今天的闲聊设备,我们来聊一聊这个从每个人一开始拍照片的时候就要接触的最重要最常见的东西 - 快门。

快门是啥

快门,就是快速开关的门,其实这么解释也不算太扯。

在胶片时代,快门就是挡在胶圈前边的一道门,挡住所有的入射光线,仅仅在你按下快门按钮的时候打开,打开的时间就是你的快门速度,比如1/500秒之类;快门开启的瞬间,光线就会照射到胶片上,让胶片感光,也就是我们常说的曝光。

这个传统的机械机构一只延续到了我们现在的单反年代仍然在使用,即使你找到现在最顶级的单反相机例如尼康D5,佳能1DX之类,都是这样的工作原理。

我有时候经常和一些刚刚开始了解摄影的朋友说,快门就好像人眨眼睛一样,眨一下眼睛就是一张照片,这个说法虽然不太科学,但是至少有一点是对的,就是相机的机械快门也像我们的眼睛一样,有上下眼皮,然而它们叫做“前帘和后帘”,而且工作的方式和眼皮也不太一样。

前帘后帘

快门的前帘和后帘其实并不是位置上的前后,而是时间上的前后。

快门操作的整个过程是

  1. 前帘默认挡在感光元件前边
  2. 前帘向下滑动露出感光元件进行感光
  3. 后帘向下滑动遮盖住感光元件停止感光
  4. 感光元件读取所有的数据信息传输给相机的处理器
  5. 前后帘复位(回到1的状态)

所以我们能够想象,前后帘之间间隔的距离就会影响到曝光的时间。

看下图就非常好理解,从左到右侧是三种不同的快门速度,很明显低速的快门,感光元件暴露的时间要比高速快门高很多,越高速的快门,前后帘滑动的时候间隔就会越小,到1/8000秒的时候,前后帘的间隔仅仅是一个小缝隙。

所以可以看得出来相机的机械快门就是靠这种极其精确的前后帘移动来获得准确曝光的。

3-different-shutter-speed

然而随着无反相机的出现,LCD取景和电子取景器的普及,感光元件本身也要提供实时取景的工作,那么这个时候工作的顺序是怎样的呢?

其实和上边的工作原理是一模一样的,只不过快门的前帘默认是打开的(已经滑下去了),一边感光元件能够“看到”眼前的场景。当你按下快门之后,前帘会从下边弹起来遮盖住感光元件,然后开始重复上边的1-4步,第5步则恢复到前帘拉下去,后帘弹上去的状态。

然而很多人会问,我的相机有电子前帘的功能,这个是啥意思?

电子前帘

电子前帘,其实就是用感光元件自己的电子信号处理来模拟机械前帘的工作原理。

请跟我一起想象一下,感光元件上有N个像素,横着一排一排,需要在每一个像素点充满光线,才能够形成在实时取景时候的画面;然而在拍照的时候需要首先把感光元件像素点里的数据清空之后,再次感光才能得到我们需要的数据。

于是在使用电子前帘的时候,感光元件会从上之下先一排接一排地清空数据,没清空一排数据,这一排的像素点就可以马上再次感光,这样一排一排下去就好像机械前帘打开的时候向下滑动的效果一样。

当所有的像素点都被清空并且重新开始感光,一定的时间之后(也就是快门速度),后帘会向下滑动,盖住所有的像素让它们停止感光,然后感光元件会读取所有的数据,形成照片。

看下边这张图,会更好理解一些:

efcs-demo

电子前帘有很多好处,首先最重要的是,少了一次机械前帘的运动,机身内在曝光的时候就能够减少震动;其次,可以减少快门时滞,因为节省了前帘弹起来的这个过程,你按下快门的时候相机就可以开始清空数据再次捕捉数据了。

然而,电子前帘也有一些弊病,最常见到的问题就是拍摄高速运动物体时候看到的形变,因为逐行曝光的特性,是的感光元件有时候曝光读取的速度赶不上拍摄主体的移动速度,比如一辆飞驰的汽车,你会发现汽车的轮子在画面的左边,整个汽车完全歪了,汽车的顶部在画面的右边;这就是逐行曝光可能遇到的问题。

为什么传统的机械快门不会有这样的问题?因为机械快门的前后帘移动速度可以达到几毫秒之快,比目前感光元件读取的速度要快,所以这样的变形现象并不明显。

静音快门

上边讲到了前帘后帘,那么有人会问,我的手机里肯定没有这么复杂的结构吧?怎么曝光的呢?

这里就要讲到完全没有机械前后帘运动的静音快门。

静音快门的原理很简单,就是感光元件在每一排像素曝光中,去采集数据;静音快门的好处自然不必说了,在安静的场合你可以悄无声息地拍照,不会引起周围的人们注意。

但是静音快门也带来两个缺点:

1是像电子前帘快门一样,对于高速运动的物体会拍出奇怪的变形效果,甚至比仅用电子前帘的快门更夸张

2是由于感光元件的像素点仍然在曝光工作过程中,采集到的数据会有比较低的动态,这也是为什么像索尼A7RII这样的记性,只能为静音快门提供12bit的输出。

全局快门

很多朋友都在想,感光元件,就不能一通电一断电,就把照片拍了吗?

其实在很多年前的CCD感光元件很常见的时候,全局快门是很常见的,瞬间捕捉感光元件所有像素点的曝光数据,然后再传输给相机处理器,这本身就是CCD感光元件的运作特点。

然而CMOS流行的今天,由于CMOS感光元件逐行读取的特性,很难实现像CCD一样的读取特性,但是在一些新的CMOS设计中,也出现了某种意义上的全局快门设计,感光元件设计者用很巧妙的方式,把每行像素的读取数据现存出到一个电容内,然后再统一读取到处理器中,这样几乎可以实现和CCD同样的全局快门效果。