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        以对电子前帘快门的解释为主，文末有如何在各种快门中选择。

        在对电子快门的讲解中，由于涉及到比较根本的原理，因此也用了大量文字。

        相机的快门是用来控制图像曝光时间的机构。常见的快门种类有：电子快门、纯机械快门（焦平面快门、镜间快门）、电子前帘快门。

一、电子快门：

        电子快门即使用电子控制传感器是否进行曝光。整个过程如下：

        传感器的工作原理是光电效应。当光子入射到传感器表面时，会被转换成一个电子存储在势阱中。光线越强，单位时间内产生的电子就越多，以此就可以得到每个像素处的照度。

        首先清空势阱内残留的电子，由于有光线照射就会因光电效应产生电子，因此基本上清零结束的瞬间就相当于是曝光开始的时刻，或者说是开始累积电子的时刻。

        当累积电子的时间达到预设的时间（曝光时间）后，就将势阱内的电子转移、读出，完成一次曝光的过程。这个过程是所有数码相机所有种类快门的基础。

        但对于普通的CMOS传感器（以下所有传感器均指CMOS图像传感器）来说，由于读出的过程只能逐行进行，并且需要一定的时间，因此需要清零的过程也与此匹配，这种工作方式称为卷帘快门（Rolling Shutter）。对于整幅传感器如下图所示：

        可以看到，由于逐行进行曝光，存在一个时间差，因此下一行输出的图像相比上一行是滞后的。从首行到尾行的时间差不断累积，最终总的时间差代表着传感器的读取速度，或者叫读出时间等等。这一时长受到像素行数、ADC精度、传感器工艺等的影响，与传感器大小无关。大多数相机在30ms左右，一些高像素机如SONY α7R4为100ms，视频特化机如SONY α7S3为8ms，速度机如SONY α1为4ms（目前最快），α9、EOS R3为约6ms。

        由于记录图像存在时间差，因此在拍摄相对运动物体时会产生形状的失真，看上去像果冻一样扭曲，被称为果冻效应。频闪光源产生的光带也是同一原因。

        为了减轻电子快门的果冻效应，就必须加快读取速度，堆叠式（stacked）传感器就是为此而生。原先的电路层只能用与像素层相同的制成制造，速度较慢。堆叠式可以采用更高的制程生产电路，然后堆叠在像素层下面，从而提高了速度同时缩小了体积。

        目前几乎所有手机都采用堆叠式传感器，Fujifilm X-H2S也是采用此类传感器。更进一步地，在其中加入DRAM缓存层，读取速度可以更上一层楼，SONY α1、α9，Canon EOS R3，Nikon Z9的传感器都属于此类。缺点是由于电路层离像素更近，会导致额外产生噪声导致画质下降，目前α1所采用的传感器是受影响最小的，也是最先进的。

        网上有许多人想当然认为这些各家最昂贵的顶级旗舰画质也一定比普通相机好，这是错误的，它们只是速度很快。例如下图中为相机欠曝6档提亮的对比图，左侧为EOS R3，右侧为α1；上部是机械快门，下部是电子快门：

        除此之外，还可以给每个像素单独设置缓存，使得整个传感器的所有像素同时开始和结束曝光，完全消除果冻效应，这种工作方式称为全局（全域）快门（Global Shutter）。CCD传感器在原理上天生就是“全局快门”，这也几乎是其相较于CMOS传感器来说唯一的优点。目前全局快门的CMOS传感器成本较高，噪声较大（相对于普通CMOS传感器来说），因此主要应用在非民用领域。

二、机械快门

        机械快门即使用机械结构控制光线是否入射到传感器（胶片）上。本文是面向数码相机，胶片与其类似，不进行赘述。

1、焦平面快门

        因为一般相机为了控制成本，只能使用普通的传感器，因此为了减轻果冻效应，虽然电子快门也能控制曝光，但也为相机配备了焦平面快门。顾名思义，此快门机构放置在传感器前。目前相机广泛使用的为纵走式焦平面快门，分为机械前帘和后帘，通过沿竖直方向运动幕帘的开闭来控制光线是否入射。具体工作方式如下图（图中绘制的快门帘间隙较大，是为了方便区分，实际的两快门帘紧贴在一起）：

        相当于是在一次电子快门中增加了机械快门的开关。当前帘落下后，传感器处于全黑环境中开始曝光，此时虽然曝光，但并没有光线入射，也就没有图像可以记录，即便各行曝光的时间不同，也不会造成最终画面曝光不均，结束曝光时同理，只需要快门打开时光线扫过各行像素的时间相同即可。

        那么焦平面快门是如何减轻果冻效应的呢？看下图：

        可以看到，相当于用更加快速的焦平面快门帘的运动（上图实际时间差）代替了较慢的电子快门的逐行扫描（读出时间），从而有效减轻了果冻效应。对于全画幅相机来说，这个时间一般在4ms左右（闪光同步时间），与α1的电子快门速度是一致的（α1没有像Z9一样取消机械快门的原因是其用了改进的快门帘，把同步时间从4ms缩减至2.5ms）。网上许多人认为机械快门没有果冻效应，或电子快门的果冻效应一定大于机械快门，这是错误的。

      但在曝光开始前由于存在快门帘的运动，会引起相机震动，可能导致画面模糊。

      除了纵走式焦平面快门，还有一种在摄像机中使用的焦平面快门，可以控制张开角度的转盘形叶子板快门。因为如果摄像机也使用相机的快门，需要每秒至少往复运动24次，无论是寿命还是震动都是很不理想的，更何况还有更高帧率的视频。同时这种结构的快门也可以做到在录制时光学取景：

        其旋转一圈就是一帧，每秒25帧则每秒旋转25圈。用快门角度表示曝光时间的方法就是从这里出现。图中所示的就是90度快门，曝光时间就是每帧时长的1/4，对于25帧的视频就是1/100s，如果张开180度，则是1/50s。目前的传感器速度已经足够，不再需要这样的快门。

2、电子前帘快门

        为了解决焦平面快门机震的问题，让传感器清零的过程与快门帘匹配，即用电子控制逐行开始曝光来代替机械前帘，这种工作方式称为电子前帘快门，如下图：

        但这又会引入新的问题——切光斑。看下面这张使用电子前帘快门拍摄的图片：

        看上去所有左侧的光斑都被切掉了上部，右侧的被切掉了下部。实际上，中间一列是光源位于对准平面上，左侧是位于对准平面前（靠近相机方向），右侧位于对准平面后。

      产生这一现象的条件是极短的曝光时间，如1/8000s，大弥散斑能让这一现象更加明显。其产生原因是，传感器（电子前帘）与机械后帘有显著间隙。下图以对准平面后的物点为例：

        放大看，普通机械快门对于弥散斑各部分的曝光是均匀的，而电子前帘快门由于存在非对称性，因此下部曝光较多，而上部曝光较少。当曝光时间很短时，两快门的开口会很小，导致上部的大角度入射光线无法从缝隙通过，光斑对应的部分就完全变为黑色，被“切掉”了。

        这最开始是我自己的猜想，所以也略微验证了一下。按照这种方式运行，光斑的亮度是线性变化的，而我对于光斑各位置的亮度采样也大致可以印证我的猜想：

        上图中横坐标是由下向上的在光斑纵向长度的占比，纵坐标是相对亮度。虽然测量很粗糙，但大致也能看出是线性变化。

        曝光时间越短，切掉的光斑就越多。在曝光时间长于一定值后，光斑就会完整，但亮度依然不均匀，不均的程度随曝光时间的增加而减小。除此之外，电子前帘还有可能增加轴向色差。SONY α7c只有电子前帘而没有机械前帘，喜欢用大光圈镜头拍人像的用户需要留意。

        除了会导致弥散斑曝光不均，当使用极短曝光时间在暗光环境下拍摄时，可能会出现类似电子快门拍摄频闪光源时整体画面曝光不均的情况，有时无法复现。原理我没有想出来，猜测应该是机身层面的前后帘匹配的问题，不是电子前帘本身原理层面的问题。

        电子前帘有一个经常被忽略的优点——延迟低。延迟即摁下快门到相机真正记录画面的时间间隔。如果延迟过高，会导致拍摄者想拍的画面与最终得到的画面有很大差异，尤其是拍摄迅速变化的物体时。纯机械快门由于需要快门关闭再打开才能开始曝光，因此需要额外消耗一段时间，而电子前帘和电子快门就都不需要。

        下图是我借助电脑测试的延迟时间，其仅具有相对参考的价值，不能与网络上其它数值进行对比。“标定”一栏中，前帘的数值是在网上查到的，然后机械和电子都是用测得的减去前帘处的差值。表中电子快门较慢是因为起算点不在画面边缘，从而受到读取速度影响了。可以看到使用电子前帘的延迟大约比机械低30ms。

3、镜间快门

        镜间快门是被放置在镜头中光圈机构附近的通过开合控制是否通光的装置，其形状一般与光圈接近，也有较廉价的使用两片叶片，像夹子一样控制开合。

        这种快门主要用于画幅较大的胶片摄影中，因为使用焦平面快门需要的面积很大，无论是震动和速度都不能满足需求。此外在部分品牌的数码中画幅相机、部分不可更换镜头相机如卡片机等领域也有应用此类快门。

        其工作顺序与焦平面快门相同。在理想情况下，这种快门没有果冻效应。但由于其安装在光圈处，在一次开关过程中，停留在外圈的时间比内圈长。在曝光三要素文中说过曝光时间有“平均”作用，所以镜间快门在工作时相当于额外在光圈处插入了一片中心透光多、边缘透光少的滤镜，即实际曝光量低于设定曝光量，画面偏暗，曝光时间越短越明显。实际上，STF或DS柔焦技术的镀膜就是在光圈处放置这样一块滤镜，所以理论上在使用极短的曝光时间时能获得更柔和的焦外（开始玄学），但景深也会增加。

        同样，对于用两片夹而非光圈形的镜间快门，光斑会出现不中心对称的亮度衰减，如果衰减较严重，相当于光圈换了个形状，光斑也会像是被“切掉”了一样，不过原理与电子前帘不同。

三、如何选择快门类型

        首先要关注在机身层面是否存在主动限制画质的情况。例如佳能为了让电子快门的果冻效应看起来更小，部分相机的电子快门只能拍摄12bit而非14bit，动态范围受损。

        其次不同相机可能机械快门帘使用时间较长后，精度下降。例如我的相机在1/8000s曝光时，机械快门比电子快门亮了约0.8档，这也同时会影响到电子前帘的曝光和前后帘匹配问题。

        以下均只从快门本身原理层面进行讨论，与其它因素无关：

        1、电子快门与机械快门（包含纯机械和电子前帘）如何选择：对于体育机，要速度时选速度快的，不要速度时选机械快门。对于普通相机，当相机和物体都几乎静止时，使用电子快门；当运动明显时，使用机械快门。

        2、如何选择纯机械快门和电子前帘快门：一般来说，当曝光时间长于1/500s时就可以优先使用电子前帘了，尤其是拍摄会议活动等需要低延迟的场景时。但在室外拍摄时，有时会忽视曝光时间，因此设置成纯机械快门更稳妥。尼康好像有自动决定使用机械快门还是电子前帘的功能？可以开启。