專利名稱：一種面陣ccd相機快門的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種相機快門，特別是一種可用于空間遙感器面陣CCD相機 的快門。
背景技術：
快門是空間面陣相機的重要組成部分，使用全幀型面陣CCD探測器的相 機成像時要求預先清除CCD中的噪聲電荷，在曝光完成后，要求留出一段時 間讀取電荷，在兩次成像時間間隔內，要完成讀取數(shù)據(jù)和清除數(shù)據(jù)的兩項任務， 這就要求快門除了控制曝光時間(即CCD的積分時間)以滿足成像要求外， 還要在非成像時間內，避免CCD曝光。
目前，相機釆用的快門主要有中心疊片式和幕簾式兩種，以幕簾式快門為 例，這種快門具有前、后2層簾布，2層簾布均有開口部分，后簾比前簾長，2 層簾布的一端分別固定在2個上緊輥軸上，另一端分別固定在反巻輥軸上。反 巻輥內設有扭轉彈簧。當上緊輥軸轉動巻動快門簾布時，上緊了反巻輥內的扭
轉彈簧。快門曝光時，快門簾布在反巻輥軸內的扭轉彈簧作用下反巻，2個快 門簾布開口部分形成的曝光簾縫以相同的速度同向通過焦面，光線沒有遮攔地
落到焦面上，這種快門使用彈簧或電磁元件驅動，壽命僅有5萬次左右，不能
滿足空間相機的高精度、長壽命(超過1億次)的需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種滿足空間 CCD相機成像要求的高精度、長壽命面陣CCD相機快門。
本發(fā)明的技術解決方案是 一種面陣CCD相機快門，包括快盤、慢盤、 碼盤、第一電機、第二電機和控制電路；快盤和慢盤分別安裝于第一電機轉軸 和第二電機轉軸的一端，第一電機轉軸和第二電機轉軸的另一端分別安裝碼盤，
快盤和慢盤以不同的速度旋轉，碼盤測量快盤和慢盤的轉動速度及相位并送至 控制電路，控制電路根據(jù)所述轉動速度及相位信號，控制第一電機和第二電機
以恒定的轉速旋轉；快盤和慢盤上分別留有不同大小的扇形開口，當快盤和慢 盤的扇形開口同時經(jīng)過光路時，CCD處于曝光狀態(tài)；當快盤和慢盤的扇形開口 不同時進入光路時，CCD不被曝光，可以清除或讀取CCD中的電荷。
所述CCD處于曝光狀態(tài)的曝光時間由快盤的轉速決定。
所述的第一電機或第二電機為直流無刷電機，其力矩波動系數(shù)不大于3%。
所述的快盤或慢盤由防銹鋁制成，并進行靜平衡處理。
所述的碼盤由機械碼盤和光電對構成，光電對由發(fā)光管和光壽文管組合構成， 機械碼盤位于發(fā)光管和光敏管之間；當機械碼盤轉動時，光電對反映電機轉動 的速度脈沖和電機每周一次的位置脈沖作為控制電機轉動所需要的速度和相位 信號輸送至控制電路。
所述的控制電路為鎖頻鎖相電路。
所述的快盤的扇形開口大小由CCD的積分時間和快盤的轉速決定，關系 為快盤的扇形開口角度數(shù)-CCD積分時間x360度+快盤轉動周期。 所述的慢盤的扇形開口大小由慢盤的轉速和成像周期決定。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于
(1 )本發(fā)明相機快門通過控制電路控制電機驅動快盤和慢盤的轉動速度， 以簡單的單向連續(xù)轉動取代現(xiàn)有快門的復雜運動方式，滿足了空間面陣CCD
連續(xù)周期性的成像需要，延長了使用壽命；
(2) 本發(fā)明相機快門可以通過調整快盤的轉速來確定CCD的積分時間， 可滿足各種不同情況下的成像要求；
(3) 本發(fā)明中采用較小力矩波動系數(shù)的直流無刷電機，保證了盤片轉動的 均勻性，提高了成像精度；
(4) 快盤或慢盤由防銹鋁制成，鋁制盤片轉動慣量小，減少了電機啟動的 力矩要求，靜平衡處理保證了盤片轉動的均勻性，提高了成像精度；
(5) 機械碼盤位于光電對的發(fā)光管和光敏管之間，當機械碼盤轉動時，光
電對將輸出反映電機轉動的速度脈沖和電機每周一次的位置脈沖，作為控制系 統(tǒng)控制電機轉動所需要的速度和相位信號?？刂葡到y(tǒng)利用碼盤提供的反饋信號
提高了電機轉速的恒定和平穩(wěn)；
(6) 控制電路釆用鎖頻鎖相電路，保證了電機平穩(wěn)恒定的轉動，提高了成 像精度；
(7) 快盤用來保證CCD曝光時間的精確性，慢盤保證每個成像周期內， 除快盤控制CCD曝光的時間段內，光路始終處于擋光狀態(tài)，沒有光線進入 CCD。快盤和慢盤配合轉動，保證了成像的順利完成。


圖1為本發(fā)明面陣CCD相機快門的結構組成主視圖； 圖2為本發(fā)明面陣CCD相機快門的結構組成俯視圖； 圖3為本發(fā)明面陣CCD相機快門快盤的結構圖； 圖4為本發(fā)明面陣CCD相機快門慢盤的結構圖； 圖5為本發(fā)明面陣CCD相機快門控制電路的原理框圖； 圖6為本發(fā)明面陣CCD相機快門控制電路中電機驅動電路的原理框圖； 圖7為本發(fā)明面陣CCD相機快門控制電路中鎖相環(huán)路的原理框圖。
具體實施例方式
如圖1、 2所示，為本發(fā)明的面陣CCD相機快門的結構組成圖，包括快盤 1、慢盤3、碼盤5、第一電機2、第二電機4和控制電路；快盤1和慢盤3分 別安裝于第一電機2轉軸和第二電機4轉軸的一端，第一電機2轉軸和第二電 機4轉軸的另一端分別安裝碼盤5，快盤1和慢盤3以不同的速度旋轉，碼盤 5測量快盤1和慢盤3的轉動速度及相位并送至控制電路，控制電路根據(jù)所述 轉動速度及相位信號，控制第一電機2和第二電機4以恒定的轉速旋轉；快盤 1和慢盤3上分別留有不同大小的扇形開口，當快盤1和慢盤3的扇形開口同 時經(jīng)過光路時，CCD處于曝光狀態(tài)；當快盤1和慢盤3的扇形開口不同時進入
6
光路時，CCD不被曝光，可以清除或讀取CCD中的電荷?？毂P1和慢盤3的 結構見圖3、 4,兩個盤片均由防銹鋁制成，并進行靜平衡處理?？毂P1的扇形 開口大小由CCD的積分時間和快盤1的轉速決定，扇形開口角度數(shù)=(CCD 積分時間x 360度)/快盤轉動周期。慢盤3的扇形開口大小由慢盤3的轉速和 成像周期決定。慢盤3的扇形開口角是保證CCD曝光時間段內，快盤1不遮 擋光線的最小開口角。慢盤3的轉動周期與成像周期相等或者是成像周期的幾 分之一。在控制電路的控制下，第一電機2和第二電機4分別驅動快盤1和慢 盤3以恒定的速度轉動，轉動的速度及相位通過碼盤5反饋給控制電路，控制 電路根據(jù)碼盤5反饋的速度和相位來調整電機的轉速大小和轉動的穩(wěn)定性，當 兩個盤片的開孔在光路位置重合時，在快盤1的控制下，光線均勻地照射到CCD 上，CCD曝光，兩個盤片再次在光路位置重合前，始終沒有光線進入CCD， 這期間可以讀取CCD中的電荷以及清除CCD中的電荷，完成一次成像。CCD 處于曝光狀態(tài)的曝光時間由快盤1的轉速決定。本發(fā)明中第一電機2和第二電 機4均采用直流無刷電機，其力矩波動系數(shù)不大于3%。碼盤5由機械碼盤和 光電對構成，光電對由發(fā)光管和光敏管組合構成，機械碼盤位于光電對的發(fā)光 管和光敏管之間，當機械碼盤轉動時，光電對將輸出反映電機轉動的速度脈沖 和電機每周一次的位置脈沖，作為控制系統(tǒng)控制電機轉動所需要的速度和相位 信號。
控制電路選用鎖頻鎖相電路，其電路原理如圖5所示。電機的控制采用了 速度與位置雙閉環(huán)。這樣可以提高系統(tǒng)的剛度，使電機獲得良好的動態(tài)性能。 在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)速度和位置，兩者之間實行串聯(lián)，即將 位置調節(jié)器的輸出作為速度調節(jié)器的輸入，再用速度調節(jié)器的輸出控制驅動電 路，從而控制電機繞組平均電流的大小。從閉環(huán)結構看，速度環(huán)在里面，為內 環(huán)；位置環(huán)在外面，為外環(huán)。利用機械碼盤反饋速度信號和位置信號。速度和 位置量的調節(jié)通過模擬電路實現(xiàn)。
圖6為圖5所示控制電路中電機驅動電路的結構原理圖。MC33035是
MOTOROLA公司第二代的無刷直流電機控制器專用集成電路，外接功率開關 器件后，可用來控制三相、兩相或四相無刷直流電機，還可以對有刷直流電機 進行控制；配合電子測速器作F/V轉換、引入測速反饋后，可構成閉環(huán)速度調 節(jié)系統(tǒng)。MC33035集成電路的主要組成部分包括轉子位置傳感器譯碼器電路， 完成換向控制；帶溫度補償?shù)膬炔炕鶞孰娫?；頻率可^:定的鋸齒波^派蕩器；誤 差》文大器；脈寬調制(PWM)比較器；輸出驅動電路；欠電壓封鎖保護、芯片 過熱保護等故障輸出；限流電路。電機控制系統(tǒng)采用PWM方式控制轉矩和轉 速，電機內置的霍爾傳感器檢測轉子位置，得到的位置信號由MC33035接收， 并對其進行譯碼，以確定由哪個電極換相，提供高端和低端驅動輸入的正確時 序。其腳4, 5, 6為轉子位置傳感器信號的輸入端口。 MC33035的腳2， 1, 24和腳19， 20， 21可以實現(xiàn)六路PWM輸出，分別控制逆變橋的上、下橋臂 開關管的通斷。為了保證調速精度要求，采用速度閉環(huán)控制，將機械碼盤速度 反饋信號送入AD650,經(jīng)頻率/電壓(F-V)轉換，得到一個頻率與電機轉速成正 比的電壓信號，濾波后送到差分;^文大器的負端，組成一個PID調節(jié)器。經(jīng)過PID 調節(jié)器輸出的調整量給MC33035的差分放大器輸入端，該電平與鋸齒波比較， 得到PWM信號，實現(xiàn)電機轉速的閉環(huán)系統(tǒng)。速度調節(jié)器的輸出限幅決定了功 率管輸出電壓的最大值。
圖7為圖5所示控制電路中鎖相環(huán)路的結構原理圖。鎖相環(huán)PLL ( phase loop locked)是能完成兩個頻率信號相位同步的負反々貴自動控制系統(tǒng)，它有三 個基本單元相位比較器(鑒相器)、壓控振蕩器、低通濾波器?；赑LL原 理組成的鎖相控制系統(tǒng)和經(jīng)典PLL相比，其中的壓控振蕩器由電動機和光電傳 感器取代。光電傳感器是一個轉速-頻率發(fā)生器，它輸出的矩形脈沖數(shù)與電機 的轉速成線性關系。本發(fā)明中通過CD4046構成鎖相環(huán)路。CD4046的3腳為 參考輸入端，14腳為信號輸入端。機械碼盤輸出的位置脈沖OP1引入14腳， 系統(tǒng)頻標信號4Hz引入3腳，CD4046內部有2個鑒相器(鑒相器I和鑒相器 II ),此處使用鑒相器II。 一旦負載出現(xiàn)波動時，電機轉速發(fā)生變化引起光電傳
感器脈沖頻率隨之變化。它和給定參考信號產(chǎn)生相差，這時鑒相器的輸出也發(fā)
生變化。工作時，齊納穩(wěn)壓管將13腳抬至6V直流電平附近，當輸入信號超前 于參考信號相位時，13腳輸出6V VDD的跳變脈沖信號；當輸入信號滯后于 參考信號相位時，13腳輸出6V 0V的跳變脈沖信號。跳變脈沖信號即為位置 誤差信號A"，經(jīng)過一個Pl調節(jié)器構成位置控制閉環(huán)，控制電機進行升速或者 降速，直到反饋信號頻率與給定信號頻率重新達到相等，此時電機重新穩(wěn)定。 由于鎖相系統(tǒng)穩(wěn)定時，反饋信號頻率被鎖定在給定信號頻率上，即相差為零， 顯然系統(tǒng)的控制精度很高。
本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
權利要求
1、一種面陣CCD相機快門，其特征在于包括:快盤(1)、慢盤(3)、碼盤(5)、第一電機(2)、第二電機(4)和控制電路；快盤(1)和慢盤(3)分別安裝于第一電機(2)轉軸和第二電機(4)轉軸的一端，第一電機(2)轉軸和第二電機(4)轉軸的另一端分別安裝碼盤(5)，快盤(1)和慢盤(3)以不同的速度旋轉，碼盤(5)測量快盤(1)和慢盤(3)的轉動速度及相位并送至控制電路，控制電路根據(jù)所述轉動速度及相位信號，控制第一電機(2)和第二電機(4)以恒定的轉速旋轉；快盤(1)和慢盤(3)上分別留有不同大小的扇形開口，當快盤(1)和慢盤(3)的扇形開口同時經(jīng)過光路時，CCD處于曝光狀態(tài)；當快盤(1)和慢盤(3)的扇形開口不同時進入光路時，CCD不被曝光，可以清除或讀取CCD中的電荷。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種面陣CCD相機快門，其特征在于所述 CCD處于曝光狀態(tài)的曝光時間由快盤(1)的轉速決定。
3、 根據(jù)權利要求1所述的一種面陣CCD相機快門，其特征在于所述的 第一電機(2)或第二電機(4)為直流無刷電機，其力矩波動系數(shù)不大于3。/。。
4、 根據(jù)權利要求1所述的一種面陣CCD相機快門，其特征在于所述的 快盤(1)或慢盤(3)由防銹鋁制成，并進行靜平衡處理。
5、 根據(jù)權利要求1所述的一種面陣CCD相機快門，其特征在于所述的 碼盤(5)由機械碼盤和光電對構成，光電對由發(fā)光管和光敏管組合構成，機械 碼盤位于發(fā)光管和光敏管之間；當機械碼盤轉動時，光電對反映電機轉動的速 度脈沖和電機每周一次的位置脈沖作為控制電機轉動所需要的速度和相位信號 輸送至控制電路。
6、 根據(jù)權利要求1所述的一種面陣CCD相機快門，其特征在于所述的 控制電路為鎖頻鎖相電路。
7、 根據(jù)權利要求1所述的一種面陣CCD相機快門，其特征在于所述的 快盤(1 )的扇形開口大小由CCD的積分時間和快盤(1 )的轉速決定，關系 為快盤(1)的扇形開口角度數(shù)CCD積分時間x360度+快盤轉動周期。
8、根據(jù)權利要求1所述的一種面陣CCD相機快門，其特征在于所述的 慢盤(3)的扇形開口大小由慢盤(3)的轉速和成像周期決定。
全文摘要
一種面陣CCD相機快門，包括快盤、慢盤、碼盤、第一電機、第二電機和控制電路；快盤和慢盤分別安裝于第一電機轉軸和第二電機轉軸的一端，第一電機轉軸和第二電機轉軸的另一端分別安裝碼盤，快盤和慢盤以不同的速度旋轉，碼盤測量快盤和慢盤的轉動速度及相位并送至控制電路，控制電路根據(jù)所述轉動速度及相位信號，控制第一電機和第二電機以恒定的轉速旋轉；快盤和慢盤上分別留有不同大小的扇形開口，當快盤和慢盤的扇形開口同時經(jīng)過光路時，CCD處于曝光狀態(tài)；當快盤和慢盤的扇形開口不同時進入光路時，CCD不被曝光，可以清除或讀取CCD中的電荷。
文檔編號G01C11/02GK101377604SQ20081022223
公開日2009年3月4日 申請日期2008年9月12日 優(yōu)先權日2008年9月12日
發(fā)明者林 何, 翟廣泉 申請人:北京空間機電研究所