Техника фотографии

МИЛЛИОНЫ КАДРОВ В СЕКУНДУ

Научная и прикладная фотография и кинематография используют разнообразные специальные способы съемки. Важнейший из этих способов — высокоскоростная съемка, к которой относятся фотосъемка с выдержкой короче 1/1000 сек, киносъемка с частотой свыше 250 кадр/сек и фоторегистрация с разверткой изображения со скоростью более 5 м/сек.

Высокоскоростная съемка применяется в различных областях науки, техники и сельского хозяйства как метод исследования при изучении разнообразных быстропротекающих явлений и процессов, которые вследствие их кратковременности и большой скорости не доступны для непосредственного восприятия человеческим глазом и во многих случаях не могут быть исследованы другими известными методами (рис. 1).

В качестве примера объектов, исследуемых при помощи высокоскоростной фото- и киносъемки, можно назвать движения человека и животных, для съемки которых обычно бывает достаточна частота 100—300 кадр/сек и выдержка 1/1000 сек, работу станков и механизмов, требующую частоты съемки от 1 до 10 тысяч кадр/сек и соответственно более короткую выдержку, разрушение механических деталей и мощные взрывы, для изучения которых необходимы частоты от 10 до 100 тысяч кадр/сек, взрывы небольших зарядов и ударные волны в газах, удовлетворительная регистрация которых возможна лишь при частотах от 100 тысяч до 1 миллиона кадр/сек, взрывные волны и электрические разряды, снимаемые с частотой 10—100 миллионов кадр/сек, и т. д.

Высокоскоростная съемка используется как технический прием для достижения эффекта замедления движения при съемке художественных фильмов и спортивной кинохроники, при съемке макетов для приведения видимой скорости перемещения подвижных элементов макета, а также воды, дыма и прочее в соответствие с масштабом, в котором выполнен макет, с целью согласования масштаба времени, в котором воспроизводится на экране движение, с линейным масштабом макета.

Большое разнообразие объектов и условий съемки и широкий диапазон необходимых для их исследования частот кадров обусловили исключительное разнообразие технических средств, используемых в практике современной высокоскоростной съемки. В высокоскоростных камерах и съемочных установках, кроме элементов и узлов обычной аппаратуры для съемки, печати и обработки фотографий и кинофильмов, используются также многие специальные технические средства, например оптические ускорители, электронно-оптические преобразователи, электро- и магнито-оптические быстродействующие затворы, воздушные и газовые турбины и т. д.

Современные высокоскоростные фото-и киносъемочные аппараты и установки, конструкции которых были созданы с использованием этих технических средств, способны обеспечить предельное, близкое к теоретически возможному, повышение частоты киносъемки (до 1011 кадр/сек) и сокращение выдержки при экспонировании кадров (до 10-14 сек).

Высокоскоростное фотографирование, первые опыты которого относятся к середине прошлого столетия, чаще всего осуществляется при помощи импульсных источников света — либо соответствующих газоразрядных ламп, или искровых разрядников с воздушным промежутком, либо взрывных источников света. Лабораторные импульсные фотографические установки обеспечивают производство съемок с эффективной продолжительностью выдержки до 1 наносек. По тому же принципу, с выдержкой до 20 наносек, производится импульсная рентгеновская фотосъемка. Высокоскоростная съемка с выдержкой в пределах примерно от 6 до 0,1 мксек может производиться при использовании скоростных затворов с ячейкой Керра. Однако вследствие значительных потерь света подобные затворы имеют низкий к. п. д. От этого недостатка свободны электронно-оптические преобразователи, которые позволяют производить фотосъемку со значительно более короткой выдержкой.

Промежуточным способом между фото-и киносъемкой является так называемая хронофотография — съемка последовательных фаз явления или процесса на неподвижную фотопластинку или пленку, вследствие чего все полученные фотоизображения как бы накладываются друг на друга и совмещаются в одном снимке. Такой способ высокоскоростной съемки успешно используется в тех случаях, когда снимаемый объект или элементы его, подлежащие исследованию, непрерывно смещаются в поле съемки (рис. 2). Хронофотографии наглядны и удобны для измерений. Во многих случаях для получения высокоскоростных хронофотографии может быть использован вращающийся щелевой затвор, расположенный перед объективом фотокамеры. Отличные результаты дает хронофотографирование при импульсном освещении снимаемого объекта и непрерывно открытом объективе. Высокоскоростная киносъемка может проводиться в весьма широком диапазоне частот смены кадров и осуществляется различными способами. Способ высокоскоростной киносъемки на прерывисто движущуюся пленку, аналогичный по своему принципу обычному способу киносъемки, обеспечивает производство съемок с частотой до 600 кадр/сек при использовании механической системы транспортирования кинопленки и до 1000 кадр/сек при использовании пневматических устройств или продвижении пленки за счет энергии упругости петель, образованных за фильмовым каналом. Более высокие частоты смены кадров достигаются путем киносъемки на непрерывно движущийся светочувствительный материал.

Рис. 1. Высокоскоростной фотоснимок: распад струи жидкости.	Рис. 2. Высокоскоростной хронофотоснимок; подача мяча при игре в теннис.

При непрерывном движении кинопленки относительно изображения, образованного съемочным объективом, резкие снимки последовательных фаз движения или изменения объекта могут быть получены двумя путями.

Во-первых, можно экспонировать движущуюся пленку, в плоскости которой образовано изображение снимаемого объекта, настолько коротко, что смещение ее относительно оптического изображения за время выдержки не будет превышать допустимой нерезкости негативного изображения (0,02 мм). Для этого могут быть использованы либо прерывистое освещение снимаемого объекта короткими вспышками при помощи импульсных источников света (так называемая импульсная съемка), либо помещенный непосредственно перед кадровым окном съемочного аппарата механический вращающийся затвор вроде обтюратора в обычных профессиональных и любительских кинокамерах, но с одной или несколькими узкими щелями вместо секторного выреза (отсюда и название этих высокоскоростных съемочных аппаратов — щелевые). На рис. 3, а — 3, в даны схемы основных систем непрерывного транспортирования кино- или фотопленки в том виде, в каком они используются при съемке с импульсным освещением.

Рис. 3. Системы непрерывного транспортирования кино- или фотопленки (при импульсной съемке): а — при помощи зубчатого барабана с перемоткой пленки с катушки на катушку; б — пленка укреплена на наружной поверхности вращающегося барабана; в — пленка укреплена на внутренней поверхности вращающегося барабана.

Во-вторых, для получения на непрерывно движущейся пленке резких последовательных кадров можно в период экспонирования каждого кадра компенсировать смещение светочувствительного материала относительно экспонируемого изображения оптико-механическим способом, передвигая в процессе экспонирования это изображение при помощи вращающейся или перемещающейся прямолинейно преломляющей или отражающей оптической системы в том же направлении и с той же скоростью, как движется пленка. Чаще всего для этой цели используются вращающиеся стеклянная призма, плоскопараллельная стеклянная пластинка или зеркальный многогранный барабан (рис. 4, а и 4, б). Такой способ известен под названием способа оптической компенсации.

Рис. 4. Схемы съемки по способу оптической компенсации: а — при помощи вращающегося многогранного зеркального барабана; б — при помощи вращающейся четырехгранной стеклянной призмы.

Повышение частоты смены кадров при съемке перечисленными способами лимитируется обычно предельной скоростью транспортирования пленки, которая составляет: при транспортировании пленки с помощью зубчатого барабана и перемотке с катушки на катушку — около 80 м/сек, в случае укрепления пленки на наружной поверхности вращающегося барабана — порядка 150 м/сек, а при укреплении ее на внутренней его поверхности — приблизительно 400 м/сек. При этих скоростях транспортирования пленки съемка может производиться с частотой соответственно до 4, 7,5 и 20 тысяч кадр/сек, на кадр форматом 18X24 мм (35-мм кинопленка) и с частотой 10, 18,5 и 50 тысяч кадр/сек на кадр размером 7,6X10,2 мм (16-мм кинопленка). Дальнейшее повышение частоты съемки возможно путем уменьшения размера кадра в направлении движения пленки, то есть уменьшения его высоты (точнее, шага кадра) в предельном случае до 1/4 стандартной величины (на 16-мм кинопленке). При этом частоту съемки удается довести до нескольких сотен тысяч кадров в секунду и даже более, если расположить кадры на пленке в несколько рядов.

	Рис. 5. Падение капли воды (съемка по методу оптической компенсации).
		Рис. 6. Кумулятивная струя в момент отпочкования вторичной капли (съемка по методу оптической компенсации).

Съемки с частотой несколько миллионов кадров в секунду могут быть осуществлены по методу коммутации изображений, при котором изображения, регистрируемые на последовательных кадрах, образуются на неподвижном светочувствительном материале при помощи ряда идентичных объективов или линз, работающих поочередно. В простейшем случае съемочная установка, основанная на этом принципе, состоит из нескольких фотографических камер, расположенных в вертикальной плоскости по окружности и работающих последовательно одна за другой при помощи вращающегося дискового затвора большого диаметра (способ механической коммутации изображений). Камеры могут быть также установлены вдоль пути движения снимаемого объекта и для коммутации может быть использовано последовательное включение импульсных источников света, установленных для сквозного освещения в рабочем поле каждой камеры, либо сопряженных оптически с входными зрачками серии съемочных объективов (способ электрической коммутации изображений, рис. 7). Аналогичным образом для съемки по способу коммутации изображений могут быть использованы взрывные источники света.

Рис. 7. Схема импульсной съемки при оптическом сопряжении источников света с входными зрачками серии съемочных объективов (электрическая коммутация изображений).

Предел повышения частоты съемки в случае использования описанных двух способов коммутации изображений определяется: при съемке по способу механической коммутации изображений— диаметром диска затвора и скоростью его вращения, при съемке по способу электрической коммутации изображений или коммутации изображений при помощи взрывных источников света — возможностью сокращения интервала между последовательными вспышками или взрывами. Современные высокоскоростные съемочные установки с электрическими или взрывными источниками света обеспечивают производство съемки по принципу коммутации изображений с частотой до 1 миллиона кадр/сек при сокращении выдержки — до 0,1 мксек.

В последние годы широкое развитие получил способ оптической коммутации изображений. В аппаратах, работающих по этому способу, пленка и объективы в простейшем случае располагаются концентрически вокруг вращающегося зеркала, в плоскости которого при помощи основного (так называемого входного) объектива образуется оптическое изображение объекта съемки. При вращении зеркала пучок лучей, образующих снимаемое изображение, «пробегает» по вторичным объективам, причем последовательно за каждым из них экспонируются на пленке кадры отдельных фаз снимаемого явления или процесса (рис. 8). В этих условиях частота съемки при данном размере кадра зависит от скорости вращения коммутирующего оптического элемента (плоского зеркала, зеркальной призмы или системы зеркал), диаметра дуги или окружности, по которой расположены вторичные объективы или линзы, и сечения последних в направлении развертки пучка лучей. Привод коммутирующего элемента осуществляется при помощи электродвигателя, воздушной турбины или газовой (например, гелиевой) турбины, причем скорость вращения достигает в отдельных съемочных аппаратах 1,5—2 миллионов оборотов в минуту. Для повышения скорости вращения пучка лучей в некоторых советских камерах были использованы оптические ускорители, в частности в виде системы из двух наклоненных относительно друг друга плоских зеркал, вращающихся в противоположных направлениях, что обеспечивает при 10-кратном отражении пучка лучей 20-кратное повышение скорости его вращения.

Рис. 8. Схемы съемки по способу оптической коммутации изображений: а — с расположением вторичных объективов и пленки по дуге; ось вращения зеркала перпендикулярна оптической оси входного объектива: б — с расположением вторичных объективов и пленки по окружности; ось вращения зеркала совпадает с оптической осью входного объектива.

В практически осуществленных конструкциях высокоскоростных съемочных аппаратов с коммутацией изображения предельная частота съемки составляет: в аппаратах с механической коммутацией — около 100 тысяч кадр/сек, в аппаратах с электрической коммутацией — порядка 1 миллиона кадр/сек и в аппаратах с оптической коммутацией — 5 миллионов кадр/сек. (Исключением является отечественный аппарат «ЛВ-1», рассчитанный на съемку с частотой до 33 миллионов кадр/сек) Способ съемки с коммутацией изображений обеспечивает получение сравнительно небольшого общего числа кадров, с чем связаны значительное ограничение общей продолжительности съемки, и, вследствие этого, необходимость весьма точной синхронизации работы кинокамеры со снимаемым объектом. С целью облегчения синхронизации процесса съемки со снимаемым объектом был разработан ряд вариантов так называемых ждущих высокоскоростных съемочных аппаратов, готовых после их пуска к началу регистрации исследуемого процесса в любой момент.

А. САХАРОВ,
Всесоюзный научно-исследовательский кинофотоинститут