灯光、摄像机、纳秒动作！

在吴宇森执导的疯狂身份转换动作片《变脸》的高潮枪战中，两个敌人——凯奇和特拉沃尔塔——和他们的伙伴用贝雷塔和格洛克手枪互相射击；你可以看到枪口喷出浓密的烟雾，遮住了射手的手。当子弹从武器中射出时，每秒数千英尺的速度会减慢到优雅的滑行，直到枪管螺旋膛线的旋转
清晰可见。它看起来就像一幅精美的计算机生成图像——没有新《黑客帝国》电影中的波纹尾迹和子弹停止魔法那么花哨，但不知何故更加真实。

这是因为吴宇森的画面比 CGI 更真实：真正的子弹在胶片上被一种名为毫秒相机的一次性手工设备放慢速度，每秒拍摄 12,000 帧。尽管数字效果取得了所有进步，但 35 毫米胶片仍然为眼睛提供了更多信息：“当你真正看它时，你可以知道它是胶片，”内森·内贝克说。“你无法用 CGI 获得如此丰富的细节。”内贝克知道他在说什么。他是一家名为 Conniption Films 的公司的老板，他制造了毫秒相机。

内贝克的相机与标准电影摄影机几乎没有相似之处。“你无法让机械快门快速打开和关闭，”他说。“[而且]胶片在相机中移动的速度有物理限制。要真正快速，你必须将光线移动到胶片上。”在他的相机中，胶片环在鼓中快速旋转，鼓的外壳中没有空气以减少摩擦。旋转镜和一系列光学元件将“一小片”光线引导到每一帧。高速拍摄时，相机只能容纳足够拍摄百分之一秒动作的胶片，但问题并不大：一颗子弹在这段时间内飞行了 10 英尺。

但毫秒相机最不寻常之处可能在于：在 Nathan Nebeker 的世界里，每秒 12,000 帧的速度是极其缓慢的。经营 Conniption Films 是 Nebeker 的第二份工作，这是他家族企业的一个以好莱坞和电视为重点的衍生产品：制造超高速电影摄影机。Cordin Scientific Imaging 总部位于盐湖城，由 Nathan Nebeker 的父亲 Sid 领导，近 50 年来一直为科学和军事界提供有时是秘密的服务。Cordin 如今生产的最快电影摄影机快得令人难以想象：如果以标准电影速度播放，使用每秒 2 亿帧的数字型号拍摄的一秒钟图像需要 96 天才能观看。

想象炸弹

高速静态摄影可以追溯到几十年前，最著名的是 1931 年发明频闪灯的哈罗德·埃杰顿 (Harold Edgerton) 拍摄的牛奶滴和子弹穿过苹果的壮观照片。超高速电影摄影后来出现，并在原子弹诞生室中成为一种科学工具。它的目的并不在于定格时间中的某个瞬间，而是一瞥从一个微小瞬间到下一个微小瞬间的变化。它从我们熟悉的普通时间分割结束点开始，这个点距构成一眨眼的 100 毫秒不远。普通相机可以定格时间，但很粗糙，而且是大块大块的。当每秒仅呈现 24 个静态帧时，电影摄影机会欺骗眼睛，使它看到连续的运动。从快照经验中我们知道，1/500 或 1/1,000 的快门设置可以定格大多数人体运动。超越这个领域——进入微观和纳米维度的时间，更不用说跨越奇异的皮秒和飞秒边界——对我们来说，非常快的时间几乎和极小的时间一样不可见。眼睛无法记录，传统相机也无法记录。

高速摄影机确实可以记录，但许多用这种设备拍摄的最引人注目的图片序列却无人知晓——只有少数研究人员才可以看到，如果他们将这些图片公之于众，他们可能会因此入狱。秘密武器研究是这个行业的基因。在曼哈顿计划的最后阶段，洛斯阿拉莫斯的科学家们遇到了瓶颈。西德·内贝克回忆起从伯林·布里克斯纳那里听到的这段鲜为人知的历史，他是一位技术员，现年 96 岁，仍然安静地生活在洛斯阿拉莫斯。那些开发内爆武器理论和实践框架的科学家们无法让它们正常工作。关于这次失败是否意味着整个概念存在缺陷，或者仅仅是执行需要调整——例如，可能需要修改应该引发核反应的爆炸“镜头”的形状——存在很大分歧。布里克斯纳被招募来拍摄镜头，以便科学家们看到正在发生的事情。

布里克斯纳使用的相机是早期的旋转镜设计。圆柱形外壳中心的镜子将图像从相机的主镜头连续投射到位于外壳内边缘的胶片上。到达每个画面的光线在途中会经过一组自己的透镜。镜子充当一种快门，将离散图像闪现到胶片上并形成离散画面。这种设计改编自 C. David Miller 的工作，他是 NASA 的前身 NACA 的一名工程师。“利用 Miller 在旋转镜上成像并在镜子和胶片之间放置一系列透镜的概念，你可以每秒拍摄 100 万、200 万或 500 万张图像，”Sid Nebeker 说。“而且是非常清晰的图像。”

当然，这台相机只能拍摄一小段胶片：它只能拍摄 24 帧。但曝光时间可以控制在十分之一微秒内，间隔非常精确，因此当测试再次失败时，科学家们可以逐帧记录事件。

“布里克斯纳的相机就像是照进黑暗环境中的一束光，”内贝克说。问题确实出在传统炸药的不均匀爆炸上。电影摄影机扫清了通往原子时代的最后一个严重障碍。

最初的 Cordin 相机于 1956 年曼哈顿计划技术解密后不久制造，每秒能够拍摄 125 万帧，它基于相同的旋转镜面设计——这一设计至今仍是该公司最大、最昂贵的机器的核心。

高速摄像机制造一直是一个小型的、封闭的行业，服务于高度专业化的学术界——冲击波和空化物理学家、超音速航空研究人员、对断裂、裂纹和振动动力学感兴趣的材料科学家——以及研究“高能材料”、弹道学、轰炸和炸弹的军事研究实验室。该行业的全球专业组织国际高速摄影和光子学大会（包括所有形式的高速成像，静态和动态）最近两年召开一次，只有 226 名与会者。洛斯阿拉莫斯和劳伦斯利弗莫尔等实验室继续开展大量涉及高速摄像机的工作，这些实验室在军事技术研究方面有着深厚的根基。而且，许多摄影工作仍然是秘密的——不仅是出于安全原因，还因为一家汽车公司研究装有透明气缸盖的发动机的燃烧效率，比如说，他们要将竞争数据保密。“我记得有一次在一次会议的幻灯片放映中看到过一些[武器研究]的静态照片，”内森·内贝克说。 “这是我看到最接近真实场景的镜头。”

国际市场也受到限制：Cordin 相机必须获得能源部（负责监管核武器相关技术）的出口许可。1990 年，一家位于新泽西州的进出口公司与 Cordin 接洽，试图以超过 20 万美元的价格购买其一台相机。最终用户是 Al Kindi General Establishment，一家从事核研究的伊拉克武器实验室。出口许可被拒绝。“第一次海湾战争后，”Sid Nebeker 说道，“他们在伊拉克发现了一些日本相机，它们可能会有所帮助。但它们的清晰度和速度远不及我们的相机。”

**从头开始手工打造**

西德·内贝克 (Sid Nebeker) 自 20 世纪 60 年代初从创始人手中买下 Cordin 公司以来就一直负责管理该公司，这两位创始人都是他在犹他大学的同学。Cordin 总部位于盐湖城的一个工业区，远离奥运会报道中常见的繁华市中心。Cordin 目前拥有约 30 名员工，位于一个低矮的大仓库中，仓库分为一个闲置办公室区和一个庞大的车间。办公室装饰单调乏味：木纹镶板、油毡地板，有些房间里铺着古老的满铺地毯。

我在工程师的工作区找到了年长的内贝克，他站在工作台旁，卷起袖子，旁边是工作台上一位年轻的工程师，两人正在摆弄一台即将运往韩国国防实验室的相机的电路。内贝克现年 73 岁，长着方下巴，英俊潇洒，是这家公司的创始人，他的三个孩子称他为 DadCo，其中三个孩子在 Cordin 工作。

修修补补是希德童年的爱好。大萧条时期，希德在犹他州北部一个占地 2 万英亩的养羊和养牛牧场长大，那里“最受重视的是马匹”。然而，年轻的希德对旧机器更感兴趣。八岁时，他用干草堆里的一个坏掉的 1 缸发动机重新组装起来，并用它驱动汽车。

牧场生活并不适合他：他离开牧场去犹他大学学习工程学，在空军服役一段时间，就读于哈佛商学院，然后于 1958 年回到盐湖城找工作。“在犹他州，商业工程专业的就业机会有限，”他说。内贝克在一家刚刚起步但毫无起色的科技公司工作了六个月。1959 年，他遇到了工程学院的同学厄尔·庞德。庞德是犹他州立大学的教员，几年前曼哈顿计划相机技术解密时，他成立了 Cordin。Cordin 只生产过一种产品，即 1956 年海军购买用于马里兰州武器设施的相机。从那时起，Cordin 一直处于停滞状态：没有员工，没有客户，没有商业计划。

内贝克提议重启公司，随后在 Cordin 无薪工作了几个月。他完善了原始相机设计，使其“极其可靠，极其精确”。几个月后，加利福尼亚州中国湖海军武器中心下达了订单。在俱乐部内部，武器开发是口口相传的业务，相机以及操作它的中国湖技术人员“成为我们未来四五年的销售力量。国防工业的人会打电话询问我们的相机，我们会说，‘找中国湖的罗兰·盖洛普谈谈。他有一台。’他是一位了不起的摄影师。他们会和他交谈，他会向他们展示一些他的作品，然后他们就会卖掉。”（中国湖仍然使用 Cordin 相机。）

Cordin 最初是在高速摄影行业的一个小众市场中起步的，尽管后来发现这个行业的速度并不算太快；如今，该公司每年销售大约 10 台相机，通常针对特定工作进行定制。

首席定制师是 70 岁的詹姆斯·布里姆霍尔 (James Brimhall)，他已在 Cordin 工作近 20 年，负责相机组装。这项工作既需要手工，也需要工程。Cordin 自己的车间几乎为每台相机制作每一个旋钮、齿轮和配件。布里姆霍尔身穿车间围裙，戴着帽子和眼镜，戴着两个助听器，一副老派工匠的风度。现在，他正在将自己的专业知识和职责传授给一位名叫莱恩·奥伯格 (Lane Oberg) 的 32 岁员工。对于奥伯格来说，这是一个边做边学的过程：光学工程学校毕业的人无法制造出像 Cordin 相机这样专业的设备。

一天早上，我帮助奥伯格组装了 160 个镜头外壳中的一个，这些外壳将组成一台价值 385,000 美元的旋转镜面相机的核心，该相机将运往洛斯阿拉莫斯国家实验室的弹道靶场。这将是该公司历史上制造的第五台 Model 140 相机：每秒 225 万帧，光圈为 f/16，总共 80 帧。它的镜子是一块五边形的铍块，表面涂有抛光铝；铍经过 X 射线检查，以确保晶体结构完好无损，以免在相机的氦气涡轮以 562,500 转/分的速度旋转时爆炸。

奥伯格坐在他的办公桌前迎接我，他一只手拿着一个黑色的阳极氧化铝支架，另一只手拿着一把电动 Dremel 工具——就是你在深夜电视上看到的那种。金属屑堆在附近的地板上。“我知道我保留这个东西是有原因的！”奥伯格高兴地说。“以前从来没用过，但我觉得它会派上用场的。”

然后他开始打磨镜座的各个部分，露出银色的金属表面。他解释说，相机中的数百个镜头将由这些镜座固定，这些镜座经过精心设计，公差非常严格。但他用来将镜头固定在镜座上的胶水无法很好地粘在阳极氧化铝上。所以他只是将阳极氧化层打磨掉。

我们穿过一块充当紫外线屏障的黑色大塑料板，进入一个几乎“干净”的房间。一块胶合板上装着数百片矩形玻璃镜片，这些镜片看起来像是老花镜的超厚镜片：长约 1-1/2 英寸，厚约 1/4 英寸，高约 1/4 英寸。每个组件可容纳四片镜片，每副镜框两片，总共 80 副镜框。每个组件中的两片镜片需要以微米级的公差放置；两片则不需要。

奥伯格让我把两个精度较低的镜片放置并粘合到夹在工作台上的组件中。放置它们很容易，粘合它们就更容易了。只需通过 18 号针头喷射一团水泥，然后用高强度紫外线聚光灯照射几秒钟即可——与牙医固化环氧树脂填充物的方式大致相同。

当微陨石撞击地球时
在每秒 5,000 帧的速度下，你可以看到踢球手的脚踢到足球，足球慢慢地包裹住他的脚背。“要看高尔夫球，”内森·内贝克说，“你需要每秒 12,000 帧的速度”，因为球杆在挥杆的杠杆作用下加速到极快的速度。下一个数量级，即每秒数十万帧，可以让你观察相当高速的事件：丰田使用了一台旋转鼓式 Cordin 相机，其速度高达每秒 200,000 帧
窥视其透明发动机。法国海军购买了类似的相机，以及设计和制造的特殊防水潜望镜
由 Cordin 设计的，用于观察爆炸物袭击船体的影响。

但当物体以 16,000 英里/小时的速度撞击障碍物时，您需要以百万帧/秒的速度拍摄序列来研究剧烈影响：因此，美国宇航局在新墨西哥州白沙市的超高速撞击试验场配备了 Cordin 相机，科学家在这里用微小射弹轰击航天器部件，以模拟当它们被快速移动的太空碎片（松动的卫星硬件碎片、油漆碎片）和微陨石击中时发生的情况。

每年大约 100 次，HITF 的两级轻气活塞枪会将各种形状和大小（直径最大为 1 英寸）的塑料和金属加速到 16,000 英里每小时，然后将它们粉碎成模型，比如航天器的外壳。HITF 项目经理戴夫·贝克说，每个暴露的部件都很脆弱，无论是“新的粒子撞击防护罩、电缆、系绳或诸如此类的东西”。NASA 在全国各地有许多气枪设施，但最喜欢的还是白沙的一栋孤立建筑。贝克说：“我们可以在这里射击危险目标。推进剂罐或氧气罐可能会爆炸，或者铍可能有毒。”每次测试都用 Cordin 转镜摄像机拍摄。约翰逊航天中心的科学家会分析这些录像和其他数据。贝克没有透露最近的航天飞机灾难调查是否涉及 HITF 的工作，但几乎可以肯定它确实涉及了：太空垃圾是导致哥伦比亚号坠毁的可能原因之一。

冷光停车

过去六年来，Cordin 速度最快的相机组所用的相机根本没有移动部件，或者说没有胶片。这些相机的拍摄速度高达每秒 2 亿帧，Nathan Nebeker 表示，这一速度对于“诸如雾化喷气燃料燃烧瞬间之类的情况非常有用：你需要获得均匀的波前，以便控制燃烧。”

在所谓的门控增强型 CCD 相机中，来自物镜的光线穿过分束器，在微通道板 (MCP) 图像增强管的光阴极上形成多个相同的图像，类似于夜视镜中使用的图像增强管。光子撞击增强器的正面，释放每个管内的电子；电子在管内级联，在前进过程中释放更多电子，直到撞击后面的磷光表面，将电子转换回光图案。“增强器有两个作用，”Sid Nebeker 解释道。“它将光线放大几千倍，并且非常非常快地切换光线 - 只需几纳秒。当你有如此短的曝光时间时，你需要那么高的光增益才能获得有用的图像。”

MCP 中的图像通过一束束玻璃纤维，纤维的一端拉得又长又细，缩小了图像。细小的一端靠在 100 万像素的电荷耦合器件上——与消费类数码相机中的器件非常相似——用于记录图像。

《大众科学》杂志询问内森·内贝克能否进行一次演示，让读者从视觉和直观的角度理解纳秒的持续时间。他建议，为什么不实时拍摄一系列光线穿过极短空间（比如 100 英尺）的照片呢？宇宙中最快的物体在穿过普通房间时就停了下来。

这是 Nebeker 第一次尝试，但并非第一次成功——20 世纪 40 年代末，一张用另一种技术“阻止”光线的照片被本杂志称为“本世纪最重要的照片之一”（详情请参阅 www.popsci.com/exclusive）。“这基本上是一张令人惊叹的照片，”Nebeker 承认，但并非没有挑战。光的传播速度约为每纳秒一英尺，因此，如果你能看到 7 纳秒的激光脉冲，它看起来就像一个 7 英尺长的离散光子包。

一天下午，内贝克在 Spectra-Physics 实验室里布置了一间
加利福尼亚州山景城，在那里他可以使用能够产生
7 纳秒的亮绿色激光脉冲。他带来的相机只能拍摄两帧图像；内贝克想要一对连续图像——本质上是一部超短电影——来记录光在短时间内的进展。

激光会在 9 英尺长的桌子上成对面对面放置的倾斜镜子中反射，穿过一系列空间。7 英尺长的光脉冲将在 90 纳秒内穿过镜子。

对于能够拍摄 10 纳秒帧的相机来说，关键在于确定要捕捉哪 10 纳秒，因为仅一秒钟就有 9000 万个这样的时间段。几乎没有时间进行反应滞后，尽管激光硬件在触发激光的同时产生脉冲来触发 Nebeker 的相机，但电路和将激光连接到相机的 20 英尺长的电缆会不时增加纳秒的延迟。

为了捕捉图像，内贝克必须测量并同步激光的延迟和相机的延迟。通过反复试验，他最终让相机在脉冲穿过镜子时精确开启。正如预测的那样，100 纳秒的曝光产生的图像在第一帧中显示整个 90 英尺长的赛道被照亮；第二帧是黑暗的。然后他将曝光时间缩短到 50 纳秒，这样产生的第一帧图像显示赛道的一半被照亮。然而，第二帧仍然是黑暗的。通过调整帧之间的延迟，他制作了第二帧，显示脉冲尾端消失在镜子赛道远端的终止“光束转储”箱中。

Nebeker 将曝光时间调整为 10 纳秒，这是相机的极限，在场的 Spectra-Physics 工程师开始对他们所看到的东西感到兴奋。正如预期的那样，计算机屏幕显示的第一帧中，只有镜面赛道的一条腿上有激光。其余部分都是黑暗的。在第二帧中，同样是 10 纳秒长，并在 10 纳秒延迟后曝光，赛道的第二条腿被照亮。Nebeker 拍摄了两张激光光束在 90 英尺赛道内传播的离散肖像。

颗粒状的黑白数码照片不符合吴宇森的口味。尽管如此，它们还是以科幻小说中长期描绘的方式展示了光线——在短距离内以离散的光束移动（想想老《星际迷航》中柯克的相位枪，设置为眩晕）。一小群工程师很高兴。“我想我们需要一个！”一位工程师一边渴望地看着 Cordin Model 220 相机，一边喊道。

毫无疑问，这是一张令人惊叹的照片：Cordin 相机成功地将光线定格在轨迹中，就好像它的速度不比一颗飞驰的子弹快一样。