Kurzzeitfotografie

 

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Abb. 1: "Fliegende Kaffeetasse" von  Harold. E. Edgerton. Das "Einfrieren" von Bewegungen  war das Hauptmotiv für die Erfindung des Elektronenblitzes.
Die erste Kurzzeitfotografie durch einen elektrischen Blitz wurde bereits durch einen der Erfinder der Fotografie, nämlich Henry Fox Talbot persönlich, am 14. Juni 1851 am Royal Institute in London vorgenommen. Seine Motivation für die Verwendung einer Blitzentladung für diese Aufnahme war nicht der Ausgleich einer unzureichenden Beleuchtung, wie sie bei der Erfindung des Magnesiumlichts, des Blitzpulvers und der Blitzlampe Pate stand. Es ging Talbot vielmehr tatsächlich um das "Einfrieren" von Bewegungen durch die Erzeugung sehr kurzer Beleuchtungs- und Belichtungszeiten.

Erste Erfahrungen mit der „Chronophotographie“, wie man damals die Reihenfotografie mit dem "Einfrieren" einzelner Bewegungs­phasen nannte, machte Eadweard Muybridge (1830 – 1904). Der Amerikaner Muybridge, von Geburt Engländer, war 1851 nach Amerika ausgewandert und machte als Fotograf in den Sechzigerjahren des neunzehnten Jahrhunderts vor allem Landschaftsaufnahmen im Westen der USA. Im Frühjahr 1872 lud ihn der Rennstallbesitzer und ehemalige Gouverneur von Kalifornien Leland Stanford ein seine Pferde zu fotografieren. Muybridge hörte von dem Streit der darüber ausgebrochen war, ob ein galoppierendes Pferd in einer bestimmten Phase seines Laufes sämtliche Füße in der Luft hätte oder ob es stets mit mindestens einem Fuß den Boden berührt. Es kam ihm der Gedanke, diese Sache durch Reihen-Momentfotografien zu entscheiden. Im Mai 1872 begann er seine Arbeiten mit dem berühmten Rennpferd "Occident" auf der Rennbahn in Sacra­men­to. Seine erste Aufnahmemethode war folgende:

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Abb. 2: Chronophotographische Einrichtung  von Muybridge.
Textfeld:   Abb. 3: "Trabendes Pferd" , chronophotographische Aufnahme von Muybridge.


Einem langen, durch senkrechte Linien gerastertem Hintergrund gegenüber stand eine Batterie von 24 Kameras, deren Ver­schlüsse elektrisch betätigt wurden, indem das sich bewegende Tier hintereinander aufgespannte Fäden sukzessive zerriss. Jede Kamera machte eine Aufnahme, wenn das Tier sich ihr gerade senkrecht gegenüber befand und bildete dann die in dem Augenblick ausgeführte Phase der Bewegung ab.

Muybridge erzielte damals mit dem noch recht unempfindlichen Nassplattenverfahren Verschlusszeiten von etwa 1/1000 Sekunden bei Tageslicht. Oft erhielt er allerdings nur Schattenrisse. Er wendete sich bald auch anderen Tier- und Bewegungsarten zu und veröffentlichte 1887 sein Hauptwerk "Animal Locomotion" mit mehr als 20000 Aufnahmen.

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Abb. 4: Mach'sche Anordnung zu Geschossaufnahmen.
( Ansicht von oben )
In seiner Nachfolge gelangen dann Etienne-Jules Marey (1830 - 1904) 1882 mit einer von ihm konstruierten "Photo­graphischen Flinte" erste Vogelflugaufnahmen und dem aus Lissa stammenden Berliner Foto­grafen Ottomar Anschütz (1846 – 1907) mit dem empfindlicheren Trockenplattenverfahren und dem von ihm erfundenen Schlitz­verschluss mit noch kürzeren Belichtungszeiten noch genauere Bilder.

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Abb. 5: Von Peter Salcher mit der Mach'schen Apparatur aufgenommenes fliegendes Geschoss.
Für die Registrierung noch schnellerer Bewegungsabläufe, z.B. für die Dokumentierung der Phasen eines Tropfeneinschlags in einer Flüssigkeitsoberfläche oder der Flugbewegungen von Insekten oder gar die Aufnahme einer fliegenden Geschosskugel, waren ihre Verfah­ren allerdings nur sehr bedingt geeignet.

Die Hauptidee bei der Weiterentwicklung der Kurzzeit-Fotographie war es, die kurze Belichtungszeit nicht über einen relativ trägen Verschluss zu realisieren, sondern über einen sehr kurz aufflammenden Blitz. Diesen Weg beschritten der Österreicher Ernst Mach (1838 – 1916), der Engländer Arthur M. Worthington (1852-1916) und der Franzose irisher Abstammung Lucien Bull (1876 – 1972).

Das uns am schwierigsten Erscheinende gelang zuerst: 1884 machte Peter Salcher (1848 – 1928) im Labor von Ernst Mach die Aufnahme einer fliegenden Gewehrkugel.

Abb. 4 zeigt die verwendete Apparatur. Das Buch "Angewandte Photogra­phie in Wissenschaft und Technik" von 1911 schreibt dazu:

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Abb. 6: Anordnung von Worthington zur Aufnahme der Vorgänge beim Aufschlagen eines Tropfens.

Er schaltete in den Leiterkreis einer Leydener Flasche L, die durch eine Influenz-Maschine M ge­laden wird, zwei Fun­ken­strecken F und A. Über die Drahtenden bei A werden einseitig geschlos­sene Glasröhrchen gescho­ben. Nun kann die Entladung der Flasche erst nach Zertrüm­merung der Glasröhr­chen erfolgen. Das Zertrüm­mern besorgt das Geschoß selbst. In diesem Augenblick springt gleichzeitig bei A und F ein Funke über. Die Aufnahme des Geschosses geschieht nun in der Weise: Das Licht des Funkens F wird durch eine links von F in der Linie A F befindliche Sammellinse oder durch einen Hohl­spiegel auf der Objektivmitte eines rechts von A aufge­stellten photogra­phi­schen Apparates gesam­melt. Der Appa­rat ist auf A eingestellt. Als Bild er­scheint die Silhouette des Geschos­ses mit der Fun­ken­strecke. Die Belich­tungs­dauer ist gleich der Dauer des elek­trischen Funkens und wird zu 0,000002 Sekunden angegeben.

Mach war mehr an den Effekten in der die Kugel umgebenden Luft interessiert, aber es gab weltweit bald viele Nachfolger aus dem Bereich des Militärs, die sich insbesondere für die Ballistik interessierten.

Arthur Mason Worthington, Professor am Royal Naval Engineering College in Devonport (England) interessierte sich für das Aufschlagen von Tropfen in Flüssigkeitsoberflächen. Ende des neunzehnten Jahrhunderts konstruierte er die wohl erste erfolgreiche Anordnung, mit der fotografische Aufnahmen aufschlagender Milchtropfen in verschiedenen Phasen gemacht werden konnten. Seine spektakulären Bilder veröffentlichte er 1897 in den "Philosophical Transactions of the Royal Society of London" und 1908 in seinem Buch "A Study of Splashes".


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Abb. 7:Chronophotographie eines einschlagenden Milchtropfens von M. A. Worthington, die schwarzen Flecken sind Rußpartikel.
Das zitierte Buch beschreibt die von ihm verwendete Apparatur nach Abb. 6 folgendermaßen:

Mit der Kamera C, rechts in der Figur, werden die auf der Wasser­fläche L stattfin­den­den Vorgänge aufgenommen. Zur Beleuchtung dient die vor dem Hohlspiegel R auf­gestellte Funken­strecke S, von der Drähte zu den äußeren Belegun­gen der Leidener Flaschen J (Vor­formen des Kon­densators) führen. Die inneren Bele­gun­gen sind gleich­zeitig mit den Konduktoren einer Influenzmaschine E und der Funkenstrecke SS verbunden. Eine Metallkugel ("Zeitkugel") T, die zwischen SS hindurchfällt , bewirkt die Schließung dieser Funken­strecke. In dem selben Moment, wo der Funke zwischen SS entsteht, blitzt auch bei S (vor dem Hohl­spiegel R) ein Funke auf. Die Zeitkugel T liegt auf dem kürzeren Arm eines Kata­pultes C, dessen längerer Arm L am freien Ende ein Eisenplättchen I trägt; mit Hilfe des Elektromagneten M wird der Hebel des Katapultes niedergehalten.  Vor der Aufnahme liegt der Tropfen D auf einem ge­schwärzten Uhr­glas W, das an dem kurzen Arm des zweiten Katapults befestigt ist. Der längere Arm wird ebenfalls mit einem Elektromagneten festge­halten, der mit dem linken Elektromagneten und der Batterie B einen gemeinsamen Stromkreis bildet. Das links befindliche Katapult mit seinem Elektro­magneten kann an einer senk­rechten Skala auf und abwärts bewegt werden. Die auf der rechten Hälfte der Figur gezeichneten Apparate sind in einem ver­dunkelten Raum aufgestellt, die links befindlichen außerhalb, damit die Platte nicht von E und SS her durch störendes Licht getroffen wird.

Der Vorgang bei der Aufnahme ist folgender: Beim Öffnen des Stromkreises MBM schnellen die Hebel der beiden Katapulte hoch und machen gleichzeitig den Weg für den Tropfen D und die Zeitkugel T frei. In einem bestimmten Zeitpunkte während des Falles von D erreicht die Zeitkugel die Funkenstrecke SS und läßt den Funken vor R aufblitzen. Durch Auf- oder Abwärtsbewegen des linken Katapultes an einer Skala läßt sich die Fallhöhe von T beliebig regeln und damit bewirken, daß die Entladung in einem beliebigen, genau bestimmbaren Moment während des Fallens des Tropfens D stattfindet. Infolge der Trägheit der Magnete treten kleine Fehler auf, die aber  1/600 Sekunde  nicht überschreiten.

Echte Phasenaufnahmen waren die Bilder von Worthington jedoch noch nicht, da jedes Bild an einem anderen Tropfen gemacht wurde.

Mit dem Insektenflug beschäftigte sich Lucien Bull (1876 – 1972) im Institut von Etienne-Jules Marey. Ihm gelang die Aufnahme des Fluges von Insekten in echten Phasenaufnahmen. 1904 konnte er 1200 Bilder pro Sekunde aufnehmen, 1918 bereits 50000 Bilder pro Sekunde.

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Abb. 5.8: Anordnung von Bull zur Aufnahme des Insektenflugs.
Auch er verwendete Bogenlampenlampenblitze, seine Anordnung nach Abb. 8, wird in [4] folgendermaßen beschrieben:

R ist ein Rad, auf dessen Umgang ein Film von 108 cm Länge gespannt ist, dies Rad kann durch einen Elektromotor in äußerst schnelle Drehung versetzt werden. Auf die Achse dieses Rades ist ein Stromunterbrecher I aufgesetzt, der bei einer Umdrehung des Rades eine gewisse Anzahl Male den Primärstrom einer Induktionsspirale A unterbricht. Jede Unterbrechung verur­sacht bei E hinter dem Kondensor C einen Induktionsfunken. Der Kondensor wirft die Strahlen in das Objektiv 0, in dessen Brennweite sich der Film bewegt. M und D stellen eine Spiegel­reflex­einrich­tung dar, die es ermöglicht, vor der Aufnahme das richtige Funktionieren zu beobachten. Nahe dem Kondensor, zwi­schen ihm und dem Objektiv, läßt man das zu photographierende Insekt frei fliegen, -da Insekten immer zum Fenster fliegen, wird der Apparat danach aufgestellt. Der Funken springt zwischen Magnesiumelektroden über, ist also reich an ultravioletten Strahlen. Da das gewöhnliche Glas von diesen Strahlen nicht durchdrungen wird, ließ Bull den Kondensor aus Quarz und die Objektive aus Quarz, der durch Islandspat achromatisiert war, herstellen. Er erhielt dadurch viel brillantere Aufnahmen auch bei den kleinsten Funken, die durch die schnelle Unterbrechung erzeugt wurden. Das Filmrad ist in einen Kasten eingeschlossen, der vorn die kleine Kamera trägt. In Funktion gesetzt wird der Apparat durch den Abflug des Insektes selbst.

 

Bei allen diesen Anordnungen handelte es sich natürlich um Blitzlichtfotografie mit teuren Spezialkonstruktionen. Für den normalen Fotografen oder gar für den Amateurbereich waren sie nicht zugänglich

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Abb. 5.9: Chronophotographie von Lucien Bull: Flug von Agrion Virgol (bunte Wasserjungfrau).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Als eigentlicher Vater der Kurzzeitfotografie gilt aber, trotz vieler weiterer Namen, die mit ihrer Ent­wicklung ver­bun­den sind, der Vater des Elektronenblitzes Harold Eugene Edgerton (1903 – 1990).

"Doc" Edgerton, wie er allgemein genannt wurde, wurde am 6. April 1903 im US-Bundesstaat Nebraska geboren und wuchs in Aurora auf. Schon während der Schulzeit jobbte er bei der örtlichen Elektrizitätsgesellschaft, zunächst als Reinigungskraft, später auch als Monteur bei der Verlegung von Freileitungen. Dies motivierte ihn an der Universität von Nebraska ein Elektroingenieurstudium zu absolvieren. Nach einem Jahr als Forschungsassistent bei General Electric ging er 1926 zum Weiterstudium an das renommierte Massachusetts Institute of Technology (MIT), wo er bis zu seinem Lebensende blieb. 1931 promovierte er am MIT. Von 1928 an lehrte er am MIT Elektrotech­nik. 1968 wurde er emeritiert, blieb aber dem MIT stark verbunden und starb am 4. Januar 1990 beim Mittagessen in der Kantine des MIT an einem Herzanfall.

Seine Beobachtung, dass das Licht der verwendeten Quecksilbergleichrichter synchron zur Umdrehung der Elektromotoren und Dynamos aufblitzte und damit praktisch ein stehendes Bild erzeugte, regte ihn zum Bau eines eigenen Stroboskops an. Nachdem seine Experimente an einer Blitzlampe mit Quecksilberdampf nicht zufriedenstellend ausfallen waren expe­rimentierte er zu Beginn der Dreißigerjahre mit Argon Füllungen und auch mit Ultrakurzzeitaufnahmen.

Um diese Zeit begann auch die per Handschlag gegründete geschäftliche Partnerschaft mit seinen Mitforschern am MIT, Kenneth Germershausen und Herbert Grier. Sie gründeten später die heute noch existierende Firma EG&G. 1936 war das erste Gerät (noch mit Argon Blitzröhre) für Studiofotografie einsatzbereit. Von diesen "Speedlite" genannten Elektronenblitzgeräten wurden etwa 30 hergestellt.

1939 wurden Eastman Kodak die Vertriebsrechte für die jetzt bereits mit Xenonröhren ausgestatteten Kodatron genannten Studio­anlagen übereignet.

Als Eastman Kodak auf der New Yorker Weltausstellung von 1939 den Elektronenblitz zum ersten Mal der breiten Öffentlichkeit vorstellte, wurde er zu einer der Ausstellungssensationen. Der Doc hatte eine Dunkelkammer aufgebaut, in der eine Glasplatte von einem Baseball zerschmettert wurde. Die Besucher konnten ihre auf "Zeit" gestellte Kamera durch Löcher in das Innere richten, in der, wenn der Ball die Glasscheibe traf, ein Blitz aufleuchtete. Auf einem Schild unter der Scheibe stand: "Fotografiert mit l/100000 Sekunde".

Beindruckende Bilder zeigt auch Edgertons 1939 erschienenes Buch: "Flash! Seeing the Unseen by Ultra High-Speed Photography" (etwa: Blitz! Das Ungesehene sehen durch Ultrahochgeschwindigkeitsfotografie).

Neben rein wissenschaftlichen Aufnahmen von fliegenden Gewehrkugeln und tropfenden Flüssigkeiten werden in dem Buch eingefrorene Bewegungsphasen bei verschiedenen Tierarten vorgestellt und - zum ersten Mal überhaupt - damals sensationelle, uns auch heute immer noch sehr beeindruckende stroboskopische Hochgeschwindigkeits­serien­aufnahmen von verschiedenen Sportarten.

Während des Zweiten Weltkrieges, der in USA erst 1941 begann; stockte dann die Entwicklung der kommerziellen Blitzgeräte, da Edgerton voll mit der Entwicklung von Blitzgeräten für die Nachtflugaufklärung beschäftigt war.

So wurden vor der alliierten Landung in der Normandie 1944 mit 36000 Ws Lichtleistung Nachtaufnahmen mit Elektronenblitz aus dem Flugzeug aus 1000m Höhe gemacht.

Noch vor dem Kriegseintritt der USA brachte Kodak unter der Lizenz von Edgerton die ersten 500 Elektronenblitz-Studiogeräte unter dem Namen "Kodatron" auf den Markt. Sie leisteten 200 Ws und eine Pilotlampe war eingebaut. Diese Geräte enthielten bereits eine mit Xenongas gefüllte Blitzröhre, die ein tageslichtähnliches Licht liefert. Um 1940 konstruierte Edward R. Faber, ein Fotojournalist des "The Milwaukee Journal", mit Hilfe von Edgerton ein erstes batteriebetriebenes tragbares Blitzgerät. Von einer verbesserten zweiten Version die rund 6 kg wog und mit einer wiederaufladbaren 2 V Bleibatterie betrieben wurde baute er 12 Stück für das "Milwaukee Journal" die bis 1945 zuverlässige Dienste leisteten. Kriegsbedingt konnten aber bis 1945 weder Kodak noch Faber oder Edgerton an der Weiterentwicklung der Geräte arbeiten.

Kurz nach Kriegsende lösten Kodak und Edgerton die getroffenen Vereinbarungen und Edgerton gab seine Patentrechte mit der Folge auf, dass es 1948 bereits 36 neue Produzenten von Elektronenblitzgeräten gab. Die meisten dieser Geräte waren aber qualitativ nicht sehr hochwertig und relativ teuer, so dass die Verkaufszahlen zu  wünschen übrig ließen und die meisten Firmen bald wieder vom Markt verschwanden.

Abb. 10: Aus der Patentschrift für das erste tragbare Batteriebetriebene Elektronenblitzgerät.

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



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Abb. 11: 1939 eine völlig neue Sicht der Dinge: Serienaufnahme eines Golfschlags von Densmore Shute in 1/100 Sek. Zeitabständen. In seiner Bildunterschrift weist Edgerton ausdrücklich darauf hin die Biegung des Schlägers vor und nach dem Schlag zu beachten. Aus: Harold E. Edgerton; flash! Seeing the Unseen by Ultra-High Speed Photography; Boston, Hale, Cushman & Flint, 1939; S. 69.