Шторный затвор ФЭД

Хочу сегодня, вместе с Вами, разобраться в устройстве фокального затвора, причем одного конкретного… шторного затвора фотоаппарата «ФЭД».

Данный тип затвора применяется в большинстве советских фотоаппаратов. Именно затвор «ФЭД» стал основой всем известных фотоаппаратов «ФЭД», «Зоркий» и «Зенит». И в целом, в мире, подобный затвор до сих пор не редкость.

И сразу уточню: будем рассматривать именно идею, реализованную в «ФЭД», ведь для любого сложного технического устройства возможны разные варианты реализаций, каждый со своими плюсами и минусами, и если разбирать их все, то рискуем не закончить статью.

Основная идея такого затвора показана на рисунке:

Экспонирование (освещение) пленки осуществляется за счет движения щели, образованной между двумя шторками.

Скорость движения шторок постоянная, а время экспонирования задается только шириной щели.

Причем полное одномоментное открытие окна у «ФЭД» осуществляется на выдержке 1/25 секунды – это базовая выдержка затвора, все остальные выдержки строятся от неё. А еще её называют скоростью синхронизации для вспышки.

А какова ширина щели между шторками на каждой из выдержек? Давайте добавим самую малость математики.

Пленка размером 24х36 мм, у «ФЭД» шторка бегает по длинной стороне, а т.к. она пробегает её за 1/25 секунды, то значит её средняя скорость: 36 мм / 0,04 сек = 900 мм/сек (0,9 метра в сек, кстати, это всего 3,24 км/ч), считаем дальше…

1/25 – 36 мм

1/50 – 18 мм

1/100 – 9 мм

1/250 – 3,6 мм

1/500 – 1,8 мм

И становится ясно, почему для «ФЭД» крайне сложно сделать выдержку 1/1000 или короче – ведь для этого необходимо обеспечить стабильную ширину щели в 0,9 мм.

Это можно решить, точнее, упростить реализацию, например, пустив шторку по короткой стороне кадра, вертикально, и тогда более короткий путь в 24 мм вместо 36 мм позволит:

— или уменьшить скорость движения шторок в 1,5 раза, до 600 мм/сек – и на самом деле это может сильно повлиять на надежность т.к. скорость шторки достигается не мгновенно, и чем больше требуемая скорость, тем большая нагрузка на все механизмы и саму шторку от разгона и торможения шторки.

На рисунке справа отрезками D-A и B-E как раз и показан разгон и торможение шторок. В принципе, этот процесс происходит за пределами кадра, чтобы не вносить искажения в экспозицию. В итоге, реальный путь движения шторки примерно равен 42 мм, т.е. 4 мм запаса на разгон шторок и 2 мм запаса на торможение.

— или увеличить скорость движения шторки. Что с потребительской точки зрения несет только плюсы, но сильнее нагружает механизм.

Но лучше совместить оба пункта… например, если скорость шторки 900 мм/сек, длина хода 24 мм, то при выдержке 1/1000 ширина щели уже будет не 0,9 мм, а 1,35 мм, что уже в 1,5 раза лучше.

Но есть еще один способ добиться короткой выдержки, «законотворческий», в котором учтены реальные производственные возможности.

Согласно ГОСТ 19821-83 заявлены 3 класса точности затворов (если упрощенно):

1 класс – допуск отклонения выдержек до 1,19

2 класс – допуск отклонения выдержек до 1,23

3 класс – допуск отклонения выдержек до 1,37

А это значит, что выдержка может отличаться в пределах допуска, т.е. для худшего случая: на одной камере 1/100 сек будет равна 7,1 мс, а на второй — 13,3 мс при норме 10 мс, и они обе находятся в пределах допуска и считаются как 1/100.

Но пример выше — это упрощенное описание, если хотите разобраться в этом, то лучше ознакомьтесь с ГОСТ 19821-83, или табличкой в конце статьи. Но обратите внимание, там теперь нет 1/100, вместо неё 1/125.

Но главная идея, для нас, в том, что ГОСТ допускает отклонение выдержек… и тогда ширина щели при 1/1000 вместо 0,9 мм может быть 1,2 мм, и это тоже будет считаться 1/1000.

Но не могу не упомянуть, что в некоторых источниках заявлены и другие расчеты.

Например заявляется, что при выдержке 1/500 ширина щели равна, примерно, 3 мм. Это расходится с моими расчетами и пока не могу понять где.

Такой размер щели можно получить только увеличив скорость движения шторок, причем минимум в 1,5 раза, а это значит, что для выдержки синхронизации щель должна быть не 36 мм, а в 1,5 раза больше: 54 мм…но такое окно геометрически не умещается в текущий затвор.

Второй вариант: возможно это связано с производительностью шторного затвора, когда закладывается дополнительная экспозиция (т.е. большая ширина щели) для компенсации переходных процессов, возможно дифракции или каких-то других параметров… но не в 1,5 же раза.

В общем, не понятно.

Кстати, еще одна особенность фокальных затворов -это проблема с фотографированием быстро движущихся событий.

Т.к. скорость движения шторок постоянна, то даже при минимальной выдержке время между началом экспонирования пленки и окончанием экспонирования пленки одинаково и в нашем случае равно 1/25 секунды. Да-да, это время одинаковое и для выдержки 1/25, и для выдержки 1/500, и даже для фантастической 1/2000.

Но если для выдержки 1/25 мы запечатлеваем одномоментно на всей площади кадра все события, произошедшие за 1/25 секунды, то для выдержки 1/500 мы запечатлеваем одномоментно события только на полосе пленки размером в 1/20 кадра. Т.е. на выдержке 1/500 на пленке получается фотография 20 событий, каждое из которых занимало временной отрезок в 1/500 сек, но общая длительность снимка по прежнему равна 1/25 секунды — времени синхронизации, времени между началом освещения одного края пленки и временем окончания освещения противоположного края пленки.

Кажется, я Вас окончательно запутал.

Ниже более понятная картинка, о чем я, правда, учтите, что для неё движение шторок сверху вниз.

И мы видим, что каждая линия кубиков запечатлена на скорости 1/500 секунды, но т.к. время прохождения щелью всего кадра занимает 1/25 секунды, то нижние линии кубиков уже успели сместиться, и несмотря на то, что они также запечатлены на выдержке 1/500 секунды, но запечатлены позже, и за это время поезд уже сместился влево, что в итоге на фотографии отражается вот в таком вот искаженном виде.

Или получается вот такое, как на фото автомобиля. Этот снимок также для вертикального движения шторок (сможете сказать, как движутся шторки: сверху вниз или наоборот?).

Горизонтальное же движение шторок или сократит длину автомобиля, если он двигался в сторону движения шторок, или наоборот удлинит его, если направления движения автомобиля и шторок разнонаправлены.

Взгляд из будущего:

А почему мы сейчас практически не сталкиваемся с таким эффектом? Кстати, он называется «rolling shutter».

Потому что уже у «Зенит-19» скорость синхронизации была 1/125 секунды, а, например, у зеркалок Canon — 1/200 секунды. А на таких выдержках получить этот эффект возможно только для быстропротекающих процессов, например, для винтов вертолетов или самолетов.

А в обычной жизни данный эффект почти не заметен.

А еще подобная особенность приводит к «слому матрицы»!

Обратите внимание на положение крыльев воробья перед зеркалом и в отражении.

Как такое может быть, что они отличаются!?

И здесь виноват тот самый «rolling shutter» — пока щель бежала вдоль кадра, от воробья слева до его отражения, воробей успел взмахнуть крыльями и получить новое отражение, что и запечатлела «щель» в кадре.

И если вернуться к началу повествования, с расчетами ширины щели, то для скорости синхронизации 1/200 и вертикального движения шторок мы получаем: 24 мм / 0,005 секунды = 4800 мм в секунду (4,8 метра в секунду, 17,28 км в час).

Значит:

1/200 – 24 мм

1/500 – 9,6 мм

1/1000 – 4,8 мм

1/2000 – 2,4 мм

1/4000 – 1,2 мм

Т.е. у современной камеры размер щели при максимальной выдержке вполне сопоставим с аналогичными размерами для «ФЭД».

А выдержки короче 1/200? Все они достигаются замедлением второй шторки.

Все! Хватит математики – вернемся к механике.

И сперва расскажу логику работы затвора ФЭД «своими» словами.

В начальный момент считаем, что затвор взведен, обе шторки накручены, каждая на свой барабан, расположенные на одной оси, той самой, на которой находится диск выбора выдержек, и каждый из барабанов заблокирован специальным рычажком.

Нажатием кнопки спуска разблокируется первый барабан, позволяя первой шторке, под действием пружины вернуться в свой ролик и своим движением открыть окно для доступа света к пленке.

Но в связке с данным барабаном вращается специальный рычаг (поз.10), который, касаясь специальной защелки, разблокирует второй барабан со второй шторкой, которая, в свою очередь, своим движением закрывает окно для доступа света к пленке.

А выдержка — это время между запуском первой и второй шторки.

А еще это время вращения рычага (поз.10) от соответствующего начального положения до защелки, разблокирующей вторую шторку. Т.е. чем дальше рычаг расположен от защелки, тем выдержка будет длиннее, и наоборот, если рычаг расположен близко к защелке, то и щель между шторками будет узкой.

Технически механизм выдержек выглядит так: выдержка задается кольцом с отверстиями (поз.8), в которой стопорится диск с рычагом (поз.10). Выступы (поз.12) входят в отверстия (поз.7), блокируя тем самым весь механизм затвора.

И вы прекрасно знакомы с этим моментом, когда, меняя выдержку, вы приподнимаете диск выдержек, поворачиваете его и отпускаете, фиксируя в новом положении.

А теперь подробнее.

Механику фотоаппарата можно разделить на несколько блоков.

Взвод всего механизма затвора + смена кадра

Взвод обычно производят отдельным от затвора элементом: барабаном или курком.

На рисунке выше он не показан, но он находится на оси приемной катушке (слева на рисунке, поз.1) и связан шестеренками с зубчатым роликом (поз.2, но связь тут не показана). Механизм взвода обычно также обеспечивает фиксацию взвода, специальным приспособлением — стопором. Стопор также необходим для однозначности направления взвода механизма — только в нужную сторону.

К оси взвода фрикционом (а это важно) крепят приемную катушку кассеты. Ось взвода жестко связывается шестеренками с зубчатым роликом (поз.2), который может вращаться строго на определенный угол, не больше… и вот тут как раз пригодится фрикционность оси у катушки с пленкой.

Чем поможет? Количество оборотов пленки на один кадр при пустой катушке и при заполненной кардинально разное. А т.к. мы взводим фотоаппарат на один и тот же угол, то приходится чем-то компенсировать данную разницу, и вот тут как раз поможет «нежёсткая» связь. Если протягивать пленку уже не надо, а для взвода затвора вращение еще требуется, то катушка кассеты просто прокрутится относительно оси взвода.

Вторым важным элементом идет зубчатый ролик (поз.2). Его роль – провернуть пленку ровно на 8 отверстий перфорации.

Он вращается от соединения с барабаном взвода, но в нем есть свой стопор, который ограничивает его вращение строго на 1 кадр… и как раз этого хода достаточно для взвода затвора.

Взвод затвора — это отдельный процесс, и его важная задача — не засветить пленку, т.е. шторки должны установиться в стартовое положение синхронно и с небольшим нахлестом друг на друга, чтобы не было засветки пленки.

Это обеспечивается за счет наличия прорезей на барабанах(поз.6 и 7), которые с одной стороны позволяют барабанам вращаться рассинхронно, а с другой стороны, при взводе затвора (когда диски вращаются в другую сторону), перемещать обе шторки синхронно и в строгом положении. Это обеспечивает штифт диска (здесь его не видно, но на рисунке ниже это «стопорный штифт»).

Прежде чем перейти к механизму выдержек, начнем со шторок.

Первая шторка (серая), во взведенном состоянии одним краем (тесемками) намотана на барабан (поз.6), а в другую сторону натянута пружиной, находящейся в барабане (поз.10).

Вторая шторка (черная) во взведенном состоянии похожим образом намотана на барабан (поз.7) и тесемками натянута также за счет пружины на барабан (поз.9).

При спуске затвора барабан (поз.6) разблокируется, и первая шторка, за счет усилия внутренней пружины, поедет наматываться на барабан (поз.10), открывая доступ света к пленке. А через мгновение (определяемое выдержкой) также поступит и вторая шторка, наматываясь тесемками на барабан (поз.9) и своей шторкой закрывая кадр.

А теперь переходим к механизму выдержек.

У нас есть ось (поз.14), на которой жестко закреплен барабан (поз.6) первой шторки. Вторая шторка закреплена на свободно вращающемся барабане (поз.7), на той же оси, но он связан штифтом с кулачком (поз.13), который зафиксирован от поворота защелкой (поз.12).

Т.е. во взведенном состоянии барабан (поз.6) блокирован стопором взводного ролика, а барабан (поз.7) –защелкой (поз.12). В итоге в начальный момент обе шторки зафиксированы.

Нажатием на спусковую кнопку мы разблокируем штифты стопора мерного колеса (поз.4).

Это действие разблокирует барабан (поз.6) и запускает движение первой шторки.

На оси (поз.14) установлен диск (поз.16), на котором есть отверстия, количество и расположение которых и определяет выдержки.

Свободно вращающимся кулачком (поз.15), связанным с внешним диском регулировки выдержек, и малым штифтом мы определяем выдержку, соединяя его с отверстием диска (поз.16), чем фактически связываем его с барабаном (поз.6) первой шторки.

У кулачка (поз.15) также есть длинный штифт, который при его вращении отжимает защелку (поз.12) и тем самым, разблокировав барабан (поз.7), запускает движение второй шторки.

Как раз время от начала вращения кулачка (поз.15) до отжатия защелки (поз.12) и будет являться выдержкой. И чем дальше расположено отверстие на диске (поз.16) от защелки (поз.12), тем длиннее по времени будет выдержка.

И еще раз, теперь кратко.

После нажатия на спуск мы разблокируем первую шторку, и она немедленно начинает движение, вращая ось (поз.14). Вторая шторка пока заблокирована защелкой (поз.12). Но на оси (поз.14) есть кулачок (поз.15) с длинным штифтом, и при вращении одновременно с осью (поз.14) он отталкивает этим штифтом защелку (поз.12), чем разблокирует движение второй шторки. Время свободного хода кулачка (поз.15) от начала движения до отталкивания защелки (поз.12) и будет временем выдержки.

И еще один рисунок, но уже с замедлителем, о котором ниже

А вот так это выглядит в реальности.

Знаете, какая сейчас на рисунке установлена выдержка? 1/20 сек (только учтите, что на фото затвор не взведен). Отверстие правее — это отверстие для режима B. Но он работает иначе. В его работе используется спец. стопор, который блокирует движение второй шторки, пока нажата кнопка спуска… не буду сейчас это описывать, дабы еще больше не нагромождать статью.

Ведь мы подходим к самому главному!!!

У меня была тайная цель во всем этом: понять, почему разрешено изменять выдержку только при взведенном затворе и что случится, если это нарушить!

Мои рассуждения были такими:

Почему это необходимо делать при взведенном затворе? — Именно в таком положении все шестеренки, пружинки, штифты и шторки стоят в начальной позиции, и вращая диск с выбором выдержки, мы меняем только один элемент: расстояние, которое надо пройти длинному штифту до снятия стопора со второй шторки.

А если затвор не взведен? — Тогда сменной выдержки мы ограничиваем ход механизма выдержек, т.е. при взводе затвора он, скорее всего, не взведется до требуемого положения.

Другими словами, такое действие не должно механически сломать фотоаппарат, оно его разрегулирует, что в теории можно исправить… наверное…

Вот так я рассуждал до опытов… а теперь переходим к опытам!

Берем «ФЭД-3», взводим, устанавливаем выдержку 1/250, спуск затвора и… снова устанавливаем выдержку 1/250… не можем, метка ушла за 1/500.

…взводим, показывает выдержку «В», и отработала выдержка «В» – никаких проблем, хм.

Пробуем еще раз: взводим, устанавливаем выдержку 1/250, спуск затвора и… снова устанавливаем выдержку 1/125… опять немного не удалось, ушла чуть ниже.

….взводим, показывает 1/500 – спуск, отработала 1/500! Хм, хм!

Попробуем перейти на крайние меры, и провернуть это с минимальной нормальной выдержкой 1/30.

Взводим, устанавливаем выдержку 1/30, спуск затвора и… снова устанавливаем выдержку 1/125… опять немного не удалось, ушла чуть ниже.

…взводим, показывает 1/500 – спуск, отработало 1/500!

Пока такое ощущение, что единственная беда — это то, что при невзведенном затворе выдержка просто не соответствует реальной, но при дальнейшем взводе – мы увидим реальную.

Давайте еще раз проверим на крайних случаях нормальных выдержек (тех, что без участия замедлителя).

Взводим, устанавливаем выдержку 1/30, спуск затвора и… снова устанавливаем выдержку 1/30, ан нет, не могу, диск выдержек правее не крутится.

Тогда идем в другую крайность — 1/500.

Взводим, устанавливаем выдержку 1/500, спуск затвора и… снова устанавливаем выдержку 1/500…опять немного не удалось, ушла чуть правее.

…взводим, показывает выдержку «В», и отработала выдержка «В».

Никаких проблем. Мне остается только сделать вывод: для затворов без замедлителей («ФЭД», «Зоркий» и остальные, исключая выдержки длиннее 1/20 (и кстати 1/60 тоже в замедлителе у некоторых фотоаппаратов, ниже расскажу почему) не боятся смены выдержки без взвода затвора.

Единственная беда — это то, что реальная выдержка не будет соответствовать выбранной, но и она, реальная выдержка, будет доступна вашему взору после взвода затвора.

Т.е. для фотоаппаратов без замедлителей (а это «ФЭД», «ФЭД-2», «Зоркий» и его вариации: 2, С, 2С, 5, 6, «Заря») можно изменять выдержку при не взведенном затворе — этим вы не сломаете фотоаппарат.

Разве что на «ФЭД» и «Зоркий» выставленная таким образом выдержка не будет соответствовать реальной, пока вы его не взведете.

И фактически, разница между затворами «ФЭД» и «ФЭД-2» скорее косметическая. Центральный столбик «ФЭД-2», вращаясь одновременно с затвором, позволяет даже при невзведенном затворе указать требуемую выдержку.

Я и это проверил опытным путем. Взял «ФЭД» и «ФЭД-2», установил одинаковую выдержку, спустил затвор. Положение диска выдержек после спуска затвора оказалось одинаковым. Если сейчас, не взводя затвор, переставить выдержки на одинаковый угол (явно видимый по меткам для «ФЭД-2» и просто примерно для «ФЭД»), то при взводе затвора мы снова получим одинаковое расположение выдержек, и уже явно видимое для «ФЭД». Т.е. они работают абсолютно одинаково.

И ни в одной из книг по ремонту не написано, как же исправить проблему, возникшую при неверных действиях от смены выдержки затвора… просто потому, что нет такой проблемы.

Но повторюсь еще раз: вышесказанное относится только к затворам без замедлителя (тех, у которых нет выдержек длиннее 1/20).

Для фотоаппаратов с замедлителем все-таки возможна ситуация, когда смена выдержек при не взведенном затворе может привести к заклиниванию фотоаппарата. И лечится это со снятием верхней крышки фотоаппарата (т.е. несколько муторно), хотя в книгах по ремонту есть заметка, что лечение не сложное: требуется вернуть длинный штифт на место, т.к. он перескочил свое положение… и да, это происходит для выдержек с использованием замедлителя.

И раз мы коснулись длинных выдержек… то да, у фотоаппаратов бывают выдержки и длиннее выдержки синхронизации.

Они осуществляются Замедлителем – основная цель которого, придержать начало движения второй шторки сверх обычного режима.

Причем элементы обычных выдержек и выдержек с замедлителем разделяются высотой!

Мы уже знакомы с диском с отверстиями, которое определяет выдержку, но для замедленных выдержек используются не сквозные отверстия, а насечки (шлицы), т.е. диск будет расположен выше обычного состояния и теперь, при своем вращении, он будет захватываться механизмом замедлителя (именно поэтому головка выдержек при их использовании приподнята). А если вы выбрали отверстие, то диск опустится ниже и пройдет под механизмом замедлителя обычным образом, не задействовав его.

На рисунке плохо видно, но на диске (поз.2) снизу есть штифт (поз.3). При взводе без замедлителя, когда механизм выбора выдержки (поз.5) опускается ниже в отверстия, он не затрагивает штифт (поз.3) и работает без использования замедлителя.

Но если его установить в положение длинных выдержек, то он уже будет расположен выше, и при выборе выдержки зацепится за штифт (поз.3) и провернёт диск (поз.2) на выбранный угол (чем длиннее выдержка, тем большим получится угол). Диск (поз.2) своим вращением, во-первых, взведет механизм длинных выдержек, а во-вторых, провернет упор (поз.11) на требуемый угол (снова в зависимости от длины выдержки). Все, механизм взведен.

Спуск затвора при использовании замедлителя запускает движение первой шторки (обычным образом), а движение второй шторки блокирует упор (поз.12), поджатый пружиной (поз.13) к диску (поз.6), но вращающийся упор (поз.11) через какое-то время, провернувшись на нужный угол, отодвинет упор (поз.12), освободив диск (поз.6) и запустив в движение вторую шторку. И далее затвор отработает обычным образом.

Ну а само замедление осуществляется анкерным механизмом (аналогичным часовому), который опосредованно соединен с диском (поз.9), и его скорость вращения (а значит, и скорость отодвигания упора (поз.12)) строго задана анкером.

И именно жужжание анкера мы слышим во время работы замедлителя.

Ну а если мы коснулись жужжащих механизмов фотоаппарата, то уделим немного места и автоспуску.

Ведь его конструкция очень похожа на замедлитель, разве что время работы дольше, что требует более жесткую пружину, и вы наверняка это замечали, взводя автоспуск.

Конструкция идейно очень проста.

Диск (поз.1) с пружиной внутри при взводе автоспуска поднимает вверх зубчатую рейку (поз.2), взводя рычаг (поз.3) над пластиной, запускающей в работу затвор, — ту пластину, что мы обычно отжимаем вниз кнопкой затвора.

При запуске автоспуска рычаг (поз.7) освобождает анкерную вилку и этим запускает вращение диска (поз.1), который под действием пружины отпускает зубчатую рейку (поз.2), а та в свою очередь давит рычагом (поз.3) на пластину, запускающую работу затвора.

Вот как бы и всё)

Кстати, а что у фотоаппарата «Киев», с прогрессивным затвором короткого хода и металлическими ламелями?

И вот тут не все сразу…у него очень мудрёный конструктив, и он достоин отдельной статьи.

Из занимательного (обнаруженное не мной, но я передам это Вам)

Первый вариант замедлителя для затвора «ФЭД» предложила Leica в модели III (эта же идея реализована в «Зоркий-3»), там замедлитель регулировался отдельным регулятором, что было не совсем удобно и не интуитивно.

«Зоркий-3»

И как раз советские инженеры в фотоаппарате «Зоркий-3М» исправили этот момент, объединив все в одном регуляторе.

«Зоркий-3М»

А ещё обратите внимание, что в обычном затворе было много свободного места между делениями 50 и 25, и именно туда конструкторы добавили выдержки замедлителя, получилось логично и очень красиво… но более сложно и менее надежно, и они пошли дальше.

Смотрим «ФЭД-2» и «ФЭД-3″(бескурковый).

У «ФЭД-3» выдержки расположены менее логично: 500-250-125-60-15-8-4-2-1-30-В.

Обратите внимание, В-500-250-125-30 у них расположены одинаково, это обычные выдержки, а вот 60-15-8-4-2-1 – это выдержки с использованием замедлителя… вы заметили: 60 — это замедленная выдержка, а 30 — обычная. Вот такой вот казус, и все ради того, чтобы упростить механизм и освободить место на диске выдержек.

Но большое количество выдержек столкнулось с нехваткой места для их написания.

И в курковой модификации «ФЭД-3» конструкторы отказались от написания выдержек непосредственно на головке выбора и перешли к более простому для размещения надписей варианту. Хотя порядок и конструкция с «60 — замедленной» осталась прежней.

пс… снова хочу вернуться к своей идее, что наличие центрального штифта не влияет на возможность смены выдержки от состояния взвода затвора.

Обратите внимание на диск выбора выдержек у «ФЭД-3» (бескурковый): он тоже имеет центральный штифт, как на «ФЭД-2». Но на «ФЭД-3» нельзя менять выдержку при не взведенном затворе, а почему? Потому что у него есть механизм замедления, и вот он как раз может заклинить ваш фотоаппарат.

И на этом приостановимся… уже и так получилось очень много букв, а ведь мы с вами познакомились только с одним из типов затворов, а их еще много…

Выдержка из ГОСТ 19821-83 по отклонениям скорости затвора.