基本介紹
- 中文名：簾幕式快門
- 外文名：focal plane shutter;curtain shutter
- 套用學科：測繪學
- 其他名稱：焦面快門
- 套用：單眼照相機
基本信息,工作原理,發展,基於正時帶的簾幕式快門設計與精度分析,快門的設計,快門的曝光精度分析,研究結論,
基本信息
中文名稱：簾幕式快門
定義：由位於焦面上兩塊不透光的幕簾(其中一塊開有縫隙)組成，靠簾幕的移動控制曝光時間。
簾幕式快門的運用：簾幕式快門一般設定單眼照相機上，簾幕式快門緊貼在焦點平面上，所以也稱之為焦平面快門。
為了達到在不同的光線環境下都能夠使感光材料準確曝光，照相機除了有光圈大小的調節以外，還可以調節照相機的快門速度來達到準確曝光的目的。這裡說到的“快門速度”，更準確的說它是“快門開啟時間”，比如快門開啟時間是1秒或者1/60秒、1/500秒、1/8000秒等等。在較早的資料中把“快門開啟時間”稱之為“快門速度”，也或許是外文資料翻譯成中文時出現的錯誤，所以多數人把“快門開啟時間”叫做“快門速度”。
照相機的快門開啟時間（即俗稱的快門速度）是由前簾開啟到後簾關閉的間隔時間來確定的，如果我們把照相機的快門速度設定在1/2秒，那么，當前簾運行開始時開始計時，1/2秒時間到時後簾即開始運行結束曝光。也就是說，前後簾運行間隔的時間就是我們設定的快門開啟時間。
工作原理
早期的簾幕快門是不透光的布簾做的，也叫做布簾快門，有彈簧捲軸帶動布簾快門運行，快門布簾從開始運行到結束的運行速度比較慢，快門帘幕開始運行到運行結束的時間在1/60秒左右，所以很難實現短於1/1000秒的快門開啟時間。
假設照相機的快門帘幕從一邊走到另一邊的運行時間是1/60秒，我們設定了照相機的快門開啟時間1/125秒。當前簾運行到一半的時候，1/125秒時間到，後簾即開始運行，這時候是前簾與後簾保持焦平面二分之一的縫隙繼續同時運行，當前簾運行到位停止運行時，後簾也已經到了二分之一的位置，後簾繼續運行到快門完全關閉為止，完成1/125秒的曝光過程。同樣的道理，如果我們設定的是1/1000秒的快門開啟時間，那么，前簾在1/1000秒時間內僅僅運行了1/16，此時後簾就開始運行，這時，前簾與後簾之間只有一條焦平面長度1/16的極小縫隙掃過焦平面完成1/1000秒的曝光過程。對於135膠捲相機來說，掃過焦平面1/16的縫隙就是2.1875mm。
照相機的快門帘幕運行速度慢，對同步閃光有很大的限制，同步閃光快門開啟時間只能選擇大於或等於快門帘幕運行時間的快門開啟時間進行同步閃光攝影，否則將不能同步閃光。
發展
隨著科技的發展，多片組合重疊的鋼片快門替代了原始的布簾快門，簾幕快門的運行速度提高了。由於焦平面的橫向35 mm，縱向24 mm，後來又將橫走式快門改成了縱走式快門，使快門運行的距離變短，運行時間進一步減短。
上面說到“鋼片快門”並不一定是“鋼片”製成，只要是堅挺有剛性的材料，包括塑膠片的快門也稱之為“鋼片快門”。
之後，部分照相機已經套用非常堅韌輕薄的鈦合金做快門帘幕，由於質地輕薄，所以運行速度要快得多。當鈦合金片薄到一定程度是就可能捲曲變形，為了解決這個問題，工程師將鈦合金片做成蜂巢狀強加其堅挺的性能使得快門帘幕更加完善。其最短的快門時間可以做到1/8000秒。
現代的數位照相機，由於感光材料CCD的面積比原膠捲面積更小，再加上科技進一步的發展，所以快門開啟時間又有了進一步的縮短。
基於正時帶的簾幕式快門設計與精度分析
眾所周知，由於航空攝影的目標照度範圍寬，要獲得高解析度的航攝圖像，必須要對其曝光量進行控制，以保證其在幅面內各點獲得均勻的曝光量。因此，航攝快門不但要有較寬的曝光時間調節範圍和較高的效率，還需要保證較高的曝光精度。由於所採用的CCD器件沒有配置電子快門，因此需要設計焦平面機械快門來完成曝光功能。根據使用要求，焦面式快門可供選擇的形式主要有簾幕式快門和鋼片式快門。二者的曝光原理類似，都是通過結構在感光介質前產生通光狹縫使感光介質曝光，所不同的是材料和結構形式上的差異。簾幕式快門的曝光執行元件是開有狹縫的簾幕，其製作材料通常為金屬薄片；而鋼片式快門的曝光執行元件由若干片順次交錯的金屬葉片拼接而成。鋼片式快門的曝光元件相對複雜，與其相比，簾幕式快門具有更高的穩定性。簾幕式快門又分為單簾式和雙簾式快門，兩種快門的不同之處在於控制曝光時間的方式，單簾式快門通過控制狹縫速度控制曝光時間，而雙簾式快門通過調節狹縫的寬度控制曝光時間。簾幕式快門主要通過帶有矩形口的簾幕使快門曝光，曝光方式為線曝光。在曝光時，利用輥軸帶動簾幕運動對幅面上各點依次曝光。
圖1 單簾快門結構示意圖
圖2 快門帘幕示意圖
圖1 單簾快門結構示意圖圖2 快門帘幕示意圖相比而言，單簾式快門結構更為簡單，但是輥軸的穩速精度不容易達到，雙簾式快門調節狹縫寬度相對容易，但結構相對複雜。由於快門要在達到曝光精度的前提下滿足小型化和輕量化的需求，本文採用單簾式快門作為控制面陣CCD相機曝光量的器件。
快門的設計
（1）快門組件的方案設計
針對CCD器件的結構尺寸，並考慮到焦平面處的空間尺寸約束，快門的設計空間和結構採用了簾幕環繞面陣CCD的形式，而快門組件則由快門機構和驅動機構組成。
圖3 快門驅動原理圖
圖3 快門驅動原理圖單簾快門結構如圖1所示，快門改變了傳統的雙輥軸結構，採用了四輥軸形式，快門帘幕具有連續柔性體的特點，並具有一定的抗拉能力，以便在張緊的過程中使曝光區域保持簾幕平整，因此快門帘幕材料的選取直接關係到快門的曝光性能。根據其運動形式和精度要求，選用正時帶作為快門的簾幕，輥軸採用正時帶輪。正時帶具有運動精度高，並具有足夠的抗拉強度和耐磨性。快門帘幕如圖2所示，即用正時帶傳動的結構形式來完成快門的曝光功能。
圖4 快門組件三維示意圖
圖4 快門組件三維示意圖（2）驅動組件的設計
快門的驅動機構主要由電機、離合器、齒輪傳動副組成，圖3為快門驅動機構的傳動原理圖，快門電機連續運轉，當離合器斷開時，無力矩輸出，快門狹縫不動。當接到曝光指令時，離合器接通，電機動力通過齒輪副帶動輥軸，從而帶動簾幕運動使快門曝光。圖4所示為快門組件的三維模型圖。
設計後的快門在空間上得到了較大程度的最佳化，並較好地適應了面陣CCD器件和焦平面空間的結構尺寸。
快門的曝光精度分析
（1）快門曝光精度的數學模型
為保證航拍圖像的質量，需要快門的曝光精度高於0.1。由快門的曝光原理可知，影響快門曝光精度的因素為快門帘幕運動的速度精度和狹縫寬度的尺寸精度。對於單簾快門，狹縫寬度尺寸恆定，因此忽略其影響。
（2）結構傳動誤差的計算
在結構的各環節中，影響傳動精度的因素主要是驅動組件齒輪的傳動精度和正時帶的多邊形效應引入的速度誤差。
圖5 正時帶運動曲線
圖5 正時帶運動曲線計算結果顯示，第二級齒輪嚙合對誤差略大於第一級齒輪嚙合對，這是由於第二級齒輪為加速級；最後結果顯示由齒輪結構傳遞誤差引起的曝光精度的誤差為5.83%。由於快門帘幕是由正時帶製作而成，正時帶在傳動時會產生多邊形效應影響運動精度。正時帶完全與帶輪進入嚙合時，帶的節線是以圓弧和折線交替連線的形式繞在帶輪上的，形成多邊形節線。因帶節距P的周期性，分析一個節距內節線多邊形形狀與帶輪齒形參數間的幾何關係，並假設帶是柔性體，帶齒不彎曲，忽略帶齒與輪齒的齒側間隙。圖5表明，由多邊形效應引起的正時帶速度誤差為0.1%，由於它比機械結構產生的誤差低一個數量級，因此不考慮其影響。
研究結論
通過分析簾幕式快門的曝光原理，利用正時帶傳動精度高，運動平穩的特點，設計了正時帶作為快門的簾幕，正時帶輪作為輥軸的新型簾幕式快門。根據正時帶傳動時的嚙合原理，結合快門傳動系統和控制系統對快門的曝光精度進行了分析計算，結果顯示，正時帶的傳動誤差為0.1%，比結構傳動誤差低一個數量級，計算後的系統曝光精度為0.067。利用光電法對幅面各點的曝光時間進行了實驗測量，結果顯示，幅面上各點曝光精度為0.056，快門可實現寬目標照度範圍航空攝影的曝光。
