基于攝像技術(shù)中濾光片不同切換方式的淺析

◎趙曉娟

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，攝像或監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為人們生活的重要組成部分。在攝影技術(shù)中經(jīng)常使用濾光片進(jìn)行濾光，典型的濾光片有光譜濾光片[1]、干涉濾光片[2]、偏振濾光片等。在不同的使用場合通常需要不同的濾光片，通過對濾光片進(jìn)行切換可實現(xiàn)不同的濾光需求，例如，軍用的白光成像偵察設(shè)備，需要對可見光工作模式與近紅外工作模式進(jìn)行切換，用于不同的戰(zhàn)場環(huán)境，當(dāng)戰(zhàn)場能見度較好或需大視場搜索目標(biāo)時，可見光工作模式下的白光成像偵察設(shè)備能夠提供彩色逼真的戰(zhàn)場實時圖像，方便觀察戰(zhàn)場形勢與搜索目標(biāo)，當(dāng)能見度較差如清晨黃昏時或需長焦跟蹤目標(biāo)時，近紅外工作模式的白光成像組件可以超視距、透霧觀察目標(biāo)。再例如，安防攝像頭，安防攝像頭需要全天24 小時的攝像，必須能夠自動適應(yīng)白天和黑夜兩種光線環(huán)境，通過在攝像頭前端安裝不同功能的濾光片，白天使用白天專用濾光片，晚上使用夜晚專用濾光片[3]，兩種濾光片的切換需通過切換裝置完成，因此如何設(shè)置濾光片的切換顯得尤為重要。攝像領(lǐng)域的濾光片切換在國際專利法分類表里面分類號為G03B17/14，其分類號較為準(zhǔn)確，一般只需在該分類號下進(jìn)行檢索能查閱到相關(guān)文獻(xiàn)，本文將分別介紹濾光片的不同切換方式。

二、兩種不同的濾光片切換方式

1.旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式實現(xiàn)濾光片切換。

通常采用電磁驅(qū)動方式和馬達(dá)螺桿方式兩種方式實現(xiàn)，進(jìn)而實現(xiàn)兩個濾光片的旋轉(zhuǎn)的切換，電磁驅(qū)動主要通過改變輸入線圈的電流正負(fù)極，實現(xiàn)電磁場磁極方向的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實現(xiàn)濾光片的切換；馬達(dá)螺桿方式，利用電機(jī)驅(qū)動蝸桿齒輪正反轉(zhuǎn)，蝸桿齒輪帶動助力齒輪以及滑片上的傳動齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)位于滑片上的兩個或多個濾光片的切換。

電磁驅(qū)動方式，如公開號為CN108873570A（公開日為2018.11.23）的專利申請?zhí)岢隽艘环N基于電磁驅(qū)動的可見光或近紅外光切換機(jī)構(gòu)，其包括底座、設(shè)于底座下部的濾光組件及設(shè)于底座上部的電磁驅(qū)動組件，濾光組件包括可見光濾光片、近紅外濾光片、濾光片座和銷釘，可見光濾光片和近紅外濾光片相對于濾光片座中軸線對稱布置，并嵌入濾光片座上，濾光片座通過銷釘與底座連接，濾光片座可繞銷釘旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)可見光濾光片和近紅外濾光片的快速切換，電磁驅(qū)動組件主要包括線圈座、擺桿和線圈，線圈座上套有線圈，擺桿兩端均為圓柱凸臺，其上端卡入線圈座中心位置，且可繞線圈座中心位置旋轉(zhuǎn)，下端圓柱凸臺卡入濾光片座上的矩形槽內(nèi)，且可沿矩形槽移動，通過改變輸入線圈的電流正負(fù)極，實現(xiàn)電磁場磁極方向的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實現(xiàn)濾光片的切換，將擺桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為濾光片座的旋轉(zhuǎn)運動從而提高切換機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性與輕便性，見圖1。

圖1

馬達(dá)螺桿方式， 如公開號為CN203535359A（公開日為2014.4.9）的專利申請?zhí)岢鲆环N攝像機(jī)濾光片切換器，其包括底座，底座上設(shè)有可在底座上來回滑動的滑片、驅(qū)動機(jī)構(gòu)，滑片上固定設(shè)有第一濾光玻璃和第二濾光玻璃，第一濾光玻璃和第二濾光玻璃位于同一平面，滑片的外延沿周向設(shè)有傳動齒輪，驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、蝸桿齒輪以及助力齒輪，滑片上的傳動齒輪與助力齒輪嚙合，助力齒輪與蝸桿齒輪嚙合，蝸桿齒輪的端部套設(shè)于電機(jī)的輸出軸上，電機(jī)帶動蝸桿齒輪旋轉(zhuǎn)，蝸桿齒輪進(jìn)而帶動助力齒輪以及傳動齒輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而帶動滑片上的第一濾光玻璃和第二濾光玻璃轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)第一濾光玻璃和第二濾光玻璃的切換，見圖2。

圖2

上述專利申請僅僅公開了兩個濾光片切換的情況，對于多濾光片的旋轉(zhuǎn)切換方式，如公開號為CN107544198 A（公開日為2018.1.5）的專利申請?zhí)岢鲆环N多功能轉(zhuǎn)輪式切換模組，包括轉(zhuǎn)輪、切換組件以及驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置，輸出驅(qū)動力，切換組件，與驅(qū)動裝置連接，在驅(qū)動裝置的驅(qū)動力下旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)輪，與切換組件連接，在切換組件的帶動下旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)輪上設(shè)置有多個用于安裝鏡片的安裝孔，切換組件包括，電機(jī)同步齒輪、二階齒輪以及轉(zhuǎn)輪同步齒輪，電機(jī)同步齒輪與驅(qū)動裝置的輸出軸連接，轉(zhuǎn)輪同步齒輪與轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)軸連接，二階齒輪分別與電機(jī)同步齒輪和轉(zhuǎn)輪同步齒輪嚙合，用于將電機(jī)同步齒輪的轉(zhuǎn)動量傳遞至轉(zhuǎn)輪同步齒輪，轉(zhuǎn)輪在切換組件的帶動下旋轉(zhuǎn)，由于轉(zhuǎn)輪上設(shè)置有多個用于安裝鏡片的安裝孔，因此在轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的過程中，安裝于安裝孔的鏡片隨之旋轉(zhuǎn)。該裝置利用電機(jī)配合齒輪帶動裝有多個鏡片的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)多個鏡片/濾光片的切換，結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動精度較高，見圖3。

圖3

2.直線驅(qū)動方式實現(xiàn)濾光片切換。

對于直線驅(qū)動方式，通常也是采用電磁驅(qū)動方式和馬達(dá)螺桿方式兩種方式實現(xiàn)，進(jìn)而實現(xiàn)兩個濾光片的直線方向上的切換。

電磁驅(qū)動方式，如公開號為CN202735574U（公告日為2013.2.13）的專利申請?zhí)岢隽艘环N濾光片切換裝置，包括一座體，座體內(nèi)的一端設(shè)有一框片滑動區(qū)，框片滑動區(qū)開設(shè)有一光通孔，且座體內(nèi)相鄰于框片滑動區(qū)的另一端凹設(shè)有一容置部，一滑動框片，可移動地設(shè)置于座體的該框片滑動區(qū)，滑動框片設(shè)有一紅外線截止片及一紅外線穿透片，一電磁驅(qū)動單元，設(shè)置于座體的容置部，電磁驅(qū)動單元包含有一撥動件、一磁石、一軛鐵、及一線圈，撥動件一端連接于滑動框片，撥動件另一端設(shè)有磁石，線圈繞設(shè)于軛鐵，且由軛鐵的兩端分別對稱彎折延伸有第一勵磁部及第二勵磁部，第一勵磁部與第二勵磁部分別具有一端面，兩端面分別位于磁石的兩側(cè)，由此磁石受磁力作用后，通過改變輸入線圈電流方向，使座體的光通孔可選擇性地對應(yīng)于滑動框片的紅外線截止片及紅外線穿透片的其中之一，見圖4。該裝置也是利用電磁驅(qū)動方式驅(qū)動，其能實現(xiàn)兩個濾光片直線方向上的切換，與圖1 的電磁驅(qū)動方式實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的區(qū)別在于，圖4 是將兩個濾光片安裝到滑動框片，滑動框片是可滑動的設(shè)置在座體中，即是對滑動框片進(jìn)行了限位，得到兩個濾光片直線方向上的切換，而圖1 中沒有限位。

圖4

馬達(dá)螺桿方式， 如公開號為CN105467721 A（公開日為2016.4.6）的專利申請?zhí)岢隽艘环N濾光片日夜切換裝置，包括底座、濾光片支架、第一濾光片與第二濾光片，底座上設(shè)有一貫通的窗口，第一、第二濾光片并列的安裝在濾光片支架上，濾光片支架可相對底座滑動，以分別實現(xiàn)第一、第二濾光片與窗口的對正，還包括電機(jī)，電機(jī)的驅(qū)動軸上設(shè)有軸向延伸的螺旋狀導(dǎo)軌以作為傳動蝸桿，濾光片支架上設(shè)有傾斜的連接片以作為傳動斜齒輪，連接片活動連接在相鄰的兩段導(dǎo)軌之間以形成蝸桿-斜齒輪傳動機(jī)構(gòu)，以使濾光片支架可隨驅(qū)動軸的正反旋轉(zhuǎn)而沿驅(qū)動軸的軸向往復(fù)移動，見圖5。該裝置也是利用馬達(dá)螺桿方式驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個濾光片直線方向上的驅(qū)動，與圖2 的馬達(dá)螺桿方式實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的區(qū)別在于，圖2 中設(shè)置第一濾光玻璃和第二濾光玻璃的滑片是可轉(zhuǎn)動的設(shè)置在底座上的，且與在滑片上設(shè)置的與電機(jī)齒輪結(jié)合嚙合的傳動齒輪是弧形的，因此圖2 可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動兩個濾光玻璃。

圖5

上述專利申請僅公開了兩個濾光片切換的情況，對于多濾光片的直線切換方式，如公開號為CN106444229A（公開日為2017.2.22）的專利申請?zhí)岢鲆环N多濾光片IR-CUT 切換器，包括固定座，固定座上設(shè)有若干個獨立的凹槽，用于容納切換器內(nèi)的器件，固定座上設(shè)有下通光孔，步進(jìn)電機(jī)上的主動齒輪與減速齒輪組的動力輸入齒輪相嚙合，減速齒輪組的動力輸出齒輪與切換片相嚙合，切換片上裝有多片多種濾光片，固定座內(nèi)設(shè)有導(dǎo)柱，切換片套設(shè)于導(dǎo)柱上，固定座的端部設(shè)有光電開關(guān)，蓋板蓋合在固定座上，與固定座形成腔體結(jié)構(gòu)，蓋板上設(shè)有上通光孔，上通光孔與下通光孔相對設(shè)置，且上通光孔和下通光孔與濾光片相對設(shè)置；控制器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，步進(jìn)電機(jī)通過主動齒輪帶動減速齒輪組轉(zhuǎn)動，減速齒輪組驅(qū)動切換片運動，實現(xiàn)濾光片的相互切換，當(dāng)切換片運動完成返回到切換片的初始位置時，切換片上的相應(yīng)位置將光電開關(guān)的感應(yīng)部件遮擋住，使光電開關(guān)開路，控制器控制的回路斷路，步進(jìn)電機(jī)斷電停止轉(zhuǎn)動，切換片停止運動，其實際上也是利用馬達(dá)螺桿方式驅(qū)動，具有控制精度高，承載濾光片數(shù)量多，驅(qū)動平穩(wěn)的特點，見圖6。

圖6

三、結(jié)論

以上通過多件專利申請分析了基于攝像技術(shù)中濾光片切換方式，可利用電磁驅(qū)動方式/馬達(dá)螺桿方式實現(xiàn)兩個濾光片/多個濾光片的切換的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動/直線驅(qū)動。關(guān)于電磁驅(qū)動方式，馬達(dá)螺桿方式，有各自的優(yōu)點和缺點，電磁驅(qū)動方式的優(yōu)點在于，其運用金屬線圈通電產(chǎn)生磁力的方式，作為控制搭載兩片濾光片及兩永久磁鐵的片體在特定空間內(nèi)進(jìn)行滑動、切換，裝置的體積比較小，利于小型化相機(jī)的集成，但缺點在于需要持續(xù)的對于金屬線圈通電而產(chǎn)生磁力，長時間的通電造成浪費電力的情況外，還會產(chǎn)生多余的熱，這些熱則會影響周圍的電子裝置運行；馬達(dá)螺桿方式的優(yōu)點在于驅(qū)動平穩(wěn)，但缺點在于，其運用驅(qū)動馬達(dá)作為切換的動力輸出源，并配合電子電路的控制，使得搭載兩片濾光片的片體在特定空間內(nèi)進(jìn)行滑動、切換，但此種方式因馬達(dá)占據(jù)特定空間，裝置的整體較大。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)實際需求選擇合適的驅(qū)動方式來實現(xiàn)濾光片的切換。