高速摄像机：现代科研的关键工具
高速摄像机作为现代科学研究与工程开发的重要工具，被誉为“时间显微镜”，使研究人员能够捕捉人眼无法感知的瞬态现象。通过高帧率成像，科学家可深入分析极短时间内发生的物理、化学或生物过程。
CMOS 高速摄像机
当前主流高速摄像机多采用互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器，其由光电二极管阵列构成，每个像素将入射光子转化为电荷，并经并行A/D转换器输出为8位、10位或12位数字信号。该过程实现高效图像采集与处理。
为获取彩色图像，传感器表面配置Bayer滤色阵列，通过插值算法还原色彩信息。数字化后的图像数据以先进先出（FIFO）方式写入板载环形内存，支持单次录制数十GB乃至迈向TB级的数据存储能力。
入射光子转换为所得像素值的示意图
传感器吞吐量的技术演进
传感器吞吐量是衡量高速摄像机性能的核心指标，定义为最大分辨率与对应最高帧率的乘积，单位为每秒千兆像素（Gpix/s）。目前主流分辨率为100万、400万和900万像素级别。
近年来，100万和400万像素系统的吞吐量显著提升。例如，75 Gpix/s系统在100万像素下可达约76 kHz帧率；通过“窗口化”技术，在低分辨率（如1280×32）下更可实现高达1.75 MHz的超高速采样。
该图对比了自2009年以来两种高速传感器平台的吞吐量，以每秒千兆像素（Gpix/s）为测量单位：100万像素分辨率平台和400万像素分辨率平台。
背照式传感器技术与感光性能
高速摄像机正逐步从传统前照式（FSI）转向背照式（BSI）传感器。BSI结构将感光层置于金属布线层之后，避免光线遮挡，大幅提升集光效率，填充因子由30%-50%提升至超过90%。
这一改进对实现超高速帧率和极短曝光时间至关重要。由于积分时间缩短会导致信号减弱，更高的量子效率和填充因子有效提升了信噪比，使得38 ns级超短曝光成为可能。
前照式（FSI）与背照式（BSI）传感器架构对比。在前照式结构（左图）中，光子需穿透金属布线层及其他结构层才能到达光电二极管，因遮挡和反射导致光损耗。相比之下，背照式结构（右图）使光子可直接进入像素感光区，显著提升光捕获效率。
传感器性能的科学评估方法
行业普遍采用EMVA 1288标准对图像传感器进行表征，提供客观、可比的关键参数，指导用户根据应用需求选择最优传感器。
量子效率（QE×FF）%
指在指定波长（通常为532 nm）下，入射光子转换为电子的百分比。EMVA标准将量子效率（QE）与填充因子（FF）合并为综合指标（QE×FF），直接影响传感器响应度。
暂态暗噪声（TDN）e-
无光照条件下图像中的固有噪声，又称“读出噪声”。该值越低，传感器在低光环境下的表现越好，是衡量灵敏度的重要依据。
信噪比（SNR）ratio dB bits
像素所能达到的最大信噪比，取自饱和前的峰值响应。SNR越高，图像质量越优，尤其在中灰至高亮区域具备更强的层次分辨能力。
绝对灵敏度阈值（AST）p
产生与噪声相等信号（SNR=1）所需的光子数，测试条件通常为50 µs积分时间和532 nm波长。数值越低，表示传感器灵敏度越高，适用于荧光成像、生物发光等弱光场景。
饱和容量 Ke-
像素在饱和前可容纳的电荷量（即满阱容量FWC）。在散粒噪声主导的系统中，最大信噪比（SNRmax）与其平方根成正比，决定动态范围上限。
动态范围 ratio dB bits
最大可测信号与最小可解析信号之比，计算公式为饱和容量（SC）与暂态暗噪声（TDN）之比，常用dB或bit表示。高动态范围有助于应对复杂光照变化。
信噪比-信号曲线分析
基于EMVA 1288标准构建的信噪比（SNR）随信号变化曲线，是评估传感器性能的核心手段。通过不同辐照度下的图像序列，绘制SNR与信号强度关系曲线。
曲线揭示多个关键参数：蓝色箭头指示绝对灵敏度阈值（AST），反映低光性能；绿色箭头显示中灰区域SNR，体现常规光照下的灵敏度特性；紫色箭头对应饱和点，红色箭头则代表整体动态范围。
EMVA 1288 标准曲线揭示了传感器信噪比（SNR）与入射辐照度之间的关系。该曲线展示了四大关键性能特征：绝对灵敏度阈值（AST）、传感器动态范围、所有辐照水平下的信噪比和饱和容量。
时间、空间与光照层次分辨率
为确保成像精度，传感器需满足时间、空间及灰度分辨率要求，常借助奈奎斯特采样定理进行设计。
对于频率为1 kHz的事件，最低采样帧率应达2 kHz以防混叠；理想情况下建议使用10–20倍频率（即10–20 kHz）以获得平滑的时间过渡。
空间分辨率方面，若需识别10 µm特征，系统放大率应保证目标覆盖至少2个像素，即分辨率达5 µm/像素，更高倍数采样可提升细节清晰度。
对于微小辐照度变化检测，必须确保噪声低于信号波动幅度，因此需结合EMVA信噪比-信号曲线进行分析。
光谱响应特性
除EMVA参数外，传感器在紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR，300–1100 nm）波段的光谱响应行为同样重要。EMVA测试通常基于单一波长（如532 nm），而光谱响应曲线则全面展示响应度随波长的变化趋势。
典型响应曲线涵盖红、绿、蓝及黑白像素，可用于比较FSI与BSI差异，以及是否具备紫外增强功能。
光谱响应曲线对比分析：（a）红色、绿色、蓝色或黑白像素的典型传感器，（b）BSI 与 FSI 像素，（c）紫外光谱扩展感光与非紫外光谱扩展感光传感器的光谱响应
辐射度学
利用传感器光谱响应曲线，可实现辐照度、光谱或温度等物理量的定量测量。当已知光源光谱I(λ)和传感器响应S(λ)时，像素响应PR可通过积分计算得出。
对于单色光源，像素响应或入射辐照度Φλ可近似计算如下：
前照式与背照式的对比
BSI技术显著提升填充因子与像素响应，使小尺寸像素也能超越大尺寸FSI性能。如图所示，18.5 µm BSI像素虽小于28 µm FSI像素，但在全波段尤其是紫外区表现出更强响应。
紫外响应增强技术
BSI结合紫外透明玻璃盖板，取消吸收紫外光的微透镜结构，可在300 nm波长实现超70%量子效率，甚至响应低至250 nm的紫外光。
该技术特别适用于紫外/可见光谱分析、燃烧成像（如OH*自由基检测）及荧光成像等前沿应用。
一种测量工具
高速摄像机已从记录设备演变为精密测量仪器。现代系统可同步多台摄像机执行立体粒子图像测速（PIV）等复杂分析。
凭借逐像素光强测量能力，高速摄像机可作为辐射测量与摄影测量工具，结合纹影、阴影等光学技术，提取位移、速度、加速度、应变、振动、温度及流场梯度等关键数据。
用于立体 PIV 研究的四摄像机系统。混合电活性变形材料的 TOMO-PTV-4D 研究欧洲项目，IMFT、LAPLACE 及 FERMAT 联盟。通过集成执行器-传感器设计提升机翼的空气动力学性能（HORIZON-2023-2027-PATHFINDER-Open-Project N° 101129952-BEALIVE-“Bioinspired Electroactive multiscale Aeronautical Live skin”）。
应用与技术
应用领域
弹道学与射程、材料分析、微流体、汽车与轨道交通、燃烧成像、生命科学与生物力学、焊接成像、在线检测、商业广告与媒体制作、航空航天与风洞实验、核反应研究、等离子体成像
核心技术
纹影成像/阴影成像、显微成像、光学断层扫描、偏振成像、光谱成像、图像增强、激光成像、动态范围扩展、跟踪云台、闪烁体成像、立体摄影测量、数据同步
后处理方法
目标追踪、数字图像相关（DIC）、粒子图像测速（PIV）、尺寸与形态分析、振动分析、高动态范围、图像-光谱转换、背景导向纹影、光学断层扫描、图像超分辨率与降噪、边缘检测、运动学分析
高速摄像机已成为学术界、政府机构及工业研发不可或缺的工具，推动材料科学、生物力学、航空航天和汽车工程等领域的突破性进展。随着传感器分辨率、帧率与性能持续优化，未来将实现更高质量的数据采集与更广泛的应用拓展。
