Фотоэкспонометр

Актинограф Ваткинса

Оптический позиметр «ÉTOILE Optique»

Оптический фотометр

Первыми устройствами для инструментального измерения экспозиции стали актинографы, основанные на оценке потемнения фотобумаги с «дневным проявлением» по мере её засветке[9]. Такие фотобумаги (альбуминовые, целлоидиновые и аристотипные) до начала XX века повсеместно использовались для фотопечати, и проявлялись под действием экспонирующего солнечного света. В прибор заряжался диск такой бумаги, и по времени, в течение которого он приобретал тон, сходный с соседним эталонным полем, вычислялась правильная экспозиция. Большинство актинографов тех лет выглядели, как карманные часы с круглым отверстием в центре. Наиболее известным устройством этого класса был актинограф или «экспометр» Ваткинса, получивший распространение на Западе[8]. В Российской империи более популярным был «позиметр» Винна[10].

Однако, фотобумага требовала длительного экспонирования в течение 20—30 минут, замедляя приготовления к съёмке. Более оперативное измерение обеспечивали приборы, основанные на визуальной оценке яркости объектов съёмки через оптический клин с переменной прозрачностью[11]. Такие устройства, получившие название оптических фотометров, требовали определения наиболее плотного участка синего или серого светофильтра, за которым глаз ещё различает объект съёмки[5]. Основной недостаток этого типа приборов — субъективность получаемых результатов, поскольку чувствительность глаза зависит от общей окружающей освещённости[12].

Более совершенным способом оказалось сравнение яркости объекта съёмки с калиброванным источником света, например лампой накаливания. Яркость лампы уравнивалась с яркостью объекта подбором плотности клинового нейтрального светофильтра, установленного в специальной подвижной оправе, которая сопрягалась с соответствующей шкалой. Точность такого измерения выше, поскольку нижняя граница видимости более субъективна, чем сравнение достаточно большой яркости. Необходимость источника питания для лампы исключала возможность использования этого метода при натурных съёмках. Он нашёл применение в фотостудиях и позднее использовался в некоторых типах компактных экспонометров, например «SEI Photometer»[13]. Принцип уравнивания яркости эталонной лампы использован в сквозном визире некоторых модификаций киносъёмочного аппарата «Arriflex 35-II»[14].

Один из первых фотоэлектрических экспонометров Weston 650

Точность измерения, не зависящую от субъективных факторов, удалось получить только с появлением фотоэлектрических экспонометров[11]. Их действие основано на измерении величины электродвижущей силы, получаемой в результате фотоэлектрического эффекта[15]. В современных фотографии и кинематографе используются только фотоэлектрические экспонометры. Первые приборы этого типа предназначались для киносъёмки и были созданы в начале 1930-х годов[16]. Самым первым экспонометром считается «Электрофот» (англ. Electrophot DH), созданный в 1928 году американской компанией Rhamstine[17]. В качестве светочувствительного сенсора в приборе использовался один из первых фоторезисторов, так называемый «элемент Грипенберга»[9].

Необходимость использования громоздкой батареи делала его малопригодным для измерений вне помещения[18]. Решением проблемы стало изобретение в конце 1920-х годов магнитного сплава альнико, позволившего создать чувствительные гальванометры, способные измерять слабый фототок селеновых фотоэлементов. Одним из первых селеновых безбатарейных экспонометров стал «Weston» модели 617, выпущенный компанией Weston Electrical Instruments в августе 1932 года[19]. Отсутствие батарей позволило уменьшить прибор до карманных размеров. В СССР первый фотоэлектрический экспонометр с селеновым фотоэлементом «НКАП-149» был создан ГОИ к началу 1940-х годов[20]. Три последующих десятилетия все фотоэлектрические экспонометры строились по принципу непосредственного измерения фототока. Из-за низкой удельной чувствительности селеновые фотоэлементы были громоздкими и не позволяли измерять небольшие яркости с достаточной точностью[21].

Экспонометр «Свердловск-6» на основе фоторезистора

Появление в 1960-х годах сернисто-кадмиевых фоторезисторов, требующих маломощных источников питания, позволило вернуться к принципу «Электрофота»[18]. Высокая удельная чувствительность фоторезисторов позволила получить компактный датчик и резко повысить точность измерения, как при дневном освещении, так и в помещении и даже ночью[22]. Поэтому фоторезисторные экспонометры очень быстро вытеснили селеновые, фотоэлемент которых с течением времени деградирует и приходит в негодность[23]. Небольшие размеры полупроводниковых сенсоров позволили установить их даже в оптический тракт зеркального видоискателя, и сконструировать первые TTL-экспонометры[24].

Первые фоторезисторные экспонометры строились на основе сернистокадмиевого (CdS) фотосопротивления, обладающего хорошей светочувствительностью, но большой инерционностью, особенно при низких освещённостях[23]. Кремниевые фотодиоды лишены этого недостатка, но их спектральная чувствительность, максимум которой лежит в инфракрасной области, вынуждает устанавливать дополнительный светофильтр для приведения в соответствие с характеристиками фотоматериалов и фотоматриц. Необходимость усиления очень слабых изменений проводимости такого фотодиода увеличивает потребление электроэнергии, снижая уровень автономности[25]. Наиболее совершенным типом сенсора считаются практически безынерционные арсенидо-фосфидо-галлиевые фотодиоды со спектральной чувствительностью, близкой к человеческому зрению[26].

Приставной селеновый экспонометр камеры «Leica M3»

Впервые встроенный экспонометр использован компанией Zeiss Ikon в двухобъективной «зеркалке» Contaflex в 1935 году[27]. Однако, съёмка на чёрно-белые негативные фотоматериалы с большой фотографической широтой в те годы позволяла во многих случаях обходиться без экспонометра, полагаясь на простейшие правила или профессиональный опыт. Поэтому до войны всего два фотоаппарата оснащались фотоэлектрическим экспонометром: Contax III и Super Ikonta II[28]. Распространение цветной фотографии, и особенно обращаемых фотоматериалов, требующих точного экспонирования, заставило пересмотреть эти принципы и с начала 1960-х годов встроенный или приставной фотоэлектрический экспонометр стал обязательным атрибутом как фотоаппаратов, так и кинокамер[29]. Прибор стали сопрягать с органами управления, обеспечивая полуавтоматическое управление экспозицией[30][31]. Первым советским фотоаппаратом со встроенным экспонометром на основе фоторезистора стал дальномерный «Сокол»[32].

Первый в мире фотоаппарат с TTL-экспонометром Topcon RE-Super[33] (1963)

С середины 1970-х годов встроенные экспонометры практически всех однообъективных зеркальных фотоаппаратов и кинокамер со сквозным визиром рассчитывались на заобъективное измерение. Особенности TTL-экспонометров позволили реализовать параллельное измерение отдельных частей снимаемого изображения с последующей автоматической компенсацией ошибок при измерении контрастных сюжетов. Современные TTL-экспонометры позволяют осуществлять как точечный замер, так и оценочный, основанный на сравнении экспозиции отдельных частей будущего снимка и программной обработкой полученных результатов на основе статистического анализа[34].

С этого времени внешние экспонометры продолжали использоваться только в профессиональной фотографии для более точных измерений по падающему или отражённому свету. В любительской практике отдельные приборы были вытеснены более удобными, встроенными в камеру. Развитие цифровых технологий позволило ещё больше повысить точность экспонометров, отказавшись от обработки аналогового сигнала сенсора. Постепенно все экспонометры стали выполняться по такому принципу с выводом результатов на жидкокристаллический дисплей. Одновременно получили распространение флэшметры, предназначенные в основном для измерения света студийных фотовспышек, заменивших лампы непрерывного света в рекламной и постановочной фотографии.

Цифровой экспонометр «Sekonic»

Цифровые экспонометры кроме величины яркости и освещённости могут измерять и другие фотометрические величины, например, цветовую температуру освещения. Такие приборы называются измерителями цветовой температуры или в кинематографическом обиходе — цветомерами[35]. Наиболее совершенные приборы позволяют количественно оценивать спектральный состав съёмочного освещения. В 2014 году компания Seconic начала выпуск прибора «Seconic C-700», определяющего кроме экспозиции и цветовой температуры, детальную картину распределения спектра любых источников света[36].

Все современные зеркальные фотоаппараты и кинокамеры со сквозным визиром оснащаются встроенными фотоэлектрическими TTL-экспонометрами с полупроводниковым сенсором. Экспонометр цифровой аппаратуры других классов получает данные непосредственно со светочувствительной матрицы. Встроенные сопряжённые экспонометры составляют основу автоматики управления экспозицией, которая устанавливает один или оба экспозиционных параметра в соответствии с результатами измерения[37]. Внешние экспонометры используются только в профессиональной фотографии и кинематографе, и в настоящий момент выполняются, как универсальные многофункциональные устройства (мультиметры), пригодные не только для определения экспозиции, но и для измерения основных фотометрических величин.

Дешёвой заменой внешнему прибору может стать смартфон с соответствующим мобильным приложением, например бесплатным «Pocket Light Meter»[38]. Более сложные платные приложения могут работать как в режиме экспонометра, так и флешметра или измерителя цветовой температуры[39]. Ещё удобнее использование приставного сенсора с молочным сферическим рассеивателем, например «Lumu». После стыковки с iPhone через гнездо для наушников, гаджет позволяет измерять не только яркость, но и освещённость сцены[40].

Для определения экспозиции при фотопечати выпускались специализированные экспонометры с выносным фотоэлементом[41]. В СССР этому типу устройств соответствовал «Фотон-1»[42]. Известны две главные разновидности таких приборов, чаще называемых фотометрами: с передвижным фотоэлементом, располагаемым в плоскости фотобумаги, и с неподвижным, установленным на кронштейне над кадрирующей рамкой. Первый тип измеряет падающий свет, а второй — отражённый[43]. Отдельный класс устройств составили фотометры для цветной фотопечати, получившие название цветоанализаторов[44]. Такие приборы кроме экспозиции способны измерять цветовой баланс, определяя цвет и плотность корректирующих светофильтров[45]. В настоящее время экспонометры для ручной фотопечати не выпускаются в связи с полным вытеснением процесса струйной и лазерной печатью. При машинной печати экспозиция определяется фотометром, встроенным в минифотолабораторию.

Измерение яркости объекта съёмки (или «измерение по отражённому свету») считается основным способом определения экспозиции, поскольку производится от съёмочной камеры или через её объектив[49]. Все встроенные экспонометры являются яркомерами. Главный недостаток такого способа заключается в зависимости результатов измерения от отражательной способности объекта. Например, при измерении яркости светлого и тёмного предметов экспонометр выдаст различные значения экспозиции, несмотря на одинаковую освещённость сцены, и на снимках, сделанных с рассчитанной экспозицией, такие объекты отобразятся одинаковой оптической плотностью.

Для исключения ошибок и разночтений все существующие системы экспонометрии привязаны к усреднённому серому, которому примерно соответствует отражение 18 % упавшего света[* 1]. На характеристической кривой проявленного фотоматериала этот тон располагается примерно посередине, соответствуя V зоне шкалы Адамса[50]. Для точности измерения по яркости существуют специальные серые карты, которые служат эталоном такой отражательной способности. При измерении яркости света, отражённого от карты, получается правильная экспозиция, как правило, совпадающая с результатами замера по освещённости[* 2].

Принято различать интегральное измерение яркости, когда осуществляется замер усреднённой яркости всей снимаемой сцены, и измерение отдельных участков и объектов. Сравнение результатов замера самых тёмных участков сюжета с самыми светлыми также позволяет получить правильную экспозицию и согласовать общий контраст с фотографической широтой. Измерение отдельных участков сцены требует размещения экспонометра в непосредственной близости от объектов съёмки так, чтобы их поверхность заполняла поле зрения фотоэлемента[51]. В современных TTL-экспонометрах селективный замер осуществляется при включении точечного режима.

Измерение освещённости: светоприёмник размещается у объекта съёмки и направляется на камеру

При измерении «по освещённости» (или «по падающему свету») определяется интенсивность съёмочного освещения, от которой напрямую зависит освещённость снимаемой сцены[52]. Такой способ в большинстве случаев наиболее точен, поскольку измеренная экспозиция не зависит от отражательной способности объектов съёмки[24]. Единственным неудобством такого метода является необходимость располагать экспонометр непосредственно у главного объекта съёмки (чаще всего это лицо человека) светочувствительным элементом к камере, что не всегда возможно[53].

Большинство внешних экспонометров для такого измерения оснащаются молочной рассеивающей насадкой (иногда полусферической формы), увеличивающей угол восприятия сенсора до 180° и компенсирующей световой поток в соответствии с режимом измерения. При замерах по яркости и освещённости используются разные расчётные коэффициенты, что компенсируется молочной насадкой с калиброванным светопропусканием, или переключателем режимов. Принцип замера падающего света используется также в люксметрах, предназначенных для технических измерений.

Цифровая фотография в некоторых случаях позволяет пренебрегать использованием экспонометра, определяя правильную экспозицию методом пробной съёмки с последующим просмотром готового изображения на экране электронного видоискателя или компьютера. Для количественного определения точности экспозиции при этом могут использоваться гистограммы. При студийной съёмке со вспышками такой метод позволяет обойтись без дорогостоящего флэшметра. В этом случае цифровой фотоаппарат сам выполняет функцию фотоэлектрического экспонометра.

Аналогичный метод применим в телевизионной студии, когда корректная экспозиция устанавливается оперативной подстройкой диафрагмы и гамма-коррекции передающих камер по студийному монитору или осциллографу. Однако, такой метод экспонометрии пригоден в ситуациях, когда съёмка может быть повторена многократно, и неудачным снимком можно пожертвовать. При съёмке событий, которые невозможно повторить, в частности журналистских репортажей, точное измерение экспозиции необходимо не только при съёмке на плёнку, но и для электронных устройств.