Belichtungsmesser für photographische Zwecke
Die Erfindung betrifft einen Belichtungsmesser für photographische Zwecke, insbesondere für die Messung von Blitzbeleuchtung. Es ist bei Belichtungsi messern bekannt, das Zeitintegral eines auf eine Photozelle fallenden Lichtstromes zu messen. Bekannte Belichtungsmesser dieser Art sind jedoch verhältnismässig kompliziert und teuer.
Der Erfindung liegt Idie Aufgabe zugrunde, einen Belichtungsmesser der ! erwähnten Art zu schaffen, welcher in seiner Konstruktion sehr robust und einfach ist und ein handliches leicht mitzuführendes Gerät bildet.
Erfindungsgemäss wird zu diesem Zweck von dem Photozellenstrom ein Kondensator aufgeladen und es sind elektronische Mittel zur leistungslosen Messung der am Kondensator abfallenden Spannung vorgesehen. Die Kondensatorspannung ist ein Mass für das Zeitintegral des Photozelienstromes und damit des auf die Photozelle fallenden Lichtstromes. Diese Spannung wird dann elektronisch leistungslos gemessen, ohne dass die Kondensatorspannung durch die Messvorrichtung verfälscht wird. Zweckmässig ist es dabei, wenn die Kondensatorspannung am m Steuer- gitter einer Elektrometerröhre anliegt. Unter einer Elektrometerröhre versteht man dabei bekanntlich eine Röhre mit extrem hohem Eingangswiderstand, z.
B. in der Grössenordnung von 10t2 Ohm, die eine praktisch leistungslose Steuerung gestattet. Dann kann die Anodenspannung der Elektrometerröhre einem Röhrenvoltmeter zugeführt werden.
Bei einer solchen relativ einfachen Schaltanordnung kann man, wie sich herausgestellt hat, einwandfreie Belichtungsmeslsungen durchführen und man erhält ein auch im Dauerbetrieb brauchbares Gerät.
Es kommt natürlich darauf an, dass die einzelnen Schaltelemente des Messkreises richtig dimensioniert sind. Bei einem praktisch erprobten Ausführungsbei spiel war die Anordnung so getroffen, dass der Gitterableitwiderstand der Elektrometerröhre vom Isolations widerstand d des Kondensators gebildet wird und der Kondensator so bemessen ist, dass die durch den Gitterstrom der Elektrometerröhre bewirkte Änderung der Kondensatorspannung klein gegen die Spannung ist, auf welcher der Kondensator von dem Photozellenstrom aufgeladen wird. Man hatte dabei , den Kondensator ferner so bemeslsen, dass er mit seinem Isolationswiderstand eine Zeitkonstante von wenigstens mehreren Sekunden besitzt.
Die Kondensatorspannung soll sich ja wenigstens so lange halten, dass die Ablesung des Messwertes in Ruhe erfolgen kann.
Anderseits ist es erforderlich, dass der Kondensator von den Photozellenströmen bei üblichen Lichtstromwerten auf eine Spannung aufgeladen wird, die gross gegen den Störspannungspegel ist. Man darf also den Kondensator nicht beliebig gross machen.
Um bei relativ noch grosser Kapazität Ides Kondensators doch eine ausreichend hohe Spannung am Kondensator zu erhalten, ist es bekannt, die Ladespannung, mit welcher der Kondensator aufgeladen wird, bei gegebenen Lichtströmen möglichst gross zu machen. Diese Ladespannung sollte gross sein gegen die zur Aus steuerung der Elektrometerröhre ferfonder- liche Spannung. Diese Bemessung gestattet die Verwendung relativ grosser Kapazitäten. Zweckmässig ist es, wenn der Kondensator an einem Arbeitswiderstand anliegt, der mit der als Vakuum-Photozelle ausgebildeten Photozelle in Reihe geschaltet und so hochohmig ausgebildet ist, dass der Photozellenstrom bei den höheren Lichtströmen des Messbereiches Iden Sättigungswert nicht mehr erreicht.
Es schadet nichts, wenn bei höheren Lichtströmen der Sättigungswert der Photozelle nicht mehr erreicht wird, weil der grössere Teil der Speisespannung an dem Arbeitswiderstand abfällt. Denn dadurch erzielt man eine Vergleichmässigung der in Blendenwerten geeichten Skala. Da nämlich der Lichtstrom mit dem Quadrat des Öffnungsverhältnisses wächst, drängen sich bei einer dem Lichtstrom proportionalen Anzeige die Blendenwerte an dem einen Ende des Messbereiches, während sie am anderen Ende des Messbereiches weit auseinandergezogen liegen. Durch die erwähnte Ausbildung der Schaltung erreicht man ein Zusammendrängen der grossen Blenden (= grossen Lichtströme) und kann dadurch die Anzeigeemp findlichkeit und damit die Ablesegenauigkeit für die kleinen Blenden erhöhen, ohne den Messbereich für die grossen Blenden beschneiden zu müssen.
Die Anordnung kann so getroffen werden, dass der Kondensator über eine Halbielterdiode an dem Arbeitswiderstand anliegt und so bemessen ist, dass die durch den Reststrom ider Haibleiterdiode während der Ablesezeit des Belichtungsmessers bewirkte Ände- rung der Kondensatorspannung klein gegen Idie Spannung ist, auf welche der Kondensator dadurch den Photozellenstrom aufgeladen wird. Man kann einen Belichtungsmesser nach der Erfindung zur reinen Blitzmessung verwenden, indem man den Blitz in einem sonst verdunkelten Raum auslöst.
Vorteilhafter ist es aber, wenn die Photozelle lichtdicht hinter einem photographischen Verschluss mit einstellbaren Belichtungszeiten und gegebenenfalls Blitzlichtsynchronisierungskontakt angeordnet ist. Dann kann man mit dem Gerät unter beliebigen Beleuchtungsverhältnissen arbeiten. Der Verschluss wird auf die Zeit angestellt, mit welcher auch die Belichtung in der Kamera erfolgen soll. Eventuelle Blitzgeräte werden mit dem Verschluss synchronisiert und bei Auslösung des Verschlusses erhält die Photozelle einen Lichtimpuis, der genau demjenigen entspricht, welcher später bei der Aufnahme in die Kamera gelangt, unabhängig davon, ob man mit Tages-, Kunst-, Blitz- oder Mischlicht arbeitet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden be schrieben:
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Gerätes.
Fig. 2 zeigt eine Oberansicht des Gerätes bei abgenommenem Deckel.
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild des Belichtungsmessers, und
Fig. 4 zeigt im einzelnen als Schaltbild den Aufbau der Speisespannungsquelle.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm mit den Strom-Spannungs-Kennlinien der Photozelle bei verschiedenen Lichtströmen und des Arbeitswiderstandes und dient zur Erläuterung der Schaltung nach Fig. 3.
Ein längliches, flaches Gehäuse 10 (Fig. 2) trägt an einer Stirnseite einen Belichtungstubus 12 mit einem photographischen Verschluss 14. Auf der Oberseite ist hinter einem Fenster 16 eine Instrumentenskala 18 vorgesehen, über welcher der Instrumentenzeiger 20 spielt. Oberhalb des Instrumentenfensters 16 sind nebeneinander drei Rändelknöpfe 22, 24, 26 angeordnet. Der Knopf 22 besitzt drei Raststellungen: EIN , AUS und LADEN . In der letzteren Schaltstellung kann das Gerät mittels einer Steckerbuchse 28 (Fig. 1 und 2) an das Netz angeschlossen und ein als Stromquelle im Gerät angeordneter Akkumulator nachgeladen werden. Der Knopf 24 dient zur Nullpunkteinstellung. Bei geschlossenem Verschluss 14 wird der Knopf 24 so lange verstellt, bis der Zeiger 20 auf Null steht.
Der Knopf 26 ist der Messbereichsschalter, der in drei Stellungen einrastet. Es können damit drei Messbereiche eingestellt werden, entsprechend, drei Teilungen auf der Skala 18. In den gegenüberliegenden, unteren Ecken sind an der Oberseite des Belichtungsmessers zwei Druckknöpfe 30, 32 vorgesehen. Der linke Knopf 30 dient dazu, die Anzeige nach jeder Messung wieder auf Null zurückzustellen. Er schliesst einen Schalter, der in noch zu beschreibender Weise den den Messwert speichernden Kondensator kurzschliesst und entlädt. Der Druckknopf 32 dient dazu, den Ladezustand der Akkumulatoren zu kontrollieren, der ja für die Genauigkeit der Messung von ausschlaggebender Bedeutung ist. Beim Niederdrücken Ides Knopfes 32 werden die Akkumulatoren über einen Vorwiderstand direkt an Idas Instrument gelegt.
Der Zeiger 20 zeigt dann den Ladezustand der Akkumulatoren an. Wenn der Zeiger 20 dann rechts von seiner Mittelstellung steht, ist der Ladezustand der Akkumulatoren noch ausreichend, steht er links von der Mittelstellung, müssen die Akkumulatoren nachgeladen werden. Zwischen den Knöpfen 30 und 32 ist eine Rechenvorrichtung 34 vorgesehen. In einem äusseren Ring 36 ist eine Scheibe 38 drehbar. Der äussere Ring 36 trägt eine Skala entsprechend den Skalenwerten der Skala 18. Die Scheibe 38 trägt eine in Blendenwerten geeichte Skala. Die Scheibe 38 weist zwei diametral einander gegenüberliegende Fenster 40, 42 auf. Sie wird so eingestellt, dass hinter den Fenstern 40, 42 die jeweils verwendete Filmempfindlichkeit erscheint, und zwar hinter Fenster 40 in ASA- und hinter Fenster 42 in DIN-Werten.
Dann kann man an wider Skala auf der Scheibe 38 für jeden Anzeigewert die zugehörige Blende einstellen. Die Belichtungszeit wird durch die Einstellung des Verschlusses 14 berücksichtigt.
In Fig. 3 bezeichnet 44 die Photozelle, welche von dem zu messenden Lichtstrom beaufschlagt wird.
Die Photozelle 44 liegt mit einem Arbeits- oder Aussenwiderstand 46 an einer Gleichstromquelle 48.
Der Spannungsabfall an dem Widerstand 46 lädt über eine Halbleiterdiode 50 und einen Schalter 52 einen Kondensator 54 auf. In einer anderen Stellung des Schalters 52 wird statt dessen der Kondensator 56 aufgeladen. Mit 58 ist der - gestrichelt angel Ideuiete - Isolationswiderstand Ides Kondensators 54 bzw. 56 bezeichnet. Der Kondensator 54 bzw. 56 kann mittels eines Schalters 60 überbrückt und entladen werden.
Die Kondensatorspannung liegt am Steuergitter 62 einer Elektrometerröhre 64, die mit einem Anodenwiderstand 66 und einem Kathodenwiderstand an der gleichen Spannungsquelle 48 anliegt wie die Photozelle 44. Als Gitterableitwiderstand der Röhre 64 fungiert der Isolationswiderstand des Kondensators 54 bzw. 56.
Die Anode 70 der Röhre 64 liegt an einem Röhrenvoltmeter, das generell mit 72 bezeichnet ist.
Das Röhrenvoltmeter 72, das an sich bekannt ist, enthält eine Brücke mit zwei Widerständen 74, 76 in je einem Brückenzweig und zwei Röhren 78, 80 in den anderen beiden Brückenzweigen. Die Brücke 74-80 liegt über ein Potentiometer 82 an der Spannungsquelle 48.
Die Anode der Röhre 64 liegt am Steuergitter 84 der Röhre 78. Mit dem Steuergitter 86 der Röhre 80 ist der Abgriff des Potentiometers 82 verbunden.
In der Diagonale der Brücke 74, 76, 78, 80 liegt das Instrument 88. Gitter 90, 92 der Röhren 78, 80 sind über ein Potentiometer 94 miteinander verbunden, dessen Abgriff an der positiven Klemme der Stromquelle 48 anliegt. Durch Einstellung des Potentiometers 94 lassen sich die Innenwiderstände der Röhren 78 und 80 verändern und lässt sich die Brücke so abgleichen, dass bei geschlossenem Verschluss 14 das Instrument 88 Null zeigt.
Bei Belichtung der Photozelle 44 tritt an dem Kondensator 54 eine Spannung auf, die über die Elektrometerröhre e 64 am Gitter 84 der Röhre 78 wirksam wird und das Brückengleichgewicht stört.
Gleichzeitig ändert sich im entgegengesetzten Sinne die Spannung am Abgriff des Potentiometers 82, welche den Widerstand der Röhre 80 entgegengesetzt zu dem der Röhre 78 verändert und somit die Empfindlichkeit des Röhrenvoltmeters 72 noch erhöht. Die Anzeige des Instrumentes 88 ist ein Mass für die Spannung am Kondensator 54 und damit für das Zeitintegralldes während der Öffnungsdauer des Verschlusses 14 auf die Photozelle 44 gelangten Lichtstromes.
Bei der praktischen Ausführung der Schaltung wurden die Schaltelemente etwa wie folgt bemessen: Speisespannung an der Stromquelle 48 = 60 Volt Widerstand 46 = 50 Megohm Kondensator 54 = 1 Mikrofarad Isolationswiderstand indes Kondensators 54 = 10t20hm Reststrom der Diode 50 in Sperr-Richtung < 0,05 Mikro ampere
Am Kondensator 54 erhält man dann Spannungen in der Grössenordnung von 4 Volt. Diese Spannungen sind gross gegen eventuelle Störspannungen.
Die relativ grosse Kapazität von 1 Mikrofarad stellt sicher, dass die Gitterströme und wider Reststrom Idurch die Diode 50 die Spannung des Kondensators während der zum Ablesen des Instrumentes erforderlichen Zeit praktisch nicht beeinflussen. Um aber mit dieser Kapazität noch eine ausreichende Spannung zu erhalten, muss man eine relativ hohe Ladespannung vorsehen, was durch den grossen Arbeitsoder Aussenwiderstand 46 der Photozelle 44 von 50 Megohm erreicht wird. Mit diesem hohen Arbeitswiderstand tritt noch ein besonderer Effekt ein, der an Hand der Diagramme von Fig. 5 erläutert werden soll.
Dort ist für verschiedene Lichtströme von 0,1 bis 0,9 Lumen der Photozellenstrom J in Mikroampere in Abhängigkeit von der an der Photozelle anliegenden Spannung U in Volt dargestellt. Wenn bei vorgegebenem Lichtstrom, z. B. 0,5 Lumen, die an der Photozelle anliegende Spannung steigt, dann wächst der Photozellenstrom zunächst annähernd linear mit der Spannung aber dann immer langsamer an, bis er dann in einen Sättigungszustand übergeht, in welchem eine Änderung der angelegten Spannung gar keinen Einfluss mehr auf den Photozellenstrom hat. Bei leiner Vergrösserung des Lichtstromes wachsen die Sättigungsströme an, etwa proportional mit dem Lichtstrom. Die Abhängigkeit der Photozellenströmle von den angelegten Spannungen ergibt für alle Lichtströme ähnlich geartete Sättigungskurven.
60 Volt ist die Speisespannung, die von der Spannungsquelle 48 geliefert wird. Ausgehend von diesem Punkt auf der Abszisse sind zwei Geraden eingezeichnet, welche die Stromspannungs-Charak- teristiken zweier Arbeitswidenstände 46 darstellen, und zwar ist einmal ein Arbeitswiderstand von 10 Megohm und zum anderen ein Arbeitswiderstand von 50 Megohm angenommen. Man kann dem Diagramm nun entnehmen, welches die jeweils flieSen- den Photozellenströme sind und wie sich die Speiser spannung von 60 Volt auf Photozelle e und Arbeits- widerstand verteilt. Zu diesem Zweck sucht man den Schnittpunkt, z.
B. der 50 Megohm-Geraden mit der dem jeweiligen Lichtstrom entsprechenden Photo- zellencharakteristik. Man kann dann den Photozellenstrom und die an Ider Photozelle 44 liegende Spannung ablesen. Der Rest der 60 Volt fällt am Widerstand 46 ab. Bei 0,9 Lumen Lichtstrom und 50 Megohm Arbeitswiderstand fallen an der Photozelle 44 bei einem Photozellenstrom von 1 Mikroampere etwa 7 Volt ab. 53 Volt fallen am Widerstand 44 ab. Bei einem Lichtstrom von 0,1 Lumen fallen etwa 46 Volt an der Photozelle und nur 14 Volt am Widerstand 44 ab.
Die Spannung am Widerstand 44 bildet nun die Ladespannung für den Kondensator 54. Die Spannung am Kondensator 54 und damit udas Zeit integral der am Widerstand 44 abfallenden Spannung wird nun am Instrument 88 angezeigt. Wenn man nun einmal einen Arbeitswiderstand von 10 Megohm annimmt, dann wird, wie Fig. 5 zeigt, praktisch noch bei allen hier betrachteten Lichtströmen der Sättigungszustand der Photozelle 44 erreicht. Da die Sättigungsströme praktisch linear mit den auf die photozelle fallenden Lichtströmen anwachsen, wird der Spannungsabfall am Widerstand 46 in diesem Falle proportional dem Lichtstrom. Der Lichtstrom ist aber proportional dem Quadrat des Öffnungs verhältnisses.
Anderseits ist es das Öffnungsverhältnis, das an der Kamera eingestellt werden soll.
Ein Widerstand 46 von 10 Megohm würde eine in Blendenzahlen geeichte Skala mit quadratischer Charakteristik ergeben, wie sie in Fig. 5 bei 96 dargestellt ist. Die grossen Blenden (kleine Blendenzahlen) wären eng zusammengedrängt, während die grossen Blendenzahlen immer weiter auseinanderrücken. Da man auch die kleinen Blendenzahlen genau ablesen soll, muss die Anzeigeempfindlichkeit entsprechend erhöht, damit aber ;der Messbereich beschnitten werden.
Anders ist es bei einem Widerstand 46 von 50 Megohm. Wie man hier sieht, wird bei höheren Lichtströmen der Sättigungsstrom der Photozelle nicht mehr erreicht. Dadurch rücken auf Ider Skala 98 (Fig. 5) die grösseren Biendenzahlen wieder enger zusammen. Man kann dann ohne Beschneidung des Messbereiches die Empfindlichkeit des Anzeigegerätes optimal wählen, so dass alle Blendenzahlen mit hoher Genauigkeit abgelesen werden können. Durch geeignete Wahl des Widerstandes 46 kann man eine gleichmässige, fast lineare Skala erhalten.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Stromquelle 48, die in Fig. 3 schematisch als Akkumulator dargestellt ist. Als eigentliche Stromquelle dient ein Niederç, toltakkumulator 100. Durch eine Gegentaktschaltung 102 mit zwei Transistoren 104, 106 wird eine höhere Wechselspannung erzeugt, die mittels eines Graetz-Gleichrichters 108 gleichgerichtet und durch einen Kondensator 110 geglättet wird. Die Gegentaktschaltung ist an sich bekannt. Es sei angenommen, dass in einem bestimmten Augenblick der Transistor 106 leitend, Transistor 104 dagegen gesperrt sei. Dann fliesst ein Strom von der Stromquelle
100 iiber den Emitter 112 von Transistor 106, Kollektor 114, die untere Hälfte der Transformatorwicklung 116, Mittelanzapfung 118 zum Akkumu- lator 100.
Der Strom in der Wicklung 116 induziert eine Spannung in der zweiten Transformatorwicklung 120, der über die Leitung 122 den Transistor
106 sperrt und über Leitung 124 den Transistor 104 leitend macht (Rückkopplungswicklung). Der Wech selstrom in der Wicklung 116 induziert eine höhere Wechselspannung in tier Wicklung 126.
Durch die beschriebene Schaltung kann man kleine und leichte Akkumulatoren verwenden, die bequem in einem handlichen Gehäuse 10 untergebracht werden können.
Der Schalter 60 (Fig. 3) wird von dem Knopf 30 (Fig. 1) betätigt. Beim Niederdrücken des Knopfes 32 von Fig. 1 werden zwei Schalter 128, 130 vor und hinter dem Instrument 88 umgeschaltet und legen das Instrument 88 über einen Vorwiderstand 132 unmittelbar an die Stromquelle. Der Messbereichschalter 26 (Fig. 1) hat drei Schaltstellungen. Er btätigt die miteinander gekoppelten Schalter 52 und 134. In Stellung 1 ist Kondensator 56, in Stellung 2 und 3 Kondensator 54 eingeschaltet. In Stellung 1 und 2 ist über den Schalter 134 ein Shunt 136 parallel zum Instrument 88 geschaltet. In Stellung 3 ist der Shuntkreis unterbrochen. Knopf 24 (Fig. 1) betätigt den Abgriff des Potentiometers 94 von Fig. 3.
Mit dem Knopf 22 von Fig. 1 ist ein Schalter 138 in Fig. 3 verbunden, der in drei Schaltstellungen den Speisestromkreis schliesst, unterbricht oder tdie Strom quelle 48 über einen Gleichrichter 140 mit dem Netzstecker 28 (Fig. 1, 2 und 3) l verbindet.
Fig. 2 zeigt die räumliche Anordnung der Teile in dem Gehäuse 10. Das Gehäuse 10 ist durch gedruckte Schaltungen 142, 144 in drei Kammern unterteilt. Die obere 146 enthält die Photozelle 44, die Schalter 52 und 138 und Idie Röhren 64, 78 und 80. Die zweite Kammer 148 enthält das Speisespannungsteil mit dem Transformator 116, 120, 126 (Fig. 4), Gleichrichter 108, Glättungskondensatoren 110 und Transistoren 104, 106. Die untere Kammer 150 (Fig. 2) enthält das Instrumentenmesswerk 152 und Akkumulatoren 154, 156, 158. Der Akkumulator 158 liefert die Energie für die Röhrenheizung, während die Akkumulatoren 154 und 156 zusammen die Stromquelle 100 von Fig. 4 bilden.