Pour ce type de cam´era, et devant de telles vitesses d’acquisition, le film est obligatoirement fixe et dispos´e en quart de cercle sur le carter de la cam´era. L’objectif forme l’image de la sc`ene ´etudi´ee sur le miroir tournant (`a 2 faces) entraˆın´e par une turbine `a air comprim´e (10 bars). Ce dernier r´efl´echit les rayons lumineux sur un ensemble de 25 objectifs secondaires fixes qui forment, `a tour de rˆole, une image sur le film. Ce principe est montr´e sur la Figure A.5.
Le miroir peut atteindre une vitesse de rotation de l’ordre de plusieurs milliers de tours par seconde ; c’est celle-ci qui, compte tenu de l’angle de s´eparation entre les objectifs secondaires, d´etermine la fr´equence d’acquisition d’images [109]. Cette derni`ere peut atteindre 10 millions d’images par seconde, avec un temps inter-images de 100 ns pour un temps de pose d’environ la moiti´e ou le tiers (suivant les objectifs) du temps inter-images. Nous les utilisons commun´ement `a la fr´equence de 106images par seconde.
(a) (b)
FIGURE A.4 : Cam´era ultra-rapide (a) et exemple d’application (b). Les deux images de droite
repr´esentent deux cylindres remplis d’explosif en cours de d´etonation avec un amorc¸age diff´er´e. Initialement l’explosif a amorc´e dans la partie haute des cylindres ; nous les observons en phase
de rel`evement et d’expansion [108].
Pour ne pas d´egrader le miroir, celui-ci est usin´e en un seul bloc puis plac´e dans une cavit´e pomp´ee au vide primaire pour ´eviter les turbulences et diminuer la r´esistance due au frottement de l’air. `A de telles vitesses de rotation, le mat´eriau constituant le miroir est proche de sa limite ´elastique et perd sa plan´eit´e initiale qui est de qualit´e optique (λ/20 soit environ 50 nm de d´efaut de plan´eit´e). Ainsi, deux m´etaux sont principalement utilis´es pour contrecarrer les d´eformations engendr´ees ; l’acier et le b´eryllium. Ce dernier diminue d’un facteur 10 les d´eformations du plan par rapport `a l’acier. De plus, les aberrations engendr´ees par ces d´eformations sont corrig´ees par un jeu de lentilles adapt´ees. Le b´eryllium poss`ede cependant un inconv´enient, il est toxique en a´erosol (il est donc souhaitable d’´eviter l’explosion du miroir). Le miroir est ensuite guid´e `a l’aide de roulements `a billes. La Figure A.6 pr´esente une vue ´eclat´ee de la turbine.
L’inconv´enient de ce type de cam´era r´eside sur la permanence de l’enregistrement mˆeme apr`es la fin de l’exp´erience. En effet, `a de telle vitesse de rotation il est impossible d’arrˆeter brus-quement le miroir, la lumi`ere continue d’entrer et d’impressionner le film ; mˆeme si la cam´era dispose d’un obturateur m´ecanique, ce dernier est trop lent en comparaison des ph´enom`enes observ´es. Pour ´eviter une surimpression du film, un obturateur suppl´ementaire, d´eclench´e par explosif, cr´ee un ´ecran de fum´ee et empˆeche la lumi`ere de rentrer `a la fin de l’exp´erience. Au d´ebut de l’essai, entre l’ouverture de l’obturateur m´ecanique et la prise de la premi`ere image, il n’y a pas ce probl`eme puisque les flashes d’´eclairage ne se sont pas d´eclench´es, la lumi`ere ambiante ne suffisant pas `a impressionner le film.
Cam´eras analogiques ultra-rapides 167 objectif et diaphragme primaire emplacement du film turbine et miroir rangée d'objectifs et de diaphragmes obturateur récepteur du film débiteur du film
FIGURE A.5 : Vue interne d’une cam´era `a miroir tournant [108].
L’´eclairage est un facteur tr`es important `a prendre en compte pour des temps de pose inf´erieurs `a la microseconde. La luminosit´e est souvent l’un des probl`emes majeurs dans l’ob-servation de ph´enom`enes ultra-rapides. Afin d’assurer le succ`es de l’´eclairage de la sc`ene et donc du film dans des conditions d´elicates, nous mettons en œuvre de puissants flashes pyro-techniques dont le d´eclenchement est synchronis´e avec la prise de la photographie et dont le fonctionnement est d´ecrit en d´etail dans la partie 5.2. D’autres types de sources lumineuses telles que les flashes ´electroniques, sont ´egalement utilis´ees si le niveau de puissance requis est plus faible. Bien entendu, le d´eclenchement des flashes est synchronis´e avec le d´ebut de l’enre-gistrement [110].
Au final, avec ce dispositif d’acquisition, il est, en g´en´eral, possible d’extraire au minimum 25 vues. Dans le cas o`u le film occupe 240 ◦, il est possible d’acqu´erir jusqu’`a 80 clich´es, le miroir ayant la forme d’un prisme `a trois faces. Ceci permet d’avoir une plage d’enregistre-ment comprise entre quelques microsecondes et quelques centaines de microsecondes [111]. Les cam´eras ultra-rapides utilis´ees dans les exp´erimentations d’expansion de cylindre sont en-core `a support argentique, ce qui n´ecessite une num´erisation du film pour un post-traitement num´erique, ´etape apportant sont lot d’incertitude. N´eanmoins, il commence `a apparaˆıtre sur le march´e des cam´eras, bas´ees sur le mˆeme principe du miroir tournant, o`u chaque image du film est remplac´ee par des matrices CCD dont la r´esolution peut atteindre 4 millions de pixels [32]. Cette r´esolution spatiale rend tr`es attrayante ce type de cam´era, mˆeme si les images demeurent monochromatiques. Un autre avantage de l’emploi des matrices CCD est que leur dimension est r´eduite comparativement `a celle du film, ainsi le rayon lumineux est concentr´e sur une plus petite surface. Il faut donc moins de lumi`ere pour ´eclairer la pi`ece ce qui permet de s’abstenir
´eventuellement des flashes pyrotechniques au profit des flashes ´electroniques, ce point laissant entrevoir la possibilit´e de r´ealiser une r´ep´etition g´en´erale dans les conditions d’´eclairage du tir.
circuit d'admission d'air
circuit d'échappement d'air aube d'entraînement du miroir joint d'étanchéité galet de support du miroir miroir
FIGUREA.6 : Vue interne d’une turbine `a miroir tournant [108].
Ces nouvelles cam´eras `a miroir tournant poss`edent ´egalement l’avantage d’ˆetre moins lourdes (50 kg contre 300 kg) et moins encombrantes (d’un facteur 2 sur chaque dimension) mais conservent le d´efaut de ne pas ˆetre pilotable par un signal externe, du fait de l’inertie du miroir, rendant d´elicat son emploi pour d’autres applications. Il existe sur le march´e une cam´era num´erique ultra-rapide, de cadence 106images par seconde, n’ayant pas de miroir tour-nant et pilotables par signal externe [31]. Cependant, elle ne poss`ede malheureusement pas une r´esolution spatiale suffisante, 312 × 260 pixels contre 1 700 × 1 100 pixels pour un film de dimension 36 × 24 mm ou 4 500 × 2 000 pixels pour un film de dimension 70 × 35 mm.
Apr`es avoir pr´esent´e succinctement le principe technique de ce type de cam´era, le chapitre suivant d´ecrit plus en d´etail le processus de formation d’une image par le biais d’un miroir en rotation.