數字相機(ji)(DC/DSLR等(deng))的(de)快(kuai)門結(jie)(jie)構和傳(chuan)統相機(ji)有所(suo)不同，除(chu)了機(ji)械快(kuai)門以(yi)外，還存在電子快(kuai)門，實際上是二(er)者的(de)混合體。我寫(xie)這篇(pian)文(wen)章大概介紹(shao)一下數字相機(ji)的(de)快(kuai)門結(jie)(jie)構，希望能拋磚引玉。

要(yao)討論數字(zi)相(xiang)機(ji)的(de)快門結構，首先(xian)先(xian)要(yao)了解(jie)一下數字(zi)相(xiang)機(ji)的(de)結構分類，根據成像(xiang)原理不同，數字(zi)相(xiang)機(ji)大概有以下幾類：

1、面陣型(xing)數字(zi)相機；

2、線陣(zhen)型(xing)數字相機；

3、單(dan)次俘(fu)獲型數(shu)字相機；

4、三次(ci)俘獲型數字(zi)相機(ji)；

面(mian)陣型數字相機使用的感光(guang)材料(liao)有比(bi)較大的面(mian)積，通(tong)常(chang)為矩(ju)形(xing)，常(chang)見的尺寸有1/4"CCD，1/3"CCD，1/2"CCD，2/3"CCD等等，曝光(guang)時一次完成。大多(duo)數DC/DSLR都是(shi)采(cai)用這(zhe)種結構。

線(xian)陣(zhen)型數字相機(ji)使(shi)用的感光材料是條狀的，感光單元(yuan)拍(pai)成一(yi)列，工(gong)作(zuo)時通(tong)過(guo)CCD的移(yi)動(dong)(dong)來(lai)一(yi)行(xing)一(yi)行(xing)的進(jin)行(xing)拍(pai)攝過(guo)程。這種結構可以通(tong)過(guo)步進(jin)電(dian)機(ji)作(zuo)到(dao)很高的分辨率，但無法拍(pai)攝運動(dong)(dong)的物體，而且要求照明光源穩定。我們常見的掃描儀就是這種線(xian)陣(zhen)結構，實際(ji)上(shang)還有這種結構的大畫幅的數字后(hou)背(如用于4 x 5機(ji)背取景(jing)相機(ji)的)；

單次俘(fu)(fu)獲型數(shu)字相(xiang)機有兩種結構，單CCD和3CCD型。單CCD是(shi)通過感(gan)光(guang)材料面陣上(shang)(shang)的CFA(Color Filter Array)來實現彩色(se)的俘(fu)(fu)獲過程，因(yin)為(wei)二(er)維成像(xiang)器件本(ben)身只(zhi)能俘(fu)(fu)獲黑白影象，通過分布在每個(ge)像(xiang)素上(shang)(shang)的R、G、B濾(lv)色(se)片來進行感(gan)光(guang)，感(gan)光(guang)后通過軟件合成出(chu)彩色(se)影象。如常見的Bayer濾(lv)鏡就是(shi)一(yi)種CFA。

3CCD采用彩色(se)分光棱鏡進行分色(se)，分色(se)后的不(bu)同波長的影(ying)象(xiang)用3塊感光材料分別記錄(lu)，再通(tong)過軟(ruan)件進行合成。這種方(fang)式的優點是色(se)彩還原(yuan)較好(hao)，但(dan)如(ru)果(guo)3個通(tong)道的信號處理(li)不(bu)好(hao)會造(zao)成套色(se)不(bu)準(zhun)。其結構如(ru)圖(tu)1所(suo)示(shi)意：

以上是(shi)數字(zi)相機的幾種(zhong)大概的結(jie)構，下面再介紹一(yi)下數字(zi)相機的快門結(jie)構。

數字(zi)相(xiang)機(ji)可以(yi)用集(ji)成在成象器件上的全電子(zi)(zi)快(kuai)門來控制(zhi)曝光時間，同(tong)時很(hen)多(duo)的相(xiang)機(ji)還同(tong)時具有(you)機(ji)械快(kuai)門，而很(hen)多(duo)電子(zi)(zi)快(kuai)門速(su)度可以(yi)達到us級別(bie)。電子(zi)(zi)快(kuai)門主要有(you)3種類型：

a、行間快門(Interline Shuttle)

b、幀轉(zhuan)移(yi)快門(men)(Frame Shuttle)

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

對(dui)于無論上述(shu)(shu)哪一(yi)種(zhong)快門結構，都(dou)是和感(gan)光材料的結構密切相(xiang)關的，即感(gan)光材料的結構決(jue)定了可(ke)以采用哪一(yi)種(zhong)快門結構。所以下面的討(tao)論中將結合的描述(shu)(shu)。

對(dui)于(yu)行間(jian)快門(men)，感光材料實際上分為感光區(qu)(qu)(light-sensitive cell)和遮(zhe)光存儲區(qu)(qu)(shaded shift registers)，示意圖如(ru)圖2所示：

行間(jian)快門的遮光(guang)(guang)區(qu)存儲單(dan)元和感(gan)光(guang)(guang)單(dan)元一(yi)一(yi)對(dui)應，都分布在感(gan)光(guang)(guang)平(ping)面上(shang)。曝(pu)(pu)光(guang)(guang)開始以(yi)前(qian)(qian)，像素上(shang)的信(xin)息(xi)(xi)不(bu)被(bei)記(ji)錄，當系(xi)統發出復(fu)位(wei)信(xin)號以(yi)后(hou)，像素上(shang)的信(xin)息(xi)(xi)被(bei)清除，并(bing)記(ji)錄暗電流信(xin)息(xi)(xi)，然(ran)后(hou)系(xi)統開始曝(pu)(pu)光(guang)(guang)。曝(pu)(pu)光(guang)(guang)時(shi)間(jian)到達后(hou)，感(gan)光(guang)(guang)區(qu)上(shang)的信(xin)息(xi)(xi)被(bei)迅速轉移到對(dui)應的遮光(guang)(guang)存儲單(dan)元內，然(ran)后(hou)感(gan)光(guang)(guang)區(qu)復(fu)位(wei)，準備下一(yi)次(ci)曝(pu)(pu)光(guang)(guang)。這些(xie)過程只(zhi)需要一(yi)個時(shi)鐘周期。再(zai)下一(yi)次(ci)曝(pu)(pu)光(guang)(guang)開始前(qian)(qian)，存儲區(qu)的信(xin)息(xi)(xi)再(zai)轉移到DSP電路中，經過處理后(hou)存儲到數(shu)字相機的存儲介質中。

曝光流程(cheng)如(ru)圖3所示意：

對(dui)于幀轉移(yi)快(kuai)門，感(gan)(gan)光(guang)(guang)(guang)材(cai)料也存在(zai)著(zhu)感(gan)(gan)光(guang)(guang)(guang)區(qu)和存儲區(qu)，但位于兩(liang)個(ge)不(bu)同的(de)位置。這種感(gan)(gan)光(guang)(guang)(guang)材(cai)料的(de)實際面積要2倍(bei)于行間快(kuai)門結構的(de)感(gan)(gan)光(guang)(guang)(guang)材(cai)料，所(suo)(suo)以CCD的(de)感(gan)(gan)光(guang)(guang)(guang)平面上都是像素(su)感(gan)(gan)光(guang)(guang)(guang)單元，感(gan)(gan)光(guang)(guang)(guang)靈敏(min)度(du)可(ke)以很(hen)高。但這種結構的(de)缺點(dian)是一個(ge)時鐘(zhong)周期內，像素(su)的(de)信(xin)(xin)號只能(neng)(neng)傳遞(di)出(chu)去一次，所(suo)(suo)有像素(su)的(de)信(xin)(xin)息傳遞(di)需(xu)要n個(ge)(n為感(gan)(gan)光(guang)(guang)(guang)材(cai)料的(de)垂直分辨(bian)率(lv))周期才(cai)能(neng)(neng)完成傳遞(di)過程，因(yin)此速(su)度(du)受到一定的(de)影響。

這種(zhong)快門(men)的曝光(guang)流程如下圖：

最后(hou)要說(shuo)的(de)(de)(de)是(shi)全幀轉移快(kuai)門，也有(you)叫做狹縫式(shi)快(kuai)門的(de)(de)(de)。采用這種快(kuai)門結構的(de)(de)(de)感光(guang)(guang)材料，最大的(de)(de)(de)特(te)點是(shi)不再象行間快(kuai)門和幀轉移快(kuai)門那樣具有(you)和感光(guang)(guang)單元(yuan)(yuan)對(dui)應的(de)(de)(de)存儲單元(yuan)(yuan)。曝光(guang)(guang)仍然(ran)通過(guo)復位時(shi)鐘來(lai)控制，信號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)讀出(chu)是(shi)通過(guo)位于(yu)各列像素之間時(shi)鐘信號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)配(pei)合，通過(guo)列放大器直接輸出(chu)。由(you)于(yu)不存在存儲過(guo)程，信號(hao)(hao)(hao)通過(guo)開關電(dian)路直接轉移，因此可以作到很(hen)好的(de)(de)(de)快(kuai)門速(su)度(du)。

目前高像素值的(de)(de)DC/DSLR和對速度遲滯要求高的(de)(de)產品均采用的(de)(de)是(shi)這種(zhong)結(jie)構的(de)(de)傳(chuan)感器/快門(men)結(jie)構。如(ru)(ru)Olympus的(de)(de)E-20。但由于(yu)沒有找到Canon的(de)(de)DSLR相關(guan)的(de)(de)資料，所(suo)以(yi)我不知道(dao)是(shi)否1DS或(huo)10D也采用類似(si)的(de)(de)結(jie)構。該快門(men)結(jie)構示意圖如(ru)(ru)下：

曝光流程如圖7所示(shi)意：

在step1時，當(dang)相機機械快門關閉后電(dian)荷(he)轉移到(dao)水平輸出寄存器內(nei)；

在step2時，串行輸出電荷。

全幀轉移快(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)門(狹(xia)縫(feng)快(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)門)的(de)(de)(de)曝光過程是逐點傳(chuan)輸的(de)(de)(de)，嚴格(ge)的(de)(de)(de)講各個像(xiang)素不(bu)是同時(shi)曝光。當(dang)快(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)門速(su)度非常高時(shi)拍攝運(yun)動的(de)(de)(de)物體時(shi)，將(jiang)產(chan)生如(ru)同傳(chuan)統相機(ji)焦(jiao)平(ping)面快(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)門的(de)(de)(de)狹(xia)縫(feng)變(bian)形。需要通(tong)過DSP來進行(xing)修正。但(dan)這(zhe)種快(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)門因為(wei)(wei)結(jie)構簡(jian)單(dan)，可(ke)以簡(jian)化制造過程和降低成本，速(su)度也比較快(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)，已經成為(wei)(wei)一(yi)種發展的(de)(de)(de)趨勢(shi)。

最(zui)后討論一下(xia)機(ji)(ji)(ji)(ji)械快(kuai)門(men)(men)(men)在數字(zi)(zi)相機(ji)(ji)(ji)(ji)中的(de)作(zuo)用。在數字(zi)(zi)相機(ji)(ji)(ji)(ji)中保留機(ji)(ji)(ji)(ji)械快(kuai)門(men)(men)(men)的(de)目的(de)之一是(shi)可以(yi)記錄感光材料(liao)的(de)暗電流(liu)信息(xi)。數字(zi)(zi)相機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)機(ji)(ji)(ji)(ji)械快(kuai)門(men)(men)(men)和(he)傳統相機(ji)(ji)(ji)(ji)是(shi)不(bu)一樣的(de)，平時是(shi)打(da)開著以(yi)便(bian)電子取景器取景。再(zai)(zai)曝光前再(zai)(zai)關(guan)閉，復位感光器件上(shang)的(de)存儲信息(xi)，并記錄各個像素的(de)暗電流(liu)資料(liao)。接(jie)下(xia)來進(jin)行曝光。機(ji)(ji)(ji)(ji)械快(kuai)門(men)(men)(men)開啟，曝光結束后關(guan)閉機(ji)(ji)(ji)(ji)械快(kuai)門(men)(men)(men)，將曝光數據進(jin)行DSP處(chu)理。流(liu)程如下(xia)：

補(bu)(bu)充一點，記(ji)錄暗(an)電流(liu)的(de)(de)(de)(de)作用主要是進行黑(hei)色補(bu)(bu)償。光電器件在(zai)(zai)沒(mei)有(you)任何光線照射(she)時也存(cun)在(zai)(zai)著一點的(de)(de)(de)(de)暗(an)電流(liu)，輸出一定(ding)的(de)(de)(de)(de)光電信號，這個值(zhi)相(xiang)當于膠(jiao)片的(de)(de)(de)(de)灰霧密度。通過(guo)在(zai)(zai)曝光前遮光記(ji)錄暗(an)電流(liu)的(de)(de)(de)(de)數值(zhi)，再在(zai)(zai)曝光后的(de)(de)(de)(de)圖象中減(jian)去相(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)(de)暗(an)電流(liu)信息(xi)，可以(yi)提高感光器件的(de)(de)(de)(de)寬容度和減(jian)少(shao)噪聲。