Принципы действия автоматики современной вспышки

Вам когда-нибудь заряжали мецовским молотком в глаз?
А на полную мощность в ручном режиме?
То-то же...

Давайте попытаемся разобраться, какой автоматикой оснащается вспышка и как действует эта автоматика.

Все современные вспышки работают по следующему принципу: Низкое напряжение от низковольтной батареи преобразуется высоковольтным генератором. Далее этим высоким напряжением заряжается конденсатор большой емкости. При срабатывании затвора камеры происходит разрядка конденсатора через газоразрядную лампу, которая дает очень короткий мощный импульс света, близкий по спектральным характеристикам к дневному. Исторически такая схема появилась первой и существует до сегодняшнего дня.

Мы имеем совершенно неуправляемый источник света. Тогда как же нам получить правильную экспозицию кадра? Ведь освещенность объекта съемки зависит от расстояния до источника света (обратно пропорциональна квадрату расстояния). А действовать приходиться следующим образом.
Каждая вспышка имеет такую характеристику как "ведущее число" - Это то расстояние от объекта съемки до вспышки (при условии, что она установлена на камере), при котором получиться правильная экспозиция. При этом подразумевается использование пленки с чувствительностью 100ISO и объектива со светосилой 1. Фактически - это мера мощности вспышки (для студийные вспышек существует прямое понятие мощности, измеряемой в джоулях). Естественно, мы не располагаем таким объективом: в лучшем случае у нас объектив со светосилой 1.2 или 2, а то и 3.5 (да иногда для получения большей глубины резкости нужно прикрывать диафрагму). И пленку мы можем использовать разную. В любом случае возникает необходимость определить расстояние для правильной экспозиции при заданной диафрагме и чувствительности пленки, либо, что чаще бывает - необходимую диафрагму при прочих фиксированных параметрах. Для этого используется несколько методов:
1) расчет по формуле (крайне не оперативен и неудобен);
2)Расчет по таблицам (достаточно неудобен и мало оперативен);
Остаются еще 2 варианта:
3) определение по номограмме (см. рисунок);
4) определение с помощью калькулятора, которым обычно оснащаются подобные простейшие вспышки (см. фото)

Калькулятор

Соответствующая калькулятору номограмма (немного расширенная)

Таким образом, повернув диск калькулятора в положение, соответствующее применяемой пленке мы получим ряд "расстояние-диафрагма". То же и с номограммой - выбираем необходимую кривую для конкретной пленки.
Давайте теперь проанализируем некоторые трудности, которые возникают при съемке в таком случае:
Допустим мы пытаемся снимать с отраженным от потолка светом вспышки, повернув излучатель вверх. Или в белую стену. И тут же на нас сыпется куча вопросов:  Насколько белая поверхность стены или потолка? Как она отражает свет? Как далеко отражающая поверхность от вспышки? Одинаково ли поверхность отражает свет по всем направлениям(диффузионное отражение)? И т.д... Конечно, можно воспользоваться простым правилом, которое работает достаточно хорошо при "стандартной высоте потолка" и "стандартной побелке": При съемке со вспышкой "в потолок" нужно полученную расчетами диафрагму уменьшить на 2 ступени (т.е. было 11 - получаем 5.6).
А если мы используем специальные рассеиватели для широкоугольной или макросъемки? марлю какую-нибудь вешаем на излучатель? Или допустим, мы хотим использовать максимум уже имеющегося освещения, что бы получить более-менее естественное распределение теней, а не такое, когда лица на переднем плане пересвечены, на заднем плане - "драка негров в тоннеле"? В таком случае перед нами (вернее перед связкой "камера-вспышка") встает задача определения правильной экспозиции и дозирование нужной мощности излучения. А решилась эта задача следующим исторически первым методом :

На вспышку был установлен светоприемник (фотодиод или фоторезистор), с помощью которого замеряется освещение вспышкой объекта съемки. Т.е. в процессе излучения света с помощью приемника замеряется освещенность объекта съемки, и когда по мнению электроники правильная экспозиция достигнута, специальный электронный ключ разрывает цепь "конденсатор - газоразрядная лампа" и излучение прекращается. Принципиально этот ключ может быть выполнен в двух вариантах: На дешевых или старых вспышках питание от лампы не просто отключалось, а происходило замыкание конденсатора накоротко, т.е. вся накопленная энергия попросту терялась. В последствии были применены полупроводниковые приборы - тиристоры. Тиристорный переключатель просто разрывают цепь питания лампы. В таком случае неизрасходованный заряд сохраняется в конденсаторе и тем самым существенно ускоряется его подзарядка (до долей секунд вместо 5-10 секунд) и во много раз  продлевается срок службы элементов питания. Такие вспышки получили название "тиристорные".

Введение такого усовершенствования сильно облегчила жизнь фотографам, особенно репортерам. Ведь порой оперативность решает все. Нам нужно только выбрать автоматический режим (обычно их несколько), установить соответствующую ему диафрагму и снимать не задумываясь о расстоянии и о том, какой белизны потолок...(см фото, 3 режима для трех диафрагм - синий, красный, желтый). Как определить, что мощности вспышки хватило? Ведь возможен такой случай: вспышка сработала на полную мощность, но правильная экспозиция не достигнута, т.е. не поступил сигнал на отключение лампы. Для этого случая был введена такая функция: при недостаточной мощности, после срабатывания мигает индикатор готовности вспышки. Для подстраховки, что бы не тратить кадр, мы можем нажать кнопку "Тест", направив светоприемник вспышки на объект съемки и если экспозиция достигнута, снимать кадр. Те вспышки, которые имеют эту функцию, обычно имеют на "башмаке" дополнительный контакт, который служит для обеспечения индикации в видоискателе камеры готовности вспышки.

Поле зрения светоприемника вспышки соответствует полю зрения объектива 28 или 50мм. Я полагаю, что при этом используется интегральный замер по всему полю зрения датчика. При использовании длиннофокусного объектива мы можем получить сильную ошибку в экспозиции из-за несоответствия угла поля зрения объектива и угла поля зрения датчика вспышки. Самым верным способом оказалось размещение светоприемника вспышки внутри камеры. Такие вспышки носят название "TTL-вспышек". Правильное дозирование мощности вспышки осуществляется путем замера отраженного от пленки света (см рис). При нажатии на кнопку спуска срабатывает затвор, вспышка дает импульс, и пока затвор открыт, с помощью датчика замеряется отраженный от пленки свет. при достижении правильной экспозиции лампа вспышки отключается. Также возможен вариант замера по предвспышке (отраженный свет от шторок затвора), а не по основному импульсу, когда затвор открыт. В таком случае, после нажатия кнопки затвора сначала выдается одна, или серия предвспышек, замер производится аналогично предыдущему случаю, только с отраженным от затвора светом. После этого срабатывает затвор и вспышка выдает уже основной необходимый для правильной экспозиции импульс. Второй способ более точный, но дает порой ощутимую задержку времени от нажатия на кнопку спуска до срабатывания затвора: здесь все зависит от реализации этого режима в конкретной камере и вспышке.

Размещение датчика внутри камеры позволило:
1) использовать не только центровзвешенный или интегральный замер освещенности, но и соответствующий данной камере многозонный, сотовый, точечный и т.п. замеры;
2) переложить на микропроцессор камеры расчет необходимой мощности в случае использования специфического многозонного замера с различными приоритетами зон. В таком случае получаются стабильные результаты вне зависимости от используемой вспышки.

Кстати, такая тесная интеграция электроники камеры и вспышки у разных фирм реализуется по-разному, что породило несовместимость вспышек одних фирм с камерами других. Таким образом появился термин "Системная вспышка" - вспышка, совместимая только с камерами конкретной фирмы, или же с узкой линейкой камер конкретной фирмы.

Дальнейшим развитием TTL-замера у вспышек явилось введение учета расстояния до объекта съемки. Т.е. при замере и расчете необходимого импульса, преимущество отдается тем объектам съемки, на которые сфокусирован объектив. Таким образом, возникла косвенная электронная связь "объектив-вспышка" (косвенная потому, что расчет необходимого импульса ведется уже микропроцессором камеры, а не самой вспышкой). Такого рода замер существует, как правило, у самых совершенных камер ведущих фирм. (У Nikon правда еще ведется учет цвета объекта съемки). В последствии этот метод замера получает развитие уже в цифровых камерах.

С замером вкратце разобрались. Теперь разберемся в других возможностях современной вспышки.
 

Как я уже сказал, рефлектор простой вспышки осуществляет освечивание поля, соответствующего полю зрения объектива 28мм. Однако, при использовании объективов с большим фокусным расстоянием, какая-то часть света вспышки освечивает объекты, не попадающие в поле зрения объектива. Проще говоря получается "утечка" света. Почему бы не изменять угол освечивания, соответственно углу поля зрения объектива? Ведь тогда не будет потери света и ведущее число вспышки увеличится. Вспышки стали оснащаться линзой и системой механического перемещения рефлектора лампы вдоль оси линзы. Впоследствии, при появлении электронной связи между объективом и камерой, была разработана автоматическая система зуммирования рефлектора вспышки соответственно фокусному расстоянию объектива, что особенно удобно при использовании зум-объективов. При этом рефлектор вспышки автоматически занимает дискретные положения, максимально приближая угол освечивания к углу поля зрения объектива.

Высокоскоростная синхронизация или синхронизация на коротких выдержках.
Для любой камеры существует такое понятие, как "выдержка синхронизации" или "кратчайшая выдержка полного открытия кадрового окна". Подавляющее большинство камер имеет так называемый шторно-щелевой затвор. Этот затвор состоит из двух шторок. 1-я шторка в нормальном состоянии закрыта, а 2-я открыта. При срабатывании затвора 1-я шторка начинает движение, открывая кадровое окно. После полного открытия кадрового окна, движение начинает 2-я шторка, закрывающая кадровое окно. "Кратчайшая выдержка полного открытия кадрового окна" - эта та выдержка, которая отрабатывается в случае, когда 2-я шторка начинает движение сразу после того, как 1-я шторка закончила свое движение. Более длительные выдержки получаются при введении задержки времени между концом движения 1-й шторки и началом движения 2-й шторки. Более короткие получаются при запуске второй шторки до того, как 1-я закончила свое движение. Короче говоря, на выдержках длиннее выдержки синхронизации существует такой момент, когда кадровое окно полностью открыто, а на выдержках короче - экспонирование происходит щелью, образованной шторками. Чем короче выдержка, тем уже щель. Кратчайшая выдержка синхронизации для механических затворов составляет 1/250 с, для электронно-управляемых - 1/300 с. Например: "Зенит" - 1/30 с, Canon EOS 300 - 1/90 с, Nikon FM2 - 1/250 с, Minolta Dynax 9 - 1/300 с.
Как правило длительность импульса вспышки находится в диапазоне 1/500 - 1/20000 с Таким образом, при попытке использования вспышки при выдержке короче выдержки синхронизации мы получим бракованный кадр с узкой экспонированной полоской (см рис.). Однако иногда возникает нужда снимать со вспышкой на более коротких выдержках. Для этих целей был разработан режим высокоскоростной синхронизации (FP-синхронизация, HSS-High Speed Synchronization). Сущность этого режима заключается в следующем: импульс вспышки растягивается во времени, пока щель между шторками "пробегает" кадровое окно. При этом вспышка выдает серию очень частых импульсов, которые практически сливаются в один длительный импульс. Мощность вспышки в таком режиме сильно падает (в разы). Данный режим реализован практически во всех современных дорогих системных вспышках и зеркальных камерах, за исключением любительских моделей Nikon и Pentax.

Случай, когда выдержка длиннее или равна выдержке синхронизации. Вспышка работает в обычном режиме.
а - Затвор закрыт 1-ой шторкой; б - 1-ая шторка начала движение в левую сторону, открывая кадровое окно;
в - 1-ая шторка достигла края кадрового окна, 2-ая шторка еще не начала движения, кадровое окно открыто полностью, вспышка дает импульс, кадр равномерно экспонирован;
г - 2-ая шторка начала движение; д - 2-ая шторка закончила движение, закрыв кадровое окно.

Случай, когда выдержка короче выдержки синхронизации. Вспышка работает в обычном режиме.
а - Затвор закрыт 1-ой шторкой; б - 1-ая шторка начала движение в левую сторону, открывая кадровое окно. За ней сразу начинает движение вторая шторка;
в - вспышка дает импульс, кадр экспонируется только в районе щели, образованной шторками; г - шторки продолжают движение;
д - 2-ая шторка закончила движение, закрыв кадровое окно.

Случай, когда выдержка короче выдержки синхронизации. Вспышка работает в режиме высокоскоростной синхронизации.
Позиции аналогичны предыдущему рисунку. Импульс вспышки растянут на все время, пока движутся шторки. Кадр равномерно экспонирован.

"Спящий режим". Этот режим автоматически выключает вспышку после некоторого времени, в течении которого камера и вспышка не используются, что экономит источники питания вспышки. При любой манипуляции со вспышкой или камерой - вспышка автоматически включается.

Защита от "красных глаз": Выдается серия маломощных предвспышек, заставляющих сузиться зрачки снимаемых, после чего срабатывает затвор и испускается основной импульс вспышки. Однако если высота корпуса вспышки достаточно велика или вспышка отнесена от камеры, т.е. расстояние от оси объектива до оси рефлектора велико, то можно не беспокоиться о возникновении "красных глаз". "Красный" свет возникает при отражении света вспышки от глазного дна, при этом свет отражается строго обратно в сторону рефлектора вспышки. При большом расстоянии между осью объектива и осью рефлектора вспышки этот "красный свет" не попадает в объектив и зрачки снимаемых выглядят нормально. Таким образом этот режим фактически не требуется (он понадобиться при съемки с больших расстояний). К тому же этот режим вызывает существенную задержку спуска затвора.

Стробоскопический режим. Этот режим заставляет излучать заданную серию импульсов с заданной частотой, что позволяет на одном кадре получит серию фаз движения объекта съемки (при длительной выдержки, разумеется).

Синхронизация по задней шторке (медленная синхронизация): обеспечивает срабатывание вспышки после экспонирования кадра не сразу после спуска затвора, а перед его закрытием, что обеспечивает создание эффекта "кометного" следа за движущимися объектами при съемке на длительных выдержках.

Подсветка автофокуса: Позволяет камере уверенно фокусироваться в самых сложных условиях контраста объекта съемки и в полной темноте. На корпусе вспышки установлен светодиодный прожектор, который при недостаточной освещенности или контрасте рисует на объекте съемки характерную серию полосок в круге (т.н. "полосаточка"), тем самым создавая искусственный контраст и подсветку. Некоторые вспышки подсвечивают датчик автофокуса серией предвспышек.

Некоторые вспышки оснащаются встроенными светосинхронизаторами, что позволяет синхронизировать удаленные от камеры вспышки по импульсу установленной на камере вспышки, обходясь без управляющих проводов.
Вообще вопросы синхронизации комплекта выносных вспышек  выходят за рамки этой статьи.