Поворотная турель для смены оптических элементов

(088.8) Справочник анических при ение, 1968, тво СССР Уббббб ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(46) 07.01.87. Бюл. Ф 1 (72) А.И. Некрасов (53) 535.8:621.-218. 123 (56) Кругер М.Я. и др. конструктора оптико-мех боров. - Л.: Машиностро с. 367.Авторское свидетельс по заявке У 3618312/24- кл, С 02 В 7/16, 1983.(54) ПОВОРОТНАЯ .ТУРЕЛЬ ДЛЯ СМЕНЫ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ(57) Изобретение относится к средствам связи и позволяет уменьшитьгабариты устройства. Вспомогательныедиски 41-44 узлов фиксации рабочихположений поворотных дисков 1-4 соосно установлены на выходных валах33-36 соответствующих электроприводов 29,-32. Оси вспомогательных дисков размещены по спирали. После подачи блоком управления напряжения1282041 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 оптическихголовок телевизионных камер, в которых необходимо дискретное изменение 5заданных углов полей зрения и дискретное изменение направленного светового потока с помощью автоматической смены заданного количества объективов и светофильтров в условияхограниченных весов и габаритов, привибрационных и ударных нагрузках,например, при установке их на транспортные средства,В этих условиях необходима заданная ориентация транспортных средств.Для решения этих задач используютсятелевизионные камеры - визиры. Вэтих случаях высокая точность визи 20рования на различных дистанциях иповышенное качество телевизионногоизображения (высокая четкость) вызывают необходимость увеличения ступеней регулирования масштаба отсчетаи уровней ослабления светового потока, направленного на вход чувствительного фотоприемника камеры, засчет увеличения набора сменных оптических элементов (объективов и светофильтров) при условии уменьшениягабаритов и масс их механизмов перемещения.Цель изобретения - уменьшение габаритов устройства, увеличение точности и жесткости. фиксации рабочихположений 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.3 -61 управления на валу 34 создаетсятормозной момент, под действием которого диск 2 останавливается, Пружина 50 поворачивает вспомогательныйциск 42 в исходное положение, Одновременно может производиться сменарабочих положений дисков 1, 3 и2 з.п, 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. ь На стержне 5 также установлены втулки 6-10, выполненные из нержавеющей стали. Втулка 10 закреплена на свободном конце 5 а стержня 5 с помощью резьбового соединения и закрепляет втулки 6-9 неподвижно на стержне за счет их поджатия к буртику 5 б конца 5 в стержня 5. Конец 5 в 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 оптическиеоси 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, Надиске 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 - 5 светофильтры 17 (не показан) и 18 и прозрачное стекло 19. На диске 4 раз. мещена 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 2 И, где И - количество дисков со светофильтрами, в данном случае - три, Светофильтры имеют плотности 10, 20 30 60 9 Р, и 180 т.е.31 В и 2 3" Э где РО оо заданный дискрет регулирования опти ческой 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 взаднем 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 На периферийной части торцов дисков 1-4 выполнены прямоугольные про-. точки 24 и 25. В последние зачеканены защитные тонкостенные кольца 26- 45 28, образующие с проточками 24 подвижные лабиринтные уплотнения, препятствующие попаданию паразитных засветок в оптический канал, а также препятствующие попаданию посторонних 50 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 ДПРс диаметром корпуса 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 1 а,2 а,За и 4 а дисков 1 - 4. Вспомогательные диски выполнены из самосмазывающего материала, например сополимера.Вспомогательные диски 41-44 и электроприводы 29-32 расположены вокруг 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 5 а цилиндрического стержня 5. Каждый свободный конец 45 а, 46 а, 47 а и 48 а 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 10 а, 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 поверхности 456, 466, 476 и 486 соответствующих пальцев 45-48 в диаметрально противоположном положении. Указанныеповерхности пальцев выполнены с зацанным коэффициентом отражения света, например, методом электрохимичес. кой полировки нержавеющей сталиНа корпусе также закреплены электромагниты 57 с П-образным магнитопроводом 57 а, 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 57 а элек 12820415 10 15 20 25 35 40 45 50 тромагнита 57 на расстоянии его рабочего хода 8, Один конец 59 а пружины 59 крепится к корпусу, а на другом конце 59 б закреплен цилиндрический штырь 60, сферическая головка 60 а которого помещена в одну из впадин , соответствующего зубчатого венца 1 а, 2 а, За и 4 а дисков 1-4, Штыри 60 выполнены из нержавеющей стали, а зубья венцов 1 а, 2 а, За и 4 а имеют твердое покрытие типа твердого анод-ного оксидирования на алюминиевой или магниевой основе диска.Модуль зубчатых венцов 1 а, 2 а, За и 4 а выбран достаточно крупным (например, в пределах ш = 1-1,5) для обеспечения надежного попадания сферической головки 60 а в рабочую впадину зубчатого венца, Число зубьев каждого венца 1 а, 2 а, За и 4 а 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- З 0 ного переключателя подключены к выходу источника питания и к входу соответствующего электродвигателя через выход соответствующего временного задатчика и выход соответствующего концевого выключателя (оптронной пары). 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. Смена объективов и светофильтровв телевизионной камере осуществляется поворотом на заданный угол соответствующих дисков турели,Поворотная турель работает следующим образом.Световой поток от наблюдаемогообъекта через прозрачное стекло 13,объектив 14 (с углом зрения 60 ) ипрозрачные стекла 19 и 22 попадаетна фотокатод (с размерами рабочейзоны 12,6 " 9,2 мм) передающей трубкителевизионной камеры и преобразуетсяэлектронными устройствами камеры вэлектрические сигналы, величина одного из которых пропорциональна угловому отклонению положения объектаот визирной оси камеры, а величинадругого 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 насоответствующий вход блока 61 управленияПоследний подает напряжениена обмотку электромагнита 57, который возбуждается и создает магнитодвижущую силу притяжения якоря 58.Последний под действием этой силыначинает движение к магнитопроводу 57 а электромагнита 57, увлекая засобой свободный конец 59 б пружины 59и закрепленный на нем штырь 60. Сферическая головка 60 а штыря 60 выходит из впадины зубчатого венца 2 а,освобождая диск 2 для вращения. Якорь58 упирается в П-образный магнитопровод 57 а электромагнита 57 и останавливается в этом положении. Расфиксация диска 2 производится за 0,020,05 с. Электромагнит 57 остаетсяпод током и удерживает якорь 58,свободный конец 59 б пружины 59 и штырь60 в оттянутом от диска 2 положении.Далее блок управления, с временнойзадержкой О, 05-0, 1 с по отношению квремени подачи напряжения на электромагнит 57, подает напряжение заданной полярности на реверсивныйэлектропривод.ЗО. Последний с помощью вспомогательного диска 42, зак,репленного на валу 34, производит взаданном направлении поворот диска2.При этом, кроме инерционных и статистических сопротивлений на рабочем;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 дости 1 О жения пальцем 46 зоны срабатывания оптронной пары 54 (угол ), 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 доходя до зоны нулевого момента вращения30 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 щее также нулевому значению момента, вызванного сопротивлением пружины 50, При больших инерционных массах оптических элементов диски 2 и 42 45 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 2 а 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 2 а. Когда рабочая впадина зубчатого венца 2 а диска 2 устанавливается под действием усилий пружины 50 напротив сферической головки 60 а, реле времени блока 61 управления выключает электромагнит 57, освобождая якорь 58 и свободный конец 59 б пружины 59. Под действием изгибающих усилий пружины 59 начинается движение ее свободного конца со штырем 60 в сторону подведенной рабочей впадины зубчатого венца 2 а. Сферическая головка 60 а 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 0,25- 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 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 водится их механизмами одновременно за 0,3-0,5 с при безударной смене рабочих положений.Световой поток, последовательно пройдя установленные по программе на Ю его пути рабочие светофильтры,ослабевает до заданного по программе уровня. Ослабление светового потока и оптическая плотность светофильтра связаны известной зависимостью: 15РРд 10где Р - лучистый поток, прошедшийсветофильтр,Р а - лучистый поток, падающийоана светофильтр;О - дискретно меняемая попрограмме оптическая 25плотность наборного светофильтра турели, равнаяО = и О где и = 0,1,2,,(п), п,О - заданный дискрет регулирования оптической плотности для заданного ряда.Числовой ряд (п) оптических плотностей (О) наборного светофильтраувеличен максимально (до п = 3 ) прий35минимальном числе рабочих светофильтров (2 М), размещенных на Я дисках, если оптические плотности рабочих светофильтров выбрать из ряда:а Ф г Ц"3 О э 3 О ФЗ Оа ф, 3 Оа 4023 О,23 О, 23 гО2 3". Огде Я = 0,1,2,3,В данном случае на трех дисках (И 3) можно разместить шесть рабочих .светофильтров, из которых можно построить числовой ряд оптических 50 плотностей. 0 О 1 О ,. 2 О 3 О25 О 26 О 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 10требуемым 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 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 12,69,2 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 сменыоптических элементов преимуществен12 1282041 миил но объективов и светофильтров, содержащая корпус с закрепленной на немосью, на которой установлены поворотные диски, каждый из которых связан через узел фиксации его рабочих 5положений с соответствующим электроприводом, при этом каждый из узлов.фиксации выполнен в виде вспомогательного диска, связанного с помощьюзубчатых 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 концомна вспомогательном диске параллельно его оси, а другим концом связанскорпусом через шарнирно закрепленнуюна нем пружину, источник питания и 20блок управления с временными задатчиками, выход каждого из которых подключен к входу электропривода черезконцевой выключатель узла фиксациисоответствующего поворотного диска,о т л и ч а ю щ а я с я тем, что,с целью уменьшения габаритов, каждыйвспомогательный диск узла фиксациирабочих положений поворотного дискасоосно установлен на выходном валусвоего электропривода, а их оси размещены по спирали, ось которой сов-падает с осью поворотных дисков, акаждый шаг спирали равен расстояниюмежду дисками, при этом концы пру 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.1282041Составитель О. Петров Редактор М. Вланар Техред В.Кадар Корректор О. Луговая . Заказ 7262/43Тираж 522 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,4