2024年4月8日发(作者：)

CCD摄像机中的高速电子快门

快门是照相机(或摄影机)所特有的用来控制曝光时间的一种装置。如果将照相机(或摄

影机)中的曝光时间的含义运用于摄像机中。摄像机的曝光时间．则可称为快门速度．就是

同一像素相继二次读出电荷的时间周期．也就是像素积累电荷所需的时间。对于传统的真

空管式摄像机，根据电视扫描制式的不同，PAL制的快门速度为1／25s(s表示秒)．NTSC

制的快门速度为1／30s。对于CCD摄像机，其基本的快门速度应为1／50s(PAL制)或1

／60s(NTSC制)。

1．在CCD摄像机中采用高速电子快门的主要目的

传统的真空管式摄像机由于快门速度较低，加之摄像管的惰性较大，因此．在拍摄高

速运动物体时，很难准确“冻结”物体的变化动作。这样在重放时，特别是慢动作或“定

格”(静帧)重放时，画面的轮廓往往模糊不清，动态分辨力不高。

有两条途径可以提高画面的轮廓清晰度和动态分辨力：一是提高快门速度，二是降低

摄像管的惰性。

由于CCD摄像机中的摄像器件是依靠时钟脉冲来读取电荷的．这一点决定它本身的惰

性很小。另外，CCD摄像机的基本快门速度略高于真空管式摄像机．因此．采用高速快门

的CCD摄像机其动态分辨能力要高于真空管式摄像机．这是CCD摄像机的一大优点。尽

管如此，在拍摄高速运动的物体时．如果CCD摄像器件还是采用摄像管的基本快门速度来

拍摄高速运动的物体，它的动态分辨能力仍然难以满足实际需要，因此对于CCD摄像机，

只有提高其快门速度才能实现。CCD摄像器件对像素电荷的读取是采用时钟脉冲在场逆程

期间进行的，这一点使得CCD摄像机．可以非常方便地通过加装高速电子快门的办法来提

高其动态分辨能力，这就是目前生产的CCD摄像机多采用高速快门的主要原因和目的。

采用高速电子快门之后．不仅使CCD摄像机在拍摄高速运动物体时图像的细节更加丰

富。而且显著地提高了重放时．特别是慢镜头和定格(静帧)重放画面的清晰度。

2．高速电子快门的工作原理

目前除帧转移方式的CCD摄像机仍然使用机械快门来清除垂直拖尾现象外．在帧一行

间转移方式和行间转移方式的CCD摄像机中．均使用了操作更为方便、并且控制范围更大

的电子快门。实现高速电子快门的基本构思是，将成像区积累信号电荷的场正程时间分为

两部分：前一部分时间积累的信号电荷被无效地释放掉，不形成信号输出，后一部分时间

积累的电荷被有效地利用起来．形成信号输出。以帧一行间转移方式为例。其无效电荷的

释放是在前一部分积累时间结束后．由读出脉冲和高速反向移位脉冲将整个成像区的像素

电荷统一移至“过流溢出”区域来实现的。具体地说，若通过电子快门(或旋钮)，选择的

高速快门时间为1／t秒，则在场正程开始后．成像区的CCD像素按照正常的帧一行间转

移方式积累电荷，当积累

时间至(1／50-1／t)秒(PAL制)时，成像区积累的电荷便在读出脉冲的控制下，被快速

送至垂直移位寄存器．随即在高速反向移位脉冲的控制下．再将垂直移位寄存器的电荷移

至“过流溢出”区域。在剩余的场正程时间(1，t)秒(PAL制)内，成像区的CCD像素又开

始重新积累电荷，直至场正程结束。在场消隐期间．再按照正常的帧一行间转移方式将有

效电荷转移和读出。可见．有效电荷的积累时间就是CCD摄像机的曝光时间。显然，曝光

时间的长短与读出脉冲的位置有关。帧一行间转移方式CCD摄像机中读出脉冲的位置是受

所选择的快门速度的控制，快门速度愈高，其读出脉冲相对于场正程前沿的右移量愈大．则

无效电荷的积累时间愈长；有效电荷的积累愈短，曝光时间愈短，反之，则曝光时间愈长。