Звуковая карта как элемент оптико-электронного измерительного прибора


 

Экспансия электронных технологий в фотографию идет полным ходом. В этом году уже объявлено, что массовые цифровые камеры перешагнут 3х-мегапиксельный рубеж, большинство пленочных камер обзавелись электромоторами для перемотки пленки и автофокусировки, электронно-управляемые затворы стали доминирующими в современной фотоаппаратуре. Кажется, ничто уже не остановит электрификацию всей фотографии. Но необъятные просторы и холодные зимы добавили проблем не только Наполеону, но и тем, кто готов полностью положиться на электронику. Конечно, на морозе и смазка механических камер застывает, но с этим все же проще бороться, чем с батарейками и аккумуляторами, не способными работать при минусовых температурах. Можно, конечно, отогревать камеру за пазухой, но комбинация оптики и электроники сталкивает вас с проблемой совмещения несовместимого: отогревая аккумулятор, вы согреваете также линзы объектива, и вытащив камеру из-за пазухи, вы щелкнете затвором, но вряд ли что-то различите на пленке, так как объектив при этом окажется запотевшим изнутри. Чтобы нормально снимать, вам надо уравнять температуру оптики и окружающего воздуха, но при этом ток в электрической цепи устремится к нулю куда быстрее, чем испарятся капельки росы с объектива. Механические камеры могут работать на морозе и не создают проблем с добыванием новых батареек, когда вы находитесь за Полярным кругом, за 7 тысяч верст от ближайшего супермаркета. Может быть, курком взвести затвор и медленнее, чем мотором, зато можно быть уверенным, что через секунду вы сделаете тот самый единственный и неповторимый кадр, а не будете минуту менять элементы питания или в течение часов изобретать способ запитать электрические цепи камеры от генератора велосипедной фары. Я полагаю, что механические камеры как в силу своей надежности, так и долгой жизни, не останутся в истории только 20 века, но и продолжат свою жизнь в 21-м. Реанимировать большинство механических камер может любой часовщик. Реанимировать хорошую электронную камеру зачастую невозможно и в заводских условиях. По собственному опыту знаю, что если очень постараться, то с механическими камерами удается справиться даже в походных условиях. Имея только напильник, я высоко в горах выточил за полдня из алюминиевой ложки сломавшийся толкатель диафрагмы объектива "Волна". Однако я сомневаюсь, что в полевых условиях можно починить ультразвуковой привод объектива.

Механические камеры могут жить очень долгой жизнью, но значительную часть этой долгой жизни составляет старость. Упругость пружин механических затворов меняется, и время срабатывания затвора тоже. Изменение времени срабатывания затвора само по себе еще не подразумевает обязательного ремонта камеры, но для получения хороших снимков вам надо знать истинные времена открытия затвора, а не те, которые были нанесены на шкалу при производстве.

Эффективные способы контроля затвора были предложены одновременно с его изобретением. Метод, описанный в 12-м издании книги Э.Фогеля "Карманный справочник по фотографии" (1928), эффективен и вполне применим даже для цифровых камер, но требует проявки пленки для получения результатов измерений.

самый простой и наиболее точный метод следующий: ставят велосипед на шатун, на край заднего колеса приделывают блестящий стеклянный шар. Колесо должно приходиться против темного заднего плана и освещаться солнцем. Повертывая педали рукой, приводят его в равномерное движение так, чтобы оно делало в секунду один или два оборота (помощник для вращения или снимания необходим). Если снимают колесо, делающее один оборот в секунду, то на пластинке получается маленькая черта, которая соответствует известной части всего круга; например, при длине черты в 3 мм и длине всего круга в 100 мм получим 100:3 = 1/30 сек.—время, которое затвор был открыт. Впрочем лучше, особенно при большей быстроте действия затворов, давать колесу два оборота, — тогда путь шара будет длиннее, и ошибка измерения меньше.

Фотокамеры за прошедший век оставались этаким островком стабильности в быстро меняющемся мире техники. И сегодня самыми распространенные технические устройства не всегда самые простые. Перефразируя гимн экспериментаторов (прослушать), можно сказать: коль молотка не оказалось под рукой, то гвоздь мы лазером по шляпку заколотим.

Лет 20 назад я бы сказал, что самым быстрый и доступный способ определить время открытия затвора — это замерить сигнал от фотодиода, помещенного вместо пленки, на экране осциллографа. В конце концов, осциллограф был весьма распространенным и доступным устройством. Школа, институт, да и бытовые осциллографы выпускались. И хотя я не думаю, что у многих были дома осциллографы, но таковых было заведомо много больше, чем обладателей компьютера. Сегодня компьютер стал привычным атрибутом нашей жизни и незаметно из электронно-вычислительной машины, предназначенной для расчета и обработки данных, он превратился в некое универсальное устройство, которое может быть и серьезным измерительным прибором. Сегодняшний компьютер способен мерить температуру процессора, материнской платы, частоту вращения вентиляторов, кроме того, он, как правило, снабжен звуковой картой, представляющей собой высококачественный измеритель переменного напряжения, сопряженный с аналого-цифровым преобразователем. Игровой же порт, по определению, является устройством для измерения сопротивления переменных резисторов, находящихся в джойстике. Далее я попытаюсь описать методы исследования затвора фотокамеры с помощью звуковой карты.

Преобразование компьютера в устройство для оптических измерений проистекает почти мгновенно. Вы подключаете первый попавшийся фотодиод к микрофонному входу звуковой карты и получаете прибор для измерения светового потока, падающего на чувствительный элемент. Теперь, направив световой пучок, например от проектора для диапозитивов, на объектив фотокамеры, вы можете откинуть заднюю крышку и, расположив фотодиод в фокальной плоскости объектива, измерить время срабатывания затвора. Для шторно-шелевого затвора удобнее объектив снять и расположить фотодиод вблизи шторки.

Другой вариант: направить свет со стороны крышки и разместить фотоприемник в фокусе объектива. Как будет проиллюстрировано далее, для шторно-щелевого затвора эта схема, в отличие от предыдущей, позволяет  измерить время движения шторки вдоль кадра.

Чтобы правильно интерпретировать сигнал со звуковой карты, полученный при измерении скорости срабатывания затвора, надо хорошо себе представлять его конструкцию.



Форме дай щедрую дань
Временем: важен в поэме
Стиль, отвечающий теме.
(Н.А.Некрасов. Форма)

Техническая литература всегда тяготела к зрительным образам. Схемы, чертежи, графики, позволяют куда лучше представить устройство чем десятки страниц слов. Да и математические закорючки это всего лишь попытка переложить построение графиков на читателя. Макеты и модели — еще более надежный способ объяснить конструкцию, ведь покрутив модель в руках, можно понять, как устроено то, что автору казалось очевидным, и на описание чего он пожалел слов.

Исписав десяток страниц, я понял, что все возможные ситуации даже для такого простого устройства я изложить не смогу. И я создал макет, который можно крутить, и смотреть, что выйдет. О том, отвечает ли стиль теме, судить Вам. Я почти не буду описывать процесс срабатывания затвора, а кратко поясню, из каких соображений я исходил при построении макета, и как им пользоваться.

Зависимость сигнала от времени может быть представлена в виде графика.

Каждой точке графика соответствует вполне определенное положение лепестков затвора.

Амплитуда сигнала на входе звуковой карты представляется стандартными программами в виде графика.

Для того, чтобы одновременно представить состояние затвора, видимо, необходимо приложить к статье и чертеж устройства.

Для описания процесса можно представить математические выкладки, серию графиков, сопоставленных с иллюстрациями фаз работы затвора, и его чертеж.

Вышеизложенные тезисы о представлении материала описывают возможности, которые нам дает печатное издание. Развитие мультимедийных технологий позволяет представить процесс в динамике, например, в виде мультипликации. Как технологии бумажного издания, так и мультипликации могут быть реализованы в электронном документе. Однако возможности электронного документа несколько шире, поскольку в идеале можно заложить в статью исходные цифровые материалы и чертежи, а их отображения предоставить компьютеру. При таком подходе можно увидеть не только те иллюстрации, которые приготовил автор, но и те, которые будут рассчитаны компьютером в зависимости от пожелания читателя. Таким образом, осуществляется не только интерактивность, позволяющая просматривать иллюстрации по запросу, но и экономия размеров файла, поскольку все необходимые читателю иллюстрации рассчитывает его машина по начальным данным, содержащимся в статье.

Макеты центрального и шторно-щелевого затворов выполнены в программе Flash 4 фирмы Macromedia.

Автоматическое обновление проигрывателя  третьей версии не всегда проходит удачно, если макет не функционирует, установите последнюю версию проигрывателя с сайта фирмы: http://www.macromedia.com/support/flash/ или в полуавтоматическом режиме с сайта: http://www.shockwave.com/

При работе с Netscape Communicator версию установленного Plug-ins можно проверить в меню Help/About Plug-ins. Там же, щелкнув по ссылке "информация о Netscape plug-ins", можно скачать новую версию.

Удобство 4й версии программы Flash для представления материала заключается в том, что программа позволяет проводить математические вычисления и рассчитывать положения элементов конструкции на картинке. Правда, программа поддерживает только основные арифметические действия, поэтому все математические функции вам придется реализовывать собственными подпрограммами. В силу того, что в данной статье графики служат только для наглядного представления процесса, я для расчета логарифмов ограничился только первым членом ряда Тэйлора.

В программу заложены чертежи элементов затвора фотоаппаратов "Смена" (центральный затвор) и "Зенит" (шторно-щелевой).

Ряд элементов управления:

  1. спусковая кнопка, позволяющая при ее нажатии увидеть работу затвора в динамике с синхронным отображением графиков
  2. движок диафрагмы (центральный затвор), который позволяет изменять диаметр объектива (в реальных конструкциях ирисовая диафрагма просто ограничивает рабочую область объектива);
  3. движок выдержки (шторно-щелевой затвор)
  4. зеленая точка на оси времени, перемещая которую читатель может детально рассмотреть положение лепестков затвора и соответствующие ему точки на графиках в любой выбранный им момент времени.

Действующий макет центрального затвора

На графиках представлены зависимости от времени:

  • изменения диаметра сечения пучка света, проходящего через объектив; 
  • изменения светового потока;   
  • изменения логарифма отношения текущего сигнала к максимальному;
  • изменения реального сигнала, полученного с фотодиода, подсоединенного к микрофонному входу звуковой карты (при двух крайних значениях диафрагмы).

Теперь конкретнее об измерении времени работы центрального затвора. Исполнительный механизм располагается внутри объектива (межлинзовый затвор), либо в непосредственной близости от объектива (фронтальный). Поэтому оптическая система достаточно симметрична, и можно расположить фотоприемник, как в плоскости пленки, направив световой пучок в объектив, так и в точке переднего фокуса объектива, направив световой пучок сзади камеры через фильмовый канал в объектив. Центральный затвор часто используется и в сменных объективах. В этом случае для измерения можно взять один объектив без камеры, (хотя встречаются модели, у которых в объективе находится не весь затвор, а только его лепестки, а пружины и системы замедления встроены в саму камеру). В моих измерениях использовался фотодиод ФД 256, но для измерения работы центрального затвора можно использовать фактически любой имеющийся у вас фотодиод с любой площадью чувствительного элемента. Фотодиод через микрофонный вход был подключен к звуковой карте на базе чипа Creative 1373, интегрированного на материнской плате Chaintech CT-6BTA3. Результаты измерения регистрировались программой Creative Wave Studio 4.02. Естественно, что может быть использована любая звуковая карта и многие другие программы регистрации. Хотя нас и интересует время в долях секунды, но поскольку программа индицирует только целые числа, то удобнее задать шкалу в отсчетах (samples). При частоте дискретизации 48 кГц мы имеем в 48 значений на 1 мс.

Аппарат "Welta" 
Выдержка 1/500 с 
Диафрагма 1:5,6 
Шкала в мс

При срабатывании затвора диаметр отверстия изменяется линейно, освещенность пленки пропорциональна площади отверстия и, следовательно, изменяется по параболе. Программы, работающие со звуковой картой, обычно отображают амплитуду сигнала в децибелах, следовательно, чтобы представить ожидаемый сигнал, мы должны представить параболу изменения освещенности в логарифмическом масштабе. Еще одной проблемой при интерпретации результатов является конденсатор, расположенный на входе звуковой карты, который пропускает только переменную составляющую сигнала. Поэтому в реальном сигнале со звуковой карты мы имеем положительное изменение сигнала при открытии затвора и отрицательное при его закрытии. Да, не простое это дело описать словами пляски пьяных гусениц на экране осциллографа или компьютера

Из графиков видно, что продолжительность действия затвора зависит от величины диафрагмы, так как часть времени идет на открытие и закрытие, и объектив в это время работает не всем отверстием. Эффективное время действия затвора будет выражаться средней линией трапеции, у которой на горизонтальной оси показана продолжительность действия затвора, а на вертикальной оси степень его открытия. При коротких выдержках в 1/500 с эффективное время экспозиции может различаться почти вдвое. Заметим, что при измерении времени срабатывания  центрального затвора следует проводить измерения для всех значений выдержки, поскольку за разные значения выдержки отвечают разные пружины и системы замедления. Как пример старения затвора, привожу результаты измерений для аппаратов:  Welta, выпущенного 60 лет назад,  Mamiya C33-30 лет и "Любитель 166" — 20 лет назад.

Действующий макет шторно-щелевого затвора

Вторую большую группу механических затворов представляют шторно-щелевые затворы. Их обладателями являются классические для нас аппараты "ФЭД", "Зоркий", "Зенит". Имеются в виду аппараты выпуска 30-70-х гг с механическим затвором типа "Leica". Последние модели "Зенитов" выпускаются с электромеханическими затворами, изготовленными по документации фирмы Copal (Япония). В шторно-щелевом затворе шторки движутся непосредственно перед пленкой. При нажатии на кнопку начинает двигаться первая шторка и открывает доступ света к пленке сперва с одного края кадра, потом через заданный интервал времени вслед ей движется вторая шторка, которая перекрывает световой поток. Изменение выдержки осуществляется изменением интервала между стартом первой и второй шторки. Таким образом, при коротких выдержках перед пленкой пробегает узкая щель, обеспечивающая короткое время экспозиции каждого участка пленки, но в существенно разные моменты времени. Так, у аппарата Зенит паспортное время движения шторки вдоль кадра составляет 1/30 с. Таким образом, при этой выдержке существует момент времени, когда свет, проходящий через объектив, падает одновременно на всю площадь кадра. Именно этот момент времени и используется для синхронизации ламп-вспышек. При более коротких выдержках, например 1/500 , пробегающая вдоль кадра щель экспонирует сперва один край кадра, а потом, лишь через 1/30 с, — другой. При такой конструкции затвора система существенно несимметрична, и результаты измерений будут иметь разный вид в зависимости от того, направляем мы свет со стороны задней крышки фотоаппарата и располагаем фотодиод в переднем фокусе объектива, или направляем свет через объектив, а фотоприемник располагаем вместо пленки в фильмовом канале аппарата. В последнем случае результаты будут существенно зависеть от площади фотоприемника. В предельном случае, когда площадь фотоприемника больше площади кадра, мы должны получить результаты , аналогичные эксперименту с задним освещением.

Поскольку в шторно-щелевом затворе шторки движутся при всех выдержках с одной скоростью (в идеале) , нам реально достаточно замерить только одну выдержку, при которой ширина щели равна ширине кадра. При этой выдержке мы получим одинаковые результаты, как при первой, так и при второй схеме измерения. Однако в случае, когда весь световой поток, проходящий через фильмовый канал, собирается на фотоприемнике, изменение значений выдержек, установленных на аппарате, приведет к непропорциональному изменению замеряемого интервала времени, и изменится максимальная освещенность фотоприемника. Если же расположить точечный фотоприемник в какой-либо точке фильмового канала, то время экспозиции будет соответствовать установленным значениям выдержки. При выдержке 1/30 с ширина щели составляет 36 мм , следовательно, при выдержке 1/500 она составляет 2,25 мм, и если размер вашего  фотоприемника будет равен ширине щели,  то замеренный вами интервал времени будет равен 1/ 250 с, т.е. вдвое больше реальной выержки. Можно попытаться определить скорость затвора по времени нарастания сигнала, но на графике в логарифмическом масштабе определить точку перегиба бывает очень трудно.

При этом надо отметить, что у аппаратов, имеющих более длительные выдержки, чем 1/30, например, "Киев 88", затвор при этих выдержках работает по следующей схеме: открытие затвора, далее включается дополнительный механизм замедления, задерживающий движение второй шторки, закрытие затвора. В этом случае выдержка определяется уже не скоростью движения шторок и размером щели между ним, а интервалом между стартами первой и второй шторки.

Для примера, приведены результаты измерений для камеры "Киев 88" образца 1983 года и для камеры "Зенит Е" образца 1973 года.

затвор центральный шторно-щелевой 
камера (объектив) MAMIYA-SEKOR f=65 MAMIYA-SEKOR f=135 WELTA ЛЮБИТЕЛЬ 166 Зенит Е Киев 88
возраст (лет) 35 35 60 20 27 17
выдержка (номинал) Время засветки фотодиода (мс) и выдержка в долях секунды (при диафрагме 1:5,6) Время засветки фотодиода (мс) и выдержка
1000                     1,4 738
500 3,6 275 3,4 296 5,1 194     1,4 727 3,2 309
250 5,7 175 4,5 223 9,0 111 4,9 204 3,9 254 5,3 190
125 4,3 232 5,9 170     8,7 115 7,6 132 8,9 111
100         27,1 37            
60 17,5 57 15,6 64     14,4 69 14,4 69 14,9 67
50         85,3 12            
30 38,7 26 34,4 29     34,6 28 28,0 35 24,2 41
25         195,2 5            
15 67,7 15 58,4 17     59,3 16        
10         255,2 3,9            
8 86,6 11,5 116,4 8,6                
5         589,8 1,7            
4 232,5 4,3 232,4 4,3                
2 587,3 1,7 550,7 1,8 2696,0              
1 1100,4   1056,5   9827,2              
  Время полного открытия затвора (мс)  Время движения шторки вдоль кадра и выдержка, обеспечивающая полное открытие кадрового окна
  1,1   0,9   1,45   1,3   10 100 12 80

Как видно из таблицы, результаты измерений при выдержках короче 1/250 у аппаратов со шторно-щелевым затвором вызывают сомнения в их истинности, учитывая  большую погрешность, связанную с трудностью в нахождении точек перегиба и размером фотоприемника, сравнимым с шириной щели. Выдержка, при которой затвор полностью открывается, оказалась у "Зенита" существенно короче паспортной, что позволяло производителям не очень заботиться о точности синхронизации со вспышкой.

Изучая полученные записи сигнала, можно выявить и некоторые особенности работы затвора.

Так, на приведенных графиках видно, что один из затворов аппарата Mamiya "залипает" при старте.

В заключение отмечу, что как показывают мои эксперименты, звуковая карта является точным измерительным прибором  и позволяет узнать много интересного о работе затворов фотокамер.

 

Дополнительно