Поворотная турель для смены оптических элементов Советский патент 1987 года по МПК G02B7/16 

заданной полярности на электропривод 30 вспомогательный диск 42 поворачивает в заданном направлении диск 2. В момент прохождения дисками 2 и 42 положения, соответствующего нулевому значению величины момента, вызванного усилием винтовой цилиндрической пружины 50, по.сигналу с блока

1

Изобретение .относится к промышленности средств связи и может быть использовано при построении оптических головок телевизионных камер, в которых необходимо дискретное изменение заданных углов полей зрения и дискретное изменение направленного светового потока с помощью автоматической смены заданного крличества объективов и светофильтров в условиях ограниченных весов и габаритов, при вибрационных и ударных нагрузках,например, при установке их на транспортные средства.

В этих условиях необходима заданная ориентация транспортных средств. Для решения этих задач используются телевизионные камеры - визиры. В этих случаях высокая точность визирования на различных дистанциях и повышенное качество телевизионного изображения (высокая четкость) вызывают необходимость увеличения ступеней регулирования масштаба отсчета и уровней ослабления светового потока, направленного на вход чувствительного фотоприемника камеры, за счет увеличения набора сменных оптических элементов (объективов и светофильтров) при условии уменьшения габаритов и масс их механизмов перемещения .

Цель изобретения - уменьшение габаритов устройства, увеличение точности и жесткости-фиксации рабочих положений поворотных дисков в условиях вибрационных и ударных нагрузок На фиг.1 изображена поворотная турель для смены оптических элементов (например, объективов и светофильтров), общий вид; на фиг.2 - то же, разрез по оси вращения; на фиг.З 61 управления на валу 34 создается тормозной момент, под действ.ием которого диск 2 останавливается. Пружина 50 поворачивает вспомогательный циск 42 в исходное положение. Одновременно может производиться смена рабочих положений дисков 1, 3 и 4. 2 3.п. ф-лы, 3 ил.

5

0

5

0

5

0

дополнительный электромеханический фиксатор и часть зубчатого венца поворотного диска.

Предлагаемая турель для смены оптических элементов, например объективов и светофильтров, содержит поворотные диски 1-4, выполненные из легкого сплава, например алюминиевого или магниевого с твердым анодным покрытием. Диски 1-4 размещены на общей оси - цилиндрическом стержне 5, выполненном из нержавеющей стали. На стержне 5 также установлены втулки 6-10, выполненные из нержавеющей стали. Втулка 10 закреплена на свободном конце 5а стержня 5 с помощью резьбового соединения и закрепляет втулки 6-9 неподвижно на стержне за счет их поджатия к буртику 56 конца 5в стержня 5. Конец 5в стержня 5 закреплен на корпусе (фиг.2). Рабочие поверхности втулок 6-10 сопряжены с ответными рабочими поверхностями дисков 1-4 с минимальными рабочими зазорами и образуют опоры скольжения, при этом рабочие поверхности дисков имеют твердое анодное покрытие с графитовой пропиткой, что снижает коэффициент трения скольжения и уменьшает рабочие нагрузки при повороте дисков. На дисках 1-4 установлены оптические элементы так, что их оптические оси параллельны осям вращения дисков и удалены на одинаковые расстояния от этих осей.

Кроме того, оси оптических элементов установлены с равным угловым шагом. На диске 1, например, размещена группа из трех оптических элементов - светофильтров 11 и 12 и прозрачного защитного стекла 13. На

диске 2 размещена другая группа из трех элементов - объективы 14-16 с углами полей зрения 60, 30 и 10 соответственно. На диске 3 размещена третья группа оптических элементов - светофильтры 17 (не показан) и 18 и прозрачное стекло 19. На диске 4 размещена четвертая группа оптических элементов - светофильтры 20 и 21 (не показан) и прозрачное стекло 22.Светофильтры 11, 12, 17, 18, 20 и 21 изготовлены из нейтрального стекла. Светофильтры подобраны по толщине и плотности и образуют ряд с количеством 2N, где N - количество дисков со светофильтрами, в данном случае - три. Светофильтры имеют плотности

2В„, ЗВ„

о J

D

и 23

6D.,

(Ы П .

90„ и 18D, т.е. D

где Dg заданный дискрет регулирования оптической плотности.

Диски 3 и 4 размещены в задних рабочих отрезках объективов 14-16, а диск 1 - перед объективом. Прозрачные стекла 19 и 23 подобраны по толщине и коэффициенту оптического преломления и необходимы для сохранения одинаковой длины оптического пути сходящегося светового потока при смене светофильтров, .размещенных в заднем рабочем отрезке объектива. Прозрачное стекло. 13 установлено только для защиты рабочих поверхностей объективов 14-16 от загрязнения посторонними частицами, особенно в условиях невесомости, и защиты их от излучающего воздействия космического пространства. Стекло 13 изготовлено из стойкого к излучению материала,например из стекла.

40 10, закрепленной на корпусе с помощью цилиндрического стержня 5. На корпусе также закреплены оп тронные пары 53-56, каждая из которых оптически сопряжена с частью поверхнос45 1ти 456, 466, 476 и 486 соответствующих пальцев 45-48 в диаметрально противоположном положении. Указанные поверхности пальцев выполнены с заданным коэффициентом отражения свеНа периферийной части торцов дисков 1-4 выполнены прямоугольные про-г точки 24 и 25. Б последние зачекане- ны защитные тонкостенные кольца 26- 28, образующие с проточками 24 подвижные лабиринтные уплотнения, препятствующие попаданию паразитных засветок в оптический канал, а также препятствующие попаданию посторонних 50 например, методом электрохимичес- частиц, загрязняющих рабочие поверх- кой полировки нержавеющей стали. ности одтических элементов, что осо- На корпусе также закреплены элек- бенно заметно в условиях невесомости. тромагниты 57 с П-образным магнитоНа корпусе крепятся электроприво- проводом 57а, каждый из которых соды 29-32, каждый из которых выполнен 55 пряжен с соответствующим якорем 58, в виде электродвигателя постоянного выполненным из магнитомягкой стали тока, например, типа ДИМ (ДПР) с диа- и закрепленным на пружине 59, выпол- метром корпуса 20 мм или микродви- ненной из листовой бронзы. Якорь 58 гателя типа ДПР-2 с диаметром корпу- отстоит от магнитопровода 57а элек 5

10

820414

са 15 мм. Двигатели могут быть снабжены понижающим редуктором одно- или двухступенчатым.

Выходные валы 33-36 соответствующих электроприводов с помощью зубчатых венцов 37-40 вспомогательных дисков 41-44 связаны с соответствующими зубчатыми венцами 1а,2а,3а и 4а дисков 1-4. Вспомогательные диски выполнены из самосмазывающего материала, например сополимера.

Вспомогательные диски 41-44 и электроприводы 29-32 расположены во- -круг дисков 1-4 по спирали, каждый шаг которой определен соответственно размерами дисков 1-4 и размерами групп оптических элементов (11-22). Каждый вспомогательный диск 41-44 совместно с ротором соответствующего электродвигателя и парами зубчатых колес редуктора (при его наличии) имеют свободу вращения относительно корпуса. На вспомогательных дисках 41-44 эксцентрично установлены со- 25 ответственно цилиндрические пальцы 45-48,выполненные из нержавеющей ста-, ли. Длина каждого пальца 45-48 определена положением дисков 1-4 относительно свободного конца 5а цилиндрического стержня 5.

20

30

Каждьй свободный конец 45а, 46а, 47а и 48а соответствующего пальца 45- 48 шарнирно связан с соответствующей винтовой цилиндрической пружиной 49-52, другой конец каждой из которых шарнирно связан с корпусом,например, с помощью цилиндрических отверстий 10а, выполненных во втулке

10, закрепленной на корпусе с помощью цилиндрического стержня 5. На корпусе также закреплены оп тронные пары 53-56, каждая из которых оптически сопряжена с частью поверхности 456, 466, 476 и 486 соответствующих пальцев 45-48 в диаметрально противоположном положении. Указанные оверхности пальцев выполнены с заданным коэффициентом отражения све например, методом электрохимичес- кой полировки нержавеющей стали. На корпусе также закреплены элек- тромагниты 57 с П-образным магнито5128204

тромагнита 57 на расстоянии его рабочего хода i5. Один конец 59а пружины 59 крепится к корпусу, а на другом конце 596 закреплен цилиндрический штырь 60, сферическая головка 5 бОа которого помещена в одну из впадин соответствующего зубчатого венца 1а, 2а, За и 4а дисков 1-4. Штыри 60 выполнены из нержавеющей стали, а зубья венцов 1а, 2а, За и 4а имеют твердое покрытие типа твердого анод- кого оксидирования на алюминиевой или магниевой основе диска.

Модуль зубчатых венцов 1а, 2а, За и 4а выбран достаточно крупным - (например, в пределах m 1-1,5) для обеспечения надежного попадания сферической головки бОа в рабочую впа- цину зубчатого венца. Число зубьев каждого венца 1а, 2а, За и 4а должно 20 быть кратным количеству оптических элементов, размещаемых на данном диске.

На корпусе также закреплен блок 61 управления (фиг.1, показан услов- но), содержащий временные задатчики, дистанционные поляризованные переключатели и другие элементы автоматического управления (не показаны). Контактные группы каждого дистанцион- 30 ного переключателя подключены к выходу источника питания и к входу соответствующего электродвигателя через выход соответствующего временного задатчика и выход соответствующего 35 концевого выключателя (оптронной пары) .

Элементы блока управления могут быть установлены на отдельной печат- 40 ной плате (не показано), размещаемой вне габаритов турели, например, в телевизионной камере, а могут быть полностью или частично размещены на двух кольцевых печатных платах (не 45 показано), закрепленных на корпусе соосно дискам в плоскостях крайних дисков (1 и 4). При этом указанные элементы блока управления могут быть размещены в свободных от элементов 50 кинематики турели зонах. В этом случае диаметр турели определяется в основном элементами ее кинематики (диаметрами венцов поворотного и вспомогательного дисков и габаритами их 55 приводов), а также габаритами оптических элементов, так как микроэлектронные элементы блока управления не занимают больших объемов.

16

Смена объективов и светофильтров в телевизионной камере осуществляется поворотом на заданный угол соответствующих дисков турели.

Поворотная турель работает следующим образом.

Световой поток от наблюдаемого объекта через прозрачное стекло 13, объектив 14 (с углом зрения 60) и прозрачные стекла 19 и 22 попадает на фотокатод (с размерами рабочей зоны 12,6 9,2 мм) передающей трубки телевизионной камеры и преобразуется электронными устройствами камеры в электрические сигналы, величина одного из которых пропорциональна угловому отклонению положения объекта от визирной оси камеры, а величина другого сигнала пропорциональна величине светового потока.

Когда величина углового отклонения положения наблюдаемого объекта относительно визирной оси камеры входит в угловое поле с меньшим диа- (Пазоном (30°), программное устройство выдает электрический сигнал на соответствующий вход блока 61 управления. Последний подает напряжение на обмотку электромагнита 57, который возбуждается и создает магнитодвижущую силу притяжения якоря 58. Последний под действием этой силы начинает движение к магнитопроводу 57а электромагнита 57, увлекая за собой свободный конец 596 пружины 59 и закрепленный, на нем штырь 60. Сферическая головка бОа штыря 60 выходит из впадины зубчатого венца 2а,( освобождая диск 2 для вращения.Якорь 58 упирается в П-образный магнито- провод 57а электромагнита 57 и останавливается в этом положении. Расфик сация диска 2 производится за 0,02- 0,05 с. Электромагнит 57 остается под током и удерживает якорь 58,свободный конец 596 пружины 59 и штырь 60 в оттянутом от диска 2 положении Далее блок управления, с временной задержкой 0,05-0,1 с по отношению к времени подачи напряжения на электромагнит 57, подает напряжение заданной полярности на реверсивный электропривод.30. Последний с помощью вспомогательного диска 42, закрепленного на валу 34, производит в заданном направлении поворот диска 2.При этом, кроме инерционных и статистических сопротивлений на рабочем

10

15

7 12820А1

частке движения, электропривод 30 преодолевает момент, вызванный сопротивлением винтовой цилиндричес- кой пружины 50,

После прохождения дисками 2 и 42 положения, соответствующего нулевому значению величины момента, вызванного усилием винтовой цилиндрической пружины 50, т.е. при повороте диска 2 на половину рабочего угла и достижения пальцем 46 зоны срабатывания оптронной пары 54 (угол р), происходит подача сигнала от оптронной пары 54 на блок 61 управления. Последний выдает на электропривод 30 тормозной импульс напряжения, создавая на валу 34 тормозной момент, под действием которого диск 2 уменьшает скорость.своего поворота, проходит заданный тормозной путь и останавливается. Величина и длительность тормозного момента должна быть не меньше величины и длительности рабочего момента электропривода 30, обеспечивающего поворот диска на половину рабочего угла. При выполнении этого условия палец 46 диска 42 останавливается в зоне захвата диска 46 пружиной 50 (в угле ы), т.е. не дохо- ДЯ до зоны нулевого момента вращения вспомогательного диска 42, создаваемого усилием пружины 50, при этом палец 46 не попадает повторно в зону срабатывания оптронной пары 54 (угол в). В этом случае в угле ы пружина 50 создает знакопеременный момент вращения вспомогательного диска 42 относительно его исходного положения, производя его поворот в исходное устойчивое положение, соответствующее также нулевому значению момента, вызванного сопротивлением пружины 50.

20

25

30

35

40

т

в т в ч я ж н д г в в с

При больших инерционных массах оптических элементов диски 2 и 42 совершают совместно колебательные движения около исходного положения пальца 46 диска 42, соответствующего заданному рабочему положению диска 2 до тех пор, пока энергия колеблющих- ся масс дисков 2 и 42, ротора двигателя и шестерен редуктора (при его наличии) не затухнет за счет перехода ее в тепловую энергию при преодолении трения в опорах вращения и сопротивления пружины 50,

Диск 2, даже без наличия дополнительного электромеханического фиксатора, всегда находится в одном из

0

15

20А1

0

8

рабочих положений - в положении, соответствующем устойчивому положению вспомогательного диска 42, зафиксированного усилием пружины 50. При этом оптические оси объективов 14-16 занимают столько устойчивых положений, во сколько раз диаметр зубчатого венца 2а диска 2 больше диаметра зубчатого венца 38 вспомогательного диска 42.

Время поворота диска 2 на рабочий угол и время его успокоения невелико и составляет не более 0,2-0,3 с. Точность установки диска 2 в рабочее положение фиксатором с гибкой связью (диск 42 с пальцем 46 и пружина 50) составляет 1-3 мм измеренных на радиусе делительной окружности зубчатого венца 2а.

5

0

5

0

5 Q

Когда рабочая впадина зубчатого венца 2а диска 2 устанавливается под действием усилий пружины 50 напротив сферической головки бОа, реле времени блока 61 управления выключает электромагнит 57, освобождая якорь 58 и свободный конец 596 пружины 59. Под действием изгибающих усилий пружины 59 начинается движение ее свободного конца со штырем 60 в сторону подведенной рабочей впадины зубчатого венца 2а. Сферическая головка бОа входит в контакт с боковой поверхностью впадины и доворачи- вает диск 2 усилием пружины 59 в рабочее положение до совмещения осей симметрии впадины и сферической го- повки до сопряжения их в двух опорных точках. Точность фиксации оптических осей сменных объективов может быть не хуже 0,005-0,01 мм. Время отпускания электромеханического фиксатора невелико и может быть порядка 0,02-0,05 с. Последующая смена объективов осуществляется в том же порядке в заданном направлении поворота диска 2. При этом время смены объектива может быть уменьшено до 0,25- 0,5 с при безударном подходе диска 2 к его рабочему положению.

Смена рабочих положений дисков 1,3 и 4 может производиться одновременно и таким же образом. При этом программное устройство выдает допол- нительньй электрический сигнал на другие входы блока 61 управления, который выдает управляюпще напряжения на соответствующие подобные электромагниты (фиг.1, не показано) и электроприводы 29, 31 и 32 через подобные временные задатчики, подключенные к выходам соответствующих оптронньпс пар 53, 55 и 56. Отработка рабочих углов поворота дисков 1, 3 и 4 произ водится их механизмами одновременно за 0,3-0,5 с при безударной смене рабочих положений.

Световой поток, последовательно пройдя установленные по программе на его пути рабочие светофильтры,ослабевает до заданного по программе уровня. Ослабление светового потока и оптическая плотность светофильтра связаны известной зависимостью:

(1

orl

т

Л 10

где F , - лучистый поток, прошедший светофильтрJ

лучистый поток, падающий на светофильтр; D - дискретно меняемая по программе оптическая плотность наборного светофильтра турели, равная D пВд, где п 0,1,2, ...,(п-1), п;

D - заданный дискрет регулирования оптической плот- ности для заданного ряда. Числовой ряд (п) оптических плотностей (D) наборного светофильтра увеличен максимально (до п 3 ) при минимальном числе рабочих светофильтров (2N), размещенных на N дисках, если оптические плотности рабочих светофильтров выбрать из ряда:

3°-D,, 3 D .3 D

„(М-1) . , J Uc

и

D ,2-3 D

2.3{N-f) D

2 32 D

о J

где N 0,1,2,3,...

В данном случае на трех дисках () можно разместить шесть рабочих -светофильтров, из которых можно построить числовой ряд оптических плотностей. 0 В„, 1 D , 2 D , 3 D , ..., 25 D, 26 Dp , т.е. можно получить 27 ступеней ослабления светового потока за счет поворота в заданном направлении на рабочий угол дисков 1,3 и 4 соответственно.

Эта задача решается в минимальных габаритах турели при минимальном количестве сменных светофильтров с

требуемым быстродействием (порядка 0,5 с).

Применение -предлагаемой турели позволяет повысить качество телевизионного изображения в телевизионных камерах-визирах за счет увеличения диапазона дискретного регулирования масштаба и за счет увеличения количества ступеней ослабления светового потока, позволяет использовать высокочувствительные в узком рабочем диапазоне освещенности фотоприемники, а также малогабаритные фотоприемники типа ПЗС-матриц, работающих

5

5

Q

также в узком диапазоне освещенности фотослоя. Построение камер-визиров на ПЗС-матриде с использованием микроэлектроники существенно может сократить габариты и вес камеры в целом (в 2-3 раза).

Реально на общей оси может быть установлено порядка восьми поворотных дисков, на которых может быть размещено до 24-х оптических элементов - малогабаритные объективы, угловые зеркала коммутации световых потоков длиннофокусных объективов (с углом зрения 1-3°), установленных на корпусе камеры, вне турели, свето0 фильтры (нейтральные и цветные),плоскопараллельные оптически прозрачные пластины и т.д.

Для фотоприемников с размерами рабочей поверхности 12,,2 мм диа5 метры поворотных дисков могут быть 60-70 мм, а механизмы их поворота и фиксации могут быть размещены без взаимных помех в кольцевой зоне с внешним диаметром 100-110 и шириной 60-80 мм. Фиксация визирных осей камер при применении предлагаемой турели сохраняется при действии внешних вибрационных и ударных нагрузок. При изготовлении поворотных дисков из алюминиевого сплава с твердым анодным покрытием с графитовой пропиткой рабочих поверхностей скольжения можно обеспечить надежную работу турели в условиях открытого космо- са, без герметизации, т.е. в условиях длительного глубокого вакуз а при воздействии больших перепадов температур, например ±60, с сохранением указанной точности фиксации

(0,005-0,01 мм).

Формула изобретения

1. Поворотная турель для смены оптических элементов преимуществен0

5

0

но объективов и светофильтров, содержащая корпус с закрепленной на нем осью, на которой установлены поворотные диски, каждый из которых связан через узел фиксации его рабочих положений с соответствующим электроприводом, при этом каждый из узлов фиксации выполнен в виде вспомогательного диска, связанного с помощью зубчатых венцов в соответствующим поворотным диском, и концевого выключателя в виде оптронной пары, цилиндрический палец которой имеет участок поверхности с заданным коэффициентом отражения света и эксцентрично установлен одним своим концом на вспомогательном диске параллельно, его оси, а другим концом связан с корпусом через шарнирно закрепленную на нем пружину, источник питания и блок управления с временными задат- чиками, выход каждого из которых подключен к входу электропривода через концевой выключатель узла фиксации соответствующего поворотного диска, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения габаритов, каждый вспомогательный диск узла фиксации рабочих положений поворотного диска соосно установлен на выходном валу своего электропривода, а их оси раз-, мещены по спирали, ось которой сов- падает с осью поворотных дисков, а каждый шаг спирали равен расстоянию между дисками, при этом концы пруO

5

0

5

0

5

жин узлов фиксации размещены внутри спиральной траектории в одной плоскости, параллельной поворотным дискам, и связаны с корпусом через их ось.

2. Турель по п.1, о т л и ч а ю- щ а я с я тем, что, с целью увеличения точности и жесткости фиксации рабочих положений поворотных дисков в условиях вибрационных и ударных нагрузок, на корпусе размещены дополнительные электромеханические фиксаторы, каждый из которых выполнен в виде цилиндрического штыря со сферической головкой, закрепленного на свободном конце упругой пластины, другой конец которой закреплен на корпусе, при этом на пластине размещен якорь закрепленного на корпусе электромагнита, а сферическая головка щтыря размещена во впадине зубчатого венца поворотного диска.

3. Турель по пп,1 и 2, о т л и- чающаяся тем, что блок управления снабжен дистанционными поляризованными переключателями, контактные группы каждого из которых подключены к источнику питания и входу соответствующего электропривода через выходы соответствующего временного задатчика и через концевой выключатель узла фиксации соответствующего поворотного диска, при этом электропривод выполнен реверсивным.

Изобретение относится к средствам связи и позволяет уменьшить габариты устройства. Вспомогательные диски 41-44 узлов фиксации рабочих положений поворотных дисков 1-4 со- осно установлены на выходных валах 33-36 соответствующих эл ектроприво- дов 29-32. Оси вспомогательных дисков размещены по спирали. После подачи блоком управления напряжения S3 т сл го 00 to о 4

г

t 2tt 26 ttf 2 3IS 2S Ч

/ f / 25- /

Фиг. г

PoifonpueMHUK

Фаг.З

59S

Редактор М. Бланар Заказ 7262/43

Составитель О. Петров

Техред В. Корректоре.

Тираж 522 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. /:

;;;;;;;ГсГвё7н;:Го;Гг; - -°р°- - р-™