机电一体化技术成就数码相机
作者：Kevin C.Craig 发表时间：2008-06-16
在设计中整合机械系统、电子设备、控制系统和软件的新颖构想
照片的确是把夏季绚丽明亮的色彩和绿色带给了我们，而且它们使你相信整个世界都是阳光灿烂的天地！但我们不再需要柯达彩色胶卷了，因为数字图像传感器（图1，）——所有数码相机的核心——已经取代了胶卷。该传感器是一个能把被拍照物体发出的光束转变成电子信号的组件。
捕捉瞬间的神奇性已经被技术改变，而且数码相机确实正在变成每个人日常生活的一部分！传感器、调节器、电子设备、新材料、微处理器、控制器与镜头、光圈和相机快门结合在一起——这就是机电一体化——使所有的一切变成了现实！
为了对数码相机有更多了解，我借助了两个信息来源。Marquette大学的一名机电一体化教授Mark Nagurka，也是一名摄影师，他给我提供了相关指导和帮助。而Ron White著的这本书《如何进行数字摄影工作》提供了一些摄影插图和说明，这是我迄今所见过的最好的插图和说明。
机电一体化技术是怎么成就数码相机的呢？现在，自动调焦技术使所有的照片不再模糊不清。常用的主动自动调焦系统有一个发射器和探测器，该系统使用雷达和声纳的回声技术或者在测距仪的测量范围内使用三角测量技术。被动自动调焦系统用被拍照物体发出的光束来调节相机的焦距。任何自动调焦相机必须有一个电机来移动镜片，使物体呈现在焦距范围内。调焦时要求速度快、准确度高，而调焦空间却又非常之小！因此对电机的要求非常高。
超声波电机符合这些要求！超声波电机利用一个称为压电效应的现象进行工作。当给一个诸如压电陶瓷的压电材料带加上电压时，压电材料会在一个方向膨胀而在其他方向收缩。所加电压方向颠倒的话，机械变形的方向也会相应颠倒。将压电陶瓷粘贴在一种柔性材料的两侧，粘贴方式轮替上下颠倒，然后将材料绕成一个圈。将布满柔性结的弹性材料粘贴到圆圈的棱边上，这样就行程了一个定子（电动机的固定部分），定子带动电机转子进行旋转，而电机盒里面是镜头。
给圆圈相互更替的棱边通上交流电（极性交互更替）后，棱边呈现出波纹状，相邻部分先弯向一方，接着弯向另一方，看起来像只有上下运动而没有横向运动的波浪。由于该带状压电材料产生了波浪，底脚推动转子转动，随之使镜头元件转动（图2）。
准确的图像是摄影师难以把握的目标，即使在焦距和景深刚刚好的时候，摄影师的手仍然踌躇不定。即使在三脚架上，一阵风或一辆卡车经过的隆隆声足以毁掉一张照片。减振系统必须抵消垂直振动（纵向）和左右振动（横向），以及纵横之间每一个方向内的振动，而且它需要在几毫秒内做出修正！任何旨在减少由于相机移动而造成图像模糊的系统，必须能够在光束击中图像传感器之前把光束放回到正确的相机。如何探测运动以及它如何使光束回到正确的通道上呢？当系统开启及某些物体进入相机视野时，运动被两个回转仪——传感器检测到;其中的一个用来探测横向运动，另外一个从开始的位置展开90°探测纵向运动。
一个微芯片计算镜头移动的距离和方向。有两种类似的调整方法：要么偏转箭头使之与拍摄目标重合，即调整镜头的方位；或者抓住拍摄目标并将它移动到箭头指向的地方，即调整图像传感器的位置。当然，在图像拍摄下来之后总有办法用软件修正模糊的部分，但这并不能得到一个想要的图像。
如要了解数码相机 —请浏览令人称奇的机电一体化网页: ：http://designnews.com.cn/0806-108.aspx。
Kevin C.Craig博士，是位于纽约州特洛伊市Rensselaer理工学院的机械工程学教授。登录网址www.designnews.com/mechatronicszone，可以查阅Craig教授的博客。