在吴宇森执导的、令人疯狂的身份互换动作片《变脸》的高潮枪战中，两位敌人——凯奇和特拉沃尔塔——以及他们的副手用贝雷塔和格洛克手枪互相射击；你可以看到枪口喷出密集而细致的烟雾，遮挡了射手的双手。当子弹以每秒千英尺的速度从武器中射出时，速度减慢到优雅的滑翔，直到枪管内部的螺旋膛线产生的旋转
清晰可见。这看起来像是精美的计算机生成图像，不如《黑客帝国》系列中那种更炫酷的水波纹、瞬间停止的子弹特效，但不知为何感觉更真实。
这是因为吴宇森的画面比 CGI 更真实：使用了名为 Millisecond Camera 的一次性、手工制作的设备，以每秒 12,000 帧的速度拍摄了真实的子弹。尽管数字特效取得了巨大进步，35 毫米胶片仍然能提供更多信息：“当你真正仔细看时，你能分辨出是胶片，”内森·内贝克说。“CGI 根本无法提供那种丰富的细节。”内贝克对此了如指掌。他是 Conniption Films 公司的老板，也是 Millisecond Camera 的发明者。
内贝克的摄像机与标准电影摄像机几乎没有相似之处。“机械快门无法足够快地打开和关闭，”他说。“[而且] 将胶片送入摄像机的速度存在物理限制。要想速度真正快，你就必须移动光线而不是胶片。”在他的摄像机中，一圈胶片在一个滚筒中快速旋转，滚筒的外壳被排空以减少摩擦。一个旋转的镜子和一系列光学器件将光线“切片”到每一帧。高速运行时，摄像机只能容纳相当于百分之一秒的胶片，但这并非听起来那么麻烦：子弹在那段时间内可以飞出 10 英尺。
但 Millisecond Camera 最非凡之处可能在于：在内森·内贝克的世界里，每秒 12,000 帧的速度算是极其慢的了。经营 Conniption Films 是内贝克的第二份工作，这是他家族企业——制造真正高速的电影摄像机——在好莱坞和电视领域的分支。Cordin Scientific Imaging 公司位于盐湖城，由内森·内贝克的父亲 Sid 领导，近 50 年来一直为科学界和军界提供服务，有时信息高度保密。Cordin 目前生产的最快电影摄像机速度快得令人难以想象：以每秒 2 亿帧的速度拍摄的数字模型，如果以标准电影速度回放，需要 96 天才能观看完一秒钟的影像。
想象原子弹
高速静止摄影可以追溯到几十年前，最著名的是哈罗德·埃杰顿那壮观的牛奶滴和子弹穿苹果的摄影，他于 1931 年发明了频闪灯。极高速电影摄影起步较晚，并在原子弹的诞生时期作为科学工具而发展壮大。它的目的不是为了定格某一瞬间，而是为了窥探从一个无限小的瞬间到下一个瞬间的变化。它开始于我们对普通时间分割的熟悉感结束的地方，这个地方距离构成眨眼一瞬间的 100 毫秒不远。普通摄像机能粗略地、以大块的方式冻结时间。电影摄像机通过每秒呈现 24 帧的静止画面来欺骗眼睛，使其看到连续的运动。我们从快照经验中得知，1/500 秒或 1/1000 秒的快门速度可以停止大多数人类动作。在这个领域之外——进入时间的微观和纳秒维度，更不用说跨越奇异的皮秒和飞秒前沿——极快的速度对我们来说几乎和极小的物体一样不可见。眼睛无法感知，传统的摄像机也无法记录。
高速电影摄像机确实能记录，但用这类设备拍摄的许多最令人惊叹的画面序列从未公开——除了少数可能会因公开它们而入狱的研究人员。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，洛斯阿拉莫斯科学家们遇到了瓶颈。西德·内贝克回忆起从一位名叫 Berlyn Brixner 的技术员那里听说的这段鲜为人知的历史，他现在 96 岁，仍平静地生活在洛斯阿拉莫斯。那些正在开发内爆武器理论和实践框架的科学家们未能使其正常工作。关于失败是意味着整个概念都有缺陷，还是仅仅执行需要调整——例如，触发核反应的爆炸“透镜”的形状可能需要修改——存在很大争议。Brixner 被请来拍摄能够让科学家们看到发生情况的胶片。
Brixner 使用的摄像机是一种早期的旋转镜面设计。一个位于圆柱形外壳中心的镜子，将图像从主镜头一系列地投射到胶片上，胶片沿着外壳的内边缘放置。到达每一帧的光线都经过自己的一组透镜。镜子充当了一种快门，将离散的图像闪光到胶片上，形成离散的帧。“通过米勒的将图像形成在旋转镜面上，并在镜子和胶片之间放置一系列透镜的概念，你可以达到每秒 100 万、200 万或 500 万张图像，”西德·内贝克说。“而且是极其清晰的。”
当然，胶片的空间很有限：摄像机只能拍摄 24 帧。但是，你可以将曝光时间控制在十分之一微秒内，这是一个如此精确的间隔，以至于当测试再次失败时，科学家们就能获得事件的逐帧记录。
“Brixner 的摄像机就像在一片黑暗中射入的一道光，”内贝克说。问题确实在于常规炸药的起爆不均匀。一台电影摄像机为原子时代扫清了最后的严重障碍。
第一台 Cordin 摄像机于 1956 年制造，就在曼哈顿计划技术解密后不久，能够以每秒 125 万帧的速度拍摄。它基于相同的旋转镜面设计——这个设计至今仍是公司最大、最昂贵机器的核心。
高速摄像机制造一直是一个小而封闭的行业，服务于高度专业化的学术界——冲击波和空化物理学家、高超声速航空研究员、对断裂、裂纹和振动动力学感兴趣的材料科学家——以及从事“高能材料”、弹道学、轰炸和炸弹研究的军事实验室。该行业全球专业组织“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）最近一次两年一次的会议只有 226 名与会者。许多涉及高速摄像机的工作仍然来自洛斯阿拉莫斯和劳伦斯利弗莫尔等实验室，它们在军事技术研究方面根基深厚。而且许多摄影作品仍然是秘密的——不仅出于安全原因，而且因为一家汽车公司如果研究例如安装了透明缸盖的发动机的燃烧效率，就会保守竞争数据。“我想我在一次会议的幻灯片演示中看到过一些[武器研究]的照片，”内森·内贝克说。“那是我见过最接近的了。”
国际市场也受到限制：Cordin 摄像机必须获得能源部的出口许可，能源部负责监管与核武器相关的技术。1990 年，一家位于新泽西州的进出口公司找到 Cordin，试图以超过 20 万美元的价格购买一台摄像机。最终用户被证明是 Al Kindi General Establishment，一个参与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，”西德·内贝克回忆道，“他们在[伊拉克]发现了一些日本相机，这些相机本来会有所帮助。但它们提供的清晰度和速度远不及我们的。”
**从零开始手工打造**
西德·内贝克自 60 年代初接管 Cordin 公司以来一直在经营这家公司，当时他从两位大学同学那里买下了这家公司。Cordin 的总部位于盐湖城的一个工业区，远离从奥运会报道中熟悉的那些光鲜亮丽的市中心。Cordin 目前约有 30 名员工，坐落在一个宽敞、低矮的仓库里，仓库被划分为一个简朴的办公区和一个广阔的工坊。办公室的装饰是毫无特色的工程师风格：木纹墙板，油毡地板，一些房间里有老式的满铺地毯。
我在工程师的工作区找到了内贝克先生，他站着，卷着袖子，和一个年轻工程师在工作台旁，两人正在修理一台即将运往韩国一家国防实验室的摄像机的电路。73 岁的内贝克先生长相英俊，带着一种神气十足、方脸的风格，是这家被他的孩子们戏称为“DadCo”的公司里的族长，他的三个孩子都在 Cordin 工作。
修修补补是他童年的爱好。西德在萧条时期成长于犹他州北部一个占地 2 万英亩的羊牛牧场，那里“最重要的是马”。然而，年轻的西德对旧机器更感兴趣。八岁时，他修复了一台坏掉的单缸发动机，并用它来驱动一辆汽车。
牧场生活不适合他：他去犹他大学学习工程学，在空军服役，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，一个商业工程专业毕业生的机会有限，”他说。内贝克在一家初创技术公司呆了六个月，但该公司毫无起色。1959 年，他遇到了一位工程学院的同学厄尔·庞德。庞德是犹他州立大学的教员，几年前在曼哈顿计划摄像机技术解密时创立了 Cordin。Cordin 只生产了一个产品，即 1956 年海军购买用于马里兰州一个武器设施的那台摄像机。从那时起，Cordin 就一直处于休眠状态：没有员工，没有客户，没有商业计划。
内贝克提议公司重新启动，然后在 Cordin 公司无偿工作了好几个月。他改进了原有的摄像机设计，使其“极其可靠且极其精确”。几个月后，加利福尼亚州中国湖海军武器中心发出了一笔订单。在圈内，武器开发是靠口碑相传的业务，这台摄像机以及操作它的中国湖技术员，“成了我们未来四五年的销售队伍。国防工业的人会打电话来询问我们的摄像机，我们会说，‘去问中国湖的罗兰·盖勒普。他有一台。’他是一位出色的摄影师。他们会和他谈，他会给他们看他的一些作品，他们就会被说服。”（中国湖至今仍在 M 视频摄像机。）
Cordin 在高速摄影业务的一个小众市场中崭露头角，尽管事实证明这并非一个非常高速的业务；该公司目前每年销售约 10 台摄像机，并经常根据具体需求进行定制。
首席定制师是 70 岁的詹姆斯·布里姆霍尔，他已在 Cordin 工作了近 20 年，负责摄像机组装。这项工作既是手工制作，也是工程制造。Cordin 自家车间几乎为每台摄像机制作所有的旋钮、齿轮和配件。身穿工装围裙、戴着帽子和眼镜，并佩戴两个助听器的布里姆霍尔，拥有一种老式大师级工匠的风格，他现在正在将自己的专业知识和职责传授给一位名叫莱恩·奥伯格的 32 岁员工。对于奥伯格来说，这是在实践中学习：一个人不可能从光学工程学院毕业后就能立刻建造出像 Cordin 摄像机这样专业的设备。
一天早上，我帮助奥伯格组装 160 个镜头外壳中的一个，这些外壳将构成一台价值 38.5 万美元的旋转镜面摄像机的核心，该摄像机将用于洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个弹道靶场。这将是公司历史上制造的第五台 Model 140 摄像机：每秒 220 万帧，f/16 光圈，共 80 帧。它的镜子是一块五边形的铍块，表面涂有抛光铝；铍已经过 X 射线检查，以确保晶体结构完好无损，以免在摄像机的氦气驱动涡轮以每分钟 562,500 转的速度旋转时爆炸。
奥伯格从他的桌子旁向我打招呼，他一只手拿着一个黑色阳极氧化铝支架，另一只手拿着一个电动 Dremel 工具——那种你在深夜电视广告中看到的工具。旁边地上堆着金属屑。“我知道我留着这东西是有原因的！”奥伯格愉快地说。“以前没用过，但我想它总会有用的。”
然后他开始打磨支架的零件，露出几个表面的银色金属。他解释说，摄像机将使用的数百个镜头将由这些支架固定，这些支架经过精密工程设计，公差极小。但他用来固定镜头的胶水与阳极氧化铝的粘合性不好。所以他只是在打磨掉阳极氧化层。
我们穿过一块作为紫外线屏蔽的大块黑色塑料板，进入一个近乎“洁净”的房间。一块胶合板上放着数百个长方形玻璃镜片，看起来像是超厚的眼镜镜片：约 1.5 英寸长，0.25 英寸厚，也许 0.25 英寸高。每个组件将容纳四个镜头，每个镜头组件包含两个镜头，总共 80 帧。每个组件中的两个镜头需要以微米级的精度安装；另外两个则不需要。
奥伯格让我把两个精度要求较低的镜头放置并粘贴到一个夹在工作台上的组件中。放置它们很容易，粘贴它们甚至更容易。只需通过一根 18 号针头挤一滴胶水，然后用高强度紫外线灯照射几秒钟——这与牙医固化环氧树脂填充物的方式大致相同。
微陨石撞击时
以每秒 5000 帧的速度，你可以看到一名踢球手将脚踢到足球上，足球在他脚背上缓慢缠绕。“要看高尔夫球，”内森·内贝克说，“你需要达到每秒 12000 帧，”因为球杆的挥杆动作通过杠杆作用加速到极高的速度。下一个数量级，每秒几十万帧，让你能够观察相当高速的事件：丰田汽车使用了一台能够达到每秒 20 万帧的旋转滚筒 Cordin 摄像机
来观察其透明发动机。法国海军购买了一台类似的摄像机，以及一台由 Cordin 设计和制造的特殊防水潜望镜
来观察爆炸对舰船船体的冲击效果。
但是，当一个物体以每小时 16000 英里的速度撞击障碍物时，你需要以每秒百万帧的速度拍摄的序列来研究其剧烈的影响：因此，NASA 在白沙的超高速撞击测试设施（HITF）中使用了 Cordin 摄像机，科学家们用微小的弹丸 blast 冲击航天器组件，以模拟当它们被快速移动的太空碎片（卫星硬件松脱的碎片、油漆碎片）和微陨石击中时发生的情况。
每年约有 100 次，HITF 的一个两级轻气活塞炮将各种形状和尺寸的塑料和金属（直径可达一英寸）加速到每小时 16000 英里，然后将它们砸向例如航天器外壳的模型。HITF 项目经理戴夫·贝克说，任何暴露的部件都可能受到影响，无论是“新的粒子撞击防护罩，还是电缆，或者系绳，等等。”NASA 在全国各地有许多气体炮设施，但最喜欢白沙的一个孤立的建筑。“我们可以在这里拍摄危险的目标，”贝克说。“可能爆炸的推进剂罐或氧气罐，或者有毒的铍。”每一次测试都用 Cordin 旋转镜面摄像机拍摄。约翰逊航天中心的科学家们会分析这些录像和其他数据。贝克对近期航天飞机灾难调查是否涉及 HITF 工作守口如瓶，尽管几乎可以肯定涉及：太空碎片是导致“哥伦比亚号”失事的一个可能原因。
让光瞬间静止
在过去六年里，Cordin 最快的摄像机系列已经没有任何活动的部件——也没有胶片。这些摄像机以高达每秒 2 亿帧的速度拍摄，内森·内贝克说，这种速度对于“例如气溶胶喷气燃料燃烧的瞬间非常有用：你正在尝试获得一个均匀的波前，以便进行受控燃烧。”
在所谓的门控增强型 CCD 摄像机中，来自物镜的光通过分束器，并在微通道板（MCP）图像增强管的光电阴极上形成多个相同的图像，类似于夜视镜中使用的那种。光子撞击增强器的正面，从每个管子内部释放电子；电子通过管子形成级联，在传播过程中释放更多电子，直到撞击背面的磷光表面，将电子转换回光模式。“增强器有两项功能，”西德·内贝克解释道。“它能将光放大数千倍，并且它能非常非常快地开关光——以纳秒为单位。当曝光时间如此短时，你需要高光增益才能获得有用的图像。”
来自 MCP 的图像通过玻璃纤维束，一端拉长变细以缩小图像。细端连接到 1 兆像素的电荷耦合器件（CCD）——这基本上就是你在消费级数码相机中找到的那种——负责记录图像。
《大众科学》问内森·内贝克是否可以设置一个演示，以视觉和直观的方式来理解纳秒持续时间。他建议，为什么不拍摄一系列光线在很短的空间（例如 100 英尺）中实时传播的照片呢？宇宙中最快的东西在普通房间里行进时被瞬间定格。
这是内贝克第一次尝试，尽管并非第一次这样做——在 1940 年代后期，另一项技术“定格”的光的单张照片曾被本杂志称为“20 世纪最重要的照片之一”（详情请参见 www.popsci.com/exclusive）。“这本质上是一张‘哇塞’的照片，”内贝克承认，但并非没有挑战。光速大约是每纳秒一英尺，所以一个 7 纳秒的激光脉冲，如果你能看到它，看起来会是一个长达 7 英尺的离散光子包。
一天下午，内贝克在加利福尼亚州**
山景城的 Spectra-Physics 实验室安顿下来，在那里他可以使用能够产生**
7 纳秒脉冲的明亮绿色激光。他带来的摄像机只能拍摄两帧；内贝克想要一对连续的照片——本质上是一部超短电影——来标记光在短时间内传播的进程。
激光将穿过一系列空间，在沿着一个 9 英尺长的桌子以相对角度排列的镜子之间反射。一个 7 英尺长的光脉冲将在 90 纳秒内通过镜子路径。
使用能够拍摄 10 纳秒帧的摄像机，诀窍在于选择要捕捉的 10 纳秒，因为一秒钟内就有 9000 万个这样的周期。几乎没有反应延迟的时间，尽管激光硬件会产生一个脉冲来触发内贝克的摄像机，同时它也会触发激光，但电路和连接激光与摄像机的 20 英尺电缆会在这里和那里增加几纳秒的延迟。
为了捕捉图像，内贝克必须测量并同步激光的延迟和摄像机的延迟。通过一个试错过程，他最终让摄像机在脉冲通过镜子时精确开启。正如预期的那样，100 纳秒的曝光产生了一张图像，第一帧显示整个 90 英尺的路径都被照亮；第二帧是黑暗的。然后他将曝光时间缩短到 50 纳秒，产生了一张第一帧显示一半路径被照亮的图像。然而，第二帧仍然是黑暗的。通过调整帧之间的延迟，他产生了一个第二帧，显示脉冲的尾部消失在镜子路径尽头的终止“光束陷阱”盒中。
内贝克将曝光时间调整到 10 纳秒，这是摄像机的极限，在场的 Spectra-Physics 工程师们开始对他们看到的东西感到兴奋。不出所料，计算机屏幕显示第一帧中只有镜子路径的一条腿有激光。其余部分是黑暗的。第二帧，同样是 10 纳秒，并且在 10 纳秒延迟后曝光，显示了距离第一帧两条的路径被照亮。内贝克捕捉到了激光束在 90 英尺路径中传播的两个离散画面。
这些模糊的黑白数字图像无法通过约翰·伍的审美标准。尽管如此，它们展示了科学小说长期以来所描绘的光——以离散的粒子包的形式在短距离内传播（想想老《星际迷航》中柯克舰长的相位枪，设置为“麻痹”）。小群工程师们兴高采烈。“我想我们需要一个这样的东西！”一位工程师看着 Cordin Model 220 摄像机，眼中充满了渴望，喊道。
毫无疑问，这是一次惊人的展示：Cordin 摄像机成功地将光冻结在原地，仿佛它和飞驰的子弹一样慢。
