數(shù)字相機(jī)(DC/DSLR等)的快門結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)相機(jī)有所不同，除了機(jī)械快門以外，還存在電子快門，實(shí)際上是二者的混合體。我寫這篇文章大概介紹一下數(shù)字相機(jī)的快門結(jié)構(gòu)，希望能拋磚引玉。

要討論數(shù)字相機(jī)的快門結(jié)構(gòu)，首先先要了解一下數(shù)字相機(jī)的結(jié)構(gòu)分類，根據(jù)成像原理不同，數(shù)字相機(jī)大概有以下幾類：

1、面陣型數(shù)字相機(jī)；

2、線陣型數(shù)字相機(jī)；

3、單次俘獲型數(shù)字相機(jī)；

4、三次俘獲型數(shù)字相機(jī)；

面陣型數(shù)字相機(jī)使用的感光材料有比較大的面積，通常為矩形，常見的尺寸有1/4"CCD，1/3"CCD，1/2"CCD，2/3"CCD等等，曝光時(shí)一次完成。大多數(shù)DC/DSLR都是采用這種結(jié)構(gòu)。

線陣型數(shù)字相機(jī)使用的感光材料是條狀的，感光單元拍成一列，工作時(shí)通過(guò)CCD的移動(dòng)來(lái)一行一行的進(jìn)行拍攝過(guò)程。這種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)步進(jìn)電機(jī)作到很高的分辨率，但無(wú)法拍攝運(yùn)動(dòng)的物體，而且要求照明光源穩(wěn)定。我們常見的掃描儀就是這種線陣結(jié)構(gòu)，實(shí)際上還有這種結(jié)構(gòu)的大畫幅的數(shù)字后背(如用于4 x 5機(jī)背取景相機(jī)的)；

單次俘獲型數(shù)字相機(jī)有兩種結(jié)構(gòu)，單CCD和3CCD型。單CCD是通過(guò)感光材料面陣上的CFA(Color Filter Array)來(lái)實(shí)現(xiàn)彩色的俘獲過(guò)程，因?yàn)槎S成像器件本身只能俘獲黑白影象，通過(guò)分布在每個(gè)像素上的R、G、B濾色片來(lái)進(jìn)行感光，感光后通過(guò)軟件合成出彩色影象。如常見的Bayer濾鏡就是一種CFA。

3CCD采用彩色分光棱鏡進(jìn)行分色，分色后的不同波長(zhǎng)的影象用3塊感光材料分別記錄，再通過(guò)軟件進(jìn)行合成。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是色彩還原較好，但如果3個(gè)通道的信號(hào)處理不好會(huì)造成套色不準(zhǔn)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示意：

以上是數(shù)字相機(jī)的幾種大概的結(jié)構(gòu)，下面再介紹一下數(shù)字相機(jī)的快門結(jié)構(gòu)。

數(shù)字相機(jī)可以用集成在成象器件上的全電子快門來(lái)控制曝光時(shí)間，同時(shí)很多的相機(jī)還同時(shí)具有機(jī)械快門，而很多電子快門速度可以達(dá)到us級(jí)別。電子快門主要有3種類型：

a、行間快門(Interline Shuttle)

b、幀轉(zhuǎn)移快門(Frame Shuttle)

c、全幀轉(zhuǎn)移快門(Full Frame Shuttle)，也有叫狹縫式電子快門的。

對(duì)于無(wú)論上述哪一種快門結(jié)構(gòu)，都是和感光材料的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的，即感光材料的結(jié)構(gòu)決定了可以采用哪一種快門結(jié)構(gòu)。所以下面的討論中將結(jié)合的描述。

對(duì)于行間快門，感光材料實(shí)際上分為感光區(qū)(light-sensitive cell)和遮光存儲(chǔ)區(qū)(shaded shift registers)，示意圖如圖2所示：

行間快門的遮光區(qū)存儲(chǔ)單元和感光單元一一對(duì)應(yīng)，都分布在感光平面上。曝光開始以前，像素上的信息不被記錄，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出復(fù)位信號(hào)以后，像素上的信息被清除，并記錄暗電流信息，然后系統(tǒng)開始曝光。曝光時(shí)間到達(dá)后，感光區(qū)上的信息被迅速轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)的遮光存儲(chǔ)單元內(nèi)，然后感光區(qū)復(fù)位，準(zhǔn)備下一次曝光。這些過(guò)程只需要一個(gè)時(shí)鐘周期。再下一次曝光開始前，存儲(chǔ)區(qū)的信息再轉(zhuǎn)移到DSP電路中，經(jīng)過(guò)處理后存儲(chǔ)到數(shù)字相機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)中。

曝光流程如圖3所示意：

對(duì)于幀轉(zhuǎn)移快門，感光材料也存在著感光區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)，但位于兩個(gè)不同的位置。這種感光材料的實(shí)際面積要2倍于行間快門結(jié)構(gòu)的感光材料，所以CCD的感光平面上都是像素感光單元，感光靈敏度可以很高。但這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，像素的信號(hào)只能傳遞出去一次，所有像素的信息傳遞需要n個(gè)(n為感光材料的垂直分辨率)周期才能完成傳遞過(guò)程，因此速度受到一定的影響。

這種快門的曝光流程如下圖：

最后要說(shuō)的是全幀轉(zhuǎn)移快門，也有叫做狹縫式快門的。采用這種快門結(jié)構(gòu)的感光材料，最大的特點(diǎn)是不再象行間快門和幀轉(zhuǎn)移快門那樣具有和感光單元對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元。曝光仍然通過(guò)復(fù)位時(shí)鐘來(lái)控制，信號(hào)的讀出是通過(guò)位于各列像素之間時(shí)鐘信號(hào)的配合，通過(guò)列放大器直接輸出。由于不存在存儲(chǔ)過(guò)程，信號(hào)通過(guò)開關(guān)電路直接轉(zhuǎn)移，因此可以作到很好的快門速度。

目前高像素值的DC/DSLR和對(duì)速度遲滯要求高的產(chǎn)品均采用的是這種結(jié)構(gòu)的傳感器/快門結(jié)構(gòu)。如Olympus的E-20。但由于沒有找到Canon的DSLR相關(guān)的資料，所以我不知道是否1DS或10D也采用類似的結(jié)構(gòu)。該快門結(jié)構(gòu)示意圖如下：

曝光流程如圖7所示意：

在step1時(shí)，當(dāng)相機(jī)機(jī)械快門關(guān)閉后電荷轉(zhuǎn)移到水平輸出寄存器內(nèi)；

在step2時(shí)，串行輸出電荷。

全幀轉(zhuǎn)移快門(狹縫快門)的曝光過(guò)程是逐點(diǎn)傳輸?shù)?，?yán)格的講各個(gè)像素不是同時(shí)曝光。當(dāng)快門速度非常高時(shí)拍攝運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，將產(chǎn)生如同傳統(tǒng)相機(jī)焦平面快門的狹縫變形。需要通過(guò)DSP來(lái)進(jìn)行修正。但這種快門因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)化制造過(guò)程和降低成本，速度也比較快，已經(jīng)成為一種發(fā)展的趨勢(shì)。

最后討論一下機(jī)械快門在數(shù)字相機(jī)中的作用。在數(shù)字相機(jī)中保留機(jī)械快門的目的之一是可以記錄感光材料的暗電流信息。數(shù)字相機(jī)的機(jī)械快門和傳統(tǒng)相機(jī)是不一樣的，平時(shí)是打開著以便電子取景器取景。再曝光前再關(guān)閉，復(fù)位感光器件上的存儲(chǔ)信息，并記錄各個(gè)像素的暗電流資料。接下來(lái)進(jìn)行曝光。機(jī)械快門開啟，曝光結(jié)束后關(guān)閉機(jī)械快門，將曝光數(shù)據(jù)進(jìn)行DSP處理。流程如下：

補(bǔ)充一點(diǎn)，記錄暗電流的作用主要是進(jìn)行黑色補(bǔ)償。光電器件在沒有任何光線照射時(shí)也存在著一點(diǎn)的暗電流，輸出一定的光電信號(hào)，這個(gè)值相當(dāng)于膠片的灰霧密度。通過(guò)在曝光前遮光記錄暗電流的數(shù)值，再在曝光后的圖象中減去相應(yīng)的暗電流信息，可以提高感光器件的寬容度和減少噪聲。