Затворы фотоаппаратов, их типы, устройство и принцип работы

Затво́р фотографи́ческий — устройство, используемое для перекрытия светового потока, проецируемого объективом на фотоматериал (например, фотоплёнку) или фотоматрицу (в цифровой фотографии). Путем открытия затвора на определенное время выдержки дозируется количество света, попадающего на чувствительную поверхность и тем самым регулируется экспозиция.

На заре фотографии фотоматериалы имели низкую чувствительность, выдержка измерялась часами, позднее — минутами и секундами, поэтому специальный механизм затвора камерам не требовался — его роль выполняла крышка объектива, а время, на которое она снималась для экспонирования фотопластинки, отсчитывалось фотографом по обычным часам или в уме. В дальнейшем требуемые выдержки сократились до десятых, сотых и тысячных долей секунды, поэтому для управления затвором потребовался достаточно точный автоматический механизм.

Затворы классифицируются по расположению в камере (апертурные: межлинзовые, залинзовые, фронтальные; фокальные) и по конструкции (дисковые; лепестковые; шторные: веерные и ламельные; затворы-жалюзи и др.).

Характеристики фотографического затвора

Фотографический затвор характеризуется:

коэффициентом полезного действия (КПД), который выражает отношение количества света, прошедшего за время работы затвора, к количеству света, прошедшего за тот же период через «идеальный затвор»; чем больше значение этого коэффициента приближается к единице (а при процентном выражении — к 100 %), тем совершеннее работает затвор;

точностью и диапазоном выдержек;

степенью искажения изображения;

надёжностью работы затвора в различных условиях фотографирования.

Типы фотографических затворов

Дисковый секторный затвор

Дисковый секторный затвор состоит из вращающегося на оси металлического сектора с отверстием, который приводится в действие пружиной, связанной со спусковым рычагом.

Затворы этого типа отличаются наименьшим числом деталей, что определяет наименьшую стоимость, повышенную надёжность и уменьшение требований к точности изготовления.

Однако их существенные недостатки — громоздкость (радиус диска не менее перекрываемого отверстия) и ограниченный диапазон выдержек привели к ограниченному применению, в основном в камерах начального уровня.

Дисковый затвор имеет конструктивное сходство с обтюратором кинокамер.

Затворы-жалюзи

Затворы-жалюзи применяются крайне редко, так как требуют значительного пространства между линзами объектива, однако представляют практический интерес, обладая некоторыми преимуществами.

Перекрываемое поле состоит из набора узких пластинок-ламелей, одновременно поворачивающихся вокруг осей. При открытом затворе пластинки направлены вдоль оптической оси. Для закрытия затвора достаточно повернуть все пластинки на 90°. Благодаря небольшой массе каждой отдельной пластинки инерционность затвора невелика и приводной механизм отличается простотой. Радиальный затвор-жалюзи, кроме основной задачи дозирования экспозиции, выполняет роль оттенителя — компенсатора падения освещённости от центра кадра к краям; избыточная освещенность в центре гасится центральной частью затвора.

Коэффициент полезного действия затворов-жалюзи близок к КПД центральных затворов.

Центральный затвор

Центральный затвор, как правило, устанавливается между линзами объектива или непосредственно за задней линзой. Он представляет собой ряд тонких сегментов, приводимых в действие системой пружин и рычагов. При экспонировании сегменты открывают действующее отверстие объектива симметрично относительно его центра и, следовательно, сразу освещают поверхность светочувствительного элемента.

Затвор-диафрагма, диафрагменный затвор — центральный затвор, максимальная степень раскрытия лепестков которого регулируется, за счёт чего затвор одновременно выполняет роль диафрагмы.

КПД центрального затвора составляет от 0,3 до 0,5, а минимальная выдержка, как правило, не короче 1/500 с (затвор-диафрагма при малых относительных отверстиях может обеспечить и более короткие выдержки, например 1/800 с в советском «ФЭД-Микрон»).

В качестве датчика времени в центральных затворах чаще всего используется простейший часовой анкерный механизм, а на коротких выдержках время открытия затвора регулируется силой натяжения пружин. Последние модели центральных затворов имеют электронный дозатор выдержки. В этих затворах лепестки удерживаются в открытом состоянии электромагнитами.

Преимущества центрального затвора:

Не искажают фотографическое изображение эффектами временно́го параллакса, так как весь кадр экспонируется одновременно.

Возможность использования фотовспышки на любых выдержках.

Устойчиво работают на морозе, в отличие от тканевых шторных затворов (см. ниже).

Благодаря открытию от центра к краям эффективное распределение света в световом пучке получается неравномерным по радиусу, и при этом центральная часть пучка открыта в течение большего времени, нежели края. В результате характер боке оказывается более близок к «математически правильному» распределению Гаусса. Особенно это заметно на затворах-диафрагмах.

Недостатки центрального затвора:

Относительная сложность устройства (кроме простейших затворов с одной выдержкой).

Сложность получения коротких выдержек. Это связано с тем, что тонкие лепестки затвора подвергаются большим нагрузкам (за очень короткое время они должны разогнаться до скорости несколько метров в секунду и более, а затем остановиться без отскоков и деформации). На практике затворы с выдержками короче 1/250 с ставят только в дорогие камеры.

Сложность применения в однообъективных зеркальных камерах — для визирования затвор приходится держать открытым, а кадровое окно на это время закрывать от света другим механизмом (Bessamatic, «Зенит-4»).

Оптически наивыгоднейшее место для расположения центрального затвора — между линзами объектива. Для использования сменных объективов либо приходится применять залинзовый затвор, либо сильно удорожать объективы, встраивая затвор в каждый из них (Hasselblad 500 C/M^[1]).

Центральный затвор во время открывания и закрывания дополнительно диафрагмирует объектив, что при короткой выдержке и открытой диафрагме может сказаться на характере изображения.

Фокальный затвор

Фокальный затвор, как явствует из названия, располагается вблизи фокальной плоскости, то есть непосредственно перед светочувствительным материалом. По принципу действия фокальные затворы обычно относятся к шторным (шторно-щелевым). Такой затвор представляет собой пару шторок (из прорезиненной ткани или тонких металлических ламелей). Затвор приводится в действие системой пружин илиэлектродвигателем.

Мгновенный затвор разработал и построил витебский фотограф С. А. Юрковский в 1882^[2] году, описание которого опубликовал в журнале «Фотограф» (№ 4 за 1883 год) и демонстрировал на Московском съезде фотографов. Выпуск усовершенствованной конструкции, получившей название шторно-щелевого затвора, с согласия Юрковского был налажен в Англии, а затем, с небольшими изменениями, в Германии.

Во взведенном состоянии фотоматериал перекрыт первой шторкой. При спуске затвора она сдвигается под воздействием пружины, открывая путь световому потоку. По окончании заданного времени экспозиции световой поток перекрывается второй шторкой. На коротких выдержках вторая шторка начинает движение еще до того, как первая полностью откроет кадровое окно. Щель, образующаяся между шторками, пробегает вдоль кадрового окна, последовательно освещая его. Длительность выдержки определяется шириной щели. Перед началом съемки следующего кадра затвор взводится заново, при этом шторки возвращаются в исходное положение таким образом, что щель между ними не образуется.

Затвор может быть с вертикальным или горизонтальным ходом штор. Горизонтальный ход, как правило имеют затворы с прорезиненными шторками, вертикальный — с ламелями. В случае 35-мм фотокамер затвор с вертикальным ходом позволяет при равной линейной скорости движения шторок получить в 1,5 раза более короткую выдержку синхронизации (см. ниже), поскольку проходимый шторами путь в 1,5 раза короче (24 мм вместо 36 мм у затворов с горизонтальным ходом).

КПД шторного затвора доходит до 0,95, а минимальная выдержка достигает 1/12000 с (Minolta 9 и 9xi).

При съёмке быстро движущихся объектов шторный затвор искажает их изображение. Оно, в зависимости от направления движения объекта по отношению к фотоаппарату, несколько суживается по ширине, или верхние части изображения слегка смещаются по отношению к нижним. Такие искажения слабо заметны и не играют роли при обычном фотографировании. Но их надо учитывать при технической или научной съёмке. Это явление называется временной параллакс.

На морозе шторный затвор из прорезиненной ткани может работать недостаточно точно и даже полностью отказывать, так как шторки теряют эластичность.

Шторный затвор требует тщательной регулировки, так как равномерность экспозиции по площади кадра напрямую зависит от равномерности и согласованности хода шторок. Конструкция же шторного затвора может быть относительно простой, как, например, классический затвор О. Барнака, широко применявшийся на камерах Leica и многих других во всём мире, включая отечественные ФЭД, «Зоркий», «Зенит» и«Ленинград».

В старых фотокамерах взвод шторного затвора осуществлялся специальным маховичком или рычагом (курком) вместе с перемоткой пленки. В современных аппаратах оба этих процесса выполняют электродвигатели. В механических версиях затворов этого типа выдержки отрабатываются механически (натяжение пружин и т. п.). В электромеханических, как правило, механически отрабатывается лишь одна (реже две^[3]) наикратчайшая выдержка. Весь диапазон остальных выдержек реализуется за счёт придерживания второй шторы электромагнитом. Другими словами, полноценно электромеханический затвор может работать лишь при работоспособных элементах питания, в то время как механический от них независим.

Электронный затвор

Электронные затворы применяются в современной цифровой фототехнике, и представляют собой не отдельное устройство, а принцип дозирования экспозиции цифровой матрицей. Выдержка определяется временем между обнулением матрицы и моментом считывания информации с неё.

Применение электронного затвора позволяет достичь более коротких выдержек (в том числе и выдержки синхронизации со вспышкой) без использования более дорогостоящих высокоскоростных механических затворов.

Из недостатков электронного затвора можно выделить искажение изображения, вызванное последовательным чтением ячеек, а также повышенной вероятностью возникновения блюминга (например, при попадании в кадр солнца).

Кроме того, выпускаются матрицы, имеющие индивидуальный электронный затвор в каждом пикселе. В этом варианте осуществляется настройка оптимального времени экспозиции для каждого пикселя в зависимости от уровня освещённости в данном участке кадра.^[4].