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科普] 高速焦平面快门的实际工作方式

时间:2017-10-10 07:43  来源:未知    作者:admin  点击:

  高速快门之下会有一些你平时并没有注意到的奇怪现象,比如运动物体扭曲,或是其他形变。针对这个现象,今天会主要系统的介绍下单反系统的快门工作原理;以及类似的快门系统,尤其是针对高速快门的真实状况的讨论。同时也会涉及到关于闪光同步的讨论。

  由于这部分内容的一些计算其实比较无聊,非常简单,也很没有必要,因此计算在本帖中略去,仅作定性讨论。

  众所周知,当摄影变成了一门“与时间赛跑”的艺术开始,人们便研究如何定格影像。其中用时间来定格影像是个好办法。不过这还不够,不太灵活,因此又有了控制通光量的。在决定对运动物体的“凝固”程度时,时间便成了决定性因素。这个控制时间的元件遂称之为“快门”(Shutter)。

  接下来登场的就是相机界近大半个世纪的镜间快门。当时许多中档35毫米相机、中幅双反相机、和后来的的简便35毫米相机,APS相机都用镜间快门。现在,它主要使用在卡片上。

  进入十年代,电子化发展,电子化的帘幕快门开始流行,以其高度的耐久性和准确性一直沿用至今。

  21世纪以来,由于小型相机的半专业化发展,电子断流快门不足以满足要求,由此产生了一种电子机械混合快门。并有推广之势。

  由材料上看,最早的帘幕快门是由不透光的布料制造的。由电力或机械装置卷动来控制时间。最短约1/60s。后来由钢片制造的快门组取代了布帘,并引入了“前帘”和“后帘”,有两个快门帘幕来提高速度。随后又产生了多种合金制造的帘幕快门。

  如今的焦平面快门应用在数字单反相机上,一般采用碳纤维和铝合金的复合材料,使用旋转磁体控制,效率和速度都很高。

  如图所示,焦平面快门的动作被划为4步。第一步是预动作,和反光镜翻起同时进行。然后第二步是放开前帘,开始。第三步中电子计时器到时间后关闭后帘。随后的第四步与同样无关,随着反光镜的动作进行。

  我们知道,相机的一大参数就是闪光同步速度。意即超过此速度相机就不能正常闪光整个画面了。因此有一个的最大快门速度。使用闪光灯时一般不允许超过这个速度。为什么有这个呢?我们会在下面章节详细讨论这个问题。通常旗舰均为1/250s,次全幅为1/200s,APS-C旗舰1/250s,6D是1/180s。

  根据牛顿的理论,尽管碳纤维快门帘已经十分轻了,但是在驱动马达一定的扭矩之下,其运动速度不能无提升,而是有一定的。这就导致一个问题。在高速快门之下,不能依靠两个帘幕分别开关来工作,速度受到了。不过,对于焦平面快门,这个问题很好解决。很快就有了一种变通的办法:在这个极限之上,开始用固定缝隙扫过感光元件的办法来实现等效“时间”。这个极限我们可以临时叫做“最大全开速度”。在此之上的状况可以参见下图理解:

  我们知道,闪光灯不能连续工作,题只能发出一束极为短暂的(约万分之一秒)强光。这就导致一个问题,当快门速度比最大全开速度快的时候,闪光灯只能在一瞬间当时快门帘中间的“狭缝”内的一部分感光元件,而其他部分全是黑的。

  由此我们知道,闪光同步速度和临时起名的最大全开速度是相同的概念。因此我们将对此定名为“闪光同步速度”。实际提到这个概念请不要称作“最大全开速度”,这只是为了方便理解临时定名而已。这里我们就只叫“闪光同步速度”

  通常解决这个问题的方法是,既然高速时是狭缝扫过感光元件,那么就可以使闪光灯多次闪光,与狭缝的运动保持精确同步,将整个画面全部。不过这样做有一个问题,就是我们把闪光灯单次闪光的一份能量分成了好几次脉冲的能量,每一次脉冲的能量都不很大,而且整个画面被的程度也只相当于接受了这“一小份脉冲”的照射,因此这样做减损了闪光灯的有效闪光指数。

  观察上图,我们发现快门帘是纵走的。我们单反的快门就是纵走式的。其全称通常为“电子控制纵走式焦平片快门”。我们先从它研究起。总结一般的形变规律。

  由于透镜成左右相反,上下的像,因此我们画出的示意图应该是倒的。不过由于拍出的照片是正的,一般单反的快门帘是由上到下扫描的。所以,我在示意图中会画出相应的情形。

  由于扫描的不同时性,因此会导致运动物体发生不同的形变。上图描述的是一种典型的(夸张了的)水平运动物体的拖尾形变。

  在该图中,我们不考虑横向的放大作用。我们单纯考虑形变效应。在向下运动时,它的想在焦平面上向上运动,与扫描方向相反,因此产生了压缩效应。

  在该图中,我们仍然不考虑横向的作用。我们单纯考虑纵向形变效应。与3.1不同的是在向上运动时,它的像在焦平面上向下运动,恰好与扫描方向相同,因此产生了拉伸效应。

  当物体不规则运动时,应当综合考虑III.2和III.3这两种效应,他们都是基础。思考时很容易想到,只需要把实际情况沿竖直和水平方向分解考虑再合成即可。

  不过要指出的是,计算表明,这些效应只有III.3.2在一些情况下比较明显,其他的效应通常都不大明显,因此一般拍摄可以不太考虑这一现象。

  但是,在拍摄直升机、喷气机等高速物体时,这些现象都可能十分明显。应该把握好快门。尤其值得注意的是,有案例表明,直升机螺旋桨很容易受此影响在照片中变成镰刀形。

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