Thiết kế mô hình Mô hình Diafram điều khiển tự động

Thiết kế mô hình Mô hình Diafram điều khiển tự động

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, sự phát triển như vũ bão của nghành công nghiệp điện tử, nghành công nghiệp công nghệ thông tin đòi hỏi nghành công nghiệp cơ khí chế tạo máy cũng phải có bước phát triển tương xứng Sự kết hợp các nghành này đã sản xuất ra hàng loạt các sản phẩm hiện đại trong tất cả các lĩnh vực phục vụ cho cuộc sống ngày càng văn minh của con người.

Các sản phẩm này, từ các thiết bị đo lường, nghe nhìn, điện tử tin học cho đến các dây chuyền sản xuất hiện đại, lại là sự kết hợp giữa các nghành điện – điện tử - tin học – cơ khí và một nghành nữa, có trong hầu hết các sản phẩm hiện đại, đó là chuyên nghành quang – quang điện tử Có thể nói, trong các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn, mẫu mã đẹp đều sử dụng kỹ thuật quang – quang điện tử Hơn nữa, sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp vi điện tử và bán dẫn sản xuất nên các cảm biến quang rất đa dạng với kích thước rất nhỏ và giá thành của các sản phẩm này thì lại rất rẻ Điều này đặc biệt thuận lợi cho việc học tập, nghiên cứu, từ đó đưa ra được các sản phẩm mới, có thể được đưa vào sản xuất và được chấp nhận bỏi người tiêu dùng cũng như xã hội trong điều kiện đất nước còn nghèo.

Mô hình Diafram điều khiển tự động trong đồ án tốt nghiệp này cũng không ngoài mục đích trên Mô hình này cũng dựa trên tư tưởng kết hợp giữa điện, điện tử, cơ và sử dụng quang trở làm cảm biến, điều khiển trực tiếp bằng ánh sáng nhìn thấy.

Tuy nhiên, do giới hạn trong khuôn khổ một đồ án tốt nghiệp, thời gian không nhiều và trình độ hạn chế nên ở mặt này, mặt kia chắc chắn không thể không có sai sót Rất mong nhận được sự chỉ giáo của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn CKCX-QH, cũng như tất cả những

ai hiểu biết về lĩnh vực này.

Tác giả xin được cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn CKCX-QH đã chỉ bảo trong quá trình học tập và thiết kế tốt nghiệp Đặc biệt, tác giả xin được cảm ơn thầy giáo Chu Tiến Rảo đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn trong quá trình thiết kế tốt nghiệp

Hà Nội, tháng 05 – 2006.

Dương Hồng Cang

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

MỤC LỤC ii

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH 1

1.1 TỔNG QUÁT VỀ CAMERA 1

1.1.1.Sơ đồ khối của camera 1

Điều này cung cấp cho ống ghi ánh sáng trắng dịu (soft) vốn là sự phối hợp của tất cả ánh sáng và các màu sắc đưa vào Lúc đó mạch hiệu chỉnh (mạch định mức trắng) có thể thiết lập một sự hòa trộn chính xác các màu ĐỎ, LỤC và DƯƠNG theo yêu cầu để cung cấp sự cân bằng màu toàn thể cho cảnh quan 3

1.1.2.Nguyên tắc hoạt động của camera 6

1.2 CẢM BIẾN TRONG CAMERA 6

1.2.1 Thiết bị ghép điện tích (CCD) 6

1.2.2 Cấu trúc CCD 7

1.2.3 Quét cách dòng trong CCD 11

1.2.4 Cấu trúc của camera CCD đơn 12

1.2.5 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) của CCD 12

1.3 XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG CAMERA SỐ 13

1.3.1 ADC 13

1.3.2 Nén vùng sáng 14

1.3.3 Sửa lỗi gamma digital 16

1.3.4 Sửa mầu digital 16

1.3.5 Điều khiển lộ sáng 17

1.3.6 Hội tụ tự động 18

1.3.7 Mã hóa trong camera 18

1.4 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA CAMERA SỬ DỤNG CCD 19

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG 21

2.1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO 21

2.1.1 Khái niệm 21

2.1.2 Cấu tạo 25

2.2 ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG DIAFRAM 25

2.2.1 Một số phương pháp điều khiển động cơ dẫn động đóng - mở Diafram 25

2.2.2.Ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển ở trên 28

2.2.3 Chọn phương pháp điều khiển tự động Diafram 29

ii

3.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG TRẮC QUANG 30

3.1.1 Quang thông 30

3.1.2 Cường độ sáng 32

3.1.3 Độ trưng sáng và độ chói sáng 34

3.1.4 Độ rọi sáng 37

3.1.5 Định luật Lambert 38

3.2 TÍNH TOÁN HÀM ĐỘ RỌI CỦA ẢNH TRÊN CCD [1] 39

3.3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DIAFRAM 42

3.3.1 Các thông số cho trước 42

3.3.2 Thông số thiết kế 44

3.3.3 Thiết kế biên dạng của các lá chắn đóng - mở Diafram 45

Chương 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN 46

4.1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ 46

4.1.1 Một số khái niệm cơ bản 46

4.1.2 Chọn dạng, tính toán và thiết kế động cơ 65

4.2 CẢM BIẾN QUANG VÀ CHỌN CẢM BIẾN QUANG 73

4.2.1 Một số cảm biến quang thông dụng 73

4.2.2 Chọn cảm biến 88

4.3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ 89

4.3.1 Sơ đồ nguyên lý của A 709 89

4.3.2 Sơ đồ nguyên lý của A 741 92

4.3.3 Nguyên lý hoạt động của mạch điện điều khiển động cơ đóng – mở Diafram 94

4.4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN CƠ 96

4.4.1 Tính toán thiết kế các lá chắn của Diafram 96

4.4.2 Tính toán thiết kế trục động cơ 105

4.4.3 Tính toán bu-lông bậc chịu lực ngang [6] 108

4.4.4 Tính toán và chọn kích thước ổ lăn 109

KẾT LUẬN 113 PHỤ LỤC A TÀI LIỆU THAM KHẢO a

iii

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA

GHI HÌNH1.1 TỔNG QUÁT VỀ CAMERA

Diafram

Lens Lens

èng kÝnh

Bé läc quang T¸ch mÇu

Bé c¶m biÕn ¶nh tÝn hiÖu Xö lý §Þnh d¹ng d÷ liÖu §Çu radigital

Hầu hết các máy quay, dù là dùng phim nhựa hay dùng băng video, ống kính

là một trong những khối quan trọng nhất Trong máy quay phim nhựa, hình ảnhqua ống kính được ghi lên phim; trong máy quay video, hình ảnh được ghi lênbia ống ghi (hình 1-2) hay lên chíp CCD (hình 1-3), sau đó được đổi từ dạngquang thành tín hiệu điện

Ống kính, gồm nhiều thấu kính, tập trung ánh sáng rọi vào trên một mặt, gọi làmặt phẳng tiêu (focal plane) Bia ảnh (target) của ống ghi được đặt tại mặt phẳngtiêu và tiêu cự (focus length) là khoảng cách từ tâm quang của ống kính đến mặtphẳng tiêu

1

Chương 1 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HèNH

Mỏy quay video thường được lắp ống kớnh zoom, đõy là loại ống kớnh mà tiờu

cự tỏc dụng của nú cú thể thay đổi trong một phạm vi Tỷ số 6:1 cú thể thực hiệntiờu cự từ 11 đến 66mm

1.1.1.2 Cỏc kớnh lọc (filter)

Như đối với mỏy quay phim nhựa, mỏy quay video cũng dựng cỏc kớnh lọc.Hầu hết cỏc mỏy quay đều sử dụng kớnh lọc hiệu chỉnh nhiệt độ màu sẵn cú đểđổi màu ỏnh sỏng trong nhà/ngoài trời Ngoài kớnh lọc này, mỏy quay video cũndựng cỏc kớnh lọc khỏc trờn đường ỏnh sỏng, nằm giữa thấu kớnh và ống ghi.Kớnh lọc này thường được ghộp với khúa điện định mức trắng để tạo độ tỏn tiờu(defocusing) chớnh xỏc từ hỡnh ảnh đưa vào

Khuyếch đại ghi

Bộ phát

ký tự

Motor trống từ

Điều khiển

hệ thống Tùy động

Motor trục kéo Motor

tải

Khối điều khiển (VCR) Nguồn hạ thế

V-SYNC H-SYNC

Khối kính ngắm (EVR)

Mạch lái tia Cao thế

Khuếch đại Phân chia

Trộn BURST

Chương 1 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HèNH

động

Khối hiệu ứng

Khối xử

lý Diafram

CDS/

AGC/

T

Mạch chuyển đổi A/D

Chíp CCD

và mạch cảm biến hình ảnh CCD

Truyền

động V

Mạch chuyển đổi D/A

Tín hiệu

độ chói Tín hiệu mầu

From-to VTR

Hình 1-3 Sơ đồ khối của máy quay video kỹ thuật số

Điều này cung cấp cho ống ghi ỏnh sỏng trắng dịu (soft) vốn là sự phối hợpcủa tất cả ỏnh sỏng và cỏc màu sắc đưa vào Lỳc đú mạch hiệu chỉnh (mạch địnhmức trắng) cú thể thiết lập một sự hũa trộn chớnh xỏc cỏc màu ĐỎ, LỤC vàDƯƠNG theo yờu cầu để cung cấp sự cõn bằng màu toàn thể cho cảnh quan

Tựy vào ống ghi, người ta sử dụng hai loại kớnh lọc căn bản Kớnh lọc loại bỏtia hồng ngoại (infrared cut filter) và kớnh lọc cho qua ỏnh sỏng thấp (low passfilter)

1.1.1.3 Ống ghi và chớp CCD (pick-up tube & CCD chip)

Ống ghi dựng trong camera màu gồm 4 loại căn bản: VIDICON,NEWVICON, SATICON, và TRINICON Trong cỏc camera đời mới, người tadựng chớp CCD (charge coupled device: linh kiện kết nối điện tớch) thay cho ốngghi

3

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

1.1.1.4 Mạch tiền khuyếch đại

Mạch tiền khuyếch đại là mạch khuyếch đại có tạp âm thấp, trở kháng ngả vàocao, nhận thông tin hình ảnh thô hiện lên bia của ống ghi và khuyếch đại chúngđến một mức dùng được để đưa vào mạch xử lý và mạch mã hóa màu

1.1.1.5 Mạch kích thích chíp CCD (CCD driver)

CCD là một chíp có tác dụng chuyển đổi ánh sáng đưa vào thành tín hiệu điện(gọi là “tín hiệu điện tích”) Mạch kích thích chíp CCD, còn gọi là mạch cảmbiến, dùng để tạo ra các loại xung định thời khác nhau kích thích khối CCDnhằm thực hiện việc tích điện và truyền sự hoạt động trong CCD Mạch còn xử

lý tín hiệu trước tín hiệu CCD ra, loại bỏ các thành phần nhiễu, chỉnh độ lợi tựđộng (AGC), chỉnh hệ số tương phản (gamma)

1.1.1.6 Mạch xử lý và mã hóa màu (process & encoding circuit)

Trong sơ đồ khối, mạch xử lý và mã hóa màu bao gồm nhiều mạch điện.Mạch xử lý tín hiệu độ chói, xử lý tín hiệu độ màu, mạch AGC, ALC (tự chỉnh

độ lợi, tự chỉnh ánh sáng), tạo tín hiệu NTSC, chỉnh cân bằng mức trắng, xử lý

âm thanh, và mạch cảm nhận tín hiệu hình phát lại ra

1.1.1.7 Nguồn cấp điện (power supply)

Trong camera dùng ống ghi (pick-up tube), người ta sử dụng 2 nguồn cấpđiện, nguồn cấp điện thế cao (HV, <2000V) cung cấp cho CRT ống ghi và cảCRT ống ngắm điện tử (EVF – electronic viewfinder), nếu có Trong hầu hết cáctrường hợp, nguồn điện thế cao này lấy từ phần quét ngang, khá giống máy thuhình tiêu chuẩn Nguồn điện thế thấp (LV) gồm có một hay nhiều nguồn ổn thế,lấy từ chuẩn 12VDC đưa vào camera, cấp điện cho các mạch khác nhau

4

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

Với camera dùng chíp CCD, không cần có điện cao cung cấp cho ống ghi, nênngười ta sử dụng nguồn DC 12V Nguồn 12VDC này được cho qua mạchchuyển đổi DC-DC, lấy ra các mức 3,5V; 5V; 8V; 9V; 15V cấp cho các mạchđiện

1.1.1.8 Mạch tạo xung đồng bộ (sync generator)

Do camera màu được vận hành từ điện DC và là nguồn phát tín hiệu hình(truyền tín hiệu TV), chúng phải tự tạo cho mình độ ổn định, trang bị mạch phát

đa chức năng để cung cấp các tín hiệu hàng dọc, hàng ngang, chuẩn màu, xóađường hồi, và các mạch khác cần có để tạo ra tín hiệu hình NTSC ổn định.Thông thường mạch này được thực hiện trong một IC MOS chuyên dùng với sựđiều khiển của mạch dao động thạch anh

1.1.1.9 Kính ngắm (view finder)

Một số camera kiểu cũ, dùng kính ngắm quang học (optical viewfinder), loạinày nhìn thấy cảnh vật trong phạm vi của kính ngắm, không có sự kết nối vớiống kính Cải thiện hơn, người ta dùng kính ngắm xuyên ống kính (TTLviewfinder) Ảnh của đối tượng thu vào ống kính được lăng kính chia thành 2đường, một vào kính ngắm và một vào bia ảnh ống ghi

Hai loại trên là kiểu kính ngắm dạng quang, hiện nay ít dùng; mà hầu như tất

cả đều dùng kính ngắm điện tử (EVF – electronic viewfinder), loại này khôngnhững cho phép nhìn cảnh trí trung thực, mà còn được sử dụng như một minitor

để kiểm tra chất lượng hình ảnh vừa ghi

1.1.1.10 Các mạch điều khiển (control circuits)

Các mạch điều khiển có thể đơn giản như điều khiển GHI/TẠM DỪNG và

5

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

đầy đủ các chức năng điều khiển VCR từ xa Mở cảnh (fade in) và đóng cảnh(fade out), tiêu đề video (video title), chỉ thị thời gian hoạt động (elapsed time),đảo hình (reverse video), chỉ thị chế độ của hệ thống (system status), tăng/giảmAGC (AGC switching), và chỉnh nguồn sáng sau lưng (back light) là tất cả các ví

dụ về các đặc tính điều khiển sẵn có trên các máy quay khác nhau

1.1.2 Nguyên tắc hoạt động của camera

Như mắt người, khi camera thu một cảnh tự nhiên, nó phải đưa ảnh đó vàođúng tiêu cự Ngày nay, hầu hết camera đều sử dụng bộ cảm biến ghép điện tíchCCD Tín hiệu ánh sáng từ đối tượng quay sau khi đi qua hệ thấu kính, quaDiafram để điều chỉnh độ rọi được in lên mặt ghi hình trong các camera dùngống ghi hay in lên mặt mạch cảm ứng như các camera dùng CCD hoặc CMOS

để chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện sau đó ghi lên thiết bị nhớ

1.2 CẢM BIẾN TRONG CAMERA

Bộ cảm biến trong camera thực hiện hai nhiệm vụ:

-Biến đổi ảnh quang thành ảnh điện tử

-Quét ảnh điện tử và phân phối tín hiệu điện tử

Hiện nay hầu hết các camera hiện đại dùng các bộ cảm biến CCD

1.2.1 Thiết bị ghép điện tích (CCD)

CCD là một thiết bị gồm các mạch tích hợp thực hiện hai quá trình cảm thụảnh: lưu trữ và đọc ra (quét) CCD được thiết kế trên một mảng tế bào hai chiềugiống như các điểm ảnh Mỗi tế bào trong mảng CCD có hai chế độ

6

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

(1) Chế độ lưu trữ, ở chế độ này điện tử được nạp và tích tụ trong tế bàotương ứng với năng lượng ánh sáng tác động lên tế bào

(2) Chế độ chuyển, ở đây các điện tử được nạp trong tế bào có thể di chuyểnđến một tế bào gần kề, cả hàng ngang cũng như hàng dọc theo cấu trúc của tếbào Chế độ chuyển cả dòng tế bào, thậm chí cả mảng tế bào hai chiều, đượcthực hiện đồng thời để từng bước thực hiện chuyển nội dung nạp của các dòng,các hàng tế bào hoặc toàn bộ hình ảnh

Nói chung, các CCD gồm có hai mảng tế bào: một là vùng tạo ảnh, hai làvùng đọc được lớp che phủ ánh sáng ngăn cách Chế độ chuyển đạt được sửdụng để di chuyển ảnh điện tử từ vùng tạo ảnh sang vùng đọc (thường ở trongchu kỳ xóa dòng)

Trong thời gian tích cực của ảnh, vùng tạo ảnh được đặt trong chế độ lưu trữ,còn vùng đọc sử dụng chế độ chuyển đạt để chuyển phần ảnh được nạp tới cổngra

1.2.2 Cấu trúc CCD

CCD bao gồm ba cấu trúc cơ bản được sử dụng rộng rãi trong các camera hiệnđại Sự khác nhau giữa các cấu trúc CCD là cách thức bố trí vùng tạo ảnh, vùngđọc và cách thức chuyển đạt

7

Chương 1 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HèNH

1.2.2.1 Cấu trỳc chuyển khung (FT – Frame Transfer)

Chuyển trong khoảng thời gian dòng tích cực

Thanh ghi đọc

ra theo dòng

Lớp phủ che ánh sáng

Vùng tạo ảnh

Chuyển một dòng trong mỗi khoảng thời gian xóa dòng

Đầu ra video

Chuyển toàn

bộ dòng trong khoảng thời gian xóa mành

Hình 1-4 Cấu trúc chuyển khung CCD Vùng đọc

Hỡnh 1-4 là một cấu trỳc chuyển khung FT Vựng tạo ảnh được đặt trờn vựngđọc Vựng đọc được che khuất bởi một lớp phủ để khụng cho ỏnh sỏng tỏc độngvào

Chức năng lưu trữ được thực hiện ở vựng tạo ảnh trong khoảng thời gian tớchcực của ảnh Trong khoảng thời gian xúa mành, toàn bộ vựng lưu trữ đượcchuyển vào vựng đọc theo chiều dọc Cỏc tế bào của mỗi dũng được chuyểnxuống đồng thời một dũng và quỏ trỡnh này lặp lại cho mỗi dũng của ảnh Nếuảnh cú 480 dũng, sẽ cú 480 quỏ trỡnh truyền trong khoảng thời gian một mành

Trong khoảng thời gian xúa dũng, một dũng tại một thời điểm trong vựng đọcđược chuyển theo chiều dọc tới mảng đọc của một dũng ngang Cũn trongkhoảng thời gian dũng tớch cực, mảng ngang được khúa để chuyển cỏc điểm ảnhsang bờn phải đến đầu ra video

Do quỏ trỡnh tớch nạp trong vựng ảnh khụng thể dừng lại khi đang chuyển tớivựng đọc, hơn nữa, quỏ trỡnh chuyển này phải mất một lượng thời gian xỏc định

8

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

ảnh Trong camera CCD ứng dụng cấu trúc chuyển khung, hệ thống quang họccần đến một cơ cấu cơ học đặc biệt để loại bỏ hiệu ứng này

Trên thực tế, bộ tạo ảnh FT ít được sử dụng trong các camera ghi hình chấtlượng cao

1.2.2.2 Cấu trúc chuyển liên dòng (IT – Interline Transfer)

Hình 1.5 mô tả cấu trúc chuyển liên dòng IT Cấu trúc này được xây dựngtheo kiểu chèn mảng tạo ảnh và mảng đọc theo chiều ngang lần lượt trên cơ sởmột điểm ảnh, nhằm tạo ra chip có kích thước nhỏ hơn cấu trúc chuyển khung.Ảnh quang được tập trung trên toàn bộ vùng này

ChuyÓn toµn bé pixel tíi c¸c thanh ghi luu tr÷ trong Thanh ghi luu tr÷

§Çu ra video ChuyÓn trong kho¶ng

thêi gian dßng tÝch cùc

H×nh 1-5. CÊu tróc CCD chuyÓn liªn dßng

Các tế bào đọc được che khuất về phương diện quang học, ánh sáng từ ảnhchiếu đến các vùng này sẽ bị mất, vì vậy độ nhậy của chíp sẽ giảm xuống

Trong một số CCD cấu trúc chuyển liên dòng, một mảng vi thấu kính đượcđặt lên các tế bào và như vậy sẽ khôi phục được độ nhạy của chip Tất nhiên sửdụng vi thấu kính sẽ làm tăng giá thành của thiết bị, song đó là biện pháp kháhữu hiệu để nâng cao độ nhạy của chip CCD

9

Chương 1 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HèNH

Quỏ trỡnh lưu trữ trong cấu trỳc chuyển liờn dũng xẩy ra ở mọi thời điểm trừkhi chuyển dũng Quỏ trỡnh nạp vào cỏc tế bào được truyền theo hàng ngang tớimảng đọc Trong khoảng xúa dũng, mảng đọc được dịch xuống dưới một dũngcho mảng đọc ngang, mảng đọc sau đú sẽ bị khúa lại trong khoảng thời gian tớchcực của dũng để đưa đến đầu ra video

Cấu trỳc CCD chuyển liờn dũng thường khụng cần đến cơ cấu cơ học phức tạp

để loại bỏ “vết chuyển” Tuy nhiờn điều tương tự như trong CCD chuyển khungvới chỗ sỏng nhất do sự che khuất quang học của cỏc tế bào đọc được chốnkhụng hoàn hảo Hiệu ứng này cú thể gõy nờn những đường dọc xuất hiện ởvựng sỏng nhất của ảnh

1.2.2.3 Cấu trỳc chuyển liờn dũng – khung (FIT – Frame Interline

Transfer)

Hỡnh 1.6 mụ tả cấu trỳc FIT, kết hợp cỏc đặc điểm của hai cấu trỳc FT và IT.Trong thời gian xúa mành, toàn bộ ảnh được chuyển tới cỏc thanh ghi đó đượcchốn, sau đú được chuyển tiếp xuống mảng đọc Trong thời gian tớch cực củaảnh, quỏ trỡnh đọc xẩy ra giống như trong cấu trỳc FT

Thanh ghi luu trữ

Vùng tạo ảnh

Lớp phủ che

ánh sáng Vùng đọc

Thanh ghi đọc ra theo dòng

Chuyển trong khoảng thời gian dòng tích cực

Đầu ra video

Chuyển một dòng trong mỗi khoảng thời gian xóa dòng

Chuyển toàn bộ dòng trong khoảng thời gian xóa dòng

Chuyển toàn bộ pixel tới các thanh ghi luu trữ trong

10

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

Do toàn bộ quá trình chuyển của mảng tạo ảnh xẩy ra với khoảng thời gian rất

bé (khoảng thời gian xóa mành) và ngay trong các thanh ghi bị che quang, nênkhông cần thiết phải có cơ cấu để loại bỏ “vết chuyển” và cũng không xẩy ra vấn

đề gì đối với vùng sáng nhất Có thể nói đây là cấu trúc thích hợp nhất cho cáccamera chuyên dùng

1.2.3 Quét cách dòng trong CCD

Với ba cấu trúc nêu trên, có thể nói đó là quá trình quét liên tiếp của CCD.Tất nhiên, nếu CCD có một dòng tế bào cho mọi dòng của ảnh được quét cáchdòng và mặc nhiên trong cấu trúc FIT có thể bị khóa để chỉ chuyển các dòng lẻhay các dòng chẵn tới các thanh ghi chuyển theo chiều dọc, kết quả là sẽ tạo nênquét cách dòng ở đầu ra video Điều này làm tăng độ nhạy của chip CCD vàmảng đọc chỉ cần phải lưu giữ một nửa trên tổng số dòng

Nhược điểm của phương pháp này là có thể gây ra chồng phổ mành biểu hiệndưới dạng các biên dòng nhọn, nên cần phải có các bộ lọc quang để hạn chế nó

Ngoài ra, có thể thực hiện liên tiếp với chu kỳ mành và xử lý số tín hiệu thànhcấu trúc quét cách dòng Ở đây có hai phương thức thực hiện: một là loại bỏ cácdòng lẻ (hoặc chẵn) ở đầu ra của CCD và mở rộng những dòng còn lại theo tiêuchuẩn Phương pháp này khá đơn giản, song nó lại loại bỏ một nửa tín hiệu, làmsuy giảm tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR (Signal-to-Noise Ratio)

Phương pháp thứ hai là lưu trữ bằng kỹ thuật số hai dòng từ CCD và kết hợphai dòng kề nhau để tạo ra tín hiệu quét cách dòng Phương pháp này không gâytổn hao SNR và khắc phục được vấn đề chồng phổ song trong một chừng mựcnào đó lại gây nên sự suy giảm độ phân giải mành

11

Chương 1 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HèNH

Núi chung cả hai phương phỏp quột trong CCD đều yờu cầu thanh ghi dũngcủa CCD phải cú tốc độ gấp đụi so với phương phỏp quột dũng trực tiếp

1.2.4 Cấu trỳc của camera CCD đơn

R G B R G B

Video tổng hợp Video mầu đỏ Video mầu lục Video mầu lam

Sọc mầu

Tế bào CCD

Hình 1-7 Camera CCD đơna) bố trí không gian CCD; b) các tín hiệu video

Trong cỏc camera chuyờn dựng, tương ứng với ba mầu cơ bản RGB sử dụng

ba CCD Cơ cấu camera RGB này đảm bảo tỏi tạo ảnh với chất lượng cao nhấttrong hệ thống chuyờn nghiệp, song lại quỏ đắt đối với thị trường camera dõndụng Cỏc camera một CCD hay cũn gọi camera CCD đơn được phỏt triển nhằmđỏp ứng nhu cầu thị trường dõn dụng (hỡnh 1-7)

Một bộ lọc quang mầu được đặt trờn cỏc tế bào của CCD Trong quỏ trỡnh xử

lý tớn hiệu, ba thành phần mầu RGB đạt được bằng cỏch lấy mẫu tớn hiệu videotại ba pha như đó chỉ ra trờn hỡnh 1-7 Phần cũn lại của quỏ trỡnh xử lý tớn hiệutương tự như đó nờu trong cỏc loại camera cú ba CCD

1.2.5 Tỷ số tớn hiệu trờn tạp õm (SNR) của CCD

Núi chung tạp õm xuất hiện trong bộ tạo ảnh CCD là do tạp õm quang điện tử(hiệu ứng chụp ảnh điện tử) Cỏc chỉ tiờu SNR của một CCD phụ thuộc vào kớch

12

Chương 1 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HèNH

thước của điểm ảnh Điểm ảnh lớn cho phộp thu nhận được nhiều ỏnh sỏng củaảnh quang làm tăng SNR, tuy nhiờn điểm ảnh lớn, kớch thước chip CCD tăng, bộphận quang – cơ vỡ thế cú thể tăng lớn làm tăng giỏ thành camera

1.3 XỬ Lí TÍN HIỆU TRONG CAMERA SỐ

Hình 1-9. Sơ đồ khối tổng quát của quá trình

xử lý tín hiệu đối với camera số

cân bằng trắng

nén độ sáng cao

hiệu chỉnh mầu

nâng cao chất lựơng

nén độ sáng cao

nén độ sáng cao

cân bằng trắng

cân bằng trắng

Bộ tạo xung đồng hồ

xử lý phi tuyến nào trong miền tương tự cũng nờn trỏnh, nhằm đảm bảo tớnh ổnđịnh của hệ thống (hỡnh 1.9)

1.3.1 ADC

Bất kỳ một quỏ trỡnh ADC nào cũng đều thực hiện theo bốn bước đú là lấymẫu, nhớ mẫu, lượng tử húa và mó húa

13

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

Cấu trúc điểm ảnh của CCD được thực hiện ngay trong giai đoạn lấy mẫu theothời gian và tín hiệu video được truyền nhịp nhàng từ giá trị điểm ảnh này đếngiá trị điểm ảnh tiếp theo Quá trình lấy mẫu các giá trị điểm ảnh như thế này cóthể được biểu diễn tương tự trên hình 1.7 và các thành phần RGB được lấy từmột CCD đơn Quá trình lượng tử hóa sẽ tạo nên các thành phần tạp âm củachính nó, để tạp âm lượng tử không làm suy giảm SNR của camera, SNR củaquá trình lượng tử hóa phải được thiết lập ở mức lớn 6dB được xác định theocông thức:

SNR = 6,02N + 10,8 + 15,6 + 6[dB] (1.3)Trong đó thành phần 15,6 dB là mức bảo vệ vùng sáng Trên cơ sở nàyITU.Rec.BT 601 đã đưa ra khuyến nghị chọn lượng tử hóa 10 bit đối với cáccamera số

1.3.2 Nén vùng sáng

Dải động của CCD là tỷ số tín hiệu đầu ra cao nhất có thể có của CCD vớimức tạp âm của nó Thông thường, mức tín hiệu tối đa (đỉnh trắng) được thiếtlập chủ yếu dưới điểm bão hòa của bản thân CCD, trừ lại điểm cuối của đỉnh đểbáo vệ vùng sáng nhất của CCD nhằm tránh sự bão hòa gây ra những hiệu ứngxấu cho quá trình xử lý tín hiệu tiếp theo

Trong các camera chuyên dụng, mức bảo vệ vùng sáng trên đỉnh mức trắng là600% tươn ứng với 15,6 dB của dải động Quá trình xử lý tín hiệu trong camera

sẽ nén bất cứ vùng sáng nào đi vào vùng bảo vệ theo một thuật toán phù hợp vớimục đích sử dụng của camera Thông thường dải động của các loại CCD có thểđạt 80 dB, còn SNR đối với camera cỡ 60 dB

14

Chương 1 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HèNH

600%

100%

max min

Mức cực đại hệ thống

có thể xử lý

Vùng

điều chỉnh nén độ sáng cao

Cú thể thực hiện nộn vựng sỏng trước chuỗi tớn hiệu để toàn bộ quỏ trỡnh xử

lý cỏc vựng sỏng này Tuy nhiờn, nú phải thực hiện tại điểm mà cỏc tớn hiệu đócõn bằng về mầu và mức đó được chuẩn húa Trờn hỡnh 1-9, cỏc mạch cõn bằngtrắng phải được đặt vào trước khối nộn độ sỏng cao Cõn bằng trắng được thựchiện bằng cỏch nhõn tớn hiệu với cỏc hằng số được xỏc định tại thời điểm lấy cõnbằng trắng Điều này thường được trợ giỳp của một bảng tra cứu, bao gồm một

bộ nhớ RAM lưu trữ giỏ trị đầu ra cho mọi giỏ trị đầu vào Tớn hiệu đầu vàođược đưa vào bộ nhớ của bảng tra cứu và giỏ trị phự hợp sẽ được đọc phự hợpvới yờu cầu của đầu ra

Với 12 bit/mẫu, bộ nhớ của bảng tra cứu cú thể lưu trữ được 4096 giỏ trị 12 bitcho mỗi kờnh R, G, B Trong tiến trỡnh cõn bằng trắng, CPU của hệ thống sẽ xỏc

15

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

định các điểm cho giá trị tăng ích và lặp lại cho đến khi sự cân bằng trắng đượcthực hiện

Có thể thực hiện cả quá trình cân bằng trắng và nén vùng sáng trên cùng mộtbảng tra cứu, điều này có nghĩa là máy tính phải xác định các giá trị phối hợpriêng khi các chức năng được điều chỉnh

Phương pháp sử dụng bảng tra cứu trong bộ nhớ RAM cũng thường được sửdụng để sửa đổi đặc tính truyền đạt của nén vùng sáng

1.3.3 Sửa lỗi gamma digital

Nói chung, đặc tính truyền đạt về biên độ video của CCD là tuyến tính trênhầu hết dải động của nó Tuy nhiên như đã biết, thiết bị hiển thị tiêu biểu (CRT)lại có cường độ là một hàm phi tuyến, ngược với hàm của tín hiệu

Hầu hết các bộ cảm biến trong camera, vì vậy thường được lắp đặt hệ thốngsửa méo gamma để đưa vào tín hiệu có đặc tuyến biên độ cần thiết Trong quátrình xử lý số nếu sử dụng RAM như đã nêu trên có thể gây ra lỗi gamma

Việc điều chỉnh các đặc tính méo gamma có thể được thực hiện bằng cáchthay đổi giá trị lưu trong bộ nhớ Một camera có điều chỉnh lỗi gamma thường có

bộ nhớ sửa lỗi có thể ghi được và có thể nạp lại bộ nhớ từ phần lưu trữ thườngtrực khác hoặc từ các giá trị đã được tính toán

1.3.4 Sửa mầu digital

Sửa mầu thực hiện hai nhiệm vụ:

-Thứ nhất, thực hiện che để chỉnh sự đo mầu của camera đạt đến tiêu chuẩn

16

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

-Thứ hai, thực hiện một số điều chỉnh mầu khác sao cho phù hợp với mục đíchnghệ thuật

Nhiều camera chỉ sử dụng sửa mầu đối với phép đo mầu, mà không cung cấpphương tiện cho việc hiệu chỉnh khác

Nói chung, máy tính thường được ứng dụng để thực thi việc sửa mầu số Điềuchỉnh quy trình sửa mầu trong hệ thống RGB có thể ảnh hưởng đến cân bằngmầu vì thế máy tính là một nhân tố không thể thiếu được nhằm tính toán mộtcách nhanh chóng sự thay đổi các hệ số để duy trì cân bằng

1.3.5 Điều khiển lộ sáng

Điều khiển lộ sáng một camera video bao gồm hoạt động của màng ngăn thấukính, các bánh xe của bộ lọc mật độ trung bình, và, ở mức độ ánh sáng thấp, độtăng ích của video tăng Tăng độ tăng ích của camera sẽ kéo theo sự suy giảmSNR, vì vậy việc này thường chỉ được sử dụng ở mức ánh sáng thấp với màngngăn đã được mở rộng và tất cả các bộ loc đều được đưa ra khỏi đường dẫnquang Do có sự suy giảm SNR ở độ tăng ích cao, rất nhiều camera cũng sẽ giảm

sự tăng cường ảnh, hoặc thậm chí là không tăng cường ở những điều kiện này

Các chức năng lộ sáng được điều chỉnh để duy trì mức đầu ra riêng của video

từ camera Việc này có thể thao tác bằng tay hoặc thao tác tự động Trong trườnghợp thao tác tự động, mức tín hiệu video được cảm thụ trong chuỗi xử lý tín hiệu

và một CPU trong camera sẽ quyết định cần phải điều chỉnh cái gì Các thuậttóan khác nhau được sử dụng cho mục đích này, chủ yếu là để đạt được đặctuyến tốt ở những điều kiện mà mức ánh sáng có thể thay đổi nhanh chóng, hoặccamera được điều chỉnh để quay từ vùng sáng nhất đến vùng tối hay ngược lại.Bởi vì, ngay thậm chí những thuật toán tốt nhất thực hiện tự động cũng chưa

17

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

phải là tối ưu, cho nên hầu hết các camera đều có khả năng tắt phần điều khiển lộsáng tự động

Điều khiển lộ sáng tự động là một đặc điểm rất quan trọng đối với các cameradân dụng, tuy nhiên, lại không quan trọng đối với những sản phẩm khác Đối vớicác thao tác trong phòng thu chuyên nghiệp, tại đó việc chiếu sáng đã được kiểmsoát, điều khiển lộ sáng tự động hầu như không được sử dụng

1.3.6 Hội tụ tự động

Các camera dân dụng thường có khả năng hội tụ tự động, nghĩa là có thể điềukhiển một vùng trên cảnh và điều chỉnh thấu kính để giữ cho vùng này có độ nétnhất Sự cảm nhận tiêu cự chủ yếu dựa vào quá trình tìm kiếm chi tiết tần số caotrong vùng đang được điều khiển và thành phần này sẽ tối ưu hóa khi hình ảnhđạt mức độ rõ nét nhất

Tồn tại một số giới hạn đối với bộ phận cảm nhận năng lượng tần số cao cho

cơ cấu hội tụ tự động vì cảnh không phải lúc nào cũng có số mức năng lượng đủ

để thực hiện các thao tác hội tụ tự động Trong trường hợp này, cơ cấu hội tụ tựđộng sẽ quay ngược lại và sẽ không ổn định Điều này cần được lưu ý khi thiết

kế và tính toán hệ thống điều chỉnh tiêu cự

1.3.7 Mã hóa trong camera

Phần mã hóa của camera làm nhiệm vụ chuyển đổi định dạng tín hiệu trongcamera thành định dạng tín hiệu ngoài của hệ thống sử dụng nó hoặc chuyển đổiđịnh dạng trong thành định dạng của máy ghi hình nối với camera Hiện đangtồn tại nhiều camera sử dụng hệ thống tín hiệu video tổng hợp analog NTSC hayPAL, nên các thiết bị mã hóa của chúng chuyển đổi các tín hiệu số của camera

18

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

thành tín hiệu video tổng hợp tiêu chuẩn Trong các trường hợp khác, quá trình

mã hóa thường là số để cung cấp cho mạch truyền dẫn hay thiết bị ghi hình số

1.4 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA CAMERA SỬ DỤNG CCD

CCD có ưu điểm về khả năng dễ dàng vận hành thiết bị Cấu trúc nhỏ gọn chophép CCD lắp trong các camera lưu động, giảm bớt khối lượng thiết bị Ngoài

ra, CCD còn có ưu điểm về tiết kiệm năng lượng, không chịu ảnh hưởng bởirung cơ học vốn có ở các thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện

Với các camera dùng 3 chíp CCD cho chất lượng hình ảnh khá cao Tuynhiên, với 3 chíp CCD và nhiều phụ kiện kèm theo, máy trở nên cồng kềnh vàrất đắt

Với camera chíp đơn thì trái lại, kết hợp nhiều thành tựu tiên tiến của khoahọc và kỹ thuật, nên gọn nhẹ, giá thành thấp, phù hợp với người tiêu dùng nênngày càng được phổ biến

Bảng 1-1 đưa ra các đặc tính kỹ thuật điển hình đối với các loại camera hiệnnay

Bảng 1-1.Đặc tính kỹ thuật của camera màu

Danh mục

Loại cameraDân dụng Bán chuyên

19

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

20

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ

ĐỘNG2.1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO

Vòng chắn tham gia trực tiếp vào quá trình tạo ảnh, tăng hoặc giảm lượngquang thông của chùm sáng từ vật vào hệ quang, tăng độ đậm nhạt và độ rõ nétcủa hình ảnh tạo nên, giới hạn phạm vi vật được tạo ảnh, giảm quang sai, tăngkhả năng phân giải…

d)

c)

e)

H×nh 2-1 Mét sè lo¹i h×nh d¹ng vßng ch¾n trong hÖ quang

Hình 2-1 mô tả các hình dáng chủ yếu của vòng chắn

21

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

2.1.1.2 Vòng chắn sáng

P

TK

P'

Vòng chắn sáng giới hạn chùm sáng được tạo ảnh Lượng quang thông qua hệquang để tạo ảnh nhiều hay ít là do độ lớn vòng chắn sáng quyết định

Ta biết, vật bao gồm nhiều điểm sáng, mỗi điểm sáng đó phát xạ ánh sángtheo nhiều phương khác nhau, song chỉ một phần của chùm sáng đó qua hệquang tham gia tạo ảnh Chùm sáng này được giới hạn bởi góc khối omega kể từvật bao quanh đường kính thấu kính Các tia sáng nằm ngoài thấu kính này sẽkhông qua thấu kính để tạo ảnh (hình 2-2)

P

P'

TK V





V V

H×nh 2-3 C¸c lo¹i vßng ch¾n trong hÖ quang

22

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

Ngoài ra còn có các vòng chắn khác, nằm trước và sau thấu kính Nếu cácvòng chắn này trực tiếp giới hạn chùm sáng từ vật (P) tạo ảnh (P’) thì nó là vòngchắn sáng chứ không phải giá đỡ thấu kính làm nhiệm vụ của vòng chắn sángnữa

Trên hình 2-3, P’ là ảnh của điểm P, được tạo thành qua hệ quang gồm thấukính có giá đỡ Vvk và vòng chắn V nằm phía trước thấu kính Ở đây, vòng chắn

V là vòng chắn sáng, các tia sáng đi qua nó sẽ tạo ảnh P’ Giá đỡ Vvk không phải

là vòng chắn sáng do ánh sáng ở mép ngoài có thể qua được thấu kính nhưng đã

bị vòng chắn V chặn lại

Khi tạo ảnh vòng chắn sáng từ V từ trái sang phải, qua thấu kính sẽ được ảnhvòng chắn sáng V’, V’ được gọi là Pupin ra Pupin ra giới hạn góc khối củachùm sáng phía sau thấu kính mà trong góc khối đó, chùm sáng tạo ảnh P’

Nếu coi vật điểm nằm trên quang trục, gọi u là góc mở vật, u’ là góc mở ảnh;khi đó mối quan hệ giữa góc mở vật với quang thông đi qua Pupin vào xác địnhtheo biểu thức:

2 sin

   (2.1)Trong đó: I – là cường độ sáng [Cd]

-là quang thông [Lm]

Khi trước Pv là môi trường có n 1, biểu thức (2.1) có dạng:

2 ( sin )

   (2.1’)Đại lượng A = n.sinu (2.2) được gọi là thủ độ số; n – là chiết suất

23

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

Khi vật điểm ở vô cùng, ta có:

K tiêu biểu và tỷ lệ tốc độ cường độ ánh sáng mà nó biểu thị với K/22 lấy tỷ lệbằng 1,0 Để cho phù hợp một thông số K được làm tròn

Bảng 2.1 Các điểm dừng K tiêu biểu

2.1.2 Cấu tạo

Cấu tạo chung của Diafram tự động đều có dạng cụ thể như đã trình bầy ởtrên Nó được dẫn động qua một motor mà motor này được điều khiển từ mạchđiện tử thông qua mức tín hiệu video được cảm thụ trong chuỗi xử lý tín hiệu

24

Chương 2 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

2.2 ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG DIAFRAM

Như ở phần 1.3.5 đề cập, trừ cỏc hệ thống thu chuyờn dụng (trong studio), cũnvới cỏc camera khỏc, điều khiển lộ sỏng là một đặc điểm rất quan trọng Dướiđõy ta sẽ xem xột một số phương phỏp điều khiển cựng với mụtơ dẫn độngDiafram của một số camera

2.2.1 Một số phương phỏp điều khiển động cơ dẫn động đúng - mở Diafram.

1 2

3

5 6

7 7

31

7 8

9 10

11

12 9

CCD Mẫu ghép san bằng

CDS AGC A/D Xử lý chói/mầu

Tín hiệu v/c

DSP

D/A

Xử lý tín hiệu số hội tụ tự động

Hall out (-)

Hall out (+)

Khuyếch đại tín hiệu Hall

Điểm thử

5V (mở) (đóng)

+ -

+ -

+ -

+ -

5V

Hình 2-4.Mạch điện điều khiển Diafram của máy quay video Panasonic

Trờn hỡnh 2-4, trước khi cấp cho mạch điều khiển Diafram, tớn hiệu được đổi

từ dạng tương tự sang dạng số (A/D) 6 bit và cỏc thành phần tần số cao của núđược bộ lọc dạng số tỏch ra Phạm vi tần số của bộ lọc số cú thể chuyển mạch(chuyển qua VH hay VL) tựy thuộc vào điều kiện của đối tượng và hội tụ

25

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

* Khi tín hiệu đầu vào không có thành phần tần số cao đủ rộng (như tìnhtrạng hội tụ kém,…), tín hiệu được chuyển qua bộ lọc tần số thấp (VL) dạng số

để cho qua các tín hiệu (dữ liệu)

* Khi thành phần tần số cao đủ rộng, tín hiệu được cho qua bộ lọc tần số cao(VH) để làm ổn định sự hoạt động

Để kích thích Diafram, mạch Diafram sử dụng xung PWM từ chân (31) IC306

xử lý tín hiệu chói/màu (Y/C) và tín hiệu từ IC330 chuyển đổi D/A để đưa vàochân (5) IC704 so thế Qua IC309 vi xử lý DSP và IC330 chuyển đổi D/A, bộnhớ EEPROM cung cấp tín hiệu phân cực PWM, vốn được lưu trữ trongEEPROM như là dữ liệu, bằng cách dùng tính cố định của biến trở điện tử(EVR)

Tùy thuộc vào cường độ sáng ở đầu vào mà độ rộng xung PWM tại chân (31)IC306 thay đổi

- Cường độ sáng quá yếu, chu kỳ cao của xung PWM ra sẽ dài

- Cường độ sáng quá mạnh, chu kỳ thấp của xung PWM ra sẽ dài

Khi chân (5) IC704 cao, điện thế ngả ra, chân (7) IC704 đưa vào transistor nàythông, mở dòng qua cuộn dây kích thích, chỉnh cấp thô (đóng hay mở) Diafram.Việc đóng mở Diafram làm phát sinh điện thế trên cuộn dây điều khiển, điện thếnày hồi tiếp về IC704, tạo tác động chỉnh từ từ (chỉnh cấp tinh) tầm hoạt độngcủa Diafram (sở dĩ như vậy là do, khi dòng điện cuộn dây kích thích chảy quanhiều, cửa điều sáng sẽ bị tổn hại do việc mở hay đóng cửa quá nhanh)

IC HALL trong mạch theo dõi tình trạng của cửa điều sáng, cấp cho hai mạchđiện (qua IC703 khuyếch đại thuật toán) Một vào chân (6) IC704 để điều chỉnh

26

Chương 2 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

sự di chuyển của của điều sỏng Một cấp cho chõn (9) IC702 (AF DSP) để thayđổi tốc độ motor cũng như chọn bộ lọc số

Trờn hỡnh 2-5, bốn Transistor làm việc cộng hưởng chung để tạo cõn bằng chonguồn điện đưa ra motor Cỏc Transistor Q1 và Q2 mắc nối tiếp nhau sẽ tạo cõnbằng với dũng điện ở phần cỏc Transistor Q3 và Q4 Nếu cõn bằng thỡ sẽ khụng

cú dũng ra motor để dẫn động bộ Diafram Nếu cú sự cộng hưởng từ nguồn sỏngvới sự cõn bằng chung, tựy thuộc vào độ rọi lớn hay bộ của vật cảnh lờn CCD,cỏc OP-AMP sẽ đưa ra dũng điện dương hay õm cấp cho motor để đúng – mởDiafram

Reference Control Bars switch

Hình 2-5 Mạch điện điều khiển Diafram

sử dụng động cơ điện một chiều

Motor được sử dụng như tải colector của Q1 được nối như khuyếch đại emitorchung, chuyển tiếp bazơ-emitor của nú nối song song với điện trở R2 và R4 đượcmắc nối tiếp với nguồn dương của OP-AMP

Khi tớn hiệu vào ở trạng thỏi tĩnh, OP-AMP tiờu thụ dũng điện tĩnh nhỏ (<1mA) Dũng điện của dõy nguồn dương chạy trong OP-AMP, qua R2 và R4 đến

27

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

mức hiệu số điện thế trên các cực của điện trở này không đủ để phân cực Q1 và

Q2 Do vậy, các Transistor bị khóa và không có dòng chảy qua motor

Ngược lại, khi có tín hiệu điều khiển, dòng điện ở các chân OP-AMP tăng lên(khoảng 20mA) Lúc này, điện áp trên các cực của R2 và R4 đủ để mở cácTransistor do vậy có dòng chảy qua motor

2.2.2 Ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển ở trên

Các mạch tự động điều chỉnh Diafram trên đây có ưu điểm là khẩu độ(aperture) Diafram được xác định theo thông số f-stop, là con số được lấy chuẩnQuốc tế trong kỹ nghệ phim ảnh Thông tin về độ lớn của khẩu độ được nhậnbiết ngay qua IC HALL thông qua thông số f-stop, ứng với mỗi thông số f-stopnày đã được mã hóa và lưu trong bộ nhớ EEPROM như là dữ liệu Từ đó, bộ vi

xử lý dễ dàng chọn các bộ lọc và thay đổi tốc độ của mô-tơ chỉnh nét (autofocus)

Tuy nhiên chúng cũng có nhược điểm: với sơ đồ mạch hình 2-4, Diafram gồmnhiều lá kim loại mỏng ghép với nhau nên hiện tượng kẹt giữa chúng thường xảy

ra trong qúa trình hoạt động Mặt khác, tín hiệu điều khiển động cơ (ở đây, động

cơ có dạng điện kế từ điện) theo độ rộng xung, và khi xung ở mức thấp, Diaframđược đóng lại do lực đàn hồi của lò xo nên không đảm bảo đóng mở chính xác.Với mạch điều khiển hình 2-5, tuy điều khiển đóng/mở Diafram theo tín hiệuđiện và tránh được hiện tượng kẹt giữa các lá kim loại; nhưng do động cơ (ở đây

là động cơ một chiều) điều khiển dẫn động đóng mở Diafram không quay toànvòng nên gây lãng phí điện năng không tải Mặt khác, quán tính của động cơ nàylớn nên thời gian trễ lớn khi động cơ đảo chiều quay cũng như mômen mở máylớn

28

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

2.2.3 Chọn phương pháp điều khiển tự động Diafram

độ rọi lớn hay bé hơn độ rọi yêu cầu, ngõ ra các bộ so áp sẽ có tín hiệu thuận haynghịch kích thích động cơ dẫn động đóng - mở Diafram Do động cơ dạng điện

kế từ điện có ưu điểm là tác động gần như tức thời khi có tín hiệu điều khiển doquán tính và mômen mở máy bé, tiêu thụ ít điện năng, tổn hao công suất bé; nên

ta chọn động cơ này để dẫn động đóng/mở Diafram

Tín hiệu điều khiển động cơ không phải qua các chuỗi xử lý tín hiệu số, mạchđiều khiển rất đơn giản gồm các linh kiện điện tử rời, nhưng điều khiển chínhxác và hiệu quả

29

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG

DIAFRAM3.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG TRẮC QUANG

Những đại lượng trắc quang là những đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năngphát sáng của nguồn sáng và mức độ sáng của mặt vật được chiếu sáng

Những sóng sáng đơn sắc có cùng năng thông nhưng có bước sóng khác nhau

sẽ gây nên những cảm giác sáng có cường độ khác nhau Với sóng sáng đơn sắc

có bước sóng m  0,55 m (xanh lục) gây nên cảm giác sáng có cường độ mạnh

30

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM

nhất Với những sóng sáng có   m hoặc   m, cường độ cảm giác sáng giảmrất nhanh Những sóng điện từ có bước sóng  0, 4 m (tử ngoại) và  0, 76 m(hồng ngoại) không gây ra cảm giác sáng

0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,20

0,40 0,60 0,80 1,00

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM

Quang thông d s của sóng sáng đơn sắc có bước sóng từ  đến  d truyềnqua mặt d  được xác định theo biểu thức:

Cường độ sáng I của nguồn sáng điểm S theo phương y là một đại lượng vật

lý có trị số bằng quang thông sóng sáng truyền đi trong một đơn vị góc khối theophương đó

32

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM

Góc khối nhìn mặt d  từ điểm S là phần không gian giới hạn trong mặt nón

có đỉnh tại S và có các đường sinh tựa trên chu vi của mặt d  Đơn vị đo củagóc khối là steradian (sr)

os r





 (3.9)Nói chung, cường độ sáng thay đổi theo phương phát sáng của nguồn sáng,nghĩa là: I I   , , với  và  là góc chỉ phương trong hệ tọa độ cầu Nếucường độ sáng theo mọi phương như nhau (I = const) thì nguồn sáng được gọi là

33

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM

Quang thông toàn phần do nguồn điểm đẳng hướng truyền đi trong toàn khônggian bằng:

Đơn vị đo cường độ sáng là candela (cd)

Candela là cường độ sáng phát ra từ một diện tích bằng 1/600.000 m2 của mộtvật bức xạ toàn phần theo phương vuông góc với diện tích này ở nhiệt độ đôngđặc của platin dưới áp suất 101.325 Pa

Theo (3.10), nguồn điểm đẳng hướng có cường độ 1 cd sẽ phát ra không gianbao quanh nó (ứng với góc khối 4 steradian) một quang thông toàn phần bằng

1 lm Như vậy, lumen là quang thông của một nguồn điểm đẳng hướng có cường

độ sáng 1 candela truyền đi trong góc khối 1 steradian

3.1.3 Độ trưng sáng và độ chói sáng

Nguồn sáng có kích thước xác định không thể bỏ qua so với khoảng cách từ

nó đến vị trí cần quan sát gọi là nguồn khối Khả năng phát sáng của một nguồnkhối phụ thuộc vào diện tích mặt phát sáng và phương phát sáng của nguồn đó

Vì thế nó được đặc trưng bằng hai đại lượng khác nhau: độ trưng sáng và độ chóisáng

3.1.3.1 Độ trưng sáng

Độ trưng sáng của một nguồn khối là đại lượng vật lý có trị số bằng quangthông toàn phần phát ra từ một đơn vị diện tích mặt ngoài của nguồn đó (theomọi phương) trong không gian Nếu d s là quang thông toàn phần phát ra từ

34

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM

phần tử diện tích ngoài d  của nguồn khối thì độ trưng sáng của phần tử diệntích d  sẽ bằng:

s

d R d





 (3.11)Đơn vị đo của độ trưng sáng là lumen trên mét vuông (lm/m2)

Lumen trên mét vuông là độ trưng sáng của một nguồn khối mà cứ một métvuông mặt ngoài của nó phát ra một quang thông toàn phần 1 lumen

3.1.3.2 Độ chói sáng

Độ chói sáng của một nguồn khối theo phương phát sáng y là một đại lượngvật lý có trị số bằng cường độ phát sáng do một đơn vị diện tích mặt ngoài củanguồn khối phát ra theo phương đó

Nếu d s là quang thông do phần tử diện tích vô cùng nhỏ d  của nguồn khốiphát ra trong góc khối d thì độ chói sáng của d  theo phương y sẽ bằng:

n

d  là hình chiếu của mặt d  trên mặt phẳng vuông góc với phương phát sáng

y, còn  là góc giữa phương y và pháp tuyến n của mặt d  (hình 3-3) Tương

tự, độ chói sáng cũng được dùng để đặc trưng cho mặt phản xạ ánh sáng truyềntới nó

Nói chung, độ chói sáng thay đổi theo phương phát sáng của nguồn sáng, tức

35

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM

chói sáng theo mọi phương đều bằng nhau (B = const) thì nguồn khối gọi lànguồn sáng Lambert Người ta chứng minh được rằng độ trưng sáng R và độchói sáng B của nguồn Lambert liên hệ với nhau bởi hệ thức:

Đơn vị đo của độ chói là nit (nt) hay candela trên mét vuông (cd/m2)

Nit hay candela trên mét vuông là độ chói sáng của một mặt phát sáng theophương vuông góc với nó, nếu theo phương này, cường độ sáng của một métvuông mặt phát sáng là 1 candela

Mắt có thể thấy được độ chói nhỏ nhất vào cỡ 10 nt 6 Dưới đây là bảng số liệu về

độ chói của một số mặt phát sáng:

36

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM





 (3.14)

Đối với phần tử diện tích d  được rọi sáng bởi nguồn sáng điểm S có cường

độ sáng I phát ra trong góc khối d chắn bởi diện tích d  (hình 3-2) thì theo(3.8) và (3.9), quang thông truyền tới diện tích d  sẽ bằng:

2

os r

I c

E  (3.16)

Vậy: độ rọi sáng trên mặt vật được rọi sáng bởi nguồn điểm có trị số tỷ lệthuận với cường độ sáng và cosin góc tới của chùm sáng truyền đến mặt vật và

tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ nguồn điểm đến mặt vật đó

Vì độ rọi sáng E và độ trưng sáng R có cùng thứ nguyên nên để phân biệt,người ta gọi đơn vị đo độ rọi sáng là lux (lx)

37