曲國志， 劉海英

(中國兵器工業(yè)集團(tuán)第二二八廠，長春 130103)

0 引言

航空相機(jī)是裝載在飛機(jī)上以攝取地表景物來獲取地面目標(biāo)的光學(xué)儀器［1－3］，而快門是航空相機(jī)的重要部件，其性能指標(biāo)、可靠性及使用壽命，對(duì)相機(jī)的成像質(zhì)量、圖像灰度均勻性以及相機(jī)的維修性均有重要影響。航空相機(jī)快門由于其通光孔徑較大，可采用的快門一般有兩種，即片板式鏡間快門和簾幕式焦面快門。片板式快門曝光前需要機(jī)械上緊，然后瞬間釋放，使葉片翻轉(zhuǎn)，達(dá)到曝光目的，由于葉片的快速翻轉(zhuǎn)，對(duì)快門產(chǎn)生沖擊，影響快門使用壽命，而且噪音大，故障率較高，可靠性差，使用壽命一般在4萬次左右，其通光效率只有45%左右，而且由于存在衍射效應(yīng)，對(duì)成像質(zhì)量影響較大，一般可使相機(jī)分辨率降低20%。由于存在上述缺陷，這種快門在CCD航空相機(jī)中不宜采用。簾幕式焦面快門本身具有通光效率高，對(duì)成像質(zhì)量影響小，易于實(shí)現(xiàn)快速曝光等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被美國的很多相機(jī)采用，如KS146型號(hào)航空相機(jī)，國內(nèi)的某些畫幅相機(jī)也是采用簾幕式快門。傳統(tǒng)的該類型快門，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且需要用齒輪組傳動(dòng)，電磁鐵吸合，以及易老化和磨損的非金屬簾幕材料等，因此仍存在故障率相對(duì)較高，使用壽命相對(duì)較短(一般在10萬次左右)等問題，滿足不了CCD相機(jī)對(duì)快門的使用要求。

本文介紹了一種新型簾幕式焦面快門，該快門的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，簾幕采用金屬材料，用齒帶傳動(dòng)取代齒輪傳動(dòng)，不使用電磁鐵，大幅度提高了快門的可靠性和使用壽命。在電控上應(yīng)用了DSP+FPGA的控制系統(tǒng)方案，利用FPGA的容量大、可編程實(shí)現(xiàn)很多功能，結(jié)合DSP具有高速的信息處理能力的特點(diǎn)，使得控制系統(tǒng)非常簡潔，控制精度高，通用性強(qiáng)，系統(tǒng)也易于維護(hù)和擴(kuò)展。使用壽命預(yù)計(jì)可達(dá)30萬次以上，其性能指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

1 快門構(gòu)成及工作原理

1.1 快門構(gòu)成

快門主要由伺服電機(jī)、簾幕、控制電路以及齒形傳動(dòng)帶、卷輥等結(jié)構(gòu)組合構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 簾幕式快門結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of curtain-type shutter

1.2 工作原理［7－9］

簾幕采用金屬的鈦箔材料，分為上下兩層，兩層簾幕均有開口，兩端分別纏繞在對(duì)應(yīng)的卷輥上?？扉T曝光時(shí)，電機(jī)1、2通過齒形傳動(dòng)帶，分別快速帶動(dòng)卷輥1、2，卷輥1、2帶動(dòng)其上纏繞的簾幕1、2同步運(yùn)動(dòng)，光線通過兩簾幕形成的一定寬度的狹縫照射到相機(jī)焦面上，實(shí)現(xiàn)順次曝光。狹縫寬度可通過改變兩個(gè)電機(jī)的相對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行調(diào)整，在掃描速度恒定的情況下，用以實(shí)現(xiàn)曝光時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)曝光量的調(diào)節(jié)。電機(jī)正轉(zhuǎn)曝光一次，反轉(zhuǎn)曝光一次。

快門電控原理框圖如圖2所示。

圖2 快門電控原理框圖Fig.2 Control principle of the shutter

該控制系統(tǒng)主要由 DSP、FPGA、A/D、D/A、EEPROM存儲(chǔ)單元、實(shí)時(shí)鐘、接口電路及程序存儲(chǔ)器組成。由DSP、FPGA主控模塊輸出控制信號(hào)，接收電機(jī)驅(qū)動(dòng)板反饋簾幕的速度和位置信號(hào)，通過相應(yīng)算法實(shí)時(shí)調(diào)控快門簾幕速度信號(hào)，確保達(dá)到快門兩簾幕同步性指標(biāo);由EEPROM存儲(chǔ)單元記錄快門的曝光次數(shù)。

2 快門傳動(dòng)組件及電機(jī)組件設(shè)計(jì)

2.1 快門傳動(dòng)組件設(shè)計(jì)

快門的機(jī)械傳動(dòng)部分是快門工作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于快門有前、后兩層簾布，在曝光過程中，兩層簾布同時(shí)等速運(yùn)動(dòng)。因此，快門機(jī)械傳動(dòng)部分采取兩層傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)前、后兩層簾布的運(yùn)動(dòng)?？扉T的傳動(dòng)部分包括帶輪、傳動(dòng)帶、輥軸組等，輥軸組都是剛性設(shè)計(jì)，保證雙簾門在較高速度下保持曝光連貫平穩(wěn)，電機(jī)軸與門簾軸傳速比1.4∶1。門簾軸直徑 D=36 mm。在輥軸組與帶輪之間，加裝可調(diào)節(jié)張力的彈簧，用以平衡簾門在運(yùn)動(dòng)過程中所受到的張力。焦面快門不需要機(jī)械上緊，曝光速度通過傳動(dòng)裝置，直接由電機(jī)控制，噪音小、可靠性高、壽命長。

2.2 快門電機(jī)組件設(shè)計(jì)

長壽命簾幕式焦面快門使用的電機(jī)組，由于對(duì)其運(yùn)行平穩(wěn)性、快速啟動(dòng)性、同步性和使用壽命有特殊要求，所以采用特殊定制的直流無刷電機(jī)組。該電機(jī)組額定轉(zhuǎn)速達(dá)8000 rpm，額定轉(zhuǎn)矩(最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩)為65.3 mNm;機(jī)械時(shí)間常數(shù)僅為5 ms，電機(jī)組同步性可達(dá)99%，快門電機(jī)組件的控制主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)采樣電路、旋變結(jié)算電路、DSP電路、邏輯緩沖電路、位置和速度信號(hào)的模擬輸出電路和RS422輸出電路。

3 快門主要性能指標(biāo)

3.1 通光孔徑

本文所述快門的通光孔徑，按目前國際上最大的10 K×10 K面陣CCD芯片設(shè)計(jì)，其通光孔徑93*93 mm2。

3.2 有效曝光時(shí)間

快門的有效曝光時(shí)間在1/1200～1/150 s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

3.3 通光效率

簾幕式焦面快門的通光效率為

式中:L0為簾幕到光敏面的距離，設(shè)計(jì)為6 mm;b為狹縫寬度，設(shè)計(jì)為2～16 mm連續(xù)可調(diào)(簾幕速度設(shè)計(jì)為2400 mm/s);D/f′為相機(jī)相對(duì)孔徑。

表1為相對(duì)孔徑取1∶5.6時(shí)，快門的通光效率。對(duì)應(yīng)不同的相對(duì)孔徑，快門通光效率見表1。

表1 相機(jī)相對(duì)口徑和快門通光效率關(guān)系的對(duì)應(yīng)表Table 1 Relationship between relative aperture of camera and optical transmittance efficiency of shutter

由表1可知，快門的通光效率在常用的曝光時(shí)間范圍內(nèi)可達(dá)到80%以上。

3.4 曝光均勻性［4－6］

快門對(duì)曝光均勻性的影響程度取決于有效曝光時(shí)間的控制精度。有效曝光時(shí)間與狹縫寬度和快門速度的關(guān)系式為

式中:v為簾幕速度;b為狹縫寬度;t有效為快門有效曝光時(shí)間。

由上式導(dǎo)出有效曝光時(shí)間的均方根誤差為

式中:δv為快門電機(jī)在一幀圖像曝光時(shí)間內(nèi)的速度誤差，可控制在2‰以內(nèi);δb為狹縫寬度控制誤差，可控制在0.12 mm以內(nèi)。

經(jīng)計(jì)算，有效曝光時(shí)間誤差理論計(jì)算分別為:0.75%(1/150 s);1.5%(1/300 s);3.0%(1/600 s);6.0%(1/1200 s)。

4 快門的性能測試

在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，利用專用的快門測試儀對(duì)長壽命焦面快門的性能指標(biāo)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明快門的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4.1 快門兩簾幕位置同步性測試

由快門測試儀，將簾幕速度控制在2400 mm/s，簾幕狹縫寬度控制在2 mm，簾幕掃描CCD光敏面時(shí)間為40 ms，快門曝光時(shí)間為1/1200 s，根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板反饋的簾幕位置信號(hào)，經(jīng)測定控制兩簾幕同步性達(dá)到了99%?？扉T測試儀檢測快門簾幕經(jīng)過CCD光敏面的位置信號(hào)曲線如圖3所示。

圖3 簾幕位置信號(hào)曲線圖Fig.3 Signal curve of curtain position

4.2 快門精度測試

簾幕快門曝光量在1/1200～1/150 s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。在快門測試儀控制下，將簾幕速度控制在2400 mm/s，簾幕狹縫寬度控制在 2 mm、4 mm、6 mm、8 mm和16 mm時(shí)，為觀測曝光時(shí)間在幅面內(nèi)各點(diǎn)的精度，每當(dāng)測量時(shí)在畫幅內(nèi)均勻地選擇7個(gè)位置，進(jìn)行5次測量，測試結(jié)果如表2所示(實(shí)測曝光時(shí)間的測試均為畫幅內(nèi)均勻地選擇7個(gè)位置，進(jìn)行5次測量的平均值)。曝光時(shí)間試驗(yàn)測試結(jié)果如表2。

表2 曝光時(shí)間試驗(yàn)測試結(jié)果Table 2 Result of exposure time test

4.3 快門的使用壽命測試

在快門測試儀的控制下，將簾幕速度控制在2400 mm/s，對(duì)焦面快門進(jìn)行壽命測試，通過讀取EEPROM存儲(chǔ)單元記錄快門的曝光次數(shù)可知，快門曝光次數(shù)已經(jīng)超過30萬次，且快門結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，簾幕完好，電控系統(tǒng)自檢正常，試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，長壽命焦面快門達(dá)到曝光次數(shù)30萬次的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

介紹了航空相機(jī)用長壽命簾幕式焦面快門的設(shè)計(jì)原理和控制原理，快門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單無光耦、無齒輪傳動(dòng)和無制動(dòng)措施，簾幕采用金屬的鈦箔材料，保障了快門的使用壽命，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙新穎;且采用特殊定制的電機(jī)組件和DSP電控系統(tǒng)，使系統(tǒng)的控制精度達(dá)到最高。通過試驗(yàn)表明快門的使用壽命已經(jīng)超過30萬次，且曝光精度誤差小，其性能指標(biāo)已達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

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