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前言
每一个有拍过照的人都接触过一个相机上的一个硬件，它就是你拍照时用右手食指按下、让你听到「咔嚓」一声的那个按键，它有一个我们早已非常熟悉的名字——快门。
但是，我们需要明白一点：那个按钮并非就是快门本身，它只是触发快门的一个开关，唤之为「快门」只是我们口语习惯上的一个简略称谓而已。
那我们经常听到的快门究竟长什么样子？它在拍摄过程中所起的作用是什么？快门速度又是什么？所有相机的快门都一样吗？你听到的咔嚓声真的就是相机快门的声音吗？
这些问题的答案，都藏在今天的文章中。
接下来，让影像君带你重新认识相机中的「快门」——认识这个你「最熟悉的陌生人」。
一、快门的定义
在摄影中，所谓「快门」(shutter)，是指控制光线抵达感光平面或传感器的时间长度的一种光学装置。快门由闭合至打开再回归闭合状态，此为一个快门周期，期间所花费的时间称之为「快门速度」（shutter speed），用秒（s）表示。
需注意的是，我们平时所说的「快门速度」其实都是默认指曝光时长（时间值），而不是指快门在开闭过程中所达到的物理速率（shutter rate）。
影像君在之前的文章曾介绍过光圈（详见文章《》），它控制的是光线通过的孔径面积大小；而快门控制的则是光线通过的时间长短，两者共同决定了进入感光介质的光子总量，亦即决定了图像的曝光水平。若以人眼作类比，光圈相当于瞳孔，
快门相当眼睑（俗称眼皮），我们每眨一次眼便相当于相机按一次快门。那么快门都长什么样的呢？
二、快门的分类
在摄影技术发明的初期，快门这东西是没有存在意义的。因为当时的底片显影技术尚不成熟，拍摄一张相片需要花费相当长的时间，从几分钟至几小时至不等。摄影史上第一张有记录的相片约摄于1826年，名为《眺望》（View from the window at Le Gras），那张黑白照片至少曝光了8小时甚至数天时间，拍张相片的时间足以让人睡上几觉。如果硬要追溯的话，那么用手遮挡的「镜头盖」或许可以算是最原始的快门形态。
到了19世纪末，随着干版显影技术的发展，胶片感光速度得到了大幅提高，拍摄一张照片所需的曝光时间也降至了秒级以下，因此，过去那种手动遮挡式的「人工快门」开始变得过时和落后，无法满足日益增长的需求，于是便有了机械快门的出现。
摄影技术发明至今，快门的结构与组成经历了各种版本的演化，快门种类也是五花八门，不同的维度可以有不同的划分方法。本文暂且以「驱动方式」作为划分依据，将快门分为「机械快门」和「电子快门」两个大类。
下面分类详述。
三、机械快门
所谓的「机械快门」，是指快门的计时方式和开闭过程都由机械装置触发并驱动。机械快门按内部结构的不同，又可以分为以下几类：
- 转轴式快门；
- 卷帘式快门；
- 隔膜叶片式快门；
- 焦平面快门；
3.1 转轴式快门
转轴式快门（Pivoted shutter）是一款非常原始的半手动半机械快门，大约约出现在1860年代前后[1]，它的外观如图3-1所示：
图3-1,Photo via earlyphotography
这类快门一般置于镜头前面或者镜头中间。它简单到只有一片转轴式的金属叶片和弹簧，手动拨动快门外部的短杆控制弹簧，从而驱动金属片绕轴旋转，打开或遮住通光孔，达到控制光线的目的。
3.2 卷帘式快门
卷帘式快门（Roller-blind shutter）是比较早期的一种机械式快门（如图2-2所示）。木质框架中间是一个通光圆孔，背后是由横杆卷住、可上下伸缩的黑色帘幕。一般为单帘，后来也出现了上下双帘的设计。由弹簧控制横杆带动帘幕上下移动，通过一个外置橡胶皮球来触发弹簧的能量释放，从而减少快门的抖动。木框侧边显示弹簧的圈数，弹簧越紧，对应的帘布移动速度也越快，亦即快门速度越高。
图3-2
卷帘式快门主要安装在镜头靠前的中间位置，如图3-3所示：
图3-3
3.3 隔膜叶片式快门
隔膜叶片式快门（Diaphragm shutter / Leaf shutter）的结构与如今流行的光圈类似，由若干层叠式弧形金属叶片、制动杆和齿轮组成，通过机械拨杆触发快门快速开启与闭合。主要安装在
镜头中间。如图3-4所示：
图3-4
我们平时很少见到这类快门，因为它主要应用于一些中画幅高端相机。虹膜式快门的优势就是可以获得更高的闪光同步速度（高达1/1600 s）。
3.4 焦平面快门
所谓「焦平面快门」（Focal-plane shutter）是指位于焦平面上、感光底处之前的快门装置。它的工作原理与卷帘式快门类似，不同之处在于通光路径变成了快门帘幕（由遮光布、金属或塑料制成）上的一条缝隙，水平快速移动缝隙即可控制底片的曝光时间。通过选择不同的缝隙宽度和弹簧松紧程度，即可调节不同的快门速度。
后经改良，单帘变成了双帘，当第一块帘幕揭开底片准备曝光时，第二块帘幕紧随其后移动遮挡，两帘之间的间隔即为通光缝隙。如图3-5所示。
图3-5
与上述三类快门相比，焦平面快门的最大优点在于：快门内置于机身而非安装在镜头，不必为每一支镜头配一个快门，大幅降低了生产成本。
但是焦平面快门也存在缺点。由于是局部按次序地曝光，这种快门在拍摄快速移动的物体时会出现变形或扭曲的现象。另外，在快门速度较快、开启闪光灯的情况下，快门帘幕的移动速度跟不上闪光灯的曝光速度，导致闪光不同步，会出现帘幕遮挡、黑色拖影的现象[2]。
图3-6为分别使用了1/60秒（上）和1/125秒（下）的快门拍摄的画面对比图，可以明显看到下图的黑色阴影：
图3-6
四、电子快门
若按电子驱动的应用范围，电子快门还可以细分为「机电快门」（electromechanical shutter）和「电子快门」（electronic shutter）两类。前者的电子驱动模式仅限于计时器部分，而快门依然是机械式帘幕。
本文重点介绍后者。
电子快门事实上并没有像机械快门那样的物理实体，而是集成于电子影像传感器中的一种等同于快门的功能，所以也被为「传感器快门」。
比之机械快门，电子快门具有以下优势：
（1）快门运行时可以做到完全宁静，无噪声；
（2）大幅减少了快门释放时引起的相机振动，增加了图像的稳定性；
（3）可获得非常高的快门速度，可高达1/32000 秒。
常用数码相机或录影机所使用的电子传感器主要有两类：一种叫CCD，中文名为「电荷耦合元件」（Charged Coupled Device），另一种叫CMOS，中文名为「互补式金属氧化半导体」（Complementary Metal Oxide Semiconductor）。如图4-1所示：
图4-1，Photo via Ahmed Shakib
CCD和CMOS分别使用了两种不同的电子快门：全域快门和滚动式快门。
听到这里，有人可能会问：
这是否就是我们平时拿相机拍照时所听到的快门声？
不是的。我们平时在数码相机上听到的「咔嚓」声，其实是里面的「反光镜」（无反相机没有）翻转时和机械快门开闭时发出的声音。电子快门在运行时是没有声音的。
那全域快门和滚动式快门到底是如何运作的呢？
4.1 CCD全域快门
CCD传感器由美国贝尔实验室的两位博士Willard Boyle和George Smith于1969年发明，它有三种架构，其中，后来改进的「行间转移」（Interline transfer）架构比较常用。它使用的是全域快门（Global shutter，又称全局快门），传感器上的所有感光单元均在
同一时刻曝光。此类CCD的运行机制大致如下[3]：
传感器分为「影像区」和「存储区」，前者有光敏性，后者没有。光线进入传感器后与光电二极管发生光电效应，所有像素（感光二极管）均在同一时间曝光。
产生的电荷通过偏流门电路读取并转移至存储区，在转移过程中，电荷处于遮光区域，不受光线影响。随后电荷逐行向下迁移，被转换成电压信号后输入至放大器和模数转换器（ADC），最后传至图像处理器（image processor），转换为数字图像信号。
行间转移CCD的电荷转移过程大致如图4-2所示：
图4-2，Photo via photonics.
全域快门最大的优势就是，传感器上的所有像素单元都在同一时间曝光，不会出现因局部曝光不同步而引起的图像倾斜或变形问题。
但这种快门机制也存在缺陷。虽然传感器上的感光单元都同时曝光，但每个像素接收到的光照强度都不一样，如果曝光时间比较长，光照最强的像素单元会产生大量的电子，以至于从存储区溢出，影响了邻近像素，从而出现高光溢出并向外散开的现象，称为「辉散现象」（blooming）。如图4-3所示：
图4-3
后来几经迭代，才研发出了「抗辉散」的CCD传感器。
4.2 CMOS滚动式快门
1992年，美国航空航天局（NASA）喷气推进实验室科学家Eric Fossum博士发表了长篇论文，讨论了有源像素传感器技术的应用，后来便有了CMOS传感器的出现。
与CCD不同，CMOS传感器采用的电子快门机制是「逐行扫描式曝光」，即传感器上的第一行像素曝光之后再进入第二行，并且一边曝光一边读取和转移数据，这种电子快门被称为「滚动式快门」（Rolling shutter）。曝光模式与上文提及的焦平面机械快门有些类似。
CMOS传感器的运行原理大致是这样的：
传感器上的每一个像素单元（内置一个光电二极管）都独立设有一个电容和放大器，光线进入传感器与光电二极管发生光电效应，由偏流门电路控制二极管的光敏性，
从上至下逐行曝光，每个像素曝光后产生的电信号立即被放大，以「序列」为单位被读取并转移至并行处理总线，然后输入至放大器和模数转换器（ADC），最后将数字信号传至图像处理器。图4-4为CMOS电荷的读取与转移的示意图：
图4-4
这种滚动式快门的优点就是不会出现像CCD那样的「辉散现象」，但也存在
不足之处。由于传感器采用的是「逐行扫描曝光」快门机制，每一行的像素都有曝光先后顺序，因此，在拍摄高速旋转的物体时，先曝光与后曝光的图像会存在「时间差」，导致出现条纹状的画面，这种现象被称为「带状效应」（banding effect）。如图4-5所示：
图4-5
而在捕捉水平快速移动的物体时，由于上下曝光存在时间差，拍摄的画面会出现物体倾斜或扭曲的现象，后者称为「果冻效应」（jello effect）。图4-6为CCD和CMOS相机以相同快门值捕捉水平高速移动物体的对比图像：
图4-6
若相机接上闪光灯拍摄，在快门速度较高的情况下，可能还会出现上半部分有光、下半部分还是阴影的现象，这种情况与焦平面机械快门有些类似。
这些现象只会在拍摄对象移动速度较快或者录制视频的时候出现，若相机快门速度远高于物体的移动速度，这种现象可能会有所缓解，但依然存在，只是变形程度较小，人眼识别不出来。
有人可能会问：既然滚动式快门有这样的缺点，那CMOS的存在还有什么意义呢？
当然有意义。CMOS比CCD的先进之处在于：处理图像所需的能耗更少，更省电；信号并行处理，效率更高，有利于相机更快地捕捉画面；控制电路的制作成本相对低廉等。快门只是它的一个小缺点，总体上瑕不掩瑜。关于这两类传感器的知识，影像君以后会专门写一篇文章进行详细介绍。
结语
综上所述，我们不难看到，快门原本只是为了「遮挡光线」，原理看似很简单，但随着商业化的驱动和科技的发展，如今它早已复杂到超出一般人的想象。在电子化数字化普及程度较高的今天，机械快门并没有被淘汰，依然有许多相机在采用，甚至有一些高端相机会采用机械和电子相结合的快门机制——只不过，现在的机械快门早已是今非昔比。机械快门和电子快门各有优劣，至于如何选择，则是权衡与取舍的哲学问题。
参考文献
[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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