Оптико-механическое устройство защиты входного элемента оптической системы
OPTICAL-MECHANICAL DEVICE FOR PROTECTION OF INPUT ELEMENT OF OPTICAL SYSTEM

Изобретение относится к оптико-механическим системам с защитными устройствами, препятствующими частичной или полной потери оптической прозрачности под воздействием таких внешних факторов, как осадки, температура, механическое воздействие, красители, излучение и т.д. Оно может быть применено, в частности, в приборах наблюдения и для оптических датчиков, например, на транспортных средствах, в военном деле.
Оптические системы, особенно применяемые на транспортных средствах (прежде всего, военных и безэкипажных - роботах) и в «грязных» технологических процессах, подвержены вредным внешним воздействиям (механическим, термическим, загрязняющим и т.д.), что порой весьма существенно негативно влияет на их работоспособность, надежность, долговечность.
Технические средства борьбы и профилактики этого явления можно разделить на две большие группы:
- основанные на концепции очистки входного оптического элемента системы;
- основанные на концепции оперативной замены прозрачного оптического экрана перед входным оптическим элементом системы.
Наиболее полно спектр устройств второй группы, в приложении, главным образом, к оптико-механическим системам наблюдения, собран и описан в авторской монографии [1. Александр Семенов. Защита и восстановление оптических свойств средств наблюдения. - LAP LAMBERT Academic Publishing.Saarbrucken - Berlin - Leipzig, Deutschland. 08.05.2013. ISBN 978-3-659-37406-7].
Здесь и дисковые, и барабанные, и ленточные, и прочие защитные устройства, в основном запатентованные в Российской Федерации.
Тем ни менее, такие устройства характеризуются постоянным присутствием оптического сопротивления защитных (экранирующих) прозрачных элементов в общем оптическом сопротивлении всей системы. Кроме того, мало внимания уделено обогреву экранов.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявляемому устройству по назначению и совокупности существенных конструктивных признаков является оптико-механическое устройство защиты входного элемента оптического датчика, содержащее установленный с зазором перед входным оптическим элементом датчика поворотный, на направляющих, диск с множеством оптически прозрачных окон или участков с возможностью выборочной их установки с полным перекрытием зоны видимости оптического датчика и защиты упомянутого входного элемента от загрязнения и повреждения под воздействием внешней среды, при этом предусмотрено также устройство обогрева экрана [2. RU 2018127418, МПК B60R 1/00, 31.01.2020, Бюл. №4 (доп.см. FR 1757133].
В нем все окна или участки экрана выполнены одинаковыми, из твердого оптически прозрачного материала, а обогрев диска-экрана обеспечивается нитями-теплопроводами или резисторами, в том числе прозрачными, встроенными в диск и расходящимися радиально с попаданием в зону видимости оптики датчика. Оригинальность прототипа (как отличие от описанного выше массива аналогов) заключается в организации привода диска в виде электромагнитного индукционного устройства.
Однако при всей своей новизне и полезности, прототип недостаточно совершенен в силу следующих недостатков.
Во-первых, при отсутствии вредных внешних воздействий (а следовательно, при временном отсутствии надобности в защитном устройстве вообще), прозрачное вещество защитного окна или участка диска несколько ухудшает оптические свойства оптической системы в целом, снижая качество его работы.
Во-вторых, ограничение выполнения экрана дисковым сужает варианты компоновок таких устройств в конкретных применениях.
В-третьих, слабо развитая система теплопроводов не отвечает потребностям устройств, функционирующих в суровых климатических условиях, характерных для северных широт.
Все это в совокупности обусловливает недостаточно высокие технико-эксплуатационные характеристики (ТЭХ) прототипа как защитного устройства.
Задачей (проблемой), на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение ТЭХ защитного устройства за счет:
- обеспечения возможности временного обнуления оптического сопротивления защитного устройства на период отсутствия вредных внешних воздействий;
- повышения эффективности принудительного нагрева прозрачных окон или участков экрана;
- повышения компоновочных возможностей и расширения области применения защитного устройства.
Решение поставленной задачи (снятие проблемы) достигается тем, что в оптико-механическом устройстве защиты входного элемента оптической системы, содержащем установленный с зазором перед входным элементом оптической системы подвижный, на направляющих, экран с множеством оптически прозрачных окон или участков с возможностью выборочной их установки с полным перекрытием зоны видимости оптической системы и защиты упомянутого входного элемента от загрязнения и повреждения под воздействием внешней среды, и предусмотренном при этом устройстве обогрева экрана, согласно заявляемому изобретению, одно из окон или один из участков экрана замещено(ен) сквозным отверстием.
На решение поставленной задачи (на снятие проблемы) направлен и ряд частных совокупностей существенных признаков устройства в рамках основной совокупности его признаков, сформулированной в предыдущем абзаце и далее в формуле изобретения, а именно:
- экран может быть выполнен в виде поворотного, на валике от привода, диска (это является наиболее простым и надежным частным устройством, в котором наиболее легко обеспечить эффективный теплообмен и который высокотехнологичен в изготовлении, компоновке и монтаже/демонтаже);
- при предыдущей совокупности признаков, диск может быть выполнен со звездчатой металлической основой, охватывающей упомянутые оптически прозрачные окна или участки и имеющей теплопроводную взаимосвязь с валиком, выполненным также металлическим и связанным, в свою очередь, с источником теплоты, в частности приводом диска (это позволяет наиболее полно использовать объем диска для организации подвода теплоты к расположенным на его периферии окнам или участкам, собственно и подлежащих обогреву в борьбе с возможным обледенением и отпотеванием, при этом попутно дополнительно повышается прочность экрана-диска, что особенно важно при механических вредных воздействиях извне);
- экран может быть выполнен в виде барабана (это дополнительно расширяет сферу применения и в наибольшей степени отвечает требованиям повышения прочности и стойкости экрана);.
- экран может быть выполнен в виде ленты с концами, закрепленными на двух разнесенных катушках с упомянутым приводом, с возможностью ее перематывания, в частности реверсивного (это дополнительно расширяет сферу применения и в наибольшей степени отвечает требованиям повышения количества участков в на экране при минимизации габаритов защитного устройства);
- в качестве оптической системы может быть использован оптический датчик (это максимально адаптирует заявляемое частное устройство к прототипу, создавая «здоровую» конкуренцию и условия для продажи лицензии конкуренту);
- в качестве оптической системы может быть использован прибор наблюдения, в частности перископический (это в наибольшей степени адаптирует заявляемой изобретение к военным и специальным оптико-механическим устройствам).
При всей свое краткости формулировки, совокупность отличительных существенных признаков заявляемого устройства, не является простой суммой известных технических результатов применения порознь известных компонентов системы. Имеет место «сверхэффект» (в патентоведческом значении этого термина), который не был очевидным для специалиста из достигнутого уровня техники (разумеется, до рассмотрения заявляемого технического решения). С целым спектром дополнительных технико-эксплуатационных возможностей. Это убедительно демонстрирует изобретательский уровень разработки как второй из триады квалификационных признаков изобретения.
Третий квалификационный признак, - промышленная применимость, - также неоспорим и вытекает, прежде всего, из того же богатейшего опыта проектирования, производства и эксплуатации оптико-механических устройств.
Подробнее сущность изобретения раскрывается в приведенных ниже примерах реализации (частных случаев конструктивного выполнения устройства) и иллюстрируется фигурами 1-4:
на фиг. 1 показано дисковое защитное устройство, вид сбоку в разрезе, где S - зазор между защитным экраном и входным оптическим элементом оптической системы; Q - тепловой поток от источника теплоты в защитный экран;
на фиг. 2 - то же, вид спереди, где ϕ - угловой шаг расположения прозрачных элементов (окон или участков);
на фиг. 3 - барабанное защитное устройство (фрагмент), вид сбоку в разрезе S - зазор между защитным экраном и входным оптическим элементом оптической системы; Q - тепловой поток от источника теплоты в защитный экран;
на фиг. 4 - ленточное защитное устройство (фрагмент), вид сверху.
На иллюстрациях позициями обозначены:
1 - входной (оптический) элемент оптической системы; 2 - оптическая система; 3 - направляющие защитного экрана; 4 - защитный экран (диск, барабан, лента и т.д.); 5 - окна или оптически прозрачные участки экрана; 6 - сквозное отверстие в экране; 7 - валик; 8 - привод поворота (пошагово на угол ϕ) валика; 9, 10 - приводные катушки ленты.
Оптико-механическое устройство защиты входного элемента оптической системы содержит установленный с зазором перед входным (оптическим) элементом 1 оптической системы 2 подвижный, на направляющих 3, защитный экран 4 (диск, барабан, лента и т.д.). На экране 4 выполнено множество оптически прозрачных окон 5 или участков (5) с возможностью выборочной их установки с полным перекрытием зоны видимости оптической системы 2 и защиты ее входного элемента 1 от загрязнения и повреждения под воздействием внешней среды (на фиг. 1-4 слева от экрана 4).
При этом предусмотрено также устройство обогрева экрана (подробнее см. далее).
Одно из окон 5 или один из участков (5) экрана 4 замещено(ен) сквозным отверстием 6. Иначе говоря, в этом месте отсутствует оптически прозрачный или какой-либо другой твердый материал, тело экрана 4 вообще.
В основном частном устройстве (примере по фиг. 1, 2 выполнения заявляемого устройства) экран 4 выполнен в виде поворотного (пошагово на угол ϕ), на валике 7 от привода 8, диска (4). При этом окна 5 или участки (5) расположены на его периферии, с равным угловым шагом ϕ, что позволяет получить максимальное их количество при тех же габаритах диска 4.
При этом диск 4 выполнен, предпочтительно, со звездчатой металлической основой, охватывающей упомянутые оптически прозрачные окна 5 или участки (5), и имеющей теплопроводную взаимосвязь с валиком 7 (см. стрелками направление теплового потока). А валик 7 выполнен также металлическим и связан, в свою очередь, с источником теплоты Q, в частности приводом 8 диска.
В качестве второго частного устройства экрана 4 (см. фиг. 3), он выполнен в виде барабана (4).
В качестве третьего частного устройства экрана 4 (см. фиг. 4), он выполнен в виде ленты (4) с концами, закрепленными на двух разнесенных (приводных) катушках - 9 и 10 с упомянутым приводом 8, с возможностью ее (ленты 4) перематывания, в частности реверсивного (показано стрелками).
В качестве оптической системы 2 может быть использован оптический датчик (2), как в прототипе (т.е. сохранен).
Как альтернатива, в качестве оптической системы 2 может быть использован прибор наблюдения, в частности перископический, как в аналогах (см. монографию [1]).
Заявляемое устройство работает следующим образом.
В режиме «ЗАЩИТА» экран 4 установлен, посредством привода 8, в положении, при котором напротив защищаемого элемента 1 расположен одно из окон 5 или один из оптически прозрачных участков (5) экрана 4 (из числа не разрушенных или не загрязненных выше допустимого уровня).
В процессе эксплуатации устройства частицы пыли, грунта, воды, красителя и т.д. не попадают на элемент 1, рикошетируя от экрана 4 или оседая на нем. При механическом воздействии (попадании в окно 5 пули, осколка, камня, ветки и т.д. механический удар также воспринимается экраном 4.
В случае ухудшения видимости вследствие указанных причин, дистанционно, посредством команды оператора или автоматически (как правило, на современном уровне развития техники) происходит замена рабочего окна (участка) 5: поворотом диска 4 (см. фиг. 1, 2), барабана 4 (см. фиг. 3) на угол, кратный ϕ, или перемотки (смещения) ленты 4 (см. фиг. 4) на один или несколько шагов (выборочно). Соответственно, поврежденное или загрязненное окно (участок) 5 выводится из зоны видимости прибора 2, с восстановлением видимости.
Описанная операция может осуществляться многократно - в соответствии с количеством окон (участков) 5 в экране 4. При этом может быть организовано хотя бы частичное восстановление (очистка) загрязненных окон (участков) 5 за пределами зоны видимости оптического устройства 2.
В режиме «ОТКП. ЗАЩИТА», который является дополнительным по отношению к прототипу и прочим известным аналогам и рекомендуемый здесь к применению в условиях отсутствия необходимости в защите элемента 1 - при благоприятных, безопасных условиях снаружи, в порядке повышения оптической прозрачности (снижения оптического сопротивления) в зоне видимости устройства 2, в рабочую зону (напротив элемента 1) вводят сквозное отверстие 6 в экране 4 (на фиг. 1-4 показаны варианты устройства именно в такой позиции (таком режиме эксплуатации). Тогда оптическое сопротивление от экрана практически нулевое (оптические свойства окружающей среды - как правило, атмосферы.
Теперь о принудительном обогреве, по крайней мере, окон (участков) 5.
От тепловыделяющего устройства, коим может выступать и привод 8 (например, шаговый электродвигатель-редуктор), выделяющаяся теплота Q (см. фиг. 1-3) интенсивно перетекает развитым фронтом валика 7 и металлической звездчатой части диска (барабана) 4, с охватом окон (участков) 5. Часть теплоты Q будет неизбежно поступать через зазор S конвекцией на элемент 1. Это препятствует обледенению, заснеженности, запотеванию и окон (участков) 5 и элемента 1.
Использование заявляемого устройства позволяет улучшить технико-эксплуатационные характеристики защитного устройства за счет обеспечения возможности временного обнуления оптического сопротивления защитного устройства на период отсутствия вредных внешних воздействий, повышения эффективности принудительного нагрева прозрачных окон или участков экрана и повышения компоновочных возможностей и расширения области применения.