lights for super slow motion - HMI

base knowledge:
ARC MOVEMENT:
This is the fast movement you can see around the edges of the beam. It is the same frequency as the output of the ballast, which can be 50 – 100hz depending on the ballast and its settings. Often people call this “flicker”, which a “flicker-free” ballast is designed to prevent.

The cause is the movement of the arc itself. Because the supply to the lamp is AC the current flows through the lamp in one direction, stops momentarily as the supply voltage goes through zero and then flows again in the opposite direction. In effect, the arc is collapsing and reforming very quickly each time the current stops. The age of the lamp. On a new lamp, the surface of the electrodes are clean so the arc can reform anywhere and so moves around. After a few hours, the arc will burn a pit into the electrodes so it is held in one place and is stabilized. When the lamp gets near the end of its life, the surface is oxidized so that the arc jumps from place to place trying to find a good spot to burn and so the movement increases again. Many times a user complains about “flicker” – he says “I tried another lamp and the flicker did not go, so the fault must be in the ballast”. Of course the have used a new lamp and then replaced it with another new one. After some hours of burning the user finds the flicker will be greatly reduced.
The magnetic field from the long electrode. In an MSR lamp (single-ended), the long electrode runs close to arc. This magnetic field tries to push the arc away. This does not occur in the double-ended lamps.
Thermal currents in the lamp. The hot gas tries to move upwards and the arc is carried up with it.
We recommend putting lamps into the Arrisuns with the long electrode at the bottom. That way the magnetic and thermal effects act in the same direction and the arc is more stable.
The frequency of the lamp supply. Higher frequencies are less visible. With an electronic ballast, the most visible effect is seen when the ballast is set to “25fps” which gives a 50Hz supply to the lamp. On the “30fps” setting the output is 60Hz and is less noticeable. On “flicker-free”, the output is 75Hz or more, which is faster than most people can recognize.
The optical system. The effects are reduced by the mixing of the light, which occurs in the lens. In an open-face “PAR” type lamphead such as an Arrisun, the reflector is projecting a picture of the arc so these effects are very visible. When a lens is added the effects are reduced – more for the wider angle lenses. In a head with a Fresnel lens the effect is much less visible. Some other manufacturers of “PAR” type lampheads put a diffusing texture onto the reflector to reduce this effect. ARRI does not do this because it reduces the performance of the lamphead, increases spill light and has no positive effect when wide angle-angle lenses are used.

FLAMING:
The second type of movement is much slower and is often described as “flaming”. It is due to the movement of hot gasses inside the lamp. Again, the effect is more visible in the Arrisuns and also, it is more noticeable in the bigger lamps. On the bigger lamps there is an orange halo around the arc, which makes this effect. If you take maybe six or eight layers of ND filter in a filter frame and look at an Arrisun 60 lamp when it is running, you can see this. It is very beautiful, but be careful not to look directly at the light.

In some cases, a very high level of arc movement can be attributed to a lamp that is faulty, at the end of life or incompatible with the ballast. This can be readily identified buy substituting the lamp with a known good one.

ARC MOVEMENT
La causa è il movimento dell'arco stesso. Poiché l'alimentazione alla lampada è CA, la corrente scorre attraverso la lampada in una direzione, si interrompe momentaneamente quando la tensione di alimentazione passa attraverso lo zero e quindi scorre di nuovo nella direzione opposta. In effetti, l'arco collassa e si riforma molto rapidamente ogni volta che la corrente si interrompe. Su una nuova lampada, la superficie degli elettrodi è pulita in modo che l'arco possa riformarsi ovunque e quindi muoversi. Dopo alcune ore, l'arco brucerà una cavità negli elettrodi in modo che venga trattenuto in un punto e stabilizzato. Quando la lampada si avvicina alla fine della sua vita, la superficie viene ossidata in modo che l'arco salti da un punto all'altro cercando di trovare un buon punto per bruciare e quindi il movimento aumenta nuovamente. Spesso ci si lamenta dello "sfarfallio" - "Ho provato un'altra lampada e lo sfarfallio non si è verificato, quindi l'errore deve essere nel ballast". Ovviamente hanno usato una lampada nuova e poi l'hanno sostituita con un'altra nuova. Dopo alcune ore di lavoro, l'utente scopre che lo sfarfallio sarà notevolmente ridotto.
In una lampada MSR (single-ended), l'elettrodo lungo corre vicino all'arco. Questo campo magnetico cerca di allontanare l'arco. Ciò non si verifica nelle lampade a doppia estremità.
Il gas caldo cerca di spostarsi verso l'alto e l'arco viene trasportato con esso.
Si consiglia di inserire le lampade negli Arrisun con l'elettrodo lungo in basso. In questo modo gli effetti magnetici e termici agiscono nella stessa direzione e l'arco è più stabile.
La frequenza di alimentazione della lampada. Le frequenze più alte sono meno visibili. Con un reattore elettronico, l'effetto più visibile si vede quando il reattore è impostato su "25 fps", che fornisce un'alimentazione di 50 Hz alla lampada. Con l'impostazione "30fps" l'uscita è 60Hz ed è meno evidente. Su "sfarfallio", l'uscita è di 75 Hz o più, che è più veloce di quanto la maggior parte delle persone possa riconoscere.
Gli effetti sono ridotti dalla miscelazione della luce, che si verifica nell'obiettivo. In un gruppo lampada tipo "PAR" aperto come un Arrisun, il riflettore proietta un'immagine dell'arco, quindi questi effetti sono molto visibili. Quando viene aggiunto un obiettivo, gli effetti si riducono, di più per gli obiettivi grandangolari. In una testa con lente di Fresnel l'effetto è molto meno visibile. Alcuni altri produttori di portalampade di tipo "PAR" applicano una trama diffondente sul riflettore per ridurre questo effetto. ARRI non lo fa perché riduce le prestazioni del gruppo lampada, aumenta la dispersione della luce e non ha alcun effetto positivo quando vengono utilizzati obiettivi grandangolari.

FLAMING
Il secondo tipo di movimento è molto più lento ed è spesso descritto come “flaming”. È dovuto al movimento dei gas caldi all'interno della lampada. Anche in questo caso, l'effetto è più visibile negli Arrisun e anche nelle lampade più grandi. Sulle lampade più grandi c'è un alone arancione attorno all'arco, che crea questo effetto. Se di posizionano 6-8 strati di filtro ND in un telaio e si guarda una lampada Arrisun 60 quando è in funzione, il flaming può essere visibile. Attenzione a non guardare direttamente la luce.

In alcuni casi, un livello molto elevato di movimento dell'arco può essere attribuito a una lampada difettosa, a fine vita o incompatibile con il ballast. Questo può essere facilmente identificato sostituendo la lampada con una nota buona.

Andy Barnett, supporto tecnico ARRI GB Lighting

Tips for high speed filming with HMIs

Use the maximum shutter angle possible. Stay as far as possible away from the 100 micro-second (100,000 nano-second) minimum capture time.
Set the ballast to 300Hz mode to reduce rhythmic arc variations.
If ‘breathing’ in the light pattern can still be seen on playback, then select 1,000Hz mode to shift this to a non-problematic frequency. Remember to run auto-scan on the ballast, or manually tune to avoid acoustic resonances.
Conclusions

HMI light sources are available with enormous light output making them great tools for capturing images at high speed. With the sort of maximum frame rates typically used in cinematic filming (1,000fps, 2,500fps, 5,000fps) perfect results can be achieved by following the simple steps described above. In most cases, the 300Hz ballast setting will give flawless results, and avoids the need to tune the ballast frequency. The 1,000Hz setting is another ‘tool in the bag’ for difficult situations.

For specialist situations such as scientific analysis with frame rates approaching or exceeding 10,000fps, it may be necessary to use multiple fixtures to dilute the effects of the square-wave transition.

source: PowerGem

Suggerimenti per riprese ad alta velocità con HMI

Utilizzare l'angolo massimo dell'otturatore possibile. Rimanere il più lontano possibile dal tempo di acquisizione minimo di 100 microsecondi (100.000 nanosecondi).
Impostare il ballast in modalità 300Hz per ridurre le variazioni dell'arco ritmico.
Se durante il playback è ancora possibile vedere il "respiro" della lampada, selezionare la modalità 1.000 Hz per spostarla su una frequenza non problematica. Ricordarsi di eseguire la scansione automatica sul ballast o di sintonizzare manualmente per evitare risonanze acustiche.

Le sorgenti luminose HMI sono disponibili con un'enorme emissione di luce che le rende ottimi strumenti per l'acquisizione di immagini ad alta velocità. Con il tipo di frame rate massimo tipicamente utilizzato nelle riprese cinematografiche (1.000 fps, 2.500 fps, 5.000 fps) è possibile ottenere risultati perfetti seguendo i semplici passaggi sopra descritti. Nella maggior parte dei casi, l'impostazione del ballast a 300 Hz darà risultati impeccabili ed evita la necessità di regolare la frequenza del ballast. L'impostazione di 1.000 Hz è un altro "strumento" per situazioni difficili.

Per situazioni specialistiche come l'analisi scientifica con frame rate prossimi o superiori a 10.000 fps, potrebbe essere necessario utilizzare più dispositivi per diluire gli effetti della transizione dell'onda quadra.

Source: PowerGem

https://vimeo.com/190103271 (thanks to PowerGem and Digital cinema Society)