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Messeinrichtung Belichtungszeit

RalphBecker

Themenersteller
Hallo,
ich habe als Spielerei eine Messeinrichtung für die Belichtungszeit einer DSLR gebaut, zumindest so, wie sie prinzipiell funktionieren könnte. Wenn man im Netz sucht findet man nur Anleitung für analoge Kameras. Bei digitalen muss man anders herangehen.
Das Prinzip: Es wird eine Laserdiode auf einer rotierenden Scheibe mit definierter Rotationsgeschwindigkeit fotografiert. Aus dem Rotationswinkel der Diode und der Rotationsgeschwindigkeit läßt sich dann die Belichtungszeit erreichnen.

Die Scheibe mit dem Laser sitzt auf einem Brushlessmotor, angesteuert durch einen Arduino. Ferner misst eine Gabellichtschranke die Rotationsgeschwindigkeit, auch über den Arduino.

Probleme die sich ergeben haben: Die Auswuchtung der Rotationsscheibe muss besser sein damit sich weniger Vibrationen ergeben.
Die Laserfläche könnte kleiner sein damit sich der Rotationswinkel besser bestimmen lässt.
Die Rotationsgeschwindigkeit muss mit einer höheren Auflösung gemessen werden.
All das könnte die Messgenauigkeit erhöhen.

Ferner ist für lange Belichtungszeiten der Brushlessmotor zu schnell, langsamer als mit 35 U/sec lässt er sich nicht ansteuern. Also müsste man für längere Belichtungszeiten einen Stepper nehmen.


Hier mal ein Bild, aufgenommen mit einer nominellen Zeit von 1/60sec bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 36 U/sec.
Daraus ergibt sich dann eine reale Belichtungszeit von ca. 1/65 sec.


Vielleich inspiriert das ja jemanden es besser zu bauen. Also, fröhliches Löten.

_DSC0166.jpg
 
So lange die Verschlusszeit im Vergleich zur Synchronzeit relativ groß ist oder ein GS/IT Sensor zum Einsatz kommt funktioniert das, ansonsten wird die Scheibe mehr und mehr durch den Verschlussablauf aka. rolling shutter verzerrt.

Eine weitere Methode wäre, einen Laser auf den Sensor zu scheinen und die Reflexion zu messen. Damit erhält man exakt der Ablaufzeit des Verschlusses und bei den meisten Kameras auch der Belichtungszeit.
 
Eine weitere Methode wäre, einen Laser auf den Sensor zu scheinen und die Reflexion zu messen. Damit erhält man exakt der Ablaufzeit des Verschlusses und bei den meisten Kameras auch der Belichtungszeit.

ich habe mal irgendwo gelesen das ein Laser den Sensor killen kann.
Mir wäre diese Methode zu riskant.:eek:

LG
 
Danke für eure Antworten.
Für sehr kurze Zeiten wird es natürlich unmöglich, große Rotationswinkel zu beschreiben.
Überschlag: bei eine 1/8000sec bräuchte man 1000U/sec oder 60.000 U/min für einen Rotationswinkel von Pi/4.
Coptermotoren drehen aber 'nur' ca. 2000 U/Minute Pro Volt, mein verwendeter bis 24.000 U/min.

Wie die sich die Verzerrungen durch Rolling-Shutter ergeben wäre ja auch mal interessant. Vielleicht mach ich es ohne Laser mit einem Gitter oder Raster auf der Drehscheibe.

In dem Thread https://www.dslr-forum.de/showthread.php?t=2066689 hatte ich den Vorschlag gemacht, Belichtungszeiten zu prüfen. Dabei ging es nicht um absolute Zeiten sondern um vereinzelte Abweichungen von ca. einem halben Lichtwert. Eine solche Abweichung würde mit dem Versuchsaufbau deutlich angezeigt werden.

Eine direkte Messung des Verschlusses über einen Laser wäre schaltungstechnisch erheblich aufwendiger. Ich gehe davon aus, dass man einen Empfänger mit regelbarer Verstärkung benötigt um die diffuse Reflektion von der gerichteten des Sensor zu differenzieren. So etwas ähnliches hab ich schon mal gebaut, besitze es aber nicht mehr.
Ach ja, die Leistung des verwendeten Lasers. Diese ist so gering, dass man den Laserpunkt bei normalem Tageslicht in zwei Metern Entfernung nicht mehr sieht.
Also, nochmal danke für die Anregungen.
 
Wenn der Laser in festem Rhythmus (z.B. 5 ms) an-/ausgeschaltet wird, könnte man die Belichtungszeit auszählen. Idealerweise sollte der Laser dazu weiter außen auf der Scheibe sitzen (längere Strecke).

Zur Verdeutlichung ist im Anhang ein Bild (mein eigenes!) von einem Pendel mit einem Multicolor-Flashlight am Ende. Durch die Pendelbewegung ist das Blinken in den verschiedenen Farben erkennbar. Die Geschwindigkeitsänderung (Mitte hoch, rechts/oben und links/unten langsam) sieht man auch sehr schön.

Gruß
JOPirx
 

Anhänge

Für sehr kurze Zeiten wird es natürlich unmöglich, große Rotationswinkel zu beschreiben.
Die Methode funktioniert für Schlitzverschluss-Kameras eh nur bei relativ langsamen Zeiten. Schon ab geschätzt 1/50 Sekunde wird der Zeitversatz zwischen erstem und zweitem Verschlussvorhang zum Unsicherheitsfaktor (also das Ergebnis hängt dann davon ab, ob die Laserdiode zu Beginn und Ende der Belichtung gerade zufällig weiter oben oder weiter unten im Bild steht).
Die effektive Gesamtbelichtung eines Schlitzverschlusses auch bei kurzen Zeiten genau zu messen stelle ich mir ziemlich schwierig vor.

Was aber mit rotierener Scheibe gut möglich wäre, ist die Messung der Blitzdauer. Statt einer selbstleuchtenden Laserdiode müsste man dazu irgendein passives Reflexdings haben. Oder noch besser eine rotierende Scheibe mit Loch.
Das Spannende daran wäre, dass man nicht nur die Leuchtdauer als Kreissegment sehen könnte, sondern auch einen eventuellen Verlauf (allmählich schwächer werdendes Licht bei einfachen Studioblitzen). Im Idealfall könnte man sogar t=0,5 und t=0,1 bestimmen.
 
Die Methode funktioniert für Schlitzverschluss-Kameras eh nur bei relativ langsamen Zeiten. Schon ab geschätzt 1/50 Sekunde wird der Zeitversatz zwischen erstem und zweitem Verschlussvorhang zum Unsicherheitsfaktor (also das Ergebnis hängt dann davon ab, ob die Laserdiode zu Beginn und Ende der Belichtung gerade zufällig weiter oben oder weiter unten im Bild steht).
Bei den paar Versuchen die ich auch mit 1/250 sec. und höherer Drehzahl gemacht hatte, war der Winkel ziemlich konstant. Auch ließe sich die Kamera über den Arduino auslösen und so einigermaßen sicherstellen, dass die Position des Lasers im Bild annähernd gleich bleibt. Idealerweise Anfangs- und Endpunkt auf einer horizontalen Linie.
Mehr versuche hab ich nicht gemacht, bei einer zu hohen Drehzahl ist es mir um die Ohren geflogen.


Die effektive Gesamtbelichtung eines Schlitzverschlusses auch bei kurzen Zeiten genau zu messen stelle ich mir ziemlich schwierig vor.
Ich auch :)

Was aber mit rotierener Scheibe gut möglich wäre, ist die Messung der Blitzdauer. Statt einer selbstleuchtenden Laserdiode müsste man dazu irgendein passives Reflexdings haben. Oder noch besser eine rotierende Scheibe mit Loch.
Das Spannende daran wäre, dass man nicht nur die Leuchtdauer als Kreissegment sehen könnte, sondern auch einen eventuellen Verlauf (allmählich schwächer werdendes Licht bei einfachen Studioblitzen). Im Idealfall könnte man sogar t=0,5 und t=0,1 bestimmen.
Gute Idee! Bei einer Leuchtdauer des Blitzes von 1/300sec bräuchte man ca. 20000U/min für einen Vollkreis. Das passt. Und eine CD als Scheibe bei der man nur den Lack abkratzt ist auch einfacher zu wuchten.
 
Wenn der Laser in festem Rhythmus (z.B. 5 ms) an-/ausgeschaltet wird, könnte man die Belichtungszeit auszählen. Idealerweise sollte der Laser dazu weiter außen auf der Scheibe sitzen (längere Strecke).
Den Laser zu modulieren ist gut, 5ms jedoch deutlich zu langsam da selbst bei längeren Belichtungszeiten die Auflösung zu gering wäre. Das ist aber kein Hindernis.
 
Man könnte auch über die Lichtintensität die Belichtung bestimmen. Allerdings weiß man nicht wie linear die Kamera dies ausgibt. So z.B. bei einer Sekunde Belichtung im Dunkeln die LED für 100ms anschalten (am besten auf einer Streuscheibe die gleichmäßig leuchtet), so dass die vollen 100ms im Bild zu sehen sind. Es solle dann eine Helligkeit von ca. 80% eingestellt werden. Dann mit gleicher Helligkeit die LED leuchten lassen und kürzere Zeiten als die 100ms belichten. Dann kann man auf die Belichtungszeit zurückrechnen.

Vorteil: Kein komplizierter Aufbau.
Nachteil: Indirekter Rückschluss auf die Belichtungszeit.

Technisch finde ich das ja interessant, ich frag mich allerdings wozu man das bei der Fotografie braucht. Wenn es zu dunkel ist, belichte ich einfach länger.
 
Man könnte auch über die Lichtintensität die Belichtung bestimmen. Allerdings weiß man nicht wie linear die Kamera dies ausgibt. So z.B. bei einer Sekunde Belichtung im Dunkeln die LED für 100ms anschalten (am besten auf einer Streuscheibe die gleichmäßig leuchtet), so dass die vollen 100ms im Bild zu sehen sind. Es solle dann eine Helligkeit von ca. 80% eingestellt werden. Dann mit gleicher Helligkeit die LED leuchten lassen und kürzere Zeiten als die 100ms belichten. Dann kann man auf die Belichtungszeit zurückrechnen.

Vorteil: Kein komplizierter Aufbau.
Nachteil: Indirekter Rückschluss auf die Belichtungszeit.
So ganz habe ich nicht verstanden, wie von anderer Leuchtdauer der LED`s auf die Belichtungszeit geschlossen werden kann.

Technisch finde ich das ja interessant, ich frag mich allerdings wozu man das bei der Fotografie braucht. Wenn es zu dunkel ist, belichte ich einfach länger.
In der normalen Fotografie intessiert es sicher nicht, weiter oben habe ich einen Thread verlinkt, bei dem die Ursache von Belichtungsschwankungen nicht gefunden wurde. Mit der oben angegebenen Drehscheibe könnte man die Konstanz überprüfen.
 
Also Du machst ein Bild mit einer langen Belichtungszeit. Beispielsweise 1s. In der Zeit mitten drin lässt Du eine Leuchtdiode für eine definierte Zeit von beispielsweise 100ms leuchten. So kannst Du sicher sein, dass die 100ms auf das Bild gebannt werden. Am besten wäre hierfür eine homogen leuchtende Fläche.

Die LED sollte so hell leuchten, dass man möglichst ca. 80% Helligkeit im Bild hat. Daher einen "Grauwert von ca. 200 von 256 Stufen.

Angenommen in der Fläche hast Du dann eine mittlere Helligkeit von 205/256 gemessen, so entspricht die 205 nun 100ms. Das ist Deine Referenz.

Nun lässt Du die LED mit gleicher Helligkeit dauerhaft leuchten und machst ein Bild mit beispielsweise nominell 1/15 s (= 66.7ms). Nun sollte die gleiche Fläche theoretisch eine Helligekeit von 205/100ms*66.7ms = 137 haben.

Im Umkehrschluss, wenn Dein Bild nun eine Helligkeit von Beispielsweise 145 hat, dann ist die Belichtungszeit nun 100ms/205*145 = 71ms.

Nachteil der Methode ist, dass Du sicher gehen musst, dass die Kamera die Helligkeit linear ausgibt. Also am besten RAW-Daten auswerten und keine JPEGs.

Du musst darauf achten dass keine Pixel in die Nähe der Sättigung kommen. Und zwar bei allen Farben. Sonst kommt es zu Sensoreffekten, so dass diese Methode nicht mehr funktioniert. Daher auch die 80% Maximalhelligkeit (80% full well capacity).
 
Eine weitere Möglichkeit für Zeiten deutlich unter Synchron:
Zweimal wird eine Fläche für sehr kurze Zeit in genau definiertem Zeitabstand während der Aufname eines einzigen Bildes beleuchtet, entweder eine schnelle LED oder zwei Blitze mit kurzer Abbrenndauer reichen dafür. Das resultiert in einem schwarzen Bild mit zwei Lichtstreifen darin. Aus Abstand und Breite der Beiden kann die Belichtungszeit errechnet werden.

Kombiniert mit einem Bild einer sehr homogen ausgeleuchteten Fläche bei selber (oder zumindest ähnlicher) Verschlusszeit kann über die lokale Helligkeit im Bild grob auf die Gleichmässigkeit der gemessenen Zeit über die gesamte Bildhöhe geschlossen werden.
 
@brontes
Ein Nachteil der Methode ist aber wohl, dass für verschiedene Belichtungszeiten ein jeweils neuer Referenzwert erstellt werden muss, weil ansonsten die Messauflösung zu gering wäre. Bei den genannten Zahlenbeispielen wäre das Bild ab einer 1/1000sec schwarz. Zur absoluten Messung der Zeit ist das meiner Meinung nach nicht genau genug.

@Daniel71
Einen ähnlichen Weg werde ich mit den mir zur Verfügung stehenden Mitteln ausprobieren. Mehr dazu wenn es klappt.
 
@brontes
Ein Nachteil der Methode ist aber wohl, dass für verschiedene Belichtungszeiten ein jeweils neuer Referenzwert erstellt werden muss, weil ansonsten die Messauflösung zu gering wäre. ....
Das Stimmt. Da Du sowieso mit dem Arduino das Bild auslöst, kannst Du das ja automatisieren. Der Aufwand im Vergleich zu den Bewegtteilen ist aber trotzdem deutlich kleiner. Allerdings hast Du ja schon den Drehteller.
 
@brontes:
Ich könnte mir vorstellen, auf diese Weise eine Belichtungszeit als Referenz zu ermitteln.
Die Beleuchtungsstärke der fotografierten Fläche dann ebenfalls Referenz.
Wenn jetzt die Belichtungszeit verkürzt wird, dann wird die Beleuchtungsstärke der Referenzfläche soweit erhöht, dass die Helligkeit im Foto so ist wie in der Referenz. Das Verhältnis der Beleuchtungstärken ergibt dann das Verhältnis der Belichtungszeiten.

Die Beleuchtungsstärken kann man ziemlich genau messen, das Ergebnis ist unabhängig von der Linearität und die Auflösung der Messung ist für alle Zeiten gleich.
 
Das ist ein guter Ansatz. Damit umgeht man das was die Kamera-Firmware noch in die Daten reininterpretiert. Dafür bedarf es dann allerdings eine Belichtungsreihe mit etlichen Fotos.

Man sollte dies dann auch mit offenblende oder am besten ganz manuellem Objektiv machen. Es könnten sich auch noch Unterschiede bei der Blendenöffung ergeben und damit zu kleinen Helligkeitsänderungen. Alternativ das Objektiv ganz weg lassen und die LED direkt auf den Sensor leuchten lassen.
 
Damit habe ich mich auch schon beschäftigt. Im Prinzip braucht man eine Zeitmessung die vertrauenswürdiger ist als die Zeiteinstellung einer Kamera.
Ein Microcontroller ist gut, muss aber auch kalibriert werden. Ein Arduino nano hat z.B. keinen Quarz und ist nicht temperaturstabil. . .usw.
Eine Kamera kann Belichtungszeiten von z.B. 1/8000 s bis 30 s. Das ist ein Faktor von 240 000. Da braucht man vielleicht verschiedene Techniken; eine Technik für kurze und eine andere für lange Belichtungszeiten. Ähnlich wie JOPirx habe ich ein blinkendes Pendel verwendet. So was habe ich vor vielleicht 50 Jahren mal in einem Jugend forscht-Beitrag gelesen. Ich habe mir ein Pendel aus einem dünnen Kabel, einem Gewicht von 10 - 20 g und einer LED gebaut. Zur LED habe ich antiparallel eine Diode gelötet und dann die LED mit einem geeigneten Vorwiderstand an einem Klingeltrafo mit Wechselstrom betrieben. Damit habe ich Lichtblitze mit 50 Hz generiert und mich dabei auf die Konstanz des Stromnetzes verlassen (mein Zeitstandard). Durch Erhöhung des Gewichtes am Pendel, Hinzufügen eines Wattebausches etc. kann man die Dämpfung des Pendels passend machen. Pendel an die Decke hängen und anstupsen. Kamera darunter und im verdunkelten Raum Bilder machen.
Fokus, Blende, ISO-Zahl, Pendelschwung, Dämpfung usw. optimeren.
Dann die Lichtblitze auf den jeweiligen Bildern zählen. Die Software ImageJ hat mir die Blitze gezählt. Anbei ein Bild mit 4s und eines mit 30 s Belichtungszeit.
Gruß, Peter
 

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Auch `ne gut Idee, das Netz als Zeitkonstante zu nehmen. Leider nur für Zeiten > 1/10 sek, sonst wird die Messauflösung zu ungenau.
Und die Auswertung mit ImageJ finde ich auch klasse. (y)
Ich hatte das auch mal in Eclipse eingebunden, muss ich wohl mal wieder aktivieren.
 
Das Prinzip ist eigentlich ziemlich genial.
Wenn beide Halbwellen gleichgerichtet werden, hat man schon 100Hz.
Und mit Signalgenerator und nem Transistor etc. Kannst du dir die Frequenz dann sogar einstellen.

Grüße
Florian
 
Hier noch ein paar generelle Gedanken, vielleicht führen sie zu einer Lösung für kurze Belichtungszeiten.
Klar kann ich meine LED am Pendel mit einem Brückengleichrichter an Wechselstrom betreiben.
Dann habe ich 100 Lichtblitze pro Sekunde, aber nicht so schön getrennt.
Man kann die LED auch mit einem Mikrocontroller ansteuern, dann geht es viel schneller.
Man sollte dann auch das Pendel kürzen, um es schneller zu machen. Aber so viel weiter in den schnellen Bereich bringt uns das auch nicht.
Ich befürchte, das bringt einen neuen Satz Probleme. Aber bitte gerne mal testen.

Gut wäre wohl durchaus eine Lichtquelle, die sich bewegt und schnell blinkt.
Das schnelle Blinken lässt sich machen, aber nicht das Kalibrieren vergessen.
Das Vertrauen in die konstante Blinkgeschwindigkeit muss halt deutlich grösser sein, als das Vertrauen in das Timing der zu testenden Kamera.
Zur Bewegung:
eine lineare gerade Bewegung führt die Lichtquelle schnell außerhalb des Bildes der Kamera.
Bei einer Kreisbewegung ist die Lichtquelle auch schnell am Ende bzw. wieder am Anfang des Kreises.
Deshalb sollte man dazu in die Fläche gehen. Ich glaube, mal etwas über eine blinkende LED-Matrix gelesen zu haben.
Also wie wäre es, ein beliebiges Display mit einzeln anzusteuernden Lichtpunkten an einem Arduino oder Raspberry zu betreiben.
Dann ein Pixel kurz aufleuchten lassen, dann das nächste in der Reihe, usw.
Wenn das Ende der Reihe erreicht ist, vorne in der nächsten Zeile weitermachen.
Dann dieses Display mit einer kurzen Belichtungszeit abfotografieren und die beleuchteten Pixel im Bild irgendwie zählen/ausmessen.
Wenn man die Kamera mit demselben Mikrocontroller auslöst, kann man noch Information über die Auslöseverzögerung gewinnen.
Weitere Vorschläge, Ideen?
Gruß, Peter
 
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