Техника расщепления времени: высокоскоростные фотокамеры

Техника расщепления времени: высокоскоростные фотокамеры
    Сверхпрочное зеркало Вал, на котором закреплено зеркало из бериллия с алюминиевым напылением, вращается со скоростью 1 200 000 оборотов в 60 секунд. Съемка производится со скоростью от 200 000 до 25 000 000 кадров в секунду. Камера аналогичной конструкции была задействована в лабораторных опробованиях для выяснения обстоятельств трагедии шаттла «Колумбия»
    Электронный веер Применение светочувствительных матриц типа ССD вместо пленки разрешает обойтись без механических устройств и движущихся частей. Благодаря делителю пучка света и фотоусилительным устройствам все матрицы приобретают в один момент одно да и то же изображение

Инерционность сетчатки глаза, не разрешающая нам зрительно принимать трансформации, происходящие стремительнее приблизительно 1/20 секунды, была одновременно и благом для развития культуры, и препятствием для научного поиска. Благом, потому что только благодаря данной особенности зрения показалась Великая Иллюзия последнего столетия — кинематограф. Но — вот парадокс! — отправной точкой рождения кино стало желание посмотреть в недоступные глубины скоротечного.

Во второй половине 70-ых годов XIX века американец Идвард Майбридж решил применять фотосъемку для ответа не всевышний весть какой фундаментальной научной задачи. Он желал узнать ответ на вопрос: отрывается ли хоть на мгновение от почвы скачущая рысью лошадь, либо в любую секунду хотя бы одна ее нога сохраняет контакт с землёй. Простое наблюдение ответа не давало, сколько ни всматривался пытливый взор в стремительную дробь копыт.

Но к тому моменту фотографические разработки уже существовали около полувека, так что скорости затвора и светочувствительности пластинок в полной мере бы хватило чтобы запечатлеть искомый миг полного отрыва всех четырех ног от поверхности. Если он, само собой разумеется, имел место в действительности. Но как его поймать, данный миг?

Майбридж отыскал выход. Он поставил на протяжении участка дороги, по которой предстояло проскакать лошади, пара фотокамер в ряд. Затвор каждой из камер приводился в воздействие тросом, натянутым поперек всадника и пути коня.

Скачущая лошадь, задевая копытами тросы, заставляла затворы срабатывать, и в итоге показалась последовательность снимков, запечатлевших различные фазы бега. Ответ личной задачи (лошадь, идущая рысью, все-таки отрывается от почвы) стало причиной появлению первого опыта скоростной съемки.

А менее чем через двадцать лет от идеи создания последовательности фотографий, отражающих скоро сменяющиеся фазы перемещения (хронофотография), изобретательский гений пришел к мысли о последовательной демонстрации этих изображений с целью получения движущейся картины. Так появился кинематограф.

Мгновение электрического тока

Развитие разработок XX века перевоплотило ответ задачи, над которой ломал голову Майбридж, в детскую забаву. Уже в начале 1930-х компания Eastman Kodak выпустила 16-мм кинокамеру, которая была способна вести съемку со скоростью 1000 кадров в секунду. Этого достаточно, чтобы в подробностях разглядеть каждые скоротечные перемещения в живой природе.

Но наступала ядерная эра, и науку уже интересовали процессы с несравнимо более небольшим временным масштабом.

Пионером «ядерной» фотографии стал американец Гарольд Юджин Эдгертон (1903−1990). Первоначально он создал разработку скоростной съемки с применением стробоскопического результата. Подсвечивая движущийся объект серией сверхбыстрых световых импульсов, Эдгертон сумел сделать снимки с временем экспозиции от 1/10 000 до 1/100 000 секунды, взяв четкие, без «смазки», изображения воздушного шарика в момент разрыва оболочки либо пули, пробивающей навылет яблоко.

Но в то время, когда Эдгертона привлекли к работам по изучению начальных стадий ядерного взрыва, стало известно, что кроме того одна микросекунда — это очень долго, чтобы разглядеть все фазы рождения ядерной вспышки. С целью и дальше расщеплять мгновение, в 1940-х годах ученый создал особую камеру Rapatronic, талантливую создавать снимки с выдержкой 10 наносекунд, либо 10 миллиардных долей секунды.

Для этого был создан особый затвор с применением так называемой ячейки Керра. Ячейкой Керра именуется поляризационный фильтр, что под действием электрического импульса может практически мгновенно изменять направление поляризации. В момент срабатывания затвора на временной отрезок в 10 наносекунд поляризация ячейки совпадала с направлением поляризации другого фильтра, открывая путь свету ядерной вспышки к светочувствительной пластине.

Представить себе лентопротяжный механизм, передвигающий кадр с такой же немыслимой скоростью, легко нереально, исходя из этого камера Rapatronic делала только один снимок, а дабы поймать нужную фазу, было нужно воспользоваться ветхим хорошим способом Майбриджа. Для фотографирования начальной стадии взрыва употреблялось до десяти камер, каковые создавали снимки последовательно приятель за втором.

Зеркала и турбины

Дабы осуществить съемку последовательности кадров, отображающих быстротекущие процессы в движении, и наряду с этим обойти естественные ограничения механических лентопротяжных механизмов и затворов, было нужно создать очень уникальные устройства. Одним из таких устройств стала скоростная камера Dynafax, созданная компанией Cordin, кроме этого деятельно сотрудничавшая с американскими атомщиками.

В ней вращающееся со скоростью более 100 000 оборотов в 60 секунд зеркало «разбрасывало» сфокусированное объективом изображение по кадрам отрезка кинопленки, закрепленного на соосной зеркалу арке с дугой 90 градусов. Для приведения в перемещение вала, на котором вращается зеркало, употреблялись как электропривод, так и (для самые скоростных моделей) газовая турбина. Последние модели камер с вращающимся зеркалом способны вести съемку со скоростью до 25 000 000 кадров в секунду.

В другом варианте зеркало, на котором фокусируется изображение, полученное от объектива, остается неподвижным, но около него с огромной скоростью вращается барабан, по периметру которого закреплен отрезок пленки. Имеется схожие конструкции, где вращающееся зеркало имеет пара отражающих граней. Луч света, им отброшенный, перед тем как попасть на пленку, проходит через совокупность передаточных зеркал и линз, благодаря которой изображение на пленке разбивается на отдельные кадры.

Со скоростью электронов

Опыт Майбриджа в каком-то смысле понадобился уже на совсем новом этапе развития скоростной фото- и киносъемки, связанном с возникновением светочувствительных матриц CCD. Мысль последовательного включения фотокамер для запечатления фаз стремительного перемещения трансформировалась в концепцию последовательного включения матриц.

В одной из конструкций сверхскоростных камер, применяющих ССD, свет, отражающийся от снимаемого предмета, сперва попадает в объектив, после этого разделяется на пара лучей, любой из которых, пройдя через фотоэлектронный усилитель, фокусируется на отдельной матрице. Иными словами, в любой момент съемки все матрицы приобретают одно да и то же изображение.

Съемка ведется методом последовательного включения-выключения матриц, причем временной промежуток и время экспозиции между экспозициями измеряются в наносекундном масштабе. Экспозициями руководит компьютер.

Такая схема имеет очевидные преимущества, поскольку разрешает обойтись без движущихся частей и прецизионной механики, применяя только оптические и полупроводниковые разработки.

Сейчас показались камеры с скоростными возможностями, в которых в качестве светочувствительной матрицы используются элементы CMOS. К таким аппаратам относится, к примеру, камера Phantom v12.1 компании Vision Research. С ее помощью возможно приобретать 1 000 000 кадров в секунду с выдержкой 300 нс.

Разумеется, что новые возможности скоростной съемки связаны с развитием электронных разработок. Особенные надежды возлагаются на камеры с оптико-электронным преобразователем изображения. В нем фотоны преобразуются в поток электронов, что после этого электростатически фокусируется. Попадая на покрытый фосфором экран, электроны снова преобразуются в фотоны, и оптическое изображение восстанавливается. Сейчас оно возможно записано на фотопленку либо на светочувствительную матрицу.

Камеры с оптико-электронным преобразователем изображения способны создавать последовательности снимков со скоростью 50 000 000 000 кадров в секунду, действительно, только в монохромном варианте.

Стрельба с экрана

Скоростная кино- и видеосъемка, технологии которой разрабатывались в первую очередь в интересах науки, сейчас кроме этого широко применяется в киноиндустрии. Не обращая внимания на то что посредством программ 3D-моделирования возможно нарисовать фактически все что угодно, начиная от полета пули и заканчивая ядерным взрывом, кое-какие режиссеры стараются засунуть в собственные фильмы фрагменты настоящих съемок быстротекущих событий — этим достигается недоступная компьютерной графике реалистичность.

Как пример применения настоящих кадров с летящими пулями возможно привести известный фильм Джона Ву «Без лица». Для аналогичных целей, к примеру, компания Cordin предлагает киностудиям кинокамеру Millisecond Camera. В ней используется обрисованная в данной статье разработка экспонирования кинопленки посредством вращающегося с громадной скоростью барабана с закрепленным на нем отрезком пленки.

Изображение из объектива отбрасывается на пленку зеркалом, которое кроме этого вращается. Благодаря электронной совокупности управления аппарат может вести съемку со скоростью от 120 до 12 000 кадров в секунду. В управлении камерой задействован целый комплекс синхронизирующих приспособлений, включая пусковые устройства, основанные на лазерных разработках.

Кроме этого создана особая совокупность освещения, дающая замечательные световые импульсы, длительность которых соответствует времени оборота барабана.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№75, январь 2009).

Экстрим вокал для новичков. Расщепление, скрим, гроул. Техники inhale и exhale.


Темы которые будут Вам интересны:

Читайте также: