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坦诚的说,写这段文字之后,还有好几个问题我并没有想清楚。但我也知道查不到资料空想完全是白搭,所以先贴出来,抛砖引玉,谁有了解的欢迎指正补足。
取消机械快门仅留电子快门会降低数码相机的成本、缩小体积、增长寿命、提高快门速度、减小快门和时滞。为什么今天的数码单反、单电、微单和大部分DC还要保留机械快门呢?显然是因为电子快门存在不足。
以前很多人认为机械快门可以创造完美的黑场,更好的帮助成像元件将电荷清零,了解本底噪声,从而提升信噪比,获得更好的成像。现在看来这种说法并不准确——多相机选择第一帘电子、第二帘机械的方式,显然没有归零之说,成像没有区别。我们的认识转到电子快门的原理上,这又与传感器的类型有关。
目前的成像元件分为CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体,实际上也是电荷耦合器件)。常见的CCD包括隔行传输型、全帧传输型和面传输型。
隔行传输的CCD纵向是一列光电二极管、一列移位寄存器间隔排列。光电二极管感光产生电荷,传输到旁边的移位寄存器,每一列移位寄存器依次接力,将电荷传输到CCD边缘,转换成电压,读取。这种情况下,每完成一次全部移位寄存器的读取,就是一次电子快门。因此隔行传输CCD是可以完全通过电子快门实现曝光的。
但是,在每一列移位寄存器传输电荷过程中,光电二极管实际上还在继续感光,如果有高光产生大电荷信号,仍然有一部分电荷会窜到传输中区,影响曝光结果。这就有可能产生纵向拖尾的虚假信号。增加一个机械快门便可以防止这种现象。当然,隔行传输的CCD的填充率(可感光面积)低,现在已经很少被用于中高端机型。
再来说全帧传输CCD,整个CCD的绝大部分面积都是光电二极管。这样它的填充率比隔行传输CCD要大不少,有更大的动态范围、更低的噪声和较高的灰级灵敏度。但由于没有移位寄存器这个中间读取环节,全帧传输CCD使用电子快门的难度大,一般都需要使用机械快门控制曝光。
再说面传输CCD,它相当于把隔行传输CCD的移位寄存器从光电二极管的旁面移到了底下,从而保证CCD的填充率与全帧传输CCD类似,拖尾现象小于隔行传输CCD。面传输CCD可以不用机械快门,但是面传输CCD需要双层结构,但也不能保证完全无拖尾。主要问题在于面传输CCD是上下两层的,成本几乎是其他CCD的两倍,如果画幅大的话成本更,且在读取速度上不如CMOS,因此没听说什么应用。
关于CMOS,先插几句题外话,几年前所有人都说CCD性能好,色彩表现优秀、曝光宽容度大,高端影像设备用CCD,低端设备用CMOS,只有Canon一开头就扎到CMOS上下注。这几年各厂商全都明白过来,CCD虽然天然性能好,但比不得CMOS能折腾,大尺寸高像素新结构高速率样样都更容易,因此大多倾向CMOS去了。
CMOS每一个光电二极管都有自己的放大器,直接通过电路传输电压信号。CMOS的电子快门大多采取滚动方式,即每一行的光电二极管依次曝光,依次读取。这与机械帘幕快门在高速下是一样的。这样做的好处是读取效率高,一边曝光一边读取,控制简单,容易实现高速率。但滚动快门会带来“果冻效应”——对于快速移动的物体,前后几行像素记录的位置不一样,造成倾斜、扭曲的影像。而且与帘幕快门一样,所有滚动快门都存在高速闪光不能同步的问题。
一旦增加机械快门,就可以改变这种问题。CMOS可以在黑暗的状态下清空电荷,机械快门打开后曝光或接受闪光曝光,机械快门关闭后依次读取信息,完全消除果冻现象。
其实,CMOS也可以使用全域快门,但显然控制比较复杂。且这种模式下,曝光和读取是分开的两个步骤,降低了连续读取的帧频,从而影响实时取景和视频拍摄。各个厂家都在追求高清视频拍摄和高速反差对焦,恐怕不太乐意选择这种方式。
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