CCD航空相機用長壽命簾幕式快門

曲國志， 劉海英

(中國兵器工業集團第二二八廠，長春 130103)

0 引言

航空相機是裝載在飛機上以攝取地表景物來獲取地面目標的光學儀器［1－3］，而快門是航空相機的重要部件，其性能指標、可靠性及使用壽命，對相機的成像質量、圖像灰度均勻性以及相機的維修性均有重要影響。航空相機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械上緊，然后瞬間釋放，使葉片翻轉，達到曝光目的，由于葉片的快速翻轉，對快門產生沖擊，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，對成像質量影響較大，一般可使相機分辨率降低20%。由于存在上述缺陷，這種快門在CCD航空相機中不宜采用。簾幕式焦面快門本身具有通光效率高，對成像質量影響小，易于實現快速曝光等優點，已經被美國的很多相機采用，如KS146型號航空相機，國內的某些畫幅相機也是采用簾幕式快門。傳統的該類型快門，結構較為復雜，且需要用齒輪組傳動，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較高，使用壽命相對較短(一般在10萬次左右)等問題，滿足不了CCD相機對快門的使用要求。

本文介紹了一種新型簾幕式焦面快門，該快門的特點是結構相對簡單，簾幕采用金屬材料，用齒帶傳動取代齒輪傳動，不使用電磁鐵，大幅度提高了快門的可靠性和使用壽命。在電控上應用了DSP+FPGA的控制系統方案，利用FPGA的容量大、可編程實現很多功能，結合DSP具有高速的信息處理能力的特點，使得控制系統非常簡潔，控制精度高，通用性強，系統也易于維護和擴展。使用壽命預計可達30萬次以上，其性能指標達到國內領先水平。

1 快門構成及工作原理

1.1 快門構成

快門主要由伺服電機、簾幕、控制電路以及齒形傳動帶、卷輥等結構組合構成，如圖1所示。

圖1 簾幕式快門結構示意圖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，兩端分別纏繞在對應的卷輥上。快門曝光時，電機1、2通過齒形傳動帶，分別快速帶動卷輥1、2，卷輥1、2帶動其上纏繞的簾幕1、2同步運動，光線通過兩簾幕形成的一定寬度的狹縫照射到相機焦面上，實現順次曝光。狹縫寬度可通過改變兩個電機的相對轉角進行調整，在掃描速度恒定的情況下，用以實現曝光時間的改變，從而實現對曝光量的調節。電機正轉曝光一次，反轉曝光一次。

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

該控制系統主要由 DSP、FPGA、A/D、D/A、EEPROM存儲單元、實時鐘、接口電路及程序存儲器組成。由DSP、FPGA主控模塊輸出控制信號，接收電機驅動板反饋簾幕的速度和位置信號，通過相應算法實時調控快門簾幕速度信號，確保達到快門兩簾幕同步性指標;由EEPROM存儲單元記錄快門的曝光次數。

2 快門傳動組件及電機組件設計

2.1 快門傳動組件設計

快門的機械傳動部分是快門工作的執行機構，由于快門有前、后兩層簾布，在曝光過程中，兩層簾布同時等速運動。因此，快門機械傳動部分采取兩層傳動機構分別實現前、后兩層簾布的運動。快門的傳動部分包括帶輪、傳動帶、輥軸組等，輥軸組都是剛性設計，保證雙簾門在較高速度下保持曝光連貫平穩，電機軸與門簾軸傳速比1.4∶1。門簾軸直徑 D=36 mm。在輥軸組與帶輪之間，加裝可調節張力的彈簧，用以平衡簾門在運動過程中所受到的張力。焦面快門不需要機械上緊，曝光速度通過傳動裝置，直接由電機控制，噪音小、可靠性高、壽命長。

2.2 快門電機組件設計

長壽命簾幕式焦面快門使用的電機組，由于對其運行平穩性、快速啟動性、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組。該電機組額定轉速達8000 rpm，額定轉矩(最大連續轉矩)為65.3 mNm;機械時間常數僅為5 ms，電機組同步性可達99%，快門電機組件的控制主要包括電機轉速控制信號采樣電路、旋變結算電路、DSP電路、邏輯緩沖電路、位置和速度信號的模擬輸出電路和RS422輸出電路。

3 快門主要性能指標

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芯片設計，其通光孔徑93*93 mm2。

3.2 有效曝光時間

快門的有效曝光時間在1/1200～1/150 s范圍內連續可調。

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，設計為6 mm;b為狹縫寬度，設計為2～16 mm連續可調(簾幕速度設計為2400 mm/s);D/f′為相機相對孔徑。

表1為相對孔徑取1∶5.6時，快門的通光效率。對應不同的相對孔徑，快門通光效率見表1。

表1 相機相對口徑和快門通光效率關系的對應表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間范圍內可達到80%以上。

3.4 曝光均勻性［4－6］

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

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間。

由上式導出有效曝光時間的均方根誤差為

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

經計算，有效曝光時間誤差理論計算分別為: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

在標準試驗條件下，利用專用的快門測試儀對長壽命焦面快門的性能指標進行了測試，測試結果表明快門的各項性能指標達到設計指標要求。

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光敏面時間為40 ms，快門曝光時間為1/1200 s，根據電機驅動控制板反饋的簾幕位置信號，經測定控制兩簾幕同步性達到了99%。快門測試儀檢測快門簾幕經過CCD光敏面的位置信號曲線如圖3所示。

圖3 簾幕位置信號曲線圖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范圍內連續可調。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，為觀測曝光時間在幅面內各點的精度，每當測量時在畫幅內均勻地選擇7個位置，進行5次測量，測試結果如表2所示(實測曝光時間的測試均為畫幅內均勻地選擇7個位置，進行5次測量的平均值)。曝光時間試驗測試結果如表2。

表2 曝光時間試驗測試結果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，對焦面快門進行壽命測試，通過讀取EEPROM存儲單元記錄快門的曝光次數可知，快門曝光次數已經超過30萬次，且快門結構運轉靈活，簾幕完好，電控系統自檢正常，試驗數據說明，長壽命焦面快門達到曝光次數30萬次的設計指標要求。

5 結論

介紹了航空相機用長壽命簾幕式焦面快門的設計原理和控制原理，快門結構設計簡單無光耦、無齒輪傳動和無制動措施，簾幕采用金屬的鈦箔材料，保障了快門的使用壽命，結構設計巧妙新穎;且采用特殊定制的電機組件和DSP電控系統，使系統的控制精度達到最高。通過試驗表明快門的使用壽命已經超過30萬次，且曝光精度誤差小，其性能指標已達到國內先進水平。

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