Временной микроскоп

01 апреля 2008 года, 00:00

«Увидеть невидимое» — этими словами можно описать задачу большинства научных технологий наблюдения. Телескоп позволяет заглянуть в недоступные глазу далекие звездные системы, микроскоп открывает мир неразличимо мелкого, но есть и еще один способ увидеть невидимое — проникнуть внутрь мгновения, которое для человеческого глаза выглядит неделимым. Именно эту задачу решает скоростная фотография. Фото вверху SPL/EAST NEWS

 
Гарольд Юджин Эдгертон (1903–1990), изобретатель скоростной фотографии. Фото CORBIS/RPG

История скоростной фотографии началась самым обыкновенным образом, а вот продолжилась — фантастическим. Скромный инженер, некто Гарольд Юджин Эдгертон, в 1927 году получил степень магистра электротехники в Массачусетсском технологическом институте, занимаясь изучением динамо-машин и синхронных электродвигателей. Для своих изысканий он разработал электрический стробоскоп — прибор, дающий короткие вспышки света со строгой периодичностью. Если их частота в точности совпадает с вращением ротора, последний всегда высвечивается в одном и том же положении. В результате для глаза движение замирает, и его можно, не останавливая, рассматривать, как будто он вовсе не крутится. И, что важно, под стробоскопом ротор можно сфотографировать — движение не будет смазывать картинку. Результаты этой своей работы Эдгертон опубликовал в 1931 году. И тогда же выяснилось, что его стробоскоп стал первой фотовспышкой, способной срабатывать многократно, в отличие от одноразовых магниевых вспышек.

Синхронные электродвигатели — это серьезно, но скучновато. Поэтому руководитель одной из соседних лабораторий без труда подбил молодого специалиста на небольшое развлечение: понаблюдать при помощи его оборудования за такими процессами, как падение капель воды или разрушение пирамиды из игрушечных кубиков. Безобидная забава переросла в серьезное хобби. Вскоре Эдгертон сделал первые снимки лопающегося воздушного шарика и даже пули, пробивающей яблоко. Его достижения быстро получили признание коллег и уже в 1934 году были отмечены бронзовой медалью британского Королевского фотографического общества. А в 1937 году снимок «Корона» с разбивающейся каплей молока был представлен на первой фотографической выставке в Нью-Йоркском Музее современного искусства.

Но, как ни странно, у производителей фотокамер, на чье финансирование надеялся Эдгертон, его технология моментальной съемки энтузиазма не вызвала. Их не впечатлили даже интереснейшие стробоскопические снимки спортсменов, где в деталях виден процесс выполнения упражнений. Тогда изобретатель напрямую обратился к репортерам и тут нашел полное взаимопонимание. Уже к 1940 году электронные вспышки произвели настоящую революцию в спортивной фотографии, а сделанные с их помощью снимки стали регулярно появляться в крупных газетах.

С этого момента хобби стремительно и неуклонно превращается в серьезную технологию. На голливудской студии MGM Эдгертон показывает, как использовать высокоскоростную фотографию для замедленной фиксации быстротечных явлений, а для американских ВВС разрабатывает мощную стробовспышку, которая позволяет вести ночную разведывательную аэрофотосъемку. Эта технология, в частности, применялась перед высадкой союзных войск в Нормандии…

Падающий в воду предмет порождает столь сложные гидродинамические процессы, что их пока невозможно полноценно смоделировать на компьютере. Но современная фотография позволяет нам хотя бы любоваться ими, пусть и без полного понимания. Фото SPL/EAST NEWS
Отметив заслуги Эдгертона медалью Свободы, министерство обороны привлекло его к решению еще более сложной задачи. Комиссии по атомной энергии потребовались снимки ядерных взрывов на самых первых фазах развития огненного шара. Скорость его расширения настолько высока, что камеры с механическим затвором принципиально неспособны справиться с такой задачей. К тому же фотографировать предстояло с расстояния всего около 10 километров от эпицентра взрыва, так что камера могла использоваться только один раз. Требовалось придумать очень эффективное, нестандартное и вдобавок недорогое решение.

За дело в 1947 году взялась компания EG&G, основанная Эдгертоном совместно с двумя партнерами, Гермешаузеном и Гриером. В качестве затвора решили использовать элемент, известный теперь под названием «ячейка Керра». Это жидкий поляризационный фильтр, способный мгновенно менять направление поляризации под действием приложенного напряжения.

В затворе камеры установили два фильтра-поляроида, один из которых был ячейкой Керра. В начале их направления поляризации были перпендикулярны, и свет через них не проходил. Но в нужный момент на ячейку Керра подавали напряжение, направление ее поляризации менялось, и часть излучения проникала внутрь камеры. Скорость срабатывания ячейки Керра — порядка наносекунды, миллиардной доли секунды. Это позволило уже в первой разработанной камере Rapatronic сократить выдержку до впечатляющих и сегодня 10 наносекунд. Правда, за раз удавалось сделать только один кадр, и для получения серии приходилось ставить рядом несколько камер. В наши дни компания Vision Research продает компактные «рапатроники» Phantom V12 с мегапиксельной матрицей, которые ведут цифровую видеосъемку со скоростью до миллиона кадров в секунду.

Миллисекунда после ядерного взрыва

Этот снимок ядерного взрыва (спустя 1 миллисекунду после детонации) сделан на полигоне Невада в 1952 году камерой «Рапатроник» конструкции Эдгертона с выдержкой 3 микросекунды. В это время температура поверхности огненного шара составляет более 20 000 градусов, а скорость его расширения — десятки километров в секунду. Пятна на поверхности шара — это следы конструкции самой бомбы. В первые микросекунды взрыва бомба вместе с оболочкой и крепежом испаряется, а расширяющийся с огромной скоростью газ формирует ударную волну, которая сжимает и разогревает воздух. Неоднородности исходного распределения вещества в конструкции бомбы приводят к вариациям температуры и плотности по поверхности раздувающегося пузыря. Природа ярких конусов в нижней части шара иная. Это следы стальных тросов-растяжек, которыми удерживалась на вышке бомба. В момент детонации температура в центре взрыва достигает миллионов градусов и значительная часть энергии выделяется в форме теплового рентгеновского излучения. Оно распространяется со скоростью света, обгоняя ударную волну, и поглощается тросами, вызывая их взрывное испарение. Чем дальше от центра взрыва, тем ниже интенсивность рентгеновского излучения, поэтому дальние части растяжек испаряются позже и выглядят на снимке тоньше.

Погоня за скоростью

И все-таки в наши дни даже такая специальная область, как высокоскоростная фотография, постепенно сдается натиску любителей. Конечно, возможности их камер скромнее, но все же многие современные цифровые аппараты уже умеют снимать с выдержкой 1/4000 секунды. Такой выдержки вполне достаточно, чтобы схватить на лету те же брызги воды.

 
Пуля, пробивающая яблоко, — визитная карточка сверхскоростной фотографии. Чтобы пуля не смазывалась на снимке, выдержка должна быть не больше нескольких микросекунд. Для многих оказывается неожиданностью, что частицы яблока летят не только по, но и против направления движения пули.  Фото SPL/EAST NEWS

Главные проблемы, с которыми должен справиться «высокоскоростной фотограф», — это детектирование момента события, синхронизация со вспышкой и камерой, а также вечная нехватка света. В студии или в лаборатории при съемке падающих капель и разбивающихся стекол можно пользоваться акустическими, вибрационными или контактными датчиками, которые посылают сигнал вспышке и затвору камеры. В полевых же условиях (скажем, при фотоохоте на животных) предпочтительнее датчики, реагирующие на прерывание светового луча.

Однако по сигналу датчиков не всегда можно сразу снимать. Зачастую нужно выждать долю секунды, пока объект войдет в поле зрения камеры. Кроме того, на срабатывание механического затвора уходит одна-две десятых секунды. Поэтому, чтобы вспышка произошла вовремя, необходимо тщательно измерить все задержки и встроить их в контур управления.

Впрочем, если съемка ведется в затемненной студии или ночью, задачу синхронизации можно заметно упростить, используя длительную выдержку: затвор камеры открывается в темноте, скажем, на целую секунду, а изображение регистрируется только в момент срабатывания вспышки. Например, таким способом с помощью буквально любой камеры и серийной фотовспышки, имеющей стробирующий режим, то есть дающей несколько импульсов света подряд, нетрудно зафиксировать на одном кадре, скажем, движения быстро идущего человека.

Но для более серьезных применений важно, что таким способом можно снимать особенно быстрые процессы с экспозициями короче 1/10 000 секунды, недоступными камерам с механическими затворами. Вот только где взять достаточно мощную вспышку, чтобы работала с такой скоростью? Удивительно, но даже при современных темпах развития фотографии подобных устройств, доступных простым смертным, фактически не выпускается.

На стробоскопической фотографии отчетливо видно, что в верхней части траектории спортсмен движется значительно медленнее, чем в нижней. Заметно также, как прогибается турник, на котором выполняется упражнение.  Фото SPL/EAST NEWS

И это несмотря на то что со времен Эдгертона прошло уже более 70 лет. Самое большее, что можно вытянуть из лучших серийных вспышек (да и то при снижении мощности до минимума) — это 1/25 000 секунды. Более «скорострельное» оборудование остается сугубо профессиональным.

В результате тот, кто хочет снимать летящие пули, вынужден самостоятельно разрабатывать соответствующие устройства, а это непростая инженерная задача. Нужно заставить мощные конденсаторы, в которых накапливается энергия для вспышки, полностью разряжаться за кратчайшее время. А для этого требуются редкие детали и высокие напряжения, каковые при недостаточной квалификации экспериментатора представляют угрозу даже для его жизни.

В общем, большинство фотографов предпочитают не рисковать и жертвуют мощностью вспышки: короткий импульс «вырезается» из длинного (от разряда обычных конденсаторов) при помощи несложной электронной схемы. В результате большая часть запасенной в конденсаторах энергии пропадает зря и света для съемки всегда не хватает. Отчасти это можно компенсировать, увеличивая число вспышек, а отчасти повышая чувствительность пленки или ПЗС-матрицы в фотоаппарате.

Явления, которые длятся 1/100 000 секунды и меньше, доступны для съемки только дорогой специализированной аппаратурой. Например, при лабораторном изучении ударных волн и детонации взрывчатки, плазменных неустойчивостей и лазерного испарения вещества, развития электрического пробоя в воздухе и распространения трещин в разрушающемся конструкционном материале — во всех этих случаях ученым приходится делать снимки с наносекундными выдержками, ведь скорость движений в таких процессах достигает 10 км/с и даже больше. Такая по-настоящему скоростная съемка пока остается одной из немногих сугубо профессиональных технологических областей фотографии, куда еще не проникли вездесущие любители со своими усовершенствованными «мыльницами».

Фото Александр Проскуряков
Как поймать белку «на лету»

Фотографы из группы TC Nature специализируются на съемке тропических птиц и других животных. Однажды им потребовалось снять белку-летягу, которую и увидеть-то удается редко из-за ночного образа жизни. Для этого возле засохшей ветки дерева, на котором появлялись белки, подвесили бревно с кормушкой. Когда летяги привыкли ею пользоваться, бревно стали понемногу отодвигать, пока расстояние до кормушки не достигло двух метров, чтобы «объектам» приходилось прыгать, раскрывая перепонки для планирования. Рядом поставили световой датчик, который срабатывал в начале прыжка. Сначала, правда, он начал выдавать ложные срабатывания — на насекомых. Пришлось задействовать второй такой же и настроить камеру только на одновременный сигнал от обоих датчиков. Аппарат установили в полутора метрах сбоку и чуть ниже траектории прыжка, чтобы расстояние до белки, пока она летит, не менялось и не требовалось подстраивать резкость. Экспериментально выяснили, что от момента включения датчика до попадания животного в кадр проходит 0,4 секунды, и соответствующим образом настроили задержку. Чтобы получить два снимка на одном кадре, использовалась длительная выдержка и делались две вспышки длительностью 1/10 000 секунды с интервалом в 0,1 секунды. Такие кадры может сделать любой читатель «ВС» — нужно лишь немного терпения.

Рубрика: Ярмарка идей
Просмотров: 11424