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

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

1、面陣型數(shù)字相機；

2、線陣型數(shù)字相機；

3、單次俘獲型數(shù)字相機；

4、三次俘獲型數(shù)字相機；

面陣型數(shù)字相機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)字相機使用的感光材料是條狀的，感光單元拍成一列，工作時通過CCD的移動來一行一行的進行拍攝過程。這種結(jié)構(gòu)可以通過步進電機作到很高的分辨率，但無法拍攝運動的物體，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機背取景相機的)；

單次俘獲型數(shù)字相機有兩種結(jié)構(gòu)，單CCD和3CCD型。單CCD是通過感光材料面陣上的CFA(Color Filter Array)來實現(xiàn)彩色的俘獲過程，因為二維成像器件本身只能俘獲黑白影象，通過分布在每個像素上的R、G、B濾色片來進行感光，感光后通過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行分色，分色后的不同波長的影象用3塊感光材料分別記錄，再通過軟件進行合成。這種方式的優(yōu)點是色彩還原較好，但如果3個通道的信號處理不好會造成套色不準。其結(jié)構(gòu)如圖1所示意：

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

數(shù)字相機可以用集成在成象器件上的全電子快門來控制曝光時間，同時很多的相機還同時具有機械快門，而很多電子快門速度可以達到us級別。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。

對于無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。

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

行間快門的遮光區(qū)存儲單元和感光單元一一對應(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，當系統(tǒng)發(fā)出復位信號以后，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。曝光時間到達后，感光區(qū)上的信息被迅速轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的遮光存儲單元內(nèi)，然后感光區(qū)復位，準備下一次曝光。這些過程只需要一個時鐘周期。再下一次曝光開始前，存儲區(qū)的信息再轉(zhuǎn)移到DSP電路中，經(jīng)過處理后存儲到數(shù)字相機的存儲介質(zhì)中。

曝光流程如圖3所示意：

對于幀轉(zhuǎn)移快門，感光材料也存在著感光區(qū)和存儲區(qū)，但位于兩個不同的位置。這種感光材料的實際面積要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)的缺點是一個時鐘周期內(nèi)，像素的信號只能傳遞出去一次，所有像素的信息傳遞需要n個(n為感光材料的垂直分辨率)周期才能完成傳遞過程，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應(yīng)的存儲單元。曝光仍然通過復位時鐘來控制，信號的讀出是通過位于各列像素之間時鐘信號的配合，通過列放大器直接輸出。由于不存在存儲過程，信號通過開關(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，當相機機械快門關(guān)閉后電荷轉(zhuǎn)移到水平輸出寄存器內(nèi)；

在step2時，串行輸出電荷。

全幀轉(zhuǎn)移快門(狹縫快門)的曝光過程是逐點傳輸?shù)?，嚴格的講各個像素不是同時曝光。當快門速度非常高時拍攝運動的物體時，將產(chǎn)生如同傳統(tǒng)相機焦平面快門的狹縫變形。需要通過DSP來進行修正。但這種快門因為結(jié)構(gòu)簡單，可以簡化制造過程和降低成本，速度也比較快，已經(jīng)成為一種發(fā)展的趨勢。

最后討論一下機械快門在數(shù)字相機中的作用。在數(shù)字相機中保留機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)字相機的機械快門和傳統(tǒng)相機是不一樣的，平時是打開著以便電子取景器取景。再曝光前再關(guān)閉，復位感光器件上的存儲信息，并記錄各個像素的暗電流資料。接下來進行曝光。機械快門開啟，曝光結(jié)束后關(guān)閉機械快門，將曝光數(shù)據(jù)進行DSP處理。流程如下：

補充一點，記錄暗電流的作用主要是進行黑色補償。光電器件在沒有任何光線照射時也存在著一點的暗電流，輸出一定的光電信號，這個值相當于膠片的灰霧密度。通過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。