A rotating mirror camera constructed from simple components is described, which can be adapted to the dimensions of the process to be filmed by interchanging the optical equipment in front of the rotating mirror. Frequeney range; 20,000-300,000 i/s., image scale between 1 : 10 and 5 : 1.On decrit ici une camera a miroir giratoire, construite a partir d'e1ements simples, et susceptible de s'adapter a l'ordre de grandeur du phenomene a photographier; il suffit de changer la partie de l' optique placee devant le miroir giratoire. Domaine de frequences; de 20000 a 300000 i/s; echelle de reproduction situee entre 1 : 10 et 5 : 1

Elle, D.

German

Hochschulschriftenserver - Universität Frankfurt am Main

54  Research Film Val. 5, No. 1, 1964 Eine einfache Drehspiegelkamera mit auswechselharer Optik D. ELLE,  Institnt für  den  Wissenschaftlichen Film,  Göttingen A  Simple Rotating Mlrror Camera with Interchangeable Lenses. A rotat-ing  mirror  eamera  eonstrueted  from  simple  eomponents  is  deseribed, whieh ean be adapted to the dimensions of the proeess to be filmed by interchanging  the  optieal  equipment  in front  of the  rotating  mirror. ]'requeney range;  20,000-300,000 i/s., image  seale  between 1; 10  and 5;1. Camera a  ~liroir Giratoire muni d'une Optique Interchangeable. On deerit iei une eamera a miroir giratoire, eonstruite a partir d'e16ments simples, et suseeptible de s'ada,pter a  l'ordre de grandeur du phenomene a photo-graphier;  il  suffit  de changer la partie de l'  optique plaeee  devant le miroir giratoire. Domaine de frequenees;  de 20000 a 300000 i/s; eehelle de reproduetion situee entre 1 ; 10 et 5; 1. Mit  den  heute  erprobten  Zeitdehnerkameras  können  Vorgänge  in  Zeit-abständen bis  etwa 10-4 s  aufgenommen werden  [1].  Noch kürzere Bild-wechselzeiten lassen sich u. a.  mit einer Drehspiegelkamera erreichen [5]. Die  Bildtrennung  besorgt  hier  ein  rotierender  Spiegel,  dessen  bewegte Masse  erheblich  geringer  ist als  die  in einer  Zeitdehnerkamera  oder  die einer Trommel in einer Trommelkamera. Es ist deshalb erklärlich, wenn mit einer  Drehspiegelkamera  kürzere  Bildwechselzeiten  bzw.  höhere  Bild-frequenzen möglich sind.  Die  grundsätzliche Anordnung zeigt Abb. 1. Das  Hauptobjektiv  0  entwirft  von  dem  Aufnahmegegenstand  G  ein Zwischenbild auf dem Drehspiegel DSp. Die im Kreise um dessen  Achse angeordneten Kameras sind sämtlich auf dieses Zwischen bild eingerichtet. Durch den umlaufenden Drehspiegel wird das von dem Objektiv 0  kom-mende Lichtstrahlenbündel mit großer Geschwindigkeit über die einzelnen Kameras  hinweggeführt.  Diese  werden  dadurch  zeitlich  nacheinander belichtet.  Die  Bildwechselzeit  bzw.  die  Bildfrequenz  berechnet sich  aus der Umlaufzahl des Drehspiegels und dem Winkelabstand zweier im Kreise benachbarter Kameras. Von  amerikanischen  und englischen  Firmen  werden  solche  Drehspiegel-kameras  bereits  hergestellt.  Sie  erreichen  Bildfrequenzen  bis 8 X 106/s, sind aber verhältnismäßig teuer und für Aufnahmen im Abbildungsverhält-nis von etwa 1 : 10 eingerichtet. Für unsere Zwecke sollte eine Kamera auf-gebaut werden, die im Bereich von 2 X 104 Bis bis etwa 2 X 105 Bis arbeitet_ Außerdem ist es  wünschenswert,  das  Abbildungsverhältnis  bei der Auf-nahme um den mittleren Bereich IX  1: 1  beliebig  wählbar zu machen. Denn es hat sich immer wieder gezeigt, daß die Aufnahmeobjekte, die in dem genannten Bildfrequenzbereich untersucht werden sollten, verhältnis-Research Film Val. 5, No. 1, 1964  55 mäßig kleine Abmessungen haben. Da für den Aufbau lediglich die Mittel einer Institutswerkstatt zur Verfügung standen, mußte auf Vorrichtungen verzichtet werden,  die  sonst  bei  der  Prüfung  und  Justierung  zur  Ein-haltung einer hohen mechanischen und optischen Genauigkeit notwendig sind. Die Abmessungen der Kamera sollten deshalb so groß gewählt werden, daß man ohne solche  Hilfen auskommen konnte.  Die Öffnung einer der· artigen  Kamera  kann  nur  verhältnismäßig  klein  sein.  Weiterhin ist  zu berücksichtigen, daß die Tiefe, in der der Gegenstand bei einem Abbildungs. verhältnis 1X  =  1 : 1 scharf abgebildet werden kann,  begrenzt ist. Um die Bildtrennung zu verwirklichen und das durch das Hauptobjektiv 0 hindurchgehende  Licht auszunutzen,  muß  man eine  Feldlinse  einbauen, welche  die Öffnnng von 0  auf eines der Kameraobjektive HO (s.  Abb. 1) abbildet. Eine solche Feldlinse unmittelbar vor dem Drehspiegel ist sehr hinderlich.  Man hat deshalb  in  einigen  Konstruktionen den  Drehspiegel als  Hohlspiegel ausgebildet  [2].  Wir versuchten statt dessen,  zwei  Plan· konvexlinsen,  deren  ebene  Flächen  verspiegelt  worden  sind,  mit diesen Abb. 1.  Grundsätzliche Anordnung einer Drehspiegelkamera Flächen  aneinanderzulegen  und so  als  Drehspiegel  und als  Feldlinse  in den Rahmen des Drehspiegelkörpers einzubauen. Das hat den Vorteil, daß die Spiegelebene genau in die Drehachse gebracht werden kann und damit Fehler durch die Verschwenkung des Spiegels kaum in Betracht kommen. Dafür sind aber astigmatische Fehler durch schiefe Bündel nicht zu ver-meiden. In einigen Fällen hat sich diese Art Feldlinse aber als  brauchbar erwiesen. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Daten dieser Linse und damit auch die  Abstände zu  den  Objektiven festgelegt  sind. Um die Kamera dem Aufnahmegegenstand besser anpassen zu können und die Optik auswechselbar zu machen, wurde, ähnlich wie in einigen amerika-nischen Konstruktionen [3],  [4],  weiter vorn an der Stelle G (Abb. 1)  ein 56  Re8earch Film Vol. 5, No. 1,1964 erstes Zwischenbild des Gegenstands erzeugt. Hier lassen sich dann gewisse .Änderungen  anbringen.  Die  optische  Anordnung  ergibt  sich  aus  dem Schema der Abb. 2.  Eine Feldlinse L p  (Brennweite !F)  kommt in die Nähe des  vom  Gegenstand G entworfenen ersten Zwischenbildes. Das zweite  Zwischenbild  B2  liegt an der Stelle des  Drehspiegels  und 0 3 ist das jeweilige  Kameraobjektiv. Für eine überschlagsrechnung können wir die Abstände 8i  des  Gegenstandes bzw. des Zwischenbildes und die der zugehörigen Bilder 8'; durch die Brennweiten fi  der Objektive 0; und durch die Abbildungsverhältnisse ßi  ausdrücken (i  1,2,3). 8i=tJ1-1-··ß~),  8/  fi(l+ßi)' \  i/ Außerdem ist aus Abbildung 2  abzulesen: a=tF(l+:Ü'  a'=fF(l+~~), b=/2(1+~:),  b'=fz(l+:Ü' Das Objektiv O2 hat zwei Aufgaben zu erfüllen: Einmal die Abbildung des ersten Zwischen  bildes BI auf den Drehspiegel als Zwischenbild B2  zu be-sorgen und andererseits das von der Feldlinse L p  entworfene Bild 01/  der Öffnung  0 1  auf 03  abzubilden.  O2  dient damit  als  zweite  Feldlinse,  die nicht unmittelbar vor dem Drehspiegel stehen muß.  Der gesamte durch das Hauptobjektiv 01  tretende Lichtstrom wird dann  unter bestimmten Bedingungen,  abgesehen  von  den  vernachlässigbaren  Reflexions- und Absorptionsverlusten,  auch  durch  das  Objektiv 03  einer  der  im  Kreise angeordneten  Kameras hindurchgehen.  An Hand der  Ab b. 2  lassen sich Abstandsbeziehungen  aufstellen,  aus  denen  nach  einigen  Rechnungen folgende  Formel für die Brennweite der ersten Feldlinse LF  hervorgeht: 1  IF  =  .. - ..  ",.-;;c.----;;-..  - .. -.·~··~·· Werden die Daten der Objektive O2  und Os,  also deren Brennweiten 12'  Is und auch die Abbildungsverhältnisse ßz und ßs konstant gehalten und be-rücksichtigt  man  weiterhin,  daß  das  Gesamtabbildungsverhältnis  vom Gegenstand G  auf das Filmbild Ba  IX  ßIß2ßa  ist, dann wird (ß2ßS  c): t 1  C =  ß~ ß3_  ß2  F= 0+  fs(l+ßs)  h' i1 Die  Abhängigkeit fF  =  F (/1' IX)  kann in einem Kurvenblatt aufgetragen werden,  aus dem bei vorgegebenem Abbildungsverhältnis IX die günstigste Re8earch Fürn Vol. 6, No. 1, 1964  57 Auswahl  des  Hauptobkjetivs 01  (Brennweite  11)  und  der  }<"'eldlinse  (jF) bestimmbar ist. Das heißt, der Abbildungsmaßstab der Kamera läßt sich auf diese  Weise  dem Aufnahmeobjekt in gewissen  Grenzen anpassen. G  B, 0, -*~----b'~----~ 51----"'--5/--........ -"--,;1,, __  ,,. Abb.2.  Schema der optischen Anordmmg Für die Beleuchtungsstärke in der Bildflbene einer Kamera kann allgemein geschrieben ,verden : E  :n;104  (d)2  1 T  (l+W' Dabei ist mittlere Leuchtdichte des Aufnahmegegenstands lineares Abbildungsverhältnis Offnungsverhältnis des Objektivs. Die  Beleuchtungsstärke Es im Bild  Ba,  also  an der Stelle des  Films, ist dann :n; 104  (_cl1)2  ___  1 __ la  (1 +  ßa)2 . Das gilt unter der Voraussetzung,  daß die Öffnung des  Objektivs Os  voll ausgeleuchtet ist und die Leuchtdichte dort ebenfalls  Bm  ist.  Das hängt, von den Öffnungsdaten der vorhergehenden Objektive 0 1 und O2 ab und ist in bestimmten Grenzen  erfüllbar. 58  Re8earch Film Vol. 6, No. 1, 1964 Wie schon erwähnt,  muß außerdem die  Schärfentiefe t  im Gegenstands-raum berücksichtigt werden.  Dafür gilt: wenn dlßI > eI' (e/ =  Durchmesser des Unschärfestreukreises im  i-ten Bild). Es  darf angenommen  werden;  daß  im  Zwischenbild  BI  der  Unschärfe-streukreis  infolge  von  Fehlern  des  Hauptobjektivs  0 1  vernachlässigbar klein ist gegenüber dem Streukreis, der sich durch Rückprojektion aus dem Filmbild  Bs ergibt. Danach wäre zu setzen: t  =  2 --~'- e I. dl  •  IX  S Im Hinblick auf die Schärfentiefe ist es  deshalb günstig, die Öffnung des Objektivs 0 1  soweit abzublenden,  daß die Fläche eines  der Objektive Os gerade ausgeleuchtet wird. Diese  in einem Kreisbogen von 1300  angeordneten 60  Objektive 03  sind Achromate,  deren  Brennweiten  (t3  =  18 cm)  gut  gegeneinander  abge-glichen sind. Diese Brennweiten und damit die Abstände sind hier also so groß gewählt, daß kleine Justierfehler bei der Montage der Achromate und bei der Einstellung des Filmlagers relativ wenig ins Gewicht fallen.  Aller-dings  muß  berücksichtigt  werden,  daß  bei  einem  Abbildungsverhältnis ßs  =  1 : 1  ein  kleiner Abstandsfehler einen  schon  merklichen  Fehler des Abbildungsverhältnisses  bewirken kann.  Für die Kontrolle  bei der Bild-auswertung  muß  möglichst  ein  Vergleichsmaßstab  mit  aufgenommen werden.  Die Öffnung der Kamera ist günstigstenfalls 1: 10.  Für die Be-messung der Beleuchtung des  Aufnahmeobjekts muß praktisch aber mit einer Öffnung 1 : 20 gerechnet werden, wenn man das Abbildungsverhältnis ßs =  1 : 1  berücksichtigt. Der für die Bildtrennung wichtigste Bestandteil der Kamera ist der Dreh-spiegel und sein Antrieb.  Für Bildwechselzeiten von etwa 10-5 s genügen Umlaufzahlen des  Spiegels  von etwa 300/s.  Diese  lassen  sich  mit einem schnellaufenden elektrischen Motor (Schleifmotor) über ein passendes Ge-triebe erreichen. Um Fehler durch die  Verschwenkung  des  Spiegels  zu  vermeiden,  ist es wünschenswert, die Spiegelebene möglichst nahe an die  Spiegeldrehachse heranzubringen.  Wir  haben  deshalb  einen  beidseitig  bedampften  Glas-spiegel von nur 2 mm Dicke und 25 mm X 35 mm Fläche in einen geeigneten Rahmen eingebaut (Abb. 3). R68earchFilm Vol. 5, No. 1, 1964  59 Abb. 3.  Drehspiegel Dieser  Rahmen ist aus  einem  zylindrischen  Bondurstück  von  35 mm 0 ausgefräst worden.  Oben und unten sind in Richtung der Zylinderachse die  Lagerzapfen angedreht. Der  Gle,sspiegel  läßt sich in den Rahmen so einsetzen, daß die Massenverteilung von Spiegel und Rahmen symmetrisch zur Drehachse liegt. Der so hergerichtete Drehspiegelkörper läuft zwischen zwei  Pendelkugellagern um  eine  senkrechte  Drehachse.  Der Antrieb mit dem genannten Motor geschieht  von  oben  über  ein  Zahuradgetriebe  (s. Abb.4). Es hat sich gezeigt,  daß hiermit eine Umlaufzahl von 900/s er-reicht werden konnte, ohne daß Unregelmäßigkeiten wegen mangelhafter Auswuchtung des  Drehspiegelkörpers feststellbar sind.  Damit ist es  mög-lich,  Aufnahmen  in Zeitabständen  von  Y:,.  10-5 s,  d. h.  bis  zu  Bildfre-quenzen  von  3OO000/s  durchzuführen.  Die  Einzelbildbelichtungszeit ist 60  Research Film Val. 5, No. 1, 1964 etwa tB  ~v, d.h. die Hälfte der Bildwechselzeit. Durch geeignete Blenden bei 01 und 03 kann hierfür auch ein geringerer Bruchteil der Bildwechselzeit gewählt werden, wenn genügend Licht zur Verfügung steht und soweit daR im Hinblick auf die  Beugungseffekte zulässig  ist. Quer  zur unteren Achse  des  Spiegelrahmens ist in Abb. 3  ein  Eisenstift sichtbar.  Bei  der  Drehung  des  Spiegels  läuft dieser  Stift  zwischen  den Polen eines Magneten um.  Die dadurch in kleinen  Spulen je  Umlauf er-zeugten  zwei  Impulse  dienen  einmal  zur  Drehzahlmessung  des  Spiegels mittels  Oszillographen  und  ferner  zur  Auslösung  der  Beleuchtungsein-richtung. Wegen der doppelseitigen Ver  spiegelung  des  Drehspiegels  werden  die  60 Objektive 03 bei jeder Umdrehung zweimal überschrieben. Um mehrfache Belichtung zu verhindern, darf das Licht der das Aufnahmeobjekt beleuch-tenden Blitzlampe höchstens während der halben Umdrehungs  zeit wirksam sein. Sie muß mindestens 18 % der Umdrehungszeit leuchten, wenn sämtliche Objektive Oa  belichtet werden sollen.  Die  Kamera ist während 36% (2 X je 18%) der Drehspiegelumlaufzeit aufnahmebereit. Die Leuchtdichte einer Xenon-Blitzlampe steigt zeitlich  zuerst steil an, geht über ein Maximum hinweg und fällt dann langsamer ab.  Die größte Leuchtdichte in der Um-gebung  des Maximums soll in die Zeit gelegt werden, in der der  Spiegel über die 60 Objektive 03 hinwegschreibt, während der Abfall des Leuchtens in die  nächsten  32 %  der Drehspiegelumlaufzeit kommen soll,  in  der die Kamera  nicht  aufnahmebereit  ist.  Dazu  muß  die  Blitzlampe  bei  einer bestimmten  Spiegelstellung während des Umlaufs  ausgelöst werden,  was durch eine geeignete Einstellung der Pole des obengenannten magnetischen Impulsgebers geschieht. Der Impuls kann außerdem dazu dienen, den auf-zunehmenden Vorgang im geeigneten Zeitpunkt auszulösen. Wirksam wird dieser magnetische Impulsgeber  aber erst dann,  wenn beim Öffnen  eines mechanisehen  Kameraverschlusses  bei  02  (Abb.  4)  ein Kontakt betätigt wird. Ist die  für  die  Aufnahme  erwünschte  Bildwechselzeit  tw ,  dann  soll  die Leuchtdauer der Blitzlampe etwa 100 tw betragen. Durch geeignete Kom-bination  von  Kapazitäten,  lnduktivitäten  und  Widerständen  im  Ent-ladungskreis der Blitzlampe erreicht man, daß deren Leuchtdauer zwischen 4 X 10-3 sund 3 X 10-4 s veränderlich ist. Somit läßt sich diese Leuchtdauer den gewünschten Bildwechselzeiten  anpassen. Zur  Synchronisierung  des  aufzunehmenden  Vorgangs  kann  auch  eine Photodiode oder  ein  Photowiderstand  benutzt werden,  der  an einer  be-liebigen  Stelle des  Linsenkranzes HO  (s.  Abb.1) angeordnet wird. Wenn durch die Drehung des Spiegels das Lichtstrahlenbündel über diesen Photo-widerstand  hinweggeht,  ist  seine  Widerstandsänderung  so  groß,  daß ohne  Verstärker  ein  Thyratrongerät mit einer  Verzögerung  von  einigen 10-5 s gezündet werden kann. Researoh Film Val.  6, No. 1, 1964  61 Abb. 4 bietet eine Ansicht der Drehspiegelkamera. Auf der optischen Bank ist rechts eine Blitzlampe BL von 500 Ws  Entladungsenergie für die Be-leuchtuug im Gegenlicht angebracht.  Durch einen weiter links stehenden Kondensor J( wird das Licht in das Hauptobjektiv 01  konzentriert.  Der Aufnahmegegenstand  steht  unmittelbar  hinter  dem  Kondensor.  Zwei weitere Xenon-Blitzlampen (nicht im Bild)  von insgesamt 1000 Ws Ent-ladungsenergie können unmittelbar an das Aufnahmeobjekt zur Vorderlicht-beleuchtung herangebracht werden.  Durch eine  geeignete  Blendenanord-nung wird dabei verhindert, daß direktes Licht in die Kamera einfällt. Je nach  dem  Aufnahmeobjekt  kann  mit  Gegenlicht,  Vorderlicht  oder  mit beiden gearbeitet werden.  Im letzten Falle müssen  die  drei Blitzlampen synchron ausgelöst werden. Hinter dem Hauptobjektiv ist unter der Kamera die  Feldlinse LF sichtbar.  Der Spiegel Sp dahinter wirft das Licht dann senkrecht nach oben in das Zwischenobjektiv O2 der Kamera. Die optische Bank kann nach rechts noch verlängert werden. Die Beleuchtungseinrich-tung und die Optiken sind nach Belieben auswechselbar und verschiebbar. Die eigentliche Kamera ist eine halbkreisförmige, waagerecht liegende Dose, an deren Unterseite das Licht vom Umlenkspiegel Sp durch das Objektiv O2  und den mechanischen Photoverschluß eintritt. In der Kamera sitzt hinter diesem Verschluß ein Prisma, welches das Licht auf den Drehspiegel lenkt.  Oberhalb  der  Kamera ist  der  senkrecht  stehende  Antriebsmotor des Drehspiegels sichtbar, dessen Achse genau im Zentrum der Dose sitzt. Abb. 4.  Drehspiegellrnmera 62  Research Film Vol. 5, No. 1, 1964 Die Objektive 0 3  (HO der Abb. 1) und der Film sind in der Dose im Halb-kreis um dieses  Zentrum angeordnet.  Hinter dem Filmlager,  also  an der Rückseite der Dose,  ist die Kamera durch breite,  biegsame  Stahlbänder verschlossen, die in Nuten ""ie Schiebetüren übereinandergeschoben werden können. Auf diese Weise läßt sich die Kamera zur Justierung und Beob-achtung der Filmbilder und zur Belichtungsmessung an beliebigen Stellen öffnen  und schließen.  An den Enden des Filmlagers befindet sich je eine Filmkassette mit drehbarem Kern. Der zu belichtende Film wird mit der Kassette  auf der  einen  Seite  eingesetzt  und  mit  einem  Transportfilm gekuppelt, der aus der anderen Kassette über das Filmlager herausgezogen ist. Nach Verschluß der Kamera geschieht dann das Abspulen und Aufspulen von außen durch je eine oben sichtbare Kurbel. Im Hintergrund der .<B\bb.  4 sind einige  Zusatzgeräte zu sehen: Das Aus-lösegerät für die Blitif&l,mpen  und für den aufzunehmenden Vorgang und der Oszillograph für die Einstellung der Bildfrequenz. Das Hochspannungs-gerät für die Ladung der Lampenkondensatoren ist nicht abgebildet. Abb. 5.  Funken-Erosion Obere  Reihe:  Aufnahme im Vorderlicht,  untere Iteihe im  Gegenlicht (Die  Vergrößerungsmaßstäbe  der beiden Reihen sind verschieden) Resem'ch Film Vol. 5, No. 1, 1964  63 Die folgenden Beispiele (Abb.5) zeigen Bilder von der Funken-Erosion, wie sie technisch zum Bohren harter Materialien benutzt wird, aufgenommen kurz nach einer Entladung zwischen Wolframelektroden in Petroleum bei einer Bildfrequenz von 10-/s. Die die  Entladung begleitende Leuchterscheinung ist vorüber.  Man sieht lediglich den Auswurf einer Materialwolke aus dem bereits vorher gebohrten Krater des  Werkstückes.  Die oberen drei Bilder sind im Vorderlicht mit einem Abbildungsverhältnis  <X  ,= 3 : 1 und die unteren im Gegenlicht mit <X  =  2 : 1 aufgenommen.  Es sind keine  einzelnen  Teilchen  aufzulösen. Bei der Entwicklung und dem Aufbau dieser Kamera leisteten mir Herr E. MEISSNER und Herr G.  SCHMIDT sehr wertvolle Hilfe. Ihnen möchte ich an dieser  Stelle  bestens dafür danken. Literatur [1]  STRUTH,  W.,  Neuere  Verfahren  der  Kurzzeitphotographie  und  Hochfre-quenzkinematographie. Kinoteehnik 12  (1958),  S.240. [2]  RIETJENS, L. H. TH., A High-Speed Camera. Proc. VI. Intern. Congress on High-Speed  Phot.,  Den  HaagjSeheveningen  (Niederlande)  1962,  S. 101. H. D. Tjeenk Willink  &  Zoon N. V.  - Haarlem 1963. [3]  BRIXNER, B., A  High-Speed Rotating-lVIirror Frame Camera. J. SlYIPTE 59 (1952),  S.503. [4]  GREER,  J. R., Applieation of rotating mirror prineiple to a  new medium framing rate  eamera.  Kurzzeitphotographie,  IV.  Intern.  Congress,  Köln 1958,  S. 170.  Verl. Dr.  Othmar Helwieh, Darmstadt  1959. (5]  ELLE,  D., Über eine Drehspiegelkamera für Aufnahmen im Bildfrequenz-bereich von 10000 BIs bis 300000 BIs. In: Der Film im Dienste der Wissen-schaft. Festsehr. zur Einweihung des Neubaues des Instituts f.  d. Wissen-schaftl.  Film,  S.98.  Göttingen  1961. 

Camera a miroir giratoire muni d'une optique interchangeable

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