БИНОКЛЬ СО СТАБИЛИЗИРОВАННЫМ ОПТИЧЕСКИМ ИЗОБРАЖЕНИЕМ Российский патент 1997 года по МПК G02B23/00 

Изобретение относится к устройствам стабилизации оптического изображения и может использоваться при наблюдении с подвижных носителей, а также для стабилизации фотографической или телевизионной аппаратуры.

Известны устройства стабилизации оптического изображения при работе в условиях подвижного или недостаточно устойчивого основания, с использованием, например, оптических клиновых компенсаторов (см. Автоматическая стабилизация оптического изображения, под ред. Д.Н.Еськова, В.А.Новикова, Л. Машиностроение, 1988, с. 54).

Примером технической реализации такого устройства, наиболее близкого к предлагаемому изобретению, является "Система стабилизации оптического изображения" (см. патент США N 4013339, G 02 B 23/02, 1977).

В этой системе каждая из двух зрительных труб состоит из первого оптического элемента с отрицательной кривизной, размещенного на корпусе бинокля, а второй элемент с положительной кривизной размещен на внутренней рамке карданова подвеса в полом роторе, ось вращения которого совпадает с осью вращения второго подвижного элемента. Кроме того, на корпусе бинокля расположены окуляры, оптически сопряженные с первым и вторым оптическими элементами.

Недостатком устройства является наличие нутационных колебаний, которые снижают разрешающую способность бинокля. Для слежения за двигающимися объектами в "Системе стабилизации оптического изображения" используется магнитный корректор, который при развороте корпуса бинокля за объектом создает позиционный "уводящий" момент, и инерциально стабилизированный элемент разворачивается вслед за корпусом.

Однако коэффициент этого взаимодействия постоянный и определен конструкцией гироскопа и не может изменяться в зависимости от динамики перемещения наблюдаемого объекта или от характеристики внешних механических воздействий, как в области низких (0,5 1) Гц, так и более высоких 1 Гц частот, вызванных треммором рук или колебаниями основания.

Следует отметить, что применение в оптической системе стабилизации изображения клиновых компенсаторов требует введения дополнительных оптических элементов для устранения хроматических аберраций. Работа оптической системы при разворотах корпуса бинокля и инерциально стабилизированного второго оптического элемента требует увеличения его диаметра.

Технической задачей изобретения является повышение качества стабилизации изображения.

В предлагаемом бинокле со стабилизированным оптическим изображением технический результат достигается тем, что в него дополнительно введено устройство стабилизации зрительных труб, выполненное в кардановом подвесе, а оси вращения внешней и внутренней рамок совпадают с осями чувствительности датчиков угловой скорости соответственно по углу места и азимуту и датчиками углового положения рамок, выходы которых соединены с каналами стабилизации по азимуту и углу места, включающими в каждом канале последовательно соединенные нелинейный и корректирующий усилители, выходом подключенные к первому входу суммирующего усилителя, второй вход которого соединен с выходом датчика угловой скорости по азимуту в одном канале и датчиком угловой скорости по углу места в другом канале, при этом выход суммирующего усилителя подключен через усилитель мощности к вертикально расположенным обмоткам управления в азимутальном канале, датчиков момента и горизонтально расположенным обмоткам управления в угломестном канале, размещенных на внешней рамке карданова подвеса и вырабатывающим управляющий момент угловым положением зрительных труб, а индукторы двухкоординатных моментных датчиков размещены на корпусе бинокля.

Выход датчика угла и датчика угловой скорости подключены ко входам азимутального и угломестного каналов стабилизации.

Азимутальный β и угломестный e каналы стабилизации своими выходами подключены к закрепленным на внешней рамке обмоткам моментных датчиков. Активные проводники обмоток сориентированы относительно магнитных потоков многополюсной магнитной системы индукторов, закрепленных на корпусе бинокля таким образом, что протекающие по обмоткам токи управления создают моменты сил, пропорциональные сигналам, поступающим из азимутального и угломестного каналов стабилизации и направленным по соответствующим осям Y и X.

Следует отметить, что в предлагаемом бинокле со стабилизированным оптическим изображением появляется возможность сделать обратную связь по положению от датчика угла K_ос (9, 10) в корректирующих усилителях азимутального и угломестного каналов стабилизации частотнозависимой. В этом случае коэффициент передачи в усилителях K_ос (f) уменьшается с увеличением частоты механических воздействий f > 1 Гц, что позволяет снизить ошибку стабилизации из-за треммора рук, вибраций корпуса носителя, при этом на низких частота F <1 Гц K_ос (10) выбирается достаточно большим, чтобы обеспечить эффективность слежения за движущимися объектами и компенсировать собственные уходы датчиков угловой скорости.

Следует также отметить, что динамические характеристики каналов стабилизации позволяют адаптироваться к параметрам движения объекта наблюдения, например, его скорости при изменении коэффициента усиления нелинейного усилителя в зависимости от величины входного сигнала от датчиков угла при рассогласовании, вызванном поворотом корпуса бинокля относительно внешней и внутренней рамок подвеса.

Зрительные трубы в предлагаемом бинокле размещены на внешней рамке карданова подвеса и не содержат клиновых компенсаторов, что позволило уменьшить их габариты и устранить хроматические аберрации.

Для установки бинокля по глазам наблюдателя его оптическая система содержит диоптрийные насадки, размещенные на корпусе, что позволяет производить подстройку одновременно с поворотом корпуса бинокля.

Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 приведены основные кинематические связи функциональная схема бинокля со стабилизированным оптическим изображением;
на фиг.2 представлена упрощенная оптическая схема зрительной трубы, состоящей из объектива, окуляра, диоптрийной насадки;
на фиг.3 схематически показано построение оптического изображения в бинокле при развороте его корпуса по углу места на угол e_o и работа подвижного элемента в диоптрийной насадке при ее перемещении в положение, при котором плоскость построенного изображения также смещается;
на фиг. 4 приведено взаимное расположение диоптрийных насадок, наглазников и зрительных труб после отработки углового рассогласования по углу места, выполненное разворотом внутренней рамки карданова подвеса X на угол ε_o.

Бинокль со стабилизированным оптическим изображением содержит корпус 1 с размещенными на нем диоптрийными насадками 2 и наглазниками 3, оптически связанные с двумя зрительными трубами 4, закрепленными на внешней рамке карданова подвеса 5. Кроме того, на внешней рамке карданова подвеса 5 размещены два датчика угловой скорости, ось чувствительности азимутального датчика угловой скорости 6 совпадает с вертикальной осью вращения внешней рамки карданова подвеса OY, ось чувствительности датчика угловой скорости 7 совпадает с осью вращения внутренней рамки карданова подвеса 8. Угол разворота внешней рамки карданова подвеса 5 по азимуту β относительно оси OY измеряется датчиком угла 9. Угол разворота внутренней рамки карданова подвеса 8 по углу места e относительно оси OX измеряется датчиком угла 10. В качестве датчиков угла могут быть использованы, например, емкостные чувствительные элементы.

Каналы стабилизации 11 и 12 содержат последовательно соединенные нелинейный усилитель 13, корректирующий усилитель 14, выходом подключенные через суммирующий усилитель 15 и усилитель мощности 16 к обмоткам управления 17 датчиков момента.

Коэффициент усиления нелинейного усилителя 13 в каналах стабилизации по азимуту 11 и углу места 12 изменяется в зависимости от величины угла отклонения e, β внутренней 8 или внешней 5 рамок карданова подвеса, что позволяет улучшить динамические характеристики бинокля при работе по движущимся объектам. Корректирующий усилитель 14 делает обратную связь по положению от датчиков угла 9, 10 частотно-зависимой, например, как:

где T 0,16 с и ε 0,5.

Зрительные трубы 3, как это показано на фиг.2, содержат объектив 18 и окуляр 19. Диоптрийные насадки 2 состоят из двух менисков отрицательного 20 и подвижного положительного 21.

Работает бинокль со стабилизированным оптическим изображением в следующей последовательности.

При наведении и обнаружении в поле зрения движущегося объекта наблюдатель корпусом 1 начинает сопровождать его. Начальный момент, соответствующий развороту корпуса бинокля, например, по углу на места на e_o приведен на фиг. 3.

Подстройка под глаза наблюдателя в диоптрийной насадке производится положительным мениском 21, например, в положении 21'.

При развороте корпуса бинокля кинематически связанные с внешней и внутренней рамками карданова подвеса датчики угла 9 и 10 формируют, в наиболее общем случае, управляющие сигналы, пропорциональные развороту внешней 5 и внутренней 8 рамок карданова подвеса по азимуту β и углу места e. Сигналы управления корректируются по амплитуде в нелинейных усилителях 13 и в зависимости от частоты механических вибраций корпуса в частотно-зависимых корректирующих усилителях 14 и суммируются с сигналами датчиков угловой скорости в суммирующих усилителях 15 и через усилители мощности 16 воздействуют на обмотки управления датчиков момента 17, разворачивая внутреннюю 8 и внешнюю 5 рамки карданова подвеса с размещенный на ней зрительными трубами 4 управляющими сигналами, сформированными суммирующими усилителями 15, пропорциональными ошибке между управляющими сигналами по углам разворота и сигналами от датчиков угловой скорости 6 и 7. Результат отработки углового рассогласования по углу места на e_o приведен на фиг.4. С повышением частоты вибраций носителя коэффициент передачи корректирующих усилителей 15 уменьшается, в результате чего "привязка" внешней рамки карданова подвеса 5 со зрительными трубами 4 к корпусу бинокля 1 уменьшается и на выходе суммирующих усилителей 15 формируется управляющий сигнал, преимущественно, от датчиков угловой скорости 6, 7, которые компенсируют развороты внешней 5 и внутренней 8 рамок подвеса по скорости, стабилизируя поле зрения бинокля в пространстве.

В изобретении децентрировка зрительных труб 4 относительно дипортийных насадок 2 допускает разворот корпуса 1 бинокля при наблюдении за подвижными объектами на угол ±5^o без значительного ухудшения качества оптического изображения.

Использование: в фотографии и телевидении и относится к устройствам наблюдения с подвижных носителей. Сущность изобретения: в бинокле две зрительные трубы 4 на кардановом подвесе оптически сопряжены с диоптрийными насадками 2 и наглазниками 3, размещенными на его корпусе 1. Оси вращения внешней 5 и внутренней рамок 8 подвеса кинематически связаны с осями чувствительности датчиков угловой скорости 7 соответственно по углу места и азимуту и датчиками углового положения рамок 9, управляющие сигналы от которых через каналы стабилизации 11, 12 и усилители мощности 16 подключены к соответствующим обмоткам управления 17 двухкоординатных моментных датчиков, индукторы которых расположены на корпусе бинокля. В каждом канале стабилизации 11, 12 управляющие сигналы об угловом положении внутренней 8 и внешней 5 рамок корректируются по амплитуде и частоте и суммируются с сигналами от датчиков угловой скорости 7, формируя сигналы управления по азимуту и углу места. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Бинокль со стабилизированным оптическим изображением, содержащий корпус, две зрительные трубы с диоптрийными насадками, систему стабилизации, включающую карданов подвес, отличающийся тем, что система стабилизации дополнена датчиками угловой скорости по углу места и азимуту, датчиками углового положения рамок карданова подвеса, двухкоординатными моментными датчиками и двумя каналами стабилизации по азимуту и углу места, каждый из которых включает последовательно соединенные нелинейный усилитель, корректирующий усилитель, суммирующий усилитель и усилитель мощности, причем оси вращения внешней и внутренней рамок карданова подвеса связаны с осями чувствительности датчиков угловой скорости соответственно по углу места и азимуту и датчиками углового положения рамок карданова подвеса, выходы которых соединены с нелинейным усилителем соответствующего канала стабилизации, второй вход суммирующего усилителя каждого канала стабилизации соединен с выходом соответствующего датчика угловой скорости, выход усилителя мощности каждого канала стабилизации подключен к обмотке управления соответствующего двухкоординатного моментного датчика, двухкоординатные моментные датчики расположены на внешней рамке карданова подвеса, а их индукторы размещены на корпусе бинокля. 2. Бинокль по п. 1, отличающийся тем, что диоптрийная насадка каждой зрительной трубы установлена на корпусе бинокля и оптически сопряжена со зрительной трубой.