Digitální expozimetr a flashmetr na dopadající světlo

Při fotografování z bleskem pracuje většina moderních fotoaparátů v režimu TTL, kdy je pomocí čidla měřeno světlo odražené filmem a při jeho dostatečné hodnotě je záblesk ukončen. Tato metoda je velmi vhodná pro akční fotografii, protože je velmi pohotová, ale příliš se nehodí pro portrétní fotografii, protože blesk je upevněn přímo na fotoaparátu a vzniká tak tvrdé a ploché osvětlení. Pokud ovšem chceme umístit blesk mimo fotoaparát, narazíme na potřebu speciálního propojovacího kabelu, který je velmi drahý a nedostupný a navíc nebude možné použítí více blesků. Sám proto při fotografování v interiéru používám jeden nebo více starších manuálních blesků, které jsou dálkově spouštěny zábleskem vestavěného blesku fotoaparátu pomocí optického synchronizátoru. Protože se bleskové světlo ještě změkčuje odrazem od bílé desky nebo fotografického deštníku, není možné stanovit expozici výpočtem podle směrného čísla blesku. Proto jsem zkonstruoval speciální zábleskový expozimetr - tzv. flashmetr, který kromě bleskového světla umožňuje měřit také normální (ambientní) osvětlení. Základem expozimetru je mikrořadič PIC 16F873, jako čidlo je použita křemíková fotodioda BPW 21, která je přímo určena pro expozimetry (její spektrální citlivost je je podobná, jako u lidského zraku). Všechny údaje jsou zobrazovány na LCD displeji s maticí 2x8 znaků. Protože je expozimetr určen zejména pro portrétní fotografii, kdy se většinou používá měření světla dopadajícího na fotografovaný objekt, je před fotodiodou umístěna difúzní sférická hlavice (tzv. kalota), která simuluje trojrozměrný tvar fotografovaných objektů.

---

Při měření osvětlení ve fotografii se používá tzv. expozičních čísel, označovaných zkratkou EV. Každému expozičnímu číslu potom odpovídá určitá kombinace clony a času, při které je expozice optimální. Při zvýšení osvětlení o 1EV je potřeba přiclonit o jedno clonové čislo, resp. dvojnásobně prodloužit expozici. Měření ambientního světla je poměrně jednoduché. Nejprve je změřeno napětí U na fotodiodě, ze závislosti U/EV je napětí převedeno na clonové číslo, a z něj jsou na základě nastavené citlivosti filmu dopočítány odpovídajícíexpoziční hodnoty. Je možné měřit v modu Av, kdy je k hodnotě zadané clony dopočítán odpovídající čas, nebo v režimu Tv, kdy je k nastavenému času přiřazena odpovídající clona. Přesnost zobrazovaných údajů je volitelně 1/3 EV nebo 1/2 EV. Citlivost filmu se zadává v dnes nejpoužívanější stupnici ASA (ISO). Při měření záblesku je periodicky měřeno napětí na fotodiodě a vyhodnocován rozdíl mezi následujícími měřeními. Pokud se objeví strmý vzrůst napětí, je považován za začátek záblesku a je následně provedeno několik měření, vypočítán jejich průměr a z něj je stejným způsobem jako u normálního světla vypočtena hodnota EV (přirozeně podle odlišné závislosti). Následně je ještě změřeno ambientní světlo a z jejich kombinace je dopočítána odpovídající clona. Pokud je rozdíl bleskového a ambientního světla menší než 1:7, je tento poměr graficky zobrazen. Aby všechno nebylo tak jednoduché, vykazuje fotodioda velkou teplotní závislost. Naštěstí je tato závislost v požadovaném rozmezí teplot lineární, takže pro její vykompenzování byla využita jednoduchá metoda - vedle fotodiody je umístěno teplotní čidlo, pomocí kterého je bezprostředně po odečtení napětí na foodiodě změřena její teplota a podle teplotní závislosti je zkorigováno změřené napětí.

Konstrukce přístroje

Jak je vidět na SCHEMATU , je základem zařízení mikrořadič IC1, k jehož analogovým vstupům je připojena fotodioda D1 a teplotní čidlo IC3. Referenční napětí pro A/D převodník je tvořeno obvodem D2. Pro napájení přístroje je použita destičková 9V baterie, kvůli snížení spotřeby byl použit nízkoúbytkový stabilizátor LE50 (IC2). Je možné použít i běžný stabilizátor 78L05 (je vývodově kompatibilní), ovšem za cenu zvýšení proudového odběru. K baterii je připojen napěťový dělič z R7 a R8, na kterém je při zapnutí přístroje změřeno napětí a při poklesu pod určitou úroveň je zobrazena informace o nízkém napětí baterie. Fotodioda je zapojena ve fotovoltaickém režimu, ve kterém vykazuje přesně lineární závislost výstupního napětí na EV (viz graf). Fotodioda je pro jednoduchost a zachování linearity zapojena přímo na vstup A/D převodníku mikrořadiče. Mikrořadič PIC 16F873 obsahuje 10-ti bitový převodník, z něhož se ovšem využívá pouze 8 spodních bitů. Vhodným nastavením referenčního napětí převodníku dosáhneme toho, že výstupní 8-mi bitová hodnota obsáhne celý rozsah napětí na fotodiodě (0 až cca. 0,7 V). Jako teplotní čidlo byl použit obvod LM135. Jeho výstupem je napětí přímo úměrné teplotě, jednomu stupni celsia odpovídá změna napětí o 10mV. Výstupní napětí je kalibrované ve stupních kelvina, což je ovšem v daném případě nepodstatné, protože potřebujeme znát pouze rozdíl teplot při měření a při kalibraci. Pro zobrazování údajů je použit znakový LCD displej 2x8 znaků. Protože jsou řádky na displeji umístěny poměrně blízko sebe, byla pro zvýšení přehlednosti zvolena poněkud nestandardní metoda zobrazování. Pro horní řádek, na kterém jsou umístěny méně důležité údaje, byly použity znaky o výšce pouhých 5 bodů (oproti standardním 7). Rastr těchto znaků je uložen v paměti EEPROM a při požadavku na jejich zobrazení jsou dynamicky nahrávány do znakového generátoru řadiče LCD. Kromě běžných znaků jsou takto zobrazovány některé speciální symboly a také grafické zobrazení poměru ambientního a bleskového světla. Pomocí trimru R1 je možné nastavit jas displeje. Napěťová reference IC2 je zapojena v typickém zapojení, kdy volbou R2 a R3 nastavujeme výstupní napětí podle vztahu V=(1+R2/R3)*2,5. Protože se úbytek světla na sférické hlavici bude lišit podle použitého materiálu, lze mírnou změnou referenčního napětí dosáhnout optimálního využití rozsahu A/D převodníku. V mém případě napětí na fotodiodě při maximální uvažované hladině osvětlení dosahovalo cca. 0,7V, takže jsem zvolil referenční napětí 3V (horní 2 bity převodníku nejsou využity, takže maximální měřené napětí je 3/1024*256=0,75V). V žádném případě by ale referenční napětí nemělo být menší než 2,5V. Pro snadnější nastavení je možné nechat zobrazovat v kalibračním modu přímo napětí na fotodiodě (viz. Nastavení referenčního napětí), kalibrační napětí doladíme změnou odporu R2, resp. R3.

---

Pro expozimetr byla navržena jednostranná deska s plošnými spoji. Kromě fotodiody a tlačítek osadíme na desku všechny součástky a dvě drátové propojky. Mikrořadič je umístěn v objímce, pro připojení displeje je použit dvouřadý konektor, jehož jednu část připájíme k displeji a druhou na desku plošných spojů. Tlačítka je možné podle použitého konstrukčního řešení osadit buď přímo na desku, nebo na samostatnou destičku spojenou s hlavní deskou pomocí plochého kabelu. Plošný spoj počítá s oběma variantami. Fotodioda je umístěna na samostané destičce, která je světlotěsně spojena se sférickou hlavicí. Teplotní čidlo je třeba umístit poblíž fotodiody, pokud bude fotodioda umístěna ve větší vzdálenosti od umístění čidla na desce, bude třeba umístit čidlo vedle fotodiody a s deskou jej spojit pomocí kablíku.

---

Pro expozimetr jsem použil krabičku KP20, která je velmi vhodná jak tvarema velikostí, tak i samostaným prostorem pro umístění 9V baterie. Pro tuto krabičku byl také navržen plošný spoj. Krabičku je třeba mírně upravit, zejména je nutné odstranit čtyři výlisky uvnitř a vyřezat otvor pro diplej a tlačítka. Celkové mechanické uspořádání je na obr. xxx. Tlačítka jsem do krabičky připevnil poněkud nestandardním způsobem. Jsou umístěny na samostatné desce s plošnými spoji, a to "vzhůru nohama" - hmatník tlačítka prostrčíme otvoremv desce, vývody tlačítek opatrně pinzetou ohneme směrem k hmatníku (neohýbat přímo u tlačítka, hrozí ulomení vývodu) a připájíme k desce v takové vzdálenosti, aby hmatník přečníval nad deskou o něco více, než je tloušťka stěny krabičky. V horní části krabičky jsou vyvrtány otvory o průměru cca 10mm. Zevnitř krabičky je přilepena deska s tlačítka, takže hrana hmatníků mírně přesahuje horní plochu krabičky. Podobným způsobem upevníme také destičku s fotodiodou a sférickou hlavicí. Vše nakonec překryjeme samolepkou, kterou vytvoříme tak, že na samolepící papír natiskneme obrysy tlačítek a přilepíme ji na horní stranu krabičky. Mírný přesah hmatníku nad krabičkou usnadňuje stisk tlačítka pod fólií. Pokud bude ke spouštění blesků použit klasický synchronizační kabel, je vhodné umístit do krabičky také konektor kabelu (je možné je získat ze starého nepoužívaného fotoaparátu, např. Smena, Vilia, atd, které je možné velmi levně zakoupit v bazaru). Pro spínání kontaktů konektoru potom použijeme samostatné tlačítko, které umístíme do krabičky stejným způsobem, jako ovládací tlačítka.

---

Poměrně velkým problémem je získání sférické hlavice. Musí být z bílého, průsvitného, a přitom mléčného materiálu. Důležité je, aby světlo bylo rozptylováno hlavicí rovnoměrně. Původně jsem se domníval, že se mi podaří použít nějaký uzávěr od kosmetiky, nebo nějaký podobný předmět, ale jediný vhodný materiál, na který jsem narazil, je rozříznutý pingpongový míček. Ten je ovšem příliš velký, takže by ho nebylo možné umístit na krabičku KP20. Nakonec jsem se rozhodl hlavici vyrobit. Jako vhodný materiál se ukázal měkký plast, z kterého jsou vytvořeny rúzné kelímky od jogurtů, apod., a který je při zahřátí velmi tvárný. Jako kopyto jsem použil kovovou kuličku z ložiska o vhodném průměru, kterou jsem nahřál nad plamenem a na ni jsem "nalisoval" plast pomocí trubky o průměru trochu větším než je průměr kuličky. Kuličku je potřeba nahřívat rovnoměrně, protože plast se při natahování na kuličku poněkud ztenčí a při nerovnoměrném nahřátí by tloušťka plastu nebyla všude stejná a průsvitnost by nebyla homogení. Vhodnou teplotu je třeba najít pokusně - při příliž nízké teplotě se materiál trhá, při příliš vysoké se lepí na kuličku. Experimentovat bude třeba i s různými plasty, nejvíce se mi osvědčila spodní část obalu nanukového dortu.
Poznámka autora fotoškoly :Tuto kalotu zakoupíme již hotovou, a sice v Brně na ulici Pekařské v prodejně Domácího kutila jsou k dostání za 12,50 Kč bílé plastové úchyty ke skříňkám. Tento kulový úchyt je složen ze dvou dutých polokoulí. které lze bez problémů oddělit a horní polokouli použít na kalotu. Je pevná, a na tuto aplikaci vynikající.

Kalibrace přístroje

Před vlastním použitím expozimetru je potřeba jej nakalibrovat. Ideální je přístroj kalibrovat pomocí továrního flashmetru. Protože ne každému se podaří jej vypůjčit, je možné expozimetr nakalibrovat pomocí expozimetru fotoaparátu, ke kalibraci flashmetru potom můžeme použít manuální blesk se známým směrným číslem. Při kalibraci postupně změříme několik intenzit osvětlení, do přístroje zadáme hodnoty clony zobrazenou továrním expozimetrem, a mikrořadič si metodou nejmenších čtverců spočítá závislost napětí a expozičních čísel. Do modu kalibrace uvedeme přístroj tak, že při zapnutí napájení podržíme stisknuté tlačítko "+". Na horním řádku displeje se objeví nápis "Kalibr", pomocí tlačítek "+" a "-" vybereme typ kalibrace, který se zobrazuje na spodním řádku a stiskem tlačítka "F" zvolíme požadovanou kalibraci . Kvůli teplotní závislosti senzoru je vhodné provádět kalibraci při takové teplotě, ve které budeme expozimetr nejčastěji používat (většinou pokojová teplota). Kalibrace expozimetru Na externím expozimetru nastavíme citlivost filmu 100 ASA mód Tv (priorita času) a čas 1/15 s. Nyní postupně pokládáme oba přístroje těsně vedle sebe do míst s různou intenzitou světla (oba přístroje natáčíme směrem ke zdroji světla), pomocí tlačítek "+" a "-" nastavíme shodnou clonu, jakou ukazuje externí expozimetr a potvrdíme tlačítkem "F". V pravé části dolního řádku se zobrazuje počet zadaných bodů, kterých může být maximálně 8. Je vhodné vyhledat taková místa, aby zadané body rovnoměrně pokryly rozsah clon cca 2 až 22 (což odpovídá EV 6 až 13). Kalibraci ukončíme podržením tlačítka "F". Na spodním řádku se zobrazí součet odchylek zadných hodnot od vypočtených, který se snažíme dosáhnout co nejnižší. Po dalším stisku tlačítka "F" dojde k návratu do volby typu kalibrace. Při kalibrování pomocí vestavěného expozimetru fotoaparátu postupujeme stejně, ale používáme bodové měření a měříme intenzitu světla odraženého od šedé tabulky, kterou pokládáme co nejblíže kalibrovanému přístroji (a opět natáčíme ke zdroji světla). Je třeba použít speciální tabulku s 18% šedí, kterou je možné zakopit ve fotoobchodech. Vhodná tabulka byla v nedávné době přiložena také k časopisu PhotoLife. Pokud není možné na fotoaparátu ručně nastavit citlivost filmu, je nutné do něj vložit film s citlivostí 100 ASA. Kalibrace flashmetru Při kalibraci pomocí jiného flashmetru postupujeme podobně, jako při kalibraci expozimetru. Oba přístroje položíme vedle sebe, postupně z různých vzdáleností blýskáme bleskem a pomocí tlačítek "+" a "-" nastavujeme stejnou clonu, jakou ukazuje druhý flashmetr. Pokud nemáme druhý flashmetr k dispozici, je možné provést kalibraci pomocí blesku, u kterého známe jeho směrné číslo. Podle vzorce d=GN/f, kde GN je směrné číslo blesku a f je clona spočítáme pro různé clony odpovídající vzdálenosti d a z techto vzdáleností postupně blýskáme bleskem a nastavujeme odpovídají clony. Jenom bych chtěl upozornit, že výrobci blesků obvykle poněkud nadhodnocují hodnotu směrného čísla, proto je vhodné pomocí výše uvedené vzorce nejprve ověřit hodnoty směrného čísla na skušebních snímcích a případně jeho hodnotu při výpočtu upravit. Kalibraci flashmetru je potřeba provádět při nižší hladině osvětlení, aby naměřené hodnoty nebyly ovlivněny ambientním světlem. Kalibraci flashmetru ukončíme opakovaným stiskem tlačítka "F" bez předchozího záblesku. Kalibrace teplotního čidla Při teplotní kalibraci je třeba při neměnném osvětlení zahřívat fotodiodu i teplotní čidlo a postupně při několika teplotách stisknout tlačítko "+". Mikrořadič si při stisku tlačítka změří teplotu i napětí na fotodiodě a při ukončení kalibrace spočítá jejich závislost. Pro teplotní kalibraci se mi nejvíce osvědčilo ohřívat obě čidla pomocí fénu. Těsně vedle sebe umístíme obě čidla a obyčejný teploměr, vložíme první data, a začneme z velké vzdálenosti foukat fénem. Při určitých teplotách, např. 30 a 40°C potvrdíme další data. Velmi důležité je držet fén tak, abychom neovlivňovali světlo dopadající na fotodiodu, a dále aby obě čidla byla ohřáta na stejnou teplotu. Toho dosáhneme tak, že při dosažení požadovaných teplot oddálením fénu pozastavíme ohřívání a snažíme se po nějakou dobu udržovat konstantní teplotu, aby se obě čidla stihla dostatečně prohřát. Kalibraci ukončíme podržením tlačítka "F". Správnost kalibrace můžeme zkontrolovat přepnutím do módu expozimetru, kdy by se při změně teploty neměly výrazně lišit expoziční údaje (pokud se čidla ohřívají nerovnoměrně, údaje se před dostatečním prohřátím mohou měnit). Pokud není provedena teplotní kalibrace, korekce podle teploty se vůbec neprovádí. Jestliže se bude flashmetr používat v místnosti s neměnnou teplotou, není nutné teplotní kalibraci provádět. Kalibrace testu baterie Slouží k nastavení prahu, při kterém se po zapnutí přístroje objeví upozornění nízkého napětí baterie. Napájení nastavíme na takovou hodnotu, při které je stabilizátor schopen udržet požadované napájecí napětí 5V a stiskem tlačítka "F" hodnotu potvrdíme. Stabilizátor LE05 má úbytek napětí xxxV, takže napájecí napětí je potřeba nastavit na xxxV. Nastavení citlivosti Slouží k nastavení přírůstku napětí který je detekován jako začátek záblesku. Hodnotu je možné nastavit v rozmezí 1 až 9, kde 1 je nejvyšší citlivost (při které už zřejmě bude přístroj reagovat např. na blikání žárovky). Implicitně je nastavena hodnota 5. Nastavení referenčního napětí Tato kalibrace slouží k optimálnímu nastavení referenčního napětí A/D převodníku. Zobrazuje totiž přímo výsledek spodních 8 bitů A/D převodu. Pokud budeme uvažovat horní hranici měřícího rozsahu 20EV, neměla by při osvětlení 12EV (1/60s, clona 8) zobrazovaná hodnota přesahovat 200.

Ovládání přístroje

K ovládání slouží pouhá 3 tlačítka. Tlačítkem "F" (Funkce) přepínáme mód expozimetru (v levém horním rohu je znak *), flashmetru (znak "blesku") nebo nastavení citlivosti filmu (nápis "ISO"). Tlačítky "+" a "-" potom měníme požadované hodnoty. Ovládání expozimetru Expozimetr slouží k měření dopadajícího světla, proto vždy měříme v místě fotografovaného objektu a sférickou hlavici natočíme ke zdroji světla. Tlačítky "+" a "-" nastavíme požadovanou clonu (resp. čas) a přístroj zobrazí odpovídající čas (resp. clonu). Současným stiskem tlačítek "+"a "-" přepínáme režim Av (priorita clonu) a Tv (priorita času). Pokud je dopočítávaná hodnota mimo rozsah přístroje, zobrazí se v horním řádky inverzní znak [+], resp. [-]. Ovládání flashmetru Pomocí tlačítek "+" a "-" nastavíme expoziční čas zvolený na fotoaparátu a spustíme záblesk. Na displeji se zobrazí clona pro optimální expozici. Pokud je vypočtená clona mimo rozsah přístroje, zobrazí se opět v horním řádky inverzní znak [+], resp. [-]. Pokud je rozdíl bleskového a ambientního světla menší než 1:7, zobrazí se i značka ambientního světla a grafické znázornění poměru osvětlení (čárka blíže k značce blesku odpovídá pochopitelně bleskovému osvětlení). Nastavení citlivosti filmu Citlivost filmu zadáváme tlačítky "+" a. "-" v rozsahu 6 až 6400 s krokem 1/3 EV. Citlivost se ukládá v paměti EEPROM, takže zůstane nastavena i při vypnutí přístroje. Volba kroku expozičních hodnot Pokud při zapnutí napájení držíme tlačítko "F", zobrazí se volba kroku zobrazení. Pomocí tlačítek "+" a "-" zvolíme rozsah 1/2 nebo 1/3EV a potvrdíme stiskem tlačítka "F". Také nastavený krok se uchovává při vypnutém napájení. Přestože jsou při kalibraci automaticky spočítány závislosti pro oba kroky, doporučuji kvůli případným zaokrouhlovacím chybám před kalibrací nastavit krok, který bude častěji používán.

Odpory
R1,R7,R9,	10 k
R10,R11	10 k
R2*	4k7 , 1%
R3*	22 k, 1%
R8	4k7
R4	100 R
R5	2k2
R6	1 k
Kondenzátory keramické
C1,C2	22 pF
Kondenzátory elektrolytické
C3	10uF
C4	22uF
Polovodičové součástky
IC1	PIC 16F873 - 04/SP
IC2	TL431
IC3	LM135
IC4	LE50 (případně 78L05)
D1	BPW21
X1	4MHz
DISPLAY Elatec EL 0802-A nebo podobný	(2x8 znaků, řadič HD44780)
TL1,TL2,TL3	P-B1720A
Přístrojová skříňka	KP20

Poznámky autora fotoškoly z konstrukce přístroje :


Stavba zařízení není nijak složitá, a dá se zvládnout za jeden den. Problém je se sháněním fotodiody BPW21 a displeje. Obojí lze ale sehnat u firmy Buček elektro v Brně na Vranovské ulici, a to fotodiodu za 220,-Kč a displej 2x8 znaků za 360,-Kč. Deska displeje má ale vývody vlevo od zobrazovací jednotky, na rozdíl od displeje, který použil autor, a který má vývody nad zobrazovací jednotkou. Je tedy nutné překreslit desku plošných spojů, nebo displej připojit plošným vodičem. Uspořádání vývodů je však stejné, jako u displeje v tomto návodu. Displej od Bučka lze sehnat i podsvětlený. S přístrojem nejsou žádné problémy, a při použití přesných a funkčních součástek po zapojení pracuje na první pokus. Ani s kalibrací nejsou žádné problémy, v každém případě je vhodnější a přesnější přístroj kalibrovat pomocí továrního přístroje, ale i po kalibraci na šedou tabulku se poté měření nijak neliší od továrního přístroje. Jen je nutné dávat pozor, aby se šedá tabulka při kalibraci neleskla směrem do objektivu, protože potom při několikerých kalibračních měřeních přístroj po ukončení kalibrace oznámí dost velké odchylky od průměru ( osobně se mi podařila i odchylka 170, takže jsem kalibraci několikrát opakoval, až jsem dosáhl maximální odchylky 10 ).

Program pro procesor :
- dd16fx.inc
- flashm.asm
- flashm.hex
- P16F873.INC

---