Вступ

Етьєн-Жюль Маре (фр. Étienne-Jules Marey; 5 березня 1830, Бон, Франція — 21 травня 1904, Париж, Франція) — французький біолог, інженер і фотограф, піонер хронофотографії, що здійснив великий вплив на розвиток кінематографії загалом і також відомий за свої дослідження польоту птахів та роботи м’язів.

Е.-Ж.Марей один із основоположників сучасної фізіології кровообігу, кардіології, фотографії, вніс значний внесок у появу кінематографу і сучасного повітроплавання. Йому належить винахід хронофотографії і фоторушниці (1882).

Увагу вченого приваблювало також точне фотографічне зображення руху — зокрема  тварин. Упродовж свого життя Е.-Ж.Марей написав і опублікував 25 книжок і більше 280 статей по різній науковій тематиці.

1. Біографія та наукова діяльність  Етьєна-Жана  Марея

Етьєн-Жюль Марей (фр. Etienne-Jules Marey; 5 березня 1830, Бон — 15 травня 1904, Париж) — видатний французький фізіолог і винахідник, президент французької Академії наук (з 1895 р.).

Етьєн-Жюль Марей народився в сім’ї виноторговця. Після набуття середньої освіти спочатку навчався в Політехнічній школі, а з 1850 року, вивчав медицину у Парижі. Після закінчення навчання працював у госпіталі, де займався фізіологією кровообігу та серцевої діяльності. Починаючи з 1857 року публікує свої наукові праці з цієї тематики. У 1859 році Е.-Ж.Марей захищає дисертацію, після чого деякий час працює у Відні, в лабораторій у Карла Людвіга, проте вже у 1860 році повертається до Парижа і конструює свій удосконалений сфітмограф, що є прямим попередником сучасного сфігмоманометра.

У 1868 році учений одержує у своє розпорядження стару будівлю Комеді Франсез і пристосовує сценічні приміщення до лабораторій. Тут він проводить подальші розвідки в області кровообігу. У 1867 році Е.-Ж.Марей стає професором-асистентом в Колеж де Франс, а з 1872 року — член Академії медицини, з 1878 — член французької Академії наук.

У 1880 році, після будівництва паризьким муніципалітетом фізіологічної і фотографічної лабораторії в Парк-де-Принс, отримує їх у своє розпорядження. У 1894 році Марей очолює Французьку фотографічну організацію, і організує на відкриття Всесвітньої Паризької виставки 1900 року численні фотоекспозиції. У  1900 році, Е-Ж.Марею  присвоюється звання Лицаря ордена Почесного легіону. У 1895 році учений стає Президентом французької Академії наук, а в 1900 — президентом Академії медицини. У 1902 році він створює у Парижі Інститут технічних досліджень, і інструментів, який називають його  іменем Інститут Марея [5, с. 71].

2. Винаходи Е.-Ж.Марея:  фоторушниця і фотохронограф

Е.-Ж.Марей один із основоположників сучасної фізіології кровообігу, кардіології, фотографії, вніс значний внесок у появу кінематографу і сучасного повітроплавання. Йому належить винахід хронофотографії і фоторушниці (1882). Увагу вченого приваблювало також точне фотографічне зображення руху — зокрема  тварин. Упродовж свого життя Е.-Ж.Марей написав і опублікував 25 книжок і більше 280 статей по різній науковій тематиці.

Фоторушниця — спеціальний фотоапарат, готовий до зйомки з рук із довгофокусним об’єктивом. Представляє собою фотокамеру (зазвичай, дзеркальну) з об’єктивом, з ложею на кшталт рушничної чи несучої конструкції з пістолетною рукояткою і плечовим упором. Застосовується для зйомки віддалених об’єктів в польових умовах (фотоохота, фоторепортаж, фоторозвідка тощо. п.). Фоторушниця  під час зйомок утримується, як рушниця чи автомат при стрільбі. Спуск затвора фотокамери виконується натисканням на спусковий гачок. Зазвичай, присутній механізм, який полегшує швидкість наведення на різкість [3, с. 52].

Перші конструкції, які можна назвати  фоторушницею, створені у кінці ХІХ ст.  у Франції Етьєном-Жюлем Мареєм в 1882 році, у Великій Британії Сендсом і Хантером (Sands & Hunter) в 1885 р., Лоуренсом (Lawrance) в 1892 р. У 1915 році фірма Thornton-Pickard на замовлення британських ВПС умонтувала плівкову фотокамеру в кожух стовбура кулемету «Льюїс», цей агрегат застосовувався для тренування стрілків [3, с. 52].

З пізніших зразків найвідоміші радянські фоторушниці «Фотоснайпер», які вироблялися Красногорским механічним заводом (КМЗ). Перший «Фотоснайпер» невеликою партією був випущений у 1937 році  Державним Оптичним Інститутом, потім аналогічну модель під назвою ФС-2 почали робити на КМЗ. ФС-2 (1944-1945) представляв собою  доопрацьовану далекомірну камеру ФЕД із дзеркальною  приставкою об’єктивом «Таїр-2» (фокусна відстань 300 мм, отвір 1:4,5) і дерев’яної ложею рушничного типу. ФС-2 випускався  для Збройних Сил і офіційно називався «ручний апарат для фото-розвідки». У «Фотоснайпері» ФС-3 (1965-1982) застосована дзеркальна камера «Зеніт-ЕС» (варіант камери «Зеніт-Е» з додатковою спусковою кнопкою на нижній стінці для поєднання зі спусковим механізмом фоторушниці) і об’єктив «Таїр-3ФС» (фокусна відстань 300 мм, отвір 1:4,5, діафрагма з пружинним приводом, який вимагає попереднього взводу). Ложа металева, з пістолетної рукояткою. Камера могла зніматися з ложі і використовуватися окремо із кожним сумісним об’єктивом (до комплекту поставки ФС-3 входив об’єктив «Геліос-44-2» 2/58 мм). ФС-3 й наступні моделі красногорских «Фотоснайперів» призначалися для споживчого ринку [3, с. 54].

В СРСР конструювання та виготовлення фоторушниць була помітним напрямом технічної творчості фотолюбителів.

Фотохронограф    (від фото…, грецьк. chronos — час і …граф) — прилад для дослідження тимчасових характеристик випромінювання шляхом переведення у просторову картину з лінійної, кругової чи ін. типу розверсткою. Системи з кіноплівкою, які безупинно рухаються дають тимчасовий дозвіл до 0,3 мкс. Системи, в яких тимчасова розверстка здійснюється обертовим дзеркалом чи призмою, містять устрій фото- реєстрації й забезпечують тимчасовий дозвіл до 10 нс. Системи з фото приймачем і реєстрацією сигналу на осцилографі дають тимчасовий дозвіл до 10 нс. Системи з електронно-оптичним перетворювачем із сильним пришвидшувачем полем і високочастотною розверсткою дозволяють отримати тимчасовий дозвіл до 0,5 — 0,7 нс [3, с. 57].

3. Способи фотозйомки

Наукова і прикладна фотографія і кінематографія використовують різноманітні спеціальні способи зйомки. Найважливіший з цих способів — високошвидкісна зйомка, до якої належить фотозйомка і витримкою  коротше 1/1000 хв, кінозйомка із частотою понад 250 кадр/хв і фоторегістрація з розгорненням зображення зі швидкістю понад п’ять м/хв.

Високошвидкісна зйомка застосовується у різних галузях науки, техніки і сільського господарства як засіб дослідження різноманітних швидкоплинних явищ і процесів, які унаслідок їх короткочасності і великій швидкості не доступні для безпосереднього сприйняття людським оком, і в багатьох випадках  часто неможливо дослідити  іншими, відомими методами.

Як приклад об’єктів, досліджуваних за допомогою високошвидкісної фото- і кінозйомки, може бути рух людини і тварини, для зйомки яких зазвичай буває достатня частота 100-300 кадр/хв і витримка 1/1000 хв, роботу верстатів і механізмів, що вимагає частоти зйомки від 1 до 10 тисяч кадр/хв і більш коротку витримку, руйнація механічних деталей і потужні вибухи, для вивчення яких необхідні частоти від 10 до 100 тисяч кадр/хв, вибухи невеликих зарядів і ударні хвилі в газах, задовільна реєстрація яких можлива лише при частотах від 100 тисяч до 1 мільйона кадр/хв, вибухові хвилі і електричні розряди, котрі знімаються із частотою 10-100 мільйонів кадр/хв, тощо [1, с. 95].

Високошвидкісну зйомку використовують як технічний прийом задля досягнення ефекту уповільнення руху під час зйомок художніх фільмів, і спортивної кінохроніки, під час зйомок макетів доведення видимої швидкості переміщення рухливих елементів макета, і навіть води, диму та у відповідності до масштабу, у якому виконано макет, із єдиною метою узгодження масштабу часу, у якому відтворюється на екрані рух, з лінійним масштабом макета.

Велика розмаїтість об’єктів і умов зйомки та широкий діапазон необхідні для дослідження частот кадрів зумовили виняткову розмаїтість технічних засобів, які використовуються у практиці сучасної високошвидкісної зйомки. У високошвидкісних камерах і знімальних установках, крім елементів та вузлів звичайної апаратури для зйомки, друку й обробки фотографій і кінофільмів, використовуються також багато спеціальних технічних засобів, наприклад оптичні прискорювачі, електронно-оптичні перетворювачі, електро- і магніто-оптичні швидкодіючі затвори, повітряні газові турбіни тощо.

Сучасні високошвидкісні фото- і кіно- апарати та установки, конструкції яких було створено з використанням цих технічних засобів, здатні забезпечити граничне, близьке до теоретично можливого, підвищення частоти кінозйомки (до 1011 кадр/хв) і зменшення витримки при експонуванні кадрів (до 10-14 хв).

Високошвидкісне фотографування, перші досліди якого відносяться до середини минулого століття, найчастіше здійснюється за допомогою імпульсних джерел кольору — або відповідних газорозрядних ламп, чи іскрових розрядників з повітряним проміжком, або вибухових джерел кольору. Лабораторні імпульсні фотографічні установки забезпечують виробництво зйомок з ефективною тривалістю витримки до 1 нанохв. По тому самому принципу, і до 20 нанохв, виробляється імпульсна рентгенівська фотозйомка [1, с. 97].

Високошвидкісна зйомка з витримкою і не більше приблизно від 6 до 0,1 мкхв може здійснюватися під час використання швидкісних затворів з ячейкою Керра. Проте внаслідок великих втрат світла подібні затвори мають низький коєфіцієнт. Від цієї вади вільні електронно-оптичні перетворювачі, що дозволяють проводити  фотозйомку з більш короткою витримкою.

Проміжним способом між фото- і кінозйомкою є так звана хронофотографія — зйомка послідовних фаз явища чи процесу на нерухому фотопластинку чи плівку, унаслідок чого всі отримані фотозображення начеб то  накладаються один на одного й поєднуються  в одному знімку.

Такий спосіб високошвидкісної зйомки успішно використовують у тому випадку, коли  об’єкт чи елементи його, що знімають підлягають дослідженню, безупинно зміщуються на полі зйомки.

Хронофотографії наочні і зручні для вимірів. В багатьох випадках щоб одержати високошвидкісні хронофотографії можна використовувати  щілинній затвор, що обертається і який розташований перед об’єктивом фотокамери. Відмінні результати дає хронофотографування при імпульсному висвітленні зйомок об’єкту і безупинно відкритому об’єктиві.

Високошвидкісну кінозйомку можна проводити на досить широкому діапазоні частот зміни кадрів і здійснювати  різними способами. Спосіб високошвидкісної кінозйомки на переривчасто рухливу плівку, аналогічний за своїм принципом звичайному способу кінозйомки, забезпечує виробництво зйомок із частотою до 600 кадр/хв під час використання механічної системи транспортування кіноплівки і по 1000 кадр/хв під час використання пневматичних пристроїв, чи просуванні плівки з допомогою енергії пружності петель, утворених за фільмовим каналом. Вищі частоти зміни кадрів досягаються шляхом кінозйомки на безупинно рухомий світлочутливий матеріал.

При безупинному русі кіноплівки відносно зображення, проведеного знімальним об’єктивом, різкі знімки послідовних фаз руху очей чи зміни об’єкта можна отримати двома шляхами.

По-перше, можна експонувати рухливу плівку, у площині якої створено зображення зйомок об’єкта, настільки коротко, що змішення її щодо оптичного зображення під час витримки не буде перевищувати припустимої нерізкості негативного зображення (0,02 мм). І тому можна використовувати або переривчасте висвітлення зйомок об’єкта короткими спалахами з допомогою імпульсних джерел кольору (так звана імпульсна зйомка), або поміщений безпосередньо перед кадровим вікном знімального апарату механічний обертаючийся затвор на кшталт обтюратора у звичайних професійних і аматорських кінокамерах, але з одного чи декількома вузькими щілинами замість секторного вирізу (тому й назва цих високошвидкісних знімальних апаратів — щільові) [1, с. 99].

По-друге, щоб одержати на плівці яка безупинно рухається різких послідовних кадрів за період експонування кожного кадру компенсувати зміщення  світлочутливого матеріалу  відносно  зображення, що експонується, оптико-механічним способом, пересуваючи у процесі експонування це зображення за допомогою обертованої чи пересувної прямолінійно заломлюючої оптичної системи у тому напрямку і з тією ж швидкістю, як рухається плівка [1, с. 100].

Найчастіше для цієї мети використовуються обертована скляна призма, плоскопаралельная скляна платівка чи дзеркальний багатогранний барабан (рис. 3, чи 3, б). Такий спосіб відомий під назвою способу оптичної компенсації.

Підвищення частоти зміни кадрів під час зйомок переліченими способами лімітується зазвичай граничною швидкістю транспортування плівки, що становить: при транспортуванні плівки з допомогою зубчастого барабана і перемотуванню з котушки на котушку — близько 80 м/хв, у разі зміцнення плівки на зовнішній поверхні обертового барабана — порядку 150 м/хв, а при зміцненні з внутрішньої поверхні — приблизно 400 м/хв. При цих швидкостях транспортування плівки зйомка може виконуватися лише з частотою відповідно до запланованих 4, 7,5 і 20 тисяч кадр/хв, на кадр форматом 18X24 мм (35-мм саме вона) і із частотою 10, 18,5 і 50 тисяч кадр/хв на кадр розміром 7,6X10,2 мм (16-мм саме вона) [1, с. 102].

Подальше підвищення частоти зйомки можливо шляхом зменшення розміру кадру у бік руху плівки, тобто зменшення його висоти (точніше, кроку кадру) у граничному разі до 1/4 стандартної величини (на 16-мм кіноплівці). При цьому частоту зйомки вдається довести за кілька сотень тисяч кадрів в хвилину і навіть більше, якщо розмістити кадри на плівці в кілька рядів. Зйомки із частотою кілька кадрів в секунду можна здійснити методом комутації зображень, у якому зображення, реєстровані на послідовних кадрах, утворюються на нерухомому світлочуттєвому матеріалі за допомогою низки ідентичних об’єктивів чи лінз, працюючих по черзі.

У найпростішому разі знімальна установка, джерело якої в цьому принципі, складається з кількох фотографічних камер, розміщених у вертикальній площині навкруг і працюючих послідовно одна з одною за допомогою обертового дискового затвора великого діаметра (спосіб механічної комутації зображень). Камери можуть бути  встановлено вздовж шляху руху зйомок об’єкту і для комутації можна використовувати послідовне включення імпульсних джерел кольору, встановлених для наскрізного висвітлення в робочому полі кожної камери, або пов’язаних оптично із вхідними зіницями серії знімальних об’єктивів (спосіб електричного комутації зображень).

Так для зйомки за способом комутації зображень можна використовувати вибухові джерела світла. Межа підвищення частоти зйомки у разі використання описаних двох способів комутації зображень визначається: під час зйомок за способом механічної комутації зображень — діаметром диска затвора і швидкістю його обертання, під час зйомок за способом електричної комутації зображень чи комутації зображень з допомогою вибухових джерел кольору — можливістю скорочення інтервалу між послідовними спалахами чи вибухами.

Сучасні високошвидкісні знімальні установки з електричними чи вибуховими джерелами світла забезпечують виробництво зйомки за принципом комутації зображень із частотою до 1 мільйона кадр/хв за скорочення витримки — до 0,1 мкхв [1, с. 104].

Останніми роками значне поширення отримав спосіб оптичної комутації зображень. У апаратах, які працюють у цьому способі, плівка і об’єктиви в найпростішому разі розташовуються концентрично навколо обертового дзеркала, у площині якого за допомогою основного ( так званого вхідного) об’єктива утворюється оптичне зображення об’єкта зйомки. При обертанні дзеркала, їхнім виокремленням зображення, «пробіга» по вторинним об’єктивам, причому послідовно, експонуються на плівці кадри окремих фаз зйомок явища чи процесу. В таких умовах частота зйомки при даному розмірі кадру залежить від швидкості обертання коммутирующего оптичного елемента (плоского дзеркала, дзеркальної призми або системи дзеркал), діаметра дуги чи окружності, через яку розташовані вторинні об’єктиви чи лінзи, і перерізу їх у напрямі розгорнення пучка променів.

Прихід коммутирующего елемента здійснюється за допомогою електродвигуна, повітряної турбіни чи газової (наприклад, гелієвої) турбіни, причому швидкість обертання сягає окремими знімальних апаратах 1,5-2 мільйонів обертів на хвилину. На підвищення швидкості обертання пучка променів у деяких радянських камерах було використано оптичні прискорювачі, зокрема у вигляді системи з цих двох нахилених щодо одне одного плоских дзеркал, що обертаються у протилежних напрямах, що забезпечує при 10-кратному відображенні пучка променів 20-кратное підвищення швидкості його обертання [1, с. 105].

У практично здійснених конструкціях високошвидкісних знімальних апаратів з комутацією зображення гранична частота зйомки становить: в апаратах з механічною комутацією — близько 100 тисяч кадр/хв, в апаратах з допомогою електричної комутації — порядку 1 мільйона кадр/хв й у апаратах з оптичною комутацією — 5 мільйонів кадр/хв. (Винятком є вітчизняний апарат «ЛВ-1», розрахований на зйомку із частотою до 33 мільйонів кадр/хв).

Спосіб зйомки з комутацією зображень забезпечує отримання порівняно невеликої загальної кількості кадрів, із чим пов’язані значне обмеження загальної тривалості зйомки, і, як наслідок, необхідність дуже точної синхронізації роботи кінокамери з об’єктом, який знімають [1, с. 107].

З метою полегшення синхронізації процесу зйомки з об’єктом, який знімають, розробили ряд варіантів  високошвидкісних знімальних апаратів, готових після їх пуску до початку реєстрації досліджуваного процесу у будь-якої миті.

Висновки

Е.-Ж.Марей один із основоположників сучасної фізіології кровообігу, кардіології, фотографії, вніс значний внесок у появу кінематографу і сучасного повітроплавання. Йому належить винахід хронофотографії і фоторужья (1882). Увагу вченого приваблювало також точне фотографічне зображення руху — зокрема  тварин. Упродовж свого життя Е.-Ж.Марей написав і опублікував 25 книжок і більше 280 статей по різній науковій тематиці.

Фотохронограф    (від фото…, грецьк. chronos — час і …граф) — прилад для дослідження тимчасових характеристик випромінювання шляхом переведення у просторову картину з лінійної, кругової чи ін. типу розверсткою. Системи з кіноплівкою, які безупинно рухаються дають тимчасовий дозвіл до 0,3 мкс. Системи, в яких тимчасова розверстка здійснюється обертовим дзеркалом чи призмою, містять устрій фото- реєстрації й забезпечують тимчасовий дозвіл до 10 нс. Системи з фото приймачем і реєстрацією сигналу на осцилографі дають тимчасовий дозвіл до 10 нс. Системи з електронно-оптичним перетворювачем із сильним пришвидшувачем полем і високочастотною розверсткою дозволяють отримати тимчасовий дозвіл до 0,5 — 0,7 не.

Список використаних джерел

1. Владимиров Ю. А. Физико-химические основы фотобиологических процессов. — М. : Высш. шк., 1989. — 198, с.
2. Жданов Л. С. Фізика. — К.: Вища шк., 1983. — 503 с.
3. Картужанский А. Л. Химия и физика фотографических процессов: учбовий посібник. 1986. — 136, с.
4. Корсак К. В. Фізика. — К.: Вища школа, 1994. — 431 с.
5. Попова Т. М. Культурно-історичний розвиток фізики й техніки в персоналіях. — Харків: Основа, 2009. — 156, с.
6. Чолпан П.П.Фізика: Підручник для студентів природничих факультетів університетів та пед. ін-тів. — К.: Вища школа, 2003. — 566, с.