高速摄像机的快门

在数字高速摄像机中，通过固态CCD或CMOS图像传感器的光敏面（光电二极管）将物体的光信号转换成电信号来捕获图像。由图像传感器生成信号的数量取决于落到传感器上的光线的数量，而且两者都与亮度和持续时间有关。当然，像传统的胶片摄像机一样，数字摄像机也需要快门来控制曝光以保证成像质量。通常的做法是在图像传感器前面外加一个机械快门或加入一个单片电子快门。

带快门的图像传感器主要有：

·带电子快门的CCD图像传感器；

·带传统旋转快门的CMOS图像传感器；

·带柯达专利球形快门的CMOS图像传感器。

1.带电子快门的CCD图像传感器

有些类型的CCD图像传感器采用电子快门装置。在带有内置式电子快门的CCD传感器中，积分前整个传感器要复位来清除光电二极管内的残留信号，然后光电二极管积聚电荷持续一段时间。在积分阶段，所有的电荷被同时传送到传感器的光屏蔽区域。然后电荷被传出传感器的光屏蔽区域而被读出。具有此性能的CCD图像传感器叫做行插入式CCD图像

传感器，许多光电二极管的列被光屏蔽的纵列CCD器件隔行扫描。纵向CCD器件习惯于把电荷垂直替换出成像区域。光屏蔽可防止电荷在读出过程中进一步积聚。曝光时间就是从传感器复位开始到光电二极管传输电荷至纵向CCD器件的时间。

2.带旋转快门的CMOS图像传感器

CMOS图像传感器的旋转快门的运转类似于胶片摄影机的焦面快门（实际上，旋转快门有时即指电子焦平面快门）。典型的例子为图像传感器中像素排依次复位，从图像的顶部一排一排地进行到底部。当这种复位程序沿图像向下移动一定距离时，读出程序开始，像素排被依次读出，从图像的顶部开始一排一排读到底部，而且几乎与复位程序的方式和速度一样。

正在复位的一排与正在读出的一排之间的时间延迟叫做积分时间。通过改变复位键扫过的一排到开始读出此排之间的时间，可以控制积分时间（也叫做曝光时间）。在旋转快门中，积分时间的改变可以从单行时间（复位接着在下一行读出）上升至全帧时间（复位进行到图像底部后才开始从顶部读出）或更多。

由于积分过程扫过图像要经历一些时间，有些运动的假像就变得很明显。例如，在拍摄时，如果有一车辆正行驶通过画面，来自车辆顶部的光线比来自车辆底部的光线积分早一些，就会使得车辆底部在运动方向上出现方向偏差。这可能导致车辆看起来速度有点快，就不能完全精确的显示车辆。这样，不同程度的畸变都可能发生，这取决于图像中运动物体与旋转快门的关系。

3.带球形快门的CMOS图像传感器

ＣＭＯＳ图像传感器使用柯达专利球形快门来控制曝光，其方式类似于上面提到的行插入式CCD。在球形快门的操作上，积分前整个传感器处于复位状态。在积分时间内允许像元积聚电荷。积分时间结束时，每一像元中积聚的电荷被传送到光屏蔽的存储区域，然后信

号从光屏蔽区域中读出。因为所有的像元在同一时间复位，用相同的时间间隔积分，而且同时传输到光屏蔽存储区，就没有形成运动假像的电势。

4.CMOS传感器中闪光的应用

与胶片摄影机相似，数字高速摄像机一般也使用闪光来提供足够的光使图像在弱光环境中充分曝光。电子闪光持续时间一般很短（微秒级或长２ｍｓ），但是CMOS图像传感器的读出时间比较长。因此，CMOS图像传感器使用闪光灯需要特殊条件。

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