СЕКРЕТЫ TTL-СИСТЕМ ПОДВОДНОЙ ФОТОТЕХНИКИ. ИНТЕРВЬЮ С ЭКСПЕРТОМ

Фоторедактор журнала «Предельная глубина» Владимир Гудзев беседует с известным экспертом по электронным системам для подводного фото, изобретателем и основателем бренда «UW Technics» – Павлом Колпаковым.

Владимир Гудзев: Съёмка с фотовспышками — один из самых важных навыков в подводной фотографии. С учётом разнообразия оборудования, терминологии, технических и художественных особенностей подводной съёмки, это действительно сложная тема. Некоторые подводные фотографы пытаются сократить обучение работе со вспышкой, возложив решение всех проблем на автоматическое TTL‑управление. Павел, действительно ли так легко снимать с ТТЛ, нужно ли обучаться работе с автоматикой?

Павел Колпаков: Безусловно, TTL-система управления подводными вспышками — автоматизированная и на сегодняшний день довольно умная, но всё же, как и большинство других устройств в фотографии, хороша ровно настолько, насколько хорош оператор и его знания. Для получения максимального эффекта от TTL нужно знать её принцип работы и научиться ей управлять.

В. Г.: Насколько знаю, эта электроника довольно сложная, её разрабатывают всего несколько человек в мире, включая вас, Павел. Могли бы вы рассказать о TTL‑управлении вспышками и истории появления этого полезного приспособления?

П. К.: Вспышки прошли долгий путь с тех пор, как Гарольд «Док» Эджертон, американский исследователь и изобретатель, в 1931 году сделал первую электронную вспышку, которая тогда представляла простейший стробоскоп. Основной принцип работы электронного импульсного осветителя остаётся прежним по сей день — мы заряжаем конденсатор большой ёмкости, а затем мгновенно высвобождаем накопленную энергию в яркой вспышке света за доли секунды. Суперъяркое свечение газа происходит в лампе-вспышке — стеклянной трубке, заполненной инертным газом ксеноном.

При газоразрядной вспышке за несколько миллисекунд высвобождается гигантская энергия в сотни джоулей, поэтому фотовспышки являются очень сильными источниками освещения. Кроме всего прочего, за счёт ультракороткого времени свечения вспышка позволяет фотографу «заморозить» движущиеся объекты, получив резкую картинку, что очень важно для качественной фотографии. Подводные вспышки по принципу действия аналогичны сухопутным, но отличаются герметичным корпусом, разъёмами и весьма специфическим управлением.

Осциллограмма тока разряда, проходящего через кольцевую лампу современной подводной вспышки, иллюстрирует общую динамику высоковольтного газового разряда и соответственно динамику импульса света. Здесь вспышка была осуществлена в ручном режиме («Full» — максимум мощности), то есть на осциллограмме виден полный разряд энергии, запасённой конденсатором, от начала до конца.

Видно резкое, почти мгновенное нарастание импульса до максимума, далее следует основная фаза горения в течение нескольких миллисекунд, и далее медленный спад (длинный хвост с малой интенсивностью). Основную энергию импульс несёт в себе по времени всего около 3–5 миллисекунд. Очень короткое свечение. Полностью горение газа прекращается примерно через 20 миллисекунд, это характерная цифра для большой кольцевой лампы, из современных моделей, например во вспышке Sea&Sea YS-250, Subtronic 270, Ikelite DS-161. Короткие лампы линейного дизайна имеют существенно меньшее время горения 3–4 миллисекунды, чем кольцевые (например линейные лампы в популярных подводных вспышках Inon Z-240, Z-330).

В качестве примера наиболее популярной современной подводной вспышки с кольцевой лампой на фотографии ниже вспышка DS-161 производства американской компании IKELITE

Наиболее популярная сейчас подводная вспышка с лампами линейного дизайна — несомненно, Z-330 производства японской компании INON

Ключевым моментом для управления импульсной лампой-вспышкой является то, что световой поток включается и выключается почти мгновенно в ответ на наличие или отсутствие энергии, подаваемой на лампу. Поэтому основной формой контроля над светоотдачей является включение/выключение в нужный момент (длительность) электрического импульса, питающего лампу, который отключался в плёночные времена компонентом, называемым «тиристор».

В. Г.: Кстати, а можно ли использовать подводные вспышки прежних времён сейчас? У многих подводников они остались от плёночных камер, даже у меня есть пара штук таких мощных вспышек. Есть какието нюансы?

П. К.: В плёночные времена газоразрядная лампа в подводной вспышке управлялась «медленным» тиристором. К слову сказать, вся остальная электроника вспышки тоже была упрощённая. Ну что поделать, на том уровне развития элементной базы существовавшие высоковольтные тиристоры не могли включаться/выключаться достаточно быстро. Передний и задний фронты импульса были весьма затянутые. Но в плёночные времена такая коммутация лампы была вполне приемлемой — для регулирования единственного и довольно длинного импульса при экспозиции плёночного кадра эта инерционность не играла существенной роли. А впрочем, другой альтернативы тогда и не было.

В самом конце плёночной эры в электронике фотовспышек появились так называемые «быстрые тиристоры» и ещё более быстрые «IGBT транзисторы» (Insulated Gate Bipolar Transistor), которые и используются в настоящее время для цифрового TTL-управления вспышкой. Высокая скорость и точность IGBT необходима сейчас, чтобы осуществлять короткие (измерительные) предвспышки цифровых фотоаппаратов.

В общем, плёночные вспышки прежних времён не могут работать с современными цифровыми фотоаппаратами в режиме TTL именно из-за управления «медленными» тиристорами.

Кстати, умельцы сейчас иногда переделывают эти плёночные подводные вспышки для возможности их использования с современными фотокамерами, заменяя электронику на более быстрое управление IGBT. Впрочем, это непросто и доступно только опытному электронщику, по сути это переделка всей вспышки.

В своё время я сам из интереса реализовал такой проект переделки старой плёночной подводной вспышки IKELITE (управляемой медленным тиристором),— для совместимости с современными цифровыми фотокамерами.

Этот проект по переделке плёночной вспышки в цифровую был вполне успешным, но очень трудозатратным. Такие трудовые и материальные затраты сейчас несоразмерны задаче, такой переделкой можно заниматься разве что из спортивного интереса. Эффективнее просто купить современную цифровую фотовспышку.

В. Г.: Чем отличается управление экспозицией кадра с подводной вспышкой от экспозиции при естественном освещении? Насколько существенную роль играет выдержка и диафрагма фотокамеры в обоих случаях?

П.К.: В подводной фотографии при естественном освещении у нас есть два основных способа управления количеством внешнего падающего света, попадающего в камеру и экспонирующего плёнку (или цифровой сенсор):

• Мы можем отрегулировать выдержку, которая влияет на продолжительность экспозиции, поскольку окружающий свет в этом смысле практически постоянен.

• Мы можем отрегулировать диафрагму объектива, которая определяет количество света, попадающего в объектив.

Оба способа применяются подводниками, и часто одновременно. Это популярно и в плёночной, и в цифровой съёмке при естественном освещении.

Однако подводная съёмка со вспышкой — это совсем другое дело, вспышка длится всего доли секунды. Установленная в разумных пределах выдержка камеры обычно не влияет на экспозицию вспышки. Вспышка настолько короткая (несколько миллисекунд), а механизм затвора камеры делает свою собственную выдержку заметно длиннее и вообще не ограничивает количество света, принимаемого от вспышки. Выдержка в данном случае влияет только на количество окружающего естественного постоянного света, то есть освещение фона в подводном фото. Соответственно, в подводной фотографии мы выбираем выдержку, исходя из освещённости фона и удалённых предметов солнцем, но никак не для управления освещённостью вспышкой ближнего предмета. Вода сильно поглощает свет, поэтому вспышка в нашей подводной специфике освещает только ближайший к ней объект, находящийся на расстоянии до 1,5 метров. Задний фон и дальние объекты освещаются только естественным светом.

В. Г.: Так как всё-таки следует грамотно управлять экспозицией, фотографируя именно с подводной вспышкой?

П. К.: Для регулирования экспозиции при освещении подводной вспышкой (в общем случае) по классике доступны следующие действия: 1)Настраивать диафрагму объектива. Однако диафрагма объектива также влияет на общее количество естественного света, падающего на плёнку (сенсор), существенно влияя также и на экспозицию фона. И было бы очень неудобно, если бы это был единственный вариант в нашем распоряжении. 2)Регулировать расстояние от вспышки до объекта. Ослабление света в воде довольно сильное.

Дальнобойность самых мощных подводных вспышек в воде не превышает 2–2.5 метров, а при средней мощности — в пределах 1–1,5 метров. Но чаще вспышку располагают ещё ближе, чтобы лучше проявить яркие цвета объекта. Можно заметно влиять на экспозицию вспышкой, двигая одну или обе вспышки ближе-дальше от объекта.

Это вполне применяется подводниками. Но конечно, было бы очень неудобно, если бы нам приходилось постоянно перемещать вспышку, просто чтобы регулировать экспозицию вспышки. 3)Можно устанавливать на вспышку различные рассеиватели (диффузоры) разной плотности. Вообще говоря, диффузоры активно применяются подводниками. Но такие насадки, как правило, меняют один-два раза за погружение, либо вообще никогда. Их применяют с целью получения определённого эффекта — лучшего рассеивания, расширения угла отсвечивания и пр. Подводный фотограф не меняет их непрерывно, это было бы очень неудобно. 4)Можно регулировать длительность импульса вспышки. Это и есть наиболее удобный способ, и он наиболее радикально влияет на интенсивность излучаемого вспышкой света. И это основной метод управления электронной вспышкой в настоящее время. Длительность импульса вспышки мы ограничиваем вручную переключателем, либо автоматически с помощью системы TTL. В современных подводных вспышках силовым ключом управления является IGBT-транзистор, он включает и выключает горение газоразрядной (ксеноновой) лампы, формируя импульс света необходимой длительности (на осциллограмме ниже показан красным цветом).

Длительность импульса фотовспышки мы ограничиваем либо вручную, либо автоматически с помощью установленного в боксе TTL-конвертера.

В.Г.: Здесь мы подходим к самому интересному: автоматика TTL в фототехнике. Расскажите, как вообще возник термин TTL, есть ли у него какая-то история?

П. К.: Аббревиатура TTL — англоязычная (Through the lens: через объектив), это общепринятый международный термин, означающий разновидность встроенного экспонометра, измеряющего яркость снимаемой сцены непосредственно через объектив фотоаппарата.

Применяется главным образом в зеркальных и беззеркальных фотоаппаратах для определения правильной экспозиции.

Главным достоинством TTL-измерения является его высокая точность и автоматический учёт факторов, влияющих на экспозицию, включая светосилу объектива, установленную диафрагму, поле зрения объектива, фокусное расстояние, насадки на объективе и прочее.

Немного об истории встроенного TTL-модуля фотокамеры

Принцип измерения экспозиции по свету, прошедшему через объектив, впервые запатентован в 1935 году компанией Zeiss Ikon для двухобъективного зеркального фотоаппарата Contaflex 860/24. Этот момент времени мы считаем официальной датой рождения TTL-экспонометра.

Далее, в 1942 году патент на похожее изобретение, но для однообъективной зеркальной фотокамеры, был зарегистрирован в Германии. В нём использовался селеновый фотоэлемент в виде рамки вокруг фокусировочного экрана со стороны зеркала. Из-за войны проект не был реализован в металле.

Однако широкое распространение заобъективных TTL-экспонометров началось гораздо позже, когда появились более компактные полупроводниковые фоторезисторы и фотодиоды.

В 1963 году появился первый серийно выпускаемый фотоаппарат с TTL-экспонометром. Это был Topcon RE-Super производства японской компании Tokyo kogaku KK.

Ровно через год (в 1964 году) другая японская компания Asahi Optical серийно начала выпускать фотоаппарат Pentax Spotmatic с точечным заобъективным замером, прототип которого эта компания показывала на выставке Photokina ещё в 1960 году.

В 1965 году компания Nikon выпустила исполнение фотоаппарата Nikon-F, оснащённое заобъективным TTL-замером в съёмной пентапризме. До этого существовало исполнение Nikon F только с внешним фотоэлементом.

В фотоаппаратах Pentax Spotmatic и Nikon F фоторезистор для заобъективного измерения находился на окулярной грани пентапризмы (вверху над видоискателем).

Несмотря на существование и других вариантов, такая схема замера была в дальнейшем очень популярна у многих производителей. В том числе так выглядел TTL-замер в фотоаппаратах Canon EOS и в отечественном Zenit-TTL.

История развития TTL-экспонометрии насчитывает около десятка вариантов расположения датчика TTL в фотокамере. Каждый из них имел свои преимущества и недостатки.

В. Г.: TTL для вспышки несколько отличался от основного TTL‑экспонометра камеры?

П. К.: Все вышеупомянутые экспонометрические устройства производили TTL-замер при постоянном внешнем освещении. Для замера освещённости от импульсной вспышки возникла потребность в отдельной системе, из-за того, что вспышка должна срабатывать при поднятом зеркале (когда идёт уже экспонирование кадра на плёнке / сенсоре).

Традиционные системы экспозамера не годились для этого. Поэтому появилась идея оценки света, отражённого непосредственно от эмульсии плёнки прямо во время экспонирования кадра. Конкретная светочувствительность плёнки при этом учитывалась камерой для калькуляции. При достижении правильной экспозиции свечение вспышки прерывалось тиристорным ключом в реальном времени.

Наиболее известны в истории остались разработки TTL-экспонометра для оценки вспышки компанией Olympus в 1974 году. Новая система получила название «TTL OTF». Аббревиатура OTF означала Off The Film (от плёнки). Подразумевалось измерение света, отражённого от поверхности фотоплёнки. Датчик находился в нижней части, рядом с модулем автофокуса.

Плёночный TTL OTF имел много достоинств, но также и недостатки. В частности, разные плёнки имели несколько разную отражательную способность, это вносило ошибки в измерение. Впрочем, большинство плёнок в итоге давало разницу в пределах половины ступени диафрагмы, что обоснованно считалось вполне приемлемым. Правда, были некоторые плёнки, например производства Polaroid, с чёрной, почти не отражающей поверхностью, которые делали такой TTL-экспозамер практически невозможным.

Фотоаппарат Olympus OM-2 выпуска 1975 года, в котором впервые были реализованы ТТЛ-вспышки прямым замером света, отражённого от первой шторки и от поверхности фотоплёнки.

На первую шторку даже был нанесён специальный рисунок для улучшения комплексной оценки.

ТТЛ-вспышки с замером отражения от плёнки в реальном времени в дальнейшем успешно применялись с некоторыми модификациями множеством производителей фотокамер и просуществовали много лет, вплоть до начала цифровой эры.

В.Г.: Цифровой TTL отличается от плёночного, поскольку появились предварительные (измерительные) вспышки от цифровой камеры. Как решили эту проблему? Что должен знать о современном цифровом TTL подводный фотограф?

П. К.: Первая экспериментальная попытка создания цифрового фотоаппарата была предпринята в 1975 году Стивеном Сассоном, инженером американской компании Eastman Kodak. Однако серийное производство цифровых фотоаппаратов началось только в 1988 году, в соответствии с общим развитием цифровых технологий. Первые цифровые фотоаппараты потребительского уровня предложили компании Kodak и Fujifilm в 1988 году.

Как же изменилась TTL-вспышка с началом цифровой эры?

В цифровых фотокамерах технология отражения от светочувствительной поверхности оказалась неприменима из-за малой отражающей способности светочувствительных полупроводниковых матриц. Поэтому с появлением цифровых камер принципиально изменилась и идея работы TTL-вспышки. Современная цифровая ТТЛ-вспышка зеркальных камер работает следующим образом:

• При нажатии кнопки спуска затвора (или кнопки фиксации экспозиции AE-lock) фотовспышка по команде камеры излучает предварительную короткую вспышку малой интенсивности (предвспышку), предшествующую подъёму зеркала.

• Камера через объектив замеряет отражённый от объекта свет этой предвспышки встроенным TTL-экспонометром, что хорошо доступно, поскольку зеркало ещё не поднято и ничто не мешает произвести TTL-замер классическим путём, как при замере освещённости объекта естественным светом.

• На основании полученной информации об отражённой предвспышке, а также с учётом установок камеры (ISO, эффективной светосилы объектива, диафрагмы, выдержки, расстояния фокусировки и пр.), камера быстро вычисляет требуемую длительность основной вспышки для правильного освещения объекта в кадре, далее передает её в цифровом виде по интерфейсу горячего башмака ко внешней вспышке для исполнения.

• Зеркало поднимается, окно затвора открывается. Фотовспышка по соответствующей команде камеры излучает основную мощную вспышку уже вычисленной длительности. Обратите внимание, что эта вспышка излучается при полностью открытом окне затвора, экспонируя весь снимок сразу целиком. Далее затвор закрывается.

Таким образом, изменяя длительность основной вспышки на основе анализа предвспышек, регулируется освещение объекта в кадре классической цифровой подводной TTL-вспышкой.

Так работает ТТЛ с классической «моно-вспышкой». Напомню, что большинство классических подводных вспышек поддерживают только такой тип TTL. Монолитный тип вспышки актуален при выдержках не быстрее выдержки синхронизации, то есть при выдержках, при которых затвор во время движения своих частей физически имеет некоторый момент полного открытия окна, чтобы в этот момент можно было экспонировать изображение одним импульсом вспышки. На современных камерах выдержка синхронизации, определяемая механизмом работы механического затвора, как правило, находится в пределах до 1/160–1/250 сек. Вплоть до этой выдержки управляются в TTL-режиме все современные подводные вспышки.

На ультракоротких выдержках (короче 1/250 сек.) окно затвора камеры уже не открывается полностью, а представляет собой узкую открытую щель, двигающуюся вдоль рамки, здесь уже может работать только система высокоскоростной синхронизации (HSS) вспышки — эта технология выглядит несколько иначе, чем моно-вспышка, в современном подводном фото она также применяется, правда пока что редко, и регулируется только в ручном режиме.

В. Г.: Предвспышки TTL невозможно увидеть отдельно от основной вспышки. Какая у них длительность и количество? Есть какие-то общие правила для камер разных брендов?

П. К.: Многие производители камер используют только одну предвспышку, но некоторые инициируют несколько предвспышек. Как правило, длительность предварительной вспышки лежит в пределах 100–200 микросекунд. Некоторые камеры могут изменять количество и интенсивность предвспышек для уточнения оценки освещённости при затруднённых условиях. Например, фотокамера Nikon может использовать от одной до двух предвспышек в общем случае, и каждый раз камера решает выдавать вторую предвспышку или достаточно уже первой для точного вычисления, причём интенсивность второй предвспышки Nikon варьирует, выбирая из трёх возможных значений. При подводной съёмке поглощение света водой очень сильное, поэтому при подводной съёмке камера Nikon практически всегда инициирует обе предвспышки.

Интервал между предварительной и основной вспышками настолько мал (он составляет миллисекунды), что человеческий глаз воспринимает всю последовательность как одну вспышку. Исключение составляет синхронизация по второй шторке затвора, когда основная вспышка срабатывает гораздо позже, и тогда оба импульса отчётливо различимы глазом.

В. Г.: Разные производители фотокамер ведь используют разные TTL‑протоколы? Трудно ли с этим работать? П. К.: С течением времени все производители фототехники разработали свои собственные алгоритмы обработки цифрового TTL вспышки и собственные уникальные протоколы обмена информацией через горячий башмак. Компания Nikon назвала свою систему i-TTL, компания Canon назвала E-TTL, Pentax — P-TTL и т.д. Как правило, сухопутные фотовспышки и камеры разных брендов несовместимы между собой по TTL-протоколу. За исключением, конечно, тех брендов, которые используют общий протокол. Например, Olympus и Panasonic имеют общий TTL-протокол, это камеры системы М4/3, это бренды, использующие определённое соглашение между участниками о совместимости производимых ими устройств.

TTL-протокол горячего башмака — достаточно сложный серийный протокол обмена информацией. Как правило, там используется даже логика с несколькими логическими уровнями в одном протоколе. Кроме того, вся передаваемая в обе стороны информация закодирована уникальным для каждого производителя способом.

Современный интерфейс горячего башмака камеры имеет от 4 до 24 контактов. Информация по ТТЛ-протоколу идёт по нескольким из этих линий, параллельно во времени. Например, так выглядит протокол камеры Nikon по 4 линиям, если наблюдать его на логическом анализаторе.

В.Г.: Значит, сколько существует TTL‑протоколов, столько и систем TTL‑конвертеров?

Вы разрабатываете и производите TTL-конвертеры для разных брендов. Модели вспышек тоже все разные, вы учитываете это в программной прошивке вашего устройства? Насколько сложно разработать новую модель TTL-конвертера и программное обеспечение к нему?

П.К.: Разнообразие и несовместимость TTL-протоколов фотокамер с подводными вспышками привело к необходимости разработки специальных устройств для автоматического управления подводными вспышками, так называемых TTL-конвертеров.

TTL-конвертер для подводного фото — это электронное устройство с микропроцессором и встроенной программой обработки, которое обеспечивает взаимодействие всего многообразия TTL-систем различных фотокамер с таким же многообразием различных подводных вспышек. Поддерживаются хорошо известные бренды производителей подводных вспышек: Inon, Sea&Sea, Ikelite, Subtronic, Seacam и Retra.

Каждая модель вспышки отличается параметрами газоразрядной лампы (длина, сечение, форма и пр.) и электроникой управления. Поэтому разработчики вынуждены строить и закладывать в память (прошивку) TTL-конвертера различные программные TTL-профили управления для этих вспышек. Конечно, все профили в мире использовать невозможно, поэтому, как правило, используют всего 8–10, для наиболее популярных моделей вспышек. Выбор профиля осуществляется с помощью миниатюрного переключателя на плате TTL-конвертера. Для более редких на рынке моделей вспышек можно выбирать ближайшие похожие профили из существующих в памяти TTL-конвертера, это вполне приемлемо.

Разработка TTL-систем для подводной фототехники, вообще говоря, работа довольно сложная, затратная и длительная по времени. Иногда для одной новой системы комплекс мероприятий занимает несколько лет. Во всём мире всего 4–5 человек занимаются такой разработкой TTL-электроники для подводного фото.

В.Г.: Некоторые ваши изделия, кроме TTL, имеют также систему обнаружения протечек для бокса, внешний сенсор и прочее? Это какие-то комбинированные TTL‑конвертеры?

П. К.: Некоторые TTL-конвертеры являются устройствами комбинированными, включающими, кроме системы управления вспышкой, также и другие устройства на борту. Например, на фотографии ниже — TTL-система для боксов Isotta для камер семейства Sony A7-A9, включающая в комплекте TTL-конвертер и внешние металлические оптические светодиодные излучатели (для установки на бокс в резьбовые отверстия M16), а также детектор протечки с сенсором влажности и сиреной.

На печатной плате TTL-устройства имеется подключение кабельного интерфейса горячего башмака, выходные разъёмы для электрических разъёмов (Nikonos, Ikelite, S-6), выходные разъёмы для оптических светодиодных модулей, а также разъём для подключения внешнего сенсора протечки.

В.Г.: Павел, спасибо вам за познавательный рассказ. Ваше экспертное мнение всегда интересно для читателей нашего журнала и особенно для любителей подводной фотографии. В следующих выпусках журнала мы продолжим наши беседы об электронике для подводной фотографии.