-150型摄影机的研制中。
（7）推导了完整的无离焦像面、所有排镜的同轴成像和恒速扫描的方程组【23】，取代一直沿用的经典设计理论，会提高摄影机的空间信息和判读的时间精度。该技术已用到SSF摄影机的设计中去。
（8）在ZSK-30型铍转镜超扫描摄影机中采用的纳秒零点标记系统，要比前苏联早二年；所提出的无离焦等速扫描像面的理论和设计【33】，美国高速摄影元老E.A.Egel在其专著（文献【26】）得到了进一步发展。
4． 固体成像器件的多幅高速摄影技术
固体成像器件是把光学图像转换成一维时序输出电子信号的阵列器件，包括CCD(Charge Coupled Devices)和CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。随着固体阵列成像器件性能的提高，在高速摄影领域中的渗透日益增强，应用日益广泛：在中低高速摄影领域已占有半壁河山，并有日益扩展的趋势；在超高速和极高速领域里的应用已初见端倪。在高速摄影领域，固体成像器件，不仅可以作为记录介质成为银盐胶片的强有力的竞争者，而且可以做成高速形成器件、可以构成多幅记录系统：即起到感光曝光的作用，又起到分幅、形成多幅记录的作用，而且曝光和分幅二个功能式彼此独立，符合高速摄影获得满意结果的二条原则。
4.1 高速摄影用CCD成像器件和CMOS成像器件
1. 阵列成像器件的空间分辨率和加腾原理
电视分辨率NT和光学分辨率N0。视频系统通常用电视分辨率来表征其分辨能力，单位用电视线，即用TVL的多少来衡量。光学分辨率N0和电视分辨率的关系，通常为
（2）
阵列成像器件的光学分辨率。光成像单元（象素）为正方形时，阵列成像器件的静态光学分辨率N0可写成
（3）
式中a为正方形的边长，若成像单元为矩形a×b,计算公式是一样的，只是计算不同方向的分辨率需要相应方向的像元尺寸。若像素为六角形，则计算静态光学分辨率的公式应为。研究表明，阵列成像器件的光学分辨率还与成像器件与目标的相对运动状态（是静态，还是运动）和波长有关。当成像器件和光学像处于相对运动（即扫描）状态时，则其动态分辨率与像素的形状无关，频率对比函数可写成
（4）
式中为一阶贝塞尔函数。其极限动态光学分辨率为
（5）
另一方面，阵列成像器件传函特性和波长有直接的关系。俄国学者曾对科研级CCD(ST-71)做过深入的测试研究【34】，所得结果对于了解CCD的实际成像特征很有参考价值：频率分量和其振幅的关系，在可见光区域是高斯函数关系，在红外波段是反比函数关系；频率对比函数，在可见光区域可用高斯函数近似，在红外波段可用平方sinc函数近似；阵列CCD的半峰值宽度在可见光区域是CCD相邻像素距离的1.5倍，在红外波段是2倍。
加腾原理：若系统的带宽不变，当帧频提高时，靶面的有效面积，即空间像素总数应下降，其乘积为一常数。
2. CCD成像器件的性质
高分辨率 科研级CCD像素数的范围很大，已由512×512到5120×5120，填充因子100％（像素间无死区），像素尺寸由6.8×6.8μm2到 27×27μm2。4000×4000像素CCD的分辨能力与35mm标准画幅的分辨能力相当；直径40mm的像成在1000×1000像素的CCD靶面上，其分辨率为12.5Lp/mm，而调制度为0.75。进一步提高CCD分辨能力，只有增加像素数，提高采样频率，减少频谱的混叠；同时，亦可采用前置滤波，即采用光学低通滤波器（OLPF）来降低CCD上光学图像带宽，减小频谱混叠。
高探测灵敏度 CCD的探测灵敏度与多种因素有关，但主要因素只有二个。其一，量子效率（QE）,即由光子到电子的产生效率；另一个因素是电荷传递效率（CTE）,即由电荷的产生到输出放大器的过程中电荷传递效率。而测量噪声，则与CCD的暗电流、读出噪声和模数转换的电子学噪声有关。
对于后向照明的CCD，其量子效率60％（波长0.4μm）、80％（波长0.8μm），20％（波长1.0μm）；如果采用前向照明，量子效率低的多，分别为5％，30％，10％。应该知道，在近红外区域的量子效率要比增强型红外光电阴极高一个量级。若CCD面阵1000×1000像素，电荷传递效率的典型值为0.99999时，才能保证传递1000步损失1％（对中间像素），传递2000步损失2％（对最后一个像素）。
暗电流与温度有直接关系：热电致冷下（－500C）的CCD的暗电流每秒能产生10个电子，而在液氮制冷下（-1000C）的CCD则是每秒0.002电子。目前CCD的读出噪声已小于每个像素8个电子。对于每个数位需要8个电子的模数转换，其量化误差为4个电子。按均方根值来综合暗电流、读出噪声和模数转换量化误差，则最大测量噪声（最后一个像素）是16个电子（热电制冷，对最后一个像素），4个电子（对液氮制冷，对任何像素）。若量子效率70％，则液氮制冷下的CCD的探测灵敏度可以小到每个像素6个光子。
大动态范围 动态范围通常定义为可检测到的最大信号和能检测到的最小信号的比值，并且在这个范围内，图像传感器对入射光的响应是线性的。对于CCD而言，动态范围就是每个像素的势阱全容量和最小可检测到的电子数之比。一般来说，科研级CCD的势阱全容量是3×105～5×105个电子，若模数转换数是每个比特8个电子，则其动态范围是6×104：1，这个数值远超过摄影胶片的动态范围103：1。动态范围有时亦用分贝（dB）表示。
3. CMOS成像器件的性质
早期CMOS成像器件采用“被动像敏单元”结构，因而成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率低（10％～20％）、响应速度慢，只能用在低端产品。随着采用“主动像敏单元”（有源）结构和其它先进技术的引入，CMOS成像器件不仅有光敏元件和像敏单元寻址开关，而且有信号放大、处理电路，因而灵敏度提高，噪声降低，动态范围扩大。特别是近二年，COMS器件的性能逼近CCD器件，而且有功能、功耗、尺寸、价格的优势，CMOS的应用愈来广泛。
CMOS器件目前所能达到的水平：填充率接近100％，噪声电子数≤20，动态范围可高达62dB，有像敏单元放大器，行、列开关控制可随机采样，同一芯片中可设置ADC，芯内可设置若干逻辑电路，这后六项都是CMOS的优势；但是暗电流还大，固定图像噪声（FPN）大（可在逻辑电路中校正）和量子效率低（20％～30％）。
4.2 甚高速固定成像器件摄影技术
甚高速摄影（摄影频率范围102～104pps），是固体成像器件应用成功的领域，这要得益于固体成像器件两项技术突破：并行读出技术和像面分解技术。
并行读出的概念引入到高速固体图像器件是1980年的事情（U.S.Patent 159424,1980）日本学者1991年利用并行读出技术，成功研制了摄影频率4500pps、画幅像素数256×256的甚高速摄影机【35】。
像面分割技术就是按一定的规律将像面分割，可以提高摄影频率，但是分割后画面的像素数成比例减少，这和信道带宽不变有关（加腾原理）。但是，可供分析、有意义的最小像素数不应少于每幅100×100像素。
如果画幅的像素数是1000×1000，摄影频率是1000pps，能存储1000幅图像，即所谓10004数字摄影机，就可以满足力学上、医学上和运动科学上的大部分运动分析的要求。这时信号的传输率应为109bit/s，若每个读出信道的传输率25MHz（每个信号是8-12bit），则在成像器件和图像处理单元间需要40条并行的读出信道和模数转换器。很显然，CMOS成像器件可在芯片上集成模数转换器、图像处理器等，无疑减少了尺寸、简化了电路，这是近二年甚高速固体成像器件高速摄影机多采用CMOS的原因。
美国红湖公司（REDLAKE）研制的Motion Xtra HG-100K型摄影机有着优良的性能：CMOS成像器件，32路并行输出，像素数1504×1128；动态范围62dB（环境温度250C）；摄影频率可在25～105pps，同样性能的摄影机还有ViSario-1500型甚高速摄像机（Weinberger Vision Technology Corp）,
我国在甚高速固体成像器件摄影领域的研究还有较大的差距。中国科学院西安光机所研制成功的高速视频摄影机：CMOS成像器件，8路并行输出，像素数256×256；摄影频率50～1000pps,1000pps时画幅尺寸减半；可记录全像素的画幅数4000幅【26，37】。
4．3 超高速固体成像器件摄影技术
如何把固体成像器件用于超高速摄影、甚至极高速摄影，一直是人们探索的课题。显然，采用并行读出的方法，难以达到105～107pps的摄影频率，必须另辟新径。有二种途径：一种是采用光学原理形成多幅的光学图像，仅用固体成像器件记录；另一种是固体成像器件同时起到感光、分幅功能，就是CCD器件的“就地存储”技术（IN-situ storage）.
1. 光学分幅CCD记录的多幅超高速摄影技术
有三种方案可供借鉴：
（1）转镜摄影机和CCD记录相结合。文献【25】已作了详细的论述。
（2）电光快门阵列和CCD记录相结合【38】。用铁电液晶（FLC）快门可得到亚毫秒的时间分辨，但是画幅数少（3幅），能量利用不经济。作者认为，如果采用电光晶体快门，可提高时间分辨率到纳秒，但能 量利用不经济依然是个问题。
（3）光学波前分幅和CCD记录相结合【39】，见图7。图中物体可以是自发光物体，亦可以是被脉冲激光或者高压脉冲氙灯照明的物体；棱锥反射镜起到光学波前分幅的作用，每一个棱锥面对应一个CCD摄影机，文献【39】中描述的是8面棱锥、8个CCD摄像机；电控系统时序触发每一个CCD快门，可得到8幅时序的数字图像。触发CCD和触发脉冲光源要同步起来。这台摄影机的摄影频率可达106pps。