Rolleicord V – optische Messung der Verschlusszeiten

Ein Gastbeitrag von Robert Schneider

Anfang des Jahres 2022 bin ich in den Besitz einer alten Rolleicord V gekommen. Der Zustand der zweiäugigen Kamera, hergestellt von Franke & Heidecke in den 1950er Jahren, war trotz des hohen Alters nahezu tadellos – beide Objektive klar, Fokussierung leichtgängig und die Belederung fest wie am ersten Tag. Mit zunehmender Begeisterung für die analoge Fotografie hatte ich schon längere Zeit mit einer solchen Mittelformatkamera geliebäugelt.

Nachdem ich mich etwas mit dem Aufbau und der Bedienung der Kamera auseinandergesetzt hatte, musste ich leider feststellen, dass Verschlusszeiten von 1/15 s und länger, sowie der Selbstauslöser nicht ordnungsgemäß funktionierten. Der Verschluss arbeitete für diese Einstellungen, wenn überhaupt, nur sporadisch. Dieses auch als „sticky shutter“ bezeichnete Problem tritt dann auf, wenn das Öl in der für die Zeiteinstellung verantwortlichen Mechanik verharzt und damit verklebt. Abhilfe schafft dann nur noch eine Reinigung oder ein Austausch der entsprechenden Komponenten. Nach kurzer Recherche im Internet bin ich im farblosfoto-blog auf die äußerst detaillierte Reparaturanleitung genau für dieses Problem bei einer alten Rolleiflex gestoßen (Rolleiflex 3.5C – Reparatur eines verklebten Verschlusses – sticky shutter). Mit etwas Vorsicht und Geduld war so die Reparatur des verklebten Verschlusses innerhalb weniger Stunden möglich und die Verschlusszeiten schienen ordnungsgemäß abzulaufen. Vielen Dank an dieser Stelle an den Autor für die hervorragende Beschreibung. Ergänzend kann ich nur hinzufügen, dass die verwendete Mechanik zur Steuerung der Belichtungszeiten in der Rolleicord identisch zu der in der Rolleiflex ist – was ich zu Beginn der Reparatur nur hoffen konnte.

Die Frage die sich mir nun stellte war: Laufen die Verschlusszeiten nach der Reparatur tatsächlich korrekt ab oder passen sie nur ungefähr? Sind Sie bei mehreren Wiederholungen mit gleichen Einstellungen identisch oder schwanken die Zeiten signifikant? Bei sehr langen Belichtungszeiten von 1 s oder 1/2 s kann das der geübte Experimentator vielleicht noch mit dem Auge oder dem Gehör grob abschätzen, bei kürzeren Zeiten bis minimal 1/500 s wird aber wohl jeder an seine Grenzen stoßen. Ein möglichst einfaches aber auch kostengünstiges Messgerät muss her! Ich entschied mich für eine Kombination aus Taschenlampe und Fotodiode, die eine einfache und gleichzeitig unmittelbare Messung der Belichtungszeit erlaubt. Den Aufbau und die durchgeführten Messungen möchte ich hier kurz vorstellen.

Das Experiment ist denkbar einfach: Die Taschenlampe scheint von vorn auf die Kamera, die Fotodiode befindet sich hinter der Kamera. Der rückseitige Deckel der Rolleicord, den man öffnet um den Film einzulegen, sollte für diesen Zweck am besten ausgehängt werden.
Abbildung 1 zeigt eine Skizze des Aufbaus.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Aufbaus zur Messung der Belichtungszeit.
Der Strahlverlauf ist stark vereinfacht und auf die Objektivlinsen wurde verzichtet.

Öffnet sich der Verschluss der Kamera scheint Licht auf die Fotodiode und ein Fotostrom wird erzeugt; schließt sich der Verschluss nach Ablauf der Belichtungszeit erlischt der Strom wieder. Der so generierte Fotostrom ist üblicherweise sehr gering (z.B. Nano- oder Mikro-Ampere) und muss vor weiterer Auswertung verstärkt werden. Dazu wird oft ein sogenannter Transimpedanzverstärker verwendet. Dieser wandelt den kleinen Fotostrom in eine dazu proportionale, gut messbare Spannung Uout im Volt-Bereich um, je nach verwendeten Bauteilen und Lichtquelle. Ein für die hier beschriebene Anwendung nutzbarer Verstärker kann mit wenigen Grundkenntnissen schnell auf einer Lochrasterplatine aufgebaut werden und kostet nur wenige Euro. Er besteht im Wesentlichen aus einem Operationsverstärker, zwei Widerständen, einem Kondensator und einer Spannungsquelle. Der Schaltplan mit Bauteilangaben und ein Foto des von mir verwendeten Verstärkers ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: a) Schaltplan und b) Foto des Verstärkers mit Fotodiode

Die Größe des Widerstands R1 bestimmt die Verstärkung, die mit zunehmendem Widerstand wächst. Der Kondensator C1 dient dazu unerwünschte Oszillationen zu unterdrücken. Als Versorgungsspannung habe ich für +V_CC und -V_CC jeweils einen 9V Block verwendet, eine einfache Möglichkeit eine um Null symmetrische Spannung zu erzeugen. Die Geschwindigkeit der gesamten Schaltung, also wie kurz ein auf der Fotodiode auftreffender Lichtpuls sein darf, um vom Verstärker noch als solcher erkannt zu werden, ist von vielen Faktoren abhängig, insbesondere von der gewünschten Verstärkung (~desto niedriger desto schneller) als auch von der verwendeten Fotodiode und des Operationsverstärkers. Für den hier gezeigten Fall sollte die Schaltung Lichtimpulse mit einer Dauer von 2 ms (= 1/500) noch gut auflösen können. Mehr dazu weiter unten. Die detaillierte Funktionsweise eines Transimpedanzverstärkers soll an dieser Stelle allerdings nicht näher erläutert werden und ist auch nicht unbedingt notwendig. Interessierte Leser finden in einschlägiger Literatur wie zum Beispiel dem sehr empfehlenswerten Buch „The Art of Electronics“ weitere Informationen. Es sei auch darauf hingewiesen, dass ich kein E-Techniker bin. Der Verstärker kann sicherlich optimiert werden, funktioniert aber gut für die beschriebene Anwendung und war mit vorhandenen Bauteilen leicht und schnell umsetzbar. Er ist unempfindlich gegenüber Raumlicht, wodurch eine einfache Handhabung gewährleistet wird.

Die vom Verstärker erzeugte Spannung muss nun natürlich noch detektiert werden. Diese Messung kann beispielsweise kostengünstig mit einem Mikrocontroller (z.B. Arduino Nano, ~12 € ) durchgeführt werden. Wem allerdings ein Oszilloskop zur Verfügung steht, spart sich die Mühe der Programmierung und daher etwas Zeit. Für die hier gezeigten Messungen habe ich daher mein altes Tektronix 2440 verwendet. In Ermangelung einer geeigneten BNC-Buchse wurden zwei Mess-Pins am Verstärker für den Tastkopf des Oszilloskops angebracht (siehe Abbildung 2 b). Eine Messung für eine bestimmte Belichtungszeit läuft nun wie folgt ab:

  1. Lichtquelle (z.B. Taschenlampe), Kamera und Detektor werden in einer Linie positioniert, fixiert und eingeschaltet. Der Abstand der drei Komponenten bzw. die Helligkeit des Leuchtmittels sollte so eingestellt werden, dass die Lichtintensität auf der Fotodiode maximal ist ohne den Verstärker in Sättigung zu treiben. Zur Justage bedient man sich am besten der „Bulb“-Funktion der Kamera. Für maximale Lichtintensität auf der Diode sollte weiterhin mit offener Blende gearbeitet werden.
  2. Zu messende Belichtungszeit einstellen, Verschluss spannen und Verstärker „scharf stellen“ (= Programm im Mikrocontroller starten; Oszilloskop-Trigger aktivieren)
  3. Verschluss auslösen und Dauer des Spannungspulses messen

Zur Veranschaulichung des Signalverlaufs zeigt Abbildung 3 die Messungen am Oszilloskop für die Verschlusszeiten von 1 s, 1/15 s, 1/125 s und 1/500 s. Zur Überprüfung und Mittelwertbildung empfiehlt es sich die Punkte eins bis drei mehrmals zu wiederholen. Im Falle meiner Rolleicord habe ich die Messungen für jede Verschlusszeit fünfmal durchgeführt, nach als auch vor der Reparatur des Verschlusses. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Die angegebenen Unsicherheiten entsprechen der Standardabweichung der Messwerte bei Mehrfachmessung. Zu berücksichtigen ist zusätzlich eine Ableseunsicherheit, die ich auf etwa 1 − 2% des Messwerts schätze.

Abbildung 3: Gemessene Belichtungszeiten tmeas für vier verschiedene eingestellte Werte tset von a) 1 s, b) 66,7 ms (1/15), c) 8 ms (1/125) und d) 2 ms (1/500) nach der Reparatur des Verschlusses. Alle Messungen wurden bei F3.5 durchgeführt. Die vertikale Achse stellt die Spannung dar (1V pro Quadrathöhe), die horizontale die Zeit (200 ms (a) bis 1 ms (d) pro Quadratbreite). Die Amplitude des vom Verstärker ausgegebenen Spannungspulses beträgt damit 4 V. Die beiden vertikalen gepunkteten Linien sind die Cursor zum Ablesen des Zeitintervalls. In Abbildungsteil d ist anhand der „schrägen Flanken“ gut die Geschwindigkeit des Verschlusses beim Öffnen und Schließen erkennbar (steigende Flanke markiert durch zwei weiße Pfeile).

Vergleicht man die gemessenen Belichtungszeiten tmeas nach der Reparatur mit den eingestellten Zeitwerten tset, erkennt man, dass diese im Bereich 1/500 s bis 1/60 s mit Abweichungen < 8% sehr gut übereinstimmen. Für lange Verschlusszeiten > 1/8 sind hingegen die tatsächlichen Verschlusszeiten etwa 30% höher als die eingestellten Werte. Eventuell läuft hier die Mechanik noch nicht optimal, oder es ist einfach dem Alter der Kamera geschuldet. Bei den Belichtungszeiten 1/15 s und 1/30 s werden im Unterschied zu allen anderen Einstellungen 10 bzw. 18% kürzere Zeiten gemessen. Bei mehrfacher Wiederholung der Messungen mit gleichen Einstellungen konnte ich keine signifikante Streuung der Verschlusszeiten feststellen, was sich auch in den sehr niedrigen Standardabweichungen widerspiegelt. Somit kann davon ausgegangen werden, dass die tatsächliche Belichtungszeit zwar nicht perfekt mit der eingestellten übereinstimmt, jedoch bei mehrfacher Auslösung konstant ist. Das gilt auch bei zwischenzeitlichem Wechsel der Einstellungen z.B. zu einer höheren Belichtungszeit und wieder zurück. Vergleicht man weiterhin die gemessenen Belichtungszeiten vor und nach der Reparatur, findet man für alle Zeiten eine signifikante Verbesserung, näher an den eingestellten Wert.

Tabelle 1: Eingestellte Belichtungszeiten tset im Vergleich zu gemessenen Werten tmeas vor und nach der Reparatur. Die letzte Spalte gibt die Abweichung der Messwerte vom Sollwert nach der Reparatur an.

Tabelle 1

Mit der vorgestellten Messmethode ist es aber nicht nur möglich zu messen wie lange die Kamera tatsächlich belichtet, sondern auch wie viel Zeit der Verschluss benötigt, um sich vollständig zu öffnen bzw. wieder zu schließen. Dieses Verhalten ist besonders gut in Abbildung 3 d für eine Belichtungszeit von 1/500 s zu erkennen. Der Verschluss öffnet bzw. schließt die volle Blendenöffnung nur mit einer endlichen Geschwindigkeit. Damit steigt bzw. sinkt auch die Lichtmenge, die die Fotodiode erreicht nur nach und nach, was in den schrägen Flanken des detektierten Spannungspulses resultiert. Die gemessenen Verschluss-Öffnungszeiten liegen für alle eingestellten Belichtungen bei (950±50) μs, die Schließzeiten bei (1250 ± 50) μs. Eine kleine Ausnahme bildet die Schließzeit bei 1/500 s mit (930 ± 30) μs. Aufgrund der endlichen Verschlussgeschwindigkeit wird für sehr kurze Verschlusszeiten im Bereich 1/500 s bis 1/60 s die Belichtung vom Zeitpunkt an der der Verschluss halbgeöffnet ist (50% Signal) bis hin zum Zeitpunkt bis er wieder halb geschlossen ist gemessen (siehe Cursor-Positionen in Abbildung 3 d). Für Belichtungszeiten von 1/30 s oder länger spielt die Verschlussgeschwindigkeit dagegen keine Rolle, da die Belichtungszeit groß gegenüber der Öffnungs- bzw. Schließdauer ist. Um sicher zu gehen, dass es sich bei den beobachteten Flanken nicht um die Anstiegszeit des Verstärkers handelt, also ein Messartefakt, wurde diese mit einer einfachen Messung abgeschätzt. Dazu wurde eine LED (Osram SSL 80) mit einem Rechteck-Signal und einem geeigneten Treiber schnell ein- und wieder ausgeschaltet, wodurch ein zeitlich sehr „scharfer“ Lichtblitz erzeugt wird. Die Flanke der detektierten Spannung hat eine Dauer von 2 μs (10−90%) und ist damit deutlich kürzer als die gemessenen Öffnungs- und Schließzeiten des Rolleicord-Verschlusses.

Nun werden sich die meisten Nutzer einer Kamera wahrscheinlich noch nie Gedanken über die Geschwindigkeit des eingebauten Verschlusses gemacht haben und tatsächlich spielt diese für die meisten Fälle auch überhaupt keine Rolle. Interessant wird es allerdings wenn man mit sehr kurzen Belichtungszeiten (hier 1/500 s oder 1/250 s) und unterschiedlichen Blenden fotografiert. Da sich Verschluss und Blende beide relativ dicht beieinander im Objektiv befinden, hat die Blende einen Einfluss ab welchem Zeitpunkt die maximale Lichtmenge auf den Film gelangt. Mit anderen Worten benötigt der Verschluss länger eine Blende F3.5 freizugeben als eine Blende F22. Als Konsequenz steigt die tatsächliche Belichtungszeit und damit die den Film erreichende Lichtmenge mit zunehmender Blendenzahl deutlich an. Abbildung 4 zeigt die zugehörigen Messungen bei 1/500 s mit unterschiedlichen Blendenzahlen.


Abbildung 4: Gemessene Belichtungszeiten bei einem eingestellten Wert von 1/500 s in Abhängigkeit der Blendenöffnung F3.5 (a) bis F22 (f). Mit zunehmender Blendenzahl verlängert sich die tatsächliche Belichtungszeit signifikant um 96%. Um die Messungen gut untereinander vergleichen zu können, wurde die Intensität der Lichtquelle bzw. die Sensitivität des Oszilloskops angepasst.

Gut zu erkennen ist, dass für F22 aufgrund der Verschlussgeschwindigkeit die Belichtungszeit nahezu doppelt so groß ist wie bei F3.5 und selbst bei F8 beträgt die Zunahme noch mehr als 50%. Die Zeitautomatik ist also scheinbar auf kleine Blendenzahlen optimiert. Es sei darauf hingewiesen, dass dieser Effekt aufgrund der Position von Blende und Verschluss keinen Einfluss auf die räumliche Verteilung der auf den Film treffenden Lichtmenge hat. Rein theoretisch wird allerdings für weit geöffnete Blenden die Tiefenschärfe erhöht bzw. die Freistellung reduziert, da aufgrund der endlichen Verschlussgeschwindigkeit effektiv eine gewisse Zeit mit höherer Blendenzahl fotografiert wird. Das hat aber wohl keine praktische Relevanz und soll daher auch nicht weiter diskutiert werden. Auch sollte berücksichtigt werden, dass ich hier eine homogene Lichtverteilung auf der Blende angenommen habe; überprüfen kann ich das nicht.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass nach der Reparatur die gemessenen Belichtungszeiten sehr gut mit den eingestellten Werten übereinstimmen. Die etwas größeren Abweichungen ab 1/4 s und länger stellen meines Erachtens kein Problem bei der praktischen Nutzung der Kamera dar. Wichtiger für mich ist hingegen der Nachweis, dass die eingestellten Belichtungszeiten auch reproduzierbar umgesetzt werden. Die Reparatur kann damit als erfolgreich angesehen werden. Die zusätzlichen Informationen zur Geschwindigkeit des Verschlusses und den damit verbundenen Auswirkungen auf die Belichtungszeit sind eher theoretischer Natur und werden wohl nur für die wenigsten Nutzer jemals relevant sein, mich eingeschlossen. Sollte doch jemand mal mit 1/500 s und F22 fotografieren wollen, kann so eventuell eine Überbelichtung vermieden werden.

Zum Abschluss möchte ich dem farblosfoto-blog für die Ermöglichung dieses Gastbeitrags danken. Ich hoffe, dass die vorgestellten Ergebnisse dem ein oder anderen Leser weiterhelfen oder vielleicht sogar dazu animieren die Messungen selbst durchzuführen und zu überprüfen. Ich freue mich über Kommentare und Anregungen.

Kommentar Farblosfoto.de
Vielen Dank für den ausführlichen und informativen Beitrag.

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