基于攝像技術中濾光片不同切換方式的淺析

◎趙曉娟

一、引言

隨著科學技術的發展，攝像或監控系統已經成為人們生活的重要組成部分。在攝影技術中經常使用濾光片進行濾光，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，通過對濾光片進行切換可實現不同的濾光需求，例如，軍用的白光成像偵察設備，需要對可見光工作模式與近紅外工作模式進行切換，用于不同的戰場環境，當戰場能見度較好或需大視場搜索目標時，可見光工作模式下的白光成像偵察設備能夠提供彩色逼真的戰場實時圖像，方便觀察戰場形勢與搜索目標，當能見度較差如清晨黃昏時或需長焦跟蹤目標時，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。再例如，安防攝像頭，安防攝像頭需要全天24 小時的攝像，必須能夠自動適應白天和黑夜兩種光線環境，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，因此如何設置濾光片的切換顯得尤為重要。攝像領域的濾光片切換在國際專利法分類表里面分類號為G03B17/14，其分類號較為準確，一般只需在該分類號下進行檢索能查閱到相關文獻，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.旋轉驅動方式實現濾光片切換。

通常采用電磁驅動方式和馬達螺桿方式兩種方式實現，進而實現兩個濾光片的旋轉的切換，電磁驅動主要通過改變輸入線圈的電流正負極，實現電磁場磁極方向的轉換，進而實現濾光片的切換；馬達螺桿方式，利用電機驅動蝸桿齒輪正反轉，蝸桿齒輪帶動助力齒輪以及滑片上的傳動齒輪轉動，實現位于滑片上的兩個或多個濾光片的切換。

電磁驅動方式，如公開號為CN108873570A（公開日為2018.11.23）的專利申請提出了一種基于電磁驅動的可見光或近紅外光切換機構，其包括底座、設于底座下部的濾光組件及設于底座上部的電磁驅動組件，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，從而實現可見光濾光片和近紅外濾光片的快速切換，電磁驅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，下端圓柱凸臺卡入濾光片座上的矩形槽內，且可沿矩形槽移動，通過改變輸入線圈的電流正負極，實現電磁場磁極方向的轉換，進而實現濾光片的切換，將擺桿的旋轉運動轉化為濾光片座的旋轉運動從而提高切換機構的穩定性與輕便性，見圖1。

圖1

馬達螺桿方式， 如公開號為CN203535359A（公開日為2014.4.9）的專利申請提出一種攝像機濾光片切換器，其包括底座，底座上設有可在底座上來回滑動的滑片、驅動機構，滑片上固定設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有傳動齒輪，驅動機構包括電機、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于電機的輸出軸上，電機帶動蝸桿齒輪旋轉，蝸桿齒輪進而帶動助力齒輪以及傳動齒輪進行旋轉，從而帶動滑片上的第一濾光玻璃和第二濾光玻璃轉動，實現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切換方式，如公開號為CN107544198 A（公開日為2018.1.5）的專利申請提出一種多功能轉輪式切換模組，包括轉輪、切換組件以及驅動裝置，驅動裝置，輸出驅動力，切換組件，與驅動裝置連接，在驅動裝置的驅動力下旋轉，轉輪，與切換組件連接，在切換組件的帶動下旋轉，轉輪上設置有多個用于安裝鏡片的安裝孔，切換組件包括，電機同步齒輪、二階齒輪以及轉輪同步齒輪，電機同步齒輪與驅動裝置的輸出軸連接，轉輪同步齒輪與轉輪轉軸連接，二階齒輪分別與電機同步齒輪和轉輪同步齒輪嚙合，用于將電機同步齒輪的轉動量傳遞至轉輪同步齒輪，轉輪在切換組件的帶動下旋轉，由于轉輪上設置有多個用于安裝鏡片的安裝孔，因此在轉輪旋轉的過程中，安裝于安裝孔的鏡片隨之旋轉。該裝置利用電機配合齒輪帶動裝有多個鏡片的轉輪轉動實現多個鏡片/濾光片的切換，結構簡單，驅動精度較高，見圖3。

圖3

2.直線驅動方式實現濾光片切換。

對于直線驅動方式，通常也是采用電磁驅動方式和馬達螺桿方式兩種方式實現，進而實現兩個濾光片的直線方向上的切換。

電磁驅動方式，如公開號為CN202735574U（公告日為2013.2.13）的專利申請提出了一種濾光片切換裝置，包括一座體，座體內的一端設有一框片滑動區，框片滑動區開設有一光通孔，且座體內相鄰于框片滑動區的另一端凹設有一容置部，一滑動框片，可移動地設置于座體的該框片滑動區，滑動框片設有一紅外線截止片及一紅外線穿透片，一電磁驅動單元，設置于座體的容置部，電磁驅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，撥動件另一端設有磁石，線圈繞設于軛鐵，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，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動方式驅動，其能實現兩個濾光片直線方向上的切換，與圖1 的電磁驅動方式實現旋轉驅動的區別在于，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置在座體中，即是對滑動框片進行了限位，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

馬達螺桿方式， 如公開號為CN105467721 A（公開日為2016.4.6）的專利申請提出了一種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，以分別實現第一、第二濾光片與窗口的對正，還包括電機，電機的驅動軸上設有軸向延伸的螺旋狀導軌以作為傳動蝸桿，濾光片支架上設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軌之間以形成蝸桿-斜齒輪傳動機構，以使濾光片支架可隨驅動軸的正反旋轉而沿驅動軸的軸向往復移動，見圖5。該裝置也是利用馬達螺桿方式驅動，能夠實現兩個濾光片直線方向上的驅動，與圖2 的馬達螺桿方式實現旋轉驅動的區別在于，圖2 中設置第一濾光玻璃和第二濾光玻璃的滑片是可轉動的設置在底座上的，且與在滑片上設置的與電機齒輪結合嚙合的傳動齒輪是弧形的，因此圖2 可實現旋轉驅動兩個濾光玻璃。

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）的專利申請提出一種多濾光片IR-CUT 切換器，包括固定座，固定座上設有若干個獨立的凹槽，用于容納切換器內的器件，固定座上設有下通光孔，步進電機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，固定座內設有導柱，切換片套設于導柱上，固定座的端部設有光電開關，蓋板蓋合在固定座上，與固定座形成腔體結構，蓋板上設有上通光孔，上通光孔與下通光孔相對設置，且上通光孔和下通光孔與濾光片相對設置；控制器控制步進電機轉動，步進電機通過主動齒輪帶動減速齒輪組轉動，減速齒輪組驅動切換片運動，實現濾光片的相互切換，當切換片運動完成返回到切換片的初始位置時，切換片上的相應位置將光電開關的感應部件遮擋住，使光電開關開路，控制器控制的回路斷路，步進電機斷電停止轉動，切換片停止運動，其實際上也是利用馬達螺桿方式驅動，具有控制精度高，承載濾光片數量多，驅動平穩的特點，見圖6。

圖6

三、結論

以上通過多件專利申請分析了基于攝像技術中濾光片切換方式，可利用電磁驅動方式/馬達螺桿方式實現兩個濾光片/多個濾光片的切換的旋轉驅動/直線驅動。關于電磁驅動方式，馬達螺桿方式，有各自的優點和缺點，電磁驅動方式的優點在于，其運用金屬線圈通電產生磁力的方式，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進行滑動、切換，裝置的體積比較小，利于小型化相機的集成，但缺點在于需要持續的對于金屬線圈通電而產生磁力，長時間的通電造成浪費電力的情況外，還會產生多余的熱，這些熱則會影響周圍的電子裝置運行；馬達螺桿方式的優點在于驅動平穩，但缺點在于，其運用驅動馬達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進行滑動、切換，但此種方式因馬達占據特定空間，裝置的整體較大。本領域的技術人員可根據實際需求選擇合適的驅動方式來實現濾光片的切換。