Fotóelmélet: Zárak

0

A fényképezőgépekben a zárszerkezet (shutter) feladata annak biztosítása, hogy a megvilágítás a kívánt ideig érje a fényérzékeny felületet. Ennek az időnek a neve záridő. A záraknak alapvetően három típusával találkozhatunk: központi zárak, redőnyzárak, elektronikus zárak. Bár nincs közvetlen összefüggés, de ezek felhasználási területe ma egy-egy fényképezőgép kategóriához kötődik. A három fő típus közül a redőnyzár az, amelynek működését érdemes alaposan megvizsgálni, mert így érthetők meg legkönnyebben olyan fogalmak és jelenségek, amelyek általánosan a zárakra és a megvilágítással való összefüggésekre vonatkoznak.

Redőnyzár

A kisformátumú digitális tükörreflexes és távmérős fényképezőgépekben leginkább a redőnyzár (focal plane shutter) az elterjedt. Ahogyan angol nyelvű elnevezése is utal rá, közvetlenül az érzékelő előtt helyezkedik el. A redőnyzár kettő darab redőnyből (curtains) áll, amelyek régebben textilből készültek, ma már inkább fémet használnak erre a célra. A redőnyök általában függőleges irányban mozdulnak el (vertical travel fps), ezt a folyamatot lefutásnak nevezzük. Az első redőny alaphelyzetben takarja a képérzékelőt és lefutás közben szabaddá teszi a fény útját. A második redőny ennek pontosan az ellenkezője, tehát alaphelyzetben beereszti a fényt, lefutása közben pedig útját állja. A két redőny lefutásának indítása között eltelt idő maga a záridő, amely folyamatos fény esetén meghatározza az expozíciós időt. A teljes felület egyenletes megvilágítása érdekében alapvető fontosságú, hogy a redőnyök azonos sebességgel mozogjanak. Redőnyzárakkal az 1/8000s, mint legrövidebb záridő elfogadottnak számít, de vannak ettől is gyorsabb típusok.


redőnyzár alapvető működésének szimulációja – redőny lefutásához szükséges idő: 3.5ms, záridő: 10ms (1/100 s)
– a záridő leolvasható az órán, ha a második redőny indulásának helyét megkeressük

Nyilvánvaló, hogy a redőnyök nem végtelen sebességgel futnak le, hiszen mechanikus szerkezetek. A fenti animáción egy olyan helyzetet követhetünk nyomon, amikor a záridő lényegesen nagyobb, mint a redőnyök lefutásához szükséges idő. Nézzük meg, ha ez nem így van:


redőnyzár működése olyankor, ha a záridő rövidebb mint a redőny lefutásához szükséges idő – záridő: 1ms (1/1000 s)

Az előzővel ellentétben itt nincs olyan állapot, amikor a zár a teljes felületen nyitott. Egy redőnyök által határolt rést látunk, amely végigfut az érzékelő előtt. Ha kicsit el tudunk vonatkoztatni, pl. a redőnyöket mindkét irányban meghosszabbítjuk, akkor világossá válik, hogy ez a rés mindig ott van, akkor is, ha nem látjuk egyszerre az alját és a tetejét a képérzékelő előtt.


az előző két példa összehasonlítása a rés láthatósága szempontjából (figyelem, az ábra két oldala időben nincs szinkronban, mindkettő egy teljes expozíció elkészülését mutatja, de más záridők mellett!)

Így már meg is fogalmazhatjuk a működés lényegét: egy téglalap alakú felület (érzékelő) adott idejű megvilágítását úgy biztosíthatjuk, ha egy felette mozgó, fényt át nem engedő anyagba egy téglalap alakú nyílást vágunk. Ennek a nyílásnak a mozgás irányában mért hossza egyenlő a mozgó felület sebességének és az elérendő megvilágítási időnek a szorzatával. Ezt “utánozza” le a redőnyzár, fényképezőgépbe építhető méretben. A nyílásnak azt a peremét, amely először lép be az érzélő felé, az 1. redőny valósítja meg, a nyílás másik peremét, amely később lép be, a 2. redőny.

Észre kell tehát vennünk, hogy ha a téma statikus és megvilágítása folyamatos, akkor a rés láthatóságában meglévő különbségnek semmilyen jelentősége nincs az expozíció szempontjából. A második példában is az érzékelő felületének minden pontját pontosan egy záridőnyi ideig éri a fény, akárcsak az első animáción, csak itt a tetejét érzékelhetően korábban, az alját pedig később. Teljesen más azonban a helyzet, ha a megvilágítás nem folyamatos. A fényképészetben a leggyakrabban alkalmazott kiegészítő fényforrás a villanófény (vaku). Ezekre jellemző, hogy a fényenergia jelentős részét egy igen rövid fényimpulzus formájában sugározzák ki, amely ezredmásodpercnél is rövidebb. Könnyen belátható, hogy ha az expozíciót létrehozó fénymennyiség jelentős része úgy éri a zárszerkezetet, hogy az érzékelő egy része ebben a pillanatban takarva van, hibás képet kapunk. A villanást alaphelyzetben úgy időzíti a fényképezőgép, hogy az 1. redőny lefutása után induljon (a hibás működés szempontjából ennek nincs jelentősége, csak a hiba helyét befolyásolja, a tényét nem). A folyamat egyszerűbb nyomon követése érdekében a következő animáción nem a vaku a kizárólagos fényforrás, egy kevés természetes fény is rendelkezésre áll.


a villanófény hibás szinkronizálása – túl rövid záridő: 2ms (1/500 s)

Ez a helyzet tehát elkerülendő. Meg kell keresni azt a legrövidebb záridőt, amely mellett a zárnak van olyan állapota, hogy az érzékelő teljes felülete nyitott marad. Ez az idő a redőny lefutásához szükséges idő és a villanófény impulzus hosszának összege, amelyet vakuszinkron-időnek nevezünk. Jellemző értéke: 1/50s..1/500s, jelölése: X, az ehhez szükséges szinkron üzemmódnak pedig: X-Sync, amely elnevezés a Xenon szóból származik, hiszen a korszerű vakuk villanócsöveit ezzel a gázzal töltik. Elektronikus vezérlésű fényképezőgépek esetén bekapcsolt vakuval automatikusan a vakuszinkron-időre áll be a fényképezőgép bizonyos üzemmódokban. Teljesen mechanikus vezérlés esetén külön pozíció található ennek érdekében a záridő-beállító tárcsán, vagy az egyik záridőt eltérő színnel jelzik. Hosszabb záridő használata természetes lehetséges.


a villanófény helyes szinkronizálása a vakuszinkron-idővel egyenlő záridő használatával – 4ms (1/250 s)

A korszerű rendszervakuk már mind ismerik a nagy zársebességű üzemmódot. Ennek lényege, hogy a villanófényt sorozatosan újragyújtja az elektronika, amely így közel folyamatos (kitart a 2. redőny lefutásáig) megvilágítást hoz létre, ezáltal a redőnyzár a vakuszinkron időtől rövidebb záridővel is használható. Az ehhez szükséges szinkronizálásnak külön jelölése van, hiszen ilyenkor a vaku nem az 1. redőny leérkezésekor (X-Sync), hanem annak elindulásakor lép működésbe. Utóbbi neve FP-Sync (Flat Peak – lapos csúcs) amely utal arra, hogy nem egy rövid fényimpulzusról van szó. Az ilyen vaku és fényképezőgép üzemmódok jelölése gyártónként eltérő.

A redőnyzár működési elvéből adódó jelenség, hogy a nagy sebességgel mozgó témáról torz képet hoz létre. A redőnnyel megegyező irányban mozgó tárgyat nyújtja, a vele szemben mozgót összenyomja (persze az érzékelő síkján minden fordítva van), a merőleges irányban haladónál pedig megdönti a vonalakat. Ez abból ered, hogy kis záridőnél a rés lefutásának következtében az érzékelő különböző részeit más és más időpontban éri el a fény, így a mozgó téma eltérő állapota kerül megörökítésre a kép alján és tetején. Bár az alapvető megértéshez feltételezhetjük, hogy a redőnyök sebessége állandó, a valóságban gyorsulnak útjuk folyamán, így pl. a függőleges vonalakról nem ferde egyenest, hanem enyhén görbe vonalat rajzol. Egy kis számolás után világossá válik, hogy hétköznapi helyzetekben ez a jelenség nem érzékelhető, hiszen óriási sebességű tárgy kellene hozzá, de pl. egy gép forgó alkatrészének közelről való fényképezésekor már láthatóvá válhat.


ha ennyit mozdul el a tárgy a redőny lefutása (nem a záridő) alatt …


..az ekkora torzulást eredményez – záridő: 0,5ms (1/2000 s)

Nem kizárólagosan a redőnyzárhoz kapcsolódik, de itt érdemes megemlíteni az ún. 2. redőny (2nd curtain) üzemmódot, amely akkor hasznos, ha mozgó témát villanófény segítségével akarunk megörökíteni. Ha hosszú a záridő, és egyéb fény is bejut a fényképezőgépbe, a tárgy képe elmosódik, mozgását fénycsóva fogja jelezni az elkészült fényképen. Alapesetben a vaku az 1. redőny lefutása után villan, így a csóvát nem maga után húzza a mozgó téma, hanem tolja maga előtt, ami természetellenes hatást kelt. Ezen segít a 2. redőnyre indítás. Ilyenkor a villanás közvetlenül a 2. redőny indulása előtt következik be.


az 1. (felső animáció) és a 2. (alsó animáció) redőnyre való szinkronizálás közötti különbség – záridő: 50ms (1/20 s) (az előző példával ellentétben itt a mozgó tárgy nem a lefutás, hanem a teljes záridő alatt mozul el annyit)

A redőnyzár bonyolult és drága szerkezet. Nem csak pontosan és gyorsan kell lefutnia a redőnyöknek, de azok alaphelyzetbe állításáról is gondoskodni kell. Egy redőnyzárral működő fényképezőgép megbízhatóságában kulcsszerepet játszik a zár élettartama, a vele elkészíthető képek száma. A gyártók garantált értéket nem adnak meg, csak a tervezés és a saját tesztjeik alapján kalkulált számot. Ez dSLR-eknél 50ezer és 300ezer ciklus közé esik.

Központi zár

A központi zárakat főként közép- és nagyformátumú fényképezőgépekben használják, de egyes kompakt fényképezőgépekben is előfordul. A legismertebb típus lamellákból (levelekből – leaf shutter) épül fel, amelyek egyszerre fordulnak el saját csapágyuk körül. Működése során a nyílása az optikai tengelyre nézve koncentrikusan tágul és szűkül, ezért a redőnyzárakkal ellentétben itt nincs vakuszinkron-határ. A professzionális fényképészetben, ahol összetett vaku-rendszereket használnak, ennek rendkívül nagy a jelentősége. A központi zár általában az objektívben helyezkedik el, olyan helyen, ahol nem túl nagy a fénynyaláb átmérője, tehát közel a fényrekeszhez, gyakran egybeépítve annak szerkezetével. Ebből következik, hogy minden egyes objektívbe külön zárat kell építeni, amely drágítja az objektív előállítását. Bár léteznek extrém gyors típusok is, a leggyakrabban beépített központi zárakkal nem érhető el olyan rövid záridő, mint a redőnyzárakkal (min: kb. 1/800 s).


egy jellegzetes központi zár felépítés

Mivel a központi zár az objektívben van, közel a fényrekeszhez, és nem végtelen nagy sebességgel nyílik ki és záródik be, a rekeszszám módosítja a valós záridőt. Ennek oka, hogy szűk fényrekesznél a zár az indítása után azonnal nyitottnak tekinthető, hiszen csak a közepe van használva. Nyitottabb rekesznél több idő telik el, amíg a fényút jelentős része szabaddá válik. Ezt a problémát a záridő korrekciójával küszöbölik ki.

Elektronikus zár

A nemzetközi szakirodalomban az elektronika által vezérelt, de mechanikus elemeket tartalmazó zárakat is gyakran elektronikus záraknak nevezik, de az utóbbi időben egyre inkább a képérzékelő által megvalósított zár-funkcióra gondolunk. A valóságban tehát ez nem egy önálló eszközt jelent, hanem a képérzékelő azon tulajdonságának vezérlését, hogy a rá eső fényt (fotonokat) egy adott pillanatban gyűjti-e vagy sem. Leginkább kompakt fényképezőgépekben alkalmazzák, de pl. mindenhol megtalálható, ahol élőkép (LiveView) megjelenítésre szükség van. A nagyobb fényképezőgépekben elterjedt Full-Frame-Transfer CCD-k nem alkalmasak erre a feladatra, ezeket mechanikus zárral kell kiegészíteni, de a Frame-Transfer és az Interline típusok igen, és természetesen a CMOS képérzékelők is.

Az elektronikus zárak előnye, hogy nem tartalmaznak mozgó alkatrészt, ezért az élettartamuk nem hasonlítható a mechanikus típusokhoz. Hang nélkül működnek, ismétlési sebességük is többszörös lehet a klasszikus redőny- vagy központi zárakhoz képest. A cserélhető objektíves fényképezőgépekben a mozgóképfelvétel lehetőségének megjelenésével szükségessé vált, hogy állókép esetén a mechanikus, mozgókép esetén az elektronikus zár működjön. A képérzékelő-technológia fejlődésével valószínű, hogy egyes területekről teljesen kiszorítják a mechanikus megoldásokat.