（光学工程专业论文）电磁控制式纵走单幕焦平面快门技术研究.pdf

摘要 在进入二十一世纪后，随着数码信息时代来到，照相机的成像技术和结构都产生了交革。 传统的胶片照相术和照相机已经逐渐被数码影像技术和数码照相机所取代而数码单反相机作 为数码照相机顶级产品，走在了现代光机电技术发展的前沿 本技术研究首先阐述了对数码单反相机用电磁控制式纵走单幕焦平面快门进行技术研究的 目的和意义、以及其技术研究的主要内容、国外数码单反相机技术和快门技术发展的现状。紧 接着研究分析了照相机快门的分类和一些参数的含义以及焦平面快门设计原理和工作特性，具 体分析了电磁控制式纵走单幕焦平面快门整体设计要求，并对整体和各功能组成部分进行了设 计。设计确定了电磁控制式纵走单幕焦平面快门的性能标准。对电磁控制式纵走单幕焦平面快 门的各类零件的加工工艺进行了设计，指出了各零件的质量控制要点。设计了电磁控制式纵走 单幕焦平面快门装配流程、装配工艺和提出了质量控制要点。对电磁控制式纵走单幕焦平面快 门的检测仪器和检测方法进行了研究和设计，对检测数据进行了分析，得出了结论 关键词；数码单镜头反光照相机、电磁控制式纵走单幕焦平面快门。 a b s ，r r a c t a l o n gw i t ht h ea r r i v a lo ft h ed i g i 切li n f o r m a t i o ni nt w e n t y - f i r s t 伽删咖r y ，a m n l e r a i n l a g i n gt e c h n o l o g ya n ds m t c t l a eh a sb e e nw h o l l yt r a n s f o r m e d t h e 血a d i f i o n a lf i l m p h o t o g r a p h ya n dc a l m e r aw e r eg r a d u s n ys u b s t i t u t e db yd i g i t a li m a g i n gt e c h n o l o g ya n d d i g l t a l 伽n e r a 。a st h et o pc l a s so fd i g l t u ic 铷吐锄s ，d i g i 诅is i n g l e - l e n sr e f l e x0 ) s l r ) c a m l e r al e a d sa tt h ef r o n t l i n eo ft h ed e v e l o p m e n ti nm o d e lo p t i c a l ，m e c h a n i c a la n d e l e c t r o n i c a lt e c h n o l o g i e s 。 i nt h i st h e s i s 。if i r s t l ye l a b o r a t et h es t u d y g o a l a n ds i g n i f i c a n c ef o rt h e e l e c t r o m a g n e t i s mc o n t r o l l e dv e r t i c a lw a n , t a gs i n g l ec u r t a i nf o c a l - p l a n es h u t t e rt od s l r c s m e r a ，a sw e l la si t sb r i e fc o n t e n ta n dt h ed e v e l o p m e n ti nf o r e i g nd s l rc a u l e r aa n d s h u t t e rt e c h n o l o g y 。t h e nt h er e l e v a n tb a s i ck n o w l e d g ei si n t r o d u c e d ，w h i c hi n c l u d e st h e c l a s s i f i c a t i o no fc a m e r as h u t t e r s ，t h em e a n i n go fs o m ep a r a m e t e r s ，t h ed e s i g np r i n c i p l e s a n dw o r kf e a t u r e so f f o c a l - p l a n es h u t t e r 。t h es u b s e q u e n tc h a p t e r ss p e c i f i c a l l ya n a l y z et h e w h o l ed e s i g nr e q u i r e m e n t s - d e s i g na l lf u n c t i o n a lc o m p o n e n t sa n dd c t e i l l l i n et h e p e r f o r m a n c es t a n d a r do ft h ee l e c t r o m a g n e t i s mc o n t r o l l e dv e r t i c a lw a l k i n gs i n g l ec u r t a i n f o c a l - p l 髓es h u t t e r 。n e x ta r ei n t r o d u c e dt h em 锄u f a c t u r et e c h n i q u e sa n dq u a l i t yc o n 们l p o i n t sf o rv a r i o u sp a r t so ft h ee l e c t r o m a g n e t i s mc o n l r o l l e dv e r t i c a lw a l k i n gs i n g l ec u r t a i n f o c a l - p l a n es h u t t e r 。t h e nt ts y s t e ma n a l y s i si sp e r f o r m e df o rt h ea s s e m b l i n gf 1 0 w , e s s e n t i a l a n dq u a l i t yc o n t r o lp o i n t s f i n a l l y ，t h et o s t 啦e q u i p m e n t sa n dm e t h o d s8 r ep r e s e n t e da n d 8c o n c l u s i o ni sr e s u l t e df r o mt h et e s t m gd a t a k e y w o r d ：d i g i t a ls i n g l e - l e n sr e f l e xo a m e r a ( d s l r ) , e l e c t r o m a g n e t i s mc o n t r o l l e d v e r t i c a lw a t k i n gs i n g l ec u r t a i nf o c a l - p l a n es h u t t e r 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月 日 工程硕士学位论文 电磁控制式纵走单幕焦平面快门技术研究 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 从法国画家达盖尔1 8 3 9 年解决了显影、定影等技术难关，发明了照相术后， 摄影开始被广泛地应用于国民经济的各个领域，而且已经成为广大人民现代文明生 活中的不可缺少的重要组成部分。尤其在进入二十一世纪后，随着数码信息时代已 经来到，照相机的成像技术和结构都产生了变革。传统的胶片照相术和照相机已经 逐渐被数码影像技术和数码照相机所取代。 在国内外数码照相机迅猛发展的冲击下，传统银盐胶片单反照相机市场急剧萎 缩，在世界上照相机品牌最为集中的日本，各大厂商已经停止传统单反照相机的开 发、仅只部分维持小量的生产。作为照相机重要组成部门之的快门也必须要顺应 这种变革。 本课题旨在通过对数码单镜头反光照相机用电磁控制式纵走单幕( 特种塑 料叶片) 焦平面快门进行的技术研究，对电磁控制式纵走单幕快门的系统设计理论 和生产技术进行总结，分析怎样设计、加工和装配、检验等。掌握从零件设计、零 件加工技术到整机装配工艺、检测方法等的核心要点，形成一套比较完整的加工工 艺和检测方法，同时争取建立起一套先进的快门开发生产体系，为进一步紧跟现代 科技发展不断推出向社会不断推出新产品打下又一个坚实的理论基础。 1 2 研究内容 本课题旨在采用现代光机电技术和微机系统，对数码单镜头反光照相机上 所使用的电磁控制式纵走单幕焦平面快门进行规格标准定型、整体设计、零件加工 和装配工艺确定、检验方法确定等。掌握和总结总体设计、零件加工技术、整机装 配工艺等的核心要点，对零件加工和装配工艺的现场问题进行总结，形成一套比较 完整的加工工艺和检测方法，同时争取建立起一套先进的快门开发生产体系。 因此，研究工作包含以下一些主要内容： 一、研究设计电磁控制式纵走单幕焦平面快门的系统； 二、研究设计电磁控制式纵走单幕焦平面快门的性能标准； 三、研究设计电磁控制式纵走单幕焦平面快门的零件加工工艺； 四、研究设计电磁控制式纵走单幕焦平面快门的装配工艺： 五、研究设计电磁控制式纵走单幕焦平面快门的检测并对数据进行了分析。 1 3 国内外发展现状 一、摄影技术和照相机的发展现状 随着先进技术的发展日新月异和人民生活水平的不断提高，数码信息时代 已经来临。传统的胶片照相术和照相机已经逐渐被数码影像技术和数码照相机 所取代。照相机的成像技术和结构都产生了变革。 工程硕士学位论文 传统照相机拍摄在感光胶片上的潜影，经过化学冲洗，即可生成可视影像 负片上的负像或反转片上的正像，前者经过扩印机或放大机即可印放出照片。而数 字照相机拍摄在光敏传感器上的影像，经计算机处理后可在监示器上显示出来，或 经打印机打印出来。 简单介绍数码相机与传统相机的区别。 1 ) 数码相机有液晶监视器 数码相机与传统相机在外观上最大的不同是数码单反相机有液晶监视器。该液 晶监视器可以反映将要拍摄的场景或已拍摄的场景。将要拍摄的场景和传统相机取 景器中看到的场景一样。已拍摄的场景是把拍好的照片在监视器上回放，场景回放 是液晶监视器的首要任务，在回放中可以确认所拍的场景是否达到预定目的，如快 门速度是否合适、景深是否满意等等。液晶监视器可弹出菜单，根据要求作各种设 定也是其任务之一。 2 ) 记录媒体的不同 众所周知、传统相机记录媒体是银盐胶片。但数码相机没有胶片，它用存储卡 记录图像，存储卡就相当与胶片。该存储卡与胶片完全不同，但操作却与胶片相似。 数码单反的“胶片”在结构上与银盐胶片不同的，它所记录的图像如没有达到预想 效果，或者决定不要后可以进行删除，并对拍得的图像可通过打印机输出，或者通 过网络进行传输，或者通过p c 机以数据的方式加以保存，然后对卡上的图像作删 除，该卡可以反复使用，且该图像在保存时在原理上可以不产生劣化。 3 ) 数码相机负担任务比传统相机多 对于传统相机拍摄，首先要选择胶片的感光度，如i s 0 1 0 0 、i s 0 4 0 0 等，并且 还要注意是负片还是正片，是彩色还是黑白，还要根据场景准备多台照相机。另外、 在对荧光灯或白炽灯照明条件下拍摄时，还要选用合适的滤光器才能得到正确的色 还原，即要作日光型还是灯光型的胶片型号的判定。再者，在拍摄时还要作胶片能 拍摄张数的选择，以及胶片的不断交换。而且，胶片牌子的不同其成色特点也有微 小不同，所有这些是在胶片选者时要考虑和必须作判断的。胶片选定后放入胶片拍 摄，胶片拍完后倒入片盒取出胶片送到冲洗和扩印，最后得到照片。 对数码照相机来说选择胶片时一系列的考虑和判断只是选择存储卡时对其卡 容量作一考虑。如对感光度、彩色还是黑白、照明灯光的类型等可通过数码照相机 上的设定按钮和菜单来设定，更妙的是除送到冲印店得到照片外，还可以通过打印 机自己制作照片，并可通过软件对图像进行各种加工“1 。 二、单反数码相机( d s l r ) 的发展现状： 1 ) 单反数码相机的简介 单反数码相机就是指单镜头反光d c ，即d i g i t a l 数码、s i n g l e 单独、l e n s 镜 2 工程硕士学位论文 电磁控制式纵走单幕焦平面快门技术研究 头、r e f l e x 反光的英文缩d s l r 。其给人的第一印象往往是，庞大的机身，众多的 镜头和专业感觉十足的外形。单反数码相机定位相机市场的高端，加上其专业气质 的衬托，往往给普通消费者一种神秘的感觉，可望不可及。 单反就是指单镜头反光，即s l r ( s i n g l el e n sr e f l e x ) ，这是当今最流行的取景 系统，大多数3 5 m m 照相机都采用这种取景器。在这种系统中，反光镜和棱镜的独 到设计使得摄影者可以从取景器中直接观察到通过镜头的影像。因此，可以准确地 看见胶片即将“看见”的相同影像。该系统的心脏是一块活动的反光镜( 如图浅蓝色 部分) ，它呈4 5 。角安放在胶片平面的前面。进入镜头的光线( 如图红色光路) 由 反光镜向上反射到一块毛玻璃上。早期的s l r 照相机必须以腰平的方式把握照相 机并俯视毛玻璃取景。毛玻璃上的影像虽然是正立的，但左右是颠倒的。为了校正 这个缺陷，现在的眼平式s l r 照相机在毛玻璃的上方安装了一个五棱镜。这种棱 镜将光线多次反射改变光路，将影像其送至目镜，这时的影像就是上下正立且左右 校正的了。取景时，进入照相机的大部分光线都被反光镜向上反射到五棱镜，几乎 所有s l r 照相机的快门都直接位于胶片的前面( 由于这种快门位于胶片平面，因 而称作焦平面快门) ，取景时，快门闭合，没有光线到达胶片。当按下快门撰钮时， 反光镜迅速向上翻起让开光路，同时快门打开，于是光线到达胶片，完成拍摄。然 后，大多数照相机中的反光镜会立即复位。 反光镜的这一必要的翻起动作同时也带来了一些其他问题： 拍摄照片的瞬间，取景器会被挡住。由于被遮挡的时间只是刹那间的事情， 因此这对于立即复位的反光镜来说并不是什么主要问题。但引出了一些偶然性问 题。例如，在使用频闪光拍摄时，将不能通过取景器看到频闪装簧是否闪，留往常。 反光镜运动的噪声。这在需要安静的场所这可能会成为重要问题。由于测距 取景式照相机中没有突然阻挡光路的移动反光镜，所以不会产生这种噪声。 相机的震动，即由反光镜的翻起动作所造成的照相机整体的运动。假设用 1 5 0 0 秒的快门速度进行拍摄，那么不必担心。这种震动不至被察觉。但是，如果 以较低的快门速度拍摄一幅精确照片的话，比如在微弱的光线下使用远摄镜头进行 拍摄时，这种震动对成像就可能很成问题。 我们可以把数码单反的专业特色归结成如下几个方面： 图像传感器的优势：对于数码相机来说，感光元件是最重要的核心部件之一， 它的大小直接关系到拍摄的效果，要想取得良好的拍摄效果，最有效的办法其实不仅 仅是提高像素数，更重要的是加大c c d 或者c m o s 的尺寸。无论是采用c c d 还 是c m o s ，数码单反相机的传感器尺寸都远远超过了普通数码相机。因此，数码单 反的传感器像素数不仅比较高( 目前最低6 0 0 万) ，而且单个像素面积更是民用数 码相机的四五倍，因此拥有非常出色的信噪比，可以记录宽广的亮度范围。6 0 0 万 工程硕士学位论文 像素的数码单反相机的图像质量绝对超过采用2 ，3 英寸c c d 的8 0 0 万像素的数码 相机的图像质量。 丰富的镜头选择：数码相机作为一种光、机、电一体化的产品，光学成像系 统的性能对最终成像效果的影响也是相当重要的，拥有一支优秀的镜头对于成像的 意义绝不亚于图像传感器的选择。同时，随着图像传感器、图像引擎和存储器件的 成本不断降低，光学镜头在数码相机成本中所占的比重也越来越大。对于数码单反 来讲更是如此，在传统单反相机的选择中，镜头群的丰富程度和成像质量就是影友 选择的重要因素，到了数码时代，镜头群的保有率顺理成章地成了品牌竞争的基础。 佳能、尼康等品牌都拥有庞大的自动对焦镜头群，从超广角到超长焦，从微距到柔 焦，用户可以根据自己的需求选择配套镜头。同时，由于传感器面积较大，数码单 反相机比较容易得到出色的成像。更重要的是许多摄影发烧友手里，一般都有着一 两只，甚至多达十几只的各种专业镜头，这些都是影友用自己的血汗钱购买的，如 果购买了数码单反相机机身，一下子就把镜头盘活了，而且和原来的传统胶片相机 构成了互相补充的胶片和数码两个系统。 迅捷的响应速度：普通数码相机最大一个问题就是快仃时滞较长，在抓拍时 掌握不好经常会错过最精彩的瞬间。响应速度正是数码单反的优势，由于其对焦系 统独立于成像器件之外，它们基本可以实现和传统单反一样的响应速度，在新闻、 体育摄影中让用户得心应手。目前佳能的e o s l dm a r k i i 和尼康d 2 h 均能达到每 秒8 张的连拍速度，足以媲美传统胶片相机。 卓越的手控能力：虽说如今的相机自动拍摄的功能是越来越强了，但是拍摄 时由于环境、拍摄对象的情况是千变万化的，因此一个对摄影有一定要求的用户是 不会仅仅满足于使用自动模式拍摄的。这就要求数码相机同样具有手动调节的能 力，让用户能够根据不同的情况进行调节，以取得最佳的拍摄效果。因此具有手动 调节功能也就成为数码单反必须具备的功能，也是其专业性的代表。而在众多的手 动功能中曝光和白平衡是两个重要的方面。当拍摄时自动测光系统无法准确地判断 拍摄环境的光线情况和色温时，就需要用户根据自己的经验来进行判断，通过手动 来进行强制调整，以取得好的拍摄效果。这也是数码单反专业性的体现，如e o s l 0 d 能够以每次1 0 0 k 为基准调整色温值，帮助使用者得到最佳的效果。 丰富的附件：数码单反和普通数码相机一个重要的区别就是它具有很强的扩 展性，除了能够继续使用偏振镜等附加镜片和可换镜头之外，还可以使用专业的闪 光灯，以及其它的一些辅助设备，以增强其适应各种环境的能力。比如大功率闪光 灯、环型微距闪光灯、电池手柄、定时遥控器，这些丰富的附件让数码单反可以适 应各种独特的需求，而普通的数码相机则大大逊色。 2 ) 单反数码相机( d s l r ) 的发展现状 4 工程硕士学位论文电磁控制式纵走单幕焦平面快门技术研究 自从柯达1 9 9 0 年推出第一款单反数码相机d c s1 0 0 以来，单反相机已经走过 1 5 载漫漫长路。从一开始鲜为人知，到后来成为专业摄影代名词，再到现在开始走 进普通人家，其变化是翻天覆地的。 问世之初的单反数码相机更像是传统相机的孪生兄弟，都是采用传统的胶片机 身。拿柯达d c s l 0 0 来说，其应用尼康f 3 机身，功能也基本一样，应用的也是普通 的尼康镜头。这种状况一直延续了5 年，直到e 2 e 2 s 的问世才宣告结束。e 2 e 2 s 是由尼康、富士联合开发的产品，综合了两大相机巨头的优点以外，还采用了一体 化设计，使单反相机拥有了全新的形象。1 9 9 9 年是发展史上一个转折点，尼康d l 的问世意味着单反数码相机的发展逐步趋于稳定和成熟，为将来的发展奠定了坚实 基础。尼康如此风光，老对手佳能自然不甘人后，2 0 0 1 年推出的e o s1 0 ，长于快 速拍摄，在技术方面超越了尼康d 1 ，取代了其王者位置。两年后诞生的e o s3 0 0 0 更是为数码单反的发展找到出路，因为佳能拥有相机绝大多数核心技术，包括镜头 光学技术、自家的c o m s 感光元件影像传感器，o i g i c 数字影像处理器等，这让e o s 3 0 0 0 能够实现高性价比，从而引发低端单反市场的竞争。 业内有人将数码单反的发展史划分为“前3 0 0 0 时代”和“后3 0 0 d 时f 辘e ；正 是从e o s3 0 0 d 开始，单反相机才真正开始走迸普通家庭。“后3 0 0 0 时代”，* 各厂 家纷纷推出低端单反数码相机，售价在万元以内，使低端单反市场进入春秋战国时 代，让大众消费者有了更大选择余地。其代表机型是0 4 年推出的尼康d 7 0 _ f 奥林 巴斯e - 3 0 0 。迸入2 0 0 5 年，竞争已呈自熟化，两巨头佳能、尼康分别推出e o s3 5 0 d 和d 7 0 s d 5 0 ，其他品牌也看准这个市场推出一系列产品，从而彻底奠定了日毛反相机 的平民化。这种单反平民化的出现对整个数码相机市场的震动不容置疑，低价的单 反数码相机将会进一步压缩高端消费级数码相机的市场，使得功能齐全的商用消费 相机不得不降价求生存，从而引发连锁反应造成各个厂商之前的激烈竞争，最终完 成数码相机市场的又一次洗牌，平民化战役的打响。 回顾历史，可以很清楚看到单反相机普及化，平民化的趋势。是什么因素导致 这种局面的形成呢? 这些主要是技术发展和利润空间扩大两个原因。随着技术的不 断发展，成本必然下降，也就决定了价格的下调，使得其走进百姓人家成为可能。 近年来消费数码相机的技术开发投入上升，售价却下降，造成了利润空间的明显缩 小，形成了卖得多盈利少的怪现象，而反观单反巨头尼康的影像部门依靠数码单反 及镜头的销售在0 4 年实现销售额增加2 5 o 。这就客观上迫使盈利为目的的厂家把 目光转向利润较高的单反市场，而自身技术力量不足的他们，目前也只能涉足低端 单反市场。从而形成目前佳能尼康高端争霸，众多品牌低端混战的局面。日前松下、 索尼纷纷调整战略，松下决定与奥林帕斯携手，集中技术优势，开发新型单反数码 相机。索尼也将联手柯尼卡美能达，共同开发单反数码相机。如果我们从更深层次 5 工程硕士学位论文 分析，可以看到生产单反产品，对于品牌长期发展和产品生产线的维护有很大影响。 谁也不愿意看到自己辛辛苦苦争取来的客户，在从消费级d c 升级到单反的过程中， 投入竞争对手的阵营。 数码单反相机( d l s r ) 在中国市场方兴未艾。低端数码单反相机则成为这块 蛋糕上最诱人的一块。据i d c 提供的调查数据显示，2 0 0 4 年全球数码单反相机出 货量为2 1 0 万台，2 0 0 5 年出货量为3 0 0 万台，至2 0 0 8 年有望攀升至6 6 0 万台，而 价格低予1 0 0 0 美元的数码单反相机最受欢迎。 鉴于此，尼康、佳能、宾得、柯尼卡美能达等d c 制造商都在今年争先恐后地 推出了售价在5 0 0 0 元8 0 0 0 元之间的新款低端d l s r 产品，这大大刺激了整个数 码相机市场的增长。为了向d l s r 领域的统治者佳能和尼康发起挑战，索尼同柯尼 卡美能达达成协议，将联合开发面向大众消费市场的数码单反相机”。7 1 。 三、照相机快门发展现状 通过以上述说的摄影技术和照相机的发展现状以及单反数码相机( d s l r ) 的 发展现状，加上没有述说到的手机照相机的发展现状可知，数码相机( 含手机手机 照相机) 的日益普及，传统相机逐步退出市场，使得作为照相机的重要组成部分的 快门必然产生变革。 在数码相机的感光元件( c c d 、c o m s 等) 上大都内藏有电子快门，因此快 门的曝光时间控制功能被减弱，某种意义上说快门是数码相机的遮光装置。但因这 些感光元件( c c d 、c o m s 等) 对灰尘的敏感性使得对快门的生产的环境要求更 高，必须在洁净车间内组织生产。而且更加地小型化、轻量化。另外、数码相机用 快门大都采用电子控制方式，以利于数码相机更好地发挥电控性能。 目前国外专业生产快门的企业只有日本精工精密( 原精工舍) 株式会社、日本 电产c o p a l 株式会社、日本佳能电子株式会社三大公司。国内只有凤凰光学与日本 精工精密( 原精工舍) 株式会社合作生产m f e 、m f p 、h 0 0 6 等型式的焦平面纵走式 快门。 1 4 小结 综上所述、随着数码技术突飞猛进地发展，数字芯片、c c d 等电子原器件 大量生产，作为最能代表现代数字成像技术的单镜头反光照相机的生产成本得 到了大幅降低。正在普及化、平民化，销售市场日益广阔。与之配套的快门的 发展也成为必然。焦平面纵走式快门技术是一个十分广阔的技术领域，它与精密 机械加工技术、现代光电技术、测量技术，微机系统密切相关。 因此，通过上面的分析和论证，我们认为有必要对电磁控制式纵走单幕焦平 面快门进行系统的分析研究。它必将对国内的照相机事业发展、打破日本企业对专 业快门生产的垄断带来积极的影响。 6 工程硕士学位论文 电磁控制式纵走单幕焦平面快门技术研究 2 电磁控制式纵走单幕焦平面快门系统设计和研究 2 1 照相机快门简介和纵走式焦平面快门原理特性分析和研究 一、照相机快门分析 快门的定义： 快门是从时闯上调节给予感光材料( 胶片、c c d 等) 的光量，给予需要的曝光 量的装置。通常由金属薄片( 叶片) 及金属帘幕、布帘幕等作为遮光材料在所要求 的时间内进行打开和关闭。 快门的机能：照相机要求快门需要有如下机能： 有正确的开闭时间。 曝光时间的调节范围要大。 曝光效率要高。 快门关闭时不得有漏光。 操作需简便。 快门动作时不得有明显的作动声音或冲击。 不可有姿势差。 需有可靠性( 耐久性) 。 不得有经时变化( 随时间而变化) 的现象。 还需有耐热耐寒耐湿耐振等的耐环境性。 快门的种类： 按快门在照相机摄影光路中的安装位置分为镜头快门和焦平面快门两类 镜头快门：安置在照相机镜头孔径光阑附近，其尺寸最小。 根据安置位置不同，镜头快门可分为镜前快门、镜间快门和镜后快门。 镜前快门：安置在照相机镜头前的光路上，由于快门露在镜头外，易脏、易 变形、易发生故障，在3 5 r a m 照相机中已不使用。 镜间快门：快门叶片开启孔径位置与孔径光阑位置非常接近，快门开启时整 个画面同时获得曝光，而且不会产生耀斑。这种快门结构较合理，因此得到广泛应 用。镜间快门主要有勃郎特和康柏两种型式。 镜后快门：快门的开启孔径位于镜头的后方，一般做成平板结构装在机身上， 调焦对快门不前后移动，便于和照相机其他功能配合，有利于照相机向小型化和多 功能发展。 镜头快门的结构形式很多，但主要有两种：镜筒型结构和平板型结构。如果以 快门叶片数量来分又可分为：单片式、双片式、三片式、五片式快门。 焦平面快门 焦平面快门安装在紧靠照相机胶片( c c d ) 前的位置上，即在照相镜头的视场 7 电磁控制式纵走单幕焦平面快门系统设计和研究工程硕士学位论文 光阑附近。焦平面快门有两组起遮光作用的前帘和后帘。快门上弦时，前后帘有 部分相互重叠在胶片前通过，不会使胶片曝光。快门释放时，前后帘之间形成一定 的缝隙，此缝隙以一定的速度在胶片前面走过，使胶片逐次曝光。缝隙的宽窄可以 调节，以实现不同的曝光时问。 焦平面快门的结构形式： 按运动方向分，有横走式和纵走式两种；按幕帘的材料分，有幕帘式和铜片式 两种。 横走式焦平面快门，其前帘和后帘在胶片3 6 m 方向作左右运动，快门前帘和 后帘通常采用已喷涂过橡胶的具有遮光特性的合成纤维或绢丝织物制成( 只有极少 数横走式焦平面快门采用薄金属片制作前帘和后帘) ，通常称为幕帘快门。 纵走式焦平面快门，其前帘和后帘在胶片2 4 m 方向作上下运动，以前大多用 平板钢片制作，近几年又逐步改用塑料薄片制作，通常称为钢片快门。 横走式焦平面快门( 幕帘快门) 横走式焦平面快门( 幕帘快门) 通俗也称为卷筒型快门。基本型式有莱卡型的 三轴式和爱克赛太型的四轴式。在镜头互换、测距连动式照相机全盛时期，大部分 照相机采用三轴式。相反，单镜头反光照相机一般使用四轴式。国外美能达照相机 和雅西卡康太克斯r t s 照相机均采用四轴式，国内上海照相机厂的单镜头反光照 相机也采用四轴式幕帘快门。 纵走式焦平面快门( 钢片快门) 早期纵走式焦平面快门，幕帘采用细小金属片钩组成卷帘结构。由于结构复杂、 工艺性差、成本高，已逐渐淘汰。6 0 年代开始采用钢片型式，它用几片金属片和叶 片杆组成平行四边形四连杆机构，并可形成一定的运动狭逢，这种快门通常就叫钢 片快门。凤凰d c 3 0 3 系列单镜头反光照相机采用凤凰和日本精工舍株式会社合作生 产的m f c 3 2 3 快门( 单帘电子控制式) 和风凰自行生产的m f c 8 3 8 快门( 单帘电子控 制式) 和日本c o p a l 公司生产生产的f m 一7 5 8 快门( 机械控制式) ”。 二、纵走式焦平面快门原理和特性的研究 根据上述介绍，快门的种类很多，我们着目于要研究的焦平面纵走式快门，所 谓焦平面快门是位于焦点面附近的光隙( 布帘或金属、塑料薄板形成的一对前帘和 后帘的释放瞬间差面产生的曝光用缝隙) 从画面的一端顺次移动到另一端，而使感 光面接受光束。因光隙的移动速度有限，所以画面左右上的曝光时问不同，照出的 图像上没有同时性。因帘幕的移动速度通常的3 5 m m 照相机上约为2 m s e c 3 m s e c 左右，在长方向3 5 m 的移动时间为1 8 m s e c 1 2 m s e a 。根据光隙边缘通过全画面 的时间，曝光时间短的情况下，光隙宽度根据画面宽度也变小，幕速3 m s e c 的一 定速度的话，1 1 0 0 0 s e c 的曝光时间的光隙宽度为3 m s e c 1 1 0 0 0 s e c = 3 m m 。为了 8 工程硕士学位论文电磁控制式纵走单幕焦平面快门技术研究 增加运动物体摄影时的运动停止能力，形成稳定的光隙，把光隙移动方向选为画面 短边方向即纵方向，以谋求通过缩短行走时间、减轻移动重量、减少摩擦等增加幕 速等的手段。光隙宽度根据画面变宽虽然对于曝光秒时能同时照射全画面，但在高 速快门秒时下与闪光放电管不同步。 焦平面快门通常装在紧靠照相机胶片前面，一般由两个帘幕组成。快门上弦时， 前、后帘一部分重叠地不漏光由一端拉往另一端，这时与前、后帘相连接的开放的 关闭动力弹簧同时被卷紧，积蓄快门帘幕运动动力。在释放快门时，前帘首先开始 开启运动，而后帘仍被锁止。根据所选的快门曝光时间，使前、后帘之间形成该曝 光所需的合适缝隙c ，缝隙c 以一定速度在胶片前面通过，使胶片逐步曝光。动作 结束后，前、后帘又互相重叠，准备下一次上弦再曝光，焦平面快门的曝光情况见 图2 1 1 。 焦平面快门的曝光时间由前、后帘间缝隙c 的宽度和帘速v 所决定，改变这两 个参数就可以改变快门的曝光时间，改变帘速将引起结构复杂，动作可靠性差，已 不采用。增大缝隙c 使曝光时间延长，可提高光学有效系数，这对提高快门韵工作 性能是有利的。 图2 1 1 焦平面快门曝光示意图 l 一后帘幕；2 焦平面；3 一前帘幕 由于帘幕运动是以弹簧作为原动力来驱动的，它的速度值按照抛物线规律而变 化。运动开始时速度较慢，以二次方规律增加。为使整个画面能得到均匀一致的曝 光量，在结构设计上使缝隙的实际宽度，在经过像面开始端时狭些，随着移动缝隙 逐渐变宽，使画面各点曝光量趋向一致。 焦平面快门是使胶片逐段曝光的。现分析画面上的任意一点的曝光情况，当使 用镜头某一档光圈值时，任一点p 从曝光开始到曝光结束的时间，即为焦平面快门 的全曝光时间t l 。它是由p 点的缝隙速度和宽度，以及胶片平面到缝隙平面的平均 9 ， 电磁控制式纵走单幕焦平面快门系统设计和研究工程硕士学位论文 距离所决定的。如图2 1 所示任意点p 的全曝光时间由下式表示： c + d 7 因为缸2 _ 。d d 叶苟一 所以t l = 上 式中：c 为焦平面快门的缝隙； d 为快门运动平面与像平面的平均距离： d f 为物镜的相对孔径； v 为p 点位置帘幕缝隙的运动速度，也就是前、后帘运动的平均速度。 d 为物镜某光圈值时，投影光束在帘幕平面上的投影光束截面直径。 焦平面快门的曝光过程见图2 2 。在前帘运动到光束d7 的a 点时，p 点开始曝 光，直到后帘运动到光束d 的e 点时，p 点才结束曝光，所以p 点上全曝光的时 间t 1 将以c + d 计算。从图2 1 2 中的( 1 ) 可以看出，当前帘运动到a 点时，胶 片p 点开始曝光，但光束不能充分利用，存在光能量的损失，直到前帘到e 点，而 且缝隙c 大于d 时，光束才能被充分利用，如图2 2 中的( 3 ) 所示。后帘运动过 a 点，开始逐渐遮挡光束，如图2 2 中的( 4 ) ，直到到达e 点时，p 点曝光结束， 如图2 1 2 中的( 6 ) 所示。 嘲 遐 糸 pppppp 酉一舀舀吞 图2 ，1 2 焦平面快门的曝光过程 这种通光量的损失与镜头快门一样，可以用光学有效系数来表达。设有一个理 想快门，其帘幕安装在胶片平面上，即d = 0 ，其画面上任一点的曝光时间( 即为实 际快门的有效曝光时间) t e ：三 v 1 0 工程硕士学位论文 电磁控制式纵走单毒焦平面快门技术研究 照相机行业规宦取焦平面快门画面中央一点的有效曝光时间称为焦平面快门的 曝光时间t ，即t = 三。 v 焦平面快门的有效曝光时间与镜头快门不同之处是与镜头的f 值无关。 同镜头快门一样的是把焦平面快门的有效曝光时间与全曝光时间之比称为焦 平面快门的光学有效系数n ，则 + t 1 2 1 0 0 。, 42 奇1 0 0 2 丁1 1 0 0 。, 4 时r什i 焦平面快门因基本上与摄影镜头没有关连，所以适合于在以镜头可交换为目的 的单反照相机、配置大口径镜头的照相机的机身上配置。在容易得到高速快门的反 面，因其尺寸要覆盖画面大小的全部，易产生因可动重量而造成的声音，及易产生 冲击。所以大多必须要设置冲击吸收装置、帘幕反弹防止装置等。， 总之、比较起来焦平面快门具有如下两个优点：首先，因为焦平面快门是装在 相机机身里，而不是装在镜头里，这样可互换的镜头往往并不是太昂贵。但对于咕 片快门来说，快门就是镜头的一部分，因此包含叶片快门的镜头会比较昂贵。其次， 焦平面快门能够具有更快的曝光速度“”。 焦平面纵走式快门的优点分析： 焦平面纵走式快门机构是一个完整的组件，可以进行专业化生产，有利于提 高质量，降低成本。 焦平面纵走式快门叶片由于采用高炭钢材和可靠的耐高、低温的塑料带材， 具有耐久、耐热、耐寒等性能。 叶片的运动速度快( 走完2 4 r a m 约6 5 8 m s ) ，在高速度档时缝隙宽度较大 ( 1 1 0 0 0 s 时，缝隙宽度约为6 5 8 m s ) ，所以曝光时间稳定，曝光的不均匀性小。 由于叶片是上下运动的，在1 1 2 5 s 档时，叶片已全开画框，所以x 闪光同 步可达到1 1 0 0 s 或1 1 2 5 s 。 在单镜头反光照相机上应用时，可以方便地与反光镜快速返回机构联动。 可内藏自拍机( 机械控制式) o m f c 和8 f e 系列快门将纯机械控制发展为电子控制方式后，去除了机械慢拍 和自拍，由继电器控制后帘释放时间和前、后帘释放时间，以实现电子自拍和自动 曝光控制。 有利于小型化。 焦平面纵走式快门的缺点分析： 缺点是：动量和冲击较大，使得照相机拍摄时声音大、抖动量大“”。 电磁控制式纵走单幕焦平面快门系统设计和研究 工程硕士学位论文 2 2 电磁控制式纵走单幕焦平面快门整体设计和研究 以传统单反照相机使用的纵走式焦平面快门为基础设计出适用于数码单反照 相机上要使用的快门。 一、电磁控制式纵走单幕焦平面快门设计 用途：使用于数码单镜头反光照相机( 以下简称为数码单反相机) ； 画框尺寸：因数码单反相机摄像元件( c c d ) 的尺寸不同于传统的3 5 m m 胶片尺寸，为1 6 1 咖2 4 1 册；故确定快门的画框尺寸为1 6 9 m i n x 2 9 o m 。 从镜头光轴方向 看快门画框的图 图2 。2 。1 快门画框尺寸图 快门形式：传统单反相机采用的纵走式焦平面快门的控制方式有机械式、 机械电子式、电子式。针对数码单反相机的全电子控制的特点，数码单反相机用 快门确定采用电磁控制方式。又考虑到数码单反相机的曝光时间控制由摄像元件 ( c c d ) 内藏的电子快门进行，对快门的曝光时间控制要求不高等因素。以及为了 进一步达到快门的轻量化和降低成，去除传统纵走式焦平面快门的两个帘幕中的一 个帘幕，而成为单幕焦平面快门。 幕速：在平行光源实验器下，约1 6 9 m 7 5 m s 画面。 画框开闭方法：通过单幕( 单个叶片组) 进行快门画框的开放闭锁。 叶片作动控制：与传统纵走式焦平面快门采用弹簧作为快门帘幕的动力源不 同，电磁控制式纵走单幕焦平面快门通过数码单反相机对快门上的2 种电磁驱动式 作动器的进行通放电控制，来实现对快门帘幕叶片( 叶片组) 的作动控制。 叶片驱动用作动器( 简称主马达) o 全开全闭保持用作动器( 简称副马达) 叶片位置检知： 在画框全开时切换开关( 简称开开关) 在画框全闭时切换开关( 简称闭开关) 曝光时间控制：由数码单反相机上的摄像元件内藏的电子快门来进行。 同步闪光机构：因数码单反相机直接控制同步闪光，故快门上不需该机构。 手动翻转反光镜：不可( 为了防止漏光) 工程硕士学位论文 电磁控制式纵走单幕焦平面快门技术研究 画框的全开全闭保持：通过控制主马达及副马达的通电，由副马达带动的 锁止杆锁住由主马达驱动的叶片驱动杆来使叶片组保持画框全开或画框全闭状态。 叶片行走方向： 画框闭一开：叶片行走上一下： 画框开一闭：叶片行走下一上。 电源：共用数码单反相机的电池，即为6 v 锂电池( 相当于2 节c r l 2 3 a ) 。 二、测试条件： 根据数码单反相机的要求，确定如下测试条件。 形态：原则上以快门单体的状态下进行测定。 姿势：出厂检查接收检查时的姿势，原则上为快门镜头面向上姿势。 安装位置：根据快门外形图 基准温湿度：温度2 0 5 ；湿度 6 5 5 电源电压：主马达：定电流驱动、端子间电流为5 6 0 _ 2 0 m a ； 副马达：定电压驱动、端子问电压为2 2 7 0 3 v 。 测定器投光方式：平行光源 保存状态；为画框全开状态。在画框全开的状态下要保证规定的机能、性能。 作动程序图：另附。 作动间隔：3 帧秒( 在最短曝光时间下) 快门驱动用i c ：在本快门检查调整时使用精工精密产驱动i c s m d - 2 j 。 三、电磁控制式纵走单幕焦平面快门机能 开闭动作： 开闭控制：对应于开开关和闭开关的位置状态，由照相机控制系统通过对主 马达和副马达的通电时间和通电方向的控制来进行叶片组的开闭运动。 曝光时间控制：对摄像元件的曝光控制由摄像元件内藏的电子快门进行。 动作间隔：3 帧秒以内( 最短曝光时间时) 幕速：在平行光源实验器上，画框开一闭、画框闭一开都为约7 5 m s 1 6 9 哪 高画框。 叶片位置检知开关： 开开关：只有在画框全开时，开关开；其他状态下，开关常闭。 闭开关：只有在画框全闭时，开关开；其他状态下，开关常闭。 容许通电量：需在l o l o o m s 的范围内使用，不可作为闪光触片使用。 开关的独立性：开开关和闭开关可以各自分开使用也可直列接触使用。 驱动条件和电磁铁 主马达： 电磁控制式纵走单幕焦平面快门系统设计和研究 工程硕士学位论文 通常动作时：基准电流为5 6 0m a , 性能保证电流使用范围为5 4 0 5 8 0 m a 。 画框全开保持通电、长秒对摄影时不通过锁止杆来锁定叶片驱动杆，而由主 马达的连续通电来保持画框的全开时：外加电流为1 5 0m a 以下。 副马达：基准电压为2 2 7 v ；性能保证电压范围为1 9 7 v 2 5 7 v 。 逆起电压吸收机构无 电磁铁参数( 参考值) 主马达电阻值：5 6 5 0 卷线：币0 1 6 4 5 3 匝 1 4 副马达 时间常数：l o m s 以下( 9 0 启动为止) 逆起电压：4 0 v 以下 电阻值；1 3 1q 卷线：巾0 0 8 x 4 1 9 匝 时间常数；1 0 m s 以下( 9 0 启动为止) 逆起电压：4 0 v 以下 接线端子 图2 2 2 的接线端子焊线位置，参照图2 2 3 。 闭开关 - o 一 c o h 和 o j 开开关 一 v 0 2 ( 副马达( 一) ) | v o l ( 副马达( + ) ) p j s d 2 ( 主马达( 一) ) j o l ( 主马达( + ) ) j 图2 2 2 快门接线端子图 匠匠 工程瑷士学位论文电磁控制式纵走单荨焦平面快门技术研究 图2 2 3 快门印刷板接线端子位置图 形状以及尺寸：参照图2 2 4 快门外形示意图。 电磁控制式纵走单幕焦平面快门系统设计和研究 工程硕士学位论文 1 6 图2 2 4 快门外形示意图 工程颈士学位论文电磁控制式纵走单幕焦平面快门技术研究 内面反射：在照相机成品状态下，使用照相机厂所指定的标准镜头( 5 0 m ， f 1 8 ) 摄影时，不得有因快门开口部的反射而造成的浓度差和阴影。 形状尺寸公差：在快门外形示意图( 图2 2 4 ) 上除特别指定的部分之 外一般公差为0 3 咖。 外观 对照相机成品有害的伤、锈、表面处理等，通过限度样本来规定。 对叶片夹板的镜头面，对其开口端面部或整面进行黑色消光表面处理。 四、电磁控制式纵走单幕焦平面快门的组成结构 电磁控制式纵走单幕焦平面快