即使是价格低廉的数码相机能够实现接近1000fps的帧率，但是针对生物和工业过程冻结时间的科研相机,需要依赖于新颖的探测器和图像处理技术，达到每秒几千到100万帧的拍摄速率。

　　根据维基百科的描述，帧率超过250fps的相机都属于高速相机。然而，以科学术语来衡量，这种类型的速度属于“小儿科”，很容易实现。即使是价格低廉的数码相机，通常也能实现超过1000fps的帧率，而超高速扫描照相机已经设计达到万亿帧/秒的帧率。

　　但是对于研究基于激光的点火事件、超快工业生产线组装和加工、化学和生物事件，甚至是车辆碰撞测试结果的大多数实验室，主要依赖的是互补金属氧化物半导体（CMOS）或电荷耦合器件（CCD）相机，成像速度范围从几千到大约100万帧/秒。

　　当然，成像速度与成像分辨率和光强级别紧密相关。随着光子学技术的进步，高速成像相机的性能不断提升，使用户能够针对不断扩大的应用范围冻结时间。

　　核心部分

　　每台相机都是一个完整的光电系统，包含光学原件、光机械、探测器、外壳和电子数据存储和控制组件。但在一般情况下，任何相机的性能参数都是由图像传感器决定的；因此，所有其他系统组件的设计，都是围绕图像传感器来展开的。

　　通常，CMOS传感器被认为是高速成像应用的最佳选择。不同于像素数量有限的CCD传感器，将输入光转换为电压信号，然后通过数量有限（一个到几个）的输出节点以模拟信号的形式发送出芯片；CMOS传感器的芯片内包含放大器和数模转换器（DAC），避开了CCD图像处理的高功耗和较慢的读出速度。

　　“CMOS传感器是许多高速相机的核心，主要考虑到其较高数量的传感器通道，用于实现迅速的光子/电子转换，快速将电子从传感器送走。”美国Photron公司销售和市场营销总监Andrew Bridges说，“大量的DAC可以成为大的发热体，因为这需要更多的内存。幸运的是，CMOS中理想的板载内存情况，也可以通过快速数据卸载技术来实现。”

　　除了减少生热和传感器噪声，“光灵敏度是高速成像应用中的一个关键因素。”Bridges说，“当FASTCAM SA5在2008年左右推出时，10000的ISO值给人们留下了深刻的印象。现在，FASTCAM SA-Z中新的传感器电子产品，为12位单色相机提供50000的ISO值，为36位Bayer彩色相机提供20000的ISO值，两者均采用20μm2的像素。”Bridges介绍说，通过开发新的电路设计，大大降低了噪声，提高了增益，从而提高了灵敏度。

　　“我们根据真正的行业ISO Ssat12232标准，来衡量FASTCAM相机在高帧率下的光灵敏度，在同样的照明条件下采用更快的快门/曝光速度和更大的景深，无需更多的照明。”Bridges说。

　　标准面阵相机的一种替代方案是线阵相机。线阵相机的速度不是以每秒帧数来衡量，而是以频率来衡量，即在被扫描的物体运动的情况下，线阵相机每秒能够扫描的线数，每条线携带数千像素信息，用于采集数据。线阵相机具有更短的曝光时间，通常与高亮度光源配合，用于工业机器视觉应用。

　　德国Chromasens公司的三线相机，通过布置极其接近的三条RGB传感器线，实现以高水平的颜色精确度捕获移动物体的图像。该公司的allPIXAwave相机基于四线CMOS彩色线扫描传感器，线长高达15000×4行，工作速度为150kHz，吞吐量为850Mpixels/s。

　　加拿大Teledyne DALSA公司在2003年开发了定制的传感器和相机，能够实现1亿帧/秒的成像速率。该高帧率相机采用定制式像素设计，主要针对那些需要极短成像时间（爆炸式成像），以及拍摄图像的数量有限（10-15张）并且读出缓慢的应用，该相机能够提供围绕单个事件的相关情况的详细信息。

　　美国Specialised Imaging公司使用围绕光学分束器创建的多个超高分辨率（高达1360×1040像素）传感器，用于持续时间从几十微秒至几十纳秒的超高速事件，如激光引发的冲击、微爆炸、超高速碰撞、弹道事件和以及某些生物过程。通过以从100帧/秒到高达10亿帧/秒的任意帧率序列触发每个传感器，避免了不得不快速读出传感器数据所带来的限制。分束器将主图像分割为多达16个端口，同时保持具有>100 lp/mm的空间分辨率和近零视差的无畸变图像。

　　Specialised Imaging公司的相机使用增强CCD（ICCD）传感器，作为计数时间短至几纳秒的电光快门，也作为增益级将光的短曝光时间放大至CCD可记录的级别，然后光纤耦合至微通道管板。通过使用快速（300ns的衰减）荧光粉和线转移型CCD，ICCD两帧之间的捕获间隔小于550ns，最终实现16帧相机，具有1450万帧/秒的最高速率，所有均来自于8通道ICCD相机。

　　帧率和数据存储

　　“几年前，我们的FASTCAM ultima APX-RS是市面上最快的高速视频相机，帧率25万帧/秒，但只有128像素宽×16像素高的非常低的分辨率。”Bridges说道，“今天，FASTCAM SA-Z能以128×8像素[宽×高]、210万帧/秒，或者384×128像素、25.2万帧/秒的速率记录图像。”

　　但是美国Fastec Imaging公司的产品经理Tim Brandt提醒我们，更高的帧率并不总是捕捉有意义信息的最佳途径。“有了更高的分辨率，有可能在覆盖更大视场上做得更好。假如想通过帧拍摄移动物体的五幅图像以表征其运动，不受阻碍的物体移动通过非常有限的视场，将比其通过较大视场时快得多，因此为了在有限的视场内捕获五幅图像，将需要更高的帧率。”他继续说，“但采用更大的视场有两大优势：首先并不需要这么高的帧率；其次，将得到物体在更长时间周期内的图像，这将产生关于其行为的更多和更好的信息。”

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