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快门速度是什么?

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李明殊,个人微信:lishishaonian,公众号:决明子
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快门是什么?关于快门的前世今生

【阅前提示】 看了很多关于快门速度介绍的文章,大家都写得太浅了,无非就是高速凝固瞬间或者长曝光表现柔顺,那些老生常谈的知识,要么就是很散,本文大概 6500 字,有可能是中文互联网,你看到关相机快门比较全面的介绍了

快门是什么?

快门,是照相机或者镜头中控制曝光时间长短的装置。 英文名为 Shutter,粤语中直接音译了,失打。

我们都知道了,快门不仅可以实现「高速拍摄」,也能够完成很长时间的曝光,那「快门」这个翻译,是不是有点不准确呢?因此,也有人把快门称之为「光闸」,既形象又准确,但是为什么这个说法并不如「快门」流行呢?

一些看似谬误的背后都有历史的因素。

早期感光材料的的感光效率很低,比如达盖尔的银版摄影,曝光时间往往需要几分钟甚至几十分钟,即使后来人们将溴用于银版的光敏过程,曝光时间大幅缩短,但是也得几秒钟。

这个曝光时间压根就不需要快门,把镜头盖摘下来,开始拍摄,然后再盖上就行了。

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巴黎神庙大道,第三区,路易·达盖尔,这是公认为史上第一张有人的照片。 实际上这是一个很繁华的街道,但因为曝光持续了几分钟,移动的车辆没有留下任何痕迹。只有靠近左下角的两个人,显然一个人正在给另一个人擦靴子,因为在一个地方停留了很长时间,你才能看到。

后来感光度更高的乳剂材料被发明出来后,曝光时间来到了几分之一秒,这时候用手来摘镜头盖这种方式已经不行了,急需一种精确控制「短时间」曝光时间的手段。

于是,这种可以控制曝光时间开合的装置诞生,人们直接称他为快门。

我们经常用「咔嚓」来形容快门的声音,就是因为这是两个过程,咔 - 打开快门,嚓 - 关闭快门。

但是一般情况下,由于曝光时间较短,这两个声音是不容易分辨的,一旦很容易分辨出这两个声音,若是你没有一个稳定措施,那么多半糊片了。

那么,既然有了快门这个装置,把它放到哪里呢?

找到自己的位置把镜头盖改改吧

既然最早的快门是镜头盖,直接改改不就行了么?

是的,人们也是这么做的,于是就有了「镜前快门」,当时比较常用的镜前快门叫做「气动二叶快门」,由于是二叶,称之为「门」,你看这个翻译还是特别形象的。

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形态类似于镜头盖,所以早期的快门也更像是一个附件,也许当时的人们也有「快门丢了」,「快门忘带了」了的苦恼。

一个理想的快门,是什么样子?

  1. 瞬间打开;
  2. 开始曝光;
  3. 瞬间关闭。

但是问题来了,由于要放到镜头前方,不能遮挡光路,所以这个「镜头盖」的口径要做得尽量大。 做的大了,叶片要行进的路程就变长了,开合的时间就变长了,这样是会影响曝光的准确度的。

但是镜前快门,也有自己的优点,结构简单,容易装配,套上去就行了。

所以后来有些采取了机械快门的手机,几乎都是镜前快门。不过具备「机械快门」的手机并不是很多,只用在了少数的拍照旗舰上,比如诺基亚的 N 系列,以及大名鼎鼎的诺基亚 preview 808,和后来的继任者 1020。

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带来的结果就是,体积和厚度直接放飞自我。

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正是因为这个致命缺陷,所以现在手机几乎都采用了「电子快门」,这个我们下文会详细说明。

塞到镜头里边去

既然镜前不太行,那我们把快门装到镜头里边不就行了么? 是的,于是就有了镜间快门 **,一段时间内,镜间快门这种结构几乎是相机市场的主流,不论是 135 还是中画幅,不论是双反还是旁轴,都采取了镜间快门。

而且叶片也从两叶变成了 3 片,到后来最为普遍的 5 片。

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原理也很简单:

  1. 每个叶片上有一个点,作为旋转的轴点(图中的黑点);
  2. 还有一个点在环的推动下,绕着轴点旋转,就打开了快门,反方向就是关闭快门;
  3. 快门叶面是有重叠的,一片压一片,防止漏光。

为了便于大家理解,我画了一个动图:

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顺便说一句,光圈叶片也是同样的原理,只不过镜头的光圈叶片往往会更多。 光圈和快门很好区分,快门需要完全闭合,但是光圈始终会有一个「洞」,此时就是最小的光圈。

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而且聪明的你肯定也发现了,既然镜间快门的原理光圈很类似,那么镜间快门是不是也会影响景深? 是的,镜间快门的的景深,确实会更深,而且,动作越慢,景深会越深。

从理论上讲,由于叶片打开闭合总需要时间,中间的曝光时间大于边缘的曝光时间,所以就会产生暗角的现象,不过实际使用中,并不明显。你在照片上看到的暗角,多半是因为镜头引起的,主要因素并不是快门。

由于快门结构设计在镜头中,所以每一个镜头都需要一个快门结构。对于可换镜头的系统来讲,这其实是一种「浪费」,对于不可换镜头的相机来说,那就无所谓了,比如富士的 X100s。

ps,不少数码的中画幅相机还是采用了镜间快门,比如哈苏 X1D

还有一个致命缺陷,镜间快门基本上都是用弹簧这种方式驱动的,弹簧的特性导致了镜间快门的速度做不到很高,1/1000 秒已经算是很快的速度了。对于一些运动场景来说,并不太够用。

这也就是现代数码相机,不论是单反还是无反,几乎很少采用镜间快门的原因了,说到底,还是太慢了。

镜间快门多由很薄的钢片制造,厚度还有体积都可以做到很小,所以几乎很多 ps 机都是使用的镜间快门,闪光灯可以在所有快门速度下同步。

p.s 关于闪光灯同步这个问题,将在焦平面快门中进行详细解释。

镜后快门

把快门装置再朝后边挪一点,这就是镜后快门了。原理上并无太大的差异,采用的机器并不多,这里就不过多介绍了。

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蔡司伊康 TENAX II 相机的镜后快门

焦平面快门

如果以镜头作为参照的话,其实焦平面快门也算是一种「镜后快门」。 但是这个镜后的位置比较特殊,快门的结构是安装在胶片或者感光元件的前面,离焦平面很近,故得此名。 原理也比较简单,就是一块黑色的长方形挡住胶片或者感光元件。

触发快门时,移开这黑色长方形,曝光结束后再拉回来。运动方向从左到右,或者从上到下都行。

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很简单是吧,但是问题来了:

比如快门帘是从左向右运动,那么这种方式注定了,胶片 / 感光元件的左边比右边曝光的时间要长一点,导致曝光不均匀。如果镜间快门导致的不均匀是暗角,那这种方式导致的不均匀也许就是「渐变」。

人们很快就给出了改进方案,一块帘幕不够的话,用两块不就行了。前帘刚走,后帘立马跟上就是。光线透过两个帘幕之间快速移动的窄缝,来进行曝光,如图所示。

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帘幕的机械运动速度总有上限,那么怎么实现超高的快门速度?比如 1/8000s 这种。

关键就在于这个「窄缝的宽度」,比如上边这个示意图的缝隙表示的是 1/100s 的进光量,那么只要将窄缝的宽度缩小一半,以相同的速度移动快门帘,就可以或者等效于 1/200s 的进光量,所以,快门速度的调整实际上是调整窄缝的宽度,也就是前后帘启动的时间差。

实拍了一段潘太康 6 相机触发快门后,快门帘幕的运动(使用 960FPS 拍摄),设定的快门速度是 1/60s。

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可以看到这个快门帘是用布做的,到了后来,出现了金属的帘幕,由多片的狭长金属薄片组成,大多数的都采用了铝合金的材质,当然稍微土豪一点,直接就上了钛合金。

比如 1981 年发布的尼康 FM2,使用了印有蜂巢形状的钛合金叶片,是世界上第一款快门速度直接达到了 1/4000 秒的全机械单反相机。

现在绝大部分的单反和微单采用的就是焦平面快门,结构可靠,也能达到很快的快门的速度,一般的相机都能达到 1/4000 秒,旗舰的相机可以达到 1/8000 秒。

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如果你细心观察,会发现一个问题,焦平面快门的曝光过程,其实通过前后帘幕间的「窄缝」运动而达到等效快门速度的效果,所以快门时间内任何一个瞬间,曝光的都是一部分,而不是一瞬间整体曝光。

所以这种快门也叫做,纵走式焦平面快门。

新的问题又出现了。

闪光灯与高速快门不可兼得?

使用闪光灯,如果在高速快门下进行拍摄,有可能照片会出现黑条的现象。

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使用离机引闪,快门速度 1/350s,照片上半部分出现黑条。

这就是纵走式焦平面快门带来的结果。

为什么呢?

你也可以这么理解,假设快门速度是 1/400,闪光灯的同步速度是 1/200 秒,也就是说闪光灯需要 1/200 秒的时间才能将光的能量全部输出,但是你们快门速度是 1/400s,也就是刚放出一半的能量,就被掐断了。自然就会出现画面局部是黑条的情况。

一个快门帘能维持快门全开的最高的最高速度称之为闪灯同步速度上限。

最常见的一种情况,就是当你装上闪光灯后,快门速度就会被限制,这是相机为了防止你拍出废片的自动化设置,一般来说,这个速度多在 1/200 左右。

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当使用普通热靴闪光灯的时候,佳能 6D 的最高快门速度被限制在了 1/180s.

那么如何在高速快门下也使用闪光灯呢?

使用具有高速同步闪光功能的闪光灯。

既然一次闪光不能照亮,那我让闪光灯连续不停地闪,直到这个帘幕窄缝扫过整个画面不就行了么,是的,这就是高速同步闪光的原理,把原本闪一次的亮度按照频闪的方式输出,从而达到在高速快门下使用的目的。

还有一种方式,就是使用镜间快门,我们之前提到过。

当然还有一招最有效的,就是别用闪光灯了,换恒亮灯。

快门是怎么动起来的呢机械的浪漫

弹簧,发条,齿轮,都是用作驱动快门的方式。 而这里边,用的最多的就是弹簧,需要手动「上弦」来压紧或者拉伸弹簧。

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徕卡相机 M10-D 上的过片扳手,但是由于这是款电子数码相机,所以这个扳手完全是个装饰品,但是作为过片扳手作为相机的经典元素,保留下来更多是为了情怀吧(顺便多骗点钱)

除了弹簧,还有发条这种形式,理光有很多机器采用了这种形式完成过片和上弦,原理的话,就跟这个东西差不多。

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发条青蛙

快下快门的一瞬间,弹簧能量释放,配合其他的齿轮和弹簧的结构,能够调节释放的速度,从而驱动快门动作。

但是机械的东西,过一段时间之后,由于磨损,污渍,腐蚀等原因的影响,性能是会下降的,所以很多老旧相机的快门不准,也正是由此导致的。

而且受制于弹簧或者发条的特性,机械快门是有上限的,这明显满足不了人们日益增长的快门速度的需求。

电力驱动一切

进入电力时代后,人们直接把驱动的动力由机械改成了电子驱动,比如马达或者电磁铁,更加耐用;快门速度由石英计时电路控制,更加精准。

这也就是为什么石英表出现后,几乎打败了一众的机械手表的原因,原因就是——「太准了」,石英的振动得相当规律,即使最垃圾的石英表,一天之内的误差也不会超过一秒(此处不讨论石英表和机械表的价值问题)。

而你要做的,只是备好一块电池。

而电子快门的弊端也正是来自于电:

电量不足时,是无法驱动的,即使是再高端的相机,没电了也只能是一堆废铁。所以早期的很多电子快门的机器,往往还给你了一个不需要电力驱动的机械快门速度(最常见的是 1/60s 或者 1/30)提供备用。

电子驱动的方式也更容易受到温度,湿度的影响,由于集成度高,一旦坏了,维修方法只能是更换。

「门」也可以不用实际存在

数码时代,感光元件换成了 CCD/CMOS。

所以打开快门接收光,关闭快门这个动作可以直接等效成:开电读取信号,拔电停止读取信号。 这种方式也被称之为电子断流快门。

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本质上就是电路控制,没有任何机械结构,也就无所谓体积和重量了,也没有什么成本而言,对于一些小型的设备来说,几乎是唯一的选项,比如手机。

既没有什么震动,也可以做到很高的快门速度,1/1000000s 也不在话下。也没的机械性能衰减的隐患,理论上只要有电,可以做到无限次。

所以,使用电子断流快门的拍摄设备,从原理上来说,是没有「快门声音」这个东西的,你听到的,只不过是相机给你放了一段音效而已。

看起来电子快门全是优点,那为什么现在的相机,大多数还是保留了机械快门呢?

由于没有物理「门」的存在,只要是开机,感光元件就一直暴露在光下,当快门动作执行时,感光元件上还有残留的电荷,这个残留的电荷会影响画质,最为常见的就是高光溢出。

为了缓解这个情况,有的元件在快门动作前会有一个「电荷清零」的操作,但是这个操作是需要时间的,这也就是电子快门会有一定的「时延」的现象——虽然快门速度很快,但是执行的时候却慢了半拍。这也就是为啥手机抓拍总没有相机好用的原因之一。

另外机械快门可以防尘,除此之外,一个目前应用的电子快门的设备必须面临的问题——果冻效应。

像果冻一样 Q 弹并不是好事

如果你在高速行驶的汽车上拍过窗外的风景,就会发现不论是路灯或者树,都变「斜」了。

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这种现象被称之为果冻效应,你可以晃动一个果冻试试看,效果十分类似。

原因是目前的感光元件大多采用的是卷帘快门,顺便说一句,果冻效应的英文是 Rolling shutter effect,而不是 Jelly effect。

在解释卷帘快门之前,我们先来复习下,图像传感器的作用 - 光电转换。

  1. 接收光信号
  2. 将光信号转换为电信号。

因此就诞生了两种快门方式:

全局快门:同一时间,所有像素接受光源,然后再转换成电子信号; 卷帘快门:类似于隔行扫描的方式来读取。接收一行,转换一行。

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使用卷帘快门时,读取方向由上到小,同时你的相机(汽车)也在快速地从右向左运动。自然就会产生这样的效果。

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同理,使用「纵走式焦平面快门」也会有果冻效应这个问题

那既然如此,为啥不用全局快门呢?

卷帘快门可以获得更好的帧速率。

举一个不恰当的例子,你现在要运送 10000 块砖到工地盖房子,但是你的车每天只能拉 1000 块,目前有两个方案:

  1. 先运砖,10 天之后砖全部运到,再开始盖房子;
  2. 运 1000 块,就开始盖,之后边运边盖。

那种效率更高呢?答案是很明显的。

还有一个原因就是,全局快门很难做到高像素,因为像素增加,意味着需要处理的数据量也变大,对于功耗,处理器速度,成本都提出了要求。

还是上边那个例子,能一次拉 10000 块砖的车即使能造出来,肯定也要比能 1000 块的贵得多,而且更加费油。

一般来说,CCD 多采用全局快门,CMOS 多采用卷帘快门。CCD 也为帧速率和像素的问题,而慢慢被 CMOS 淘汰掉了。

不过目前也有一些采用全局快门的 CMOS 面世,比如索尼的 Pregius S 传感器。

如何表述速度?

通常情况下,我们是以时间来描述快门的速度的,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。

如果你想曝光的时间,不是这些固定的值呢?

B 门,BULB 模式,快门按下,开始曝光,松开,结束曝光,快门速度取决你按压快门的时间。

T 门,快门按下,打开快门,再按一次,关闭快门,曝光时间取决于你两次按压的间隔的时间。不过目前的大部分相机已经没有这个选项了。

由于按压快门会产生震动,所以在进行长曝光的时候,可以不直接接触相机的快门,比如使用快门线或者手机无线控制来进行对于快门的操作。

安全快门

手持拍摄,能够使得画面不糊的快门速度,通常就是安全快门。

通常的说法是,安全快门的速度是焦距的倒数,比如你使用 50mm 的镜头,那么安全快门的速度是 1/50s。

这里的焦距是等效焦距,如果你使用 APS-C 的机器,还需要乘上等效系数,比如你使用索尼的 A6X00 系统,装上一颗 50mm 的镜头,等效焦距就是 1/(50*1.5),大概是 1/75s。

其实安全快门是一个「经验公式」,并没有严格的规定。 而且照片糊不糊,除了快门速度之外,像素的高低,相机防抖强不强也很重要。

最重要的是你自己,练就一个无情铁手其实也不是一件很难的事情。

速度是如何影响形态的

拍摄的是固定的物体,那么快门速度的影响不是很大。

拍摄的是动态的物体,由于快门速度拍摄的是「一段时间」内的事物,由于时间的不同,物体的动态记录的长短也不同。

如果想凝固瞬间,使用较快的快门速度;

如果想展示物体运动的痕迹,则使用一个较慢的快门时间。

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不过,过长的曝光时间,也会出现噪点。

拍视频时调节快门速度

对于视频来讲,如果快门速度过快,会出现卡顿感(缺少运动模糊),如果快门速度过慢,过多的运动模糊,又缺失了画面的细节。为了让动态模糊和细节都能达到一个平衡,通常拍摄视频时,快门速度建议为两倍帧率的倒数。

比如, 使用 24 帧拍摄时,建议使用 1/50s(为啥不是 1/48s?因为大多数相机没有这个选项啊) 使用 120 帧拍摄时,建议使用 1/250s。

结语

我们用快门来「截取」光线,来完成「瞬间」的记录。

本质上是在按照自己的欲望,在断章取义的理解这个世界。而快门,不过是你实现这个过程的一个载体。 快门从机械到电子,从有形到无形。

也许之后,你压根也不用考虑快门速度这个问题了,比如你用以观察这个世界的眼镜,你从未关心过他的速度。 没有什么比快门更加自私的东西了。



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