2.1.1. Khỏi niệm
2.1.1.1. Cỏc vũng chắn trong hệ quang
Vũng chắn là chi tiết quan trọng trong cỏc hệ quang. Số lượng, vị trớ, hỡnh dỏng và kớch thước của vũng chắn phụ thuộc vào chức năng của chỳng trong mỗi hệ quang. Chỳng là cỏc vũng chắn thực, bao gồm: cỏc giỏ đỡ thấu kớnh, giỏ đỡ cỏc bảng chỉ thị, giỏ đỡ cỏc bảng chỉ thị, giỏ đỡ cỏc phin lọc, giỏ đỡ cỏc lăng kớnh… hoặc cỏc vũng chắn đứng riờng trong hệ.
Vũng chắn tham gia trực tiếp vào quỏ trỡnh tạo ảnh, tăng hoặc giảm lượng quang thụng của chựm sỏng từ vật vào hệ quang, tăng độ đậm nhạt và độ rừ nột của hỡnh ảnh tạo nờn, giới hạn phạm vi vật được tạo ảnh, giảm quang sai, tăng khả năng phõn giải…
a) b)
d)
c)
e)
Hình 2-1. Một số loại hình dạng vòng chắn trong hệ quang
Chương 2 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG
2.1.1.2. Vũng chắn sỏng
P
TK
P'
Hình 2-2. Vòng chắn sáng giới hạn chùm sáng tham gia tạo ảnh
Vũng chắn sỏng giới hạn chựm sỏng được tạo ảnh. Lượng quang thụng qua hệ quang để tạo ảnh nhiều hay ớt là do độ lớn vũng chắn sỏng quyết định.
Ta biết, vật bao gồm nhiều điểm sỏng, mỗi điểm sỏng đú phỏt xạ ỏnh sỏng theo nhiều phương khỏc nhau, song chỉ một phần của chựm sỏng đú qua hệ quang tham gia tạo ảnh. Chựm sỏng này được giới hạn bởi gúc khối omega kể từ vật bao quanh đường kớnh thấu kớnh. Cỏc tia sỏng nằm ngoài thấu kớnh này sẽ khụng qua thấu kớnh để tạo ảnh (hỡnh 2-2).
P P' TK V ω V V
Hình 2-3. Các loại vòng chắn trong hệ quang
Chương 2 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG
Ngoài ra cũn cú cỏc vũng chắn khỏc, nằm trước và sau thấu kớnh. Nếu cỏc vũng chắn này trực tiếp giới hạn chựm sỏng từ vật (P) tạo ảnh (P’) thỡ nú là vũng chắn sỏng chứ khụng phải giỏ đỡ thấu kớnh làm nhiệm vụ của vũng chắn sỏng nữa.
Trờn hỡnh 2-3, P’ là ảnh của điểm P, được tạo thành qua hệ quang gồm thấu kớnh cú giỏ đỡ Vvk và vũng chắn V nằm phớa trước thấu kớnh. Ở đõy, vũng chắn V là vũng chắn sỏng, cỏc tia sỏng ði qua nú sẽ tạo ảnh P’. Giỏ ðỡ Vvk khụng phải là vũng chắn sỏng do ỏnh sỏng ở mộp ngoài cú thể qua được thấu kớnh nhưng đó bị vũng chắn V chặn lại.
Khi tạo ảnh vũng chắn sỏng từ V từ trỏi sang phải, qua thấu kớnh sẽ được ảnh vũng chắn sỏng V’, V’ được gọi là Pupin ra. Pupin ra giới hạn gúc khối của chựm sỏng phớa sau thấu kớnh mà trong gúc khối đú, chựm sỏng tạo ảnh P’.
Nếu coi vật điểm nằm trờn quang trục, gọi u là gúc mở vật, u’ là gúc mở ảnh; khi đú mối quan hệ giữa gúc mở vật với quang thụng đi qua Pupin vào xỏc định theo biểu thức: 2 . .sin I u φ= π (2.1) Trong đú: I – là cường độ sỏng [Cd]. φ-là quang thụng [Lm].
Khi trước Pv là mụi trường cú n ≠1, biểu thức (2.1) cú dạng: 2
. .( .sin )
I n u
φ = π (2.1’)
Đại lượng A = n.sinu (2.2) được gọi là thủ độ số; n – là chiết suất.
Chương 2 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG Khi vật điểm ở vụ cựng, ta cú: 2 ' 2 ' D tg u f = , hay: 2tgu' D f = (2.3) Đặt K D' f
= thỡ K được gọi là hệ số mở, trong cỏc camera K chớnh là thụng số
f-stop.
Do khả năng thu ỏnh sỏng phụ thuộc vào gúc mở, nờn nú thay đổi theo gúc vuụng ngược của thụng số K. Cỏc thụng số K thường chỉ cỏc điểm của gúc mở thấu kớnh (hoặc vừa mở). Một điểm mở K là tỷ lệ số K và biểu thị sự thay đổi cường độ ỏnh sỏng qua thấu kớnh theo tỷ lệ 2:1. Bảng 2.1 đưa ra cỏc điểm dừng K tiờu biểu và tỷ lệ tốc độ cường độ ỏnh sỏng mà nú biểu thị với K/22 lấy tỷ lệ bằng 1,0. Để cho phự hợp một thụng số K được làm trũn.
Bảng 2.1Cỏc điểm dừng K tiờu biểu
Số K 2,1 3,0 4,0 5,6 8 11 16 22
Tốc độ
đúng-mở 128 64 32 16 8 4 2 1
Tốc độ của thấu kớnh cú thể được xỏc định bằng khả năng phỏt ra thụng lượng chiếu sỏng trờn bề mặt ảnh. Tốc độ này là một hàm của gúc vuụng ngược của thụng số K (f-stop) và độc lập với tiờu cự. Vấn đề này khụng nằm trong phạm vi của đồ ỏn này nờn ta khụng đi sõu vào.
2.1.2. Cấu tạo
Cấu tạo chung của Diafram tự động đều cú dạng cụ thể như đó trỡnh bầy ở trờn. Nú được dẫn động qua một motor mà motor này được điều khiển từ mạch điện tử thụng qua mức tớn hiệu video được cảm thụ trong chuỗi xử lý tớn hiệu.
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), cũn với cỏc camera khỏc, điều khiển lộ sỏng là một đặc điểm rất quan trọng. Dưới đõy ta sẽ xem xột một số phương phỏp điều khiển cựng với mụtơ dẫn động Diafram của một số camera.
2.2.1. Một số phương phỏp điều khiển động cơ dẫn động đúng - mởDiafram. 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 AF DSP H A L L C uộ n kí ch Cuộn hãm Hall in (+) H al l i n (- ) DIAFRAM 5V 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 nú được 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.
Chương 2 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG
* Khi tớn hiệu đầu vào khụng cú thành phần tần số cao đủ rộng (như tỡnh trạng hội tụ kộm,…), tớn hiệu được chuyển qua bộ lọc tần số thấp (VL) dạng số để cho qua cỏc tớn hiệu (dữ liệu).
* Khi thành phần tần số cao đủ rộng, tớn hiệu được cho qua bộ lọc tần số cao (VH) để làm ổn định sự hoạt động.
Để kớch thớch Diafram, mạch Diafram sử dụng xung PWM từ chõn (31) IC306 xử lý tớn hiệu chúi/màu (Y/C) và tớn hiệu từ IC330 chuyển đổi D/A để đưa vào chõn (5) IC704 so thế. Qua IC309 vi xử lý DSP và IC330 chuyển đổi D/A, bộ nhớ EEPROM cung cấp tớn hiệu phõn cực PWM, vốn được lưu trữ trong EEPROM như là dữ liệu, bằng cỏch dựng tớnh cố định của biến trở điện tử (EVR).
Tựy thuộc vào cường độ sỏng ở đầu vào mà độ rộng xung PWM tại chõn (31) IC306 thay đổi.
- Cường độ sỏng quỏ yếu, chu kỳ cao của xung PWM ra sẽ dài. - Cường độ sỏng quỏ mạnh, chu kỳ thấp của xung PWM ra sẽ dài.
Khi chõn (5) IC704 cao, điện thế ngả ra, chõn (7) IC704 đưa vào transistor này thụng, mở dũng qua cuộn dõy kớch thớch, chỉnh cấp thụ (đúng hay mở) Diafram. Việc đúng mở Diafram làm phỏt sinh điện thế trờn cuộn dõy điều khiển, điện thế này hồi tiếp về IC704, tạo tỏc động chỉnh từ từ (chỉnh cấp tinh) tầm hoạt động của Diafram (sở dĩ như vậy là do, khi dũng điện cuộn dõy kớch thớch chảy qua nhiều, cửa điều sỏng sẽ bị tổn hại do việc mở hay đúng cửa quỏ nhanh).
IC HALL trong mạch theo dừi tỡnh trạng của cửa điều sỏng, cấp cho hai mạch điện (qua IC703 khuyếch đại thuật toỏn). Một vào chõn (6) IC704 để điều chỉnh
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 thay đổi tốc độ motor cũng như chọn bộ lọc số.
Trờn hỡnh 2-5, bốn Transistor làm việc cộng hưởng chung để tạo cõn bằng cho nguồn điện đưa ra motor. Cỏc Transistor Q1 và Q2 mắc nối tiếp nhau sẽ tạo cõn bằng 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 sỏng với 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 – mở Diafram. +6V +6V +6.5V Q1 Q2 Q3 Q4 R1 R6 R2 R3 R4 R7 +12V 0V OP-AMP R5 dc motor OP-AMP + - + - 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 emitor chung, chuyển tiếp bazơ-emitor của nú nối song song với điện trở R2 và R4 được mắc nối tiếp với nguồn dương của OP-AMP.
Khi tớn hiệu vào ở trạng thỏi tĩnh, OP-AMP tiờu thụ dũng điện tĩnh nhỏ (<1 mA). Dũng điện của dõy nguồn dương chạy trong OP-AMP, qua R2 và R4 đến
Chương 2 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG
mức hiệu số điện thế trờn cỏc cực của điện trở này khụng đủ để phõn cực Q1 và Q2. Do vậy, cỏc Transistor bị khúa và khụng cú dũng chảy qua motor.
Ngược lại, khi cú tớn hiệu điều khiển, dũng điện ở cỏc chõn OP-AMP tăng lờn (khoảng 20mA). Lỳc này, điện ỏp trờn cỏc cực của R2 và R4 đủ để mở cỏc Transistor do vậy cú dũng chảy qua motor.
2.2.2. Ưu nhược điểm của cỏc phương phỏp điều khiển ở trờn
Cỏc mạch tự động điều chỉnh Diafram trờn đõy cú ưu điểm là khẩu độ (aperture) Diafram được xỏc định theo thụng số f-stop, là con số được lấy chuẩn Quốc tế trong kỹ nghệ phim ảnh. Thụng tin về độ lớn của khẩu độ được nhận biết ngay qua IC HALL thụng qua thụng số f-stop, ứng với mỗi thụng số f-stop này đó được mó húa và lưu trong bộ nhớ EEPROM như là dữ liệu. Từ đú, bộ vi xử lý dễ dàng chọn cỏc bộ lọc và thay đổi tốc độ của mụ-tơ chỉnh nột (auto focus).
Tuy nhiờn chỳng cũng cú nhược điểm: với sơ đồ mạch hỡnh 2-4, Diafram gồm nhiều lỏ kim loại mỏng ghộp với nhau nờn hiện tượng kẹt giữa chỳng thường xảy ra trong qỳa trỡnh hoạt động. Mặt khỏc, tớn hiệu điều khiển động cơ (ở đõy, động cơ cú dạng điện kế từ điện) theo độ rộng xung, và khi xung ở mức thấp, Diafram được đúng lại do lực đàn hồi của lũ xo nờn khụng đảm bảo đúng mở chớnh xỏc.
Với mạch điều khiển hỡnh 2-5, tuy điều khiển đúng/mở Diafram theo tớn hiệu điện và trỏnh được hiện tượng kẹt giữa cỏc lỏ kim loại; nhưng do động cơ (ở đõy là động cơ một chiều) điều khiển dẫn động đúng mở Diafram khụng quay toàn vũng nờn gõy lóng phớ điện năng khụng tải. Mặt khỏc, quỏn tớnh của động cơ này lớn nờn thời gian trễ lớn khi động cơ đảo chiều quay cũng như mụmen mở mỏy lớn.
Chương 2 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG
2.2.3. Chọn phương phỏp điều khiển tự động Diafram
Diafram
Hình 2-6.Sơ đồ khối điều khiển tự động Diafram
Mạch điện điều khiển môtơ
So sánh điện áp Cảm biến quang ống kính Tín hiệu điện ánh sáng D ia fr am Môtơ Tín hiệu điện Tín hiệu điện ánh sáng Vật cảnh
Hỡnh 2-6 mụ tả sơ đồ khối của phương phỏp điều khiển Diafram tự động mà ta chọn, đõy là khối khộp kớn. Tựy thuộc vào độ rọi yờu cầu trờn CCD và độ rọi yờu cầu trờn ảnh – tương ứng với mức ngưỡng điện ỏp đặt vào cỏc bộ so ỏp, khi mức độ rọi lớn hay bộ hơn độ rọi yờu cầu, ngừ ra cỏc bộ so ỏp sẽ cú tớn hiệu thuận hay nghịch kớch thớch động cơ dẫn động đúng - mở Diafram. Do động cơ dạng điện kế từ điện cú ưu điểm là tỏc động gần như tức thời khi cú tớn hiệu điều khiển do quỏn tớnh và mụmen mở mỏy bộ, tiờu thụ ớt điện năng, tổn hao cụng suất bộ; nờn ta chọn động cơ này để dẫn động đúng/mở Diafram.
Tớn hiệu điều khiển động cơ khụng phải qua cỏc chuỗi xử lý tớn hiệu số, mạch điều khiển rất đơn giản gồm cỏc linh kiện điện tử rời, nhưng điều khiển chớnh xỏc và hiệu quả.
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 DIAFRAM
3.1. CÁC ĐẠI LƯỢNG TRẮC QUANG
Những đại lượng trắc quang là những đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng phỏt sỏng của nguồn sỏng và mức độ sỏng của mặt vật được chiếu sỏng.
3.1.1. Quang thụng
Gọi dφ là năng thụng của cỏc súng sỏng đơn sắc cú bước súng từ λ đến
d
λ+ λ truyền qua diện tớch d∑ thỡ tỷ số dφ λ/d là một hàm số phụ thuộc λ:
( ) d F d φ λ λ = (3.1) ( )
F λ gọi là hàm phõn bố năng lượng sỏng. Năng thụng súng cú đơn vị đo là
watt (W). Từ (3.1), ta cú:
( ).
dφ =F λ λd (3.2)
Do đú năng thụng của cỏc súng sỏng cú bước súng từ λ1 đến λ2 truyền qua diện tớch d∑ sẽ là: ( ) 2 1 . F d λ λ φ = ∫ λ λ (3.3)
Những súng sỏng đơn sắc cú cựng năng thụng nhưng cú bước súng khỏc nhau sẽ gõy nờn những cảm giỏc sỏng cú cường độ khỏc nhau. Với súng sỏng đơn sắc cú bước súng λm =0,55àm (xanh lục) gõy nờn cảm giỏc sỏng cú cường độ mạnh
Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM
nhất. Với những súng sỏng cú λ λ< m hoặc λ λ> m, cường độ cảm giỏc sỏng giảm
rất nhanh. Những súng điện từ cú bước súng λ<0, 4àm (tử ngoại) và λ >0, 76àm
(hồng ngoại) khụng gõy ra cảm giỏc sỏng.
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 ( )àm ( ) V λ λ Hình 3-1. Đặc tuyến phổ nhậy sáng
Nếu dφm là năng thụng của súng sỏng đơn sắc λm và dφ là năng thụng của
súng sỏng đơn sắc λgõy ra cảm giỏc sỏng cú cựng cường độ thỡ tỷ số dφm/dφ sẽ
là một hàm số phụ thuộc bước súng λ: ( ) m d V d φ λ φ = (3.4) ( )
V λ được gọi là hàm nhậy sỏng. Hỡnh 3-1 là đồ thị biểu diễn V( )λ phụ thuộc
vào λ, trong đú:
( )
V λ =1 ứng với bước súng λm =0,55àm.
Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM
( )
V λ <1 trong khoảng λ=0, 4àmữ0,76àm.
( )
V λ =0 khi λ<0, 40àm hoặc λ>0, 76àm.
Như vậy, để đặc trưng cho năng lượng của súng sỏng cả về mặt sinh lý (tỏc dụng gõy nờn cảm giỏc sỏng), ta phải đưa vào một đại lượng vật lý gọi là quang thụng.
Quang thụng dφs của súng sỏng đơn sắc cú bước súng từ λ đến λ+dλ truyền qua mặt d∑ được xỏc định theo biểu thức:
( ).
s
dφ =V λ φd (3.5)
Thay giỏ trị của dφ trong (3.2) vào (3.5), ta cú:
( ) ( ). .
s
dφ =V λ F λ λd (3.6)
Do đú quang thụng của mọi súng sỏng đơn sắc truyền qua mặt d∑ bằng:
( ) ( )
0
. .
s V F d
φ =∞∫ λ λ λ (3.7)
Vậy, quang thụng của cỏc súng sỏng truyền qua mặt d∑ là đại lượng cú trị số
bằng phần năng thụng súng sỏng gõy ra cảm giỏc sỏng truyền qua mặt d∑. Đơn vị đo của quang thụng là lumen (lm).
3.1.2. Cường độ sỏng
Cường độ sỏng I của nguồn sỏng điểm S theo phương y là một đại lượng vật lý cú trị số bằng quang thụng súng sỏng truyền đi trong một đơn vị gúc khối theo phương đú.
Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM
Gúc khối nhỡn mặt d∑ từ điểm S là phần khụng gian giới hạn trong mặt nún