Поворотная турель для смены оптических элементов

 

Изобретение относится к средствам связи и позволяет уменьшить габариты устройства. Вспомогательные диски 41-44 узлов фиксации рабочих положений поворотных дисков 1-4 соосно установлены на выходных валах 33-36 соответствующих эл ектроприводов 29-32. Оси вспомогательных дисков размещены по спирали. После подачи блоком управления напряжения

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХ

РЕСГ1УБЛИ К

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Уб

8d

56

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3872744/24- 10 (22) 25.03.85 (46) 07.01.87. Бюл. ¹ 1 (72) А.И. Некрасов (53) 535.8:621.-218.123 (088.8) (56) Кругер M.ß. и др. Справочник конструктора оптико-механических при боров. — Л.: Машиностроение, 1968, с. 367.

Авторское свидетельство СССР по заявке № 3618312/24-10, кл. С 02 В 7/16, 1983..„Я0„„1282041 A 1 (51)4 С 02 В 7/16 (54) ПОВОРОТНАЯ .ТУРЕЛЬ ДЛЯ СМЕНЫ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ (57) Изобретение относится к средствам связи и позволяет уменьшить габариты устройства. Вспомогательные диски 41 44 узлов фиксации рабочих положений поворотных дисков 1-4 соосно установлены на выходных валах

33-36 соответствующих электроприводов 29,-32. Оси вспомогательных дисков размещены по спирали. После подачи блоком управления напряжения

1282041 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

Изобретение .относится к промышленности средств связи и может быть использовано при построении оптических головок телевизионных камер, в которых необходимо дискретное изменение 5 заданных углов полей зрения и дискретное изменение направленного светового потока с помощью автоматической смены заданного количества 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 визи20 рования 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 светофильт- 40 ров), общий вид, на фиг.2 — то же, разрез по оси вращения, на фиг.3—

61 управления на валу 34 создается тормозной момент, под действием 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 з и. ф лы, 3 ил. 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. в

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 5б 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 t2 и прозрачного защитного стекла 13. На

1282041

На периферийной части торцов дисков 1-4 выполнены прямоугольные про-. точки 24 и 25. В последние зачеканены защитные тонкостенные кольца 2628, образующие с проточками 24 подвижные лабиринтные уплотнения, препятствующие попаданию паразитных засветок в оптический канал, а также препятствующие попаданию посторонних 5Q частиц, загрязняющих рабочие поверхности оптических элементов, что особенно заметно в условиях невесомости.

На корпусе крепятся электроприводы 29-32, каждый из которых выполнен в виде электродвигателя постоянного тока, например, типа ДПМ (ДПР) с диаметром корпуса 20 мм или микродвигателя типа ДПР-2 с диаметром корпу45 диске 2 размещена другая группа из трех элементов — объективы 14- 16 с углами полей зрения 60, ЗО 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.Све- .10 тофильтры 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

1D, 2D., 3D, 6D,, 9D, и 18D,, т.е.

З 1 D и 2 3 " D где D

О о о 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

I заднем рабочем отрезке объектива.

Прозрачное стекло 13 установлено только для защиты рабочих поверхностей объективов 14-16 от загрязнения посторонними частицами, особенно в 35 условиях невесомости, и защиты их от излучающего воздействия космического пространства. Стекло 13 изготовлено из стойкого к излучению материала,например из стекла.

40 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,За 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, кажцый 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 соответственно 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.

Каждый свободный конец 45а, 46а, 47а и 48а соответствующего пальца 4548 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 оптронные пары 53-56, каждая из которых оптически сопряжена с частью поверхнос ти 45б, 46б, 47б и 48б соответствующих пальцев 45-48 в диаметрально противоположном положении. Указанные ! поверхности пальцев выполнены с зацанным коэффициентом отражения света, например, методом электрохимической полирбвки нержавеющей стали.На корпусе также закреплены электромагниты 57 с П-образным магнитопроводом 57а, каждый из которых сопряжен с соответствующим якорем 58, выполненным из магнитомягкой стали и закрепленным на пружине 59, выполненной из листовой бронзы. Якорь 58 отстоит от магнитопровода 57а элек1282041

25

Элементы блока управления могут быть установлены на отдельной печатной плате (не показано), размещаемой вне габаритов турели, например, в телевизионной камере, а могут быть полностью или частично размещены на двух кольцевых печатных платах (не 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 кинематики турели зонах. В этом случае диаметр турели определяется в основном элементами ее кинематики (диаметрами венцов поворотного и вспо. могательного дисков и габаритами их приводов), а также габаритами оптических элементов, так как микроэлектронные элементы блока управления не занимают больших объемов.

50 тромагнита 57 на расстоянии его рабочего хода 8. Один конец 59а пружины 59 крепится к корпусу, а на другом конце 59б закреплен цилиндрический штырь 60, сферическая головка

60а 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 анодного 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 60а в рабочую впадину зубчатого венца. Число зубьев каждого венца 1а, 2а, За и 4а должно быть кратным количеству оптических элементов, размещаемых на данном диске.

На корпусе также закреплен блок

61 управления (фиг.1, показан условно), содержащий временные задатчики, дистанционные поляризованные переключатели и другие элементы автоматического управления (не показаны).

Контактные группы каждого дистанцион- З0 ного переключателя подключены к выходу источника питания и к входу соответствующего электродвигателя через выход соответствующего временного задатчика и выход соответствующего концевого выключателя (оптронной пар61) °

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 59б пружины 59 и закрепленный на нем штырь 60. Сферическая головка 60а штыря 60 выходит из впадины зубчатого венца 2а,< освобождая диск 2 для вращения. Якорь

58 упирается в П-образный магнитопровод 57а электромагнита 57 и останавливается в этом положении. Расфиксация диска 2 производится за 0,020,05 с. Электромагнит 57 остается под током и удерживает якорь 58,свободный конец 59б пружины 59 и штырь

60 в оттянутом от диска 2 положении.

Далее блок управления, с временной задержкой О, 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, зак,репленного на валу 34, производит в заданном направлении поворот диска

2.При этом, кроме инерционных и статистических сопротивлений на рабочем;

1282041 участке движения, электропривод 30 преодолевает момент, вызванный сопротивлением винтовой цилиндричес.кой пружины 50.

После прохождения дисками 2 и 42 5 положения, соответствующего нулевому . значению величины момента, вызванного усилием винтовой цилиндрической пружины 50, т.е. при повороте диска

2 на половину рабочего угла и дости1О жения пальцем 46 зоны срабатывания оптронной пары 54 (угол P) 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 a(), т.е ° не дохо>дя до зоны нулевого момента вращения

30 вспомогательного диска 42, создаваемого усилием пружины 50, при этом палец 46 не попадает повторно в зону срабатывания оптронной пары 54 (угол й). В этом случае в угле Ы пружина 35

50 создает знакопеременный момент вращения вспомогательного диска 42 относительно его исходного положения, производя его поворот в исходное устойчивое положение, соответствую- 40 щее также нулевому значению момента, вызванного сопротивлением пружины 50.

° 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 колеблющихся 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 55 сопротивления пружины 50.

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

Когда рабочая впадина зубчатого венца 2а диска 2 устанавливается под действием усилий пружины 50 напротив сферической головки 60а, реле времени блока 61 управления выключает электромагнит 57, освобождая якорь 58 и свободный конец 59б 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 60а входит в контакт с боковой поверхностью впадины и доворачивает 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 0,250,5 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 дополнительный электрический сигнал на другие входы блока 61 управления, который выдает управляющие напряжения на соответствующие подобные электромагниты (фиг.1, не показано) и элект"

9 128204 роприводы 29, 31 и 32 через подобные временные задатчики, подключенные к выходам соответствующих оптронных пар 53, 55 и 56. Отработка рабочих углов поворота дисков 1, 3 и 4 произ- 5 водится их механизмами одновременно за 0,3-0,5 с при безударной смене рабочих положений.

Световой поток, последовательно пройдя установленные по программе на 10 его пути рабочие светофильтры,ослабевает до заданного по программе уровня. Ослабление светового потока и оптическая плотность светофильтра связаны известной зависимостью: f5

М

10 где F — лучистый поток, прошедший светофильтр, F — лучистый поток, падающий од на светофильтр, D — дискретно меняемая по программе оптическая 25 плотность наборного светофильтра турели, равная

D = nD„rpe и = 0,1,2, ..., (n-1), n, D — заданный дискрет регулирования оптической плотности для заданного ряда.

Числовой ряд {и) оптических плотностей (О) наборного светофильтра увеличен максимально (до n = 3 ) при

35 минимальном числе рабочих светофильтров (2N), размещенных íà N дисках, если оптические плотности рабочих светофильтров выбрать из ряда: а Ф г

3 П g 3 0 )3 D э, 3 Do 4p

23D,23D,23 D

2 3 " В., где N = 0,1 2,3,...

В данном случае на трех дисках (ИЗ) можно разместить шесть рабочих .светофильтров, из которых можно построить числовой ряд оптических 5р плотностей. 0 D 1 D,. 2 D, 3 Р,, 25 D,, 26 D,, 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

1 10 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 коли— чества ступеней ослабления светового потока, позволяет использовать высокочувствительные в узком рабочем диапазоне освещенности фотоприемники, а также малогабаритные фотоприемники типа ПЗС-матриц, работающих также в узком диапазоне освещенности фотослоя. Построение камер-визиров на ПЗС-матрице 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, светофильтры (нейтральные и цветные),плоскопараллельные оптически прозрачные пластины и т.д.

Для фотоприемников с размерами рабочей поверхности 12,6 9,2 мм диаметры 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 усло-. виях длительного глубокого вакуума при воздействии больших перепадов температур, например + 60, с сохранением указанной точности фиксации (0,005-0,01 мм).

Формула изобретения

Поворотная турель для смены оптических элементов преимуществен12

1282041 милл

;р но объективов и светофильтров, содержащая корпус с закрепt енной на нем осью, на которой установлены поворотные диски, каждый из которых связан через узел фиксации его рабочих 5 положений с соответствующим электроприводом, при этом каждый из узлов .фиксации выполнен в виде вспомогательного диска, связанного с помощью зубчатых венцов в соответствующим по- 1О воротным 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 задатчиками, 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 размещены по спирали, ось которой сов- падает с осью поворотных дисков, а каждый шаг спирали равен расстоянию между дисками, при этом концы пру- 35 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 ющ а я с я тем, что, с целью увеличения точности и жесткости фнксации 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 штыря размещена во впадине зубчатого венца поворотного диска.

3. Турель по пп.1 и 2, о т л ич а ю щ а я с я 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.

1282041

Составитель О. Петров

Редактор М. Вланар Техред В.Кадар Корректор 0. Луговая..

Заказ 7262/43

Тираж 522 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная,4