CN102445816A - 集成化全自动双滤光片切换器 - Google Patents
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Abstract
集成化全自动双滤光片切换器，将电磁驱动部分和控制部分集成于一体，为监控摄像机白天和夜晚滤光片的切换提供了整体化解的决方案。驱动部分由线圈管、强磁体、橡胶软磁组成。通过加在线圈上不同方向的电流，可以驱动圆柱形强磁体向不同方向运动，从而带动双滤光片支架实现日夜滤光片的切换。固定于线圈管两端的橡胶软磁可以增强管内的磁场强度提高驱动力，同时可以在断电后，继续被强磁体磁化吸合，有效地实现无电定位，节约能源。切换器对外仅3条引线，包括电源正负极和来自红外灯板的光敏传感器信号。控制部分选用低成本微功耗的单片机、集成驱动芯片等贴片元件，从而保证了控制的高效性、灵活性和软件升级的方便性。
Description
技术领域及背景技术
图像传感器是数码视频产品的核心器件，不管是数码照相机、还是录像机都是靠图像传感器来获取第一手的信息。现在常用的图像传感器主要是CCD和CMOS两种类型。但不管是CCD还是CMOS，其光谱响应曲线与人类的视觉都有很大的差异。这主要是因为他们在红外区域还有较高的灵敏度。由于太阳光含有丰富的红外成分，这样在白天的自然光下(包括阴天的漫射光线)所拍摄的图像就明显的偏色(例如本来是绿色的植物拍摄的图像却呈灰紫色)。现在对于这一问题的处理办法就是采用滤光片来衰减人类不敏感，但图像传感器敏感的近红外区域的成分，从而使得最终获得的图像充分接近人类的视觉反映。
目前用于监控领域的摄像机，要兼顾白天和晚上的效果：白天要求有良好的色彩还原效果，晚上要求图像清晰。因为摄像机通常使用红外LED作为晚间的辅助光源，如果不加滤光片，图像传感器可以在红外LED辅助光源的照射下很好的采集夜间的视频信息，但不加滤光片白天偏色的问题没法解决；如果加滤光片将图像传感器的拍摄效果矫正到接近人类对色彩的视觉反映，晚上辅助红外光源的效果也将同样被过滤，没法实现夜间监控拍摄的目的。于是，对于单滤光片方案，这是一个两难的境地，很难两全其美。
解决上述问题必须采取双滤光片方案。白天使用对近红外光线有衰减作用的滤光片，晚上使用夜间滤光片，并通过切换机构实现两种滤光片的切换。
目前这方面的产品与技术，主要有如下两种：电机驱动切换方案和利用线圈与磁体相互作用驱动的切换方案。他们的不足之处在于：电机方案做到小型化比较困难；线圈与磁体相互作用驱动的切换方案目前有两种情况，其一，线圈作为运动件，磁体固定，该方案由于线圈引线在频繁的运动中容易折断从而影响寿命；另一种是线圈固定，磁体固定在双滤光片框架上带动滤光片运动，该方案由于框架处于线圈外面，这使得电磁驱动力大打折扣，常常因此造成驱动不到位的情况。另外，目前的切换器均不包含驱动控制部分，这使得现有的摄像机难于直接采用，需要对摄像机电路重新设计、制板，增加了改造的成本。
本方案是在分析了现有产品不足的基础上设计的。设计的基本出发点主要立足于：
1、结构简单，从而易于生产装配、降低成本；
2、高效的电磁驱动和无电定位统一设计；
3、控制电路集成到切换器中以方便现有摄像机的直接安装从而实现即插即用。
发明内容
集成化全自动双滤光片切换器，将电磁驱动部分和控制部分集成于一体，为监控摄像机的日夜滤光片切换提供了整体化解的决方案。驱动部分由线圈管、强磁体、橡胶软磁体组成。通过加在线圈上不同方向的电流，可以驱动圆柱形强磁体向不同方向运动，从而带动双滤光片支架实现日夜滤光片的切换。固定于线圈管两端的橡胶软磁体可以增强管内的磁场强度提高驱动力，同时可以在断电后，继续被强磁体磁化吸合，有效地实现无电定位。由于强磁体置于线圈管内，电磁驱动力大大加强。切换器对外接口简单，仅需3条引线，除电源正负极引线外，只需要一条来自红外灯板的光敏传感器信号线。控制部分选用低成本微功耗的单片机和少量的外围器件，所有元件均选用贴片封装以减小体积和厚度。单片机的使用保证了控制的高效性、灵活性和软件升级的方便性。该设计较之现有的产品和技术在结构上和性能上均有较大的优势。
附图说明
图1电磁驱动部分的结构展开图；
图2电磁驱动组件总成图；
图3滤光片框架俯视图；
图4滤光片框架右视图；
图5滤光片框架前视图；
图6底座俯视图；
图7底座右视图；
图8底座前视图；
图9总体结构安装图；
图10驱动控制芯片引脚图
图11单片机引脚图
图12控制原理图
图中的标记序号：
1-圆柱形强磁体；
2-圆柱形橡胶软磁性材料；
3-线圈；
4-塑料框架连接件；
5-电磁驱动组件；
6-滤光片框架；
7-日间滤光片；
8-夜间滤光片；
9-滤光片框架四角上的减阻力球形支点；
10-滤光片框架与驱动部分连接的粘结面；
11-底座框架；
12-滤光片框架的导向壁，兼线路板支撑架；
13-底座通光孔四壁；
14-底座框架固定孔；
15-电磁驱动组件安装槽；
16-滤光片框架导向槽；
17-线路板背面器件空间；
18-线路板，兼做上盖板；
19-线路板上的通光孔；
具体实施方式
具体实施方式分电磁驱动、滤光片框架结构、切换器底座结构、和控制电路等4部分介绍。
1.电磁驱动部分
电磁驱动部分由圆柱形强磁体1、橡胶软磁2、线圈管3和塑料框架连接件4组成(参见附图1)。安装后，强磁体1、橡胶软磁2、线圈管3和塑料框架连接件4处于同一轴线上，装配结果如图2所示。其中，线圈管3用胶固定在切换器底座的电磁驱动组件安装槽15中；强磁体1处于线圈管3中可以自由移动；塑料框架连接件4用胶封固于强磁体1上；橡胶软磁2装配固定后，与线圈3外端口齐平并胶固。当线圈中通过不同方向的电流时，强磁体1在线圈管3中左右移动，从而通过连接件4带动滤光片框架6实现将不同滤光片切换到光路中。当线圈中没有电流时由于圆柱形强磁体对橡胶软磁2也有磁化作用，橡胶软磁2邻近强磁体1的端面被磁化成强磁体的异性磁极，并有效吸合实现了无电定位，这可以在非切换期间不需要维持电流，大大节约了能耗。
有2个关键点需要注意
首先要注意线圈绕制的长度L3应当等于强磁体长度L1的二分之一，即
L3＝0.5L1
这将保证最佳的驱动效果。
其次需要注意橡胶软磁2的软磁材料的配比，配比的最终效果要求具有结构的软和磁性的软。橡胶的软结构可以缓冲强磁体运动的冲击；磁性的软，要求低剩磁、低矫顽力。软磁粉的配比要将橡胶软磁2的磁导率控制在一个合适的参数，以兼顾无电定位的可靠性和下一次反向运动时脱离定位所需的反向电流。
2.滤光片框架结构部分
滤光片塑料框架的结构如图4所示，其中：6为滤光片塑料框架；7为白天滤光片；8为夜间滤光片；9是四角上的减阻力球形支点，球形支点9使得滤光片框架在运动中与导向壁各个面之间都是点接触，从而减小了运动阻力；10是与驱动部分连接的粘结面，它与连接件4粘结，使得滤光片塑料框架能够在强磁体的带动下运动，实现双滤光片的切换。
球形支点实现与各个导向面之间的点接触设计，是本滤光片塑料框架结构设计的特色。滤光片塑料框架的右视图5和前视图6示出球形支点相对于塑料框架平面部分的位置。根据图示可以看出，球形支点使得滤光片塑料框架与上、下、前、后4个导向面之间以及左、右端面之间都是点接触。
为了在滤光片的切换中保证几何光学特性不变，需要保证光线通过2种滤光片的光程相等。用n7、d7分别表示滤光片7的折射率和厚度，n8、d8分别表示滤光片8的折射率和厚度，等光程的要求需满足如下关系
n7×d7＝n8×d8
对于镀膜的滤光片，因为膜层的厚度非常薄，所以只要镀膜基片使用相同材质相同厚度的光学玻璃就可以满足上述关系。
3.切换器底座结构
切换器底座11是集成化全自动双滤光片切换器整体安装的载体。图6是底座的俯视图，其中：12是滤光片框架的导向壁，兼线路板支撑架；13是底座通光孔；14是底座框架固定孔；15是电磁驱动组件安装槽；16是滤光片框架导向槽；17是线路板背面器件空间。
图7、图8分别是底座的前视图和右视图，从这2个侧面图可以看出底座下部的20位置，这是光线通道的四壁。
4.控制电路
控制部分的主芯片采用微功耗单片机P89LPC901(图10)和功率驱动电路AZ6028B(图11)。2种芯片均选用SOIC-8贴片封装。单片机用来检测来自红外灯板的光敏信号，以判断红外灯是否打开，从而决定对滤光片的切换：如果红外灯已经打开，则将晚上的滤光片8换切换到光路中；如果红外灯没打开则将白天的滤光片7换切换到光路中。每分钟判断一次，每次判断均多次采样防止误判，然后决定驱动输出，切换可在瞬间完成。这样，既保证了控制的可靠性也可以防止干扰因素引起的误动作。由于功率输出仅发生在切换的瞬间，其他时间没有输出，由橡胶软磁与强磁体的吸合维持滤光片的定位，所以这种控制电路既智能又节能。由于采用单片机控制，控制方法的改进只需要改变软件，这给调试和升级提供了极大的方便。
AZ6208B是一种用于驱动可逆马达的单片集成电路。该集成电路包含一个逻辑部分，通过使用TTL逻辑电平信号可以控制电机的正转反转以及停止。它是通过控制功率输出端的正负极性来实现的，真值表如表1(参见图10)：
表1
| IN A | IN B | OUT A | OUT B |
| H | L | + | - |
| L | H | - | + |
| H | H | - | - |
| L | L | OPEN | OPEN |
表中IN A是控制输入A，IN B是控制输入B，OUT A是功率输出A，OUT B是功率输出B。H表示逻辑高电平，L表示逻辑低电平，“+”表示接电源正极，“-”表示接电源负极，OPEN表示输出开路(断开)。
因为AZ6208B的控制逻辑和输出功能刚好符合我们双滤光片切换器电磁驱动部分的控制要求，所以这是一种巧妙的选择，廉价、高效、节约空间。
微功耗单片机P89LPC901是一种具有完善功耗控制功能的8脚小封装单片机，MCS51内核、片上外设丰富、价格低、功能灵活，足以满足我们的控制需求，它与AZ6208B相配是珠联璧合。图12是控制线路的原理图，图中的JP1是双滤光片切换器对外的3线接口。
软件部分主要完成单片机P89LPC901内部控制寄存器的初始化，检测分析来自红外灯板的输入信号，并根据控制算法输出控制逻辑信号。AZ6208B可以按照表1所示的真值表转换成功率输出，完成双滤光片切换器电磁驱动。另外，对单片机P89LPC901的功率管理实现微功耗待机也由软件实现。
控制部分的所有器件安装在线路板上，然后进行整体组装。
5.整体组装
图9展示了集成化全自动双滤光片切换器各部分的结构关系。电磁驱动组件5、滤光片框架6和线路板18都安装在切换器底座11上。具体描述如下：
电磁驱动组件5安装在电磁驱动组件安装槽15中；日间滤光片7、夜间滤光片8粘贴于滤光片框架6上；滤光片框架6安放在底座的滤光片框架导向槽16中；滤光片框架的导向壁12，兼做线路板支撑架；线路板18坐落在导向壁12上并兼做上盖板，安装时，线路板18与底座11的边框紧密配合用胶灌注；线路板18上的通光孔19、滤光片7(或8)、底座通光孔13的中心对齐(共轴线)；底座上的空间17允许线路板背面在对应的位置安放器件。底座上的2个安装孔14的间距应当与通常的镜头座的间距相同，以便原摄像设备的镜头可以方便地叠加在双滤光片组件的上面。
Claims (8)
1.集成化全自动双滤光片切换器包括电磁驱动组件(5)滤光片框架(6)线路板(18)和切换器底座(11)；滤光片框架(6)安装在切换器底座(11)的滤光片框架导向槽(16)中；导向槽(16)由底座上的导向壁(12)和兼做上盖的线路板(18)构成；滤光片框架(6)由塑料连接件(4)与电磁驱动组件(5)中的强磁体连接，线圈驱动强磁体时将带动滤光片在导向槽中移动，实现滤光片的切换；电磁驱动组件(5)用树脂胶封装在底座的安装槽(15)中；控制电路选用单片机、集成驱动芯片、少量阻容器件，全部元件外形选用微型贴片封装，并贴片安装于线路板(18)上，全自动控制电路对外接口只用3条线：电源的正、负极和来自红外灯板的光敏信号。
2.权利要求1所述的电磁驱动组件其特征是由圆柱形强磁体(1)、橡胶软磁(2)、线圈管(3)和塑料框架连接件(4)组成；安装后，强磁体(1)、橡胶软磁(2)、线圈管(3)和塑料框架连接件(4)处于同一轴线上，其中，线圈管(3)用胶固定在切换器底座的安装槽(15)中，强磁体(1)处于线圈管(3)中可以自由移动，塑料框架连接件(4)用胶封固于强磁体(1)上，橡胶软磁(2)装配固定后，与线圈(3)外端口齐平并胶固；当线圈中通过不同方向的电流时，强磁体在线圈管中左右移动，从而带动滤光片框架实现将不同滤光片切换到光路中。
3.权利要求2中所述橡胶软磁(2)具有改善电磁驱动效果、无电定位和减缓强磁体的冲力三重作用：当驱动时，线圈中的电流将橡胶软磁(2)与强磁体(1)的相对面磁化成与强磁体(1)的同性磁极，推动强磁体(1)向另一端运动；当线圈中没有电流时由于圆柱形强磁体(1)对橡胶软磁(2)也有磁化作用，邻近强磁体(1)的端面被磁化成与强磁体异性的磁极，从而有效吸合实现无电定位；要达到上述三重效果，橡胶软磁(2)的性能要具有结构的软和磁性的软，磁性的软是指低剩磁、低矫顽力。
4.权利要求2中所述的线圈绕制的长度L3应当等于或小于强磁体长度L1的二分之一，即L3＝0.5L1，这种比例关系具有最佳的电磁驱动效率。
5.权利要求1中所述滤光片框架(6)上贴有白天滤光片(7)和夜间滤光片(8)；为了在滤光片的切换中保证几何光学特性不变，需要保证光线通过2种滤光片的光程相等，用n7、d7分别表示滤光片7的折射率和厚度，n8、d8分 别表示滤光片8的折射率和厚度，等光程的要求需满足如下关系
n7×d7＝n8×d8
对于镀膜的滤光片，因为膜层的厚度非常薄，所以只要镀膜基片使用相同材质相同厚度的光学玻璃就可以满足上述关系。
6.权利要求1中所述滤光片塑料框架(6)的特征是四角上的减阻力球形支点(9)，球形支点(9)使得滤光片框架在运动中与各个方向上的导向壁之间都是点接触，从而减小了运动阻力；还有与驱动部分连接的粘结面(10)，它与连接件(4)粘结，使得滤光片塑料框架能够在强磁体的带动下运动，从而实现双滤光片的切换。
7.权利要求1中所述切换器底座(11)是集成化全自动双滤光片切换器整体安装的载体，其特征是包括：滤光片框架的导向壁(12)，导向壁兼做线路板支撑架；底座通光孔(13)；底座框架固定孔(14)；电磁驱动组件安装槽(15)；滤光片框架导向槽(16)；线路板背面器件空间(17)。
8.将切换机构和全自动控制电路的一体化安装集成。
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