Затвор фотоаппарата: устройство и типы

Введение

Компонент фотокамеры

В фотографии затвор – это устройство, которое позволяет свету проходить в течение определенного времени, экспонируя фотопленку или светочувствительный цифровой сенсор для создания постоянного изображения сцены. Затвор также может использоваться для выпуска импульсов света, как, например, в кинопроекторе или сигнальной лампе. Затвор с регулируемой скоростью используется для управления временем экспозиции пленки. Конструкция затвора предусматривает его автоматическое закрытие по истечении заданного интервала времени. Скорость затвора контролируется либо автоматически камерой на основе общих настроек, либо вручную через цифровые настройки, либо вручную с помощью кольца на корпусе камеры, на котором обозначены различные значения выдержки.

Простая листьяная жалюзи

Простой затвор-лепесток — это тип камерного затвора, состоящий из механизма с одним или несколькими поворотными металлическими лепестками, которые обычно не пропускают свет через объектив на плёнку, но при срабатывании открывают затвор, перемещая лепестки, чтобы раскрыть объектив на необходимое время для экспонирования, а затем закрываются. Простые затворы-лепестки имеют один или два лепестка, которые поворачиваются, чтобы пропустить свет к объективу при срабатывании. Если используются два лепестка, они имеют изогнутые края для создания приблизительно круглой апертуры. Обычно они имеют только одну выдержку и часто встречаются в простых камерах, включая одноразовые камеры. Некоторые модели имеют более одной выдержки.

Замок гильотины

В простейшей версии гильотинного затвора пластина с апертурой скользит перед отверстием объектива. Простые версии 1880-х и 1890-х годов часто назывались падающими затворами. Они работали вертикально и обычно приводились в движение резиновой лентой, пружиной или просто силой тяжести. Позже их стали устанавливать для горизонтального движения в ручных камерах, где они приводились в действие пружиной с предварительным натяжением или пневматической системой регулирования.

Простая роторная жалюзи

Многие недорогие камеры-коробки имели затвор, состоящий из круглого металлического диска с проделанным в нем отверстием и пружинного рычага спуска. Цельный диск блокировал попадание света в камеру. При нажатии на рычаг спуска пружина заставляла диск быстро вращаться на один оборот, так что отверстие проходило перед отверстием объектива и пропускало свет в течение короткого момента. Ротационные затворы обычно имели только одну фиксированную и неточную выдержку, хотя в большинстве камер была предусмотрена установка "Выдержка", которая удерживала затвор открытым при нажатии на рычаг спуска, позволяя делать более длительные экспозиции.

Полусферный

Пластина затвора состояла из части сферы, интегрированной для вращения позади объектива. Это был тип затвора, используемый в камере "Фотосфера" и других моделях.

Замкнутое отверстие диафрагмы

Диафрагменный или лепестковый затвор (в отличие от простого лепесткового затвора) состоит из ряда тонких лепестков, которые кратковременно открывают апертуру камеры для осуществления экспозиции. Лепестки скользят друг относительно друга таким образом, что создается круговая апертура, которая максимально быстро расширяется, открывая всю линзу, остается открытой в течение необходимого времени, а затем закрывается тем же образом. Чем больше число лепестков, тем точнее круглая форма апертуры. Синхронизация со вспышкой легко достигается с помощью пары контактов, замыкающихся при полном открытии затвора. В идеале затвор открывается мгновенно, остается открытым столько, сколько требуется, и закрывается мгновенно. Это в значительной степени верно на более медленных выдержках, но по мере приближения к максимальным значениям затвор в течение значительной части времени экспозиции не полностью открыт. Фактически, затвор действует как дополнительная диафрагма и может привести к увеличению глубины резкости, что нежелательно при творческом использовании малой глубины резкости. Или же это может вызвать механическое виньетирование, если диафрагма расположена вне линзы (например, как в затворе фокальной плоскости или аподизационном фильтре). Термин «диафрагменный затвор» также использовался для описания оптической щели вблизи фокальной плоскости высокоскоростной камеры с движущейся пленкой. Некоторые типы и производители лепестковых затворов стали широко известны. Ранние затворы Compound имели пневматический механизм с поршнем, скользящим в цилиндре против сопротивления воздуха. Они были тише механических на медленных выдержках, но потенциально менее точны. Более точные механические приводы затем заменили воздушный тормоз, и немецкий Compur, а позже Synchro Compur, стали практически эталонными затворами по качеству. Позже японский Copal широко использовался в качественном оборудовании. Также широко применялись немецкие Prontor и японские Seikosha. «Вверх и вниз с Compur»: развитие и фотоисторическое значение лепестковых затворов, Клаус Эккард Рисс, перевод Роберта «Профессора» Стоддарда. Лепестковые затворы под марками Compur, Copal и Seiko больше не производятся. Возможна чрезвычайно быстрая работа затвора, поскольку отсутствуют движущиеся части или последовательная передача данных. Глобальный затвор также может использоваться для видео в качестве альтернативы дисковым затворам. Для работы с изображениями, полученными датчиками без полного кадра с маскировкой, требуется последовательная передача данных освещенных пикселей, известная как rolling shutter. Rolling shutter сканирует изображение построчно, так что разные строки экспонируются в разные моменты времени, как и в механическом затворе фокальной плоскости, что может приводить к геометрическим искажениям, таким как перекос или дрожание, при движении камеры или объекта. Сегодня большинство цифровых камер используют комбинацию механического и электронного затворов или только механический затвор. Механический затвор может работать с выдержками до 1/16000 секунды (например, пленочная камера Minolta Dynax/Maxxum/α 9 имела максимальную выдержку 1/12000, что было рекордом для своего времени, а более поздние цифровые Nikon серии D1 – 1/16000), в то время как электронный затвор может работать с выдержками не менее 1/32000 секунды, что используется во многих камерах с большим зумом и в настоящее время во многих камерах Fujifilm APS-C (X Pro2, X T1, X100T и другие). Стек-сенсоры CMOS объединяют сам сенсор изображения с АЦП и цифровой памятью в одном корпусе. Считывание данных с этих сенсоров происходит быстрее, чем с традиционных, поскольку оцифрованное изображение передается в цифровую память, расположенную непосредственно в сенсоре, во время считывания, а затем уже передается из сенсора. Это обеспечивает электронный затвор, скорость работы которого сопоставима со скоростью механического затвора фокальной плоскости. Некоторые камеры, использующие стек-сенсоры, такие как Nikon Z 9, полностью отказались от механического затвора. Динамический диапазон и шумовые характеристики не ухудшаются, поскольку эти сенсоры не используют глобальный затвор.

A diaphragm or leaf shutter (as distinct from the simple leaf shutter above) consists of a number of thin blades which briefly uncover the camera aperture to make the exposure. The blades slide over each other in a way which creates a circular aperture which enlarges as quickly as possible to uncover the whole lens, stays open for the required time, then closes in the same way. The larger the number of blades, the more accurately circular is the aperture. Flash synchronization is easily achieved with a pair of contacts that close when the shutter is fully open. Ideally the shutter opens instantaneously, remains open as long as required, and closes instantaneously. This is essentially the case at slower speeds, but as speeds approach their maximum the shutter is far from fully open for a significant part of the exposure time. Effectively the shutter acts as an additional aperture, and may cause an increased depth of field, undesirable if shallow focus is being used creatively. Or it may cause mechanical vignetting if the diaphragm is outside of the lens (like a focal plane shutter or apodization filter). The term diaphragm shutter has also been used to describe an optical stop with a slit, near the focal plane of a moving film high speed camera. A few types and makers of leaf shutters became very well known. The early Compound shutter had a pneumatic mechanism, with a piston sliding against air resistance in a cylinder. They were quieter at slow speeds than clockwork, but potentially very inaccurate. More accurate clockwork mechanisms then replaced the airbrake, and the German Compur, and the later Synchro Compur, became virtually the standard quality shutter. Later the Japanese Copal shutter was widely adopted in quality equipment. The German Prontor and Japanese Seikosha shutters were also widely used. Up and Down with Compur: The development and photo historical meaning of leaf shutters, by Klaus Eckard Riess, translated by Robert "The Professor" Stoddard Leaf shutters under the Compur, Copal, and Seiko names are no longer manufactured. Extremely fast shutter operation is possible as there are no moving parts or any serialized data transfers. Global shutter can also be used for videos as a replacement for rotary disc shutters. Image sensors without a shaded full frame double must use serialized data transfer of illuminated pixels called rolling shutter. A rolling shutter scans the image in a line by line fashion, so that different lines are exposed at different instants, as in a mechanical focal plane shutter, so that motion of either camera or subject will cause geometric distortions, such as skew or wobble. Today, most digital cameras use combination of mechanical shutter and electronic shutter or mechanical shutter solely. Mechanical shutter can accommodate up to 1/16000 seconds (for example the Minolta Dynax/Maxxum/α 9 film camera had a maximum of 1/12000, a record in its era, and the later digital Nikon D1 series were capable of 1/16000), while electronic shutter can accommodate at least 1/32000 seconds, used for many superzoom cameras and currently many Fujifilm APS C cameras (X Pro2, X T1, X100T and others). Stacked CMOS sensors combine the image sensor itself with ADCs and digital memory in the same package. The readout of these sensors is faster than traditional sensors, because the digitized image is transferred into the digital memory in the sensor itself during readout and only afterwards transferred out of the sensor. This results in an electronic shutter which is as fast as a mechanical focal plane shutter. Some cameras using stacked sensors, like the Nikon Z 9, completely removed the mechanical shutter. Dynamic range and noise performance are not compromised, because these sensors do not utilize a global shutter.

Задержка затвора

Задержка затвора – это время между моментом нажатия кнопки спуска затвора и началом экспонирования. Если на большинстве плёночных и некоторых цифровых камер эта задержка была несущественной, то многие цифровые камеры демонстрируют значительную задержку, что может создавать проблемы при съёмке быстродвижущихся объектов, например, в спортивной или динамичной съёмке. Задержка срабатывания у беззеркальной камеры, такой как Pentax X90 2010 года выпуска, относительно невелика – 1/50 секунды, или 21 миллисекунда (мс). У зеркальной камеры Canon 50d заявленная задержка составляет 131 мс. Во многих случаях причиной задержки затвора является задержка автофокусировки (AF). Более доступные камеры, а также съёмка в условиях низкой освещённости или недостаточного контраста усиливают этот эффект, и именно в таких ситуациях задержка AF становится наиболее заметной. Большинство систем автофокусировки используют контраст для определения резкости; в условиях низкой контрастности скорость, с которой камера определяет оптимальную фокусировку, может быть ощутимой. Поскольку большинство современных камер не активируют затвор, пока не завершится автофокусировка, результатом является задержка затвора. В таких случаях фотограф может переключиться на ручную фокусировку, чтобы избежать задержки, вызванной функцией автофокусировки.

Цикл затвора

Цикл работы затвора — это процесс открытия, закрытия и возврата затвора в исходное положение, готовое к следующему открытию. Ресурс механического затвора часто указывается в количестве циклов работы. Большинство цифровых камер сохраняют информацию о циклах работы затвора вместе с фотографиями, включая важные данные, такие как выдержка, диафрагма и общее количество срабатываний затвора. Существует множество веб-сайтов и приложений для доступа к данным EXIF.

Замкнутое отверстие проектора

При кинопроекции затвор пропускает свет от лампы для освещения пленки на экране. Чтобы избежать мерцания изображения, роторный диск с двумя лезвиями пропускает свет дважды за каждый кадр пленки при 24 кадрах в секунду, что дает 24 * 2 = 48 Гц, что соответствует нижнему порогу слияния мерцания. Для 16 кадров в секунду (большинство немых фильмов и "Регулярный 8 мм") и 18 кадров в секунду ("Super 8") используется трехлепестковый затвор, поскольку 16 * 3 = 48 Гц и 18 * 3 = 54 Гц. Затворы также используются для регулирования световых импульсов без использования пленки, например, в сигнальных лампах.