ArnoShutter

Project Omschrijving

ArnoShutter is de naam van een zelfbouwsluiter. Voor de fotografie van kleine bewegende objecten, is er behoefte aan een sluiter met een zéér korte reactie en openingstijd. De conventionele sluiters op de huidige digitale fotocamera's hebben voor dit soort fotografie nog altijd een te trage reactietijd - de z.g.n. sluitervertraging (eng : shutterlag). Dit is de tijd die verloopt tussen het ogenblik dat men op de ontspanknop drukt, of deze via een extern signaal electronisch aanstuurt, en het ogenblik dat de sluiter daadwerkelijk opent. Deze vertraging is het meest uitgesproken bij DSLR (Digitale Single Lens Reflex camera) reflextoestellen daar het omklappen van de spiegel voor een extra vertraging zorgt. De openingstijd van deze sluiters is meestal voldoende kort in te stellen. Om deze reactietijd (eng : shutterlag) te verminderen is de meest voor de hand liggende oplossing het toevoegen van een externe sluiter en de inwendige camerasluiter enkel te gebruiken als overlappende sluiter welke enige tijd vóór de externe sluiter opengaat, en ook later sluit. Deze tijd kan gerust enige seconden bedragen terwijl de externe sluiter slechts enige msec actief is. Op het ogenblik dat de externe sluiter volledig openstaat wordt een electronische flits aangestuurd. De duur van deze flits moet zéér kort zijn, bijvoorkeur < 1/20.000 seconde, om een scherpe foto te kunnen maken. De aansturing van deze externe sluiter en flash, alsook de detectie van het bewegende object, wordt geregeld door de ArnoSync electronica. Dit is eveneens een zelfbouwproject op basis van een PIC 12F675 microcontroller. De uitdaging bestond er dus in een zelfbouwsluiter te realiseren welke voldoende snel reageert en ook een korte openingstijd bezit. Reactietijden van ca. 5 msec en dito openingstijden waren mijn target. Tevens moest deze sluiter met normaal in de handel verkrijgbare onderdelen kunnen gebouwd worden en dit met vrij conventionele tools die bij elke doe-het-zelver beschikbaar zijn. Enkel voor de optimalisatie van de reactie en openingstijden heb ik gebruik gemaakt van een Osciloscoop, een USB Picoscope 2204 van PICO Technology. De totale kostprijs van de onderdelen voor de bouw van deze externe sluiter bedragen enkele Euro. Het spreekt vanzelf dat de totale kost van dit project deze prijs overtreft daar telkens nieuwe en andere concepten geevalueerd werden tot er een redelijk bedrijfzeker en goed werkend exemplaar uit de bus kwam. De totale kost ligt echter vele malen lager dan de aankoop van een professionele sluiter die dan ook nog een aangepaste aansturing vereist. Deze commerciële sluiters worden vooral gebruikt voor het moduleren of doseren van laserstralen.

Evolutie

In 2010 heb ik dit project opgestart. Aanvankelijk gebruikte ik een spreekspoel van een conventionele 3.5 inch harddisk als electromagneet. Deze sluiterversie was zéér robust en betrouwbaar maar eigenlijk iets te traag en te zwaar. Verder werd het steeds moeilijker om geschikte spreekspoelen op de kop te tikken. Dan heb ik maar besloten zelf een sluitersysteem te ontwerpen maar volgens een totaal ander concept. Het moest opgebouwd kunnen worden met onderdelen die vlot te verkrijgen waren en gemakkelijk te bewerken zijn. Het moeilijkste gedeelte van dit project was het wikkelen en afwerken van de kleine spoel met koperdraad van 0.3 mm, en dit hoofdzakelijk wegens mijn véél te grote handen ! Ook de ogen van ondergetekende (ondertussen 70 jaar oud) zijn niet meer deze van een twintiger. Voor het wikkelen van de spoel gebruikte ik een electrische handboormachine bij laag toerental waarbij de spoelkern op een schroefstang werd geklemd. Deze schroefstang werd dan op dezelfde wijze in de boorkop geklemd als een gewone boor.

De werking van het electronisch sluitersysteem is zéér eenvoudig ...

Plaats een kleine, en vooral zéér lichte permanente magneet, in de buurt van een spoel en stuur deze spoel aan met een stroomimpuls van zéér korte duur. De polarisatie van de permanente magneet (of de stroomrichting door de spoel) wordt zodanig gekozen dat deze door het geproduceerde kortstondige magneetveld van de spoel afgestoten wordt. In rusttoestand blijft deze permanente magneet aan de ijzeren kern van de spoel kleven. Het afstoten gebeurt in een zéér korte tijd (< 5 msec) en aldus ook met zéér weinig electrische energie. Het terugkeren van het beweegbare anker naar zijn (afgesloten sluiter) rustpositie gebeurt d.m.v. een stootblokje in rubber welke dienst doet als catapult. Hiervoor gebruik ik stootblokjes met een diameter van ca. 6 mm welke ook gebruikt worden als zgn. apparatenvoetjes. Deze zelfklevende stootblokjes vond ik o.a. bij Aldi (éénmalig Tartan = 3M Bumpon's), Wibra en Velleman. Ik heb ook proeven gedaan met 'actieve methodes' om het anker snel terug te doen keren naar zijn rustpositie. Hierbij gebruikte ik o.a. ook een permanente magneet met tegenveld (afstotend) als magnetische bumper. Ook heb ik proeven gedaan met een tweede spoel - plus dito aansturing - om het anker zo snel mogelijk terug naar zijn rustpositie te sturen. Helaas was hiervoor ook een kritische timing en dito constructie nodig. Achteraf bekeken was de snelheidswinst miniem zodat ik momenteel nog steeds een passieve stootbumper gebruik. Wat wel nog enige msec winst opleverde was het aansturen van twee ankers met één spoel welke ieder de helft van de weg afleggen, immers de tijden worden dan (theoretish) gehalveerd. De constructie van een dergelijke uitvoering is echter complexer en heeft ook nadelen. Omdat de twee ankers elkaar best iets overlappen om een perfecte lichtafsluiting te bekomen is de af te leggen weg weeral iets meer. Ook is deze uitvoering duidelijk luidruchtiger wat niet direct ideaal is voor macro opnames.

Realisatie

De sluiter zelf bestaat uit een minimum aantal onderdelen. Voor de behuizing van het prototype werd gekozen voor een 80 mm kunststof HWA (hemelwaterafvoer) afsluitdeksel van de fa. Martens. Deze deksels zijn leverbaar in 80 mm, 70 mm en 60 mm diameter. Het deksel van 70 mm geniet momenteel mijn vookeur. In dit deksel werd in het center een gat geboord welke dus dienst doet als effectieve sluiteropening. Verder werden in de rand van het deksel drie bevestigingsgaten onder een hoek van 120 graden geboord. Hierin werd een schroefdraad van 4 mm getrokken. Daarin komen 3 zeskantige 25 mm lange kunststofschroeven met 4 mm schroefdraad. Op deze wijze kan de sluiterbehuizing mooi gecentreerd bevestigd worden op het gekozen objectief. Ik heb ook reeds een paar versies gemaakt waar de sluiter gemonteerd werd op een conventionele 52 en 58 mm lenskap. Alhoewel deze oplossing zéér elegant is, en vooral zéér gemakkelijk op het objectief te bevestigen is, verkies ik toch de robustere 70 mm kunststof HWA behuizing, temeer daar ze ook op verschillende objectieven van 52 tot 58 mm past. De eigenlijke sluiter bestaat uit een plaatje van zwart polycarbonaat (of carbon) met een dikte van 0.25 mm (250 micron) met hieraan bevestigd (gekleefd) een schijfje met een diameter van 20 mm welke aldus de sluiteropening van 18 mm volledig afdekt. Op deze drager van polycarbonaat (of carbon) wordt een kleine permanente neodymium magneet gekleefd. De polarisatie van de permanente magneet op de drager is zodanig dat het anker afgestoten wordt wanneer er een stroompuls door de sluiterspoel word gestuurd. De duur van deze stroompuls (4 msec) is echter niet kritisch daar de condensator welke de spanning levert reeds na ca. 1 msec ontladen is. Wel moet het ogenblik voor het aansturen van de electronische flitser zéér nauwkeurig ingesteld worden. De huidige vertraging bedraagt momenteel 5 msec en is afhankelijk van de reactietijd van de sluiter. Met behulp van een oscilloscoop en een aangepaste lichtbron met een zonnecel (solarcel) als detector kan deze eenvoudig bepaald worden. Direct na het bereiken van de maximale opening van de sluiter wordt de externe flitser aangestuurd en de foto genomen. Deze flits is noodzakelijk want de openingstijd van deze zelfbouwsluiter is uiteraard nog véél te lang om bewegende voorwerpen te "bevriezen". Ook is de belichting niet homogeen daar de sluiter slechts vanuit één richting wordt aangestuurd.

Optimalisatie

Met de huidige versie heb ik in de loop van het voorbije jaar 2012 probleemloos kunnen werken. Ik gebruikte dit type sluiter zowel op mijn Nikon D50 (16 mm versie) als op mijn Olympus XZ-1 (18 mm versie) camera. Niettegenstaande de zéér eenvoudige opbouw en het ontbreken van hoge precisie onderdelen zijn de resultaten zéér bevredigend. Door het gebruik van superlichte materiaal zoals polycarbonaat (of carbon) zijn de aanspreektijden behoorlijk kort en in ieder geval bruikbaar voor mijn toepassing. Aangezien ik voor het schijfje welke de sluiteropening afsluit, nu eveneens zwart polycarbonaat gebruik, welke eigenlijk niet 100 procent het licht versperd, wens ik dit in de toekomst nog te vervangen door een geschikter materiaal. Hierbij denk ik aan een of ander superlicht en sterk materiaal zoals : Polyester (Mylar van DuPont), of composiet materialen zoals glasvezel, koolstofvezel (Carbon) of aramide (Kevlar van DuPont). Het aankopen van deze materialen in hun gebruikelijke hoeveelheden of afmetingen is echter geen optie, zodat ik meestal afhankelijk ben van al of niet gratis stalen. Het plaatsen of vervangen van de sluiter op het objectief duurt slechts enige seconden. Ik heb trouwens steeds een reserve exemplaar van deze sluiter bij de hand zodat een reparatie in het veld niet nodig is. De meeste onderdelen van de sluiter worden aan elkaar bevestigd d.m.v. conventionele dubbelzijdige Tesa montageband. Het lichtdicht afsluiten van de sluiteropening valt in de praktijk erg goed mee. Door de relatief lange openingstijd van de hoofdsluiter op de camera moet dit wel binnen de perken worden gehouden. De kleine diafragmaopening maakt hier echter véél goed. Voor nachtopnames is dit helemaal geen probleem. Uiteindelijk zijn het de fotografische resultaten die tellen en eventueel strooilicht of vignettering kan meestal door croppen en eventuele nabewerking worden weggewerkt.

Toekomst

Een externe sluiter voor het fotograferen van snel bewegende objecten zal wellicht in de toekomst grotendeels overbodig worden. Het enige wat eigenlijk ontbreekt is een aangepaste firmware waardoor een extern sluitersignaal op de zgn. remote ingang van de camera de sluiter sneller doet reageren (< 10 msec). De huidige systeemcamera's zonder opklappende spiegel, bezitten hier de beste troeven. Sommige oudere en ook recente camera's kunnen zelfs automatisch een opname starten wanneer een object in focus komt. Een dergelijke optie - beter bekend onder de naam Focus-Trap of Catch-in-Focus (CIF) bestaat reeds geruime tijd in het menu bij de Pentax K-series camera's. Ook Canon heeft de "Shooting Upon Focus" optie reeds geruime tijd ingebouwd bij de Canon EOS 1D Mark II via de P-Fn 16 functie. Deze optie is bij andere merken o.a. bij Nikon ook bekend onder de naam Focus-Trap of Trap-Focus maar is niet rechtstreeks in het menu opgenomen maar instelbaar via het persoonlijk instelmenu. Hiervoor stelt men volgende items zo in : Autofocus op AF-S, AF area op Single, en de AE-L/AF-L knop op AF-ON. Deze AE-L/AF-L knop regelt dan de focus i.p.v. de halfingedrukte ontspanknop. De camera neemt vanaf dan automatisch een foto wanneer de ontspanknop volledig ingedrukt blijft en het object in focus komt. Momenteel is de reactietijd nog iets te traag maar dit kan in de toekomst snel veranderen. Wellicht zal een externe sluiter voor bepaalde toepassingen nog steeds nodig zijn maar het grootste deel van b.v. mijn recente macro opnames zie ik in de toekomst wellicht ook mogelijk met een aangepaste firmware in de camera. Het CHDK project op Canon Powershot camera's bewijst dat het ook kan zonder medewerking van de constructeur indien de firmware sources beschikbaar zijn. Wordt zeker vervolgd ...

Specificaties van het Prototype - status november 2012

Openingstijd (volledig open) : 5 msec

Sluitingstijd (volledig gesloten) : 5 msec

Sluiteropening : 16 mm voor Nikon D50 - 18 mm voor Olympus XZ-1 camera

Sluiterbehuizing : 80 / 70 mm HWA deksel in PVC of een geschikte 52 mm or 58 mm lenskap

Afmetingen spoel : 20 mm X 15 mm X 10 mm

Afmetingen ijzeren kern : 20 mm X 7 mm X 2 mm
Materiaal sluiterblad : Sabic FR25A Polycarbonate Lexan folie met een dikte van 0.25 mm

Permanente magneet : Neodymium (NdFeB) blokmagneet 7 mm X 6 mm X 1.2 mm

Spoelweerstand : (350 windingen met 0.3 mm koperdraad) ca. 4 ohm

Werkspanning (via 5 Volt DC/DC omvormer) : 24 tot 30 volt DC ontlading vanaf 1000 uF

Aansturing : IRF540N Hexfet

Aantal sluitercyclussen met een volgeladen 4 X AA batterijset : > 2000
Verwachte levensduur : > 20.000 operaties
Geluidsniveau bij werking : ongeveer zoals het typen van een character op een toesenbord

Totaal gewicht : 40 gram

Totale kost van de componenten : ca. 8 Euro

Project Summary in English

About the ArnoShutter

This is the prototype of my DIY shutter system to take strobed macrophoto’s in combination with my ArnoSync controller. The shutter concept is very simple : a single solenoid winded on a suitable ferro kernel and embedded in a resin with the size and shape of a sugar cube. A light weight armature cut out of a piece of 0.25 mm (250 micron) thick polycarbonate and a suitable Neodymium (NdFeB) magnet forms the heart of the shutter. My previous DIY shutter anno 2010, was built around a voicecoil of an old 3.5 inch harddisk. Both shutter systems have about the same response times but this version is much more lighter and simpler to build. Finding (enough) suitable harddisk servo systems to experiment is not always easy. A typical shutterlag of 5 msec to full open, and another 5 msec to be fully closed can be achieved. The shutter armature is cut from a piece of polycarbonate or equivalent material. I did also tests with several other materials such as 0.10 mm thick aluminum striped from a beercan or plastic material used in the food-package industry. Also some blister package material from electronic devices are usable, but then some parts must be painted in black to make it opaque. Until now the shutter system in the field uses black 0.25 mm (250 micron) polycarbonate material from Sabic- Lexan FR25A. It has shown the best overall specs in terms of weight, strength and durability. Building a double armature version with a single coil or a double coil version with a single armature are possible alternatives to be investigated. This may help to shorten the shutter lag and close times which is a must for this kind of macrophotography. This is of course an ideal job for the coming winter. This DIY shutter system keeps me busy as a retired engineer and the experiments brings my a lot of fun. Unfortunatly my big hands and dito fingers are sometimes a big handycap to work with this very smal parts. In the good old day’s (seventies) when dinausurus where speeking, I developed a simular application for an electronic jacquard card cutting machine, so it nice to play with permanent magnets again.

Specifications of Prototype - status november 2012

Shuttertime to fully Open : 5 msec

Shuttertime to fully Close : 5 msec

Shutter aperture Opening : 16 mm for Nikon D50 - 18 mm for Olympus XZ-1 camera

Shutter housing : 80 / 70 mm Waterpipe cover in PVC or a suitable 52 mm or 58 mm lenscap

Solenoid dimensions : 20 mm X 15 mm X 10 mm

Dimensions FE Core : 20 mm X 7 mm X 2 mm
Shutter blade material : Sabic FR25A Polycarbonate Lexan foil with a thickness of 0.25 mm

Permanent magnet : Neodymium (NdFeB) blokmagneet 7 mm X 6 mm X 1.2 mm

Coil resistance (350 windings of 0.3 mm copperwire) : ca. 4 ohm

Operation voltage (via 5 Volt DC/DC converter) : 24 tot 30 volt DC op 1000 uF

Driver : IRF540N Hexfet

Number of shutter operations with one 4 X AA batterij set : > 2000 operations
Exspected shutter lifetime : > 20.000 operations
Produced operation noise : moderate – sounds like typing a character on a keyboard

Total weight : 40 gram

Total component cost : ca. 8 Euro (10 dollar)