數字相機的(de)快門結構

數字相機(DC/DSLR等)的(de)快門結構和(hé / huò)傳統相機有所不(bù)同，除了(le／liǎo)機械快門以(yǐ)外，還存在(zài)電子(zǐ)快門，實際上(shàng)是(shì)二者的(de)混合體。我寫這(zhè)篇文章大(dà)概介紹一(yī / yì ／yí)下數字相機的(de)快門結構，希望能抛磚引玉。

要(yào / yāo)讨論數字相機的(de)快門結構，首先先要(yào / yāo)了(le／liǎo)解一(yī / yì ／yí)下數字相機的(de)結構分類，根據成像原理不(bù)同，數字相機大(dà)概有以(yǐ)下幾類：

1、面陣型數字相機；

2、線陣型數字相機；

3、單次俘獲型數字相機；

4、三次俘獲型數字相機；

面陣型數字相機使用的(de)感光材料有比較大(dà)的(de)面積，通常爲(wéi / wèi)矩形，常見的(de)尺寸有1/4"CCD，1/3"CCD，1/2"CCD，2/3"CCD等等，曝光時(shí)一(yī / yì ／yí)次完成。大(dà)多數DC/DSLR都是(shì)采用這(zhè)種結構。

線陣型數字相機使用的(de)感光材料是(shì)條狀的(de)，感光單元拍成一(yī / yì ／yí)列，工作時(shí)通過CCD的(de)移動來(lái)一(yī / yì ／yí)行一(yī / yì ／yí)行的(de)進行拍攝過程。這(zhè)種結構可以(yǐ)通過步進電機作到(dào)很高的(de)分辨率，但無法拍攝運動的(de)物體，而(ér)且要(yào / yāo)求照明光源穩定。我們常見的(de)掃描儀就(jiù)是(shì)這(zhè)種線陣結構，實際上(shàng)還有這(zhè)種結構的(de)大(dà)畫幅的(de)數字後背(如用于(yú)4 x 5機背取景相機的(de))；

單次俘獲型數字相機有兩種結構，單CCD和(hé / huò)3CCD型。單CCD是(shì)通過感光材料面陣上(shàng)的(de)CFA(Color Filter Array)來(lái)實現彩色的(de)俘獲過程，因爲(wéi / wèi)二維成像器件本身隻能俘獲黑白影象，通過分布在(zài)每個(gè)像素上(shàng)的(de)R、G、B濾色片來(lái)進行感光，感光後通過軟件合成出(chū)彩色影象。如常見的(de)Bayer濾鏡就(jiù)是(shì)一(yī / yì ／yí)種CFA。

3CCD采用彩色分光棱鏡進行分色，分色後的(de)不(bù)同波長的(de)影象用3塊感光材料分别記錄，再通過軟件進行合成。這(zhè)種方式的(de)優點是(shì)色彩還原較好，但如果3個(gè)通道(dào)的(de)信号處理不(bù)好會造成套色不(bù)準。其結構如圖1所示意：

以(yǐ)上(shàng)是(shì)數字相機的(de)幾種大(dà)概的(de)結構，下面再介紹一(yī / yì ／yí)下數字相機的(de)快門結構。

數字相機可以(yǐ)用集成在(zài)成象器件上(shàng)的(de)全電子(zǐ)快門來(lái)控制曝光時(shí)間，同時(shí)很多的(de)相機還同時(shí)具有機械快門，而(ér)很多電子(zǐ)快門速度可以(yǐ)達到(dào)us級别。電子(zǐ)快門主要(yào / yāo)有3種類型：

a、行間快門(Interline Shuttle)

b、幀轉移快門(Frame Shuttle)

c、全幀轉移快門(Full Frame Shuttle)，也(yě)有叫狹縫式電子(zǐ)快門的(de)。

對于(yú)無論上(shàng)述哪一(yī / yì ／yí)種快門結構，都是(shì)和(hé / huò)感光材料的(de)結構密切相關的(de)，即感光材料的(de)結構決定了(le／liǎo)可以(yǐ)采用哪一(yī / yì ／yí)種快門結構。所以(yǐ)下面的(de)讨論中将結合的(de)描述。

對于(yú)行間快門，感光材料實際上(shàng)分爲(wéi / wèi)感光區(light-sensitive cell)和(hé / huò)遮光存儲區(shaded shift registers)，示意圖如圖2所示：

行間快門的(de)遮光區存儲單元和(hé / huò)感光單元一(yī / yì ／yí)一(yī / yì ／yí)對應，都分布在(zài)感光平面上(shàng)。曝光開始以(yǐ)前，像素上(shàng)的(de)信息不(bù)被記錄，當系統發出(chū)複位信号以(yǐ)後，像素上(shàng)的(de)信息被清除，并記錄暗電流信息，然後系統開始曝光。曝光時(shí)間到(dào)達後，感光區上(shàng)的(de)信息被迅速轉移到(dào)對應的(de)遮光存儲單元内，然後感光區複位，準備下一(yī / yì ／yí)次曝光。這(zhè)些過程隻需要(yào / yāo)一(yī / yì ／yí)個(gè)時(shí)鍾周期。再下一(yī / yì ／yí)次曝光開始前，存儲區的(de)信息再轉移到(dào)DSP電路中，經過處理後存儲到(dào)數字相機的(de)存儲介質中。

曝光流程如圖3所示意：

對于(yú)幀轉移快門，感光材料也(yě)存在(zài)着感光區和(hé / huò)存儲區，但位于(yú)兩個(gè)不(bù)同的(de)位置。這(zhè)種感光材料的(de)實際面積要(yào / yāo)2倍于(yú)行間快門結構的(de)感光材料，所以(yǐ)CCD的(de)感光平面上(shàng)都是(shì)像素感光單元，感光靈敏度可以(yǐ)很高。但這(zhè)種結構的(de)缺點是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)時(shí)鍾周期内，像素的(de)信号隻能傳遞出(chū)去一(yī / yì ／yí)次，所有像素的(de)信息傳遞需要(yào / yāo)n個(gè)(n爲(wéi / wèi)感光材料的(de)垂直分辨率)周期才能完成傳遞過程，因此速度受到(dào)一(yī / yì ／yí)定的(de)影響。

這(zhè)種快門的(de)曝光流程如下圖：

最後要(yào / yāo)說(shuō)的(de)是(shì)全幀轉移快門，也(yě)有叫做狹縫式快門的(de)。采用這(zhè)種快門結構的(de)感光材料，最大(dà)的(de)特點是(shì)不(bù)再象行間快門和(hé / huò)幀轉移快門那樣具有和(hé / huò)感光單元對應的(de)存儲單元。曝光仍然通過複位時(shí)鍾來(lái)控制，信号的(de)讀出(chū)是(shì)通過位于(yú)各列像素之(zhī)間時(shí)鍾信号的(de)配合，通過列放大(dà)器直接輸出(chū)。由于(yú)不(bù)存在(zài)存儲過程，信号通過開關電路直接轉移，因此可以(yǐ)作到(dào)很好的(de)快門速度。

目前高像素值的(de)DC/DSLR和(hé / huò)對速度遲滞要(yào / yāo)求高的(de)産品均采用的(de)是(shì)這(zhè)種結構的(de)傳感器/快門結構。如Olympus的(de)E-20。但由于(yú)沒有找到(dào)Canon的(de)DSLR相關的(de)資料，所以(yǐ)我不(bù)知道(dào)是(shì)否1DS或10D也(yě)采用類似的(de)結構。該快門結構示意圖如下：

曝光流程如圖7所示意：

在(zài)step1時(shí)，當相機機械快門關閉後電荷轉移到(dào)水平輸出(chū)寄存器内；

在(zài)step2時(shí)，串行輸出(chū)電荷。

全幀轉移快門(狹縫快門)的(de)曝光過程是(shì)逐點傳輸的(de)，嚴格的(de)講各個(gè)像素不(bù)是(shì)同時(shí)曝光。當快門速度非常高時(shí)拍攝運動的(de)物體時(shí)，将産生如同傳統相機焦平面快門的(de)狹縫變形。需要(yào / yāo)通過DSP來(lái)進行修正。但這(zhè)種快門因爲(wéi / wèi)結構簡單，可以(yǐ)簡化制造過程和(hé / huò)降低成本，速度也(yě)比較快，已經成爲(wéi / wèi)一(yī / yì ／yí)種發展的(de)趨勢。

最後讨論一(yī / yì ／yí)下機械快門在(zài)數字相機中的(de)作用。在(zài)數字相機中保留機械快門的(de)目的(de)之(zhī)一(yī / yì ／yí)是(shì)可以(yǐ)記錄感光材料的(de)暗電流信息。數字相機的(de)機械快門和(hé / huò)傳統相機是(shì)不(bù)一(yī / yì ／yí)樣的(de)，平時(shí)是(shì)打開着以(yǐ)便電子(zǐ)取景器取景。再曝光前再關閉，複位感光器件上(shàng)的(de)存儲信息，并記錄各個(gè)像素的(de)暗電流資料。接下來(lái)進行曝光。機械快門開啓，曝光結束後關閉機械快門，将曝光數據進行DSP處理。流程如下：

補充一(yī / yì ／yí)點，記錄暗電流的(de)作用主要(yào / yāo)是(shì)進行黑色補償。光電器件在(zài)沒有任何光線照射時(shí)也(yě)存在(zài)着一(yī / yì ／yí)點的(de)暗電流，輸出(chū)一(yī / yì ／yí)定的(de)光電信号，這(zhè)個(gè)值相當于(yú)膠片的(de)灰霧密度。通過在(zài)曝光前遮光記錄暗電流的(de)數值，再在(zài)曝光後的(de)圖象中減去相應的(de)暗電流信息，可以(yǐ)提高感光器件的(de)寬容度和(hé / huò)減少噪聲。