УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК G02B23/18 G02B27/64 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к устройствам стабилизации изображения наблюдаемой обстановки, которые входят в состав установленных на подвижном основании таких бинокулярных систем, как бинокли и компенсируют угловые колебания корпуса данных оптических систем.

Известны гироскопические системы стабилизации с использованием гироскопов, а также устройства стабилизации, использующие инерционный принцип. К числу последних относится бинокулярная система со стабилизацией изображения (патент RU 2136030, МПК G02B 27/64, опубл. 27.08.1999, заявитель - Загорский оптико-механический завод), реализующая инерционный способ стабилизации с использованием магнитной системы. Данная бинокулярная система содержит два объектива, две подвижные ромб-призмы, два окуляра, кардановый подвес, опору, закрепленную на корпусе системы, два блока оборачивающей системы, упругодиссипативную систему, содержащую кольцевую магнитную систему, закрепленную на корпусе системы, консоль, одним концом закрепленную на внешнем кольце карданова подвеса и проходящую через центр кольцевой магнитной системы, и две пластины, закрепленные на консоли таким образом, что их поверхности перпендикулярны оси консоли, причем пластины первого типа выполнены из немагнитного материала с малым удельным электрическим сопротивлением, а второй тип пластин выполнен из магнитомягкого материала. Такое устройство упругодиссипативной системы характеризуется с одной стороны существенным различием моментов инерции подвижной системы по вертикальной и горизонтальной осям карданова подвеса, с другой стороны - изотропностью параметров магнитного поля, создаваемого кольцевой магнитной системой. Эти факторы обуславливают различие характеристик стабилизации по разным осям, выраженное в различии частотных характеристик устройства стабилизации бинокулярной системы, а также в разности значений коэффициентов демпфирования по разным осям, что не позволяет обеспечить оптимальный уровень подавления колебаний оборачивающей системы.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание устройства стабилизации, отличающееся идентичностью характеристик стабилизации изображения в условиях разнонаправленных возмущающих воздействий, в том числе вызванных колебаниями корпуса бинокля, и улучшенными техническими характеристиками, к числу которых относятся уменьшенные массогабаритные параметры и простота конструкции устройства стабилизации изображения.

Техническим решением поставленной задачи является входящее в состав бинокля, содержащего два объектива и два блока окуляров с подвижными ромб-призмами, устройство стабилизации изображения, включающее карданов подвес, закрепленный на корпусе бинокля и обладающий двумя степенями свободы, подвижную инерционную систему, магнитную пружину, соединяющую подвижную инерционную систему с корпусом бинокля, и успокоитель колебаний, магнитный замыкатель которого закреплен на корпусе бинокля и на котором установлены магнитные элементы. Подвижная инерционная система содержит закрепленную на внутреннем кольце карданового подвеса консоль, на одном свободном конце которой крепится оборачивающая система, созданная на основе, например, ромб-призм, на другом последовательно от конца консоли - пластина успокоителя колебаний, выполненная из обладающего малым удельным электрическим сопротивлением немагнитного материала, и балансировочный груз, уравновешивающий оборачивающую систему призм, укрепленную на другом конце консоли. Магнитная пружина включает в себя установленный на корпусе бинокля магнитный элемент в виде постоянного магнита и магнитный сердечник, размещенный на том конце консоли подвижной инерционной системы, на котором укреплена оборачивающая система.

Сущность изобретения состоит в следующем. В процессе использования бинокля при панорамировании наблюдателем, находящимся на подвижном основании, оборачивающая система бинокля, установленная на одном конце не связанной с корпусом этого бинокля подвижной инерционной системы, совершает колебания вместе с собственными колебаниями данной системы, а также возмущенные колебания, обусловленные колебаниями корпуса бинокля. Подавление таких колебаний подвижной инерционной системы, с расположенными на ней двум блоками оборачивающих призм, обеспечивают с одной стороны подвижной инерционной системы магнитная пружина, а с другой стороны - успокоитель колебаний, также представляющий собой магнитную пружину и состоящий из пластины, установленной на консоли подвижной системы, и двух охватывающих пластину успокоителя магнитных замыкателей, на каждом из которых укреплено по одному магнитному элементу. Магнитная пружина, образованная закрепленным на корпусе бинокля магнитным элементом в виде постоянного магнита и установленным на конце консоли подвижной инерционной системы магнитным сердечником, и магнитная пружина, образованная магнитными элементами успокоителя колебаний, совместно образуют магнитную систему устройства стабилизации изображения, которая управляет подвижной инерционной системой. В результате действия магнитной системы подвижная инерционная система статически стабилизирована в двух взаимно перпендикулярных плоскостях относительно точки ее крепления на кардановом подвесе, причем величина дебаланса ограничивается 0,1 г⋅см.

Поскольку одна из главных осей подвижной инерционной системы проходит через оборачивающую систему, а относительно другой главной оси два блока оборачивающих призм разнесены на расстояние, равное половине расстояния между оптическими осями объективов бинокля, то моменты инерции подвижной инерционной системы устройства стабилизации изображения относительно главных осей инерции различаются в два раза. С учетом этих условий, магнитная пружина успокоителя колебаний выполнена в виде двух закрепленных на замыкателях магнитных элементов, разделенных воздушным промежутком, который выбирается таким образом, чтобы выполнялось требование

где J_xx, J_yy - моменты инерции подвижной части устройства стабилизации изображения относительно главных осей инерции подвижной инерционной системы X и Y соответственно;

μ_х, μ_y - коэффициенты упругости образованной магнитной системой магнитной пружины относительно главных осей инерции X и Y соответственно.

Технический результат обусловлен отличительными особенностями устройства стабилизации изображения, к которым относятся:

1) необходимая для достижения идентичности характеристик стабилизации изображения жесткость обеих магнитных пружин магнитной системы достигается путем изменения воздушного промежутка между магнитными элементами внутри каждой магнитной пружины, а именно:

- жесткость магнитной пружины, состоящей из сердечника и укрепленного на корпусе бинокля постоянного магнита, регулируется перемещением сердечника вдоль оси консоли подвижной инерционной системы;

- требуемая жесткость магнитной пружины, образованной магнитными элементами успокоителя колебаний, достигается в случае такого расположения магнитных элементов успокоителя колебаний, которое подчиняется условию

где L₁ - расстояние по оси Z от оси внутреннего кольца карданового подвеса до магнитных элементов успокоителя колебания,

L₂ - расстояние по оси Z от оси внутреннего кольца карданового подвеса до проекции на ось Z центра тяжести оборачивающей системы;

2) коэффициенты упругости магнитной пружины успокоителя колебаний относительно главных осей инерции подвижной инерционной системы находятся в соотношении

где μ_х, μ_y - коэффициенты упругости магнитной пружины относительно главных осей инерции X и Y соответственно;

3) магнитные элементы успокоителя колебаний располагаются симметрично относительно оси симметрии бинокля и могут быть выполнены как в виде кольцевых секторов, так и в виде прямоугольных параллелепипедов, имеющих сечение шириной от 4 до 14 мм и высотой от 3 до 5 мм;

4) полюсы магнитных элементов успокоителя колебаний ориентированы в направлении пластины успокоителя, при этом величина магнитной индукции создаваемого этими элементами магнитного поля составляет не менее 0,2 Тл на расстоянии 0,5 мм от границы успокоителя колебаний;

5) магнитный замыкатель, изготовленный из магнитомягкого материала, выполнен таким образом, что он охватывает пластину успокоителя, и на нем закреплен магнитный элемент.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлено устройство стабилизации изображения, формируемого в фокальной плоскости объектива бинокля, в состав которого входят два объектива 1 и два блока окуляров с подвижными ромб-призмами 2. Устройство стабилизации изображения включает двухстепенной карданов подвес 3, на котором установлена подвижная инерционная система, содержащая консоль 4, два блока призм 5 оборачивающей системы, балансировочный груз 6, пластину 7 успокоителя колебаний, сердечник 8 магнитной пружины, и закрепленные на корпусе бинокля магнитный элемент 9 магнитной пружины, магнитный замыкатель 10 и установленный на нем магнитный элемент 11.

Входящее в состав бинокля устройство стабилизации изображения работает следующим образом. В процессе панорамировании корпус бинокля, установленный на подвижном основании или удерживаемый в руках наблюдателя, находящегося на подвижном основании или имеющего тремор рук, совершает колебания. При этом ось визирования бинокля сохраняет свое положение в пространстве, а следовательно, остается стабильным и изображение наблюдаемых объектов, формируемое в фокальной плоскости бинокля, за счет силы инерции, сохраняющей положение несвязанной с корпусом бинокля подвижной инерционной системы, установленной на внутреннем кольце двухстепенного карданового подвеса 3 и несущей два блока призм 5 оборачивающей системы. Возникающие собственные колебания подвижной инерционной системы, а также возмущенные колебания, вызванные колебаниями корпуса бинокля, гасятся двумя магнитными пружинами устройства стабилизации изображения. Расположенная на одном конце инерционной системы магнитная пружина, состоящая из сердечника 8 и магнитного элемента 9, гасит колебания подвижной инерционной системы вдоль оси бинокля и удерживает инерционную систему в центральном относительно корпуса положении. Успокоитель колебаний - магнитная пружина, расположенная на другом конце подвижной инерционной системы и содержащая установленную на консоли 4 пластину 7, а также два магнитных элемента 11, закрепленных на двух охватывающих пластину 7 магнитных замыкателях 10, гасит возникающие колебания.

Таким образом, в отличие от прототипа заявленное устройство стабилизации изображения обеспечивает стабилизацию подвижной инерционной системы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через центральную ось бинокля: перпендикулярную внутренней оси карданового подвеса и перпендикулярную внешней оси карданового подвеса, и отличается идентичностью характеристик стабилизации изображения в условиях колебания подвижной инерционной системы и при наличии возмущающих воздействий, вызванных разнонаправленными колебаниями корпуса.

Изобретение по сравнению с прототипом обеспечивает устойчивую и надежную работу устройства при меньших массогабаритных параметрах и упрощенной конструкции устройства стабилизации изображения.

Конструктивные параметры предложенного технического решения реализованы в серийно выпускаемых биноклях. Приведенные выше свойства и характеристики устройства стабилизации изображения, входящего в состав серийно выпускаемого бинокля, полностью удовлетворяют функциональным требованиям и назначению такого вида наблюдательных приборов, как бинокли со стабилизацией изображения.

Устройство стабилизации изображения, входящее в состав бинокля, включает закрепленный на корпусе двухстепенной карданов подвес, подвижную инерционную систему, магнитную пружину и успокоитель колебаний. Подвижная инерционная система содержит закрепленную на внутреннем кольце карданового подвеса консоль, на одном конце которой крепится оборачивающая система из двух блоков призм, на другом - пластина успокоителя и балансировочный груз. Также заявленное устройство содержит две магнитные пружины. Одна из указанных пружин выполнена в виде двух магнитных замыкателей и соответствующих двух магнитных элементов, которые обеспечивают стабилизацию подвижной инерционной системы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Величина дебаланса оставляет не более 0,1 г·см. Технический результат - обеспечение идентичности характеристик стабилизации изображения в условиях разнонаправленных возмущающих воздействий. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство стабилизации изображения, формируемого в фокальной плоскости (объектива) бинокля, содержащего два объектива и два блока окуляров с подвижными ромб-призмами, устройство стабилизации изображения, включающее карданов подвес, закрепленный на корпусе бинокля и обладающий двумя степенями свободы, подвижную инерционную систему, в состав которой входят закрепленная на внутреннем кольце карданового подвеса консоль, на одном свободном конце которой крепится оборачивающая система, на другом последовательно от конца консоли - пластина успокоителя колебаний, выполненная из немагнитного материала, обладающего малым удельным электрическим сопротивлением, и балансировочный груз, уравновешивающий оборачивающую систему, укрепленную на другом конце консоли, отличающееся тем, что в устройстве сформированы две магнитные пружины, одна из которых состоит из установленного на корпусе бинокля магнитного элемента, выполненного в виде постоянного магнита, и магнитного сердечника, размещенного на том конце консоли подвижной инерционной системы, на котором укреплена оборачивающая система, а другая магнитная пружина в виде успокоителя колебаний установлена на другом конце консоли и включает в свой состав пластину, установленную на консоли подвижной системы, а также два укрепленных на корпусе бинокля и охватывающих пластину успокоителя магнитных замыкателя, на каждом из которых укреплено по одному магнитному элементу, которые статически стабилизируют подвижную инерционную систему в двух взаимно перпендикулярных плоскостях относительно точки крепления на внутреннем кольце карданового подвеса, причем величина дебаланса оставляет не более 0,1 г·см.

2. Устройство стабилизации изображения по п. 1, отличающееся тем, что магнитные элементы магнитной пружины успокоителя колебаний расположены симметрично относительно оси симметрии бинокля и могут быть выполнены как в виде кольцевых секторов, так и в виде прямоугольных параллелепипедов, полюсы которых ориентированы в направлении пластины успокоителя, при этом величина магнитной индукции создаваемого этими элементами магнитного поля составляет не менее 0,2 Тл на расстоянии 0,5 мм от границы успокоителя.

3. Устройство стабилизации изображения по п. 1, отличающееся тем, что магнитный замыкатель выполнен из магнитомягкого материала, имеет форму, охватывающую пластину успокоителя, и на нем закреплен магнитный элемент, имеющий сечение шириной от 4 до 14 мм и высотой от 3 до 5 мм.

4. Устройство стабилизации изображения по п. 1, отличающееся тем, что коэффициенты упругости магнитной пружины успокоителя колебаний относительно главных осей инерции подвижной инерционной системы находятся в соотношении

где μ_x, μ_y - коэффициенты упругости магнитной пружины относительно главных осей инерции подвижной инерционной системы X и Y соответственно,

а расположение магнитных элементов в магнитной пружине успокоителя колебаний подчиняется условию

где L₁ - расстояние по оси Z от оси внутреннего кольца карданового подвеса до магнитных элементов успокоителя колебания,

L₂ - расстояние по оси Z от оси внутреннего кольца карданового подвеса до проекции на ось Z центра тяжести оборачивающей системы.