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고속 촬영

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목차

1. 개요

고속 촬영은 빠르게 움직이는 물체의 움직임을 포착하기 위한 기술로, 1878년 에드워드 마이브리지의 말 갈주 연구에 처음 사용되었다. 초기에는 회전 프리즘, 회전 거울 등을 이용한 고속 필름 카메라가 주로 사용되었으며, 이후 스트로보스코프, 레이저 기술이 결합되어 발전했다. 1980년대 CCD 센서의 도입으로 획기적인 발전을 이루었고, CMOS 센서 기술의 발전으로 더욱 소형화되고 다양한 응용 분야에 적용되고 있다. 현재는 1초에 수십억 프레임을 촬영하는 기술까지 개발되었으며, 과학 연구, 산업, 군사 등 다양한 분야에서 활용된다.

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고속 촬영

2. 역사적 배경

고속 촬영은 19세기 중반 에드워드 마이브리지가 말의 보행을 연구하면서 처음으로 실용적인 단계에서 활용되었다. 이후 오스트리아의 페터 잘처와 독일의 에른스트 마흐 등이 초음속 탄환 연구에 활용하면서 기술 발전이 가속화되었다.[1]

라파트로닉 카메라로 촬영한 핵폭발 사진으로, 폭발 후 1밀리초도 안 되어 촬영되었다. 불덩어리의 지름은 약 20미터이다. 불덩어리 하단의 뾰족한 부분은 로프 트릭 효과로 알려진 현상 때문이다.

2. 1. 초기 응용 및 개발

에드워드 마이브리지가 1878년에 말의 걸음걸이 동안 말의 발이 실제로 모두 땅에서 떨어지는지 여부를 조사한 것이 고속 촬영의 첫 번째 실용적인 적용이었다. 초음속으로 날아가는 탄환의 첫 번째 사진은 1886년 오스트리아의 물리학자 페터 잘처가 리에카에서 촬영했으며, 이 기술은 후에 에른스트 마흐가 초음속 운동 연구에 사용했다.[1] 1916년 독일 무기 과학자들이 이 기술을 적용했고,[2] 1931년 일본 항공 연구소는 초당 60,000프레임을 기록할 수 있는 카메라를 제조했다.[3]

벨 연구소는 1930년대 초 이스만 코닥이 개발한 카메라의 최초 고객 중 하나였다.[4] 벨 연구소는 16 mm 사진 필름을 초당 1000프레임으로 구동하고 약 30.48m 적재 용량을 가진 이 시스템을 사용하여 키 바운스를 연구했다. 코닥이 더 고속 버전 개발을 거부하자 벨 연구소는 자체적으로 개발하여 이를 패스타스(Fastax)라고 불렀다. 패스타스는 초당 5,000프레임을 처리할 수 있었다. 벨 연구소는 결국 카메라 설계를 웨스턴 일렉트릭에 판매했고, 웨스턴 일렉트릭은 다시 월렌삭 광학 회사에 판매했다. 월렌삭은 설계를 더욱 개선하여 초당 10,000프레임을 달성했다. 1960년대 초, 레들레이크 연구소는 또 다른 16 mm 회전 프리즘 카메라 하이캠(Hycam)을 출시했다.[5] 포토-소닉스는 1960년대에 35 mm 및 70 mm 필름을 사용할 수 있는 여러 모델의 회전 프리즘 카메라를 개발했다. 비저블 솔루션스는 1980년대에 포텍 IV(Photec IV) 16 mm 카메라를 출시했다.

1940년, 시어시 D. 밀러는 초당 100만 프레임을 이론적으로 처리할 수 있는 회전 거울 카메라에 대한 특허를 출원했다. 이 아이디어의 첫 번째 실용적 적용은 맨해튼 계획 동안에 이루어졌는데, 이 프로젝트의 사진 기술자인 베를린 브릭스너가 최초의 완전 기능 회전 거울 카메라를 제작했다. 이 카메라는 최초의 핵폭탄 초기 프로토타입을 촬영하는 데 사용되었으며, 폭발물 엔지니어와 물리학 이론가 사이에 활발한 논쟁의 원인이었던 폭발 형태와 속도에 대한 핵심적인 기술적 문제를 해결했다.

D. B. 밀리켄 회사는 1957년에 초당 400프레임의 속도를 위한 간헐적이고 핀 등록 방식의 16 mm 카메라를 개발했다.[5] 미첼 카메라, 레들레이크 연구소, 포토-소닉스는 결국 1960년대에 다양한 16, 35, 70 mm 간헐적 카메라를 출시했다.

2. 2. 스트로보스코프 및 레이저 응용

해럴드 유진 에거턴은 빠르게 움직이는 물체를 정지시켜 촬영하기 위해 스트로보스코프를 사용한 선구자로 널리 알려져 있다.[6][7] 그는 EG&G의 설립을 도왔으며, 이 회사는 에거턴의 일부 방법을 사용하여 핵무기 폭발에 필요한 물리 현상을 포착했다. 그러한 장치 중 하나가 에어갭 플래시인 EG&G Microflash 549였다.[8] Rapatronic 카메라를 사용하여 촬영한 폭발 사진도 참조할 수 있다.

에어갭 플래시로 촬영한 스미스 & 웨슨의 발사 사진. 어두운 방에서 카메라 셔터를 열어두고 마이크를 사용하여 총소리에 의해 플래시를 작동시켜 촬영했다.


스트로보스코프 아이디어를 발전시켜 연구자들은 고속 운동을 멈추기 위해 레이저를 사용하기 시작했다. 최근의 발전으로는 고조파 발생을 사용하여 attosecond|아토초영어 (10−18 s) 규모까지 분자 역학 이미지를 캡처하는 것이 포함된다.[9][10]

3. 고속 필름 카메라

고속 필름 카메라는 간헐적 모션 카메라, 회전 프리즘 카메라, 회전 미러 카메라, 이미지 분할 카메라, 래스터 카메라 등으로 분류된다.[12]

필름과 기계적 이송 장치가 개선되면서 고속 필름 카메라는 과학 연구에 활용될 수 있게 되었다. 코닥(Kodak)은 필름 기재를 아세테이트 베이스에서 마일라와 동등한 플라스틱인 에스타(Estar)로 변경하여 강도를 높이고 더 빠른 속도로 필름을 당길 수 있게 했다. 또한 에스타는 아세테이트보다 안정적이어서 더 정확한 측정이 가능했고 화재의 위험도 적었다.

각 필름 유형은 다양한 로드 크기로 제공된다. 약 365.76m 매거진은 일반적으로 35 mm 및 70 mm 카메라에, 약 121.92m 매거진은 16 mm 카메라에 주로 사용되지만, 약 304.80m 매거진도 사용 가능하다. 로터리 프리즘 카메라는 일반적으로 약 30.48m 필름 로드를 사용한다. 35 mm 고속 필름의 이미지는 가장자리에 평행하지 않고 스프로킷 구멍 사이에 긴 면이 있는 직사각형이며, 16 mm 및 70 mm 이미지는 정사각형에 가깝다. ANSI 형식 및 크기 목록을 참조할 수 있다.[13][14]

대부분의 카메라는 필름 가장자리에 펄스 타이밍 마크를 사용하며, 스파크나 LED로 생성된다. 이를 통해 필름 속도를 정확하게 측정할 수 있으며, 스트릭 또는 스미어 이미지의 경우 피사체의 속도를 측정할 수 있다. 펄스는 일반적으로 카메라 속도 설정에 따라 10, 100, 1000 Hz로 순환한다.

3. 1. 종류

빨대를 통해 뿜어져 나오는 커피를 5밀리초로 촬영한 사진


스트로보를 사용하여 위로 튀어 오르는 물방울을 포착한 사진


이 사진 속 배기팬은 사진 촬영 당시 최대 속도로 회전하고 있었다.


고속 카메라는 초당 250프레임 이상의 속도로 비디오를 캡처할 수 있는 기능을 갖춘 카메라로 정의된다.[11]

고속 필름 카메라는 다음 다섯 가지 범주로 분류할 수 있다.

  • 간헐적 모션 카메라: 재봉틀과 같은 메커니즘을 사용하여 필름을 간헐적으로 렌즈 뒤의 고정된 노출 지점으로 이동시켜 표준 영화 카메라를 속도를 높인 버전이다.
  • 회전 프리즘 카메라: 필름을 노출 지점 너머로 연속적으로 이동시키고, 대물 렌즈와 필름 사이에 회전하는 프리즘을 사용하여 필름 움직임과 일치하는 이미지 움직임을 부여하여 상쇄시키는 방식이다.
  • 회전 미러 카메라: 회전하는 거울을 통해 필름 아치에 이미지를 전달하며, 설계에 따라 연속 접근 또는 동기 접근 방식으로 작동할 수 있다.[12]
  • 이미지 분할 카메라: 회전 미러 시스템을 사용할 수 있다.
  • 래스터 카메라: 이미지의 "잘린" 버전을 기록한다.


간헐적 모션 카메라는 초당 수백 프레임, 회전 프리즘 카메라는 초당 수천에서 수백만 프레임, 회전 미러 카메라는 초당 수백만 프레임, 래스터 카메라는 초당 수백만 프레임, 이미지 분할 카메라는 초당 수십억 프레임을 처리할 수 있다.

필름과 기계적 이송 장치가 개선되면서 고속 필름 카메라는 과학 연구에 활용될 수 있게 되었다. 코닥(Kodak)은 필름 기재를 아세테이트 베이스에서 마일라와 동등한 플라스틱인 에스타(Estar, 코닥에서 명명)로 변경하여 강도를 높이고 더 빠른 속도로 필름을 당길 수 있게 했다. 또한 에스타는 아세테이트보다 안정적이어서 더 정확한 측정이 가능했고 화재의 위험도 적었다.

각 필름 유형은 다양한 로드 크기로 제공된다. 이러한 필름은 잘라내어 로딩이 용이하도록 매거진에 넣을 수 있다. 약 365.76m 매거진은 일반적으로 35 mm 및 70 mm 카메라에 사용할 수 있는 가장 긴 매거진이다. 약 121.92m 매거진은 16 mm 카메라에 일반적이지만 약 304.80m 매거진도 사용할 수 있다. 일반적으로 로터리 프리즘 카메라는 약 30.48m 필름 로드를 사용한다. 35 mm 고속 필름의 이미지는 일반적으로 표준 사진에서와 같이 가장자리에 평행하지 않고 스프로킷 구멍 사이에 긴 면이 있는 더 직사각형이다. 16 mm 및 70 mm 이미지는 일반적으로 직사각형이 아닌 정사각형에 가깝다. ANSI 형식 및 크기 목록을 참조할 수 있다.[13][14]

대부분의 카메라는 필름 가장자리에 펄스 타이밍 마크를 사용하며, 스파크나 LED로 생성된다(필름 천공 내부 또는 외부). 이를 통해 필름 속도를 정확하게 측정할 수 있으며, 스트릭 또는 스미어 이미지의 경우 피사체의 속도를 측정할 수 있다. 이러한 펄스는 일반적으로 카메라의 속도 설정에 따라 10, 100, 1000 Hz로 순환한다.

3. 2. 필름 및 기술 발전

에드워드 마이브리지는 1878년에 말의 걸음걸이 동안 말의 발이 모두 땅에서 떨어지는지 확인하기 위해 고속 촬영을 처음으로 실용적으로 적용했다.[1] 1886년에는 오스트리아의 물리학자 페터 잘처가 리에카에서 초음속으로 날아가는 탄환의 첫 번째 사진을 촬영했으며, 이 기술은 이후 에른스트 마흐가 초음속 운동 연구에 활용했다.[1] 1916년에는 독일 무기 과학자들이 이 기술을 적용했고,[2] 1931년에는 일본 항공 연구소에서 초당 60,000프레임을 기록할 수 있는 카메라를 개발했다.[3]

벨 연구소(Bell Telephone Laboratories)는 1930년대 초 이스만 코닥(Eastman Kodak)이 개발한 카메라의 초기 고객 중 하나였다.[4] 벨 연구소는 약 30.48m 적재 용량을 가지고 16 mm 사진 필름을 초당 1000프레임으로 구동하는 이 시스템을 키 바운스 연구에 사용했다. 코닥이 더 빠른 버전 개발을 거부하자 벨 연구소는 자체적으로 개발하여 패스타스(Fastax)라고 명명했다. 패스타스는 초당 5,000프레임을 처리할 수 있었다. 벨 연구소는 결국 카메라 설계를 웨스턴 일렉트릭(Western Electric)에 판매했고, 웨스턴 일렉트릭은 다시 월렌삭 광학 회사(Wollensak Optical Company)에 판매했다. 월렌삭은 설계를 더욱 개선하여 초당 10,000프레임을 달성했다. 1960년대 초, 레들레이크 연구소(Redlake Laboratories)는 또 다른 16 mm 회전 프리즘 카메라, 하이캠(Hycam)을 출시했다.[5] 포토-소닉스(Photo-Sonics)는 1960년대에 35 mm 및 70 mm 필름을 사용할 수 있는 여러 모델의 회전 프리즘 카메라를 개발했다. 비저블 솔루션스(Visible Solutions)는 1980년대에 포텍 IV(Photec IV) 16 mm 카메라를 출시했다.

1940년에는 시어시 D. 밀러가 초당 100만 프레임을 이론적으로 처리할 수 있는 회전 거울 카메라에 대한 특허를 출원했다. 이 아이디어는 맨해튼 계획 동안에 처음으로 실용적으로 적용되었는데, 이 프로젝트의 사진 기술자인 베를린 브릭스너가 최초의 완전 기능 회전 거울 카메라를 제작했다. 이 카메라는 최초의 핵폭탄 초기 프로토타입을 촬영하는 데 사용되었으며, 폭발물 엔지니어와 물리학 이론가 사이에 활발한 논쟁의 원인이었던 폭발 형태와 속도에 대한 핵심적인 기술적 문제를 해결했다.

D. B. 밀리켄(D. B. Milliken) 회사는 1957년에 초당 400프레임의 속도를 위한 간헐적이고 핀 등록 방식의 16 mm 카메라를 개발했다.[5] 미첼 카메라(Mitchell), 레들레이크 연구소, 포토-소닉스는 결국 1960년대에 다양한 16, 35, 70 mm 간헐적 카메라를 출시했다.

고속 필름 카메라는 크게 다섯 가지 범주로 분류할 수 있다.

종류방식프레임 처리 속도
간헐적 모션 카메라표준 영화 카메라를 속도를 높인 버전, 재봉틀과 같은 메커니즘을 사용하여 필름을 간헐적으로 렌즈 뒤의 고정된 노출 지점으로 이동초당 수백 프레임
회전 프리즘 카메라필름을 노출 지점 너머로 연속적으로 이동시키고, 대물 렌즈와 필름 사이에 회전하는 프리즘을 사용하여 필름 움직임과 일치하는 이미지 움직임을 부여하여 상쇄초당 수천에서 수백만 프레임
회전 미러 카메라회전하는 거울을 통해 필름 아치에 이미지를 전달하며, 설계에 따라 연속 접근 또는 동기 접근 방식으로 작동초당 수백만 프레임
이미지 분할 카메라회전 미러 시스템을 사용초당 수십억 프레임
래스터 카메라이미지의 "잘린" 버전을 기록초당 수백만 프레임



필름과 기계적 이송 장치가 개선되면서 고속 필름 카메라는 과학 연구에 활용될 수 있게 되었다. 코닥(Kodak)은 필름 기재를 아세테이트 베이스에서 마일라와 동등한 플라스틱인 에스타(Estar, 코닥에서 명명)로 변경하여 강도를 높이고 더 빠른 속도로 필름을 당길 수 있게 했다. 또한 에스타는 아세테이트보다 안정적이어서 더 정확한 측정이 가능했고 화재의 위험도 적었다.

각 필름 유형은 다양한 로드 크기로 제공된다. 이러한 필름은 잘라내어 로딩이 용이하도록 매거진에 넣을 수 있다. 약 365.76m 매거진은 일반적으로 35 mm 및 70 mm 카메라에 사용할 수 있는 가장 긴 매거진이다. 약 121.92m 매거진은 16 mm 카메라에 일반적이지만 약 304.80m 매거진도 사용할 수 있다. 일반적으로 로터리 프리즘 카메라는 약 30.48m 필름 로드를 사용한다. 35 mm 고속 필름의 이미지는 일반적으로 표준 사진에서와 같이 가장자리에 평행하지 않고 스프로킷 구멍 사이에 긴 면이 있는 더 직사각형이다. 16 mm 및 70 mm 이미지는 일반적으로 직사각형이 아닌 정사각형에 가깝다. ANSI 형식 및 크기 목록을 참조할 수 있다.[13][14]

대부분의 카메라는 필름 가장자리에 펄스 타이밍 마크를 사용하며, 스파크나 LED로 생성된다. 이를 통해 필름 속도를 정확하게 측정할 수 있으며, 스트릭 또는 스미어 이미지의 경우 피사체의 속도를 측정할 수 있다. 이러한 펄스는 일반적으로 카메라의 속도 설정에 따라 10, 100, 1000 Hz로 순환한다.

3. 3. 작동 원리 (각 카메라 종류별)

고속 카메라는 초당 250프레임 이상의 속도로 비디오를 캡처할 수 있는 기능을 갖춘 카메라로 정의된다.[11] 고속 촬영에 사용되는 카메라는 작동 원리에 따라 크게 다섯 가지 범주로 분류할 수 있다.

  • 간헐적 모션 카메라 (Intermittent motion camera): 재봉틀과 유사한 메커니즘을 사용하여 필름을 렌즈 뒤의 고정된 노출 지점으로 간헐적으로 이동시킨다. 표준 영화 카메라를 고속 촬영에 맞게 개량한 버전이다.
  • 회전 프리즘 카메라 (Rotating prism camera): 필름을 노출 지점 너머로 연속적으로 이동시키고, 대물 렌즈와 필름 사이에 회전하는 프리즘을 사용하여 필름의 움직임과 일치하는 이미지 움직임을 부여하여 상쇄시킨다.
  • 회전 미러 카메라 (Rotating mirror camera): 회전하는 거울을 통해 필름 아치에 이미지를 전달하며, 설계에 따라 연속 접근 또는 동기 접근 방식으로 작동할 수 있다.[12]
  • 이미지 분할 카메라 (Image dissection camera): 회전 미러 시스템을 사용할 수 있으며, 이미지의 "잘린" 버전을 기록한다.
  • 래스터 카메라 (Raster camera): 이미지의 "잘린" 버전을 기록한다.


각 카메라 종류별 처리 속도는 다음과 같다.

카메라 종류처리 속도 (초당 프레임 수)
간헐적 모션 카메라수백
회전 프리즘 카메라수천 ~ 수백만
회전 미러 카메라수백만
래스터 카메라수백만
이미지 분할 카메라수십억



필름과 기계적 이송 장치가 개선되면서 고속 필름 카메라는 과학 연구에 활용될 수 있게 되었다. 코닥(Kodak)은 필름 기재를 아세테이트 베이스에서 마일라와 동등한 플라스틱인 에스타(Estar, 코닥에서 명명)로 변경하여 강도를 높이고 더 빠른 속도로 필름을 당길 수 있게 했다.

각 필름 유형은 다양한 로드 크기로 제공된다. 35mm 고속 필름의 이미지는 일반적으로 표준 사진과 같이 가장자리에 평행하지 않고 스프로킷 구멍 사이에 긴 면이 있는 더 직사각형이다. 16mm 및 70mm 이미지는 일반적으로 직사각형보다 정사각형에 가깝다. ANSI 형식 및 크기 목록을 참조할 수 있다.[13][14]

대부분의 카메라는 필름 가장자리에 펄스 타이밍 마크를 사용하며, 스파크나 LED로 생성된다. 이를 통해 필름 속도를 정확하게 측정할 수 있다.
각 카메라 종류별 상세


  • 간헐적 모션 카메라


일반적인 영화 카메라와 마찬가지로, 간헐적 핀 레지스터 카메라는 사진을 찍는 동안 필름 게이트에서 필름을 정지시킨다. 고속 촬영에서는 이러한 고속으로 간헐적 동작을 달성하기 위한 메커니즘에 수정이 필요하다.

  • 16mm 핀 레지스터: D. B. 밀리켄 로캄(D. B. Milliken Locam)은 초당 500 프레임의 속도를 낼 수 있었으며, 이 디자인은 레드레이크(Redlake)에 판매되었다. 포토-소닉스(Photo-Sonics)는 초당 1000 프레임의 16mm 핀 등록 카메라를 제작했지만, 시장에서 철수했다.
  • 35mm 핀 레지스터: 초기 카메라에는 미첼 35mm(Mitchell 35mm)가 포함되었다. 포토-소닉스(Photo-Sonics)는 1988년 4ER로 기술 공로상을 수상했다.[15] 4E는 초당 360 프레임이 가능했다.
  • 70mm 핀 레지스터: 카메라에는 헐처가 제작한 모델과 포토-소닉스(Photo-Sonics) 10A 및 10R 카메라가 포함되어 있으며, 초당 125 프레임이 가능했다.

  • 회전 프리즘 카메라


회전하는 프리즘은 필름이나 이송 메커니즘에 가해지는 스트레스를 줄이면서 더 높은 프레임 속도를 가능하게 했다. 필름은 주 필름 스프로킷과 동기화된 회전하는 프리즘을 지속적으로 통과하며, 필름 속도와 프리즘 속도는 항상 동일한 비례 속도로 작동한다.

  • 16mm 회전 프리즘: Redlake Hycam 카메라는 전체 프레임 프리즘(4면)으로 초당 11,000 프레임, 하프 프레임 키트로 초당 22,000 프레임, 쿼터 프레임 키트로 초당 44,000 프레임의 속도를 낼 수 있다. Visible Solutions는 Photec IV를 제작한다. Fastax 카메라는 8면 프리즘으로 초당 최대 18,000 프레임을 달성할 수 있다.
  • 35mm 회전 프리즘: Photo-Sonics 4C 카메라는 전체 프레임 프리즘(4면)으로 초당 2,500 프레임, 하프 프레임 키트로 초당 4,000 프레임, 쿼터 프레임 키트로 초당 8,000 프레임의 속도를 낼 수 있다.
  • 70mm 회전 프리즘: Photo-Sonics 10B 카메라는 전체 프레임 프리즘(4면)으로 초당 360 프레임, 하프 프레임 키트로 초당 720 프레임의 속도를 낼 수 있다.

  • 회전 미러 카메라


회전 거울 카메라는 순수 회전 거울 카메라와 회전 드럼(다이나팩스(Dynafax) 카메라)의 두 가지 하위 범주로 나눌 수 있다.

  • 순수 회전 미러 카메라: 필름은 회전 거울을 중심으로 하는 호에 고정된다. 주 렌즈, 필드 렌즈, 이미지 보정 렌즈 및 회전 거울의 네 부분으로 구성된다. 일반적으로 100개 이상의 프레임을 기록하지 않지만, 최대 2000개의 프레임이 기록된 경우도 있다. 1밀리초 미만의 짧은 시간 동안만 기록하므로, 특수 타이밍 및 조명 장비가 필요하다. 최대 초당 2,500만 프레임([16])의 속도를 낼 수 있으며, 일반적인 속도는 초당 수백만 프레임이다.
  • 회전 드럼 카메라: 회전 드럼의 내부 트랙에 필름 스트립을 루프로 고정하여 작동한다.[17] 이미지는 드럼의 호를 중심으로 하는 내부 회전 거울로 전달된다. 드럼의 최대 주변 선형 속도가 제한적이므로 프레임 속도를 높이려면 프레임 높이를 줄이거나 회전 거울에서 노출되는 프레임 수를 늘려야 한다.


두 종류의 회전 거울 카메라 모두 시스템이 제대로 제어되지 않으면 이중 노출이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 초고속 셔터를 사용하거나, 제어된 지속 시간의 고속 플래시를 사용한다. 최신 CCD 이미징 시스템에서는 센서가 마이크로초 내에 셔터링될 수 있으므로 외부 셔터가 필요하지 않다.

회전 거울 카메라 기술은 최근 전자 이미징에 적용되었다.[18] 필름 대신, 회전 거울 주위에 일련의 단일 촬영 CCD 또는 CMOS 카메라 배열이 배치된다. 초당 최대 2,500만 프레임([16])의 속도를 달성할 수 있으며, 일반적인 속도는 초당 수백만 프레임이다.

  • 이미지 분할 카메라


대부분의 이미지 분할 카메라 설계는 수천 개의 광섬유를 묶어 전통적인 스트릭 카메라 방식(회전 드럼, 회전 거울 등)으로 기록되는 선으로 분리하는 방식을 사용한다. 해상도는 섬유의 수에 의해 제한되며, 일반적으로 수천 개에 불과하다.

4. 스트릭 사진술 (Streak photography)

스트릭 카메라를 사용하여 일련의 1차원적인 이미지를 2차원 이미지로 결합하는 사진술로, 스트립 사진술과 밀접한 관련이 있다. "스트릭 사진술"과 "스트립 사진술"이라는 용어는 종종 서로 바꿔 사용되지만, 일부 저자들은 구별하기도 한다.[19]

회전 프리즘 카메라에서 프리즘을 제거하고 셔터 대신 매우 좁은 슬릿을 사용하면, 노출이 시간 경과에 따라 지속적으로 기록되는 공간 정보의 1차원적인 이미지를 얻을 수 있다. 스트릭 기록은 공간 대 시간의 그래픽 기록이며, 결과 이미지는 속도를 매우 정확하게 측정할 수 있게 해준다. 회전 거울 기술을 사용하여 훨씬 빠른 속도로 스트릭 기록을 캡처할 수도 있다. 디지털 라인 센서나 슬릿 마스크가 있는 2차원 센서도 이러한 효과에 사용할 수 있다.

폭발물 개발을 위해 샘플 라인의 이미지가 회전 거울을 통해 필름 아크에 투영되었다. 화염의 전파는 필름에 사선 이미지로 나타났으며, 이를 통해 폭발 속도를 측정했다.[20]

동작 보정 사진술(고속 발사체를 촬영할 때 탄도 동기 사진술 또는 스미어 사진술이라고도 함)은 스트릭 사진술의 한 형태이다. 반전(정) 렌즈를 사용하여 필름의 움직임이 대상의 움직임과 반대이고 적절하게 동기화되면, 이미지는 시간의 함수로 이벤트를 표시한다. 움직이지 않는 물체는 스트릭으로 나타난다. 이것이 결승선 사진에 사용되는 기술이다. 정지 사진으로는 이 방법으로 촬영한 결승선 사진의 결과를 복제하는 것은 불가능하다. 정지는 시간 ''내''의 사진이고, 스트릭/스미어 사진은 시간 ''의'' 사진이기 때문이다. 고속 발사체를 촬영할 때 슬릿(스트릭 사진술에서와 같이)을 사용하면 노출 시간을 매우 짧게 하여 이미지 해상도를 높일 수 있다. 고속 발사체에 사용한다는 것은 일반적으로 한 롤의 영화 필름에 하나의 정지 이미지가 생성된다는 것을 의미한다. 이 이미지에서 요(yaw) 또는 피치와 같은 정보를 결정할 수 있으며, 속도의 시간 변화를 측정하기 때문에 이미지의 가로 왜곡으로도 표시된다.

이 기술을 나이프 에지와 같은 빛의 회절된 파면과 결합하면 균질한 매질 내에서 위상 섭동의 사진을 찍을 수 있다. 예를 들어, 총알 및 기타 고속 물체의 충격파를 캡처할 수 있다. ( 섀도그래피 및 슐리렌 사진술 참조 )

2011년 12월, MIT의 연구 그룹은 레이저(스트로보스코프)와 스트릭 카메라 응용 프로그램을 결합하여 1초에 1조 프레임 단위의 비디오를 생성하기 위해 재조립할 수 있는 반복 이벤트를 촬영했다고 보고했다. 움직이는 광자의 이미지를 캡처할 수 있는 이러한 이미지 획득 속도는 스트릭 카메라를 사용하여 각 시야를 좁은 단일 스트릭 이미지로 빠르게 수집함으로써 가능하다. 13 나노초마다 빛의 펄스를 방출하는 레이저로 장면을 조명하고, 반복적인 샘플링과 위치 지정을 통해 스트릭 카메라와 동기화하여 연구자들은 계산적으로 2차원 비디오로 컴파일할 수 있는 1차원 데이터를 수집하는 것을 시연했다. 이 접근 방식은 시간 해상도로 인해 반복 가능한 이벤트로 제한되지만, 의료 초음파 또는 산업 재료 분석과 같은 고정 응용 프로그램이 가능하다.[21]

5. 비디오

고속 촬영에서 비디오 기술은 초기의 여러 문제점을 극복하며 발전해왔다. 초창기 튜브를 사용한 비디오 카메라는 잔상 (고스트 현상)과 스캔 과정에서 발생하는 인공물로 인해 이미지 품질이 좋지 않았다. 판스워스의 ''이미지 분해기''는 이러한 문제를 해결했지만, 여전히 기술적인 한계가 있었다.

이후, 1979년 차이나 레이크에서 팻 켈러 등이 발명한 기계식 셔터[22], 이미지 변환기 튜브 기반 시스템, CCD, CMOS 센서 기술의 발전으로 고속 촬영 기술은 비약적인 발전을 이루었다. 특히, 1990년대 초에 개발된 마이크로 채널 플레이트(MCP) 영상 증폭기를 기반으로 한 카메라는 매우 짧은 시간에 이미지를 캡처할 수 있게 해주었다.

최근에는 시마즈(Shimadzu) HPV-1 및 HPV-2 카메라와 같은 IS-CCD (In Situ storage CCD 칩)을 사용하는 카메라[26][27]와 회전 거울 CCD 카메라 기술[28]이 등장하여 더욱 빠른 속도와 높은 해상도를 동시에 달성할 수 있게 되었다. 또한, CMOS 센서 기술은 고속 촬영 분야에서 파괴적 기술로 자리 잡으며, 이미지 품질과 양자 효율 면에서 CCD 센서 기술에 근접하고 있다.

5. 1. 초기 비디오 카메라

초기 튜브를 사용한 비디오 카메라는 (예: 비디콘) 대상이 움직인 후에도 대상에 대한 잠재적 이미지가 남아있어 심각한 "고스트 현상"을 겪었다. 또한 시스템이 대상을 스캔함에 따라 대상에 대한 스캔의 움직임은 이미지를 손상시키는 인공물을 발생시켰다. 판스워스의 ''이미지 분해기''는 비디콘이 나타내는 유형의 이미지 "고착"을 겪지 않았으므로, 관련 특수 이미지 변환 튜브를 사용하여 매우 빠른 속도로 짧은 프레임 시퀀스를 캡처할 수 있었다.

1979년 차이나 레이크에서 팻 켈러 등이 발명한 기계식 셔터는 동작을 멈추고 고스트 현상을 제거하는 데 도움이 되었다.[22] 이는 고속 필름 카메라에 사용된 것과 유사한 기계식 셔터로, 쐐기가 제거된 디스크였다. 개구부는 프레임 속도에 동기화되었고, 개구부의 크기는 통합 또는 셔터 시간에 비례했다. 개구부를 매우 작게 만들어 동작을 멈출 수 있었다.

이미지 품질이 개선되었음에도 불구하고, 이러한 시스템은 여전히 60프레임/초로 제한되었다.

1950년대에는 수정된 GenI 이미지 증폭기를 추가적인 편향판과 통합하여 광자 이미지를 광전자 빔으로 변환할 수 있도록 하는 다른 이미지 변환기 튜브 기반 시스템이 등장했다. 이 광전자 상태에 있는 동안 이미지는 몇 나노초만큼 짧게 켜고 끌 수 있었으며, 대형 70 및 90 mm 직경의 형광체 스크린의 다른 영역으로 편향되어 최대 20개 이상의 프레임 시퀀스를 생성할 수 있었다. 1970년대 초, 이 카메라들은 6억 프레임/초, 1 ns 노출 시간, 이벤트당 20개 이상의 프레임을 달성했다. 아날로그 장치였으므로 데이터 속도 및 픽셀 전송 속도에 디지털 제한이 없었다. 그러나 이미지 해상도는 전자의 고유한 반발력과 형광체 스크린의 입자, 각 개별 이미지의 작은 크기로 인해 매우 제한적이었다. 10 lp/mm의 해상도가 일반적이었다. 또한 파장 정보가 광자-전자-광자 변환 프로세스에서 손실되므로 이미지는 본질적으로 단색이었다. 해상도와 이미지 수 사이에는 상당히 가파른 상충 관계가 있었다. 모든 이미지는 출력 형광체 스크린에 떨어져야 했다. 따라서 4개의 이미지 시퀀스는 각 이미지가 화면의 1/4을 차지한다는 것을 의미하며, 9개의 이미지 시퀀스는 각 이미지가 1/9을 차지한다는 것을 의미했다. 이미지는 수 밀리초 동안 튜브의 형광체 스크린에 투사되어 유지되었으며, 나중에 이미지 캡처를 위해 광학적으로, 나중에는 광섬유로 필름에 연결될 수 있었다. 이러한 설계의 카메라는 Hadland Photonics Limited 및 NAC에서 제작되었다. 초기 설계에서는 프레임 속도를 변경하지 않고 노출 시간을 변경하기가 어려웠지만, 이후 모델에서는 추가 "셔터링" 플레이트를 추가하여 노출 시간과 프레이밍 속도를 독립적으로 변경할 수 있었다. 이러한 시스템의 제한 요소는 이미지를 다음 위치로 스윕할 수 있는 시간이었다.

프레이밍 튜브 외에도 이러한 튜브는 한 축에 하나 또는 두 세트의 편향판으로 구성할 수도 있었다. 빛이 광전자로 변환됨에 따라 이 광전자는 스윕 전자에 의해서만 제한되는 놀라운 스윕 속도로 형광체 스크린을 가로질러 스윕되어 최초의 전자 스트릭 카메라를 생성할 수 있었다. 움직이는 부품이 없어 최대 10 피코초/mm의 스윕 속도를 달성할 수 있었으며, 이를 통해 기술적인 시간 해상도는 여러 피코초를 제공했다. 1973~74년에 초단파 레이저 펄스를 평가해야 할 필요성에서 파생된 3피코초의 시간 해상도를 가진 상업용 스트릭 카메라가 있었다. 전자 스트릭 카메라는 여전히 서브 피코초만큼 짧은 시간 해상도로 오늘날 사용되며 피코초 시간 척도에서 짧은 광학 이벤트를 측정하는 유일한 방법이다.

5. 2. 이미지 변환기 튜브 기반 시스템

판스워스 ''이미지 분해기''는 비디콘이 나타내는 유형의 이미지 "고착"을 겪지 않았으므로, 관련 특수 이미지 변환 튜브를 사용하여 매우 빠른 속도로 짧은 프레임 시퀀스를 캡처할 수 있었다.

1950년대에는 광자 이미지를 광전자 빔으로 변환할 수 있도록 수정된 GenI 이미지 증폭기를 추가적인 편향판과 통합한 이미지 변환기 튜브 기반 시스템이 등장했다. 이 광전자 상태에 있는 동안 이미지는 몇 나노초만큼 짧게 켜고 끌 수 있었으며, 대형 70 및 90 mm 직경의 형광체 스크린의 다른 영역으로 편향되어 최대 20개 이상의 프레임 시퀀스를 생성할 수 있었다. 1970년대 초 이 카메라들은 6억 프레임/초, 1 ns 노출 시간, 이벤트당 20개 이상의 프레임을 달성했다. 아날로그 장치였으므로 데이터 속도 및 픽셀 전송 속도에 디지털 제한이 없었다. 그러나 이미지 해상도는 전자의 고유한 반발력과 형광체 스크린의 입자, 각 개별 이미지의 작은 크기로 인해 매우 제한적이었다. 10 lp/mm의 해상도가 일반적이었다. 또한 파장 정보가 광자-전자-광자 변환 프로세스에서 손실되므로 이미지는 본질적으로 단색이었다. 해상도와 이미지 수 사이에는 상당히 가파른 상충 관계가 있었다. 모든 이미지는 출력 형광체 스크린에 떨어져야 했다. 따라서 4개의 이미지 시퀀스는 각 이미지가 화면의 1/4을 차지한다는 것을 의미하며, 9개의 이미지 시퀀스는 각 이미지가 1/9을 차지한다는 것을 의미했다. 이미지는 수 밀리초 동안 튜브의 형광체 스크린에 투사되어 유지되었으며, 나중에 이미지 캡처를 위해 광학적으로, 나중에는 광섬유로 필름에 연결될 수 있었다. 이러한 설계의 카메라는 Hadland Photonics Limited 및 NAC에서 제작되었다. 초기 설계에서는 프레임 속도를 변경하지 않고 노출 시간을 변경하기가 어려웠지만, 이후 모델에서는 추가 "셔터링" 플레이트를 추가하여 노출 시간과 프레이밍 속도를 독립적으로 변경할 수 있었다. 이러한 시스템의 제한 요소는 이미지를 다음 위치로 스윕할 수 있는 시간이다.

프레이밍 튜브 외에도 이러한 튜브는 한 축에 하나 또는 두 세트의 편향판으로 구성할 수도 있었다. 빛이 광전자로 변환됨에 따라 이 광전자는 스윕 전자에 의해서만 제한되는 놀라운 스윕 속도로 형광체 스크린을 가로질러 스윕되어 최초의 전자 스트릭 카메라를 생성할 수 있었다. 움직이는 부품이 없어 최대 10 피코초/mm의 스윕 속도를 달성할 수 있었으며, 이를 통해 기술적인 시간 해상도는 여러 피코초를 제공했다.

5. 3. CCD (Charge-Coupled Device)

CCD는 1980년대 고속 촬영에 혁명을 가져왔다. 센서의 "스타링 어레이" 구성은 스캔 아티팩트를 제거했으며, 적분 시간을 정밀하게 제어하여 기계식 셔터를 대체했다. 그러나 CCD 아키텍처는 이미지 판독 속도에 제한이 있었다. 대부분의 시스템은 NTSC 속도(약 60 프레임/s)로 작동했지만, Kodak Spin Physics 그룹에서 제작한 일부 시스템은 더 빠르게 작동하여 특수 제작된 비디오 테이프 카세트에 기록되었다.

Kodak MASD 그룹은 16mm 충돌 썰매 필름 카메라를 대체하는 RO(최초의 HyG, 견고한 고속 디지털 컬러 카메라)를 개발했다.[23] RO는 많은 혁신과 기록 방식을 도입했으며, HG2000(2초 동안 512 x 384 픽셀 센서로 1000 프레임/s)에서 추가 개선되었다. Kodak MASD 그룹은 1991년에 Photron에서 설계 및 제조한 초고속 CCD 카메라 HS4540[24]도 도입했는데, 256 x 256에서 4,500 프레임/s로 기록했다. HS4540은 자동차 에어백 제조사에서 배치 테스트(30ms 전개 이미지 촬영)에 널리 사용되었다.

Roper Industries는 1999년 11월 Kodak에서 이 부서를 인수하여 Redlake(Roper Industries 인수)와 합병되었다. Redlake는 이후 IDT에 인수되었으며, IDT는 현재 고속 카메라 시장의 선두 주자이며 자동차 충돌 테스트 시장에 서비스를 제공하고 있다.

5. 4. Gated intensified CCD

1990년대 초, 마이크로 채널 플레이트(MCP) 영상 증폭기를 기반으로 하는 매우 빠른 카메라가 개발되었다. MCP 증폭기는 야간 투시경과 유사한 기술을 사용한다. 이는 영상 변환관과 유사한 광자-전자-광자 변환을 기반으로 하지만, 마이크로 채널 플레이트를 통합하여 입력 광음극에서 구멍으로 들어오는 전자가 연쇄 효과를 일으켜 이미지 신호를 증폭하도록 고전압 전하를 띤다. 이러한 전자는 출력 형광체에 떨어져 결과 이미지의 광자 방출을 생성한다. 이 장치는 피코초 단위로 켜고 끌 수 있다. MCP의 출력은 일반적으로 융합된 광섬유 테이퍼를 통해 CCD에 연결되어 매우 높은 감도를 가지고 매우 짧은 노출 시간을 가진 전자 카메라를 생성하지만, 광자-전자-광자 변환 과정에서 파장 정보가 손실되기 때문에 본질적으로 흑백이다. 이 분야의 선구적인 연구는 독일의 PCO Imaging에서 근무하던 파울 훼스(Paul Hoess)에 의해 수행되었다.

이러한 매우 빠른 속도로 일련의 이미지를 얻기 위해서는 광 빔 분할기 뒤에 MCP-CCD 카메라를 다중화하고 전자 시퀀서 제어를 사용하여 MCP 장치를 전환하면 된다. 이러한 시스템은 일반적으로 8~16개의 MCP-CCD 이미저를 사용하여 최대 1,000억 fps의 프레임 시퀀스를 생성한다. 일부 시스템은 인터라인 CCD를 사용하여 채널당 두 개의 이미지 또는 32 프레임 시퀀스를 제공했지만, 최고 속도에서는 사용할 수 없었다(인터라인 전송의 최소 시간 때문). Hadland Photonics와 DRS Hadland(2010년까지)에서 이러한 유형의 카메라를 제작하였다. 영국의 Specialised Imaging도 이 카메라를 제조하며, 초당 최대 10억 프레임 속도를 달성한다. 그러나 최소 노출 시간은 3나노초이므로 실제 프레이밍 속도는 초당 수억 프레임으로 제한된다. 2003년, 스탠포드 컴퓨터 옵틱스(Stanford Computer Optics)는 최대 8개의 이미지를 200 피코초까지의 셔터 시간으로 초당 수십억 프레임 속도로 처리할 수 있는 다중 프레이밍 카메라, XXRapidFrame을 출시했다.[25]

5. 5. IS-CCD (In Situ storage CCD 칩)

극도로 빠른 속도로 이미지를 캡처하는 또 다른 방법은 시마즈(Shimadzu) HPV-1 및 HPV-2 카메라와 같은 IS-CCD(In Situ storage CCD 칩)를 사용하는 것이다.[26][27] 일반적인 인터라인 전송 CCD 칩에서 각 픽셀은 단일 레지스터를 갖는다. 개별 픽셀의 전하는 마이크로초 단위로 해당 레지스터로 빠르게 전송될 수 있다. 이러한 전하는 칩에서 판독되어 일련의 "판독" 프로세스에 저장되는데, 이 프로세스는 레지스터로 전송하는 것보다 시간이 더 오래 걸린다. 시마즈(Shimadzu) 카메라는 각 픽셀이 103개의 레지스터를 가진 칩을 기반으로 한다. 그런 다음 픽셀의 전하를 이러한 레지스터로 전송하여 이미지 시퀀스가 "온 칩"에 저장된 다음 관심 있는 이벤트가 종료된 후 읽을 수 있다. 현재 카메라(키라나(Kirana) 및 HPV)로 최대 1천만 fps를 달성하여 최대 10억 fps의 프레임 속도가 가능하다. IS-CCD 카메라는 회전 미러 카메라보다 한 개의 광 검출기만 필요하고 프레임 수를 훨씬 더 높일 수 있다는 분명한 이점이 있다. 동기식 회전 미러 카메라에 필요한 복잡한 동기화 회로도 IS-CCD에서는 필요하지 않다. 인 시투 저장 칩의 주요 문제는 프레임 유령 현상과 낮은 공간 해상도이지만, Specialized Imaging의 키라나(Kirana)와 같은 최신 장치에서 이 문제를 부분적으로 해결했다. 이러한 유형의 이미징 시스템의 주요 용도는 스플릿-홉킨슨 압력 바, 응력 분석, 경량 가스총, 표적 충격 연구 및 DIC(Digital Image Correlation)와 같은 50 μs와 2 ms 사이의 이벤트가 발생하는 경우이다.

IS-CCD 센서는 초당 3.5 테라픽셀 이상의 속도를 달성했으며, 이는 최첨단 고속 판독 카메라보다 수백 배 더 좋은 성능이다.

5. 6. 회전 거울 CCD

회전 거울 CCD 카메라 기술은 필름 대신 회전 거울 주변에 CCD 카메라 어레이를 배치하여 CCD 이미징[28]을 활용하도록 개조되었다. 작동 원리는 회전 거울 필름 카메라와 실질적으로 유사하며, 이미지 정보는 대물 렌즈에서 회전 거울로 전달된 다음, 각 CCD 카메라로 다시 전달된다. 모든 CCD 카메라는 본질적으로 단일 샷 카메라로 작동한다. 프레임 속도는 단일 칩 CCD 및 CMOS 시스템에서처럼 이미징 칩의 판독 속도가 아닌, 거울의 속도에 의해 결정된다. 즉, 이러한 카메라는 CCD 장치 수만큼의 프레임(일반적으로 50~100)만 캡처할 수 있으므로 반드시 버스트 모드로 작동해야 한다. 또한, 단일 칩 고속 카메라보다 훨씬 더 정교한(따라서 비용이 많이 드는) 시스템이다. 그러나 이러한 시스템은 속도와 해상도 사이의 상쇄 관계가 없으므로 속도와 해상도의 최대 조합을 달성한다. 일반적인 속도는 초당 수백만 프레임이며, 일반적인 해상도는 이미지당 2~8 메가픽셀이다. 이러한 유형의 카메라는 Beckman Whitley사에 의해 처음 소개되었으며, 이후 Cordin Company에서 구매하여 제작했다.

5. 7. CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

CMOS 센서 기술은 1990년대에 고속 촬영에 혁명을 일으켰는데, 이는 파괴적 기술의 전형적인 사례이다. CMOS 공정은 컴퓨터 메모리와 동일한 재료를 기반으로 하여 CCD보다 제작 비용이 저렴하고 온칩 메모리 및 처리 기능을 통합하기가 더 쉬웠다. 또한, 서브 어레이를 활성으로 정의하는 데 훨씬 더 큰 유연성을 제공하여, 고속 CMOS 카메라는 속도와 해상도를 절충하는 데 광범위한 유연성을 갖게 되었다. 현재의 고속 CMOS 카메라는 수천 fps의 전체 해상도 프레이밍 속도를 제공하며, 해상도는 낮은 메가픽셀 수준이다. 하지만 이들 카메라는 해상도가 크게 감소하지만 수백만 fps의 이미지 캡처를 위해 쉽게 구성할 수 있다. CCD 장치의 이미지 품질과 양자 효율은 여전히 CMOS보다 약간 우수하다.

JPL의 에릭 포섬이 제출한 최초의 액티브 픽셀 센서(APS) 특허는 기업 분사로 이어져 결국 마이크론 테크놀로지에 인수된 포토비트(Photobit)가 설립되었다. 그러나 포토비트의 첫 번째 관심사는 표준 비디오 시장이었고, 최초의 고속 CMOS 시스템은 1990년에 처음 생산된 NAC 이미지 테크놀로지의 HSV 1000이었다. 비전 리서치 팬텀, 포트론, NAC, 미크로트론, IDT 및 기타 고속 카메라는 카메라에 CMOS 이미지 센서(CIS)를 사용한다. 비전 리서치 팬텀의 팬텀 4에 사용된 최초의 CMOS 센서는 벨기에 국제 마이크로일렉트로닉스 센터(IMEC)에서 설계되었다. 이러한 시스템은 해상도 및 기록 시간에도 불구하고 16 mm 고속 필름 카메라 시장에 빠르게 진출했다(팬텀 4는 전체 프레임에서 4 초, 1000 프레임/초의 속도로 실행되는 1024 x 1024 픽셀, 즉 1 메가픽셀이었다). 2000년에 IMEC는 연구 그룹을 필팩토리로 분사했으며, 이는 스트리밍 고속 이미지 센서 설계 분야에서 지배적인 기업이 되었다. 필팩토리는 2004년에 사이프러스 세미컨덕터에 인수되었고 다시 온 세미컨덕터에 매각되었으며, 주요 직원은 2007년 CMOSIS와 2006년 카엘레스트를 설립했다. 포토비트는 결국 500 프레임/초 1.3 메가픽셀 센서를 도입했으며, 이는 많은 저가형 고속 시스템에서 발견되는 진정한 카메라 온 칩 장치이다.

이후 iX-Cameras, AOS Technologies, Fastec Imaging, Mega Speed Corp, NAC, 올림푸스, 포트론, 미크로트론, Redlake, Vision Research, Slow Motion Camera Company 및 IDT를 포함한 여러 카메라 제조업체가 Photobit, Cypress, CMOSIS 및 자체 설계자가 개발한 센서로 고속 디지털 비디오 시장에서 경쟁하고 있다.

5. 8. 적외선 (Infrared)

레이시온에 인수된 앰버의 설계팀은 나와 인디고를 설립했으며, 인디고는 현재 FLIR 시스템 소유이다. 고속 적외선 촬영은 앰버 레디언스(Amber Radiance)의 도입과 이후 인디고 피닉스(Indigo Phoenix)의 출시로 가능해졌다. 텔롭스(Telops), 제닉스(Xenics), 산타 바바라 포컬 플레인(Santa Barbara Focal Plane), CEDIP, 일렉트로피직스(Electrophysics) 또한 고속 적외선 시스템을 출시했다.

참조

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