УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G02B27/64 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к устройствам, обеспечивающим стабилизацию изображения в оптическом приборе путем компенсации углового смещения изображения в поле зрения этого прибора, вызванного угловым перемещением последнего в пространстве.

Известны устройства стабилизации изображения при помощи пространственного жидкостного клина, в которых стабилизация изображения достигается путем наклона стеклянной пластинки, создающей оптический клин, что приводит к отклонению оптического луча на заданный угол, величина которого измеряется гироскопом.

Такое устройство состоит из двух плоскопараллельных пластин, пространство между которыми заполнено жидкостью и ограничено мембраной. Каждая из пластин выполнена с возможностью поворота вокруг одной из двух взаимно-перпендикулярных осей, управляемых через электронный блок с гироскопами [1]
Устройство стабилизации изображения при помощи жидкостного клина имеет следующие недостатки: угол компенсации смещения изображения незначителен, вследствие использования жидкости снижается качество изображения, ограничена спектральная характеристика, так как жидкость пропускает не весь спектральный диапазон.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является устройство стабилизации изображения, состоящее из гироскопа и системы двух зеркал, в которой одно из зеркал является неподвижным, а другое установлено с возможностью вращения вокруг двух осей: одной лежащей в плоскости зеркала и перпендикулярной оси прибора и второй перпендикулярной первой и оптической оси прибора одновременно [2]
При этом [2] указывается, что реализация этого прибора требует либо специального подвеса чувствительного элемента гироскопического узла, либо введения в систему преобразователя координат (рис. 2.8 стр. 42) [2]
Однако общие указания в виде рекомендаций не позволяют до конца раскрыть общий принцип построения системы. Так, поворот вокруг вертикальной оси зеркала 3 фактически повторяет поворот призмы Пехана ПП, а какова роль гироскопа, ось вращения ротора которого параллельна оптической оси прибора неизвестно и не может обеспечивать стабилизацию зеркала 3. Однако одновременный поворот вокруг двух осей входного зеркала 3 может служить прототипом предполагаемого изобретения.

Технический результат достигается тем, что устройство (фиг. 1), состоящее из двухзеркальной перископической системы (зеркало 1,2), из которых первое зеркало неподвижно связано с корпусом прибора, а второе зеркало имеет возможность вращения вокруг оси, лежащей в плоскости зеркала и перпендикулярной оптической оси прибора (ось 3) и одновременно вокруг оси (ось 4), лежащей в плоскости перпендикулярно первой оси и перпендикулярной той же оптической оси (ось 2); устройство включает в себя два двухстепенных гироскопа (5,6), один из которых измеряет угловую скорость поворота (Ω_о) вокруг горизонтальной оси прибора (3), а второй угловую скорость поворота вокруг оптической оси (Ω_г). Сигналы с гироскопов после соответствующей обработки (интегрирование, усиление, обнуление, масштабирование и др.) поступают на двигатели управления поворотом каждой из осей зеркала: сигнал от Ω_г - на поворот оси зеркала 3, а сигнал от Ω_о - вызовет второй поворот того же зеркала 3, но за счет оси 4.

Указанный поворот зеркала вокруг оси 4 вызовет компенсацию поворота прибора вокруг его оптической оси в соответствии с известным свойством отраженного пучка лучей от зеркала, расположенного под углом 45^o к падающему пучку лучей, заключающемуся в том, что отраженный луч поворачивается на угол, равный углу поворота зеркала.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом показывает наличие у заявляемого устройства существенных признаков, отличных от прототипа, что позволяет установить соответствие последнего критерию "новизна".

Анализ известных технических решений показывает, что заявленное техническое решение не следует явным образом из уровня техники, следовательно оно соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена общая схема устройства стабилизации изображения; на фиг. 2 изменение положения кадра при наклоне киносъемочного аппарата вокруг горизонтальной оси, лежащей в плоскости чертежа; на фиг. 3 смещение кадрового окна при повороте прибора вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной плоскости чертежа.

Устройство состоит из неподвижного зеркала 1, подвижного зеркала 2, установленного с возможностью одновременного вращения вокруг горизонтальной оси 3 и вертикальной оси 4, двухстепенных гироскопов 5 и 6, на осях вращения рамок которых размещены соответственно датчики угла 7 и 8, датчики момента 9 и 10, операционные электронные блоки 11, 12 и 13, 14, исполнительные двигатели 15 и 16 со встроенными датчиками обратной связи 17 и 18.

Гироскопы и зеркала расположены в едином корпусе, (не показан), который устанавливается перед объективом оптического прибора 19 таким образом, что оптическая ось прибора составляет с плоскостью зеркала 1 угол 45^o. Плоскость зеркала 2 в исходном положении параллельна плоскости зеркала 1.

Принцип работы заявляемого устройства состоит в таком повороте подвижного зеркала, чтобы изображение наблюдаемого неподвижного предмета в кадровой рамке, например, киносъемочного аппарата, оставалось неподвижным относительно этой рамки при колебаниях последнего. Если происходит поворот киносъемочного аппарата вокруг оси Y (2), то визуально рамка аппарата переместится относительно предмета (см. пунктир). Затем, осуществляя поворот подвижного зеркала вокруг оси 3 в обратном направлении, добиваются первоначального положения предмета в кадровой рамке.

Если происходит поворот киносъемочного аппарата вокруг оси X (фиг. 3), это визуально выглядит как разворот рамки относительно наблюдаемого предмета (см. пунктир). Для того, чтобы восстановить исходное положение наблюдаемого предмета в кадровом окне, подвижное зеркало 2 разворачивают вокруг вертикальной оси 4 в обратном направлении.

Устройство работает следующим образом: корпус устройства стабилизации изображения устанавливают перед объективом оптического прибора, включают электропитание и после набора оборотов роторами гироскопов система разаретируется и все элементы системы приходят в исходное рабочее состояние.

При наклоне оптического прибора вокруг оси 3 наклоняется и корпус устройства. При этом двухстепенный гироскоп 6 измеряет угловую скорость этого поворота, стремясь совместить ось собственного вращения (вектор ) с вектором угловой скорости . Угол разворота рамки гироскопа измеряют датчиком угла 8, интегрируют, усиливают в блоке 12 и компенсируют датчиком момента 10. Сигнал, полученный с датчика угла 8 после соответствующего преобразования в операционном блоке 14, характеризующий угол наклона оптического прибора, подают на двигатель 16 поворота зеркала 2.

Датчик обратной связи 18 служит для качественного управления разворотом зеркала. В соответствии с законом отражения в двухзеркальной системе угол поворота зеркала составляет 1/2 от угла поворота прибора вокруг оси 3.

Поворот прибора вокруг его оптической оси фиксируют гироскопом 5 и затем идентично работе гироскопа 6 посредством последовательного включения блоков 7, 9, 11, 13, 15 и 17 осуществляют поворот оси 4. Поворот зеркала вокруг оси, расположенной под углом 45^o к направлению оптического луча, приводит к развороту изображения. Следовательно, наклон прибора вокруг горизонтальной оси компенсируют разворотом зеркала вокруг вертикальной оси 4.

Таким образом, при помощи устройства для стабилизации изображения осуществляют компенсацию смещения изображения в поле зрения оптического прибора в двух плоскостях одновременно.

Литература
1. Автоматическая стабилизация изображения. (под редакцией Д.Н.Еськова и В.Н. Новикова), Л. Машиностроение, Ленинградское отделение 1988. с. 65.

2. Бабаев А.А. Стабилизация оптических приборов. Л. Машиностроение, Ленинградское отделение, 1975. с. 42.

Использование: для стабилизации изображения в оптических приборах. Сущность изобретения: устройств содержит два двухстепенных гироскопа и два зеркала, первое из которых неподвижно, а второе установлено с возможностью вращения одновременно вокруг двух осей, первая из которых лежит в плоскости этого зеркала перпендикулярно оптической оси прибора, а вторая расположена перпендикулярно первой и перпендикулярно оптической оси, причем гироскопы установлены с возможностью измерения угловых скоростей поворота устройства соответственно вокруг собственно оптической оси и вокруг оси, перпендикулярной его оптической оси, и через системы управления соединены соответственно со второй и первой осями второго зеркала. 3 ил.

Устройство стабилизации оптического изображения, состоящее из гироскопа и двухзеркальной перископической системы, в которой первое из зеркал неподвижно, а второе установлено с возможностью вращения одновременно вокруг двух осей, первая из которых лежит в плоскости этого зеркала перпендикулярно оптической оси прибора, а вторая расположена перпендикулярно первой и перпендикулярно оптической оси, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено вторым гироскопом, причем первый и второй гироскопы выполнены двухстепенными, установлены с возможностью измерения угловых скоростей поворота устройства соответственно вокруг собственно оптической оси и вокруг оси, перпендикулярной его оптической оси, и через системы управления, каждая из которых включает последовательно соединенные датчик угла, электронный блок и исполнительный двигатель, соединены соответственно с второй и первой осями второго зеркала.