机电一体化概论 第4－1章

第四章 典型的民用机电一体化产品 第一节 电子照相机 一、传统的照相机结构,单镜头反光式照相机原理示意图,焦距调整,光圈,传统的照相机是一个光学机械装置，其主要的部件有：,直接取景式照相机原理示意图,（1）镜头（包括光圈机构） （2）调焦机构 （3）快门机构 （4）取景器 （5）输片系统（包括卷片 机构和倒片机构） （6）机身,其中光圈机构、调焦机构、快门机构、输片系统属于机械装置，而镜头（其中的光圈机构除外）、取景器基本上属于光学系统。,二、照相机的基本性能要求 若要获得一张理想的照片，摄影时必须采用： 正确的曝光量 准确的焦距调整 相应的光圈大小,正确的曝光量使得照片的影像层次丰富；,准确的焦距调整确保照片上的影像清晰；,光圈大小调节可以改变摄影的景深范围，满足摄影技巧的要求。,因此，照相机应该具备的控制功能为： 曝光量控制（包括光圈控制和快门控制） 焦距控制 光圈控制,显然，对于照相机来说，光圈控制、快门控制和焦距控制是其最基本的性能。,在传统的光学机械式照相机上： 准确地调整焦距和选择相应的光圈大小（手动方式）,曝光量的确定凭经验或借助其它检测手段,三、自动曝光控制技术 能够对曝光量实施控制的照相机出现于七十年代。当时，日本的一些厂家开始生产有自动曝光（控制）功能的照相机。,根据其控制方式方面的差别，可分为： 自动光圈（快门先决或快门优先）式 自动快门（光圈先决或光圈优先）式 程序式,1自动光圈控制技术 自动光圈式照相机在使用时，根据被摄物的状况和拍摄目的，先用手动方式将快门速度调好，然后通过测光量和胶片的感光度自动控制光圈大小。,由于七十年代的电子技术和集成电路制造水平还不高，早期的自动光圈控制是用表头控制实现的。 表头控制方式的测光元件采用硫化镉（CdS）光敏电阻，其阻值随照射光强度增加而减小。由于外界光线强度不同，外电源通过光敏电阻所产生的电流与光线强度成正比。此电流流过一个灵敏的小型电流表，表针的偏转角度与电流大小成正比，即表针的偏转角度与光线强度成正比。,光线，R ，电流 ，表针摆动角度 光线 ，R ，电流 ，表针摆动角度,摄影时，硫化镉光敏电阻进行测光，电流表的指针R随光线强度发生偏转。 如果被摄物较暗，指针偏转角度就小（偏A端），梯级定位板与指针相遇时的位移量较小。,当被摄物较亮时，指针偏转角度较大，梯级定位板的位移量也较大。,2自动快门控制技术 自动快门式照相机在摄影时，首先手动设定光圈大小，然后通过测光量和胶片的感光度自动控制快门速度。这种自动曝光方式的特点是能够满足摄影时对景深的要求。,自动控制快门也被称为电子快门。电子快门一般是由机械快门机构和电子延时器组成。快门运动的动力是机械弹簧的拉力或扭力，快门的最高速度仍受弹簧动力和机械传动的限制，而电子延时器只是在低于快门最高速度的范围以内控制曝光时间长短的作用。,3程序式自动曝光技术 只要摄影者确定了摄影方式，通过程序式自动曝光控制就可自动优先选定光圈大小或快门速度，然后再进行自动曝光控制。,通常程序式自动曝光的摄影方式有： （1）人像方式采用大光圈（小景深）,自动快门控制；,（2）风景方式采用小光圈（大景深），自动快门控制；,（3）运动方式采用较高的快门速度，保证得到动作停顿的清晰照片，自动光圈控制。,四、自动调焦控制技术,1光电式自动调焦 用于柯尼卡C35AF照相机的自动调焦机构是一种微型光电式自动调焦组件，其工作原理见下图。,这种自动调焦方式的缺点主要是： （1）不能对线条结构重复而又有一定规律的景物（如砖墙、铁丝网等）进行自动调焦；,（2）自动调焦必须在光线充足的条件下进行，如果光线较暗，调焦精度明显下降。,2超声波式自动调焦 这种自动调焦方式主要用在美国宝丽来（Polaroid）公司生产的一次成像照相机上。,在这种照相机上装有声纳测距系统，工作时主动发射超声波，再根据回波的延时来测定被摄物到照相机的距离。,主动式超声波自动调焦方式在黑暗环境下也不会失灵，因此这种照相机可以在夜间用闪光灯拍摄出清晰的照片。,这种自动调焦方式的缺点是：玻璃和雨水等会反射超声波，因此在透过玻璃、雨水摄影时，调焦效果较差。,3红外线（主动）自动调焦,近年来，在自动调焦的照相机中，大多装备了红外线自动调焦机构。这类照相机通过红外发射管发出红外线，然后由光电元件接收被摄物反射回来的光束，测量被摄物到照相机的距离。,较多的红外线自动调焦照相机采用电荷耦合器件CCD（Charge Couple Device）传感器作为光电元件，其原理如下图所示。 通过照相机的红外发光二极管发出红外光，经镜片聚焦后射向前方。由于被摄物到照相机的距离不同，反射到CCD上的红外线照射位置不同。根据反射回来的红外线光点在CCD上的位置，确定被摄物与照相机之间的距离。,固态图像传感器 固态图像传感器的功能是把传感器受光面的光像分解成许多像元，并将它们转换为电信号，然后顺序地输送出去。,大部分固态图像传感器的核心部分是 CCD（Charge Couple Device，电荷耦合器），其原理如下图所示。,CCD作为读出移位寄存器，顺序地将电信号在输出端串行输出。,根据光敏二极管的排列方式，CCD可分为：线阵 CCD 和面阵CCD。,线阵 CCD 已能达到 4096 像素； 面阵 CCD 已能达到 1G 像素。,由于光敏二极管排列整齐、尺寸和位置精确，每个光敏二极管的光电荷量不仅含有光照度的信息，而且还含有位置信息。,固态图像传感器具有小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好和寿命高等优点，并且以光为媒介进行非接触测量，可以达到危险地点，因而得到广泛应用。其主要用途为：,（1）物位、尺寸、形状、表面质量、表面温度等； （2）作为光学信息处理的输入环节，例如电视摄像、传真、扫描仪、数字化的复印机等。,五、傻瓜照相机 对于生活照片，一般人只要求画面清晰，曝光正确。此外，大多数业余摄影者要求照相机的结构越简单越好，操作越简便越好，价钱越低越好。,因此，随着自动曝光技术、自动调焦技术的出现和发展，照相机生产厂家根据市场的需要，生产出一种使用简便、价格低廉、室内外拍摄均可的照相机，俗称傻瓜照相机。,这类照相机有一些共同的特点： （1）小型化 （2）操作简便 （3）内藏闪光灯 （4）适于抓拍和快拍 （5）价格低廉 （6）可靠性高，故障率低,傻瓜照相机虽然几乎不用摄影者进行调节和控制就可完成拍摄，但傻瓜照相机不属于真正意义上的自动照相机，它们一般只采用了自动光圈控制技术。,超焦距调焦方式,六、数码照相机 数码照相机也被称为数字式照相机。数码照相机在测光方式、曝光方式和对焦方式的控制技术方面与普通照相机基本相同，但在影像的记录方式上截然不同。,数码照相机采用CCD器件代替胶卷，把影像的光信号转变为模拟电信号，经过A/D转换后，存入存储器（主要为半导体存储器）。,数码照相机一般都带有液晶显示，在摄像时可作为取景器，在摄像后及时观看摄取的影像，有选择地存储影像。,数码照相机上有与计算机的接口（USB接口），可把存储的影像信息输入到计算机，进行影像显示、编辑、修改、存储和打印输出，还可以通过网络传输照片。,有些数码照相机还有视频输出插口，可接到电视机显示影像。,七、小结 1外部因素往往是机电一体化技术发展的原因和动力。,2了解产品的应用背景和技术要求是机电一体化产品开发的基础。,3当产品或系统内的信息以数字量形式存在时，机电一体化技术可以充分发挥其作用。,4产品的使用方法应尽量简单，尽可能使之傻瓜化。,5产品和系统的自动化程度应适度。,