[科普中国]-帘幕式快门

帘幕式快门是由前帘与后帘组成，前帘从一边运行到另一边是打开快门进行曝光的过程，后帘从一边运行到另一边是关闭快门结束曝光的过程。

基本信息中文名称：帘幕式快门

定义：由位于焦面上两块不透光的幕帘(其中一块开有缝隙)组成，靠帘幕的移动控制曝光时间。

应用学科：测绘学（一级学科）；摄影测量与遥感学（二级学科）。

帘幕式快门的运用：帘幕式快门一般设置单反照相机上，帘幕式快门紧贴在焦点平面上，所以也称之为焦平面快门。

为了达到在不同的光线环境下都能够使感光材料准确曝光，照相机除了有光圈大小的调节以外，还可以调节照相机的快门速度来达到准确曝光的目的。这里说到的“快门速度”，更准确的说它是“快门开启时间”，比如快门开启时间是1秒或者1/60秒、1/500秒、1/8000秒等等。在较早的资料中把“快门开启时间”称之为“快门速度”，也或许是外文资料翻译成中文时出现的错误，所以多数人把“快门开启时间”叫做“快门速度”。

照相机的快门开启时间（即俗称的快门速度）是由前帘开启到后帘关闭的间隔时间来确定的，如果我们把照相机的快门速度设置在1/2秒，那么，当前帘运行开始时开始计时，1/2秒时间到时后帘即开始运行结束曝光。也就是说，前后帘运行间隔的时间就是我们设置的快门开启时间。

工作原理早期的帘幕快门是不透光的布帘做的，也叫做布帘快门，有弹簧卷轴带动布帘快门运行，快门布帘从开始运行到结束的运行速度比较慢，快门帘幕开始运行到运行结束的时间在1/60秒左右，所以很难实现短于1/1000秒的快门开启时间。

假设照相机的快门帘幕从一边走到另一边的运行时间是1/60秒，我们设置了照相机的快门开启时间1/125秒。当前帘运行到一半的时候，1/125秒时间到，后帘即开始运行，这时候是前帘与后帘保持焦平面二分之一的缝隙继续同时运行，当前帘运行到位停止运行时，后帘也已经到了二分之一的位置，后帘继续运行到快门完全关闭为止，完成1/125秒的曝光过程。同样的道理，如果我们设定的是1/1000秒的快门开启时间，那么，前帘在1/1000秒时间内仅仅运行了1/16，此时后帘就开始运行，这时，前帘与后帘之间只有一条焦平面长度1/16的极小缝隙扫过焦平面完成1/1000秒的曝光过程。对于135胶卷相机来说，扫过焦平面1/16的缝隙就是2.1875mm。

照相机的快门帘幕运行速度慢，对同步闪光有很大的限制，同步闪光快门开启时间只能选择大于或等于快门帘幕运行时间的快门开启时间进行同步闪光摄影，否则将不能同步闪光。1

发展随着科技的发展，多片组合重叠的钢片快门替代了原始的布帘快门，帘幕快门的运行速度提高了。由于焦平面的横向35 mm，纵向24 mm，后来又将横走式快门改成了纵走式快门，使快门运行的距离变短，运行时间进一步减短。

上面说到“钢片快门”并不一定是“钢片”制成，只要是坚挺有刚性的材料，包括塑料片的快门也称之为“钢片快门”。

之后，部分照相机已经应用非常坚韧轻薄的钛合金做快门帘幕，由于质地轻薄，所以运行速度要快得多。当钛合金片薄到一定程度是就可能卷曲变形，为了解决这个问题，工程师将钛合金片做成蜂巢状强加其坚挺的性能使得快门帘幕更加完善。其最短的快门时间可以做到1/8000秒。

现代的数码照相机，由于感光材料CCD的面积比原胶卷面积更小，再加上科技进一步的发展，所以快门开启时间又有了进一步的缩短。2

基于正时带的帘幕式快门设计与精度分析众所周知，由于航空摄影的目标照度范围宽，要获得高分辨率的航摄图像，必须要对其曝光量进行控制，以保证其在幅面内各点获得均匀的曝光量。因此，航摄快门不但要有较宽的曝光时间调节范围和较高的效率，还需要保证较高的曝光精度。由于所采用的CCD器件没有配置电子快门，因此需要设计焦平面机械快门来完成曝光功能。根据使用要求，焦面式快门可供选择的形式主要有帘幕式快门和钢片式快门。二者的曝光原理类似，都是通过结构在感光介质前产生通光狭缝使感光介质曝光，所不同的是材料和结构形式上的差异。帘幕式快门的曝光执行元件是开有狭缝的帘幕，其制作材料通常为金属薄片；而钢片式快门的曝光执行元件由若干片顺次交错的金属叶片拼接而成。钢片式快门的曝光元件相对复杂，与其相比，帘幕式快门具有更高的稳定性。帘幕式快门又分为单帘式和双帘式快门，两种快门的不同之处在于控制曝光时间的方式，单帘式快门通过控制狭缝速度控制曝光时间，而双帘式快门通过调节狭缝的宽度控制曝光时间。帘幕式快门主要通过带有矩形口的帘幕使快门曝光，曝光方式为线曝光。在曝光时，利用辊轴带动帘幕运动对幅面上各点依次曝光。

相比而言，单帘式快门结构更为简单，但是辊轴的稳速精度不容易达到，双帘式快门调节狭缝宽度相对容易，但结构相对复杂。由于快门要在达到曝光精度的前提下满足小型化和轻量化的需求，本文采用单帘式快门作为控制面阵CCD相机曝光量的器件。

快门的设计（1）快门组件的方案设计

针对CCD器件的结构尺寸，并考虑到焦平面处的空间尺寸约束，快门的设计空间和结构采用了帘幕环绕面阵CCD的形式，而快门组件则由快门机构和驱动机构组成。

单帘快门结构如图1所示，快门改变了传统的双辊轴结构，采用了四辊轴形式，快门帘幕具有连续柔性体的特点，并具有一定的抗拉能力，以便在张紧的过程中使曝光区域保持帘幕平整，因此快门帘幕材料的选取直接关系到快门的曝光性能。根据其运动形式和精度要求，选用正时带作为快门的帘幕，辊轴采用正时带轮。正时带具有运动精度高，并具有足够的抗拉强度和耐磨性。快门帘幕如图2所示，即用正时带传动的结构形式来完成快门的曝光功能。

（2）驱动组件的设计

快门的驱动机构主要由电机、离合器、齿轮传动副组成，图3为快门驱动机构的传动原理图，快门电机连续运转，当离合器断开时，无力矩输出，快门狭缝不动。当接到曝光指令时，离合器接通，电机动力通过齿轮副带动辊轴，从而带动帘幕运动使快门曝光。图4所示为快门组件的三维模型图。

设计后的快门在空间上得到了较大程度的优化，并较好地适应了面阵CCD器件和焦平面空间的结构尺寸。

快门的曝光精度分析（1）快门曝光精度的数学模型

为保证航拍图像的质量，需要快门的曝光精度高于0.1。由快门的曝光原理可知，影响快门曝光精度的因素为快门帘幕运动的速度精度和狭缝宽度的尺寸精度。对于单帘快门，狭缝宽度尺寸恒定，因此忽略其影响。

由上式可知，快门的曝光精度取决于狭缝稳速精度。影响稳速精度的因素主要是结构引起的传动精度和电机的稳速精度。

（2）结构传动误差的计算

在结构的各环节中，影响传动精度的因素主要是驱动组件齿轮的传动精度和正时带的多边形效应引入的速度误差。

计算结果显示，第二级齿轮啮合对误差略大于第一级齿轮啮合对，这是由于第二级齿轮为加速级；最后结果显示由齿轮结构传递误差引起的曝光精度的误差为5.83%。由于快门帘幕是由正时带制作而成，正时带在传动时会产生多边形效应影响运动精度。正时带完全与带轮进入啮合时，带的节线是以圆弧和折线交替连接的形式绕在带轮上的，形成多边形节线。因带节距P的周期性，分析一个节距内节线多边形形状与带轮齿形参数间的几何关系，并假设带是柔性体，带齿不弯曲，忽略带齿与轮齿的齿侧间隙。图5表明，由多边形效应引起的正时带速度误差为0.1%，由于它比机械结构产生的误差低一个数量级，因此不考虑其影响。

研究结论通过分析帘幕式快门的曝光原理，利用正时带传动精度高，运动平稳的特点，设计了正时带作为快门的帘幕，正时带轮作为辊轴的新型帘幕式快门。根据正时带传动时的啮合原理，结合快门传动系统和控制系统对快门的曝光精度进行了分析计算，结果显示，正时带的传动误差为0.1%，比结构传动误差低一个数量级，计算后的系统曝光精度为0.067。利用光电法对幅面各点的曝光时间进行了实验测量，结果显示，幅面上各点曝光精度为0.056，快门可实现宽目标照度范围航空摄影的曝光。3

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学