专利名称：一种面阵ccd相机快门的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种相机快门，特别是一种可用于空间遥感器面阵CCD相机 的快门。
背景技术：
快门是空间面阵相机的重要组成部分，使用全帧型面阵CCD探测器的相 机成像时要求预先清除CCD中的噪声电荷，在曝光完成后，要求留出一段时 间读取电荷，在两次成像时间间隔内，要完成读取数据和清除数据的两项任务， 这就要求快门除了控制曝光时间(即CCD的积分时间)以满足成像要求外， 还要在非成像时间内，避免CCD曝光。
目前，相机釆用的快门主要有中心叠片式和幕帘式两种，以幕帘式快门为 例，这种快门具有前、后2层帘布，2层帘布均有开口部分，后帘比前帘长，2 层帘布的一端分别固定在2个上紧辊轴上，另一端分别固定在反巻辊轴上。反 巻辊内设有扭转弹簧。当上紧辊轴转动巻动快门帘布时，上紧了反巻辊内的扭
转弹簧。快门曝光时，快门帘布在反巻辊轴内的扭转弹簧作用下反巻，2个快 门帘布开口部分形成的曝光帘缝以相同的速度同向通过焦面，光线没有遮拦地
落到焦面上，这种快门使用弹簧或电磁元件驱动，寿命仅有5万次左右，不能
满足空间相机的高精度、长寿命(超过1亿次)的需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种满足空间 CCD相机成像要求的高精度、长寿命面阵CCD相机快门。
本发明的技术解决方案是 一种面阵CCD相机快门，包括快盘、慢盘、 码盘、第一电机、第二电机和控制电路；快盘和慢盘分别安装于第一电机转轴 和第二电机转轴的一端，第一电机转轴和第二电机转轴的另一端分别安装码盘，
快盘和慢盘以不同的速度旋转，码盘测量快盘和慢盘的转动速度及相位并送至 控制电路，控制电路根据所述转动速度及相位信号，控制第一电机和第二电机
以恒定的转速旋转；快盘和慢盘上分别留有不同大小的扇形开口，当快盘和慢 盘的扇形开口同时经过光路时，CCD处于曝光状态；当快盘和慢盘的扇形开口 不同时进入光路时，CCD不被曝光，可以清除或读取CCD中的电荷。
所述CCD处于曝光状态的曝光时间由快盘的转速决定。
所述的第一电机或第二电机为直流无刷电机，其力矩波动系数不大于3%。
所述的快盘或慢盘由防锈铝制成，并进行静平衡处理。
所述的码盘由机械码盘和光电对构成，光电对由发光管和光壽文管组合构成， 机械码盘位于发光管和光敏管之间；当机械码盘转动时，光电对反映电机转动 的速度脉冲和电机每周一次的位置脉冲作为控制电机转动所需要的速度和相位 信号输送至控制电路。
所述的控制电路为锁频锁相电路。
所述的快盘的扇形开口大小由CCD的积分时间和快盘的转速决定，关系 为快盘的扇形开口角度数-CCD积分时间x360度+快盘转动周期。 所述的慢盘的扇形开口大小由慢盘的转速和成像周期决定。 本发明与现有技术相比的优点在于
(1 )本发明相机快门通过控制电路控制电机驱动快盘和慢盘的转动速度， 以简单的单向连续转动取代现有快门的复杂运动方式，满足了空间面阵CCD
连续周期性的成像需要，延长了使用寿命；
(2) 本发明相机快门可以通过调整快盘的转速来确定CCD的积分时间， 可满足各种不同情况下的成像要求；
(3) 本发明中采用较小力矩波动系数的直流无刷电机，保证了盘片转动的 均匀性，提高了成像精度；
(4) 快盘或慢盘由防锈铝制成，铝制盘片转动惯量小，减少了电机启动的 力矩要求，静平衡处理保证了盘片转动的均匀性，提高了成像精度；
(5) 机械码盘位于光电对的发光管和光敏管之间，当机械码盘转动时，光
电对将输出反映电机转动的速度脉冲和电机每周一次的位置脉冲，作为控制系 统控制电机转动所需要的速度和相位信号。控制系统利用码盘提供的反馈信号
提高了电机转速的恒定和平稳；
(6) 控制电路釆用锁频锁相电路，保证了电机平稳恒定的转动，提高了成 像精度；
(7) 快盘用来保证CCD曝光时间的精确性，慢盘保证每个成像周期内， 除快盘控制CCD曝光的时间段内，光路始终处于挡光状态，没有光线进入 CCD。快盘和慢盘配合转动，保证了成像的顺利完成。
图1为本发明面阵CCD相机快门的结构组成主视图； 图2为本发明面阵CCD相机快门的结构组成俯视图； 图3为本发明面阵CCD相机快门快盘的结构图； 图4为本发明面阵CCD相机快门慢盘的结构图； 图5为本发明面阵CCD相机快门控制电路的原理框图； 图6为本发明面阵CCD相机快门控制电路中电机驱动电路的原理框图； 图7为本发明面阵CCD相机快门控制电路中锁相环路的原理框图。
具体实施例方式
如图1、 2所示，为本发明的面阵CCD相机快门的结构组成图，包括快盘 1、慢盘3、码盘5、第一电机2、第二电机4和控制电路；快盘1和慢盘3分 别安装于第一电机2转轴和第二电机4转轴的一端，第一电机2转轴和第二电 机4转轴的另一端分别安装码盘5，快盘1和慢盘3以不同的速度旋转，码盘 5测量快盘1和慢盘3的转动速度及相位并送至控制电路，控制电路根据所述 转动速度及相位信号，控制第一电机2和第二电机4以恒定的转速旋转；快盘 1和慢盘3上分别留有不同大小的扇形开口，当快盘1和慢盘3的扇形开口同 时经过光路时，CCD处于曝光状态；当快盘1和慢盘3的扇形开口不同时进入
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光路时，CCD不被曝光，可以清除或读取CCD中的电荷。快盘1和慢盘3的 结构见图3、 4,两个盘片均由防锈铝制成，并进行静平衡处理。快盘1的扇形 开口大小由CCD的积分时间和快盘1的转速决定，扇形开口角度数=(CCD 积分时间x 360度)/快盘转动周期。慢盘3的扇形开口大小由慢盘3的转速和 成像周期决定。慢盘3的扇形开口角是保证CCD曝光时间段内，快盘1不遮 挡光线的最小开口角。慢盘3的转动周期与成像周期相等或者是成像周期的几 分之一。在控制电路的控制下，第一电机2和第二电机4分别驱动快盘1和慢 盘3以恒定的速度转动，转动的速度及相位通过码盘5反馈给控制电路，控制 电路根据码盘5反馈的速度和相位来调整电机的转速大小和转动的稳定性，当 两个盘片的开孔在光路位置重合时，在快盘1的控制下，光线均匀地照射到CCD 上，CCD曝光，两个盘片再次在光路位置重合前，始终没有光线进入CCD， 这期间可以读取CCD中的电荷以及清除CCD中的电荷，完成一次成像。CCD 处于曝光状态的曝光时间由快盘1的转速决定。本发明中第一电机2和第二电 机4均采用直流无刷电机，其力矩波动系数不大于3%。码盘5由机械码盘和 光电对构成，光电对由发光管和光敏管组合构成，机械码盘位于光电对的发光 管和光敏管之间，当机械码盘转动时，光电对将输出反映电机转动的速度脉沖 和电机每周一次的位置脉沖，作为控制系统控制电机转动所需要的速度和相位 信号。
控制电路选用锁频锁相电路，其电路原理如图5所示。电机的控制采用了 速度与位置双闭环。这样可以提高系统的刚度，使电机获得良好的动态性能。 在系统中设置了两个调节器，分别调节速度和位置，两者之间实行串联，即将 位置调节器的输出作为速度调节器的输入，再用速度调节器的输出控制驱动电 路，从而控制电机绕组平均电流的大小。从闭环结构看，速度环在里面，为内 环；位置环在外面，为外环。利用机械码盘反馈速度信号和位置信号。速度和 位置量的调节通过模拟电路实现。
图6为图5所示控制电路中电机驱动电路的结构原理图。MC33035是
MOTOROLA公司第二代的无刷直流电机控制器专用集成电路，外接功率开关 器件后，可用来控制三相、两相或四相无刷直流电机，还可以对有刷直流电机 进行控制；配合电子测速器作F/V转换、引入测速反馈后，可构成闭环速度调 节系统。MC33035集成电路的主要组成部分包括转子位置传感器译码器电路， 完成换向控制；带温度补偿的内部基准电源；频率可^:定的锯齿波^派荡器；误 差》文大器；脉宽调制(PWM)比较器；输出驱动电路；欠电压封锁保护、芯片 过热保护等故障输出；限流电路。电机控制系统采用PWM方式控制转矩和转 速，电机内置的霍尔传感器检测转子位置，得到的位置信号由MC33035接收， 并对其进行译码，以确定由哪个电极换相，提供高端和低端驱动输入的正确时 序。其脚4, 5, 6为转子位置传感器信号的输入端口。 MC33035的脚2， 1, 24和脚19， 20， 21可以实现六路PWM输出，分别控制逆变桥的上、下桥臂 开关管的通断。为了保证调速精度要求，采用速度闭环控制，将机械码盘速度 反馈信号送入AD650,经频率/电压(F-V)转换，得到一个频率与电机转速成正 比的电压信号，滤波后送到差分;^文大器的负端，组成一个PID调节器。经过PID 调节器输出的调整量给MC33035的差分放大器输入端，该电平与锯齿波比较， 得到PWM信号，实现电机转速的闭环系统。速度调节器的输出限幅决定了功 率管输出电压的最大值。
图7为图5所示控制电路中锁相环路的结构原理图。锁相环PLL ( phase loop locked)是能完成两个频率信号相位同步的负反々贵自动控制系统，它有三 个基本单元相位比较器(鉴相器)、压控振荡器、低通滤波器。基于PLL原 理组成的锁相控制系统和经典PLL相比，其中的压控振荡器由电动机和光电传 感器取代。光电传感器是一个转速-频率发生器，它输出的矩形脉冲数与电机 的转速成线性关系。本发明中通过CD4046构成锁相环路。CD4046的3脚为 参考输入端，14脚为信号输入端。机械码盘输出的位置脉冲OP1引入14脚， 系统频标信号4Hz引入3脚，CD4046内部有2个鉴相器(鉴相器I和鉴相器 II ),此处使用鉴相器II。 一旦负载出现波动时，电机转速发生变化引起光电传
感器脉冲频率随之变化。它和给定参考信号产生相差，这时鉴相器的输出也发
生变化。工作时，齐纳稳压管将13脚抬至6V直流电平附近，当输入信号超前 于参考信号相位时，13脚输出6V VDD的跳变脉冲信号；当输入信号滞后于 参考信号相位时，13脚输出6V 0V的跳变脉冲信号。跳变脉沖信号即为位置 误差信号A"，经过一个Pl调节器构成位置控制闭环，控制电机进行升速或者 降速，直到反馈信号频率与给定信号频率重新达到相等，此时电机重新稳定。 由于锁相系统稳定时，反馈信号频率被锁定在给定信号频率上，即相差为零， 显然系统的控制精度很高。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
权利要求
1、一种面阵CCD相机快门，其特征在于包括:快盘(1)、慢盘(3)、码盘(5)、第一电机(2)、第二电机(4)和控制电路；快盘(1)和慢盘(3)分别安装于第一电机(2)转轴和第二电机(4)转轴的一端，第一电机(2)转轴和第二电机(4)转轴的另一端分别安装码盘(5)，快盘(1)和慢盘(3)以不同的速度旋转，码盘(5)测量快盘(1)和慢盘(3)的转动速度及相位并送至控制电路，控制电路根据所述转动速度及相位信号，控制第一电机(2)和第二电机(4)以恒定的转速旋转；快盘(1)和慢盘(3)上分别留有不同大小的扇形开口，当快盘(1)和慢盘(3)的扇形开口同时经过光路时，CCD处于曝光状态；当快盘(1)和慢盘(3)的扇形开口不同时进入光路时，CCD不被曝光，可以清除或读取CCD中的电荷。
2、 根据权利要求1所述的一种面阵CCD相机快门，其特征在于所述 CCD处于曝光状态的曝光时间由快盘(1)的转速决定。
3、 根据权利要求1所述的一种面阵CCD相机快门，其特征在于所述的 第一电机(2)或第二电机(4)为直流无刷电机，其力矩波动系数不大于3。/。。
4、 根据权利要求1所述的一种面阵CCD相机快门，其特征在于所述的 快盘(1)或慢盘(3)由防锈铝制成，并进行静平衡处理。
5、 根据权利要求1所述的一种面阵CCD相机快门，其特征在于所述的 码盘(5)由机械码盘和光电对构成，光电对由发光管和光敏管组合构成，机械 码盘位于发光管和光敏管之间；当机械码盘转动时，光电对反映电机转动的速 度脉冲和电机每周一次的位置脉冲作为控制电机转动所需要的速度和相位信号 输送至控制电路。
6、 根据权利要求1所述的一种面阵CCD相机快门，其特征在于所述的 控制电路为锁频锁相电路。
7、 根据权利要求1所述的一种面阵CCD相机快门，其特征在于所述的 快盘(1 )的扇形开口大小由CCD的积分时间和快盘(1 )的转速决定，关系 为快盘(1)的扇形开口角度数CCD积分时间x360度+快盘转动周期。
8、根据权利要求1所述的一种面阵CCD相机快门，其特征在于所述的 慢盘(3)的扇形开口大小由慢盘(3)的转速和成像周期决定。
全文摘要
一种面阵CCD相机快门，包括快盘、慢盘、码盘、第一电机、第二电机和控制电路；快盘和慢盘分别安装于第一电机转轴和第二电机转轴的一端，第一电机转轴和第二电机转轴的另一端分别安装码盘，快盘和慢盘以不同的速度旋转，码盘测量快盘和慢盘的转动速度及相位并送至控制电路，控制电路根据所述转动速度及相位信号，控制第一电机和第二电机以恒定的转速旋转；快盘和慢盘上分别留有不同大小的扇形开口，当快盘和慢盘的扇形开口同时经过光路时，CCD处于曝光状态；当快盘和慢盘的扇形开口不同时进入光路时，CCD不被曝光，可以清除或读取CCD中的电荷。
文档编号G01C11/02GK101377604SQ20081022223
公开日2009年3月4日 申请日期2008年9月12日 优先权日2008年9月12日
发明者林 何, 翟广泉 申请人:北京空间机电研究所