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相機快門的工作原理是什麽?

2023-11-22數碼

這個問題以前回答過。

快門是什麽?關於快門的前世今生

我們知道,快門不僅可以實作『高速拍攝』,也能夠完成很長時間的曝光,那『快門』這個轉譯,是不是有點不準確呢?因此,也有人把快門稱之為『光閘』,既形象又準確,但是為什麽這個說法並不如『快門』流行呢?

關於快門,想必大家已經很熟悉了,網上也有無數的資料,但是無非都是什麽高速凝固瞬間或者長曝光表現柔順這些老生常談的話題,要麽就是很零散的資訊,今天,我們就來認認真真的討論一下快門,從菲林時代講到數碼時代,講述他的前世今生,有可能是你看過最為全面完整的快門知識了。

快門是什麽?

快門,是照相機或者鏡頭中控制曝光時間長短的裝置。

英文名為Shutter,粵語中直接音譯了,失打。

我們都知道了,快門不僅可以實作『高速拍攝』,也能夠完成很長時間的曝光,那『快門』這個轉譯,是不是有點不準確呢?因此,也有人把快門稱之為『光閘』,既形象又準確,但是為什麽這個說法並不如『快門』流行呢?

一些看似謬誤的背後都有歷史的因素。

早期感光材料的的感光效率很低,比如達蓋爾的銀版攝影,曝光時間往往需要幾分鐘甚至幾十分鐘,即使後來人們將溴用於銀版的光敏過程,曝光時間大幅縮短,但是也得幾秒鐘。

這個曝光時間壓根就不需要快門,把鏡頭蓋摘下來,開始拍攝,然後再蓋上就行了。

比如這張照片。巴黎神廟大道,第三區,路易·達蓋爾,這是公認為史上第一張有人的照片。
實際上這是一個很繁華的街道,但因為曝光持續了幾分鐘,移動的車輛沒有留下任何痕跡。只有靠近左下角的兩個人,顯然一個人正在給另一個人擦靴子,因為在一個地方停留了很長時間,你才能看到。

後來感光度更高的乳劑材料被發明出來後,曝光時間來到了幾分之一秒,這時候用手來摘鏡頭蓋這種方式已經不行了,這時候, 急需一種精確控制『短時間』曝光時間的手段。

於是,這種可以控制曝光時間開合的裝置誕生,人們直接稱他為快門。

我們經常用『哢嚓』來形容快門的聲音,就是因為這是兩個過程,哢-開啟快門,嚓-關閉快門。

但是一般情況下,由於曝光時間較短,這兩個聲音是不容易分辨的。但是如果快門時間比較慢,就可以輕易的聽出來,我給大家演示一下,這是4秒的快門,哢開啟快門,嚓,關閉關門。

如果哪天傍晚下午,你去公園玩,旁邊的人在使用手持相機拍照,你可以明顯的聽到這兩個聲音的間隔,那麽這時候你可以漫不經心的說一句,糊了。深藏功與名。

那麽,既然有了快門這個裝置,把它放到哪裏呢?

找到自己的位置

把鏡頭蓋改改吧

既然最早的快門是鏡頭蓋,直接改改不就行了麽?

是的,人們也是這麽做的,於是就有了『鏡前快門』,當時比較常用的鏡前快門叫做『氣動二葉快門』,由於是二葉,所以稱之為『門』,你看這個轉譯還是特別形象的。

形態類似於鏡頭蓋,所以早期的快門也更像是一個附件,也許當時的人們也有『快門丟了』,『快門忘帶了』了的苦惱。這裏順便做個小調查,大家丟過鏡頭蓋沒有,丟過的摳1,沒有丟過的摳2。

一個理想的快門,是什麽樣子?

  1. 瞬間開啟;
  2. 開始曝光;
  3. 瞬間關閉。

但是瞬間完成,是不可能的。

由於要放到鏡頭前面,不能遮擋光路,所以這個『鏡頭蓋』的口徑要做得盡量大。

做的大了,葉片要行進的路程就變長了,開合的時間就變長了,這樣是會影響曝光的準確度的。

但是鏡前快門,也有自己的優點,結構簡單,容易裝配,套上去就行了。

所以後來有些采取了機械快門的手機,幾乎都是鏡前快門。不過具備『機械快門』的手機並不是很多,只用在了少數的拍照旗艦上,比如諾基亞的N系列,以及大名鼎鼎的諾基亞preview 808,和後來的繼任者1020。

帶來的結果就是,體積和厚度直接放飛自我。

正是因為這個致命缺陷,所以現在手機幾乎都采用了『電子快門』,這個我們下文會詳細說明。

塞到鏡頭裏邊去

既然鏡前不太行,那我們把快門裝到鏡頭裏邊不就行了麽?

是的,於是就有了 鏡間快門 ,一段時間內,鏡間快門這種結構幾乎是相機市場的主流,不論是135還是中畫幅,不論是雙反還是旁軸,都采取了鏡間快門。

而且葉片也從兩葉變成了3片,到後來最為普遍的5片。

原理也很簡單:

  1. 每個葉片上有一個點,作為旋轉的軸點(圖中的黑點);
  2. 還有一個點在環的推動下,繞著軸點旋轉,就開啟了快門,反方向就是關閉快門;
  3. 快門葉面是有重疊的,一片壓一片,防止漏光。

順便說一句,光圈葉片也是同樣的原理,只不過鏡頭的光圈葉片往往會更多。

光圈和快門很好區分,快門需要完全閉合,但是光圈始終會有一個『洞』,此時就是最小的光圈。

而且聰明的你肯定也發現了,既然鏡間快門的原理光圈很類似,那麽鏡間快門是不是也會影響景深?

是的, 鏡間快門的的景深,確實會更深,而且,動作越慢,景深會越深。

從理論上講,由於葉片開啟閉合總需要時間,中間的曝光量大於邊緣的曝光量,所以就會產生暗角的現象,不過實際使用中,並不明顯。你在照片上看到的暗角,多半是因為鏡頭引起的,主要因素並不是快門。

由於快門結構設計在鏡頭中,所以每一個鏡頭都需要一個快門結構。對於可換鏡頭的系統來講,這其實是一種『浪費』,對於不可換鏡頭的相機來說,那就無所謂了,比如富士的X100s。

還有一個致命缺陷,鏡間快門基本上都是用彈簧這種方式驅動的,彈簧的特性導致了鏡間快門的速度做不到很高,1/1000秒已經算是很快的速度了。對於一些運動場景來說,並不太夠用。

這也就是現代數位相機,不論是單反還是無反,幾乎很少采用鏡間快門的原因了,說到底,還是太慢了。

鏡間快門多由很薄的鋼片制造,厚度還有體積都可以做到很小,所以幾乎很多ps機都是使用的鏡間快門,閃光燈可以在所有快門速度下同步。

p.s關於閃光燈同步這個問題,將在焦平面快門中進行詳細解釋。

既然鏡間快門,也有自己的缺點,那要不然放在後邊試試?

鏡後快門

把快門裝置再朝後邊挪一點,這就是鏡後快門了。原理上並無太大的差異,采用的機器並不多,這裏就不過多介紹了。

蔡司伊康 TENAX II相機的鏡後快門

這裏要介紹一種最為常見的鏡後快門,也就是

焦平面快門

但是這個鏡後的位置比較特殊,快門的結構是安裝在菲林或者感光元件的前面,離焦平面很近,故得此名。甚至焦平面快門比鏡後快門還要被人們所熟知,

原理也比較簡單,就是一塊黑色的長方形擋住菲林或者感光元件。

觸發快門時,移開這黑色長方形,曝光結束後再拉回來。運動方向從左到右,或者從上到下都行。

很簡單是吧,但是問題來了:

比如快門簾是從左向右運動,那麽這種方式註定了,菲林/感光元件的左邊比右邊曝光要強一點,導致曝光不均勻。如果鏡間快門導致的不均勻是暗角,那這種方式導致的不均勻也許就是『漸變』。

人們很快就給出了改進方案,一塊簾幕不夠的話,用兩塊不就行了。前簾剛走,後簾立馬跟上就是。光線透過兩個簾幕之間快速移動的窄縫,來進行曝光,如圖所示。

簾幕的機械運動速度總有上限,那麽怎麽實作超高的快門速度?比如1/8000s這種。

關鍵就在於這個『窄縫的寬度』,比如上邊這個示意圖的縫隙表示的是1/100s的進光量,那麽只要將窄縫的寬度縮小一半,以相同的速度移動快門簾,就可以或者等效於1/200s的進光量,所以,快門速度的調整實際上是調整窄縫的寬度,也就是前後簾啟動的時間差。

實拍了一段潘太康6相機觸發快門後,快門簾幕的運動(使用960FPS拍攝),設定的快門速度是1/60s。

可以看到這個快門簾是用布做的,到了後來,出現了金屬的簾幕,由多片的狹長金屬薄片組成,大多數的都采用了鋁合金的材質,當然稍微土豪一點,直接就上了鈦合金。

比如1981年釋出的尼康FM2,使用了印有蜂巢形狀的鈦合金葉片,是世界上第一款快門速度直接達到了1/4000秒的全機械單鏡反光機。

現在絕大部份的單反和微單采用的就是焦平面快門,結構可靠,運動方向是從上到下,所以稱之為,

也能達到很快的快門的速度,一般的相機都能達到1/4000秒,旗艦的相機可以達到1/8000秒。

如果你細心觀察,會發現一個問題,焦平面快門的曝光過程,其實透過前後簾幕間的『窄縫』運動而達到 等效 快門速度的效果,所以快門時間內任何一個瞬間,曝光量都是一部份,而不是一瞬間完成整體曝光。

所以這種快門也叫做, 縱走式焦平面快門。

新的問題又出現了。

閃光燈與高速快門不可兼得?

使用閃光燈,如果在高速快門下進行拍攝,有可能照片會出現黑條的現象。

使用離機引閃,快門速度1/350s,照片上半部份出現黑條。

這就是 縱走式焦平面快門帶來的結果。

為什麽呢?

你也可以這麽理解,假設快門速度是1/400,閃光燈的同步速度是1/200秒,也就是說閃光燈需要1/200秒的時間才能將光的能量全部輸出,但是你們快門速度是1/400s,也就是剛放出一半的能量,就被掐斷了。自然就會出現畫面局部是黑條的情況。

一個快門簾能維持快門全開的最高的最高速度稱之為閃燈同步速度上限。

最常見的一種情況,就是當你裝上閃光燈後,快門速度就會被限制,這是相機為了防止你拍出廢片的自動化設定,一般來說,這個速度多在1/200左右。

那麽如何在高速快門下也使用閃光燈呢?

使用具有高速同步閃光功能的閃光燈。

既然一次閃光不能照亮,那我讓閃光燈連續不停地閃,直到這個簾幕窄縫掃過整個畫面不就行了麽,是的,這就是高速同步閃光的原理,把原本閃一次的亮度按照頻閃的方式輸出,從而達到在高速快門下使用的目的。

還有一種方式,就是使用鏡間快門,我們之前提到過。

當然還有一招最有效的,就是別用閃光燈了,換恒亮燈。

不管是鏡間快門還是焦平面快門,都需要運動,快門只有動起來才會有作用,那麽

快門是怎麽動起來的呢

我們先來聊一下

機械的浪漫

彈簧,發條,齒輪,都是用作驅動快門的方式。

而這裏邊,用的最多的就是彈簧,既然是彈簧,所以需要手動『上弦』來壓緊或者拉伸彈簧。

除了彈簧,還有發條這種形式,理光有很多機器采用了這種形式完成過片和上弦,我之前恰好做了一個影片介紹,大家有興趣可以去看看。

發條的原理的話,就跟這個東西差不多。

快下快門的一瞬間,彈簧能量釋放,配合其他的齒輪和彈簧的結構,能夠調節釋放的速度,從而驅動快門動作。

但是機械的東西,有一個巨大的問題就是,他不夠持久,過一段時間之後,由於磨損,汙漬,腐蝕等原因的影響,效能是會下降的,所以很多老舊相機的快門不準,也正是由此導致的。

而且受制於彈簧或者發條的特性,機械快門是有上限的,這明顯滿足不了人們日益增長的快門速度的需求。

有沒有更好的方式?

電力驅動一切

進入電力時代後,人們直接把驅動的動力由機械改成了電子驅動,比如馬達或者電磁鐵,更加耐用;快門速度由石英計時電路控制,更加精準。

這也就是為什麽石英表出現後,幾乎打敗了一眾的機械手表的原因,原因就是——『太準了』,石英的振動得相當規律,即使最垃圾的石英表,一天之內的誤差也不會超過一秒,你幾十萬的百達翡麗都沒這個準。

而你要做的,只是備好一塊電池。

但是電子快門的弊端也正是來自於電:

電量不足時,是無法驅動的,即使是再高端的相機,沒電了也只能是一堆廢鐵。所以早期的很多電子快門的機器,往往還給你了一個不需要電力驅動的機械快門速度(最常見的是1/60s或者1/30)提供備用。

而且電子驅動的方式也更容易受到溫度,濕度的影響,由於整合度高,一旦壞了,維修方法只能是更換。

不論怎樣驅動快門,都會優缺點,那有沒有一個徹底的解決方法?

有,那就是幹掉快門這個結構,也就是說,快門也可以不用實際存在。畢竟都不存在了,你還找什麽缺點?

『門』也可以不用實際存在

數碼時代,感光元件換成了CCD/CMOS。

所以開啟快門接收光,關閉快門這個動作可以直接等效成: 開電讀取訊號,拔電停止讀取訊號。

這種方式也被稱之為電子斷流快門。

本質上就是電路控制,沒有任何機械結構,也就無所謂體積和重量了,也沒有什麽成本而言,對於一些小型的器材來說,幾乎是唯一的選項,比如手機。

既沒有什麽震動,也可以做到很高的快門速度,1/1000000s也不在話下。也沒的機械效能衰減的隱患,理論上只要有電,可以做到無限次。

所以,使用電子斷流快門的拍攝器材,從原理上來說,是沒有『快門聲音』這個東西的,你聽到的,只不過是相機給你放了一段音效而已。如果你願意,你可以把你手機的快門聲音改成任何你喜歡的聲音。

看起來電子快門全是優點,那為什麽現在的相機,大多數還是保留了機械快門呢?

由於沒有物理『門』的存在,只要是開機,感光元件就一直暴露在光下,當快門動作執行時,感光元件上還有殘留的電荷,這個殘留的電荷會影響畫質,最為常見的就是高光溢位。

為了緩解這個情況,有的元件在快門動作前會有一個『電荷清零』的操作,但是這個操作是需要時間的,這也就是電子快門會有一定的『時延』的現象——雖然快門速度很快,但是執行的時候卻慢了半拍。這也就是為啥手機抓拍總沒有相機好用的原因之一。

另外機械快門可以防塵,除此之外,一個目前套用的電子快門的器材必須面臨的問題——果凍效應。

像果凍一樣Q彈並不是好事

如果你在高速行駛的汽車上拍過窗外的風景,就會發現不論是路燈或者樹,都變『斜』了。

這種現象被稱之為果凍效應,你可以晃動一個果凍試試看,效果十分類似。

原因在於,目前的感光元件大多采用的是卷簾快門,順便說一句,果凍效應的英文是Rolling shutter effect,而不是Jelly effect。

在解釋卷簾快門之前,我們先來復習下,影像傳感器的作用-光電轉換。

  1. 接收光訊號
  2. 將光訊號轉換為電訊號。

因此就誕生了兩種快門方式:

全域快門:同一時間,所有像素接受光源,然後再轉換成電子訊號;

卷簾快門:類似於隔行掃描的方式來讀取。接收一行,轉換一行。

使用卷簾快門時,讀取方向由上到小,同時你的相機(汽車)也在快速地從右向左運動。自然就會產生這樣的效果。

同理,使用『 縱走式焦平面快門 』也會有果凍效應這個問題

那既然如此,為啥不用全域快門呢?

是因為卷簾快門可以獲得更好的幀速率。

舉一個不恰當的例子,你現在要運送10000塊磚到工地蓋房子,但是你的車每天只能拉1000塊,目前有兩個方案:

  1. 先運磚,10天之後磚全部運到,再開始蓋房子;
  2. 運1000塊,就開始蓋,之後邊運邊蓋。

那種效率更高呢?答案是很明顯的。

還有一個原因就是,全域快門很難做到高像素,因為像素增加,意味著需要處理的數據量也變大,對於功耗,處理器速度,成本都提出了要求。

還是上邊那個例子,能一次拉10000塊磚的車即使能造出來,肯定也要比能1000塊的貴得多,而且更加費油。成本上不劃算吶。

一般來說,CCD多采用全域快門,CMOS多采用卷簾快門。CCD也為幀速率和像素的問題,而慢慢被CMOS淘汰掉了。

不過目前也有一些采用全域快門的CMOS面世,比如索尼的 Pregius S傳感器。

下來我們在來說一下快門速度。

如何表述速度?

通常情況下,我們是以時間來描述快門的速度的,比如1,1/2,1/4,1/8,1/15,1/30,1/60,1/125,1/250,1/500,1/1000,1/2000等。

如果你想曝光的時間,不是這些固定的值呢?

B門,BULB模式,快門按下,開始曝光,松開,結束曝光,快門速度取決你按壓快門的時間。

T門,快門按下,開啟快門,再按一次,關閉快門,曝光時間取決於你兩次按壓的間隔的時間。不過目前的大部份相機已經沒有這個選項了。

由於按壓快門會產生震動,所以在進行長曝光的時候,可以不直接接觸相機的快門,比如使用快門線或者手機無線控制來進行對於快門的操作。

安全快門

手持拍攝,能夠使得畫面不糊的快門速度,通常就是安全快門。

通常的說法是,安全快門的速度是焦距的倒數,比如你使用50mm的鏡頭,那麽安全快門的速度是1/50s。

這裏的焦距是等效焦距,如果你使用APS-C的機器,還需要乘上等效系數,比如你使用索尼的A6X00系統,裝上一顆50mm的鏡頭,等效焦距就是1/(50*1.5),大概是1/75s。

其實安全快門是一個『經驗公式』,並沒有嚴格的規定。

而且照片糊不糊,除了快門速度之外,像素的高低,相機防抖強不強也很重要。

最重要的是你自己, 練就一個無情鐵手其實也不是一件很難的事情。

速度是如何影響形態的

拍攝的是固定的物體,那麽快門速度的影響不是很大。

拍攝的是動態的物體,由於快門速度拍攝的是「一段時間」內的事物,由於時間的不同,物體的動態記錄的長短也不同。

如果想凝固瞬間,使用較快的快門速度;

如果想展示物體運動的痕跡,則使用一個較慢的快門時間。

不過,過長的曝光時間,也會出現噪點。

拍影片時調節快門速度

對於影片來講,如果快門速度過快,會出現卡頓感(缺少運動模糊),如果快門速度過慢,過多的運動模糊,又缺失了畫面的細節。為了讓動態模糊和細節都能達到一個平衡,通常拍攝影片時,快門速度建議為兩倍幀率的倒數。

比如,

使用24幀拍攝時,建議使用1/50s(為啥不是1/48s?因為大多數相機沒有這個選項啊)

使用120幀拍攝時,建議使用1/250s。

在攝影機裏,也被稱之為180度快門,這裏的說法也就不是什麽快門速度了,而是快門角度。

結語

我們用快門來『截取』光線,來完成『瞬間』的記錄。

本質上是在按照自己的欲望,在斷章取義的理解這個世界。而快門,不過是你實作這個過程的一個載體。

快門從機械到電子,從有形到無形。

也許之後,你壓根也不用考慮快門速度這個問題了,比如你用以觀察這個世界的眼鏡,你從未關心過他的速度。

沒有什麽比快門更加自私的東西了。

希望能夠解答你的一些疑惑。都看到這裏了,如果對你有幫助的話,不妨點個贊同,讓更多人看到,若有什麽不同見解的地方或者我的紕漏錯誤之處,歡迎在評論區討論。

以上。

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