Dreticus
Oorspronkelijk gepubliceerd in jul2019
Sluiters
Bij het maken van een foto wordt de sensor in de camera blootgesteld aan licht. Het binnenlaten en afsluiten van het licht kan zowel op mechanische wijze (het bedekken van de sensor) als elektronisch (aan- en uitschakelen van de sensor).
We bespreken hieronder allerlei types van sluiters, samen met de flitssynchronisatietijd. De meeste aandacht gaat naar de (mechanische) spleetsluiter.
Mechanische sluiters
Spleetsluiter ("focal plane shutter")
Een spleetsluiter werkt met twee "gordijntjes" (lamellen). In rust is het eerste gordijntje uitgerold (afbeelding 1), waardoor de hele oppervlakte van de sensor wordt afgedekt. Op het moment dat er wordt afgedrukt, wordt het gordijntje razendsnel opgetrokken. Even later komt er van onderaan een tweede gordijn dat wordt uitgerold (eveneens van beneden naar boven -maar dus uitgerold in plaats van opgetrokken), zodat de sensor opnieuw wordt bedekt.
We vatten het proces samen in 9 beelden:
Speedy gordijn
Hoe lang duurt het optrekken van zo'n gordijn? Naar verluidt zowat 1/300s (bij een 36x24mm sensor). Dat komt overeen met een snelheid van ongeveer 25 km/u.
Afbeelding 1,2,3,4
In rust is het eerste gordijntje helemaal uitgerold (afbeelding 1). Zodra er wordt afgedrukt, wordt het opgetrokken (afbeelding 2,3,4) tot het ...
Afbeelding 5,6,7,8
... niets meer bedekt (afbeelding 5). De sensor krijgt het hele beeld te zien; als er moet worden geflitst, dan moet het nu, want daar komt al het tweede gordijntje tevoorschijn (afbeelding 6) -het wordt uitgerold van beneden naar boven (afbeelding 6-8) totdat de sensor ...
... opnieuw is afgedekt (afbeelding 9 hiernaast).
De foto is genomen; elk beeldpunt is even lang belicht, al is het niet altijd op hetzelfde moment: eerst was alleen de onderkant belicht, en aan het het eind alleen de bovenkant.
Probeer dat maar eens met een gordijn minder.
De tijd die de camera nodig heeft van afbeelding 1 tot afbeelding 5, noemt men de beeldsnelheid ("shutter rate").
De tijd die de camera nodig heeft van afbeelding 1 tot afbeelding 9, noemt men de flitssynchronisatietijd. Het is de minimale tijd die de camera nodig heeft om de sensor in zijn geheel te belichten, van start tot finish.
Hetzelfde maar dan anders:
Figuur 1: Flitssynchronisatetijd
In Figuur 1 stelt de X-as de tijd voor, de Y-as is de sensor (onder = de onderste lijnen van het beeld, het gras; boven = de bovenste lijnen, de wolken). Op moment 0 (X-as) is het eerste gordijntje helemaal uitgerold. Na 1/400s is het opgetrokken tot boven. Op dat moment kan er worden geflitst (rode verticale lijn). Vlak daarna wordt het tweede gordijntje uitgerold van beneden naar boven. Na 1/200s is de sensor opnieuw helemaal afgedekt door het tweede gordijn. In dit voorbeeld deden de twee gordijntjes er dus elk 1/400s over, samen 1/200s. De flitssynchronisatetijd bedraagt daarom 1/200s.
Flitsen met voorste en achterste gordijn
Als er tijd te over is om te flitsen, dan kan je met sommige camera's kiezen tussen flitsen op het moment dat het eerste gordijn net uit beeld verdwijnt, of flitsen vlak voor het tweede gordijn in beeld verschijnt.
Dit laatste is populair bij bewegende beelden. Als je 's avonds een rijdende auto fotografeert met flits en die flits zo snel mogelijk afvuurt, wordt het beeld van de auto quasi-onmiddellijk vastgelegd door het flitslicht en rijdt hij nadien nog even door het beeld in het zwakkere straatlicht. Dit geeft een onnatuurlijk effect, want de naweeën worden getoond vlak voor de motorkap, waar de auto nog niet was toen er geflitst werd. (We veronderstellen dat hij in vooruit staat.)
Om beweging te suggereren, wacht je beter zolang mogelijk om te flitsen. Achter de koffer krijg je dan de voorbije contouren van de auto; de auto zelf is het best gedefinieerd tijdens de laattijdige flits. Het maakt duidelijk dat de auto in beweging was. Zo worden rijdende auto's gewoonlijk ook afgebeeld in stripverhalen.
Als de camera langer mag belichten (bv. 1/100s in plaats van 1/200s), dan wordt er even gewacht met het uitrollen van het tweede gordijn. Afbeelding 5 bovenaan blijft m.a.w. langer in beeld en je kan kiezen wanneer je flitst.
Anders voorgesteld:
Figuur 2: bij een langere sluitertijd kan het flitsmoment gekozen worden
Als we heel kort willen belichten (korter dan de flitssynchronisatetijd), dan moet het tweede gordijntje al uitgerold worden op het moment dat het eerste nog in beeld is, want anders komen we er niet.
Het proces ziet er dan uit als volgt:
Afbeelding 10,11,12,13
De eerste drie afbeeldingen (10, 11 en 12) zijn dezelfde als die van daarnet. Maar in afbeelding 13 zien we dat het tweede gordijntje al wordt uitgerold terwijl het eerste nog niet weg is.
Afbeelding 14,15,16
Het tweede gordijn wordt verder uitgerold tot de sensor opnieuw volledig is afgedekt (afbeelding 14-16).
We hebben in deze tweede simulatie het hele proces in 7 afbeeldingen samengevat in plaats van 9, om duidelijk te maken dat de belichting minder lang duurt. Ook nu zal elk deel van het beeld even lang zijn belicht, maar er is geen geschikt moment meer om te flitsen, want er was op elk tijdstip slechts een deel van het beeld te zien (als de flitser afgaat, zal alleen die strook worden beflitst en dat wil je niet). De flits kan niet meer worden gesynchroniseerd met de gordijntjes.
De grafiek ziet er nu uit als volgt:
Figuur 3: het tweede gordijn komt op terwijl het eerste nog in beeld is. De flitssynchronisatietijd wordt vermeld ter illustratie; er kan niet meer zinvol worden geflitst.
(N.B.: hoe korter de sluitertijd, hoe sneller het tweede gordijn achterna komt en hoe smaller de strook die wordt belicht.)
Voordelen van een korte flitssynchronisatietijd
Als je wil flitsen op het zonovergoten strand, om schaduwen te verzachten, dan moet je met een te lange ("slechte") synchronisatietijd een heeeeeel klein diafragma gebruiken om overbelichting te vermijden en dan reikt je flitslicht niet ver.
Ook wanneer je binnenhuis flitst, kan een korte sluitertijd nuttig zijn.
Heel veel maakt het niet uit, maar als je twee quasi-identieke camera's in de toonbank ziet liggen en het ene model -de gewone Super- heeft een synchronisatietijd van 1/125s en de andere, de Super Plus doet het in 1/200s, neem dan de Super Plus.
Met een spleetsluiter bereiken sommige camera's flitssynchronisatiesnelheden van 1/200s en zelfs nog iets korter. De minder goede houden het op 1/150s of 1/180s. Een kortere tijd biedt wel degelijk praktische voordelen.
De spleetsluiter kan korte belichtingstijden aan, tot 1/4000s of zelfs 1/8000s. Maar de mechanische werking van de gordijntjes heeft een nadeel: de abrupte overgang van snelle beweging naar stilstand veroorzaakt een aardbeving binnen in de camera. Het gevolg van deze plaatselijke natuurramp ("shutter shock" genoemd) kan sporen nalaten in het beeld (onscherpte door beweging). Dit is alleen te wijten aan het eerste gordijn, dat abrupt tot stilstand komt tijdens de belichting (op het moment van afbeelding 5 bovenaan), want de schok van het tweede gordijn laat zich pas voelen nadat de foto is genomen (afbeelding 9).
Bij spiegelloze camera's, waar de sensor de hele tijd wordt belicht (anders zie je niets op je scherm of in de zoeker) moet het mechanische gordijn eerst worden afgerold (om van nul te kunnen starten met de belichting) en dan opnieuw opgetrokken. Dat is een dubbele aardbeving -al mag je daar het effect van het wegklappen van de spiegel aftrekken.
Centraalsluiter ("leaf shutter")
De werking van een tweede type sluiter, de centraalsluiter, is volledig anders.
Een centraalsluiter is ingebouwd in de lens, vlakbij het diafragma -soms wordt hij daarom ook als diafragma gebruikt -en zo ziet hij er ook uit! Bij het afdrukken wordt de sluiter geopend van het centrum naar buiten (zoals een bloem die zich ontvouwt), en aan het einde van de belichting wordt hij gesloten door de omgekeerde beweging.
Men zou kunnen denken dat het centrale gedeelte van de sensor op deze manier langer wordt belicht dan de randen, maar doordat de centraalsluiter zich in de lens bevindt, ver van de sensor zelf, wordt het binnenkomende licht van bij het begin verspreid over de hele oppervlakte van de sensor, hoe klein ook de opening (net zoals je ook met een piepklein diafragma netjes belichte foto's neemt). Bij de spleetsluiter van daarnet is dit niet, omdat de gordijntjes zich slechts een millimeters voor de sensor bevinden en dus de andere gedeeltes effectief afblokken.
Afbeelding 17,18,19,20
De centraalsluiter wordt geopend in stapjes. Vanaf het eerste ogenblik wordt het hele beeld belicht (afbeelding 18), maar hoe groter de opening, hoe meer licht er op de sensor valt (19-20).
Afbeelding 21,22,23
De centraalsluiter sluit zich opnieuw in stapjes. Elk beeldpunt is even lang belicht (nl. de hele tijd!)
Een van de voordelen van de centraalsluiter is dat er minder vertekening optreedt in het beeld. Zoals gezegd: bij een spleetsluiter worden de beeldstroken elk op een ander ogenblik belicht (de bovenste strook iets later dan de onderste). Daardoor kunnen bij snel bewegende voorwerpen artefacten optreden. Bij een centraalsluiter wordt op elk moment het hele beeld belicht.
Een ander voordeel is dat om die reden niet meer hoeft te worden gesynchroniseerd met de flits: er kan op ieder ogenblik worden geflitst.
Een centraalsluiter kan sluitertijden aan tot 1/500s. Da's dus heel wat minder goed dan de 1/8000s van spleetsluiters en voor professionele fotografen doorgaans te lang. Centraalsluiters vind je meestal in compact camera's, zonder verwisselbare lenzen. De sluiter is ingebouwd in de lens zelf.
Elektronische sluiters
Er is een alternatief voor de mechanische gordijnen. De voorstelling begint hierbij niet met het optrekken van een gordijn, maar met een elektronische reset: alle pixels worden eerst op 0 gezet (d.w.z. ze worden uitgeschakeld) en dan gaan ze opnieuw aan (start van de belichting).
"Rolling shutter" ("Full electronic shutter")
"De pixels blijven aan zolang er belicht moet worden (bv. 1/50s, 1/100s, ...) en worden dan opnieuw uitgeschakeld", denk je, maar zo eenvoudig is het niet. Want als je een pixel uitschakelt, is de inhoud foetsie. De pixelwaarde moet eerst worden weggeschreven. Zodra dat is gebeurd, maakt het niet meer uit wat er nog gebeurt, want de informatie is bewaard (de foto is gemaakt). Het wegschrijven gaat rij per rij: eerst de eerste rij, dan de tweede enzovoort.
Zo'n volledig elektronische sluiter ("rolling shutter" genoemd -wij hebben geen weet van een Nederlandse vertaling- en soms ook "silent shutter" oftewel stille sluiter) heeft onmiskenbare voordelen. Zonder gordijnen werkt alles fluisterstil; belangrijk bij een plechtigheid of wanneer je dieren fotografeert. Doordat alles zo precies (elektronisch) werkt, kan je heel korte sluitertijden gebruiken (tot 1/32000s, dus nog veel korter dan bij de spleetsluiter). Omdat er geen eerste gordijn meer is, is er ook geen sprake van "shutter shock". En bij gebrek aan bewegende onderdelen, verslijt de sluiter niet.
Het probleem is echter de traagheid van het uitlezen van de sensor (nodig voor het opslaan van het beeld), omdat dit (bij CMOS sensoren) rij per rij gebeurt. Inschakelen van de sensor kan op zich heel snel, maar het rij-per-rij bewaren van de pixelwaarden kost tijd. De Nikon Z7 (2019) bijvoorbeeld doet daar 1/15s over: de laatste rij pixels van de foto wordt 1/15s na de eerste rij weggeschreven. De sensor moet dat tempo kopiëren bij het inschakelen, want anders is die laatste rij aan het eind 1/15s langer belicht dan de eerste. Het inschakelen moet dus op maat van het wegschrijven: rij per rij en aan hetzelfde tempo.
Hoewel je dus heel korte sluitertijden kunt instellen (tot 1/32000s) omdat de elektronische sluiter heel precies is, kost het flink wat tijd om het resultaat te bewaren.
Afbeelding 24,25,26,27
(We tonen hier slechts 4 afbeeldingen, flink aangedikt voor de duidelijkheid.) De pixelrijen worden slechts heel even belicht (bv. 1/1000s), maar het duurt lang vooraleer ze alle zijn weggeschreven ("lang", als in "1/15s", afhankelijk van de camera).
Artefacten bij het gebruik van "rolling shutters" zijn niet denkbeeldig. Een bewegend voorwerp bevindt zich na 1/15s elders dan bij de start. Dit is het "rolling shutter effect". Je ziet dit bijvoorbeeld bij een vliegtuigpropeller. Of als je zelf beweegt (je fotografeert bv. het landschap vanuit een rijdende trein), zal een verlichtingspaal op je foto vervaarlijk overhellen, omdat de trein op het moment dat het onderste deel werd belicht al verder gepasseerd was dan bij het begin van de belichting.
Dit is een serieus nadeel van "rolling shutters". En hoe hoger de resolutie, hoe meer rijen (en hoe meer pixels per rij) -dus hoe langer het duurt.
"Banding"
De strepen in onderstaand beeld worden veroorzaakt door kunstlicht. Het uitlezen van het beeld verloopt zo traag dat ook het flikkeren van het kunstlicht wordt vastgelegd.
Dit is op te lossen met EFCS (zie onderaan).
Een ander probleem is kunstlicht, dat voortdurend, onmerkbaar voor het oog, van intensiteit verandert en daardoor strepen in het beeld kan veroorzaken, alweer omdat de verschillende gedeelten (heel kort, maar) op een ander ogenblik worden belicht.
Door de trage uitleessnelheid, is ook de flitssynchronisatietijd bij dit soort sluiters erg lang. Bij heel wat camera's is flitsen zelfs onmogelijk gemaakt, omdat alleen de rijen worden belicht die tijdens de duur van het flitslicht worden uitgelezen (en de andere niet). En bij een lange belichting hoeft er dikwijls niet eens meer geflitst te worden.
EFCS: een elektronisch eerste gordijn met een mechanisch tweede
Wat als men de elektronische start behoudt, maar vervolgens alles mechanisch afsluit (met, jawel, een gordijn)? Van zodra het gordijn het licht afsluit, veranderen de pixelwaarden niet langer; het beeld ligt vast en kan vervolgens in alle rust weggeschreven worden. Het inschakelen hoeft niet langer gesynchroniseerd te worden met het uitlezen/wegschrijven van de pixels, maar met het mechanische gordijn, dat zijn werk doet in zowat 1/300s zoals we hogerop zagen. Het starten van de sensor kan daardoor ook op 1/300s gebeuren.
Hierdoor wordt het "rolling shutter" effect dus geminimaliseerd (veel kan er gedurende die 1/300s milliseconden niet veranderen) en wat de aardbeving van het gordijn betreft: die grijpt plaats na de belichting dus ze kan geen kwaad.
Dit noemt men EFCS ("Electronic Front/First Curtain Shutter"): snel elektronisch openen, snel mechanisch afsluiten. Het lijkt het nec plus ultra ... vrij stil, snel, geen shutter shock... maar zelfs hier is het niet allemaal rozengeur en maneschijn.
Het is namelijk niet gemakkelijk om de elektronische opstart perfect te synchroniseren met de mechanische afsluiting van het proces. Bij heel korte sluitertijden (wanneer op elk ogenblik slechts een miniem streepje van het beeld wordt belicht -zie bv. afbeeldingen 24-27 infra), wordt EFCS daardoor onbetrouwbaar. Daarom laten sommige fabrikanten EFCS alleen toe bij sluitertijden langer dan 1/2000s. Andere leggen die restrictie niet op, maar dan komt de fotograaf achteraf soms voor verrassingen te staan bij het bekijken van de beelden: sommige delen van het beeld blijken iets langer (of korter) belicht dan andere.
Er is ook een mogelijk probleem met het "bouquet", vooral bij de combinatie van korte sluitertijden en een groot diafragma. Dit wordt veroorzaakt doordat de start van de lichtregistratie op de sensor zelf gebeurt, terwijl het mechanische gordijn enkele millimeter voor de sensor opereert. Dat maakt het bouquet bij EFCS soms drukker. Hoe dat optisch precies in elkaar zit, gaat mijn petje te boven.
Een vuistregel: wanneer je je niet ongerust maakt over het "bouquet", zet je EFCS best aan, behalve voor heel korte sluitertijden (korter dan 1/2000s). Sommige fabrikanten hebben een "auto shutter" optie, waarbij de camera automatisch kiest tussen de EFC sluiter en de mechanische. Dat is de beste optie!
Besluit
Als je camera de keuze biedt tussen verschillende types van sluiters, gebruik ze dan als volgt.
Als discretie cruciaal is (bv. bij dieren), gebruik dan de "rolling" ("silent") shutter. Die maakt geen gebruik van enige mechaniek en is daardoor het stilst. Hetzelfde voor statische beelden buiten (landschapsfotografie bijvoorbeeld).
Anders gebruik je doorgaans best EFCS (tot 1/2000s en als bouquet niet cruciaal is) of de mechanische sluiter. Let bij deze laatste wel op voor de shutter shock veroorzaakt door het eerste gordijntje, vooral bij spiegelloze camera's. Je beelden verliezen merkbaar scherpte, zelfs als je een statief gebruikt!
Totaalsluiter ("Total shutter" of "Global electronic shutter")
Er bestaan ook sensoren (meestal CCD sensoren) waarbij alle pixels een extra transistor hebben die de pixelwaarde bewaart. Daardoor kan de sensor in 1 keer worden in- en uitgeschakeld; er moet immers niet meer worden gewacht op het wegschrijven; dat kan "op elk moment" achteraf.
Dit lijkt een beetje op wat er gebeurt met EFCS, maar het verschil is dat het wegschrijven niet meer rij-per-rij hoeft te gebeuren. Zelfs met een supersnel gordijn (zoals bij EFCS) wordt de eerste pixelrij nog iets eerder bedekt dan de laatste, en dus moet het inschakelen ook rij-per-rij (zij het dus supersnel). Bij een globale sluiter kan alles op hetzelfde moment aan en daardoor ook uit. Een beeldvullend bewegend voorwerp wordt van onder tot boven uitgelezen op hetzelfde moment. Er is ook geen bouquet probleem meer.
Is dit dan wel het nec plus ultra? Bijna! Maar totaalsluiters zijn trager dan spleetsluiters (bij video, waar bv. 60 foto's per seconden worden geschoten, is dat niet onbelangrijk) en de bijkomende complexiteit op de chip (de extra elektronische circuits) is duur en voegt (zoals elk extra circuit) een zekere mate van ruis toe aan het proces.
Update januari 2024: de Sony A9 III (op de markt sinds eind 2023) is de eerste full frame camera met een totaalsluiter geïntegreerd in de sensor. De specificaties zijn indrukwekkend (sluitersnelheid tot 1/80 000s, waarbij dus nog steeds geflitst kan worden), maar DPreview is niet helemaal overtuigd van de beeldkwaliteit: Sony a9 III: Global shutter comes with an image quality cost. Dit komt omdat de sensor twee diodes heeft per pixel: een voor de meting van het licht (zoals gewoonlijk), en een om het resultaat van deze meting te stockeren zodat alle pixels tegelijkertijd kunnen worden uitgelezen. Omdat deze tweede diode zelf niet bijdraagt tot de meting (maar wel plaats inneemt op de sensor) kan de individuele pixel minder licht aan dan bij andere systemen.