DE3215778C2

DE3215778C2 - Verfahren zum Justieren einer Vorrichtung für die Hochgeschwindigkeitsphotographie und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE3215778C2
Application number: DE3215778A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Fruengel Frank Dr Ing 2000 Hamburg
Current assignee: Impulsphysik GmbH
Priority date: 1981-07-07
Filing date: 1982-04-28
Publication date: 1983-12-01
Also published as: US4451128A; DE3215778A1

Abstract

Eine Vorrichtung für die Hochgeschwindigkeitsphotographie nach Art der Funkenzeitlupe nach Cranz-Schardin hat mehrere, in Abständen voneinander angeordnete Funkenstrecken (11-18), die zur photographischen Aufnahme eines Bewegungsablaufs einzeln kurzzeitig nacheinander für jeweils einen Funkenblitz gezündet werden. Mittels einer Abbildungs- und Ablenkoptik werden den Zündzeitpunkten der einzelnen Funkenstrecken (11-18) zugeordnete, getrennt nebeneinander liegende Abbildungen des Bewegungsablaufs erhalten. Die Abbildungs- und Ablenkoptik ist dabei so zu justieren, daß sich die einzelnen Bilder nicht überlagern und ihre Anordnung die zeitliche Folge, in der sie aufgenommen wurden, klar erkennen läßt. Zum Justieren werden die Funkenstrecken (11-18) mittels eines Oszillators (52) mit einer so hohen Repetitionsfrequenz gezündet, daß ein für den Betrachter hinreichend flimmerfreies Bild auf der Abbildungsebene entsteht. Die Justierung ist einfacher und genauer als bei den bisherigen Verfahren, bei denen zum Justieren der Vorrichtung Glühbirnen oder Lichtleiter an die Stellen geschoben wurden, an denen die Funkenstrecken in der Aufnahmestellung lagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Justieren einer Vorrichtung für die Hochgeschwindigkeitsphotographie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine zweckmäßige Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.

Die Hochgeschwindigkeitsphotographie dient zur Untersuchung sehr rasch ablaufender Vorgänge bzw. extrem kurzzeitiger Bewegungsabläufe. Die für die Aufnahmen erforderlichen kurzen Leuchtzeiten und hohen Leuchtdichten lassen sich mit Hilfe von Funkenentladungen erreichen.

Eine bekannte Vorrichtung der eingangs genannten Art ist die Funkenzeitlupe nach Cranz-Schardin. Diese hat ein Funkenblitzgerät mit mehreren in einer Reihe angeordneten Funkenstrecken und einer Speise- und Steuerschaltung für diese. Für die photographische Aufnahme eines kurzzeitigen Vorgangs wird eine Funkenstrecke nach der anderen in kurzen Zeitabständen für jeweils einen Funkenblitz gezündet. Das Funkenblitzlicht der einzelnen Funkenstrecken wird mittels einer Abbildungs- und Ablenkoptik durch das aufzunehmende Objekt hindurch räumlich getrennt auf eine Photoplatte (bzw. einen Film) einer Aufnahmekamera gelenkt. Auf der Photoplatte entstehen so nebeneinander liegende Bilder des Objekts, die dessen Bewegungszustand in den rasch aufeinander folgenden Zeitpunkten zeigen, in denen die einzelnen Funkenstrecken jeweils gezündet wurden.

Bei der in der Firmenschrift der !mpulsphysik GmbH, Hamburg, »Automatische High Speed Photographic, schnelle Bewegungsabläufe elektronisöh-photographisch analysiert«, auf den Seiten 14 und 15 beschriebenen »Cranz-Schardin-Kamera« hat die Abbildungs- und Ablenkoptik einen sphärischen Spiegel, der das Funkenblitzlicht der einzelnen Funkenstrecken durch

ίο das aufzunehmende Objekt hindurch auf je eine Schlierenblende fokussiert In Strahlungsrichtung hinter den Schlierenblenden ist für das Licht jeder Funkenstrecke ein Justierprisma angeordnet, durch dessen Einstellung sich die Stelle auf der Photoplatte der Aufnahmekamera wählen läßt, auf die das jeweilige Bild abgebildet wird. Durch Justieren der einzelnen Prismen werden die verschiedene!! Bilder so auf der Photoplatte verteilt, daß sie bich nicht überlagern und ihre Anordnung die zeitliche Folge des Bewegungsablaufs möglichst klar erkennen läßt Zum Justieren der Prismen hat man Glühbirnen verwendet Diese waren zusammen mit den Funkenstrecken auf einem zwischen einer Aufn;»hmestellung und einer Justierstellung hin- und herschiebbaren Präzisionsschlitten angeordnet, so daß die Glühbirnen zum Justieren an die Stellen geschoben werden konnten, an denen die Funkenstrekken in der Aufnahmestellung lagen. Die Justierprismen und die übrigen Teile der Abbildungs- und Ablenkoptik konnten so mit Hilfe des kontinuierlichen Lichts der Glühbirnen justiert werden. Um die Glühfäden der Glühbirnen genau an die von den Funkenstrecken bei der Aufnahme eingenommenen Stellen zu schieben, war eine äußerst präzise Anordnung der Glühbirnen auf dem Schlitten und eine entsprechend präzise Führung des Schlittens erforderlich. Der Schlitten war teuer und die Montage der Glühbirnen äußerst aufwendig. Eine genaue Justierung war zudem wegen der Verschiedenheit der Lichtquellen, d. h. der verschiedenen Lichtintensitätsverteilung von Glühbirne und Funkenstrecke nicht möglich. Um eine genauere Justierung zu erreichen, hat man im Zuge der technischen Entwicklung lichtleitende Glasfasern verwendet, deren eine Enden mit einer Lampe beleuchtet wurden und deren andere Enden anstelle der Glühbirnen am Schlitten montiert waren.

Durch einen davor angeordneten Schieber mit schlitzförmigen Blenden konnten die anderen Enden der Glasfasern so abgedeckt werden, daß der Dimension der Funken entsprechende, strichförmige Lichtquellen entstanden. Damit ließen sich vor allem die Schlierenblenden genauer einstellen. Auch diese Anordnung war teuer und ihre Montage und Einstellung äußerst zeitaufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für die Hochgeschwindigkeitsphotographie, bei der die Aufnahmen mit Hilfe des Funkenblitzlichts von Funkenentladungen erfolgen, mit einfachen Mitteln präzise zu justieren.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in verfahrensmäßiger Hinsicht durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 4.

Im folgenden wird anhand schematischer Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soweit näher beschrieben, wie es zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung für die Hochgeschwindigkeitsphotographie

nach Art der Funkenzeitlupe nach Cranz-Schardin,

F i g. 2 einen Schnitt durch eine der Funkenstrecken Jes Funkenblitzgeräts der Vorrichtung, und

Fig.3 ein Schaltschema des Funkenblitzgeräts der Vorrichtung.

Die dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Funkenblitzgerät mit acht Funkenstrecken 11,12,... 18 und einer Speise- und Steuerschaltung 2 (F i g. 3), einer Abbildungs- und Ablenkoptik 3 und einer Ai'fnahmekamera 4. Die Optik 3 hat einen sphärischen Hohlspiegel 5, der die von όοη Funkenstrecken 11 —18 ausgesandten Funkenlichtblitze durch ein aufzunehmendes Objekt 6 und ein Ablenkprisma 7 auf den einzelnen Funkenstrekken zugeordnete Schlierenblenden 8 fokussiert In der Zeichnung ist durch gestrichelte Linien 20 der Strahlengang des Funkenblitzlichts der untersten Funkenstrecke 18 angedeutet, der durch die oberste der Schlierenblenden 8 verläuft Mittels acht Justierprismen 21, 22, ... 28 wird das von den Schlierenblenden 8 durchgelassene Funkenblitzlicht der einzelnen Funkenstrecken in die Aufnahmekamera 4 geienkt deren Objektiv mit 9 bezeichnet ist Die Abbildungsebene 10 der Kamera, in der zum Justieren der Vorrichtung eine Mattscheibe zur Aufnahme eines Bewegungsablaufs eine Photoplatte angeordnet wird, ist mit 10 bezeichnet Das Ablenkprisma 7, die Schlierenblenden 8 und die Justierprismen 21 —28 sind in einem auf die Aufnahmekamera 4 aufsetzbaren (nicht dargestellten) Aufsetzkopf angeordnet

Die Funkenstrecken 11 — 18, von denen eine in F i g. 2 näher dargestellt ist, sind in Abständen von 9 mm übereinander in einem gemeinsamen, druckfesten Gefäß 30 mit lichtdurchlässiger Scheibe 31 angeordnet. Das Gefäß ist mit einer zu mehr als 50Vol.-% aus Edelgasen bestehenden Gasmischung von z. B. 20 Vol.-% N₂ und 80 Vol.-% Ar oder 40 Vol.-% N₂ und 60Vol.-% Kr gefüllt. Die Gasmischung steht unter einem solchen Überdruck, daß die Durchbruchfeldstärke der Funkenstrecken annähernd derjenigen bei Luft unter Atmosphärendruck entspricht. Mit der überwiegend aus Edelgasen bestehenden und unter Überdruck stehenden Gasmischung wird eine hohe Lichtintensität und eine verhältnismäßig lange Blitzlichtdauer des Funkenblitzlichts erreicht, was das weiter unten beschriebene Justieren der Einrichtung erleichtert. Der Gasmischung wird ferner vorzugsweise Wasserstoff oder Helium beigemischt und zwar zweckmäßig etwa 20 Vol.-%. Zum Beispiel kann die Gasmischung aus 20Vol.-% H₂ bzw. He und 80Vol.-% Ar oder aus 20 Vol.-% N₂, 20 Vol.-% H₂ bzw. He und 60 Vol.-% Kr bestehen. Es hat sich gezeigt, daß die Gasmischung durch die Beimischung von Wasserstoff oder Helium eine hohe thermische Leitfähigkeit erhält. Dadurch wird verhindert, daß sich die Funkenstrecken beim weher unten beschriebenen Justieren zu stark erhitzen.

Die Funkenstrecken sind sog. Drei-Elektroden-Funkenstrecken, d. h. jede Funkenstrecke hat zwei Hauptelektroden 32,33, zwischen denen die Funkenentladung stattfindet und eine Zündelektrode 34 zum Zünden der Entladung. Der Durchmesser der beiden Hauptelektroden 32,33 beträgt 2 mm, ihr Abstand, d. h. die Länge der Funkenstrecke, beträgt ebenfalls 2 mm. Diese sehr dicke Ausführung der Hauptelektroden 32, 33 ist im Zusammenhang mit dem weiter unten beschriebenen Justieren der Vorrichtung wesentlich, bei dem jede Funkenstrecke mit einer Repetitionsfrequenz von 100 Hz gezündet wird. Zumindest die Spitzen dünnerer Elektroden würden bei dieser Repetitionsfrequenz glühen, weil nicht genügend Wärme abgeleitet werden könnte.

Die in Fig.3 schematisch dargestellte Speise- und Steuerschaltung 2 hat einen Hochspannungsteil 36, der eine regelbare Speisespannung von 2J5 bis 4,5 KV liefert und parallel zu den Funkenstrecken 11 — 18 geschaltete Keramik-Kondensatoren 37 auflädt Die Zündströme für die Zündelektroden 34 werden je mittels eines (nicht dargestellten) Thyristors geschaltet Die Steuerelektroden der insgesamt acht Thyristoren sind mit den Ausgängen von Transistor-UND-Toren eines Schieberegisters 38 verbunden, deren beide Eingänge mit je einer der Speicherzellen des Schieberegisters 38 und dessen Taktimpulseingang verbunden sind.

Das Schieberegister 38 ist mit einem Impulsgeber 41 verbunden, der für die photographische Aufnahme eines Bewegungsablaufs durch einen Auslöseimpuls oder durch Betätigen eines Schalters am Eingang B eingeschaltet wird. Der Impulsgeber 41 startet einen Frequenzteiler 42, der die Grundfrequenz von 40 MHz eines quarzgesteuerten Oszillators 43 im Verhältnis 4 :1 teilt. Weiter stellt der Impulsgeber 41 einen Flip-Flop 44, der zwei Speicher 45,46 abfragt in denen je ein mittels eines Vorwahlschalters 47,48 vorgewählter Wert einer Startverzögerungszeit und einer Taktimpulsverzögerungszeit gespeichert sind. Ferner stellt der Impulsgeber 41 die erste Speicherzelle (Flip-Flop) des Schieberegisters 38. Die Werte der Startverzögerungszeit und der Taktimpulsverzögerungszeit werden in einen programmierbaren Abwärtszähler 49 eingegeben und zwar wird die Eingabe der Startverzögerungszeit durch den Impulsgeber 41 ausgelöst und die Eingabe der Taktimpulsverzögerungszeit von einem Flip-Flop 50 jeweils ausgelöst, wenn der im Takt der Frequenz von

10 MHz des Teilers 42 abwärts zählende Abwärtszähler 49 den Wert Null erreicht. Mit der Auslösung der Eingabe der Taktimpulsverzögerungszeit in den Abwärtszähler 49 wird vom Flip-Flop 50 jeweils gleichzeitig ein Taktimpuls an den Taktimpulseingang des

Schieberegisters 38 gegeben. Durch den nach Ablauf der Startverzögerungszeit abgegebenen ersten Taktimpuls wird das mit der ersten Speicherzelle verbundene Transistor-UN D-Tor des Registers 38 durchlässig und der Thyristor schaltet den Zündstrom für die Zündelektrode 34 der ersten Funkenstrecke 11. Gleichzeitig wird die erste Speicherzelle zurückgestellt und die zweite Speicherzelle gestellt. Nach Ablauf der Taktimpulsverzögerungszeit wird in derselben Weise die zweite Funkenstrecke 12 gezündet. In dieser Weise werden

³⁽¹ sämtliche Funkenstrecken 11, ..., 18 nacheinander für jeweils einen Funkenblitz gezündet, wobei der zeitliche Abstand der Funkenblitze der mittels des Vorwählschalters 48 vorgewählten Taktimpulsverzögerungszeit entspricht. Nach dem Zünden der letzten Funkenstrecke 18

sind sämtliche Speicherzellen zurückgestellt, so daß keine Zündung der Funkenstrecken mehr erfolgen kann. Durch Betätigung eines Schalters am Eingang C des Impulsgebers 41 wird der Flip-Flop 44 zurückgestellt und die Speicher 45, 46 sowie der Zähler gelangen in

ihren Ausgangszustand.

Zum Justieren der Vorrichtung hat die Schaltung 2 einen 100 Hz-Oszillator 52, der während der für das Justieren erforderlichen Zeit durch einen Schalter am Eing?ng A eingeschaltet wird und sämtliche Funken-

strecken mit der Repetitionsfrequenz von 100 Hz zündet. Der 100 Hz-Oszillator 52 ist mit beiden Eingängen sämtlicher Transistor-UND-Tore des Schieberegisters 38 verbunden, so daß sämtliche Funken-

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strecken während des Justierens gleichzeitig mit der Repetitionsirequenz von 100 Hz gezündet werden. Er kann aber auch in ähnlicher Weise wie der Impulsgeber 41 mit dem Schieberegister 38 und den Schaltungsteilen für die Taktimpulserzeugung verbunden sein, so daß die ^ Funkenstrecken 11 18 im Takt der Repetitionsfrequenz jeweils kurzzeitig nacheinander gezündet werden.

Das Aufstellen und Justieren der Vorrichtung geschieht wie folgt: Zuerst werden das Funkenblitzgerät _]0 1, der Spiegel 5 und die Aufnahmekamera 4 mit dem Aufsetzkopf so aufgestellt, daß die acht Funken der Funkenstrecken 11-18 im Maßstab 1.1 in die Schlierenblenden 8 scharf abgebildet werden. Dazu muß der Spiegel 5 in einem Abstand, der seiner doppelten Brennweite entspricht, von den Funkensireekeri ίί-18 und den Schlierenblenden 8 angeordnet werden. Nachdem die drei Elemente ungefähr in diesem Abstand angeordnet sind, wird zur genauen Justierung der Oszillator 52 eingeschaltet. Der Spiegel 5 wird dann zunächst so gedreht, daß die mit der Repetitionsfrequenz von 100 Hz in den Funkenstrecken erzeugten Funkenblitze in sich selbst oder um einige mm seitlich versetzt abgebildet werden. Der Abbildungsmaßstab von 1 :1 ist genau dann erfüllt, wenn die Abstände der Funkenstrecken und der Abbildungen der Funken sich genau entsprechen. Darauf wird der Spiegel 5 gedreht und der Aufsetzkopf der Aufnahmekamera 4 so justiert, daß die acht Funken in die Ebenen der Schlierenblenden 8 scharf abgebildet werden. Dabei werden die Schlierenblenden 8 zunächst so eingestellt, daß das Funkenblitzlicht die Blenden ungehindert passieren

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30 kann. Anschließend werden die Justierprismen 21—28 mit Hilfe einer in der Abbildungsebene 10 der Kamera 4 angeordneten Mattscheibe justiert. Jede der mit der Repetitionsfrequenz des Oszillators 52 gezündeten Funkenstrecken 11-18 erzeugt auf dieser Mattscheibe einen für den Betrachter ständig sichtbaren Lichtfleck. Die Justierprismen 21—28 werden nun so eingestellt, daß die Lichtflecke der einzelnen Funkenstrecken 11 — 18 sich nicht überlagern und ihre Anordnung die zeitliche Folge, in der die Funkenstrecken bei der photographischen Aufnahme nacheinander gezündet werden, klar erkennen läßt. Zum Justieren kann auch der Kamerabalgen entfernt und vor die Mattscheibe ein weißes Papier gelegt werden, auf dem die Lichtflecke gut sichtbar sind. Für Schlierenaufnahmen werden schließlich die Sehlierenblenden 8 so eingestellt, daß das direkte Funkenbild weitgehend abgedeckt ist. Damit ist die Vorrichtung zur photographischen Aufnahme justiert und der Oszillator 52 wird abgestellt. Die photographische Aufnahme erfolgt dann durch Einschaltendes Impulsgebers 41.

Die Repetitionsfrequenz des Oszillators 52 kann auch kleiner als 100 Hz sein, sie ist aber stets so zu wählen, daß ein für den Betrachter ständig sichtbares,' hinreichend flimmerfreies Bild des Funkenblitzlichts auf der Abbildungsebene entsteht. Dies läßt sich zum Beispiel auch mit einer Frequenz von 16 Hz gut erreichen, wenn die Einzelbilder nicht sehr hell sind. Bei sehr hellen Einzelbildern läßt sich ein für den Betrachter angenehmer, flimmerfreier Bildeindruck zum Beispiel mit einer Frequenz von 50 Hz erreichen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Justieren einer Vorrichtung für die Hochgeschwindigkeitsphotographie, bei der zur photographischen Aufnahme eines Bewegungsablaufs mehrere, in Abständen voneinander angeordnete Funkenstrecken (11 — 18) eines Funkenblitzgeräts (1) einzeln kurzzeitig nacheinander für jeweils einen Funkenblitz gezündet und mittels einer Abbildungs- und Ablenkoptik (3) den Zündzeitpunkten der einzelnen Funkenstrecken (11 — 18) zugeordnete, getrennt nebeneinander liegende Abbildungen des Bewegungsablaufs erhalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecken (11 — 18) während des Justierens gezündet werden, und zwar mit einer so hohen Repetitionsfrequenz, daß ein für den Betrachter hinreichend flimmet freies Bild auf der Abbildungsebene entsteht

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Repetitionsfrequenz mindestens 10 Hz beträgt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Funkenstrecken (11 —18) während des Justierens gleichzeitig oder in gegenüber der Repetitionsfrequenz kurzen Zeitabständen nacheinander mit der Repetitionsfrequenz gezündet werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Funkenstrecken (11 — 18) in einem gemeinsamen, druckfesten Gefäß (30) mit lichtdurchlässiger Scheibe (31) angeordnet sind, das mit einer zu mehr als 50Vol.-% aus Edelgasen bestehenden Gasmischung unter einem solchen Überdruck gefüllt ist, daß die Durchbruchfeldstärke zwischen den Elektroden (32, 33) der Funkenstrecken (11-18) annähernd derjenigen der Luft unter Atmosphärendruck entspricht.