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细说Canon EMD电磁光圈驱动性能与快门时滞

(2014-09-13 21:00:40)
标签:

光圈

ef镜头

快门时滞

佳能

分类: 论摄影
在Canon EOS-1D系列专业高速单反相机的介绍中,常常提到两点:一是开启缩短快门释放时滞选项后,在最大光圈下,快门时滞可以降至xx毫秒,二是最高连拍速度是在使用最大光圈的前提下实现的。快门时滞、连拍速度为啥和光圈有关系?这就要从EMD电磁光圈驱动开始说起。
细说Canon <wbr>EMD电磁光圈驱动性能与快门时滞

1987年,Canon推出了EOS单反系统和全电子化的EF卡口,成为相机发展史上的里程碑之一。EF镜头的对焦驱动已经有很多介绍了,光圈驱动却不多。撞针n年前就想聊聊EMD电磁光圈,但是一直没有足够的官方资料支撑,这里只是分享自己的认识,抛砖引玉。有不妥之处,欢迎指正。

一、镜头卡口和光圈驱动

单反相机需要全开光圈取景,收缩光圈拍摄。全开光圈一方面让取景画面更明亮,便于取景,另一方面景深最浅,便于准确对焦。在自动对焦时代,单反对焦系统采用相位对焦原理,有一些环节类似三角测距仪,要测量宽光束两侧光线的成像相位。当代单反普遍需要f/5.6光圈才能完成对焦,用某些f/2.8光圈对焦点精度更高。全开光圈可以保证对焦系统有足够的光线强度和光束宽度。

因此,光圈叶片必须在拍摄时收缩到设定的光圈值,拍摄完成之后回复最大光圈,此外,单反发展初期,通过成像镜头(TTL)测光还要求收缩到拍摄光圈来测光。后来也都改为全开光圈测光了。总之,光圈的需要随着快门缩放,必须有驱动装置。
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FD镜头的双光圈拨杆(自动光圈拨杆和光圈值拨杆)

相机在全电子化之前,机身通过连杆驱动光圈。Canon从来没有官方解释过早期FL、FD卡口的字母含义,但有人认为,F指焦平面快门,L指具有光圈连接,D指有双重光圈连接,撞针觉得还挺有道理的。R镜头、FL镜头和FD镜头光圈控制方式对应了测光方式的发展,可见光圈控制对镜头的重要意义。
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EF卡口和触点

EF卡口是完全电子化的,EF镜头上没有光圈环,EOS机身也没有镜头拨杆。光圈的由EMD电磁驱动光圈单元驱动。EMD电磁光圈由变形步进马达、定子、齿轮等构成,步进马达通过小齿轮控制嵌有光圈叶片的旋转环。

二、步进马达

这两年由于微单、反差对焦、视频对焦的需要,步进马达这个名词也热起来。例如Canon 2012年推出了“全新的”STM对焦马达。其实步进马达真的不是什么高新尖的玩意儿,很早就存在,很多方面的性能不算好。
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步进马达的工作原理

普通直流马达通过电刷和换向器不断改变电磁方向,驱动转子转动。步进马达没有电刷,通过控制电路输出的电信号改变电磁方向,驱动转子转动。每收到一个脉冲信号,步进马达就按设定的方向转动一个固定的角度。

步进马达有很多优点:
1.很容易控制旋转角度,特别适于数字化控制,控制机构成本低。
2.精度高,每一步的误差不累计。
3.抗过载性好,其转速不受负载大小的影响。
4.可以以很低的转速运行,减少减速传动。

这些优点使得步进电机特别受到精确控制设备的青睐。但步进马达也有不少缺点:
1.整体工作效率低,不如普通直流马达。
2.不适于高转速运行,力矩会随转速的升高而下降,直至停转,最高转速有限。
3.工作电流高,易发热,不适于长时间高强度运行。

三、EMD电磁光圈
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EMD电磁光圈的步进马达,每接受一个电信号脉冲则旋转一步。当相机传递光圈值信号时,信号被镜头内置CPU转换成所对应的脉冲数。通过该脉冲数可精确控制光圈口径。步进马达转子较小,起动、停止时的响应、控制性都非常好,不需要有与相机之间的机械连接。
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EMD电磁光圈的变形步进马达

EMD电磁光圈无论收缩还是复位,都依靠步进马达驱动。因此有一个小窍门:在倒接、转接EF镜头的时候,如果想用小光圈,可以先在机身上通过景深预视收缩光圈,同时取下镜头。由于镜头和马达没有收到控制信号,光圈会保持在收缩位置。一旦重新装上EOS机身,光圈就会恢复。
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通过景深预视收缩光圈

得益于步进马达,EMD电磁光圈有很多优点:
1.大幅度扩展了镜头光圈设计的自由度,超长焦镜头的超大光圈叶片、TS-E镜头的偏转光圈叶片都不是问题。
2.控制精度高,调节灵活。快门叶片启动和停止反映速度快。
3.大幅减少了传动机构,噪声大幅减小,运行安静稳定。
4.不会出现机械拨杆磨损、松动、缺润滑油的情况,持久可靠,寿命几乎不是问题。
5.光圈组件小型化,减少了镜头体积重量。

正因为如此,EMD电磁光圈成为了EOS系统最基本的组件,搭载在所有的EF镜头中。

四、EMD驱动速度

回到前文光圈影响高速相机时滞和连拍速度的主题。我们知道,单反快门需要在反光板抬起,光圈收缩到位两个动作完成后才能开启。如果是机身驱动光圈,可以让光圈和反光板达到同样的速度。镜头马达驱动就不一定了,步进马达在动力输出和速度方面不算突出,比不上强悍的机身马达。
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EMD完全收缩光圈需要多少时间?应该略小于55ms(毫秒)。从1989年的EOS-1到今天的EOS-1D X,Canon EOS-1系列单反相机标准快门时滞始终都是55ms,这个时间允许所有EF镜头将光圈从最大收缩到最小。通过光圈收缩的慢动作视频分析,撞针计算了一下,EF光圈完全收缩或者完全复位(最多8级光圈),一般需要在40-45ms左右。

光圈完全收缩到复位,一个标准流程需要110ms,就算已经包含了快门本身的动作时间(最少6ms),EOS相机连拍速度无法超过1000ms÷110ms≈9.1fps。当然,这是指普通模式下所能达到的速度。

五、EOS-1D系列的时滞和连拍速度

再回到文章开头说的,EOS-1D系列在最大光圈下快门时滞可以比55ms更低。这个功能是在自定义菜单中“快门释放时滞”选项打开实现的。1DIV及以前的机型,可以在光圈缩小超过3级时,将快门时滞短约20%。官方标称,最快快门时滞为40ms。这个时滞应该主要是反光板抬起的时间。
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通过慢动作回放,撞针计算1D系列反光板抬起基本上都在36ms左右,放下的速度却比抬起要快,大致不到25ms。加上光圈收缩时滞的55ms,差不多就是III到IV代官方标称的80ms左右的取景器黒视时间(黒视时间时滞反光板抬起后,取景器看不见东西,无法取景的时间)(II代黒视时间标称87ms)。

这里有个问题,光圈收缩和张开都需要接近55ms,黒视时间怎么能小于110ms呢?很简单,光圈完全动作到位后快门才能工作,所以快门时滞必须大于光圈收缩时间。但是反光板回位后,不管光圈有没有完全打开,取景器都可以取景了,无非是暗一些而已。

EOS-1D X更上一层楼,官方声称在缩短快门释放时滞后,最高快门时滞为36ms。官方还说起黒视时间为60ms,和以前机型标注的80ms相比,撞针估计有些水分,如果没有减少快门释放时滞,或者光圈收缩级数更多,是不可能达到的。

使用最大光圈时,相机高速连拍只需要考虑反光板和快门的动作时间,EOS-1D X能达到12fps连拍速度也就不奇怪了。光圈一旦收缩,连拍速度就会慢下来。这就是文章开头提到的“高连拍速度是在使用最大光圈的前提下实现的”。

至于EOS-1D X所谓14fps的连拍,是在锁定反光板和光圈,取景器一直全黑实现的,不再此文讨论之列。

六、提升EMD光圈驱动性能

Nikon某些专业高速机型,由于采用机身马达驱动光圈,快门时滞和最高连拍速度完全不用考虑光圈收缩的影响。
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Canon如何提升光圈驱动性能呢?对于以前的老镜头,最直接的办法是提升步进马达转速。然而前面说过,步进马达最高转速有限,增加功率可以让步进马达驱动超长焦镜头的巨大光圈,却不能提升光圈反应速度。

投机取巧的办法就是进一步挖掘光圈缩放的余地。例如,在连拍过程中,光圈只复位到f/5.6或者f/2.8,足够对焦系统工作就行,不再回复到最大光圈。最大的几级光圈,也是叶片运动幅度最大的,这样应该能节省不少时间。不知道Canon考虑过没有。

根本的办法,还是改进EF镜头,采用双马达光圈,一个马达负责光圈叶片高速大幅度调整,另一个步进马达负责光圈调节到位。两个马达同时运行,大幅减少光圈调节时间。由于EF镜头是全电子接口、CPU控制,实现两个马达的联动并不困难。双马达光圈对于EF卡口以及控制兼容性要求最低。
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Canon双马达光圈专利

BTW,关于双马达光圈的设想,撞针早就有了,原本想写在此文中,上周发出来。结果懒惰了一下,赖到现在。就在今早,Canon双马达光圈专利的新闻出现了,构想完全一致。厚颜自夸一句,Great minds think alike。同时自我批评:如果上周不懒惰,先于专利发表此文,看上应该更NB吧^_^

(FIN)

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