电磁光圈的驱动性能与快门时滞
文／撞针
在Canon EOS-1D系列专业高速单反相机的介绍中，常常提到两点：一是开启缩短快门释放时滞选项后，在最大光圈下，快门时滞可以降至xx毫秒，二是最高连拍速度是在使用最大光圈的前提下实现的。快门时滞、连拍速度为啥和光圈有关系？这就要从电磁光圈（Electronic Magnetic Diaphragm， 简称EMD）驱动说起。
镜头卡口和光圈驱动
单反相机需要全开光圈取景，收缩光圈拍摄。全开光圈一方面让取景画面更明亮，便于取景，另一方面景深最浅，便于准确对焦。在自动对焦时代，单反对焦系统采用相位对焦原理，有一些环节类似三角测距仪，要测量宽光束两侧光线的成像相位。当代单反普遍需要f/5.6光圈才能完成对焦，用某些f/2.8光圈对焦点精度更高。全开光圈可以保证对焦系统有足够的光线强度和光束宽度。因此，光圈叶片必须在拍摄时收缩到设定的光圈值，拍摄完成之后回复最大光圈。
此外，单反发展初期，需要通过机身内部的TTL组件和收缩到拍摄光圈来测光，后来改为全开 光 圈 测光。总之，光圈的大小需要随着快门缩放，必须有驱动装置。
相机在全电子化之前，机身通过连杆驱动光圈。Canon从来没有官方解释过早期FL、FD卡口的字母含义，但有人认为，F指焦平面快门，L指具有光圈连接，D指有双重光圈连接，笔者觉得还挺有道理的。R镜头、FL镜头和FD镜头光圈控制方式对应了测光方式的发展，可见光圈控制对镜头的重要意义。
FD镜头的双光圈拨杆（自动光圈拨杆和光圈值拨杆）
EF卡口和触点
1987 年，Canon 推出了 EOS 单反系统和全电子化的EF卡口，成为相机发展史上的里程碑之一。EF卡口是完全电子化的，EF镜头上没有光圈环，EOS机身也没有镜头拨杆，光圈由电磁驱动光圈单元驱动。电磁光圈由步进马达、定子、齿轮等构成，步进马达通过小齿轮控制嵌有光圈叶片的旋转环。
步进马达
近几年由于无反相机的流行，反差对焦、视频对焦的需要，步进马达这个名词也热起来。
普通直流马达通过电刷和换向器不断改变电磁方向，驱动转子转动。步进马达没有电刷，通过控制电路输出的电信号改变电磁方向，驱动转子转动。每收到一个脉冲信号，步进马达就按设定的方向转动一个固定的角度。
步进马达有很多优点：很容易控制旋转角度，特别适于数字化控制，控制机构成本低；精度高，每一步的误差不累计；抗过载性好，其转速不受负载大小的影响；可以很低的转速运行，减少减速传动。这些优点使得步进电机特别受到精确控制设备的青睐。但步进马达也有不少缺点：整体工作效率低，不如普通直流马达；不适于高转速运行，力矩会随转速的升高而下降，直至停转，最高转速有限；工作电流高，易发热，不适于长时间高强度运行。
电磁光圈
电磁光圈的变形步进马达，每接收一个电信号脉冲则旋转一步。当相机传递光圈值信号时，信号被镜头内置CPU转换成所对应的脉冲数。通过该脉冲数可精确控制光圈口径。步进马达转子较小，起动、停止时的响应、控制性都非常好，不需要有与相机之间的机械连接。
电磁光圈无论收缩还是复位，都依靠步进马达驱动。因此有一个小窍门：在倒接、转接EF镜头的时候，如果想用小光圈，可以先在机身上通过景深预视收缩光圈，同时取下镜头。由于镜头和马达没有收到控制信号，光圈会保持在收缩位置。一旦重新装上EOS机身，光圈就会恢复。
电磁光圈示意图
电磁光圈驱动速度
回到前文光圈影响高速相机时滞和连拍速度的主题。我们知道，单反快门需要在反光镜抬起，光圈收缩到位两个动作完成后才能开启。如果是机身驱动光圈，可以让光圈和反光镜达到同样的速度。镜头马达驱动就不一定了，步进马达在动力输出和速度方面不算突出，比不上强悍的机身马达。
电磁光圈完全收缩光圈需要多少时间？应该略小于55ms（毫秒）。从1989年的EOS-1到今天的EOS-1D X，Canon EOS-1系列单反相机标准快门时滞始终都是55ms，这个时间允许所有EF镜头将光圈从最大收缩到最小。通过光圈收缩的慢动作视频分析，笔者计算了一下，EF光圈完全收缩或者完全复位（最多8级光圈），一般需要40ms－45ms左右。光圈完全收缩到复位，一个标准流程需要110ms，就算已经包含了快门本身的动作时间（最少6ms），EOS相机连拍速度无法超过1000ms÷110ms≈9.1fps。当然，这是指普通模式下所能达到的速度。
EOS-1D系列的时滞和连拍速度
再回到文章开头说的，EOS-1D系列在最大光圈下快门时滞可以比55ms更低。这个功能是在自定义菜单中“快门释放时滞”选项打开实现的。1D Mark IV及以前的机型，可以在光圈缩小超过3级时，将快门时滞缩短约20%。官方标称，最快快门时滞为40ms。这个时滞应该主要是反光镜抬起的时间。
通过慢动作回放，笔者计算1D系列反光镜抬起基本上都在36ms左右，放下的速度却比抬起要快，大致不到25ms。加上光圈收缩时滞的55ms，差不多就是1D 系列III到IV代官方标称的80ms左右的取景器黑视时间（黑视时间是指反光镜抬起后，取景器看不见东西，无法取景的时间。II代黑视时间标称87ms）。
这里有个问题，光圈收缩和张开都需要接近55ms，黑视时间怎么能小于110ms呢？很简单，光圈完全动作到位后快门才能工作，所以快门时滞必须大于光圈收缩时间。但是反光镜回位后，不管光圈有没有完全打开，取景器都可以取景了，无非是暗一些而已。
EOS-1D X更上一层楼，官方声称在缩短快门释放时滞后，最高快门时滞为36ms。官方还说起黑视时间为60ms，和以前机型标注的80ms相比，笔者估计有些水分，如果没有减少快门释放时滞，或者光圈收缩级数更多，是不可能达到的。
使用最大光圈时，相机高速连拍只需要考虑反光镜和快门的动作时间，EOS-1D X能达到12fps连拍速度也就不奇怪了。光圈一旦收缩，连拍速度就会慢下来。这就是文章开头提到的“高连拍速度是在使用最大光圈的前提下实现的”。
至于EOS-1D X所谓14fps的连拍，是在锁定反光镜和光圈，取景器一直全黑实现的，不再此文讨论之列。
Nikon某些专业高速机型，由于采用机身马达驱动光圈，快门时滞和最高连拍速度完全不用考虑光圈收缩的影响。Canon如何提升光圈驱动性能呢？对于以前的老镜头，最直接的办法是提升步进马达转速。然而前面说过，步进马达最高转速有限，增加功率可以让步进马达驱动超长焦镜头的巨大光圈，却不能提升光圈反应速度。
投机取巧的办法就是进一步挖掘光圈缩放的余地。例如，在连拍过程中，光圈只复位到f/5.6或者f/2.8，足够对焦系统工作就行，不再回复到最大光圈。最大的几级光圈，也是叶片运动幅度最大的，这样应该能节省不少时间。但最根本的办法，还是改进EF镜头，采用双马达光圈，一个马达负责光圈叶片高速大幅度调整，另一个步进马达负责光圈调节到位。两个马达同时运行，大幅减少光圈调节时间。由于 EF 镜头是全电子接口、CPU控制，实现两个马达的联动并不困难，双马达光圈对于 EF 卡口以及控制兼容性要求也是最低的。
Canon双马达光圈专利