シャッターは、ビデオ画像の外観をより細かく制御するために使用されるいくつかの重要なカメラコンポーネントの1つにすぎません。さて、シャッターが私たちにもたらす利点の議論から私たちの探求を始めましょう。ただし、ビデオカメラを開いて高速シャッターの内部動作を確認する前に、すべてのシャッターのより一般的な機能を確認しましょう。
カメラのシャッターは、光がレンズに入るのを許可される時間の長さを制御します。カメラ（静止画またはビデオ）のもう1つの主要な露出制御は虹彩です。これは、光が通過しなければならない「空間」に影響を与えるため、今日の議論は空間と時間についてです。心配しないでください、それはロケット科学ではありません。本当に必要なのは、いくつかの簡単な用語と関係を理解することです。
簡単に言うと、シャッターとアイリスが連携して、ビデオカメラのレンズに入る光の量を制御します。シャッターは、CCD（電荷結合装置）への光の露出時間を制御します。アイリスは、光がレンズに入ることができる開口部のサイズを制御します。これは非常に単純ですが、それぞれが最終的な画像に影響を与えます。それぞれが、ビデオ画像のルックアンドフィールを制御できるようにします。
焦点を広げる
ビデオカメラの虹彩は、目の虹彩と同じように機能します。光が明るい場合は、目の虹彩が閉じて、光が通過する開口部が小さくなるため、光が目がくらむことはありません。暗い場所では、目の虹彩が「拡張」し、大きく開いてより多くの光が入るようにします。ビデオカメラの自動露出システムについても同じことが言えます。アイリスの素晴らしいところは、画像の被写界深度を制御できることです。暗い場所では、ビデオカメラのアイリスが開きます。明るい光の中で、それは閉じます。しかし、開口部が小さくなると、被写界深度、つまりピントが合っている範囲が広がります。実際、虹彩が十分に閉じられている場合は、画像の焦点を合わせるためにレンズさえ必要ありません。開口部が非常に小さい場合、世界全体に焦点が当てられます。
最初のカメラであるカメラオブスクラには、レンズ、シャッター、さらにはフィルムさえありませんでした。誰もがそのようなことを考えるずっと前に、古代人は、光が小さな開口部を通過して暗い部屋に入ると、光が壁や床に当たった場所に画像が投影されることに気づきました。少し実験してみると、光が通過する穴が小さいほど、画像が鮮明になることがわかりました。その結果、暗い部屋や箱の壁に小さな穴（およびそれ以降のバージョンではレンズ）を使用して、トレースされる描画面に画像を投影し、非常に正確な画像を生成するカメラオブスクラが開発されました。と詳細な図面。
ピンホールカメラは、イメージングに対する同じアプローチのより現代的な例です。必要なのは靴箱、ピン、そしてフィルムだけです。ピンホール写真についてもっと知りたい場合は、Web上でたくさんの情報を見つけることができます。
ピンホールの問題
レンズの代わりに小さな穴を使用すると、レンズの表面近くから無限遠までシャープに焦点を合わせた画像を生成できますが、大きな欠点が1つあります。小さな穴は多くの光を通過させることができません。より多くの光を得るために、穴を大きくすることができますが、そうすると画像の鮮明さが失われます。ピンホールの代わりにレンズを使用することで、レンズの表面全体に光を集めながら、CCDまたはフィルムに焦点が合った画像を得ることができます。
レンズはより多くの光をカメラに入れることができますが、ピントが合う領域は狭くなります。レンズの直径が大きいほど、問題は悪化します。非常に大きな直径のレンズを使用すると、焦点の合った領域、またはいわゆる被写界深度を1インチ未満に減らすことができます。被写界深度に影響を与えるもう1つの要因は、レンズの焦点距離または倍率です。望遠レンズは浅い視野を生成し、広角レンズはより深い視野を生成します。
アイリスに入る
暗い場所でも高品質の画像を提供できるようにレンズを大きくする場合は、明るい条件下でカメラに入る光の量を減らす方法が必要です。光が明るすぎる場合は、アイリスを使用してレンズの一部をマスクします（図1を参照）。これにより、写真家やビデオグラファーはレンズに入る光の量を調整できるだけでなく、被写界深度を調整できるため、焦点が合っている画像の部分とそうでない部分を制御できます。 。アイリスの設定を慎重に選択することで、フレームの一部にシャープに焦点を合わせ、他の要素の焦点を外して、他の方法では実現できない立体的な外観を画像に与えることができます。
アイリスは、焦点が合っている画像内のスペースを制御するのに役立ちます。レンズ自体の焦点がその空間の位置を決定し、虹彩がその深さを制御します。 「空間」についてはこれだけですが、時間についてはどうでしょうか。 CCDが光を集めることができる時間の長さも総露出に影響します。たとえば、虹彩の開口部を減らして半分の光を取り入れた場合でも、光を2倍の時間カメラに入れることで、同じ露出を得ることができます。
シャッターに入る
フィルムまたはセンサーが光にさらされる時間の長さを制御するために、カメラは何らかの形のシャッターを使用します。単純なピンホールカメラでは、シャッターは暗い紙またはその他の不透明な素材であり、露出のタイミングを計るために手で開閉します。時計をチェックしたり秒数を数えたりするだけなので、長時間露光でも問題なく動作します。ただし、最新のフィルム乳剤とCCDはほんの一瞬で露光できるため、露光時間を制御するには、単純な黒画用紙よりも少し洗練されたものが必要です。広範囲の正確な露出時間を可能にすることにより、カメラのシャッターは虹彩と連動して、画像の時間と空間を完全に制御できます。
多くのカムコーダーには、数秒から1/10,000秒までの露出時間をサポートするシャッターがあります。シャッタースピードが遅い（持続時間が長い）と、小さなアイリス設定を使用して、フィルムに十分な光を当てながら、被写界深度を深くすることができます。ただし、露出中にカメラや被写体が動いた場合は、問題が発生する可能性があります。動くものはすべて最終画像でぼやけ、カメラが動くと画像全体がぼやけます。もちろん、このぼかしは効果のために使用できます。滝の静止画でよく見られるように、長時間露光を使用して画像をより夢のような理想的な外観にします。シャッタースピードを速くすると（短時間）、明るい光の中でも大きな虹彩の開口部を使用できるため、被写界深度が浅くなり、前に示した3Dの見栄えが良くなります（図2を参照）。また、シャッタースピードが速いため、被写体が動いているときに被写体がぼやけて見えることなく撮影できます。シャッターの開閉が速いので被写体の位置がほとんど変化せず、シャッターが速ければ動きの速い被写体の完全にシャープな静止画が可能です。
ほとんどのスチルカメラのシャッターは、しばらくの間光を取り入れてから再び閉じるために開く機械的な装置です。シャッターの中にはフィルム全体をすばやく掃引するものもあれば、レンズ自体にあるものもありますが、考え方は常に同じです。短時間開いてから、適切なタイミングですばやく閉じます。ただし、メカニカルシャッターには質量があり、その質量によって開閉速度が制限されます。これにより、通常、スチルカメラの最大シャッター速度（または最小露光時間）は約1/8000秒に制限されます。
一部のスチルカメラは、電子シャッターを使用することで質量の問題を回避します。このちょっとしたテクノマジックでは、2つの偏光レンズが使用されます。偏光レンズは、他の偏光の光を遮断しながら、一方向に偏光された光を通過させます。両方が同じ偏光の光を通過するように方向付けられた2つの偏光レンズを組み合わせると、最初のレンズを通過する光は2番目のレンズも通過します。しかし、一方のレンズをもう一方の極性と反対になるように回転させると、最初のレンズは2番目のレンズとは異なる極性の光を通過させ、光はレンズペアをまったく通過しません。したがって、レンズの1つを回転させるだけで、「開閉」できる2つの偏光フィルターからシャッターを作成できます。さらに良いことに、電気信号が印加されたときに偏光を反転させる偏光フィルターを構築することが可能であるため、まったく動かないシャッターを設計することができます。電圧を変えるだけでシャッターが開閉します。このタイプのシャッターシステムを搭載したカメラは、メカニカルシャッターを搭載したカメラのようなカチッという音を出さず、1/10,000秒以内にシャッターを開閉できます。この高速のシャッタースピードは、ゴルフのスイングやスピード違反の車の動きを止め、時間内に完全に凍結された、速いアクションの透き通った画像を生成することができます。
電荷結合装置（CCD）の出現により、このような機械的および電気光学的な混乱はすべて不要になりました。 CCD自体は、追加の部品や複雑さをほとんど必要とせずに、オンとオフを切り替えることができる電子信号と同じ速さで開閉できる仮想電子シャッターとしても機能します。最新のCCDベースのカムコーダーは、物理的なシャッターを使用して露出時間を制御する代わりに、表面に当たる光を単に破棄し、閉じたシャッターをシミュレートします。仮想シャッターを開くために、CCDは光エネルギーの収集を開始することができます。光の収集を停止する時間になると、CCDは単に停止され、仮想シャッターが閉じられます。したがって、ビデオカメラのシャッターを見ると、驚くべきことの1つは、シャッターがないことです。
シャッターはまったくありませんか？
CCDの内部には、光に敏感な「細胞」がたくさんあります。 CCDのピクセル数は、CCDに含まれるセルの数を示します。これらのセルの1つに光が当たると、セル内に電荷が発生します。セルに当たる光が多いほど、蓄積される電荷が大きくなります。セルは実際には「光」を収集しませんが、代わりに、セルに当たる光に比例する電荷に光を変換します。
感光性セルには色に対する感度がないことにも注意してください。表面に当たる光の色に関係なく、電荷を蓄積します。カラー画像を生成するために、フィルターをセルの前に配置して、セルの一部が赤、一部が青、一部が緑の光を表示するようにします。これは、単一のCCDと複雑な赤、緑、青のレンズフィルターアセンブリを使用するか、それぞれに単一のカラーフィルターを備えた3つの別々のCCDを使用して行うことができます（図3を参照）。
最初に、各セルの出力はグランドに短絡されているため、セルに当たる光によって生成された電荷はすぐに排出されます。この状態では、セルは電荷を収集せず、仮想シャッターは「閉じています」。画像をキャプチャするために、セルからのドレインが閉じられ、セルに当たる光に比例して電荷が蓄積し始めます。曝露期間の終わりに、各セルの電荷は垂直伝達レジスタに渡され、次に各電荷、バケツリレースタイルが水平伝達レジスタに渡されます。そこで、それらは他の垂直転送レジスタからの電荷のパレードに参加し、単一のファイルをビデオ処理および記録回路にマーチアウトします（図4を参照）。
私たちがビデオとして見る「動く」写真は、実際には急速に表示される一連の静止画です。すべてのNTSCカムコーダーは、1秒あたり30フレームの静止画を生成します。各フレームは2つのフィールドで構成され、1秒あたり合計60フィールドになります。ただし、プログレッシブスキャンまたは「フレームムービー」モードと呼ばれることもあるフィールドなしで、毎秒30フレームを記録できるカメラを製造する傾向があります。このモードでは、これらのカメラは60の目立たないフィールドを記録しませんが、標準のNTSC60フィールド/30フレーム/秒の形式でTVまたはVCRに出力します。このモードは通常、静止画としてコンピューターにエクスポートされる画像を収集するために使用されます。
「通常の」速度では、CCDは1/60秒のフィールド時間全体にわたって電荷を収集し、1/60を通常の撮影のデフォルトのシャッター設定にします。これは、カメラの動きやフレーム内のゆっくりとした動きによって引き起こされるほとんどのブレを回避するのに十分な速さです。しかし、私たちのカムコーダーでは、カムコーダーのフレームレートよりも速いまたは遅いシャッタースピードを選択できるようになりました。遅いシャッター設定は、CCDがいくつかの（または多くの）フィールド間隔でアクティブなままであり、露光期間中に以前にキャプチャされた画像を記録することを可能にします。 1/15秒の遅いシャッタースピードで撮影すると、CCDは4フィールドの間アクティブに保たれます。その後、その電荷は記録のために行進され、同じデータが4フレームにわたって記録され、CCDはさらに1/15秒の間そのセルを満たします。このようにして、シャッターがまったく異なる速度で動作している場合でも、フレームレートは一定に保たれます。
超高速で静かな高速シャッター操作がさらに簡単になります。 1/60フィールド間隔の開始時にセルからドレインを削除する代わりに、電荷は、合計フィールド時間の一部の間、電荷をドレインし続けることができます。たとえば、1/120のシャッター速度が選択された場合、CCDはフレーム間隔の前半の間はドレインを継続し、後半の間だけ光を収集します。より高速の場合、セルはフィールド時間の大部分で単純に排出されます。
最終的に、可動部品や質量のない仮想シャッターができました。実際、私たちのシャッターはまったく存在していません。それでも、画像と露出の空間と時間を制御できます。
すべてを機能させる
この理論はすべて興味深いものですが、高速シャッターの真の価値は、画像の外観を制御できることにあります。アイリスと組み合わせると、被写界深度、モーションブラー、画像自体の明るさを制御できます。関係のレビューは順調に見えます。
虹彩の直径の設定を小さくすると、光は少なくなりますが、被写界深度は深くなります。画像の明るさを一定に保つには、シャッタースピードを遅くする必要があります。
絞りを大きく設定すると、被写界深度が浅くなり、被写体が強調され、より立体的な画像が作成されます。虹彩をより広い直径に開いたままにするのに十分なほど画像の明るさを低く保つには、より高いシャッター速度が必要です。
シャッタースピードを速くすると動きが止まり、被写体とカメラの相対的な動きに関係なく鮮明な画像が得られます。より高いシャッタースピードで十分な光を得るには、より多くの光を受け入れるために虹彩を広く開く必要があり、その結果、被写界深度が浅くなります。
非常に遅いシャッター速度を使用すると、CCDが暗い状況でより多くの光を集めることができるようにしたり、小さな虹彩がより深い被写界深度を開くことができるようにしたりできます。トレードオフは、同じ画像が複数のフィールドにわたって繰り返され、ぎくしゃくしたストロボのような動きになる可能性があることです。また、シャッタースピードが遅いと、モーションブラーが大きくなり、問題または芸術的な効果が生じる可能性があります。
最後に、アイリスとシャッターが一緒になって、CCDセルで電荷を生成するために使用される光の総量を制御し、それぞれまたは両方を調整して、元のシーンよりも暗いまたは明るい画像を生成できます。
やって学ぶ
これで、ビデオカメラの高速シャッターの操作の背後にある理論がわかりました。しかし、特定の状況や効果に最適な露出モード、またはシャッターと絞りの設定を選択することになると、経験と実践に代わるものはありません。時間をかけてカムコーダーのさまざまな露出モードと設定を試してみてください。そうすれば、完成品の外観をより細かく制御できるようになります。