自动光圈直流控制电路设计

自动光圈控制电路设计

1. 引言

在工业监控系统等光电成像设备的光学镜头中，自动光圈被广泛用作调光方式。光圈是光学镜头的一个极其重要的参数，通常在光学镜头中设置自动光圈的目的是通过在目标亮度和背景变化较大的环境中改变光圈大小来控制进入镜头的光通量 [1]。大光圈，光通量高；小光圈，光通量低，从而使CCD图像表面获得适当的光照，避免产生晕像和烧坏靶面，确保CCD输出的视频信号清晰可靠，并防止屏幕闪烁和CCD饱和 [2]。

目前，自动光圈镜头的主要驱动和控制方法有视频控制和直流控制。视频控制的自动光圈接口使用三个引脚，包括电源、视频和接地。直流控制的自动光圈接口使用四个引脚，即阻尼正极con+、阻尼负极con‐、驱动正极DR+和驱动负极DR‐。本文设计并测试了一种用于自动光圈直流控制模式的直流控制电路。

2. 基本控制原理

自动光圈主要通过控制电路来控制电机旋转，从而调节光圈大小。该电机有两组线圈，一组为驱动线圈，另一组为阻尼线圈。根据外部环境的光照情况，利用视频信号的反馈，控制电路控制驱动线圈驱动电机正转和反转，从而使光圈叶片相应地扩大或缩小[3]。

当外部光照变强时，CCD的视频信号灰度值也随之增加。如果信号电压超过规定值，控制电路将产生相应的电压来控制镜头光圈并将其调小。相反，如果外部光照变弱，控制电路将调整光圈使其开大，以保持适当的光通量，从而使视频信号的灰度级保持在规定值。

阻尼线圈与电流传感器相连。当光圈快速变化时，阻尼线圈上的感应电动势较高。通过控制电路，可减小驱动电流，从而降低驱动光圈的转速，反之亦然。阻尼线圈在平滑光圈控制方面起到作用。

3. 设计方案

本文的电路设计目的是通过控制光圈大小来稳定CCD图像的亮度，从而获得最佳的图像质量。

根据图像处理的要求，如果图像亮度基本稳定，则图像灰度值会在某一范围内保持稳定[4]。然而，由于各种因素的影响，光圈调整后CCD接收到的光照常导致图像灰度值出现欠阻尼或过阻尼现象，无法使图像灰度值快速且稳定在某一范围内[5]。

在图2中，τ 表示收敛时间。

如果灰度值处于欠阻尼状态，显示图像将出现闪烁。如果灰度值处于过阻尼状态，光圈无法快速且完全打开。只有当灰度值处于临界阻尼状态时，图像的灰度值才能迅速收敛到期望值。τ 越小，图像的灰度收敛越快，图像的灰度稳定性也越快。

为了解决这一问题，由自动光圈和CCD构成了一阶闭环系统。该系统具有良好的收敛性能，能够使图像灰度快速收敛到一个固定的灰度期望值，然后稳定图像的亮度。设计方案如图3所示。

场景的反射光通过前置光学镜头、可变光圈和后置镜头，成像在CCD的靶面上。CCD将光信号转换为电信号，经过处理后输出视频信号。当外部环境光照增强时，CCD输出的视频信号幅度增大。通过将视频信号的反馈与参考电压进行比较，电路输出控制信号，驱动电路检测到该控制信号后驱动电机，从而减小光圈、镜头的光通量以及视频信号；反之亦然。当参考电压固定时，随着外部光照的变化，系统通过驱动镜头内的电机正转和反转，自动调节光圈，以达到调节像平面亮度的目的，从而确保图像清晰。

4. 电路设计

自动光圈直流控制电路的框图如图4所示。

该电路主要由灰度检测电路、放大电路、参考电压设置电路、误差放大单元、驱动电路和阻抗匹配电路组成。

场景中的反射光通过镜头光圈投射到CCD感光表面。CCD将光信号转换为电信号并进行处理，输出视频信号（Video）。输出视频幅度随外部光照变化。 显示了在无光照情况下，即低光照时的Video输出波形。 显示了在光照下，即高照度时视频的输出波形。可以看出，当光照较强时，视频幅度较大，反之亦然。

视频通过灰度检测电路。经过视频分离和平均检测后，检测到平均灰度级，如图7所示。

由于平均灰度信号的幅度较小，需要放大电路。放大倍数应根据参考电压来确定。如果放大倍数过大，容易使放大的平均灰度信号（IRIS‐in）变化超出参考电压（IRIS‐set）的控制范围，导致光圈失控。因此，IRIS‐in的范围必须在参考电压的可调范围内。 显示了放大的 IRIS‐in。

光圈设置的设定基于图9所示的电路。IRIS‐set的范围可通过R0、R1、R2和R3的参数进行设置。通过调节电位器R1，可以改变IRIS‐set的值，从而实现手动控制光圈的目的。

误差放大单元在系统的控制回路中起着关键作用。该电路的增益决定了闭环控制系统在稳定过程中的阻尼状态。误差量放大单元将检测到的放大灰度信号（IRIS输入）与设定的期望电压（光圈设置）进行比较，并输出一个误差量。当误差大于零时，输出信号V0控制驱动电路驱动电机反向旋转，从而减小光圈以及进入镜头的光通量。通过光学反馈，视频幅度降低，因此 IRIS输入也随之降低。当误差小于零时，V0控制电机正向旋转，从而增大光圈并增加进入镜头的光通量。通过光学反馈，视频幅度增加，进而使IRIS输入增加，直到IRIS输入等于光圈设置。

作为该单元中运算放大器的反馈电阻，Rf起到调节控制系统闭环阻尼的作用，并可将控制电路调节至临界阻尼状态。

在调节电机的光圈叶片时，阻尼线圈会感应出与电机转速相对应的电动势。此时，运算放大器的输入端通过两端的阻抗匹配电路进行反馈，从而调整驱动电流，进而调节电机的转速，使光圈叶片的开闭过程能够平稳进行，并实现对隔膜尺寸的平滑控制。

控制系统实时调节光圈的光圈大小以控制光通量，使图像的灰度值保持稳定，从而优化输出图像，实现自动光圈调节的目的。

5. 电路调试

本文采用CCTV LENS镜头，该镜头为自动光圈、手动对焦镜头。将镜头连接至设计的控制电路后，调试结果如下：

5.1. 手动光圈控制

当外部光照恒定时，仅调节电位器R1使光圈设置从零达到最大。此时，随着光圈设置的增加，光圈从完全关闭逐渐打开至完全打开，到达CCD靶面的光通量增加，CCD输出图像的亮度也随之增加。

图10显示光圈设置过小，光圈开度小，CCD的输出图像亮度不足，图像较暗，如图10 (a)、10 (b)、10 (c)、10 (d)所示。当调节光圈设置使光圈完全且临界打开时，CCD的输出图像清晰，质量最佳，如图10 (e)所示。继续增大光圈设置，CCD的输出图像亮度过高，图像画面效果不佳，如图10 (f)所示。

5.2. 自动光圈控制

对比同一场景，改变外部光照。测试结果如图11所示。图11 (a) 显示台灯关闭时的图像。图11 (b) 显示台灯开启时的图像。

可以看出，光圈能够根据不同的外部光照自动调整大小，从而避免在强光下丢失图像的灰度级，并确保输出最清晰的图像。

实验表明，该控制电路满足自动光圈控制的要求。

6. 总结

根据自动光圈控制原理，本文设计了一种自动光圈控制电路。该电路具有结构简单、成本低和可靠性高的特点。实验证明，该控制电路能在不同光照条件下自动调节光圈，保持镜头内适当的光通量，避免亮部灰度级丢失，并解决因光照强度变化引起的图像闪烁现象。自动光圈控制能很好地适应外部景物亮度的变化，使CCD获得最佳的图像效果。