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 смещения изображения в поле зрения этого прибора, вызванного перемещением последнего в пространстве.

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

Это устройство состоит из двух плоско-параллельных пластин, пространство между которыми заполнено жидкостью и ограничено мембраной. Каждая из пластин выполнена с возможностью поворота вокруг своей оси. Оси поворота этих пластин взаимно перпендикулярны и через электронный блок связаны 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, т. к. жидкость пропускает не весь световой спектральный диапазон.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство стабилизации изображения, состоящее из двух гироскопов и системы двух зеркал, в которой одно из зеркал является неподвижным, а другое установлено с возможностью вращения вокруг двух осей: одной лежащей в плоскости, перпендикулярной оси прибора и второй перпендикулярной первой и оптической оси прибора одновременно [2]
При этом указывается, что реализация этого прибора требует либо специального подвеса чувствительного элемента гироскопического узла, либо введения в систему преобразователя координат [2, рис. 2. 8, с. 42]
Однако общие указания в виде рекомендаций не позволяют до конца раскрыть общий принцип построения системы. Так поворот вокруг вертикальной оси зеркала З₁ 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 З₁. Однако одновременный поворот вокруг двух осей входного зеркала З₁ может служить прототипом изобретения.

Целью изобретения является компенсация смещения изображения в оптическом приборе, вызванного как колебаниями прибора в произвольной плоскости вокруг двух осей, так и колебаниями его относительно плоскости горизонта. Решение этой задачи достигается за счет координированного смещения изображения в кадровом окне киносъемочного аппарата.

Поставленный технический результат достигается тем, что устройство (см. 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_o) 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_o вызовет второй поворот того же зеркала 3, но за счет оси 4.

Рассмотренный режим взаимодействия элементов системы обеспечивает стабилизацию изображения в произвольной плоскости.

Второй режим работы системы обеспечивает стабилизацию изображения избирательно относительно плоскости горизонта. Для этого система стабилизации дополнительно содержит два акселерометра, измеряющих отклонения прибора от плоскости горизонта, логически их обрабатывают и обеспечивают управлением разворотом подвижного зеркала.

Акселерометры измеряют отклонение от плоскости горизонта и одновременно детерминируют величину допустимого отклонения.

Совмещение в единой системе сигналов от акселерометров и гироскопов улучшают качество стабилизации (линейность, добротность и точность).

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

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

На фиг. 1 представлена электро-кинематическая схема предлагаемого устройства стабилизации оптического изображения.

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, 6, на осях вращения рамок которых размещены соответственно датчики угла 7, 8, датчики момента 9, 10, операционных электронных блоков 11, 12 и 13, 14, исполнительных двигателей 15, 16 с встроенными датчиками обратной связи 17, 18, аксельрометров 20, 21 со своими электронными блоками 22, 23 и переключателей режимов стабилизации 24, 25, в совокупности обеспечивающих сохранение положения изображения относительно плоскости горизонта, а также компенсацию колебаний в произвольной плоскости.

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

Принцип работы предлагаемого 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 аппарата. Если, например, происходит поворот киносъемочного аппарата вокруг оси Y (см. фиг. 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 (см. фиг. 3), что 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.

Работа предлагаемого устройства включает в себя два режима: режим A - режим компенсации собственных колебаний кино-, видеокамеры в плоскостях ZOY и ZOX; режим B режим компенсации колебаний кино-, видеокамеры, происходящих относительно плоскости горизонта.

В режиме A устройство работает следующим образом: корпус устройства стабилизации изображения устанавливают перед объективом оптического прибора, включают электропитание и после набора оборотов роторами гироскопов система разарретируется, переводится в режим A и все элементы системы приходят в исходное рабочее состояние.

При наклоне оптического прибора вокруг оси 3 одновременно наклоняется и корпус устройства 19. При этом двухстепенный гироскоп 6 измеряет угловую скорость этого поворота, стремясь совместить ось собственного вращения (вектор ) с вектором угловой скорости Ω_у. Угол разворота измеряют датчиком угла 8, усиливают в блоке 12 и величину гироскопического момента (M_г=H•Ω_у) компенсируют датчиком момента 10. Сигнал, полученный с датчика угла 8, после соответствующего преобразования в операционном блоке 14 характеризует угол наклона оптического прибора и его электрический сигнал подают на двигатель 16 поворота зеркала 2. Датчик обратной связи 18 служит для качественного управления разворотом зеркала. В соответствии с законом отражения в 2-зеркальной системе угол поворота зеркала составляет 1/2 от угла поворота прибора вокруг оси 3.

При повороте прибора, с угловой скоростью Ω_x, вокруг его оптической оси, фиксируют гироскопом 5 и затем, аналогично организации разворота зеркала по сигналам от гироскопа 6, осуществляют разворот зеркала вокруг оси 4 посредством прохождения сигнала через блоки 7, 9, 11, 13, 15, 17. Поворот зеркала вокруг оси 4, расположенной под углом 45^o к направлению оптического луча, приводит к развороту изображения (см. рис. 3). Следовательно, наклон прибора вокруг горизонтальной оси компенсируют разворотом зеркала вокруг вертикальной оси 4. Таким образом, при помощи указанных поворотов зеркал осуществляют компенсацию смещения изображения в поле зрения оптического прибора в двух плоскостях одновременно.

В режиме B устройство работает следующим образом: все элементы системы находятся в рабочем состоянии (будучи включены как в режиме A) и переключателями 24, 25 переводятся в режим B.

Перемещение изображения вверх-вниз в поле зрения прибора может происходит как по причине наклона собственно прибора, так и вследствие компенсационного поворота подвижного зеркала 2. Поэтому аксельрометр 21 установлен на зеркале 2 таким образом, что его чувствительная ось обеспечивает нулевой сигнал только при горизонтальном расположении оптической оси прибора. Поэтому при отклонении оптической оси прибора от плоскости горизонта (вверх-вниз) с аксельрометра 21 появляется сигнал и последовательно через блоки 23, 25, 14 включается двигатель 16 и происходит разворот зеркала 2, приводя отраженное от него изображение в горизонтальную плоскость.

Аналогично исключается разворот прибора в горизонтальной плоскости отраженного луча от зеркала 2 при повороте корпуса прибора вокруг его оптической оси. В этом случае система работает по сигналу от аксельрометра 20 и далее последовательно, проходя через блоки 22, 24, 13, включается двигатель 15, который разворачивает зеркало 2 вокруг оси Z и возвращает отраженное изображение в горизонтальную плоскость.

Таким образом, при работе в режиме A происходит компенсация колебаний (стабилизация) изображения в плоскостях ZOY и ZOX, вызываемых собственными колебаниями съемочной камеры; в режиме B осуществляется стабилизация изображения уже относительно плоскости горизонта, компенсируя тем самым все отклонения оптической оси от плоскости горизонта, в том числе и наклон в этой плоскости.

Совместная работа акселерометров и гироскопов в режиме B обеспечивает высокое качество (высокочастотное демпфирование) компенсационных разворотов зеркала, при этом акселерометры играют детерминирующую роль и ограничивают углы разворота зеркала.

Источники информации:
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.

3. Кулагин С.В. Аппаратура для научной фоторегистрации и киносъемки. М. Машиностроение, 1980, с. 42.

Использование: для стабилизации изображения в оптических приборах. Сущность изобретения: устройство 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, с второй и первой осями второго зеркала. Кроме того, в устройство введены два акселерометра, установленные на первом и втором зеркалах с возможностью определения углов наклона осей второго зеркала относительно горизонтальной плоскости и соединенные с системами управления через переключатели режимов стабилизации. 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 первую и вторую системы управления, каждая из которых включает последовательно соединенные датчик угла, электронный блок и исполнительный двигатель, соединены соответственно с второй и первой осями второго зеркала, при этом дополнительно введены первый и второй акселерометры, установленные соответственно на первом и втором зеркалах с возможностью определения углов наклона второй и первой осей поворота второго зеркала относительно горизонтальной плоскости и соединенные через введенные операционные блоки и переключатели режимов стабилизации с соответственно первой и второй системами управления.