De toekomst van de sluiter

  • Bericht auteur:

VAN MECHANISCH NAAR ELEKTRONISCH

De sluiter in je camera zorgt ervoor dat de belichting perfect kan worden geregeld. Er zijn verschillende soorten sluiters. Hoe werkt een sluiter eigenlijk, en heeft hij nog een toekomst?

Naarmate meer gevoelige emulsies kortere belichtingstijden mogelijk maakten, ontstond er behoefte aan een sneller en accurater systeem.

In de begindagen van de fotografie was er van een sluiter nog geen sprake. De duur van de belichting – die toen gemeten werd in minuten – werd geregeld door de lenskap weg te nemen en terug te plaatsen, zo lang als nodig was om de gevoelige plaat aan licht bloot te stellen. Het kwam niet aan op een seconde meer of minder.

Naarmate meer gevoelige emulsies kortere belichtingstijden mogelijk maakten, ontstond er behoefte aan een sneller en accurater systeem. Dat werd de sluiter: een mechanisch onderdeel dat in ruststand licht blokkeert, en pas wanneer je een opname maakt opengaat en weer sluit voor een precies in te stellen tijd. In die tijd tussen het openen en sluiten van de sluiter – de ‘sluitertijd’ – wordt de fotografische film – of tegenwoordig meestal de sensor – belicht.

antieke sluiter

Spleetsluiter

Er bestaan verschillende soorten mechanische sluiters, maar het meest voorkomende type bij camera’s met verwisselbare objectieven is de spleetsluiter. Deze bevindt zich vlak voor het film- of sensorvlak waarop het beeld gevormd wordt, vandaar de Engelse benaming focal plane shutter. De spleetsluiter bestaat uit twee ondoorzichtige gordijnen (curtains) die onafhankelijk van elkaar kunnen bewegen. In ruststand bevindt het eerste gordijn (front curtain) zich voor de film of sensor. Wanneer je afdrukt, gaat het eerste gordijn open. Het tweede gordijn (rear curtain) sluit zich dan, zodat de film of sensor weer afgedekt worden. Zodra de opname voltooid is, sluit het eerste gordijn zich weer en gaat het tweede gordijn open. Bij de eerste spleetsluiters bestonden de gordijnen uit textiel; moderne spleetsluiters zijn vervaardigd uit overlappende lamellen uit metaal of koolstofvezel. (We zouden dus eigenlijk beter kunnen spreken van jaloezieën dan over gordijnen, maar ingeburgerde termen zijn taai). Bij relatief lange sluitertijden is de volledige sensor blootgesteld aan licht tussen het openen van het eerste gordijn en het sluiten van het tweede gordijn. Bij kortere sluitertijden begint het tweede gordijn al te sluiten nog voor het eerste gordijn helemaal is opengegaan. Het oppervlak van de sensor wordt dan op geen enkel moment volledig belicht; het binnenvallende licht schuift in een strook over de sensor. Je kunt het vergelijken met de scanmodule in een vlakbedscanner, die van boven naar onder over de pagina glijdt. Hoe korter de sluitertijd, hoe smaller deze strook wordt. Klinkt het bovenstaande allemaal nogal ingewikkeld? Op het YouTube-kanaal van The Slow Mo Guys kun je de werking van een spleetsluiter zien, gefilmd met 10.000 frames per seconden en 400x vertraagd afgespeeld (bit.ly/focussluiter).

moderne sluiter
Een hedendaagse mechanische spleetsluiter. Duidelijk te zien zijn de individuele lamellen waaruit het gordijn is opgebouwd. © SONY

Sluiter en flits

Dat bij korte sluitertijden de sensor nooit volledig aan licht is blootgesteld, heeft gevolgen wanneer je flitslicht gebruikt. Op het moment dat de flitser afgaat, wordt een deel van het flitslicht immers tegengehouden door de lamellen van het eerste gordijn (dat nog opengaat) of het tweede gordijn (dat al aan het sluiten is). Het deel van de sensor dat afgedekt wordt, ontvangt geen flitslicht. Je ziet dan een donkere strook waar de sensor geen flitslicht ontvangen heeft. De kortste sluitertijd die je kunt gebruiken voor dit fenomeen optreedt, heet de flitssynchronisatiesnelheid.

Deze snelheid hangt af van je camera, en ligt doorgaans tussen 1/160 en 1/250s. Al is er hier progressie: de Sony A1 heeft een flitssynchronisatiesnelheid van 1/400s met de mechanische sluiter.

High speed sync

Toch is het mogelijk te flitsen met een sluitertijd korter dan de flitssynchronisatiesnelheid, dankzij de zogenaamde High Speed Sync (HSS)-technologie. In de HSS-modus produceert de flitser in plaats van één enkele lichtpuls een serie ultrakorte flitsen terwijl de spleet tussen het eerste en het tweede gordijn van de sluiter over de sensor schuift. Zo ontvangt elk deel van de sensor toch flitslicht, en is er geen zwarte strook.

Helaas heeft HSS een prijs. De energie die je flitser kan leveren moet verdeeld worden over de hele reeks korte flitsen. Daardoor is het effect van de flits minder sterk dan wanneer je onder de flitssynchronisatiesnelheid blijft. Hoe korter de sluitertijd, hoe meer licht je verliest in de HSS-modus.

Bij korte sluitertijden gaat het tweede gordijn (bovenaan in beeld) al dicht nog voor het eerste gordijn (onderaan in beeld) volledig open is. De sensor wordt belicht door de strook tussen beide gordijnen. Hoe korter de sluitertijd, hoe smaller deze strook. UIT DE VIDEO VAN THE SLOW MO GUYS OP BIT.LY/FOCUSSLUITER

Elektronische sluiter

Naast de vertrouwde mechanische spleetsluiter gebruiken systeemcamera’s (en de meeste recente digitale spiegelreflexcamera’s) ook een ander type sluiter: de elektronische sluiter. Hierbij wordt de belichtingstijd niet geregeld door een mechanisch onderdeel, maar door het in- en uitschakelen van de beeldsensor zelf. Dat heeft heel wat voordelen. Doordat er geen bewegende onderdelen zijn, worden om te beginnen snellere reeksopnames mogelijk. De indrukwekkende reekssnelheden die recente systeemcamera’s halen, worden alleen met de elektronische sluiter gehaald; als je de mechanische sluiter gebruikt, ligt de reekssnelheid (veel) lager.

De Sony A1 bijvoorbeeld haalt in volle resolutie 30 beelden per seconde met de elektronische sluiter, en slechts 10 bps met de mechanische sluiter. Een elektronische sluiter is geruisloos, en daardoor inzetbaar waar de fotograaf geen storende geluiden mag maken (denk aan concerten en theatervoorstellingen, maar ook golftoernooien en wildlife). Ook veroorzaakt een elektronische sluiter geen trillingen in het camerahuis, wat onscherpte door cameratrillingen voorkomt.

Rolling shutter

Een elektronische sluiter heeft ook nadelen in vergelijking met een mechanische spleetsluiter. De belangrijkste is spleetsluitervertekening, beter bekend onder de Engelse benaming rolling shutter. Zoals gezegd wordt bij een elektronische sluiter de sensor in- en uitgeschakeld bij respectievelijk het begin en het einde van de opname. Het is echter iets ingewikkelder dan dat. De CMOS-sensors in hedendaagse camera’s worden niet in één keer uitgelezen, maar lijn per lijn van de bovenzijde naar de onderzijde van de sensor. Aangezien dit uitlezen tijd vergt, zijn enkele tientallen milliseconden nodig om de hele beeldsensor lijn voor lijn te lezen.

Er zit dus een heel miniem tijdverschil tussen het moment waarop de bovenste lijnen worden vastgelegd en het moment waarop de onderste lijnen worden vastgelegd. Normaal merk je daar niets van, maar het wordt wel een probleem wanneer je snel bewegende onderwerpen fotografeert, of wanneer de camera tijdens de opname beweegt zoals bij het fotograferen vanuit een rijdend voertuig, of bij panning oftewel ‘meetrekken’ met een bewegend onderwerp. Een klassiek voorbeeld is een draaiende vliegtuigpropeller. Als je fotografeert met de elektronische sluiter, wordt de onderkant van de propeller net een fractie van een seconde later vastgelegd dan de bovenkant, waardoor de propeller krom op de foto staat.

Camerafabrikanten proberen de effecten van rolling shutter te reduceren door de uitleessnelheid van de sensor te verhogen. Met name de recente stacked-sensoren, waarbij snel DRAM-geheugen in de sensor zelf is geïntegreerd, vertonen minder spleetsluitervertekening.

De centraalsluiter in objectieven voor middenformaat maakt flitssynchronisatietijden tot 1/2000s mogelijk. © HASSELBLAD

Elektronische sluiter en flits

Een tweede nadeel van de elektronische sluiter is de langere flitssynchronisatietijden. Doordat de sensor relatief traag wordt uitgelezen, zijn ook langere sluitertijden nodig om te flitsen, bijvoorbeeld 1/20 seconde op de Olympus PEN E-PL10 – wat voor veel toepassingen veel te traag is. Op heel wat systeemcamera’s is flitsen zelfs helemaal niet mogelijk bij gebruik van de elektronische sluiter. Ook hier wordt vooruitgang geboekt dankzij de nieuwste generatie CMOS-sensoren: de Sony Alpha 1 kan met de elektronische sluiter flitsen op 1/200 s.

Banding

Een ander mogelijk probleem met de elektronische sluiter is streepvorming of banding, een horizontaal patroon van afwisselend heldere en donkere strepen. Dat treedt op onder flikkerende kunstlichtbronnen zoals oudere tl-lampen, die 100 keer per seconde helderder en donkerder worden. Tijdens het uitlezen van de sensor wisselt daardoor de helderheid in de opnamen. Rijen die worden uitgelezen tijdens een donkere fase van het kunstlicht, zijn te zien als donkere strepen. Door de sluitertijd precies af te stemmen op de flikkeringscyclus van de lichtbron kan banding vermeden worden. Moderne systeemcamera’s hebben daarvoor een functie die ‘flikkerreductie’, ‘antiknipperopname’ of iets vergelijkbaars heet.

Globale sluiter

Zoals gezegd doen sensormakers hun best om de uitleessnelheid van CMOS-sensoren te verhogen, zodat de nadelen van een elektronische sluiter minder storend worden. Het zou ideaal zijn als alle rijen pixels echt tegelijkertijd uitgelezen kunnen worden. Dat heet een global shutter. Sensors met global shutters bestaan al heel lang, bijvoorbeeld in industriële camera’s en in professionele videocamera’s. Maar dergelijke sensors zijn ook erg duur; de CMV50000 (48 megapixel, 8K video) die het Belgische bedrijf CMOSIS in 2016 voorstelde, kostte 3450 euro.

Er is nog een andere reden waarom de global shutter nog nauwelijks in fotocamera’s gebruikt wordt. Er is extra elektronica op de sensor nodig, waardoor die minder licht opvangt, en dat leidt tot meer ruis en een lager dynamisch bereik. Een uitzondering is de aangekondigde Pixii A1112-meetzoekercamera met een CMOS-sensor in APS-C formaat met een resolutie van 11 megapixels. De Pixii heeft alleen een globale sluiter en geen mechanische sluiter en kost een aardige 2.999 euro.

Gelukkig staat de evolutie van technologie niet stil, en wordt bestaande technologie op termijn altijd goedkoper. Vroeg of laat zal de global shutter in meer fotocamera’s opduiken, en behoren de nadelen van een elektronische sluiter tot het verleden. Geruchten over nieuwe systeemcamera’s met global shutter circuleren al een tijdje. We zijn benieuwd of ze werkelijkheid worden.

Centraalsluiter

Bij sommige middenformaatcamera’s wordt in plaats van een spleetsluiter een centraalsluiter (leaf shutter) gebruikt. Deze bevindt zich niet in de camerabody maar in het objectief, net zoals het diafragma. Een centraalsluiter bestaat uit een aantal lamellen die bij de opname uitwijken vanaf de optische as van het objectief. Op het einde van de belichtingstijd sluiten de lamellen weer. Bij een centraalsluiter is het belangrijk dat het openen en sluiten van de lamellen zeer snel gebeurt. Als de lamellen te traag bewegen, wordt het midden van het beeld immers langer belicht dan de randen, die nog door de opengaande of sluitende lamellen afgedekt worden. Bij een te trage centraalsluiter zou daardoor het beeldmidden meer belicht worden.

Een voordeel van een centraalsluiter is dat hij minder trillingen in de camera veroorzaakt dan een spleetsluiter. Ook is de flitssynchronisatietijd veel korter: de centraalsluiter synchroniseert met elke sluitertijd die de camera zelf aankan.

Elektronisch eerste gordijn?

Bij systeemcamera’s wordt de sensor continu belicht – anders zou je niets zien op het scherm of in de elektronische zoeker. Als op een systeemcamera de mechanische sluiter op de klassieke manier zou werken, moet het eerste gordijn eerst helemaal dichtgaan, en dan opengaan om de opname te starten. Wanneer de belichtingstijd verstreken is, sluit het achterste gordijn zich. Om die dubbele sluiterwerking te vermijden gebruiken systeemcamera’s vaak een hybride systeem, elektronische voorste sluitergordijn (electronic front curtain shutter) geheten. De belichting wordt dan niet gestart door het openen en sluiten van het voorste sluitergordijn, maar elektronisch door de beeldsensor. De belichting wordt wel mechanisch gestopt door het achterste sluitergordijn te sluiten. Bij korte sluitertijden gebruik je het best niet het elektronische voorste sluitergordijn, omdat de elektronische sluiter trager is dan de mechanische. Je kunt het elektronische voorste sluitergordijn ook helemaal uitschakelen, mocht je dat wensen.

Dit artikel is eerder gepubliceerd in Focus 11-2021. Klik hier om de complete uitgave te bestellen.

Vind je dit een goed artikel? Neem dan een abonnement op Focus Magazine. Hiermee steun je Focus en kunnen er meer van dit soort achtergrond artikelen gemaakt worden.