天文望远镜CCD相机的大口径卷帘式快门

摘要

天文望远镜CCD相机的大口径卷帘式快门，快门布的中心位置上设有曝光窗口，快门布的两端分别卷设在两个快门滚轴上，两个快门滚轴上分别联接有快门电机，特征是两个快门滚轴上还分别联接有位置编码器；两个位置编码器的输出分别接位置运动控制器；位置运动控制器与控制计算机连接；位置运动控制器分别通过电机驱动电路接快门电机；控制计算机通过位置运动控制器、电机驱动电路控制两个快门电机的运动，来控制快门的打开和关闭。本发明弥补了现有技术的不足，大口径快门能够满足天文望远镜大视场CCD相机的要求，同时，应该具有反应速度快、档光少、机械强度高、快门通光口径可以做的比较大、快门曝光时，无快门效应且不易疲劳等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种相机快门，具体涉及一种天文望远镜CCD相机的大口径卷帘式快门。

背景技术

照相机快门是控制光到达胶片或光敏元件的部件，是所有照相机中的一个重要组成部分。快门种类有多种，通常用的有羽片或布帘的，商用的照相机快门，通常通光口径都比较小，制作起来比较容易；而天文上用的照相机，特别是大视场照相机，它的感光面积都比较大，因而就需要通光口径比较大的快门来控制照相机的曝光。世界上大的天文CCD相机，它的快门通光口径都达到了90cm以上。大快门的制作比较复杂，以德国厂家为代表的快门制作技术是世界上最先进的，它们制作的大快门，采用二种结构方式，一种是羽片的，但这种羽片快门的机械结构非常复杂，对材料和工艺的要求都非常高，不宜制作特大的，最大的商用羽片结构快门也只达到100mm的通光口径，另一种采用滑片技术，即档光片在通光光路中滑动来控制光的进入，滑片式的快门制作和控制都很简单，但在光轴方向上挡光太多，需要三倍以上的通光口径挡光，这对于造价昂贵的天文望远镜来讲是非常不合适的，在主焦点上，它浪费了光学系统的光通量，使得望远镜的效率大大减低，非常不经济。        

现在通常用的天文CCD相机都不用胶片了，而用CCD(电子耦合器件)来作为光敏元件，简称CCD相机。天文上用的CCD相机，有的视场非常大，也称为大视场CCD相机，而大口径的通光快门，并没有商用的可卖。成为现有技术中的缺相。

发明内容

本发明的任务是，弥补现有技术的缺相，提供一种天文望远镜CCD相机的大口径卷帘式快门，该大口径快门能够满足天文望远镜视场CCD相机的要求，同时，具有反应速度快、遮光少、无快门效应、机械强度高、不易疲劳等优点，反复试验达万次仍然能保证其性能。

完成上述发明任务的技术方案是，一种天文望远镜CCD相机的大口径卷帘式快门，在快门布的中心位置上设有曝光窗口，该快门布的两端，分别卷设在两个快门滚轴上，该两个快门滚轴上分别联接有快门电机，其特征在于，所述的两个快门滚轴上还分别联接有位置编码器；两个位置编码器的输出分别接位置运动控制器（快门控制机构）；该位置运动控制器与控制计算机连接；该位置运动控制器分别通过两个电机驱动电路接两个快门电机；控制计算机通过位置运动控制器、电机驱动电路控制两个快门电机的运动，来控制快门的打开和关闭。

本发明是为天文望远镜大视场的CCD相机研制出一种通光口径大、挡光小、开闭时间快、无快门效应（在一定的曝光时间内所控制曝光的区域内，每一点的感光时间都是相等的，一般的机械快门很难做到这一点）的快门。本发明采用滚筒式布帘快门，结构和工作原理见图1。布帘中间是通光的，两边为不通光的，不通光的都卷在快门两侧的滚筒上，当布帘通光口径位于快门中心时，快门打开，滚筒带动布帘向一侧运动时，快门关闭，反方向运动时，快门又打开，继续运动，快门又关闭，然后再反方向运动，周而复始，控制快门通光或关闭，滚筒用电机和位置编码器做精确地位置控制，一边电机工作时，另一边的电机稍微加一点反力矩，以保证布帘平滑快速运动，这种快门结构能满足大视场的需求（通光口径在40cm以上），在光轴方向又不挡光，构造也比较简单，但是控制复杂一些。现代电子技术的发展，给这种发明技术提供了解决的方案，使这种控制方式得以实现，这种大口径的快门为大视场CCD相机提供了一个切实可行的方案，同样也可以推广应用到其他领域。

本发明有以下优化方案：

1、两个快门电机采用空心杯电机，现在反应速度最快的电机是空心杯电机，具有10mS内转动一圈的反应速度，以满足本发明的快速要求。

2、快门卷帘滚筒上装有的位置编码器和空心杯电机，型号是：空心杯电机型号为：313320，编码器的型号为：1105163。

3、位置运动控制器（快门控制机构）中的电机驱动电路，采用设有可变力矩的电机驱动电路，控制两个快门电机的快速平滑的运动。控制原理图见图3。根据试验的测试，曝光时间不同等，可以对快门的速度进行调节，以达到最佳效果。

4、快门控制机构中设有防皱结构：两个电机驱动电路是分别采用不同电压和驱动电流的电机驱动电路。以达到防皱效果（见下文说明）。

大快门电机控制电路图如图4。电机的功率驱动部分采用ECN3067模块。它是一种新型无刷直流电机控制专用高压驱动芯片，最大的特点是内部集成了6个IGBT，这6个IGBT由6个控制输入终端（三个上桥臂输入UT、VT、WT，三个下桥臂输入UB、VB、WB）分别控制。当输入端输入低电平时，相应的IGBT开启，高电平则关闭。下面为导通顺序，如果规定这个导通顺序为电机正向旋转，则反向旋转只要逆着控制上述MOSFET管导通顺序即可实现。 

 

本设计采用ARM系列LPC2132芯片对6个IGBT输入信号进行控制。对LPC2132进行编程，采用PWM的方式按照上述表格发出波形。为了精确定位布帘的位置，本设计采用了maxon sensor公司的光电编码器HEDL 5540，500线，3通道，带线驱动RS422，可实时监测布帘的位置。

快门控制机构中设有防皱结构：当空心杯电机M1向一个方向高速转动时，另一端空心杯电机M2如果不施加一定的反作用力，快门布就会发生皱折，所以要在被转动的一端加上适度的反作用力，换一个方向转动时也是在另一个电机上加适度的反作用力，使得快门布在来回高速转动时不会发皱折。这也是该快门的创新点之一。

防皱折具体原理如下：

空心杯电机属直流电机，转速和力矩与所加电压相关，在额定电压范围内电压越高转速越快，力矩就越大。例如：M1电机为主动电机，加24V电压和2A的驱动电流，那么被动电机M2就加8V工作电压和0.7A的驱动电流，在这种情况下，M1的力矩大M2的力矩小，M2在同一个方向被动地跟着M1转动但不像空转那样，M2的转速比M1的转速慢，所以起到拽着M1电机转动的作用。

当M2电机为主动电机，加24V电压和2A的驱动电流，那么被动电机M1就加8V工作电压和0.7A的驱动电流，在这种情况下，M2的力矩大M1的力矩小，M1在同一个方向被动地跟着M2转动而不是空转，M1的转速比M2的转速慢，所以起到拽着M2电机转动的作用。

以上过程还与曝光的时间长短有关系，在不同的工作状态下施加不同的力矩，原则是快门布不能起皱折，始终保持平整状态的快速运动。

快门布是采用高密度的黑色尼龙布，它具有遮光效率好、机械强度高、不易疲劳等优点，反复试验达万次仍然能保证其初始性能。

本发明弥补了现有技术的不足，大口径快门能够满足天文望远镜大视场CCD相机的要求，同时，应该具有反应速度快、档光少、机械强度高、不易疲劳等优点。其技术指标是：

1.      通光口径大于400mm×400mm；

2.      开启速度≤1秒；

3.      在曝光和开/闭时间内通光口径内的通光量是均匀的，无快门效应；

4.      通光光轴方向挡光小（挡光比不大于10%）。

附图说明

图1为本发明的大口径快门整体结构示意图；

图2为本发明的大口径快门卷帘布结构示意图；

图3为控制原理图；

图4为电机控制电路图。                        

具体实施方式

实施例1，天文望远镜大视场CCD相机的卷帘式快门，参照图1-图4：在快门布3上设有曝光窗口4，该快门布3的两端，分别卷设在两个快门布轴5、6上，该两个快门布轴5、6上分别联接有快门电机1、2，快门电机1、2采用空心杯电机；同时在该两个快门布轴5、6上分别设有位置编码器7、8，快门控制机构通过测量该编码器的位置反馈，控制两个空心杯电机的启动、停止及运转速度来控制快门打开和闭合。