ライト、カメラ、ナノ秒アクション！

ジョン・ウー監督の狂気じみた人格転換アクション映画『フェイス/オフ』のクライマックスの銃撃戦では、2人の敵、ケイジとトラボルタとその仲間たちがベレッタとグロックで互いに撃ち合う。銃口から煙が濃密に噴き出し、射手の手が見えなくなるのがわかる。銃から弾丸が発射されると、毎秒1000フィートの速度が優雅に滑空し、銃身の螺旋状の旋回が回転して、銃身が回転する。
はっきりと見えます。それは、コンピューターで生成された美しい画像グラフィックスのように見えます。新しいマトリックス映画の波紋を起こして止まる弾丸の魔法ほど派手ではありませんが、どういうわけかより現実的です。

それはウーの映像がCGIよりもリアルだからだ。本物の弾丸は、ミリセカンドカメラと呼ばれる手作りの装置でフィルム上で減速され、1秒間に12,000フレームを撮影する。デジタル効果のあらゆる進歩にもかかわらず、35mmフィルムは依然として視覚的に多くの情報を提供する。「実際に見れば、それがフィルムだとわかる」とネイサン・ネベッカーは言う。「CGIでは、その細部の豊かさは得られない」。ネベッカーは何を言っているのか分かっている。彼はコニプションフィルムという会社のオーナーで、ミリセカンドカメラを作った人物だ。

ネベッカーのカメラは、標準的な映画用カメラとほとんど似ていない。「機械式シャッターを十分な速さで開閉させることはできません」と彼は言う。「[そして] カメラでフィルムをどれだけ速く動かすかには物理的な限界があります。本当に速く動かすには、光をフィルムに当てる必要があります。」彼のカメラでは、フィルムのループがドラム内で高速回転し、ドラムのハウジングは摩擦を減らすために空気が抜かれています。回転ミラーと一連の光学系が、光の「スライス」を各フレームに向けます。高速では、カメラは 100 分の 1 秒分のアクションを映すだけのフィルムしか保持しませんが、これはそれほど問題ではありません。弾丸は 10 フィート飛ぶからです。

しかし、ミリセカンドカメラの最も驚くべき点は、ネイサン・ネベッカーの世界では、12,000フレーム/秒は耐え難いほど遅いクリップであるということかもしれない。コニプションフィルムの経営はネベッカーの副業であり、超高速映画カメラを製造する家業から派生した、ハリウッドとテレビに焦点を当てた会社である。ソルトレイクシティに拠点を置き、ネイサン・ネベッカーの父であるシドが率いるコーディン・サイエンティフィック・イメージングは​​、科学界と軍事界に50年近く秘密裏に奉仕してきた。コーディンが現在生産している最速の映画カメラは、想像を絶するほど高速である。2億フレーム/秒のデジタルモデルで撮影した1秒間の画像は、標準的な映画速度で再生すると、表示するのに96日かかる。

爆弾を想像する

高速度静止写真の歴史は数十年前に遡りますが、最も有名なのは、1931 年にストロボを発明したハロルド エドガートンによるミルク ドロップやリンゴを貫通する弾丸の壮観な写真です。超高速度映画撮影はその後に始まり、原子爆弾の製造室で科学的ツールとして真価を発揮しました。その目的は、時間の瞬間を凍結することではなく、極小の瞬間から次の瞬間にかけて何が変化するかを垣間見ることでした。これは、私たちが慣れ親しんでいる通常の時間分割が終了する時点、つまり、まばたきを構成する 100 ミリ秒を少し過ぎた時点から始まります。通常のカメラは時間を凍結しますが、大雑把に、大きな塊で凍結します。映画カメラは、1 秒間に 24 枚の静止フレームしか表示しないため、連続した動きが見えるように見えます。スナップショットの経験から、1/500 または 1/1,000 のシャッター設定でほとんどの人の動きを止めることができることがわかっています。この領域を超えて、時間のマイクロ次元やナノ次元、さらにはピコ秒やフェムト秒という異次元を超えると、非常に速いものも極小のものと同じくらい私たちには見えなくなります。目には捉えられず、従来のカメラでは記録できません。

高速映画カメラは確かに記録するが、そのような装置で撮影された最も印象的な一連の写真の多くは、公開すれば刑務所行きになるかもしれない少数の研究者を除いて、公開されていない。秘密兵器研究はこの仕事の DNA に組み込まれている。マンハッタン計画の最終段階で、ロスアラモスの科学者たちは壁にぶつかった。シド・ネベッカーは、ロスアラモスで 96 歳にして今も静かに暮らす技術者バーリン・ブリクスナーから、このあまり知られていない歴史の一章について聞いたことを思い出す。爆縮兵器の理論的かつ実用的な枠組みを開発していた科学者たちは、爆縮兵器を適切に作動させることができなかった。その失敗が、コンセプト全体に欠陥があったことを意味するのか、それとも単に実行に調整が必要だったのか、たとえば核反応を引き起こすはずの爆発「レンズ」の形状を変更する必要があったのか、その点について多くの意見の相違があった。ブリクスナーは、科学者たちが何が起こっているかを見ることができる映像を撮影するために雇われた。

ブリクスナーが使用したカメラは、初期の回転ミラー設計でした。円筒形のハウジングの中央にあるミラーが、カメラのメインレンズからハウジングの内側の縁に沿って置かれたフィルムに画像を連続的に投影します。各フレームに伝わる光は、途中で専用のレンズセットを通過します。ミラーは一種のシャッターとして機能し、個別の画像をフィルムにフラッシュして個別のフレームを形成します。この設計は、NASA の前身である NACA で働いていたエンジニア、C. デビッド ミラーの研究を応用したものです。「ミラーの回転ミラー上に画像を形成し、ミラーとフィルムの間に一連のレンズを配置するというコンセプトにより、1 秒あたり 100 万、200 万、または 500 万枚の画像を撮影できます」とシド ネベッカーは言います。「非常に鮮明な画像が得られます。」

もちろん、フィルムを収めるスペースはわずかしかなかった。カメラは 24 フレームしか撮影できなかったのだ。しかし、露出時間を 10 分の 1 マイクロ秒以内に設定することができ、その間隔は非常に正確だったため、テストが再び失敗したとき、科学者たちはその出来事をフレームごとに記録することができた。

「ブリクスナーのカメラは、非常に暗い状況に差し込む一筋の光のようでした」とネベッカーは言う。問題は確かに、従来の爆薬の不均一な爆発にあった。映画用カメラは、原子力時代への道における最後の重大な障害を取り除いた。

マンハッタン計画の技術が機密解除された直後の1956年に製造され、1秒間に125万フレームの撮影が可能なオリジナルのコルディンカメラは、同じ回転ミラー設計に基づいていた。この設計は、現在でも同社の最大かつ最も高価な機械の心臓部となっている。

高速度カメラの製造は、常に小規模で閉鎖的な産業であり、高度に専門化された学術コミュニティ（衝撃波やキャビテーションの物理学者、極超音速航空の研究者、破壊、亀裂、振動の力学に関心を持つ材料科学者）や、「エネルギー材料」、弾道学、砲撃、爆弾に取り組む軍事研究室にサービスを提供してきた。この業界の世界的な専門組織である国際高速度写真・フォトニクス会議（静止画および動画のあらゆる形式の高速度画像を含む）の最近の2年ごとの会議には、わずか226人の参加者がいた。高速度カメラを含む多くの研究は、軍事技術研究に深く根ざしたロスアラモスやローレンスリバモアなどの研究室から引き続き生み出されている。そして、写真の多くは依然として秘密にされている。これはセキュリティ上の理由だけでなく、たとえば透明なシリンダーヘッドを取り付けたエンジンの燃焼効率を研究している自動車会社が競争力のあるデータを秘密にしているからである。 「会議のスライドショーで、兵器研究の静止画をいくつか見たことがあると思います」とネイサン・ネベッカー氏は言う。「それが、私が映像に最も近いものを見た瞬間でした。」

国際市場も制約を受けている。コーディンのカメラは、核兵器関連技術を規制するエネルギー省の許可を得て輸出する必要がある。1990 年、ニュージャージー州にある輸出入会社がコーディンに連絡し、同社のカメラを 1 台 20 万ドル以上で購入しようとした。最終ユーザーは、核研究に携わるイラクの兵器研究所、アル キンディ総合研究所だった。輸出許可は却下された。「第一次湾岸戦争後、イラクで日本製のカメラが見つかり、多少は役に立っただろう。しかし、鮮明さやスピードは、わが国のカメラには遠く及ばなかっただろう」とシド ネベカーは語る。

**一から手作り**

シド・ネベッカーは、1960年代初めに創業者から同社を買収して以来、コーディン社を経営している。創業者2人はユタ大学の同級生だった。コーディンの本社はソルトレイクシティの工業地帯にあり、オリンピック報道でよく見かけるきらびやかなダウンタウンからは遠く離れている。現在従業員約30人のコーディンは、広々としたオフィスと広々とした作業場に分かれた、大きくて低い倉庫に所在している。オフィスの装飾は、木目調の羽目板、リノリウムの床、一部の部屋では壁一面が古いカーペットで覆われており、エンジニアらしい単調な雰囲気が漂っている。

私はエンジニアの仕事場で、年配のネベッカー氏を見つけた。彼は袖をまくり、作業台に座る若いエンジニアの横に立っていた。二人は韓国の防衛研究所に送られるカメラの回路をいじっていた。73歳のネベッカー氏は、颯爽とした角張った顎のハンサムな人物で、子供たちから「DadCo」と呼ばれている会社の長老であり、子供たちのうち3人はコーディン社で働いている。

いじくり回すことは、子どものころの情熱でした。シドは、大恐慌の時代に、ユタ州北部の 20,000 エーカーの羊と牛の牧場で育ちました。そこでは「馬が大物でした」。しかし、若い頃のシドは、古い機械にもっと興味がありました。8 歳のとき、干し草の山から取り寄せた壊れた 1 気筒エンジンを修理し、車の動力源として使いました。

牧場生活は彼には向いていなかった。ユタ大学で工学を学ぶために家を離れ、空軍に勤務し、ハーバード・ビジネス・スクールに通った後、1958年に仕事を探すためにソルトレイクシティに戻った。「ユタではビジネス工学を専攻できる機会が限られていました」と彼は言う。ネベッカーは行き詰まっていた新興テクノロジー企業で6か月間働いた。1959年、彼は工学部の同級生であるアール・パウンドと出会った。パウンドはユタ州立大学の教員であり、マンハッタン計画のカメラ技術が機密解除された数年前にコーディンを設立していた。コーディンが作った製品は1つだけで、1956年に海軍がメリーランド州の兵器施設で使用するために購入したカメラだった。それ以来、コーディンは休眠状態だった。従業員も顧客もビジネスプランもなかった。

ネベッカーは会社を再開することを提案し、その後数か月間無給でコーディン社に勤めた。彼はカメラのオリジナル設計を完成させ、「極めて信頼性が高く、極めて正確な」ものにした。数か月後、カリフォルニア州チャイナ レイク海軍兵器センターから注文が入った。武器開発はクラブ内では口コミで広まり、カメラとそれを操作するチャイナ レイクの技術者は「その後 4 ～ 5 年間、私たちの営業部隊となった。防衛産業の人々が私たちのカメラについて問い合わせに来ると、私たちは『チャイナ レイクのローランド ギャラップに問い合わせてください。彼が持っているんです』と答えた。彼は素晴らしい写真家だった。彼らは彼と話をし、彼が自分の作品をいくつか見せると、カメラは売れた。」(チャイナ レイクは現在もコーディンのカメラを使用している。)

コーディンは高速写真事業という小さなニッチな分野で事業を開始したが、それはあまり高速な事業ではなかった。現在同社は年間約 10 台のカメラを販売しており、特定の仕事に合わせてカスタマイズすることも多い。

チーフカスタマイザーは、コーディン社に20年近く勤め、カメラの組み立てを担当している70歳のジェームズ・ブリムホール氏だ。仕事は、エンジニアリングであると同時に手作業でもある。コーディン氏の工房では、各カメラのノブ、ギア、付属品のほとんどすべてを製作している。ショップエプロン、帽子、メガネ、補聴器2つを身に着けたブリムホール氏は、昔ながらの熟練職人の風格を漂わせており、現在、その専門知識と責任を32歳の従業員レーン・オバーグ氏に引き継いでいる。オバーグ氏にとって、それは実践を通して学ぶことだ。光学工学学校を卒業したからといって、コーディンのカメラのように特殊な装置を作れるようになるわけではない。

ある朝、私はオバーグがロスアラモス国立研究所の弾道実験場に納入される予定の 385,000 ドルの回転ミラー カメラの心臓部となる 160 個のレンズ ハウジングの 1 つを組み立てるのを手伝った。これは同社がこれまでに製造した 5 番目のモデル 140 カメラで、225 万 fps、絞り f/16、合計 80 フレームである。ミラーは、研磨されたアルミニウムでコーティングされた五角形のベリリウムの塊である。ベリリウムは、結晶構造が純粋であることを確認するために X 線検査されている。そうしないと、カメラのヘリウム駆動タービンによって 562,500 rpm で回転したときに爆発する恐れがある。

オバーグ氏はデスクから私を迎えた。片手に黒のアルマイト加工されたマウントを持ち、もう片方の手には深夜のテレビで宣伝されているような電動ドレメル工具を持っている。近くの床には金属の削りくずが積み上げられている。「この工具を手元に置いていたのには理由があると思っていました！」とオバーグ氏は明るく言う。「これまで使ったことはなかったのですが、役に立つだろうと思ったんです。」

それから彼はマウントの一部を削り始め、いくつかの表面の銀色の金属を露出させます。彼によると、カメラに取り付けられる何百ものレンズは、厳しい許容誤差に合わせて精密に設計されたこれらのマウントによって所定の位置に保持されるとのこと。しかし、マウントにレンズを固定するために使用しているセメントは、陽極酸化アルミニウムによく付着しません。そのため、彼は単に陽極酸化処理を削り取っているだけです。

私たちは、紫外線のバリアとして機能する大きな黒いプラスチック シートをくぐり抜け、ほぼ「クリーン」な部屋に入ります。ベニヤ板には、数百個の長方形のガラス レンズが取り付けられています。これらのレンズは、老眼鏡用の極厚レンズのように見えます。長さ約 1.5 インチ、厚さ 1/4 インチ、高さはおそらく 1/4 インチです。各アセンブリには 4 個のレンズが取り付けられ、フレームごとに 2 個のアセンブリが取り付けられ、合計 80 個のフレームがあります。各アセンブリの 2 個のレンズは、マイクロメートル単位の許容誤差で配置する必要がありますが、残りの 2 個はそうではありません。

オバーグは、作業台に固定されたアセンブリに、精度の低いレンズ 2 個を配置して接着させてくれました。配置するのは簡単ですが、接着はさらに簡単です。18 ゲージの針にセメントを少し吹き付け、高強度の紫外線スポットライトを数秒間当てるだけです。歯科医がエポキシ樹脂の詰め物を硬化させるのとほぼ同じ方法です。

微小隕石が衝突したとき
毎秒 5,000 フレームでは、プレースキッカーの足がフットボールに当たり、ピッグスキンがゆっくりと足の甲に巻き付く様子を見ることができます。「ゴルフボールを見るには、毎秒 12,000 フレームまでかかります」とネイサン・ネベッカーは言います。これは、スイングのてこ作用によってクラブがものすごいスピードに加速されるためです。次の桁である毎秒数十万フレームでは、かなり高速なイベントを観察できます。トヨタは、毎秒最大 200,000 フレームの速度が可能な回転ドラム式コーディン カメラを使用しました。
フランス海軍は同様のカメラと、特別に設計・製造された防水潜望鏡を購入した。
コルダンは、爆発物が船体に衝突した場合の効果を観察するためにこの装置を設置しました。

しかし、物体が時速 16,000 マイルで障壁に衝突した場合、その激しい影響を調べるには 100 万フレーム/秒の範囲で撮影されたシーケンスが必要になります。そのため、ニューメキシコ州ホワイトサンズにある NASA の超高速衝突試験施設には Cordin カメラが設置されています。この施設では、科学者が宇宙船の部品を小さな発射体で爆破し、高速で移動する宇宙ゴミ (衛星のハードウェアの破片や塗装の破片) や微小隕石が衝突したときに何が起こるかをシミュレートしています。

HITFの2段式軽ガスピストン銃は、年間約100回、さまざまな形や大きさ（直径1インチまで）のプラスチックや金属を時速16,000マイルまで加速し、それらを宇宙船の外皮などの模型に叩きつける。HITFプロジェクトマネージャーのデイブ・ベイカー氏によると、露出した部分はすべて脆弱であり、「新しい粒子衝撃シールド、ケーブル、テザーなど、そのようなもの」である。NASAは全国に多くのガス銃施設を持っているが、ホワイトサンズの隔離された建物が最も気に入っている。「ここでは危険な標的を撃つことができます」とベイカー氏。「爆発する可能性のある推進剤タンクや酸素タンク、有毒な可能性のあるベリリウムなどです。」すべてのテストは、コーディン回転ミラーカメラで撮影されます。映像とその他のデータは、ジョンソン宇宙センターの科学者によって分析されます。ベイカー氏は、最近のスペースシャトル事故の調査にHITFの作業が関係していたかどうかについては沈黙を守っているが、関係していたことはほぼ間違いない。コロンビア号の墜落に関係する可能性のある原因の1つは宇宙ゴミだったからだ。

停止灯の寒さ

過去 6 年間、コーディンの最速グループを構成してきたカメラには、可動部品はまったくなく、フィルムもありません。これらのカメラは、最大 2 億フレーム/秒の速度で撮影します。ネイサン・ネベッカー氏によると、この速度は「ジェット燃料のエアロゾル燃焼の瞬間など、制御された燃焼を実現するために波面を均一にする必要がある」場合に便利です。

いわゆるゲート式増倍 CCD カメラでは、対物レンズからの光がビーム スプリッターを通過し、暗視ゴーグルで使用されるものと同様のマイクロ チャネル プレート (MCP) 画像増倍管の光電陰極上に複数の同一画像が形成されます。増倍管の前面に当たると、光子は各管内の電子を解放します。電子は管内をカスケード状に流れ、進むにつれてさらに電子を解放し、背面の燐光面に当たると、電子は再び光パターンに変換されます。「増倍管には 2 つの機能があります」と Sid Nebeker 氏は説明します。「光を数千倍に拡大し、非常に高速に (ナノ秒単位) 光を切り替えます。露出時間が短い場合、有用な画像を得るには高い光ゲインが必要です。」

MCP からの画像は、画像を縮小するために一端が細長く引き伸ばされたガラス繊維の束を通過します。小さな端は、1 メガピクセルの電荷結合素子 (消費者向けデジタル カメラに見られるものとほぼ同じ) に接し、画像を記録します。

ポピュラーサイエンス誌は、ナノ秒単位の時間を視覚的かつ直感的に理解できるようなデモンストレーションを企画できるかとネイサン・ネベッカー氏に尋ねた。同氏は、非常に短い空間、たとえば 100 フィートを光がリアルタイムで移動する様子を写真に撮ってみたらどうかと提案した。宇宙最速の物体は、普通の部屋を横切るときに停止してしまうのだ。

ネベッカーがこれを試みたのは今回が初めてだが、これまでに行われたのは初めてではない。1940 年代後半に別の技術で「止められた」光を撮影した 1 枚の写真が、この雑誌で「今世紀で最も重要な写真の 1 つ」と評された (詳細は www.popsci.com/exclusive を参照)。「基本的には驚嘆すべきショットです」とネベッカーは認めるが、困難がないわけではない。光は 1 ナノ秒あたり約 1 フィート進むため、7 ナノ秒のレーザー パルスは、もし目に見えるとしたら、長さ 7 フィートの光子の個別のパケットのように見えるだろう。

ネベッカーはある日の午後、スペクトラ・フィジックスの研究所で仕事を始めました。
カリフォルニア州マウンテンビューでは、
7ナノ秒の鮮やかな緑色のレーザー光のパルス。彼が持ってきたカメラは2フレームしか撮影できない。ネベッカー氏は、光の進行を短時間で記録する2枚の連続写真、つまり超短編映画を撮りたいのだ。

レーザー光は、9 フィートのテーブルに沿って 2 台ずつ向かい合って設置された角度のついた鏡を反射しながら、一連の空間を通過します。7 フィートの長さの光パルスは、90 ナノ秒で鏡の経路を通過します。

10ナノ秒のフレームを撮影できるカメラの場合、どの10ナノ秒をキャプチャするかが課題となる。1秒間だけでも、そのような期間は9000万回ある。反応の遅れはほとんどなく、レーザーのハードウェアはレーザーをトリガーすると同時にネベッカーのカメラをトリガーするパルスを生成するが、回路とレーザーをカメラに接続する20フィートのケーブルによって、あちこちでナノ秒単位の遅延が生じる。

画像を撮影するために、ネベッカー氏はレーザーの遅延とカメラの遅延を測定して同期させる必要があります。試行錯誤を繰り返し、最終的にパルスがミラーを通過するちょうどその時にカメラをオンにすることに成功しました。予想どおり、100ナノ秒の露出で、最初のフレームでは90フィートのコース全体が明るくなり、2番目のフレームは暗くなった画像が生成されます。次に露出時間を50ナノ秒に短縮すると、最初のフレームではコースの半分が明るくなりました。しかし、2番目のフレームは暗いままです。フレーム間の遅延を微調整して、パルスの末尾がミラーコースの遠端にある終端の「ビームダンプ」ボックスに消えていく様子を示す2番目のフレームを生成します。

ネベッカーは露出時間をカメラの限界である 10 ナノ秒に調整し、その場にいたスペクトラ・フィジックス社のエンジニアたちは、自分たちが目にしたものに興奮し始めた。予想通り、コンピューターの画面には、ミラー コースの 1 区間だけにレーザー光が当たった最初のフレームが表示され、残りは暗かった。同じく 10 ナノ秒の長さで、10 ナノ秒の遅延後に露出された 2 番目のフレームでは、最初の 2 区間先のコースが光っていた。ネベッカーは、90 フィートのコース内を移動するレーザー光線の 2 つの個別のポートレートを撮影した。

粗い白黒のデジタル画像は、ジョン・ウーの基準には合わないだろう。それでも、SF で長い間描かれてきたように、光は短い空間を個別の塊として移動する (昔のスタートレックで、スタンに設定されたカークのフェイザーを思い浮かべてください)。エンジニアの小さな集団は大喜びだ。「あれが 1 つ必要だと思うよ!」と、1 人のエンジニアが、コルディン モデル 220 カメラを物欲しそうに見つめながら叫ぶ。

これは間違いなく驚嘆すべきショットでした。コルディンのカメラは、まるで弾丸よりも速くないかのように、光をその場で止めることに成功しました。