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前言
每一個有拍過照的人都接觸過一個相機上的一個硬件，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，讓影像君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）。
影像君在之前的文章曾介紹過光圈（詳見文章《》），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：
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杆控制彈簧，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，背後是由橫杆捲住、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。由彈簧控制橫杆帶動簾幕上下移動，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。
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：
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、制動杆和齒輪組成，通過機械撥杆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：
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。
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：
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。
常用數碼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：
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。我們平時在數碼相機上聽到的「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管發生光電效應，所有像素（感光二極管）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：
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：
圖4-3
後來幾經迭代，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「逐行掃描式曝光」，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（內置一個光電二極管）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管發生光電效應，由偏流門電路控制二極管的光敏性，
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：
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「逐行掃描曝光」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：
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：
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，影像君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象。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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