Понятие электронного затвора
Среднее время чтения — 2 мин. 54 сек. Обновлено 23.12.2022.
Большинство понятий, характерных для классического (механического) фотоаппарата, перекочевало и в мир цифровых камер. Для того чтобы не усложнять жизнь простых обывателей, производители современных девайсов пошли по принципу сохранения, уже привычных и понятных, характеристик съемочного процесса. Выдержка («Shutter Speed»), чувствительность («ISO»), затвор («Shutter») и т.д. сейчас, по сути, это все электронные процессы.
В отличие от первых пленочных моделей фотоаппаратов, где затвор являлся механическим устройством, то сейчас практически всегда представлен электронной схемой, которая управляет процессом считывания информации с матрицы. Для простоты понимания условимся, что электронный затвор — это электронная схема, которая в течении определенного времени (выдержки) подает напряжение на матрицу, при этом все остальное время — матрица обесточена.
Виды электронных затворов
В зависимости от метода считывания информации с CMOS-матрицы, выделяют два вида электронных затворов: кадровый затвор (Global Shutter, глобальный затвор, технология общего/глобального экспонирования) и скользящий затвор (Rolling Shutter, технология построчного экспонирования)
При кадровом затворе изображение формируется мгновенно, точно так, как и при фотографировании, т.е. все пиксели матрицы, отведенные для работы, передают информацию одновременно. Время работы сенсора равно выдержке, которая устанавливается в фотоаппарате заранее.
Основы фотографии #5.8
Несколькими предыдущими статьями я охватил два типа 1 конструкций фотографических затворов: шторно-щелевой и лепестковый. Оба типа настолько отличаются друг от друга, что каждый из них обладает разнообразным набором особенностей, которые фотографу целесообразно учитывать в своей практике.
Несмотря на существенные различия и шторно-щелевой, и лепестковый затворы являются внешними приборами по отношению к светочувствительному сенсору и относятся к механизмам. Другими словами, рассмотренные устройства имеют габариты, соизмеримыми с габаритами сенсора, включают в себя подвижные узлы и выполняют свою функцию – преграждение и «дозированное» пропускание потока световых лучей – благодаря перемещению деталей.
Электронный затвор (от англ. electronic shutter) – я обращусь к нему в настоящей и нескольких следующих статьях – едва ли обладает хотя бы одним из перечисленных свойств. Здесь открывается новая вселенная с индивидуальными закономерностями и вытекающими особенностями, на которые фотографу, применяющему цифровые технологии, желательно обратить внимание, если он хочет достигнуть высококлассных результатов при оптимальных расходах. Предлагаю плавно переместиться во вселенную Электронного Затвора и разобраться, как в ней «всё» устроено, и как её устройство влияет на создание фотографических изображений. Скажу сразу, эта вселенная не только интересная и перспективная, но уже в настоящем времени раскрывающая перед фотографами различных направлений возможности, которые несколькими годами ранее (примерно 5-25 лет назад) существовали лишь в воображении. Например, запечатлеть столкновение реактивного снаряда с препятствием в условиях съёмки с естественным освещением без электронного затвора едва ли возможно.
Чтобы дальнейшее изложение стало для Вас максимально эффективным, предлагаю Вам сделать паузу и вспомнить устройство и принцип действия светочувствительного сенсора, а также типы сенсоров, применяемые в фотографии. Освежите в памяти свои знания с помощью второго раздела четвёртой части серии «Основы фотографии».
Что такое электронный затвор?
К поиску ответа подойду с обратной стороны. Сначала опишу то, чем не обладает электронный затвор, и чем последний не является.
Он едва ли имеет подвижные механические детали. Более того, электронный затвор едва ли является механизмом. Я не могу его пощупать, увидеть, описать его составные части, их расположение относительно друг друга.
Электронный затвор, по факту, не «затворяет» свет, не преграждает путь световым лучам наравне со своими «старшими братьями». Другими словами, слово «затвор» в названии является, скорее, номинальным. Тем не менее, электронный «затвор» успешно осуществляет ту же основную функцию, которую выполняют и шторно-щелевой, и лепестковый затворы. Сформулирую её следующим образом.
Основная функция любого фотографического затвора – обеспечить фотографу возможность управлять светом, непрерывно во времени облучающим светочувствительный слой. Диафрагма может изменять освещённость последнего, другими словами, регулировать количество световых лучей, которые достигают поверхности светочувствительного слоя. Затвор же может прерывать излучение. Он позволяет сделать непрерывный поток световых лучей, достигших поверхности светочувствительного слоя, конечным во времени.
Помимо того, что электронный затвор не механизм, он, также, не является устройством, веществом, состоящим из атомов, или электромагнитным полем, или, даже, межзвёздной средой.
Электронным затвором буду называть метод, с помощью которого светочувствительный сенсор учитывает количество фотонов 2 , достигших поверхности последнего.
Метод реализуется одновременно на нескольких уровнях. На уровне атомов физических веществ (отсюда и название «электронный», то есть «связанный с электронами 3 »), на уровне компонентов, образующих светочувствительный сенсор, и на уровне программ, которые управляют физическими процессами, происходящими в сенсоре 4 .
Метод реализуется различными способами, которые, в частности, зависят от типа светочувствительного сенсора. Выбор способа оказывает прямое влияние на создаваемое цифровое изображение, а также как на технические, так и на художественные возможности фотографа. Начиная со следующей статьи, я рассмотрю шесть способов, по сути, шесть конструкций светочувствительных сенсоров, которые Вы можете встретить, фотографируя с помощью цифровой камеры 5 . Чтобы повысить эффективность рассмотрения, облегчить восприятие способов, проведу предварительную подготовку.
Опишу несколько структурных особенностей, характерных черт электронного затвора.
Инженеры-разработчики современных фотографических систем могут реализовывать его, по определению, в цифровых фотоаппаратах. Однако, Вы едва ли встретите электронный затвор в «плёночных» камерах. В последних изображение получается за счёт слабоуправляемой химической реакции, а не регулируемых последовательных операций с электронами, выполняемых микросхемами 6 . Поэтому электронный затвор естественным образом появился вместе с КМОП-сенсорами 7 и светочувствительными сенсорами, построенными по принципу ПЗС 8 (далее я буду называть такие сенсоры, просто, ПЗС). Благодаря обоим существует, в частности, современная фотография.
Электронный затвор в отличие от шторно-щелевого или лепесткового затворов, которые являются отдельными и съёмными механизмами, едва ли может находится где-то кроме, как «внутри» светочувствительного сенсора. Электронный затвор можно рассматривать как одну из функций сенсора. При необходимости в сервисном центре Вам могут заменить шторно-щелевой или лепестковый затвор, а вместо замены электронного затвора квалифицированный специалист предложит Вам заменить светочувствительный сенсор и\или, возможно, управляющую схему фотоаппарата и\или встроенное в последний программное обеспечение, так называемую, «прошивку» (на англ. firmware).
Я привёл определение и обозначил «внешние» характерные черты электронного затвора. Теперь обращусь к практической стороне.
Каков принцип действия электронного затвора?
Если на мгновение (до конца текущего абзаца) посмотреть на рассматриваемый затвор как на некое устройство, которое можно пощупать, то оно в определённый момент перестаёт «обращать на свет внимание». И тем осуществляет основную функцию фотографического затвора.
Опишу метод подробнее. Для этого дополнительно, вначале, уточню, как фотоны, «уловленные» 9 произвольным сенселем, «превращаются» в электрическое напряжение, и вспомню, что происходит дальше с последним.
Фотоны распространяются непрерывно во времени. Если светонепроницаемый материал не стоит у них на пути, сенсели беспрепятственно «улавливают» их. В результате взаимодействия с фотонами сенсели накапливают электроны, освободившиеся благодаря поглощению фотона и «впитыванию» его энергии. Порцию свободных электронов здесь и далее в настоящей статье я буду называть электрическим зарядом и для удобства изложения жонглировать синонимами «электрический заряд» и «порция электронов».
С помощью специального элемента электронных схем – конденсатора – электрический заряд «пересчитывается» в электрическое напряжение. В зависимости от типа светочувствительного сенсора – КМОП-сенсор или ПЗС – «пересчёт» может производить конденсатор, встроенный непосредственно внутрь сенселя, или конденсатор, расположенный за пределами сенселя.
Затем, вне зависимости от типа светочувствительного сенсора специальная минисхема – аналогово-цифровой преобразователь – кодирует каждое значение электрического напряжения последовательностью «единиц» и «нулей», другими словами, оцифровывает величину электрического напряжения. Например, произвольный сенсель «уловил» 110 фотонов, освободилось 100 электронов, последние накопились в сенселе. Попав в конденсатор, 100 электронов породили на выводах последнего электрическое напряжение равное, условно, 1-ому вольту. Аналогово-цифровой преобразователь «измерил» электрическое напряжение на выводах конденсатора и «приписал» 1-ому вольту число равное, например, «0000 0000 0000 0000 01».
В некоторых светочувствительных сенсорах могут «трудиться» параллельно несколько аналогово-цифровых преобразователей. Тогда за заданный промежуток времени они могут оцифровать электрические заряды, накопленные несколькими сенселями. Далее я отмечу, что параллельное выполнение некоторых процессов, протекающих в сенсоре, помогает увеличить производительность реализованного в нём электронного затвора.
Особенность «улавливания» фотонов сенселями заключается в том, что световые лучи распространяются, как я отмечал ранее, непрерывно во времени. Другими словами, пока на поверхность светочувствительного сенсора проецируется оптическое изображение, каждый сенсель непрерывно «улавливает» фотоны. Как следствие, каждый сенсель способен постоянно накапливать электроны. Этот процесс похож на ситуацию, когда я беру ёмкость и подставляю её под струи горного водопада: вода непрерывно течёт, постепенно заполняя ёмкость.
По сути, «светлота» будущей фотографии определяется порциями свободных электронов, накопленных каждым сенселем. Такой временной промежуток (на английском языке его называют integration time – «время интегрирования») и будет выдержкой. Чем дольше сенсели «улавливают» фотоны, тем больше накопится электронов, тем больше будет величина электрического напряжения, … тем больше будет экспозиция и, как следствие, более светлым будет выглядеть изображение.
Метод заключается в том, чтобы посчитать электроны, которые накопились в каждом сенселе в течение заданного промежутка времени. Реализовывать метод можно различными способами. В последующих статьях я опишу несколько из них в деталях.
«Открытие» электронного затвора – это момент времени. Начиная с него, произвольный сенсель накапливает порцию электронов, которая затем будет «взвешена». При этом, до «открытия» электронного затвора рассматриваемый сенсель может накапливать электроны, но учитываться они не будут.
«Закрытие» электронного затвора – это момент времени, с которого начинается оценивание порции накопленных электронов. При этом, накопление электронов сенселем может продолжаться и происходить одновременно с «подсчётом».
Так как каждый сенсель вносит вклад в будущее цифровое изображение, то для того чтобы построить последнее, необходимо оценить электрические заряды, накопленные каждым сенселем. Тем не менее, «открытие» и «закрытие» электрического затвора может происходить индивидуально для каждого сенселя или группы сенселей. Через один абзац я обозначу, как это отражается на итоговом изображении.
Рассмотрю процесс съёмки «со стороны» произвольного сенселя:
Рис. 1. Две схемы, демонстрирующие принцип действия электронного затвора. Рассматривается съёмка – создание одного цифрового изображения – во времени. Верхняя схема иллюстрирует действие электронного затвора светочувствительного сенсора, сенсели которого накапливают электроны непрерывно во времени. Нижняя схема иллюстрирует действие электронного затвора такого сенсора, в котором накопление электронов сенселями происходит в течение определённого промежутка времени. Обозначения на схеме: t0 – «открытие» электронного затвора; t1 – «закрытие» электронного затвора; t2 – момент времени, в который завершается «подсчёт» электронов; 1 – площадь заштрихованной фигуры отражает экспозицию – количество накопленных электронов рассматриваемым сенселем за промежуток времени от t0 до t1. Временной промежуток от t0 до t1 – выдержка или, другими словами, длительность экспонирования 10 . Временной промежуток от t1 до t2 – длительность «подсчёта». Последнюю я изобразил на схемах более продолжительной, чем выдержку. На практике «подсчёт» электронов, оставаясь примерно постоянным временным промежутком для конкретной конструкции светочувствительного сенсора, может совершаться как медленнее, так и быстрее экспонирования, длительность которого определяет фотограф.
Как я отмечал ранее, «открытие» и «закрытие» электронного затвора может происходить в разное время для каждого сенселя. От того, насколько синхронно для всех сенселей начинаются два процесса: накопление электрических зарядов, которые будут «посчитаны», и «подсчёт» – будет зависеть однородность экспозиции во времени и/или по площади кадра. Неоднородность экспозиции обусловливает наличие, степень и характер искажений будущего изображения. Рассматривая по очереди способы реализации электронного затвора, я буду определять и иллюстрировать каждое искажение.
От конструкции светочувствительного сенсора зависят возможности (характеристики) электронного затвора, присущие и другим типам фотографических затворов: длительности наикратчайшей выдержки и выдержки синхронизации, производительность 11 , однородность экспозиции во времени и по площади кадра.
В то же время, конструкция сенсора обусловливает «собственные» 12 характеристики: динамический диапазон, чувствительность, уровень шума, разрешение (количество эффективных сенселей), разрешающую способность, потребление энергии, выделение тепла и, как следствие, способ его отвода, скорость протекающих процессов («подсчёта» электронов, аналогово-цифрового преобразования и так далее), себестоимость и другие параметры.
Таким образом, в частности, от способа реализации электронного затвора будет зависеть техническое качество изображения 13 , стоимость камеры и возможности фотографа в съёмке. Например, можно ли запечатлеть без искажений различные фазы движения спринтера во время соревнований или можно ли создать качественные фотографии, освещая снимаемую сцену импульсными источниками света или светодиодными лампами. Рассматривая далее каждый способ, я буду выделять как связь способа с характеристиками сенсора, указанными в предыдущем абзаце, так и влияние определённого набора параметров на практику фотографа.
Завершая подготовку, в начале следующей статьи я уточню и дополню знания о характеристиках светочувствительных сенсоров. Впервые определения и особенности динамического диапазона, чувствительности, цифрового шума и разрешения я привёл в «Основы фотографии # 4.4». Такие знания помогут Вам сориентироваться в особенностях различных способов реализации электронного затвора. Затем рассмотрю электронный затвор современных ПЗС: всего опишу четыре конструкции светочувствительных сенсоров названного типа.
Завершая настоящую статью, подведу промежуточный итог.
Электронный затвор едва ли «преграждает» поток световых лучей, проецируемый на поверхность светочувствительного сенсора. Более того, электронный затвор не является механизмом, не обладает подвижными частями.
С одной стороны, электронный затвор – это метод, которым сенсор определяет, сколько фотонов «уловил» каждый сенсель в течение заданного промежутка времени. При этом, такой временной промежуток можно называть выдержкой, а количество электронов, которые освободились благодаря «уловленным» фотонам – экспозицией.
С другой стороны, электронный затвор – это функция светочувствительного сенсора, которую инженеры реализовали как в конструкции последнего, так и в процессах, которые протекают в сенсоре и регулируются программами. Поэтому параметры электронного затвора можно рассматривать в составе параметров сенсора. Хотя, в спецификациях к цифровым фотоаппаратам характеристики электронного затвора, чаще всего, указывают традиционно в отдельном разделе «Затвор».
В «плёночной» фотографии электронный затвор Вы едва ли встретите, в то время как шторно-щелевой и лепестковый затворы активно применяются как в аналоговых, так и в цифровых камерах.
«Открытие» и «закрытие» электронного затвора – это моменты времени, после которых начинается накопление электронов сенселями и «подсчёт» накопленных электронов, соответственно. Сенсели «улавливают» фотоны и способны накапливать электроны непрерывно, постоянно, пока оптическое изображение проецируется на поверхность сенсора. Основываясь на утверждениях выше, принцип действия электронного затвора могу описать следующими словами. Затвор открывается и изображение начинает создаваться, когда сенсор «обращает внимание» на свет. Затвор закрывается, создание изображения завершается, когда сенсор «игнорирует» свет.
Электронный затвор можно реализовывать разными способами. Способ реализации обусловливает характеристики как электронного затвора, так и сенсора. В свою очередь, совокупность характеристик оказывает влияние на возможности фотографа и на техническое качество итогового изображения. Я рассмотрю всего шесть способов, другими словами, шесть конструкций светочувствительных сенсоров.
Примечание:
1 Фотографические затворы можно классифицировать по различным критериям. По месторасположению относительно светочувствительного сенсора: «внутрисенсорный», фокальный, залинзовый, межлинзовый (или центральный) и долинзовый. Такую классификацию я взял за основу в начале пятой части серии. По типу конструкции: шторно-щелевой или лепестковый – и по уровню и характеру функционирования: механический, электромеханический и электронный. Современные лепестковые затворы могут быть механическими и электромеханическими (в соответствующей статье я, следуя сложившейся традиции, назвал их электронными, хотя в эпоху цифровых технологий такое название требует уточнения), а современные шторно-щелевые затворы являются преимущественно электромеханическими. Последнее означает, что подвижные части затвора приводятся в движение и сам затвор управляется не только за счёт напряжения и расслабления пружин, но и за счёт электрического тока и магнитного взаимодействия. Обратно к тексту.
2 Под фотонами я понимаю частицы (мне удобно воспринимать их в виде крошечных шариков), образующие свет и обладающие энергией, которой с удовольствием готовы делиться при взаимодействии с различными веществами. Поток световых лучей суть поток фотонов. Последние можно ещё воспринимать как непрерывно перемещающиеся сгустки энергии, так как рассматриваемая частица является безмассовой. Обратно к тексту.
3 Под электронами я понимаю частицы («шарики»), обладающие массой и электрическим зарядом. Преимущественно они входят в состав веществ. А находясь в свободном состоянии, обусловливают такое явление как электрический ток. Обратно к тексту.
4 Под программным управлением здесь я понимаю ряд процессов, в результате которых одно простое действие приводит к выполнению серии разнообразных и часто сложно осуществимых неподготовленным человеком действий.
Например, я – фотограф – нажимаю на кнопку спуска затвора в цифровом фотоаппарате. «Взамен» моему простому действию компьютер, встроенный в камеру, выполняет заданную серию логических операций – программу. Выполняя её, он включает с определённой задержкой во времени два электромагнита, каждый из которых приводит в движение свой набор светонепроницаемых пластин шторно-щелевого затвора. Я слышу лишь звук перемещающихся шторок. Однако, чтобы они пришли в движение с заданной паузой, я не прилагаю к ним непосредственных усилий. К тому же, на мой взгляд, было бы трудно перемещать пластинки со скоростью 4 метра в секунду так, чтобы между началом движения первой и второй шторки было, например, 0,25 миллисекунды (1/4000 секунды) вне зависимости от попытки (кадра).
Хотя, аналогичным способом – вручную – фотографы открывали затворы своих камер в 19-ом веке. В те времена ручное управление было возможным, потому что из-за слабой «восприимчивости» светочувствительных материалов требовались выдержки в сотни тысяч раз более длинные, чем в современной фотографии. Обратно к тексту.
5 В рамках серии «Основы фотографии» я рассматриваю конструкции светочувствительных сенсоров, которые устанавливают в цифровые фотоаппараты, применяемые в художественных целях. Тем не менее, параллельно существуют конструкции, разработанные для решения научных и промышленных задач, например, для исследования космоса или для наблюдения за дорожным трафиком. Обратно к тексту.
6 Электронная микросхема – это комплекс компонентов, который оригинальным заранее известным способом изменяет, преобразуют, параметры электрического тока.
Например, если на вход комплекса «подать» электрический ток, напряжение которого равно 5 вольтам, а на выходе «снять» электрический ток, напряжение которого равно 10 вольтам, то «оригинальность» способа у данной микросхемы заключается в усилении электрического напряжения. Такая микросхема называется усилителем.
Любой светочувствительный сенсор – это микросхема, которая содержит компоненты, преобразующие фотоны в свободные электроны, и может включать в себя другие микросхемы. Входящие в состав «большой» микросхемы «маленькие» микросхемы я для удобства называю минисхемами. Обратно к тексту.
7 КМОП-сенсор (аббр. от «сенсор, построенный по технологии “комплементарные структуры металл-окисел-полупроводник”»; на англ. CMOS image sensor – «complementary metal-oxide-semiconductor image sensor») – это электронная микросхема, которая представляет из себя «фабрику».
Самый большой «цех» состоит из одинаковых независимых «бригад» – минисхем. Каждая минисхема «улавливает» фотоны из определённой части оптического изображения, спроецированного на поверхность сенсора, и «производит» с помощью них электроны. Затем «считает» последние и ставит в соответствие их количеству электрическое напряжение.
Следующий «цех» усиливает и преобразует электрическое напряжение, «произведённое» каждой «бригадой», в последовательность электрических импульсов: «единиц» и «нулей». Например, когда электрическое напряжение в течение одной секунды равно 5 вольтам, то такое событие считается «единицей», когда электрическое напряжение в течение одной секунды равно 1 вольту, событие считается «нулём». В итоге, два фотона, «уловленные» одним сенселем, могут «кодироваться» серией импульсов, например, «01», а три фотона – серией «10».
Дополнительно, на территории «фабрики» функционирует несколько административных «учреждений», которые занимаются согласованием процессов, происходящих внутри каждого «цеха» и между «цехами».
Последовательности «единиц» и «нулей» – будущее цифровое изображение. Сенсели – одинаковые элементы светочувствительного сенсора, вступающие во взаимодействие с фотонами и накапливающие в результате последнего свободные электроны – КМОП-сенсора являются минисхемами. Обратно к тексту.
8 ПЗС (аббр. от «прибор с зарядовой связью»; на англ. CCD – «Charge-Coupled Device») – это электронная микросхема, которая представляет из себя узкоспециализированный «заводик», состоящий из пары-тройки «цехов».
Крупнейший «цех» образуют одинаковые связанные друг с другом «бригады» – сенсели – каждая из которых «улавливает» фотоны из определённой части оптического изображения, спроецированного на поверхность сенсора, преобразует их в электроны и, затем, передаёт их следующей «бригаде». Так как следующая «бригада» тоже потрудилась и «произвела» партию электронов, то, чтобы взять чужие, она отдаёт свои электроны соседней «бригаде». И так далее по цепочке. Та «бригада», которая находится ближе всего к выходу из «цеха» передаёт свою и каждую партию электронов, полученную от соседней бригады, в следующий маленький «цех». Последний занимается «подсчётом» электронов и преобразованием их в электрическое напряжение.
В итоге, «заводик» производит последовательность электрических напряжений, из которых затем произведут последовательность электрических импульсов: «единиц» и «нулей». Однако, таким производством числовых последовательностей и согласованием действий «бригад» и «цехов», чаще всего, занимается другая «фабрика» и отдельное административное «учреждение», соответственно. Обратно к тексту.
9 В контексте настоящей статьи и других моих статей, описывающих функционирование светочувствительных слоёв, слово «улавливать» я применяю в кавычках. Потому что, по факту, фотоны распространяются внутрь сенселей вне зависимости от «желания» последних. Однако, лишь некоторые фотоны передают свою энергию электронам, освобождая их и, как следствие, позволяя последним накапливаться в сенселях. Обратно к тексту.
10 Экспонирование – это процесс взаимодействия световых лучей со светочувствительным материалом. В цифровой фотографии экспонирование можно рассматривать как накопление, аккумулирование, электрического заряда под воздействием света. Обратно к тексту.
11 Производительность затвора – это количество циклов «открытие-закрытие», которое может совершить затвор за заданный промежуток времени (обычно, за одну секунду). Как один из факторов влияет на длительность временной задержки между концом экспонирования текущей фотографии и началом экспонирования следующей фотографии. Чем выше производительность затвора, тем короче задержка и тем потенциально больше снимков может создать фотограф за одну секунду. Обратно к тексту.
12 Электронный затвор, как я отмечал ранее, можно рассматривать как функцию светочувствительного сенсора. Поэтому характеристики электронного затвора можно отнести к характеристикам сенсора. Обратно к тексту.
13 Определение технического качества изображения я привёл в начале статьи «Основы фотографии # 4.3». Уточните определение, если необходимо. Обратно к тексту.
Электронный затвор vs механический затвор: плюсы и минусы
Затвор — это шторка, которая закрывает матрицу камеры от света. Вся магия фотографии и происходит, когда она открывается на доли секунды, а свет попадает на матрицу. Однако у некоторых современных беззеркалок её просто нет, а ещё часть её совсем не использует. О том, что такое электрический затвор, как жить с ним и как без него, читайте в этом материале.
Электронный затвор есть у всех беззеркалок и некоторых зеркалок / Фото: unsplash.com
Что такое электронный затвор, в каких камерах он есть
Электронный затвор — это технология, которая позволяет делать снимки без срабатывания собственно механического затвора. Суть технологии в том, что матрица камеры включается и выключается в момент кадра.
Механический затвор состоит из двух шторок, которые находятся перед матрицей и физически смыкаются и размыкаются в момент съёмки.
Электронный затвор — относительно новая технология. Он стал появляться несколько лет назад в беззеркальных камерах, поскольку, в них нет зеркала. А зеркало, которое прикрывает собой камеру мешает использовать такой подход. Позже электронный затвор стал появляться и в некоторых зеркалках. При его использовании в камере автоматически поднимается зеркало, поскольку опущенное зеркало закрывает матрицу. А для электронного затвора нужна открытая матрица.
У первых моделей с использованием электронного затвора был ряд проблем, которые производители камер постепенно решают. Сейчас существуют уже даже фотоаппараты в которых привычного механического затвора просто физически нет.
Например, нет механического затвора у Nikon Z9 / Фото: dpreview.com
Плюсы электронного затвора
Несмотря на проблемы, речь о которых пойдёт дальше, у электронного затвора есть ряд неоспоримых плюсов, и-за которых технология стала популярной.
Электронный затвор бережёт ресурс камеры и экономит вам деньги
Этот пункт можно было бы напечатать здесь капс-локом. Большая проблема механических затворов — это износ. Шторки затворов изготавливаются из тонкого пластика и от множественных срабатываний изнашиваются. У более-менее старших камер в гарантии даже есть такое понятие, как ресурс затвора — это то, какое количество кадров камера точно должна сделать, прежде чем затвор сломается.
А поломка затвора — это серьёзно. Во-первых, камеру, на которой сломался затвор, нельзя использовать. Обычно, камера просто отказывается снимать в таком случае. То есть, если у вас, например, посреди свадебной съёмки сломалась одна из управляющих кнопок, вы скорее всего съёмку сможете закончить, хоть и будет неудобно. Если сломался затвор, то придётся срочно доставать другую камеру (или искать, если вы не практикуете съёмку на две камеры).
Поломка затвора выглядит вот так. Шторка может застрять в положении, когда она закрывает всю матрицу, может застрять в промежуточном / Фото: dpreview.com
Ещё одна большая проблема поломок затвора — стоимость ремонта. Замена затвора в зависимости от модели фотоаппарата, его возраста, типа проблемы и сервиса может выйти до 20 тысяч рублей. Недорогим моделям часто затвор вообще не меняют, особенно за пределами Москвы и Санкт-Петербурга — проще купить новую.
В этом плане электронный затвор — просто манна небесная. Он не щёлкает, поэтому не подвержен износу. В принципе его стоит использовать везде, где условия позволяют только по этой причине. Таким образом можно здорово продлить срок жизни камере и сэкономить на ремонте.
Электронный затвор совершенно бесшумный
Второй плюс электронного затвора актуален для людей, которые снимают там, где желательно не шуметь. Например, это полезно в театре или на концерте. Или если вы работаете в паре с видеографом — если он пишет звук, он скажет вам «спасибо» за отсутствие постоянных щелчков затвора. Также это даёт преимущество при съёмке маленьких детей или домашних животных — если, например, хочется снять ребёнка, увлечённого игрой.
По умолчанию электронный затвор не издаёт никаких звуков при срабатывании. Что иногда может пугать с непривычки — без характерного звука не понятно снимает камера или не снимает. Впрочем, в большинстве камер при желании можно включить имитацию звука затвора.
Электронный затвор позволяет использовать экстремально короткие выдержки
Если посмотреть характеристики беззеркалок, там часто указываются два значения предельно коротких выдержек. Например, у Fujifilm X-T30 — это 1/4000 для механического затвора и 1/32000 для электронного.
Суть тут опять же в самой технологии. У механического затвора длина выдержки обусловлена скоростью движения шторок затвора. Не могут они двигаться быстрее. Используя технологию электронного, получается добиваться более коротких выдержек.
Это полезно, когда вы снимаете, например, на светосильный объектив в солнечный день. Когда света много, даже на минимальных значениях ISO и предельно коротких выдержках могут возникать пересветы. В этом случае обычно приходится прикрывать диафрагму. Однако это чревато потерей красиво размытого фона.
На камерах с электронным затвором этой проблемы нет, как раз поскольку он позволяет использовать существенно более короткие выдержки / Фото: unsplash.com
Кроме того, в некоторых моделях с помощью электронного затвора можно повысить частоту кадров. Например, фотокамера Nikon 1 V3 может снимать со скоростью 20 кадров в секунду с помощью электронного затвора и 6 кадров в секунду — с помощью механического.
Минусы электронного затвора
При всех плюсах у электронного затвора есть несколько специфических минусов. Как правило, они сильнее выражены у более старых камер. Многие свежие модели работают гораздо лучше.
Электронный затвор может давать специфический смаз
Так называемые искажения строчного затвора возникают при съёмке быстро движущихся объектов или при быстром панорамировании. Это выглядит вот так.
Клюшка не гнётся, её такой кривой сделал электронный затвор из-за того, что спортсмен замахивается очень быстро / Фото: support.d-imaging.sony.co.jp
Эта проблема появляется, поскольку КМОП-матрица считывает изображение строка за строкой. Когда объект двигается очень быстро, он успевает слегка сместиться между этими строками.
Этим практически не страдают относительно новые камеры. Например, Nikon Z 9 (у которого вообще нет механического затвора), Sony Alpha 9, Olympus OM-D E-M1 Mark III. У олимпуса предыдущего поколения смазы электронного затвора ещё встречаются.
Электронный затвор иногда вызывает фликер
Фликер — это параллельные полосы, которые возникают на изображении при съёмке с искусственным светом. Причём, как правило при свете не самых дорогих и качественных ламп.
Фликер способен испортить даже хорошую фотографию / Фото: visualsciencelab.blogspot.com
Впрочем, с этой проблемой несложно бороться, подбирая нужную выдержку. Если вы снимаете в помещении с искусственным постоянным светом, выбирайте значения выдержке кратные 50 — либо 1/50, либо 1/100. При использовании этих параметров фликера точно не будет. Что касается более коротких выдержек, кратных 50 — 1/150, 1/200 и так далее, тут всё зависит от конкретной лампы. Фликер может быть, а может его не быть. Нужно пробовать и проверять.
Иногда при использовании электронного затвора возникают проблемы при работе со вспышкой
В некоторых моделях камер снимать с электронным затвором и вспышкой снимать нельзя в принципе. Причём, ни с накамерной, ни с синхронизированной. Вспышка просто не будет срабатывать. Так что этот тип затвора подходит только для съёмок с естественным или искуственным постоянным светом.
Существуют камеры, которые способны работать со вспышками в режиме электронного затвора. Например, это тот же Nikon Z9.
Итоги
Электронный затвор — очень полезная функция, которая есть в большинстве современных камер. Если вы не знаете, есть ли он у вас, стоит проверить и научиться с ним работать.
Электронный затвор очень полезен при съёмке с естественным светом, поскольку бережёт ресурс затвора и позволяет работать с короткими выдержками. Однако стоит быть с ним осторожнее при съёмке с искусственным светом — здесь технология может давать осечки. У более новых камер меньше проблем. Но в любом случае стоит протестировать, как камера работает, например, со вспышками и электронным затвором, прежде чем снимать на неё что-то ответственное.
Механический затвор
Эта статья – продолжение цикла статей о вопросах, поднятых ранее в статьях ‘Шум затвора‘ и ‘Недостатки современных DSLR камер‘.
В современных цифровых камерах используются фокальные затворы шторно-щелевого типа с вертикальным ходом шторок. Это означает, что такой затвор расположен сразу перед матрицей фотоаппарата, состоит из шторок, которые двигаются вертикально (обычно сверху-вниз и обратно).
Ниже наглядно показано, как происходит спуск затвора:
Видео 1.
Обратите внимание на то, как сильно трясет зеркало после его подъема и возврата, а также на то, как чудовищно содрогаются шторки затвора. На видео видно, что шторки затвора состоят из нескольких частей (так называемые ламели или ‘жалюзи’).
Видео 2.
На этом видео можно заметить щель, которая формируется во время движения шторок затвора.
Видео 3.
Полноформатная камера и кропнутая камера.
Видео 4.
Трясет не только зеркало и жалюзи затвора, но и лепестки диафрагмы.
И немножко рассуждений насчет затвора, на примере камеры Nikon D80.
Выдержка синхронизации этой камеры составляет 1/200 секунды. Это означает, что именно такой промежуток времени нужно шторкам затвора для прохождения расстояния, равного высоте матрицы.
Если нужно проводить съемку на выдержках длиннее или равной выдержке синхронизации, то затвор будет работать следующим образом:
- Открывается первая шторка, на это тратит 1/200 секунды.
- Проводится экспозиция, в это время матрица остается полностью открытой. Возьмем в качестве примера выдержку 1/60 секунды. Вторая шторка начнет свое движение через 1/60 секунды после начала движения первой шторки.
- Вторая шторка закрывается, на это тратится 1/200 секунды.
- Шторки поднимаются вместе, в начальное положение.
На таких выдержках легко синхронизировать вспышку и работу затвора. Обычно вспышка срабатывает после первой шторки (как только затвор полностью открывает матрицу), либо перед началом движения второй шторки (перед закрытием затвора). Например, импульс моей вспышки Nikon SB-910 имеет длительность от 1\800 с до 1\40.000 с в зависимости от мощности. Во время срабатывания вспышки матрица камеры полностью открыта и нет никаких проблем с синхронизацией.
Если нужно проводить съемку на выдержках короче выдержки синхронизации, то затвор будет работать следующим образом:
- Открывается первая шторка.
- Вторая шторка не ожидает полного открытия матрицы и начинает свое движение вслед за первой. Задержка второй шторки как раз и определяет время экспозиции. Возьмем в качестве примера самую короткую выдержку, допустимую для Nikon D80 – 1/4000 с. В таком случае вторая шторка начинает свое движение через 1/4000 с после начала движения первой шторки и таким образом две шторки двигаются вместе, формируя движущуюся щель, которая и производит экспозицию.
- Шторки поднимаются вместе в начальное положение.
На таких выдержках синхронизировать работу вспышки с затвором сложно. Если вспышка сработает только в какой-то определенный момент, то на снимке мы получим полосу, которая формируется щелью затвора. Чтобы обойти такое ограничение, применяют вспышки с высокоскоростной синхронизацией, которые “светят” все время движения обеих шторок, для избежания появления полос.
Интересно, но если мы проводим съемку на 1/60 секунды, то на самом деле затвору требуется куда больше времени на свою работу. Так, тратится 1/60 с на спуск первой шторки и ожидание второй, 1/200 с на движение второй шторки и как минимум еще 1/200 с на подъем обеих шторок в изначальное положение (идеальный случай, в реальности времени нужно больше). Итого 1/60 + 1/200 + 1/200 = 2/75 с. Если убрать ограничения на работу зеркала, диафрагмы и процессора камеры, то за одну секунду при идеальных условиях можно будет снять не больше 38 кадров, и это является механическим ограничением серийной съемки.
В то же время, камеры, использующие электронный затвор, которому не нужно тратить время на движения шторок, уже сейчас без проблем позволяет снимать со скоростью 60 кадров в секунду в режиме фото (в качестве примера посмотрите на Nikon 1 J1). Только представьте себе, как полезно было бы для фоторепортеров и фотографов снимающих спорт, фотографировать определенные события с такой огромной скоростью. Для примера, самая быстрая зеркальная камера на 2014 год – Canon 1DX, снимает максимум со скоростью 14 кадров в секунду, что в 4 раза ниже чем 60 к/с у некоторых беззеркальных камер с электронным затвором. Вот только беда, что современные камеры с электронным затвором имеют свои недостатки, например страдают ‘rolling shutter’ и т.д. и пока остается только мечтать про электронный затвор, обладающий положительными качествами механического затвора и огромной скоростью съемки.
Кстати, “реальную” скорость движения шторок затвора легко посчитать. Высота матрица Nikon D80 составляет 15,8 мм, шторка проходит это расстояние за 1/200 секунды, а ее скорость составляет 3,16 м/с или 11,38 км/ч, что совсем немного 🙂