高速撮影

標準的な映画用カメラと同様に、間欠式レジスターピンカメラは、撮影中にフィルムゲート内でフィルムを実際に停止させます。高速撮影では、このような高速で間欠的な動きを実現するために、機構にいくつかの変更を加える必要があります。いずれの場合も、ゲートの前後にループが形成され、たるみを作り出し、その後たるみを解消します。パーフォレーションを通してフィルムに入り込み、フィルムを所定の位置に引き込み、パーフォレーションとフィルムゲートから引き抜くプルダウンクローは、フィルムの複数のパーフォレーションを通してフィルムを掴むために複数個用意されており、個々のパーフォレーションにかかるストレスを軽減します。プルダウンクローが引き抜かれた後、露光中にパーフォレーションを通してフィルムを最終位置に固定するレジスターピンも複数個用意されており、多くの場合、特殊な素材で作られています。場合によっては、特に35mmフィルムや70mmフィルムの場合、フィルムを平らに保ち、フレーム全体で画像がピントが合うようにするために、真空吸引が使用されます。  

• 16mm ピンレジスター：DBミリケンのLocamは500フレーム/秒の撮影が可能で、その設計は最終的にレッドレイクに売却された。フォトソニックスは 1000フレーム/秒の撮影が可能な16mmピンレジスターカメラを開発したが、最終的に市場から撤退した。
• 35  mmピンレジスター: 初期のカメラにはミッチェル35  mmが含まれていました。フォトソニックスは1988年に4ERでアカデミー技術功績賞を受賞しました。 ^{[ 16 ]} 4Eは360フレーム/秒の撮影が可能です。
• 70mmピンレジスター：カメラには、 Hulcher 製のモデルや、125フレーム/秒の撮影が可能なPhoto-Sonics 10Aおよび10Rカメラが含まれます。

回転プリズムカメラは、フィルムや搬送機構への負荷を軽減しながら、より高いフレームレートを実現しました。フィルムは、メインフィルムスプロケットと同期した回転プリズムを連続的に通過するため、フィルムの速度とプリズムの速度は常に比例関係にあります。プリズムは対物レンズとフィルムの間に配置されており、プリズムの回転によって、プリズムの各面がフィルム上にフレームとして描画されます。プリズムは通常、フルフレーム露光のために立方体、つまり四角形です。露光はプリズムの回転によって行われるため、プリズムが軸から大きくずれているフレームの上部または下部付近の画像は、著しい収差の影響を受けます。シャッターは、プリズムの面がほぼ平行になる点付近で露光をより厳密に制御することで、この収差を改善できます。

• 16  mm 回転プリズム – Redlake Hycam カメラは、フルフレームプリズム (4 面) で 11,000 フレーム/秒、ハーフフレームキットで 22,000 フレーム/秒、クォーターフレームキットで 44,000 フレーム/秒を実現できます。Visible Solutions は Photec IV も製造しています。より堅牢なソリューションとして、Weinberger は Stalex 1B を製造しました。これは最大 3000 フルフレーム/秒でフレーム化でき、自動車衝突試験用に車載する機能がありました。Fastax カメラは、8 面プリズムで最大 18,000 フレーム/秒を実現できます。
• 35mm 回転​​プリズム – Photo-Sonics 4Cカメラは、フルフレームプリズム（4面）使用時で2,500フレーム/秒、ハーフフレームキット使用時で4,000フレーム/秒、クォーターフレームキット使用時で8,000フレーム/秒の撮影が可能です。
• 70mm 回転プリズム – Photo-Sonics 10Bカメラは、フルフレームプリズム（4面）を使用した場合、毎秒360フレーム、ハーフフレームキットを使用した場合、毎秒720フレームの撮影が可能です。

回転ミラー式カメラは、純粋な回転ミラー式カメラと、回転ドラム式カメラ（またはダイナファックスカメラ）の2つのサブカテゴリに分類できます。

純粋な回転ミラーカメラでは、フィルムは回転ミラーを中心とした円弧状に固定されます。回転ミラーカメラの基本的な構造は、主対物レンズ、フィールドレンズ、イメージ補正レンズ、およびフレームを順次露光するための回転ミラーの4つの部分から構成されます。撮影対象物の像は、平面を持つ回転ミラーの領域に形成されます（三面ミラーは比較的高速なバースト撮影が可能なため一般的に使用されますが、8面以上の設計も使用されています）。フィールドレンズは、主対物レンズの瞳を補正レンズ群の領域に光学的に共役させ、最後の補正レンズはミラーを光検出器の表面に光学的に共役させます。フィルム上に形成される各フレームごとに1つの補正レンズが必要ですが、平面ミラーを複数使用する設計もあります。そのため、これらのカメラは通常100フレームを超える記録は行いませんが、最大2000フレームの記録も行われています。つまり、記録時間は非常に短く、通常は1ミリ秒未満です。したがって、専用のタイミングおよび照明装置が必要です。回転ミラーカメラは毎秒最大2500万フレームの撮影が可能で、^{[ 17 ]}一般的な速度は毎秒数百万フレームです。

回転ドラムカメラは、回転ドラムの内側のトラックにフィルムストリップをループ状に保持することで動作します。^{[ 18 ]}このドラムは、目的のフレームレートに対応する速度まで回転します。画像は、ドラムの円弧の中心にある内部回転ミラーに中継されます。ミラーは多面体で、通常6～8面あります。露光は常に同じ点で行われるため、必要な二次レンズは1つだけです。フィルムがこの点を通過する際に、一連のフレームが形成されます。ミラーの各面が光軸を通過するたびに、個別のフレームが形成されます。回転ドラムカメラは、毎秒数万から数百万フレームの速度を実現できますが、ドラムの最大周線速度は実際には約500  m/sであるため、フレームレートを上げるには、フレームの高さを下げたり、回転ミラーから露光されるフレーム数を増やしたりする必要があります。

回転ミラー式カメラのどちらのタイプでも、システムが適切に制御されていないと二重露光が発生する可能性があります。純粋な回転ミラー式カメラでは、光がカメラに入っている間にミラーが光学系を2回通過すると、二重露光が発生します。回転ドラム式カメラでは、光がカメラに入っている間にドラムが1回転以上すると、二重露光が発生します。多くのカメラは、ガラスブロックを爆薬で粉砕して不透明にするなど、超高速シャッターを使用しています。あるいは、露光時間を制御した高速フラッシュを使用することもできます。最新のCCDイメージングシステムでは、センサーをマイクロ秒単位でシャッターできるため、外部シャッターは不要です。

回転ミラーカメラ技術は、最近では電子イメージングにも応用されており、^{[ 19 ]}フィルムの代わりに、回転ミラーの周囲にシングルショットCCDまたはCMOSカメラのアレイが配置されています。この適応により、電子イメージングのすべての利点と、回転ミラー方式の速度と解像度を組み合わせることが可能になります。毎秒最大2500万フレームの速度が達成可能で、^{[ 17 ]}一般的な速度は毎秒数百万フレームです。

両タイプの回転ミラーカメラの商用化は、1950年代にベックマン＆ホイットリー社^{[ 18 ]}とコーディン社によって始まった。ベックマン＆ホイットリー社は回転ミラーカメラと回転ドラムカメラの両方を販売し、「ダイナファックス」という用語を作り出した。1960年代半ば、コーディン社はベックマン＆ホイットリー社を買収し、それ以来回転ミラーカメラの唯一の供給元となっている。コーディン社の分社であるミリセカンド・シネマトグラフィー社は、商業映画撮影市場にドラムカメラ技術を提供した。

画像解剖カメラの設計のほとんどは、数千本の光ファイバーを束ね、それを直線状に分離し、従来のストリークカメラ方式（回転ドラム、回転ミラーなど）で記録するというものです。解像度はファイバーの本数によって制限され、一般的には数千本程度のファイバーしか実用的に使用できません。

ラスターカメラは、文献によっては画像分割カメラとも呼ばれ、画像のごく一部を記録するだけで識別可能な画像が得られるという原理に基づいています。この原理は、レンチキュラー印刷で最も一般的に用いられており、多数の画像が同じ素材上に配置され、円筒形のレンズ（またはスリット）の配列によって、一度に画像の一部のみが表示されるようになっています。

ほとんどのラスターカメラは、非常に細い線が刻まれた黒いグリッドを使用し、その太い不透明領域の間に数百または数千の透明な線が配置されています。各スリットの幅が各不透明領域の幅の 1/10 である場合、ラスターが移動すると、2 つのスリット間の距離で 10 枚の画像が記録されます。この原理により、空間解像度を多少犠牲にすることで（ほとんどのカメラは約 60,000 ピクセル、約 250x250 ピクセルの解像度しかありません）、非常に高い時間解像度を実現し、記録速度は毎秒最大 15 億フレームに達します。ラスター技術は、より高速な画像コンバーターで作られたストリークカメラにも適用されています。ラスター画像は回転ミラーシステムを通して移動することが多いですが、ラスター自体をフィルムシート上で移動させることもできます。これらのカメラは、記録時間が限られている（200 フレーム未満）ことが多く、フレームが簡単に上書きされるため、同期が非常に難しい場合があります。

ラスタは、レンチキュラーシート、不透明なスリットのグリッド、テーパー状（自己集束）光ファイバーのアレイなどを用いて作製することができる。

ストリーク写真（ストリップ写真と密接に関連している）は、ストリークカメラを使用して、基本的に一次元の画像の連続を合成して二次元の画像を作成します。「ストリーク写真」と「ストリップ写真」という用語はしばしば同義語として使われますが、一部の著者は区別しています。^{[ 20 ]}

回転プリズムカメラからプリズムを取り外し、シャッターの代わりに非常に狭いスリットを使用することで、露光が実質的に空間情報の1次元分であり、それが時間的に連続的に記録される画像を撮影することが可能になります。したがって、ストリーク記録は空間と時間の関係を示すグラフ記録となります。得られた画像により、速度を非常に正確に測定できます。また、回転ミラー技術を用いることで、より高速な速度でストリーク記録を撮影することも可能です。この効果には、デジタルラインセンサーや、スリットマスクを備えた一部の2次元センサーも使用できます。

爆薬の開発では、回転ミラーを介してフィルムの円弧上にサンプルの線像が投影された。炎の進行はフィルム上に斜めの像として現れ、そこから爆速が測定された。^{[ 21 ]}

モーション補正撮影（高速飛翔体の撮影に使用される場合は、弾道シンクロ撮影またはスミア撮影とも呼ばれる）は、ストリーク撮影の一種です。反転（正）レンズを使用してフィルムの動きを被写体の動きと逆方向にし、適切に同期させると、画像は時間の関数としてイベントを示します。静止している物体はストリークとして現れます。これは、ゴールライン写真に使用される技術です。この方法で撮影されたゴールライン写真の結果を再現する静止画を撮影することは決してできません。静止画は時間の中の写真であり、ストリーク/スミア写真は時間の写真です。高速飛翔体の撮影に使用する場合、スリット（ストリーク撮影と同様）を使用することで露光時間が非常に短くなり、より高い画像解像度が確保されます。高速飛翔体に使用するということは、通常、1本の映画用フィルムに1枚の静止画が記録されることを意味します。この画像から、ヨーやピッチなどの情報を特定できます。速度の時間的変化を測定するため、画像の横方向の歪みも現れます。

この技術を、ナイフエッジなどによる光の回折波面と組み合わせることで、均質な媒質内の位相摂動を撮影することが可能です。例えば、弾丸やその他の高速物体の衝撃波を捉えることができます。シャドウグラフやシュリーレン写真などを参照してください。

2011年12月、MITの研究グループは、レーザー（ストロボスコープ）とストリークカメラのアプリケーションを組み合わせた実装により、繰り返し発生するイベントの画像をキャプチャし、それらを再構成して毎秒1兆フレームのビデオを作成できることを報告した。移動する光子の画像をキャプチャできるこの画像取得速度は、ストリークカメラを使用して各視野を狭い単一のストリーク画像で迅速に収集することによって可能になる。13ナノ秒ごとに光パルスを発するレーザーでシーンを照射し、繰り返しサンプリングと位置決めによってストリークカメラと同期させることで、研究者らは、計算によって2次元ビデオにコンパイルできる1次元データの収集を実証した。このアプローチは、繰り返し発生するイベントの時間分解能によって制限されるが、医療用超音波や工業材料分析などの静的アプリケーションの可能性もある。^{[ 22 ]}

CCDの導入により、1980年代の高速撮影は革命的になった。センサーのスターリングアレイ構成により、スキャンアーティファクトが解消された。積分時間の精密な制御により、機械式シャッターの使用が不要になった。しかし、CCDアーキテクチャにより、センサーから画像を読み出す速度が制限された。これらのシステムのほとんどは依然としてNTSCレート（約60フレーム/秒）で動作していたが、特にコダック スピン フィジックス グループが構築したものは、より高速で動作し、特別に設計されたビデオ テープ カセットに記録した。コダック MASD グループは、16 mm クラッシュ スレッド フィルム カメラに取って代わる、RO と呼ばれる最初の HyG（堅牢）高速デジタル カラー カメラを開発した。^{[ 24 ]} RO では多くの新しいイノベーションと記録方法が導入され、さらに改良が加えられ、512 x 384ピクセルのセンサーで 2 秒間 1000 フレーム/秒で動作できるカメラ HG2000 が導入された。コダック MASD グループは、1991 年にフォトロンが設計・製造した超高速 CCD カメラ HS4540 も発表しました^{[ 25 ]。HS4540}は、256 x 256 で毎秒 4,500 フレームを記録しました。HS4540 は、自動車用エアバッグを製造する企業によって、30 ms の展開を撮影するための高速記録速度を必要とするロット テストに広く使用されました。ローパー インダストリーズは 1999 年 11 月にコダックからこの部門を買収し、レッドレイク (こちらもローパー インダストリーズに買収されました) と合併しました。レッドレイクはその後 IDT に買収され、現在では高速カメラ市場のマーケット リーダーであり、自動車衝突試験市場にサービスを提供し続けています。

1990年代初頭、マイクロチャンネルプレート（MCP）イメージインテンシファイアを用いた超高速カメラが開発されました。MCPインテンシファイアは、暗視装置に用いられる技術と類似しています。前述のイメージコンバーター管と同様の光子-電子-光子変換を基本としていますが、マイクロチャンネルプレートを組み込んでいます。このプレートに高電圧を印加することで、入力光電陰極からホールに流れ込む電子が連鎖反応を起こし、画像信号を増幅します。これらの電子は出力蛍光体に当たり、光子を放出して画像を形成します。この装置はピコ秒単位でオン/オフを切り替えることができます。MCPの出力は、通常は融着光ファイバーテーパーを介してCCDに接続され、非常に高い感度と短い露光時間を実現できる電子カメラとなります。ただし、光子-電子-光子変換において波長情報が失われるため、本質的にモノクロ画像となります。この分野における先駆的な研究は、ドイツのPCO Imaging社に在籍していたポール・ヘスによって行われた。

このような非常に高速な画像シーケンスは、光ビームスプリッターの後ろにMCP-CCDカメラを多重化し、電子シーケンサー制御を使用してMCPデバイスを切り替えることで取得できます。これらのシステムは通常、8～16個のMCP-CCDイメージャを使用し、最大1000億fpsの速度でフレームシーケンスを生成します。一部のシステムはインターラインCCDを使用して構築されており、これにより、チャンネルごとに2つの画像、つまり32フレームのシーケンスが可能になりますが、最高速度ではありません（インターライン転送の最小時間のため）。これらのタイプのカメラは、Hadland Photonics、その後2010年までDRS Hadlandによって製造されました。英国のSpecialised Imagingもこれらのカメラを製造しており、最大10億フレーム/秒のレートを実現しています。ただし、最小露光時間は3ナノ秒であるため、実効フレームレートは数億フレーム/秒に制限されます。2003年、スタンフォードコンピュータオプティクスはマルチフレームカメラXXRapidFrameを発表しました。これにより、最大8枚の画像シーケンスを、シャッタータイムを200ピコ秒まで短縮し、フレームレートを毎秒数十億フレームで実現できます。^{[ 26 ]}

極めて高速で画像をキャプチャするもう 1 つのアプローチは、島津製作所のHPV-1 および HPV-2 カメラのように、ISIS (In Situ storage) CCD チップを使用することです。^{[ 27 ] [ 28 ]}一般的なインターライン転送 CCD チップでは、各ピクセルに 1 つのレジスタがあります。個々のピクセルからの電荷は、マイクロ秒の時間スケールでそのレジスタに高速に転送できます。これらの電荷は、チップから読み出され、レジスタへの転送よりも時間がかかるシリアル「読み出し」プロセスで保存されます。島津製作所のカメラは、各ピクセルに 103 個のレジスタがあるチップに基づいています。ピクセルからの電荷は、これらのレジスタに転送され、画像シーケンスが「チップ上」に保存され、関心のあるイベントが終了した後、かなり時間が経ってから読み出されます。フレームレートは 10 億 fps に達する可能性があり、現在のカメラ (Kirana および HPV) では最大 1000 万 fps を達成しています。ISIS カメラは、回転ミラー カメラに比べて、光検出器が 1 つだけで済み、フレーム数がはるかに多くなることが明らかな利点です。同期回転ミラーカメラに必要な複雑な同期回路も、ISISでは不要です。インサイチュストレージチップの主な問題点は、フレームのゴーストと低い空間解像度ですが、Specialized Imaging社のKiranaなどの最新デバイスは、この問題を部分的に解決しています。このタイプのイメージングシステムの主な用途は、イベントが50μs から2msの間に発生するもので 、例えば、スプリットホプキンソン圧力バー、応力解析、軽ガス銃、ターゲット衝突研究、DIC（デジタル画像相関）などのアプリケーションです。

ISISセンサーは毎秒3.5テラピクセル以上の速度を達成しており、これは最先端の高速読み出しカメラの数百倍の性能である。

回転ミラー式フィルムカメラ技術は、フィルムの代わりに回転ミラーの周囲にCCDカメラのアレイを配置することで、CCDイメージングを利用するように改良されました^{[ 29 ]}。動作原理は、対物レンズから回転ミラーに画像が中継され、その後各CCDカメラに戻されるという点で、回転ミラー式フィルムカメラとほぼ同じです。これらのカメラはすべて、基本的にシングルショットカメラとして動作します。フレームレートは、シングルチップCCDやCMOSシステムのようにイメージングチップの読み出し速度ではなく、ミラーの速度によって決まります。つまり、これらのカメラは、CCDデバイスの数（通常50～100）と同じ数のフレームしかキャプチャできないため、必然的にバーストモードで動作する必要があります。また、シングルチップ高速カメラよりもはるかに複雑な（したがって高価な）システムです。しかし、これらのシステムは速度と解像度の間にトレードオフがないため、速度と解像度の最高の組み合わせを実現しています。一般的な速度は毎秒数百万フレームで、一般的な解像度は画像あたり2～8メガピクセルです。これらのタイプのカメラはベックマン・ホイットリー社によって開発され、後にコーディン社に買収されて製造された。

1990年代にCMOSセンサー技術が導入されたことで、高速写真撮影は再び革命的な変化を遂げ、破壊的技術の典型的な例となった。コンピュータメモリと同じ材料をベースとするCMOSプロセスは、CCDよりも製造コストが安く、オンチップメモリ​​や処理機能との統合も容易だった。また、サブアレイをアクティブとして定義する際の柔軟性も大幅に向上した。これにより、高速CMOSカメラは速度と解像度のトレードオフにおいて幅広い柔軟性を実現できるようになった。現在の高速CMOSカメラは、数メガピクセルの解像度で数千fpsのフル解像度フレームレートを実現している。しかし、これらのカメラは、解像度は大幅に低下するものの、数百万fpsで画像を撮影するように簡単に構成できる。画質と量子効率に関しては、CCDデバイスは依然としてCMOSよりもわずかに優れている。

JPLのエリック・フォッサムが提出したアクティブピクセルセンサー（APS）の最初の特許は、フォトビットのスピンオフにつながり、最終的にマイクロン・テクノロジーに買収されました。しかし、フォトビットの最初の関心は標準ビデオ市場にあり、最初の高速CMOSシステムはNACイメージテクノロジーのHSV 1000で、1990年に初めて製造されました。ビジョンリサーチ・ファントム、フォトロン、NAC、ミクロトロン、IDT、その他の高速カメラは、カメラにCMOSイメージセンサー（CIS）を使用しています。ファントム4で使用されているビジョンリサーチ・ファントムの最初のCMOSセンサーは、ベルギー大学間マイクロエレクトロニクスセンター（IMEC）で設計されました。これらのシステムは、解像度や記録時間（Phantom 4 は 1024 x 1024 ピクセル、つまり 1メガピクセルで、フルフレームで 4 秒、1000 フレーム/秒の実行能力） にもかかわらず、16 mm 高速フィルムカメラ市場に急速に浸透しました。2000 年に IMEC は研究グループをFillFactoryとしてスピンオフし、ストリーミング高速イメージセンサーの設計で支配的なプレーヤーになりました。FillFactory は 2004 年にCypress Semiconductorに買収され、その後ON Semiconductorに売却されましたが、主要スタッフは2007 年にCMOSIS を、2006 年にCaeleste を設立しました。Photobitは最終的に 500 フレーム/秒の 1.3メガピクセルセンサーを発表しました。これは、多くのローエンド高速システムに見られる真のカメラ オン チップ デバイスです。 

その後、iX-Cameras、AOS Technologies、Fastec Imaging、Mega Speed Corp、NAC、Olympus、 Photron、Mikrotron 、Redlake、Vision Research、Slow Motion Camera Company、IDTなど、複数のカメラメーカーが高速デジタルビデオ市場で競合し、Photobit、Cypress、CMOSIS、および社内設計者によって開発されたセンサーを使用しています。 これらの科学技術系のカメラに加えて、産業用マシンビジョンシステムとその要件を中心に、業界全体が構築されています。主な用途は高速製造です。システムは通常、カメラ、フレームグラバー、プロセッサ、および製造プロセスを記録または制御するための通信および記録システムで構成されています。

高速赤外線撮影は、Amber Radiance、そして後にIndigo Phoenixの登場によって可能になった。AmberはRaytheonに買収され、Amberの設計チームは独立してIndigoを設立した。Indigoは現在FLIR Systemsの傘下にある。Telops、Xenics、Santa Barbara Focal Plane、CEDIP、Electrophysicsも高速赤外線システムを発表している。

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