基于摄像技术中滤光片不同切换方式的浅析

◎赵晓娟

一、引言

随着科学技术的发展，摄像或监控系统已经成为人们生活的重要组成部分。在摄影技术中经常使用滤光片进行滤光，典型的滤光片有光谱滤光片[1]、干涉滤光片[2]、偏振滤光片等。在不同的使用场合通常需要不同的滤光片，通过对滤光片进行切换可实现不同的滤光需求，例如，军用的白光成像侦察设备，需要对可见光工作模式与近红外工作模式进行切换，用于不同的战场环境，当战场能见度较好或需大视场搜索目标时，可见光工作模式下的白光成像侦察设备能够提供彩色逼真的战场实时图像，方便观察战场形势与搜索目标，当能见度较差如清晨黄昏时或需长焦跟踪目标时，近红外工作模式的白光成像组件可以超视距、透雾观察目标。再例如，安防摄像头，安防摄像头需要全天24 小时的摄像，必须能够自动适应白天和黑夜两种光线环境，通过在摄像头前端安装不同功能的滤光片，白天使用白天专用滤光片，晚上使用夜晚专用滤光片[3]，两种滤光片的切换需通过切换装置完成，因此如何设置滤光片的切换显得尤为重要。摄像领域的滤光片切换在国际专利法分类表里面分类号为G03B17/14，其分类号较为准确，一般只需在该分类号下进行检索能查阅到相关文献，本文将分别介绍滤光片的不同切换方式。

二、两种不同的滤光片切换方式

1.旋转驱动方式实现滤光片切换。

通常采用电磁驱动方式和马达螺杆方式两种方式实现，进而实现两个滤光片的旋转的切换，电磁驱动主要通过改变输入线圈的电流正负极，实现电磁场磁极方向的转换，进而实现滤光片的切换；马达螺杆方式，利用电机驱动蜗杆齿轮正反转，蜗杆齿轮带动助力齿轮以及滑片上的传动齿轮转动，实现位于滑片上的两个或多个滤光片的切换。

电磁驱动方式，如公开号为CN108873570A（公开日为2018.11.23）的专利申请提出了一种基于电磁驱动的可见光或近红外光切换机构，其包括底座、设于底座下部的滤光组件及设于底座上部的电磁驱动组件，滤光组件包括可见光滤光片、近红外滤光片、滤光片座和销钉，可见光滤光片和近红外滤光片相对于滤光片座中轴线对称布置，并嵌入滤光片座上，滤光片座通过销钉与底座连接，滤光片座可绕销钉旋转，从而实现可见光滤光片和近红外滤光片的快速切换，电磁驱动组件主要包括线圈座、摆杆和线圈，线圈座上套有线圈，摆杆两端均为圆柱凸台，其上端卡入线圈座中心位置，且可绕线圈座中心位置旋转，下端圆柱凸台卡入滤光片座上的矩形槽内，且可沿矩形槽移动，通过改变输入线圈的电流正负极，实现电磁场磁极方向的转换，进而实现滤光片的切换，将摆杆的旋转运动转化为滤光片座的旋转运动从而提高切换机构的稳定性与轻便性，见图1。

图1

马达螺杆方式， 如公开号为CN203535359A（公开日为2014.4.9）的专利申请提出一种摄像机滤光片切换器，其包括底座，底座上设有可在底座上来回滑动的滑片、驱动机构，滑片上固定设有第一滤光玻璃和第二滤光玻璃，第一滤光玻璃和第二滤光玻璃位于同一平面，滑片的外延沿周向设有传动齿轮，驱动机构包括电机、蜗杆齿轮以及助力齿轮，滑片上的传动齿轮与助力齿轮啮合，助力齿轮与蜗杆齿轮啮合，蜗杆齿轮的端部套设于电机的输出轴上，电机带动蜗杆齿轮旋转，蜗杆齿轮进而带动助力齿轮以及传动齿轮进行旋转，从而带动滑片上的第一滤光玻璃和第二滤光玻璃转动，实现第一滤光玻璃和第二滤光玻璃的切换，见图2。

图2

上述专利申请仅仅公开了两个滤光片切换的情况，对于多滤光片的旋转切换方式，如公开号为CN107544198 A（公开日为2018.1.5）的专利申请提出一种多功能转轮式切换模组，包括转轮、切换组件以及驱动装置，驱动装置，输出驱动力，切换组件，与驱动装置连接，在驱动装置的驱动力下旋转，转轮，与切换组件连接，在切换组件的带动下旋转，转轮上设置有多个用于安装镜片的安装孔，切换组件包括，电机同步齿轮、二阶齿轮以及转轮同步齿轮，电机同步齿轮与驱动装置的输出轴连接，转轮同步齿轮与转轮转轴连接，二阶齿轮分别与电机同步齿轮和转轮同步齿轮啮合，用于将电机同步齿轮的转动量传递至转轮同步齿轮，转轮在切换组件的带动下旋转，由于转轮上设置有多个用于安装镜片的安装孔，因此在转轮旋转的过程中，安装于安装孔的镜片随之旋转。该装置利用电机配合齿轮带动装有多个镜片的转轮转动实现多个镜片/滤光片的切换，结构简单，驱动精度较高，见图3。

图3

2.直线驱动方式实现滤光片切换。

对于直线驱动方式，通常也是采用电磁驱动方式和马达螺杆方式两种方式实现，进而实现两个滤光片的直线方向上的切换。

电磁驱动方式，如公开号为CN202735574U（公告日为2013.2.13）的专利申请提出了一种滤光片切换装置，包括一座体，座体内的一端设有一框片滑动区，框片滑动区开设有一光通孔，且座体内相邻于框片滑动区的另一端凹设有一容置部，一滑动框片，可移动地设置于座体的该框片滑动区，滑动框片设有一红外线截止片及一红外线穿透片，一电磁驱动单元，设置于座体的容置部，电磁驱动单元包含有一拨动件、一磁石、一轭铁、及一线圈，拨动件一端连接于滑动框片，拨动件另一端设有磁石，线圈绕设于轭铁，且由轭铁的两端分别对称弯折延伸有第一励磁部及第二励磁部，第一励磁部与第二励磁部分别具有一端面，两端面分别位于磁石的两侧，由此磁石受磁力作用后，通过改变输入线圈电流方向，使座体的光通孔可选择性地对应于滑动框片的红外线截止片及红外线穿透片的其中之一，见图4。该装置也是利用电磁驱动方式驱动，其能实现两个滤光片直线方向上的切换，与图1 的电磁驱动方式实现旋转驱动的区别在于，图4 是将两个滤光片安装到滑动框片，滑动框片是可滑动的设置在座体中，即是对滑动框片进行了限位，得到两个滤光片直线方向上的切换，而图1 中没有限位。

图4

马达螺杆方式， 如公开号为CN105467721 A（公开日为2016.4.6）的专利申请提出了一种滤光片日夜切换装置，包括底座、滤光片支架、第一滤光片与第二滤光片，底座上设有一贯通的窗口，第一、第二滤光片并列的安装在滤光片支架上，滤光片支架可相对底座滑动，以分别实现第一、第二滤光片与窗口的对正，还包括电机，电机的驱动轴上设有轴向延伸的螺旋状导轨以作为传动蜗杆，滤光片支架上设有倾斜的连接片以作为传动斜齿轮，连接片活动连接在相邻的两段导轨之间以形成蜗杆-斜齿轮传动机构，以使滤光片支架可随驱动轴的正反旋转而沿驱动轴的轴向往复移动，见图5。该装置也是利用马达螺杆方式驱动，能够实现两个滤光片直线方向上的驱动，与图2 的马达螺杆方式实现旋转驱动的区别在于，图2 中设置第一滤光玻璃和第二滤光玻璃的滑片是可转动的设置在底座上的，且与在滑片上设置的与电机齿轮结合啮合的传动齿轮是弧形的，因此图2 可实现旋转驱动两个滤光玻璃。

图5

上述专利申请仅公开了两个滤光片切换的情况，对于多滤光片的直线切换方式，如公开号为CN106444229A（公开日为2017.2.22）的专利申请提出一种多滤光片IR-CUT 切换器，包括固定座，固定座上设有若干个独立的凹槽，用于容纳切换器内的器件，固定座上设有下通光孔，步进电机上的主动齿轮与减速齿轮组的动力输入齿轮相啮合，减速齿轮组的动力输出齿轮与切换片相啮合，切换片上装有多片多种滤光片，固定座内设有导柱，切换片套设于导柱上，固定座的端部设有光电开关，盖板盖合在固定座上，与固定座形成腔体结构，盖板上设有上通光孔，上通光孔与下通光孔相对设置，且上通光孔和下通光孔与滤光片相对设置；控制器控制步进电机转动，步进电机通过主动齿轮带动减速齿轮组转动，减速齿轮组驱动切换片运动，实现滤光片的相互切换，当切换片运动完成返回到切换片的初始位置时，切换片上的相应位置将光电开关的感应部件遮挡住，使光电开关开路，控制器控制的回路断路，步进电机断电停止转动，切换片停止运动，其实际上也是利用马达螺杆方式驱动，具有控制精度高，承载滤光片数量多，驱动平稳的特点，见图6。

图6

三、结论

以上通过多件专利申请分析了基于摄像技术中滤光片切换方式，可利用电磁驱动方式/马达螺杆方式实现两个滤光片/多个滤光片的切换的旋转驱动/直线驱动。关于电磁驱动方式，马达螺杆方式，有各自的优点和缺点，电磁驱动方式的优点在于，其运用金属线圈通电产生磁力的方式，作为控制搭载两片滤光片及两永久磁铁的片体在特定空间内进行滑动、切换，装置的体积比较小，利于小型化相机的集成，但缺点在于需要持续的对于金属线圈通电而产生磁力，长时间的通电造成浪费电力的情况外，还会产生多余的热，这些热则会影响周围的电子装置运行；马达螺杆方式的优点在于驱动平稳，但缺点在于，其运用驱动马达作为切换的动力输出源，并配合电子电路的控制，使得搭载两片滤光片的片体在特定空间内进行滑动、切换，但此种方式因马达占据特定空间，装置的整体较大。本领域的技术人员可根据实际需求选择合适的驱动方式来实现滤光片的切换。