最熟悉的「快門」,卻藏有這些你最陌生的認知

瘋攝     2021年08月12日

前言

每一個有拍過照的人都接觸過一個相機上的一個硬體,它就是你拍照時用右手食指按下、讓你聽到「咔嚓」一聲的那個按鍵,它有一個我們早已非常熟悉的名字——快門。

但是,我們需要明白一點:那個按鈕並非就是快門本身,它只是觸發快門的一個開關,喚之為「快門」只是我們口語習慣上的一個簡略稱謂而已。

那我們經常聽到的快門究竟長什麼樣子?它在拍攝過程中所起的作用是什麼?快門速度又是什麼?所有相機的快門都一樣嗎?你聽到的咔嚓聲真的就是相機快門的聲音嗎?

這些問題的答案,都藏在今天的文章中。

接下來,讓小編帶你重新認識相機中的「快門」——認識這個你「最熟悉的陌生人」。

一、快門的定義

在攝影中,所謂「快門」(shutter),是指控制光線抵達感光平面或傳感器的時間長度的一種光學裝置。快門由閉合至打開再回歸閉合狀態,此為一個快門週期,期間所花費的時間稱之為「快門速度」(shutter speed),用秒(s)表示。

需注意的是,我們平時所說的「快門速度」其實都是默認指曝光時長(時間值),而不是指快門在開閉過程中所達到的物理速率(shutter rate)。

小編在之前的文章曾介紹過光圈,它控制的是光線通過的孔徑面積大小;而快門控制的則是光線通過的時間長短,兩者共同決定了進入感光介質的光子總量,亦即決定了圖像的曝光水平。若以人眼作類比,光圈相當於瞳孔,快門相當眼瞼(俗稱眼皮),我們每眨一次眼便相當於相機按一次快門。

那麼快門都長什麼樣的呢?

二、快門的分類

在攝影技術發明的初期,快門這東西是沒有存在意義的。因為當時的底片顯影技術尚不成熟,拍攝一張相片需要花費相當長的時間,從幾分鐘至幾小時至不等。攝影史上第一張有記錄的相片約攝於1826年,名為《眺望》(View from the window at Le Gras),那張黑白照片至少曝光了8小時甚至數天時間,拍張相片的時間足以讓人睡上幾覺。如果硬要追溯的話,那麼用手遮擋的「鏡頭蓋」或許可以算是最原始的快門形態。

到了19世紀末,隨著幹版顯影技術的發展,膠片感光速度得到了大幅提高,拍攝一張照片所需的曝光時間也降至了秒級以下,因此,過去那種手動遮擋式的「人工快門」開始變得過時和落後,無法滿足日益增長的需求,於是便有了機械快門的出現。

攝影技術發明至今,快門的結構與組成經歷了各種版本的演化,快門種類也是五花八門,不同的維度可以有不同的劃分方法。本文暫且以「驅動方式」作為劃分依據,將快門分為「機械快門」和「電子快門」兩個大類。

下面分類詳述。

三、機械快門

所謂的「機械快門」,是指快門的計時方式和開閉過程都由機械裝置觸發並驅動。機械快門按內部結構的不同,又可以分為以下幾類:

轉軸式快門;

捲簾式快門;

隔膜葉片式快門;

焦平面快門;

3.1 轉軸式快門

轉軸式快門(Pivoted shutter)是一款非常原始的半手動半機械快門,大約約出現在1860年代前後[1],它的外觀如圖3-1所示:

最熟悉的「快門」,卻藏有這些你最陌生的認知

圖3-1,Photo via earlyphotography

這類快門一般置於鏡頭前面或者鏡頭中間。它簡單到只有一片轉軸式的金屬葉片和彈簧,手動撥動快門外部的短桿控制彈簧,從而驅動金屬片繞軸旋轉,打開或遮住通光孔,達到控制光線的目的。

3.2 捲簾式快門

捲簾式快門(Roller-blind shutter)是比較早期的一種機械式快門(如圖2-2所示)。木質框架中間是一個通光圓孔,背後是由橫桿捲住、可上下伸縮的黑色簾幕。一般為單簾,後來也出現了上下雙簾的設計。由彈簧控制橫桿帶動簾幕上下移動,通過一個外置橡膠皮球來觸發彈簧的能量釋放,從而減少快門的抖動。木框側邊顯示彈簧的圈數,彈簧越緊,對應的簾布移動速度也越快,亦即快門速度越高。

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圖3-2

捲簾式快門主要安裝在鏡頭靠前的中間位置,如圖3-3所示:

最熟悉的「快門」,卻藏有這些你最陌生的認知

圖3-3

3.3 隔膜葉片式快門

隔膜葉片式快門(Diaphragm shutter / Leaf shutter)的結構與如今流行的光圈類似,由若干層疊式弧形金屬葉片、制動桿和齒輪組成,通過機械撥桿觸發快門快速開啟與閉合。主要安裝在鏡頭中間。如圖3-4所示:

最熟悉的「快門」,卻藏有這些你最陌生的認知

圖3-4

我們平時很少見到這類快門,因為它主要應用於一些中畫幅高端相機。虹膜式快門的優勢就是可以獲得更高的閃光同步速度(高達1/1600 s)。

3.4 焦平面快門

所謂「焦平面快門」(Focal-plane shutter)是指位於焦平面上、感光底處之前的快門裝置。它的工作原理與捲簾式快門類似,不同之處在於通光路徑變成了快門簾幕(由遮光布、金屬或塑料製成)上的一條縫隙,水平快速移動縫隙即可控制底片的曝光時間。通過選擇不同的縫隙寬度和彈簧鬆緊程度,即可調節不同的快門速度。

後經改良,單簾變成了雙簾,當第一塊簾幕揭開底片準備曝光時,第二塊簾幕緊隨其後移動遮擋,兩簾之間的間隔即為通光縫隙。如圖3-5所示。

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圖3-5

與上述三類快門相比,焦平面快門的最大優點在於:快門內置於機身而非安裝在鏡頭,不必為每一支鏡頭配一個快門,大幅降低了生產成本。

但是焦平面快門也存在缺點。由於是局部按次序地曝光,這種快門在拍攝快速移動的物體時會出現變形或扭曲的現象。另外,在快門速度較快、開啟閃光燈的情況下,快門簾幕的移動速度跟不上閃光燈的曝光速度,導致閃光不同步,會出現簾幕遮擋、黑色拖影的現象[2]。

圖3-6為分別使用了1/60秒(上)和1/125秒(下)的快門拍攝的畫面對比圖,可以明顯看到下圖的黑色陰影:

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圖3-6

四、電子快門

若按電子驅動的應用範圍,電子快門還可以細分為「機電快門」(electromechanical shutter)和「電子快門」(electronic shutter)兩類。前者的電子驅動模式僅限於計時器部分,而快門依然是機械式簾幕。

本文重點介紹後者。

電子快門事實上並沒有像機械快門那樣的物理實體,而是集成於電子影像傳感器中的一種等同於快門的功能,所以也被為「傳感器快門」。

比之機械快門,電子快門具有以下優勢:

(1)快門運行時可以做到完全寧靜,無噪聲;

(2)大幅減少了快門釋放時引起的相機振動,增加了圖像的穩定性;

(3)可獲得非常高的快門速度,可高達1/32000 秒。

常用數位相機或錄影機所使用的電子傳感器主要有兩類:一種叫CCD,中文名為「電荷耦合元件」(Charged Coupled Device),另一種叫CMOS,中文名為「互補式金屬氧化半導體」(Complementary Metal Oxide Semiconductor)。如圖4-1所示:

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圖4-1,Photo via Ahmed Shakib

CCD和CMOS分別使用了兩種不同的電子快門:全域快門和滾動式快門。

聽到這裡,有人可能會問:

這是否就是我們平時拿相機拍照時所聽到的快門聲?

不是的。我們平時在數位相機上聽到的「咔嚓」聲,其實是裡面的「反光鏡」(無反相機沒有)翻轉時和機械快門開閉時發出的聲音。電子快門在運行時是沒有聲音的。

那全域快門和滾動式快門到底是如何運作的呢?

4.1 CCD全域快門

CCD傳感器由美國貝爾實驗室的兩位博士Willard Boyle和George Smith於1969年發明,它有三種架構,其中,後來改進的「行間轉移」(Interline transfer)架構比較常用。它使用的是全域快門(Global shutter,又稱全局快門),傳感器上的所有感光單元均在同一時刻曝光。

此類CCD的運行機制大致如下[3]:

傳感器分為「影像區」和「存儲區」,前者有光敏性,後者沒有。光線進入傳感器後與光電二極體發生光電效應,所有像素(感光二極體)均在同一時間曝光。

產生的電荷通過偏流門電路讀取並轉移至存儲區,在轉移過程中,電荷處於遮光區域,不受光線影響。隨後電荷逐行向下遷移,被轉換成電壓信號後輸入至放大器和模數轉換器(ADC),最後傳至圖像處理器(image processor),轉換為數字圖像信號。

行間轉移CCD的電荷轉移過程大致如圖4-2所示:

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圖4-2,Photo via photonics.

全域快門最大的優勢就是,傳感器上的所有像素單元都在同一時間曝光,不會出現因局部曝光不同步而引起的圖像傾斜或變形問題。

但這種快門機制也存在缺陷。雖然傳感器上的感光單元都同時曝光,但每個像素接收到的光照強度都不一樣,如果曝光時間比較長,光照最強的像素單元會產生大量的電子,以至於從存儲區溢出,影響了鄰近像素,從而出現高光溢出並向外散開的現象,稱為「輝散現象」(blooming)。如圖4-3所示:

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圖4-3

後來幾經疊代,才研發出了「抗輝散」的CCD傳感器。

4.2 CMOS滾動式快門

1992年,美國航空航天局(NASA)噴氣推進實驗室科學家Eric Fossum博士發表了長篇論文,討論了有源像素傳感器技術的應用,後來便有了CMOS傳感器的出現。

與CCD不同,CMOS傳感器採用的電子快門機制是「逐行掃瞄式曝光」,即傳感器上的第一行像素曝光之後再進入第二行,並且一邊曝光一邊讀取和轉移數據,這種電子快門被稱為「滾動式快門」(Rolling shutter)。曝光模式與上文提及的焦平面機械快門有些類似。

CMOS傳感器的運行原理大致是這樣的:

傳感器上的每一個像素單元(內置一個光電二極體)都獨立設有一個電容和放大器,光線進入傳感器與光電二極體發生光電效應,由偏流門電路控制二極體的光敏性,從上至下逐行曝光,每個像素曝光後產生的電信號立即被放大,以「序列」為單位被讀取並轉移至並行處理總線,然後輸入至放大器和模數轉換器(ADC),最後將數字信號傳至圖像處理器。

圖4-4為CMOS電荷的讀取與轉移的示意圖:

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圖4-4

這種滾動式快門的優點就是不會出現像CCD那樣的「輝散現象」,但也存在不足之處。由於傳感器採用的是「逐行掃瞄曝光」快門機制,每一行的像素都有曝光先後順序,因此,在拍攝高速旋轉的物體時,先曝光與後曝光的圖像會存在「時間差」,導致出現條紋狀的畫面,這種現象被稱為「帶狀效應」(banding effect)。如圖4-5所示:

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圖4-5

而在捕捉水平快速移動的物體時,由於上下曝光存在時間差,拍攝的畫面會出現物體傾斜或扭曲的現象,後者稱為「果凍效應」(jello effect)。圖4-6為CCD和CMOS相機以相同快門值捕捉水平高速移動物體的對比圖像:

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圖4-6

若相機接上閃光燈拍攝,在快門速度較高的情況下,可能還會出現上半部分有光、下半部分還是陰影的現象,這種情況與焦平面機械快門有些類似。

這些現象只會在拍攝對象移動速度較快或者錄製視頻的時候出現,若相機快門速度遠高於物體的移動速度,這種現象可能會有所緩解,但依然存在,只是變形程度較小,人眼識別不出來。

有人可能會問:既然滾動式快門有這樣的缺點,那CMOS的存在還有什麼意義呢?

當然有意義。CMOS比CCD的先進之處在於:處理圖像所需的能耗更少,更省電;信號並行處理,效率更高,有利於相機更快地捕捉畫面;控制電路的製作成本相對低廉等。快門只是它的一個小缺點,總體上瑕不掩瑜。關於這兩類傳感器的知識,小編以後會專門寫一篇文章進行詳細介紹。

結語

綜上所述,我們不難看到,快門原本只是為了「遮擋光線」,原理看似很簡單,但隨著商業化的驅動和科技的發展,如今它早已複雜到超出一般人的想像。在電子化數字化普及程度較高的今天,機械快門並沒有被淘汰,依然有許多相機在採用,甚至有一些高端相機會採用機械和電子相結合的快門機制——只不過,現在的機械快門早已是今非昔比。機械快門和電子快門各有優劣,至於如何選擇,則是權衡與取捨的哲學問題。

參考文獻

[1]Shutter Types - Antique and Vintage Cameras,earlyphotography.co.uk.

[2]Nanette Salvaggio,Basic Photographic Materials and Processes,2009,Focal press.

[3]What is a sensor? Sensorcleaning.

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