Техника расщепления времени: высокоскоростные камеры

В 1878 году американец Идвард Майбридж решил использовать фотосъемку для решения не бог весть какой фундаментальной научной задачи. Он хотел получить ответ на вопрос: отрывается ли хоть на мгновение от земли скачущая рысью лошадь, или в любой момент хотя бы одна ее нога сохраняет контакт с почвой. Простое наблюдение ответа не давало, сколько ни всматривался пытливый взгляд в стремительную дробь копыт. Однако к тому моменту фотографические технологии уже существовали около полувека, так что светочувствительности пластинок и скорости затвора вполне бы хватило для того, чтобы запечатлеть искомый миг полного отрыва всех четырех ног от поверхности. Если он, конечно, имел место на самом деле. Но как его поймать, этот миг?

Майбридж нашел выход. Он поставил вдоль участка дороги, по которой предстояло проскакать лошади, несколько фотокамер в ряд. Затвор каждой из камер приводился в действие тросом, натянутым поперек пути коня и всадника. Скачущая лошадь, задевая копытами тросы, заставляла затворы срабатывать, и в итоге появилась последовательность снимков, запечатлевших разные фазы бега. Решение частной задачи (лошадь, идущая рысью, все-таки отрывается от земли) привело к появлению первого опыта скоростной съемки. А менее чем через два десятилетия от идеи создания последовательности фотографий, отражающих быстро сменяющиеся фазы движения (хронофотография), изобретательский гений пришел к мысли о последовательной демонстрации этих изображений с целью получения движущейся картинки. Так возник кинематограф.

Развитие технологий XX века превратило решение 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 вполне достаточно, для того чтобы в деталях рассмотреть любые скоротечные движения в живой природе. Но наступала ядерная эпоха, и науку уже интересовали процессы с несравнимо более мелким временным масштабом.

Пионером «атомной» фотографии стал американец Гарольд Юджин Эдгертон (1903−1990). Первоначально он разработал технологию высокоскоростной съемки с использованием стробоскопического эффекта. Подсвечивая движущийся объект серией сверхбыстрых световых импульсов, Эдгертон сумел сделать снимки с временем экспозиции от 1/10 000 до 1/100 000 секунды, получив четкие, без «смазки», изображения воздушного шарика в момент разрыва оболочки или пули, пробивающей навылет яблоко.

Но когда Эдгертона привлекли к работам по исследованию начальных стадий ядерного взрыва, выяснилось, что даже одна микросекунда — это бесконечно долго, для того чтобы рассмотреть все фазы рождения атомной вспышки. С целью и дальше расщеплять мгновение, в 1940-х годах ученый создал специальную камеру Rapatronic, способную производить снимки с выдержкой 10 наносекунд, или 10 миллиардных долей секунды.

Для этого был разработан специальный затвор с применением так называемой ячейки Керра. Ячейкой Керра называется поляризационный фильтр, который под воздействием электрического импульса может почти мгновенно изменять направление поляризации. В момент срабатывания затвора на промежуток времени 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, просто невозможно, поэтому камера Rapatronic делала лишь один снимок, а чтобы поймать нужную фазу, пришлось воспользоваться старым добрым методом Майбриджа. Для фотографирования начальной стадии взрыва использовалось до десяти камер, которые производили снимки последовательно друг за другом.

Чтобы осуществить съемку последовательности кадров, отображающих быстротекущие процессы в движении, и при этом обойти естественные ограничения механических затворов и лентопротяжных механизмов, пришлось создать весьма оригинальные устройства. Одним из таких устройств стала высокоскоростная камера Dynafax, разработанная компанией Cordin, также активно сотрудничавшая с американскими атомщиками. В ней вращающееся со скоростью более 100 000 оборотов в минуту зеркало «разбрасывало» сфокусированное объективом изображение по кадрам отрезка кинопленки, закрепленного на соосной зеркалу арке с дугой 90 градусов. Для приведения в движение вала, на котором вращается зеркало, использовались как электропривод, так и (для наиболее 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, зато вокруг него с огромной скоростью вращается барабан, по периметру которого закреплен отрезок пленки. Есть схожие конструкции, где вращающееся зеркало имеет несколько отражающих граней. Луч света, им отброшенный, прежде чем попасть на пленку, проходит через систему передаточных линз и зеркал, благодаря которой изображение на пленке разбивается на отдельные кадры.

Опыт Майбриджа в каком-то смысле пригодился уже на совершенно новом этапе развития скоростной фото- и киносъемки, связанном с появлением светочувствительных матриц CCD. Идея последовательного включения фотокамер для запечатления фаз стремительного движения трансформировалась в концепцию последовательного включения матриц. В одной из конструкций сверхскоростных камер, использующих ССD, свет, отражающийся от снимаемого предмета, сначала попадает в объектив, затем разделяется на несколько лучей, каждый из которых, пройдя через фотоэлектронный усилитель, фокусируется на отдельной матрице. Иными словами, в каждый момент съемки все матрицы получают одно и то же изображение. Съемка ведется путем последовательного включения-выключения матриц, причем время экспозиции и временной промежуток между экспозициями измеряются в наносекундном масштабе. Экспозициями управляет компьютер.

Такая схема имеет очевидные преимущества, так как позволяет обойтись без движущихся частей и прецизионной механики, используя лишь оптические и полупроводниковые технологии.

В последние годы появились камеры с высокоскоростными возможностями, в которых в качестве светочувствительной матрицы применяются элементы CMOS. К таким аппаратам относится, например, камера Phantom v12.1 компании Vision Research. С ее помощью можно получать 1 000 000 кадров в секунду с выдержкой 300 нс.

Очевидно, что новые возможности высокоскоростной съемки связаны с развитием электронных технологий. Особые надежды возлагаются на камеры с оптико-электронным преобразователем изображения. В нем фотоны преобразуются в поток электронов, который затем электростатически фокусируется. Попадая на покрытый фосфором экран, электроны вновь преобразуются в фотоны, и оптическое изображение восстанавливается. Теперь оно может быть записано на фотопленку или на светочувствительную матрицу. Камеры с оптико-электронным преобразователем изображения способны создавать последовательности снимков со скоростью 50 000 000 000 кадров в секунду, правда, лишь в монохромном варианте.