????????本文共4000字

????????以對(duì)電子前簾快門的解釋為主，文末有如何在各種快門中選擇。

????????在對(duì)電子快門的講解中，由于涉及到比較根本的原理，因此也用了大量文字。

????????相機(jī)的快門是用來(lái)控制圖像曝光時(shí)間的機(jī)構(gòu)。常見(jiàn)的快門種類有：電子快門、純機(jī)械快門（焦平面快門、鏡間快門）、電子前簾快門。

一、電子快門：

????????電子快門即使用電子控制傳感器是否進(jìn)行曝光。整個(gè)過(guò)程如下：

??????? 傳感器的工作原理是光電效應(yīng)。當(dāng)光子入射到傳感器表面時(shí)，會(huì)被轉(zhuǎn)換成一個(gè)電子存儲(chǔ)在勢(shì)阱中。光線越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電子就越多，以此就可以得到每個(gè)像素處的照度。

????????首先清空勢(shì)阱內(nèi)殘留的電子，由于有光線照射就會(huì)因光電效應(yīng)產(chǎn)生電子，因此基本上清零結(jié)束的瞬間就相當(dāng)于是曝光開始的時(shí)刻，或者說(shuō)是開始累積電子的時(shí)刻。

????????當(dāng)累積電子的時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)的時(shí)間（曝光時(shí)間）后，就將勢(shì)阱內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移、讀出，完成一次曝光的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程是所有數(shù)碼相機(jī)所有種類快門的基礎(chǔ)。

????????但對(duì)于普通的CMOS傳感器（以下所有傳感器均指CMOS圖像傳感器）來(lái)說(shuō)，由于讀出的過(guò)程只能逐行進(jìn)行，并且需要一定的時(shí)間，因此需要清零的過(guò)程也與此匹配，這種工作方式稱為卷簾快門（Rolling Shutter）。對(duì)于整幅傳感器如下圖所示：

????????可以看到，由于逐行進(jìn)行曝光，存在一個(gè)時(shí)間差，因此下一行輸出的圖像相比上一行是滯后的。從首行到尾行的時(shí)間差不斷累積，最終總的時(shí)間差代表著傳感器的讀取速度，或者叫讀出時(shí)間等等。這一時(shí)長(zhǎng)受到像素行數(shù)、ADC精度、傳感器工藝等的影響，與傳感器大小無(wú)關(guān)。大多數(shù)相機(jī)在30ms左右，一些高像素機(jī)如SONY α7R4為100ms，視頻特化機(jī)如SONY α7S3為8ms，速度機(jī)如SONY α1為4ms（目前最快），α9、EOS R3為約6ms。

????????由于記錄圖像存在時(shí)間差，因此在拍攝相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生形狀的失真，看上去像果凍一樣扭曲，被稱為果凍效應(yīng)。頻閃光源產(chǎn)生的光帶也是同一原因。

????????為了減輕電子快門的果凍效應(yīng)，就必須加快讀取速度，堆疊式（stacked）傳感器就是為此而生。原先的電路層只能用與像素層相同的制成制造，速度較慢。堆疊式可以采用更高的制程生產(chǎn)電路，然后堆疊在像素層下面，從而提高了速度同時(shí)縮小了體積。

????????目前幾乎所有手機(jī)都采用堆疊式傳感器，F(xiàn)ujifilm X-H2S也是采用此類傳感器。更進(jìn)一步地，在其中加入DRAM緩存層，讀取速度可以更上一層樓，SONY α1、α9，Canon EOS R3，Nikon Z9的傳感器都屬于此類。缺點(diǎn)是由于電路層離像素更近，會(huì)導(dǎo)致額外產(chǎn)生噪聲導(dǎo)致畫質(zhì)下降，目前α1所采用的傳感器是受影響最小的，也是最先進(jìn)的。

????????網(wǎng)上有許多人想當(dāng)然認(rèn)為這些各家最昂貴的頂級(jí)旗艦畫質(zhì)也一定比普通相機(jī)好，這是錯(cuò)誤的，它們只是速度很快。例如下圖中為相機(jī)欠曝6檔提亮的對(duì)比圖，左側(cè)為EOS R3，右側(cè)為α1；上部是機(jī)械快門，下部是電子快門：

????????除此之外，還可以給每個(gè)像素單獨(dú)設(shè)置緩存，使得整個(gè)傳感器的所有像素同時(shí)開始和結(jié)束曝光，完全消除果凍效應(yīng)，這種工作方式稱為全局（全域）快門（Global Shutter）。CCD傳感器在原理上天生就是“全局快門”，這也幾乎是其相較于CMOS傳感器來(lái)說(shuō)唯一的優(yōu)點(diǎn)。目前全局快門的CMOS傳感器成本較高，噪聲較大（相對(duì)于普通CMOS傳感器來(lái)說(shuō)），因此主要應(yīng)用在非民用領(lǐng)域。

二、機(jī)械快門

????????機(jī)械快門即使用機(jī)械結(jié)構(gòu)控制光線是否入射到傳感器（膠片）上。本文是面向數(shù)碼相機(jī)，膠片與其類似，不進(jìn)行贅述。

1、焦平面快門

????????因?yàn)橐话阆鄼C(jī)為了控制成本，只能使用普通的傳感器，因此為了減輕果凍效應(yīng)，雖然電子快門也能控制曝光，但也為相機(jī)配備了焦平面快門。顧名思義，此快門機(jī)構(gòu)放置在傳感器前。目前相機(jī)廣泛使用的為縱走式焦平面快門，分為機(jī)械前簾和后簾，通過(guò)沿豎直方向運(yùn)動(dòng)幕簾的開閉來(lái)控制光線是否入射。具體工作方式如下圖（圖中繪制的快門簾間隙較大，是為了方便區(qū)分，實(shí)際的兩快門簾緊貼在一起）：

????????相當(dāng)于是在一次電子快門中增加了機(jī)械快門的開關(guān)。當(dāng)前簾落下后，傳感器處于全黑環(huán)境中開始曝光，此時(shí)雖然曝光，但并沒(méi)有光線入射，也就沒(méi)有圖像可以記錄，即便各行曝光的時(shí)間不同，也不會(huì)造成最終畫面曝光不均，結(jié)束曝光時(shí)同理，只需要快門打開時(shí)光線掃過(guò)各行像素的時(shí)間相同即可。

????????那么焦平面快門是如何減輕果凍效應(yīng)的呢？看下圖：

????????可以看到，相當(dāng)于用更加快速的焦平面快門簾的運(yùn)動(dòng)（上圖實(shí)際時(shí)間差）代替了較慢的電子快門的逐行掃描（讀出時(shí)間），從而有效減輕了果凍效應(yīng)。對(duì)于全畫幅相機(jī)來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)間一般在4ms左右（閃光同步時(shí)間），與α1的電子快門速度是一致的（α1沒(méi)有像Z9一樣取消機(jī)械快門的原因是其用了改進(jìn)的快門簾，把同步時(shí)間從4ms縮減至2.5ms）。網(wǎng)上許多人認(rèn)為機(jī)械快門沒(méi)有果凍效應(yīng)，或電子快門的果凍效應(yīng)一定大于機(jī)械快門，這是錯(cuò)誤的。

????? 但在曝光開始前由于存在快門簾的運(yùn)動(dòng)，會(huì)引起相機(jī)震動(dòng)，可能導(dǎo)致畫面模糊。

????? 除了縱走式焦平面快門，還有一種在攝像機(jī)中使用的焦平面快門，可以控制張開角度的轉(zhuǎn)盤形葉子板快門。因?yàn)槿绻麛z像機(jī)也使用相機(jī)的快門，需要每秒至少往復(fù)運(yùn)動(dòng)24次，無(wú)論是壽命還是震動(dòng)都是很不理想的，更何況還有更高幀率的視頻。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)的快門也可以做到在錄制時(shí)光學(xué)取景：

????????其旋轉(zhuǎn)一圈就是一幀，每秒25幀則每秒旋轉(zhuǎn)25圈。用快門角度表示曝光時(shí)間的方法就是從這里出現(xiàn)。圖中所示的就是90度快門，曝光時(shí)間就是每幀時(shí)長(zhǎng)的1/4，對(duì)于25幀的視頻就是1/100s，如果張開180度，則是1/50s。目前的傳感器速度已經(jīng)足夠，不再需要這樣的快門。

2、電子前簾快門

????????為了解決焦平面快門機(jī)震的問(wèn)題，讓傳感器清零的過(guò)程與快門簾匹配，即用電子控制逐行開始曝光來(lái)代替機(jī)械前簾，這種工作方式稱為電子前簾快門，如下圖：

????????但這又會(huì)引入新的問(wèn)題——切光斑。看下面這張使用電子前簾快門拍攝的圖片：

????????看上去所有左側(cè)的光斑都被切掉了上部，右側(cè)的被切掉了下部。實(shí)際上，中間一列是光源位于對(duì)準(zhǔn)平面上，左側(cè)是位于對(duì)準(zhǔn)平面前（靠近相機(jī)方向），右側(cè)位于對(duì)準(zhǔn)平面后。

????? 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的條件是極短的曝光時(shí)間，如1/8000s，大彌散斑能讓這一現(xiàn)象更加明顯。其產(chǎn)生原因是，傳感器（電子前簾）與機(jī)械后簾有顯著間隙。下圖以對(duì)準(zhǔn)平面后的物點(diǎn)為例：

????????放大看，普通機(jī)械快門對(duì)于彌散斑各部分的曝光是均勻的，而電子前簾快門由于存在非對(duì)稱性，因此下部曝光較多，而上部曝光較少。當(dāng)曝光時(shí)間很短時(shí)，兩快門的開口會(huì)很小，導(dǎo)致上部的大角度入射光線無(wú)法從縫隙通過(guò)，光斑對(duì)應(yīng)的部分就完全變?yōu)楹谏弧扒械簟绷恕?/span>

????????這最開始是我自己的猜想，所以也略微驗(yàn)證了一下。按照這種方式運(yùn)行，光斑的亮度是線性變化的，而我對(duì)于光斑各位置的亮度采樣也大致可以印證我的猜想：

????????上圖中橫坐標(biāo)是由下向上的在光斑縱向長(zhǎng)度的占比，縱坐標(biāo)是相對(duì)亮度。雖然測(cè)量很粗糙，但大致也能看出是線性變化。

????????曝光時(shí)間越短，切掉的光斑就越多。在曝光時(shí)間長(zhǎng)于一定值后，光斑就會(huì)完整，但亮度依然不均勻，不均的程度隨曝光時(shí)間的增加而減小。除此之外，電子前簾還有可能增加軸向色差。SONY α7c只有電子前簾而沒(méi)有機(jī)械前簾，喜歡用大光圈鏡頭拍人像的用戶需要留意。

????????除了會(huì)導(dǎo)致彌散斑曝光不均，當(dāng)使用極短曝光時(shí)間在暗光環(huán)境下拍攝時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)類似電子快門拍攝頻閃光源時(shí)整體畫面曝光不均的情況，有時(shí)無(wú)法復(fù)現(xiàn)。原理我沒(méi)有想出來(lái)，猜測(cè)應(yīng)該是機(jī)身層面的前后簾匹配的問(wèn)題，不是電子前簾本身原理層面的問(wèn)題。

????????電子前簾有一個(gè)經(jīng)常被忽略的優(yōu)點(diǎn)——延遲低。延遲即摁下快門到相機(jī)真正記錄畫面的時(shí)間間隔。如果延遲過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致拍攝者想拍的畫面與最終得到的畫面有很大差異，尤其是拍攝迅速變化的物體時(shí)。純機(jī)械快門由于需要快門關(guān)閉再打開才能開始曝光，因此需要額外消耗一段時(shí)間，而電子前簾和電子快門就都不需要。

????????下圖是我借助電腦測(cè)試的延遲時(shí)間，其僅具有相對(duì)參考的價(jià)值，不能與網(wǎng)絡(luò)上其它數(shù)值進(jìn)行對(duì)比?！皹?biāo)定”一欄中，前簾的數(shù)值是在網(wǎng)上查到的，然后機(jī)械和電子都是用測(cè)得的減去前簾處的差值。表中電子快門較慢是因?yàn)槠鹚泓c(diǎn)不在畫面邊緣，從而受到讀取速度影響了?？梢钥吹绞褂秒娮忧昂煹难舆t大約比機(jī)械低30ms。

3、鏡間快門

????????鏡間快門是被放置在鏡頭中光圈機(jī)構(gòu)附近的通過(guò)開合控制是否通光的裝置，其形狀一般與光圈接近，也有較廉價(jià)的使用兩片葉片，像夾子一樣控制開合。

????????這種快門主要用于畫幅較大的膠片攝影中，因?yàn)槭褂媒蛊矫婵扉T需要的面積很大，無(wú)論是震動(dòng)和速度都不能滿足需求。此外在部分品牌的數(shù)碼中畫幅相機(jī)、部分不可更換鏡頭相機(jī)如卡片機(jī)等領(lǐng)域也有應(yīng)用此類快門。

????????其工作順序與焦平面快門相同。在理想情況下，這種快門沒(méi)有果凍效應(yīng)。但由于其安裝在光圈處，在一次開關(guān)過(guò)程中，停留在外圈的時(shí)間比內(nèi)圈長(zhǎng)。在曝光三要素文中說(shuō)過(guò)曝光時(shí)間有“平均”作用，所以鏡間快門在工作時(shí)相當(dāng)于額外在光圈處插入了一片中心透光多、邊緣透光少的濾鏡，即實(shí)際曝光量低于設(shè)定曝光量，畫面偏暗，曝光時(shí)間越短越明顯。實(shí)際上，STF或DS柔焦技術(shù)的鍍膜就是在光圈處放置這樣一塊濾鏡，所以理論上在使用極短的曝光時(shí)間時(shí)能獲得更柔和的焦外（開始玄學(xué)），但景深也會(huì)增加。

????????同樣，對(duì)于用兩片夾而非光圈形的鏡間快門，光斑會(huì)出現(xiàn)不中心對(duì)稱的亮度衰減，如果衰減較嚴(yán)重，相當(dāng)于光圈換了個(gè)形狀，光斑也會(huì)像是被“切掉”了一樣，不過(guò)原理與電子前簾不同。

三、如何選擇快門類型

????????首先要關(guān)注在機(jī)身層面是否存在主動(dòng)限制畫質(zhì)的情況。例如佳能為了讓電子快門的果凍效應(yīng)看起來(lái)更小，部分相機(jī)的電子快門只能拍攝12bit而非14bit，動(dòng)態(tài)范圍受損。

????????其次不同相機(jī)可能機(jī)械快門簾使用時(shí)間較長(zhǎng)后，精度下降。例如我的相機(jī)在1/8000s曝光時(shí)，機(jī)械快門比電子快門亮了約0.8檔，這也同時(shí)會(huì)影響到電子前簾的曝光和前后簾匹配問(wèn)題。

????????以下均只從快門本身原理層面進(jìn)行討論，與其它因素?zé)o關(guān)：

????????1、電子快門與機(jī)械快門（包含純機(jī)械和電子前簾）如何選擇：對(duì)于體育機(jī)，要速度時(shí)選速度快的，不要速度時(shí)選機(jī)械快門。對(duì)于普通相機(jī)，當(dāng)相機(jī)和物體都幾乎靜止時(shí)，使用電子快門；當(dāng)運(yùn)動(dòng)明顯時(shí)，使用機(jī)械快門。

????????2、如何選擇純機(jī)械快門和電子前簾快門：一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)曝光時(shí)間長(zhǎng)于1/500s時(shí)就可以優(yōu)先使用電子前簾了，尤其是拍攝會(huì)議活動(dòng)等需要低延遲的場(chǎng)景時(shí)。但在室外拍攝時(shí)，有時(shí)會(huì)忽視曝光時(shí)間，因此設(shè)置成純機(jī)械快門更穩(wěn)妥。尼康好像有自動(dòng)決定使用機(jī)械快門還是電子前簾的功能？可以開啟。

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