一种潜望式成像云台的制作方法

1.本实用新型属于成像设备领域，具体涉及一种潜望式成像云台。


背景技术：

2.成像系统的视场角有限，采用云台配合成像系统构成成像云台以增大视场范围是常用的手段。例如中国专利cn201821029334.1和中国专利cn201721429153.3各提供了一种云台摄像机，中国专利cn201620356018.x提供了一种配合望远镜的经纬仪式云台。成像系统搭配云台后，还可以获得角度测量功能，例如中国专利cn201921296755.5提供了一种具有成像功能的电子经纬仪。
3.为实现大范围成像，云台需要两个轴，并且这两个轴与成像系统光轴组成的三个轴需相互正交。当成像系统的光学筒长较短时，结构可以做的非常紧凑，例如中国专利cn201821029334.1和中国专利cn201721429153.3中展示的。
4.但是当成像系统光学筒长较长时，传统的云台结构会导致整个装置结构很大，不仅难以实现小型化，还会由于机械结构力臂长、重心高导致稳定性低，尤其是当存在风的扰动时，极易引起成像系统抖动，导致难以成像。


技术实现要素：

5.针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，如传统成像云台在成像系统稳定性低、抗干扰能力差的问题，特别是当成像系统光学筒长较长时更严重，本实用新型提供了一种潜望式成像云台，光学机芯包括反射元件、镜头、调焦机构、图像传感器等一系列结构，形成反射光路和筒长的横向布置，当镜头为长焦其筒长通常大于其宽度或直径，当第一转动机构的旋转轴与镜头的光轴平行或重合时，光学机芯绕转轴一旋转时可获得更短转动力臂和更小转动惯量，更短转动力臂可大幅增加稳定性，更小转动惯量可降低对第一转动机构的扭矩要求，方便实现高速旋转，也利于第一转动机构的小型化，第二转动机构也是同理。
6.为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种潜望式成像云台，其中：
7.包含依次连接的光学机芯、第一转动机构、转接支架、第二转动机构、(优选还有)底座；
8.所述光学机芯包括依次设置的反射元件、第一成像镜头及调焦机构、第一图像传感器；
9.所述反射元件位于所述第一成像镜头的物方，使得沿所述第一成像镜头光轴传播的光线产生角度转向；
10.所述调焦机构用于调节第一成像镜头与第一图像传感器之间的距离；
11.所述第一图像传感器位于第一成像镜头的像方，用于将光的空间分布信息转化为电信号并形成图像数据；
12.所述第一转动机构的旋转轴与所述第一成像镜头的光轴平行或重合，使得所述光学机芯沿所述第一转动机构的旋转轴旋转；
13.所述第一转动机构和第二转动机构的旋转轴相互垂直，使得所述光学机芯、第一转动机构、转接支架沿所述第二转动机构的旋转轴旋转。
14.所述转接支架连接第二转动机构与第一转动机构，所述第二转动机构连接底座，底座起到支撑作用。
15.优选的，所述反射元件为直角棱镜，以方便实现反射元件的安装并保证反射面面型。进一步的，所述直角棱镜的反射面为透光面，通过全反射的方式实现反射功能。
16.或者，反射元件为平面反射镜或者外反射直角棱镜，外反射直角棱镜斜面为反光面，优选镀有反射膜。
17.优选地，所述反射元件使得沿所述第一成像镜头光轴传播的光线产生角度a的转向，其中角度a满足70
°
《a《110
°
。
18.优选的，所述反射元件使得沿所述第一成像镜头光轴传播的光线产生角度a的旋转，其中角度a满足89
°
《a《91
°
。
19.优选地，所述第一成像镜头为长焦镜头。优选地，其焦距f1满足f1＞5mm。
20.优选地，所述第一成像镜头的光圈数fn《10，其中光圈数为镜头焦距与入瞳直径之比。
21.优选地，所述第一转动机构的旋转轴与所述光学机芯的几何中心的距离l1满足关系式l1《d1/3，其中d1为所述光学机芯的平均直径。
22.优选地，所述第二转动机构的旋转轴，与所述光学机芯和所述第一转动机构组成的整体的几何中心的距离l2满足关系式l2《d2/3，其中d2为所述光学机芯和所述第一转动机构组成的整体的总长度。
23.优选地，还包括广角成像模组；
24.优选地，所述广角成像模组包括第二成像镜头和第二图像传感器；
25.所述第二成像镜头的焦距f2、第二图像传感器的感光面对角线长度d2，和第一成像镜头的焦距f1、第一图像传感器的感光面对角线长度d1之间满足关系式：d2/f2》d1/f1。
26.优选地，所述第二成像镜头的光轴的方向与所述第一成像镜头的光轴经反射元件转向后的方向之间的夹角b满足关系式b《d2/4f2。
27.优选地，所述第二成像镜头的光轴的方向与所述第一成像镜头的光轴经反射元件转向后的方向相同。
28.优选的，所述第一转动机构提供高度角调节，所述第二转动机构提供方位角调节。
29.优选地，所述潜望式成像云台使用时放置或安装在地面、桌面，或者其他三脚架等基础平台上，这里的基础平台可以是固定式的，也可以是可移动式的。
30.优选地，本实用新型的潜望式成像云台的成像方法如下：
31.获取包含成像目标的广角图像；
32.依据所述广角图像中所述成像目标的位置生成第一角度调整信号；
33.依据所述第一角度调整信号控制第一转动机构和/或第二转动机构的旋转轴的角度；
34.获取包含所述成像目标的光学机芯图像。
35.进一步还包括，依据所述光学机芯图像中所述成像目标的位置生成第二角度调整信号；
36.依据所述第二角度调整信号控制第一转动机构和/或第二转动机构的旋转轴的角度微调，使得成像目标保持在光学机芯的视野中央。
37.进一步还包括，通过调焦和对焦，获得目标的特写图像。
38.上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
39.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
40.(1)光学机芯包括反射元件、镜头、调焦机构、图像传感器等一系列结构，形成反射光路和筒长的横向布置，当镜头为长焦其筒长通常大于其宽度或直径，当第一转动机构的旋转轴与镜头的光轴平行或重合时，光学机芯绕转轴一旋转时可获得更短转动力臂和更小转动惯量，更短转动力臂可大幅增加稳定性，更小转动惯量可降低对第一转动机构的扭矩要求，方便实现高速旋转，也利于第一转动机构的小型化。
41.第二转动机构也是同理，当第二转动机构的旋转轴与光学机芯和第一转动机构组成的整体的几何中心趋近或重合时，光学机芯绕转轴二旋转时可获得更短转动力臂和更小转动惯量，更短转动力臂可大幅增加稳定性，更小转动惯量可降低对第二转动机构的扭矩要求，方便实现高速旋转，也利于第二转动机构的小型化。
42.(2)光学机芯先由第一转动机构驱动相对于第二转动机构旋转后，再由第二转动机构驱动相对于底座旋转。当底座置于地面时，光学机芯为卧式放置(透镜光轴平行与地面)，当光学机芯的筒长较长时，这种放置方式可使得整体的高度低于其宽度，利于降低整体的倾覆力矩，提高稳定性。
43.(3)广角成像模组和光学机芯搭配使用，广角成像模组可为光学机芯提供预览视野，避免由于光学机芯中第一成像镜头视场角较小导致难以搜寻目标。通过广角成像模组搜索到目标后，再通过第一转动机构和第二转动机构的驱动，使得光学机芯的成像系统对准目标进行特写拍照。
附图说明
44.图1是本实用新型实施例的潜望式成像云台的第一种示意图；
45.图2是本实用新型实施例的潜望式成像云台的第二种示意图；
46.图3是本实用新型实施例的潜望式成像云台的第三种示意图。
具体实施方式
47.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本实用新型进一步详细说明。
48.本实用新型的第一实施例如图1所示，提供了一种潜望式成像云台。包含光学机芯100、第一转动机构200、第二转动机构300、转接支架400和底座500。光学机芯100中包含直
角棱镜110、第一成像镜头120、调焦机构130、第一图像传感器140和机芯外壳150。其中直角棱镜110、第一成像镜头120和第一图像传感器140依次分布。第一图像传感器140相比于直角棱镜110更靠近第一转动机构200(其他实施方案中也可以反过来)。直角棱镜110此时充当反射元件。直角棱镜110的一个直角面正对第一成像镜头120，该直角面相比于斜面更靠近第一成像镜头120。直角棱镜110的斜面为透光面，该斜面与第一成像镜头的光轴呈45
°
夹角，通过全反射方式实现光路的转向，使得经反射元件转向后的光轴与第一成像镜头120的光轴夹角a为90
°
。所述调焦机构130与所述第一成像镜头120相连，可驱动第一成像镜头120在光学机芯中沿光轴移动。调焦机构130采用齿轮齿条驱动方式，其中齿轮由步进电机驱动，步进电机与机芯外壳150固连，齿条与第一成像镜头120的镜筒固连。所述第一图像传感器140与机芯外壳150固连。从而调焦机构130可使得第一成像镜头120和第一图像传感器140相对移动。第一成像镜头120的焦距与第一图像传感器140的感光面对角线长度之比为10。第一转动机构200位于光学机芯110的一端，第一转动机构200的旋转轴一210与机芯外壳150固连，从而使得第一转动机构200可驱动光学机芯100旋转。转接支架400与第一转动机构200的外壳和第二转动机构300的旋转轴二310固连，并使得第二转动机构300的旋转轴二310和第一转动机构200的旋转轴一210正交。第二转动机构300的外壳与底座500固连。
49.本实用新型的第一实施例采用直角棱镜通过全反射实现光路转向，该方案的优势是全反射的反射率高，且不存在镀银镀铝等金属镀膜反射面，避免金属镀膜反射面因为长期使用后氧化而导致的反射性能下降。
50.本实用新型的第二实施例如图2所示，提供了一种潜望式成像云台。包含光学机芯100、第一转动机构200、第二转动机构300、转接支架400、底座500和广角成像模组600。光学机芯100中包含平面反射镜111、第一成像镜头120、调焦机构130、第一图像传感器140和机芯外壳150。其中平面反射镜111、第一成像镜头120和第一图像传感器140依次分布。平面反射镜111此时充当反射元件。平面反射镜111相比于第一图像传感器140更靠近第一转动机构200(其他实施方案中也可以反过来)。平面反射镜与第一成像镜头120的光轴呈45
°
夹角。所述调焦机构130与所述第一成像镜头120相连，可驱动第一成像镜头120在光学机芯中沿光轴移动。调焦机构130采用音圈电机驱动方式，其中定子与机芯外壳150固连，动子与第一成像镜头120的镜筒固连。所述第一图像传感器140与机芯外壳150固连。从而调焦机构130可使得第一成像镜头120和第一图像传感器140相对移动。广角成像模组600位于光学机芯100的侧面，安装于机芯外壳150上，广角成像模组600包括第二成像镜头610和第二图像传感器620。第二成像镜头610的光轴的方向与第一成像镜头120光轴经反射元件转向后的方向相同。第一成像镜头120的焦距与第一图像传感器140的感光面对角线长度之比为10。第二成像镜头610的焦距与第二图像传感器620的感光面对角线长度之比为1。第一转动机构200位于光学机芯100的一端，第一转动机构200的外壳与机芯外壳150固连，从而使得第一转动机构200可驱动光学机芯100旋转。转接支架400与第一转动机构200的旋转轴一210和第二转动机构300的旋转轴二310固连，并使得第二转动机构300的旋转轴二310和第一转动机构200的旋转轴一210正交。第二转动机构300的外壳与底座500固连。
51.本实用新型的第二实施例采用平面反射镜实现光路转向，该方案的优势是节省空间与重量。同时，第二实施例采用光学机芯加广角成像模组的双成像光路，广角成像模组可进行广角预览成像，光学机芯可进行特写成像。
52.本实用新型的第三实施例如图3所示，提供了一种潜望式成像云台。包含光学机芯100、第一转动机构200、第二转动机构300、转接支架400、底座500和广角成像模组600。光学机芯100中包含外反射直角棱镜112、第一成像镜头120、调焦机构130、第一图像传感器140和机芯外壳150。其中外反射直角棱镜112、第一成像镜头120和第一图像传感器140依次分布。外反射直角棱镜112此时充当反射元件。第一图像传感器140相比于外反射直角棱镜112更靠近第一转动机构200(其他实施方案中也可以反过来)。外反射直角棱镜112与机芯外壳150固连，其斜面相比于直角面更靠近第一成像镜头120。外反射直角棱镜112的斜面为反光面(优选镀有反射膜)，该斜面与第一成像镜头的光轴呈45
°
夹角。所述调焦机构130与所述第一图像传感器140相连，可驱动第一图像传感器140在光学机芯100中沿第一成像透镜120的光轴移动。调焦机构130包括丝杆、步进电机、光杆和传感器底座，调焦机构130采用丝杆驱动方式，丝杆包括螺杆和螺母，其中螺杆由步进电机驱动，步进电机的外壳与机芯外壳150固连，传感器底座与第一图像传感器140固连，螺母与传感器底座固连，光杆与机芯外壳150固连，传感器底座上有一个孔，与光杆组成孔轴配合。所述丝杆与光杆平行。所述第一成像镜头120与机芯外壳150固连。从而调焦机构130可使得第一成像镜头120和第一图像传感器140相对移动。广角成像模组600位于光学机芯100的一端，固连与机芯外壳150上，广角成像模组600包括第二成像镜头610和第二图像传感器620。第二成像镜头610的光轴的方向与第一成像镜头120光轴经反射元件转向后的方向相同。第一成像镜头120的焦距与第一图像传感器140的感光面对角线长度之比为10。第二成像镜头610的焦距与第二图像传感器620的感光面对角线长度之比为2。第一转动机构200位于光学机芯100的另一端，第一转动机构200的旋转轴一210与机芯外壳150固连，从而使得第一转动机构200可驱动光学机芯100旋转。转接支架400与第一转动机构200的外壳和第二转动机构300的外壳固连，并使得第二转动机构300的旋转轴二310和第一转动机构200的旋转轴一210正交。第二转动机构300的旋转轴二310与底座500固连。转接支架400和底座500在光学机芯上的投影不超过作为反射元件的外反射直角棱镜112，即当第一转动机构200驱动光学机芯100旋转至瞄准向正下方时，转接支架400和底座500不对光路造成遮挡，或者转接支架400和底座500上至少光学机芯100光路扫描的局部镂空或采用透明材质。
53.本实用新型的第三实施例采用外反射直角棱镜的斜面镀反射膜进行外反射实现光路转向，该方案的优势是直角棱镜方便安装。采用光学机芯加广角成像模组的双成像光路，广角成像模组可进行广角预览成像，光学机芯可进行特写成像。且广角成像模组位于光学机芯的一端，其安装空间大，可适用于更大口径的广角成像镜头。且光学机芯的反射元件和广角成像模组均处在装置的一侧，同时转接支架和底座不构成遮挡，此时本装置可以向正下方进行拍摄，云台获得更大的能够有效成像的扫描角度。
54.本实用新型提供的潜望式成像云台，其工作原理为：
55.定义镜头的光轴经反射元件反射后形成的射线为瞄准线，成像系统瞄准方向为第一成像镜头的瞄准线方向(即第一成像镜头的光轴经反射元件反射后的射线所对应方向)，瞄准方向所对应的视野范围内的目标物体发射出的光，经反射元件反射后进入第一成像镜头，汇聚到第一图像传感器的感光面上，调焦机构调整第一成像镜头和第一图像传感器之间的距离，使得目标物体和第一图像传感器的感光面相对于第一成像镜头构成物像共轭关系，以实现对目标物体的清晰成像。
56.当待观测的物体不处于第一成像镜头的视野范围内时，通过第一转动机构和第二转动机构调整第一成像镜头的瞄准线方向，使得待观测物体处于第一成像镜头的视野范围内，从而实现对待测物体的成像。
57.当第二转动机构的旋转轴垂直于水平面时，则第一转动机构可调整高度角，第二转动机构可调整方位角，构成三维空间中的方向坐标。
58.本实用新型的潜望式成像云台的成像方法如下：
59.首先通过第一转动机构和/或第二转动机构的旋转轴的角度调节，调整广角成像模组的朝向，使得成像目标出现在广角成像模组的视场中；基于广角成像模组获取的广角图像，通过目标特征提取，获取成像目标在广角图像中的方位，并生成第一角度调整信号，依据第一角度调整信号控制第一转动机构和/或第二转动机构的旋转角度，实现光学机芯的高度角和/或方位角的调整，使得光学机芯的视野中出现目标图像。当光学机芯的图像中没有发现目标时，继续检测成像目标在广角图像中的方位，重复以上步骤。
60.基于光学机芯实时检测图像中是否发现成像目标，当成像目标出现在图像中时，控制第一转动机构和/或第二转动机构的旋转角度，实现第一转动机构和/或第二转动机构的角度微调，使得成像目标保持在光学机芯的视野中央。当目标不位于图像中心时，重新调整第一转动机构和/或第二转动机构的旋转角度，重复上述步骤。
61.当目标位于图像中心时，控制光学机芯的调焦机构，实现调焦和对焦，使得成像目标在相机视野中大小适中且清晰的观察到目标的细节。
62.当成像目标在图像中丢失时，则重新获取广角图像，重复上述步骤，重新检测成像目标方位。
63.综上所述，与现有技术相比，本实用新型的方案具有如下显著优势：
64.(1)光学机芯包括反射元件、镜头、调焦机构、图像传感器等一系列结构，形成反射光路和筒长的横向布置，当镜头为长焦其筒长通常大于其宽度或直径，当第一转动机构的旋转轴与镜头的光轴平行或重合时，光学机芯绕转轴一旋转时可获得更短转动力臂和更小转动惯量，更短转动力臂可大幅增加稳定性，更小转动惯量可降低对第一转动机构的扭矩要求，方便实现高速旋转，也利于第一转动机构的小型化。
65.第二转动机构也是同理，当第二转动机构的旋转轴与光学机芯和第一转动机构组成的整体的几何中心趋近或重合时，光学机芯绕转轴二旋转时可获得更短转动力臂和更小转动惯量，更短转动力臂可大幅增加稳定性，更小转动惯量可降低对第二转动机构的扭矩要求，方便实现高速旋转，也利于第二转动机构的小型化。
66.(2)光学机芯先由第一转动机构驱动相对于第二转动机构旋转后，再由第二转动机构驱动相对于底座旋转。当底座置于地面时，光学机芯为卧式放置(透镜光轴平行与地面)，当光学机芯的筒长较长时，这种放置方式可使得整体的高度低于其宽度，利于降低整体的倾覆力矩，提高稳定性。
67.(3)广角成像模组和光学机芯搭配使用，广角成像模组可为光学机芯提供预览视野，避免由于光学机芯中第一成像镜头视场角较小导致难以搜寻目标。通过广角成像模组搜索到目标后，再通过第一转动机构和第二转动机构的驱动，使得光学机芯的成像系统对准目标进行特写拍照。
68.可以理解的是，以上所描述的系统的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件
说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，既可以位于一个地方，或者也可以分布到不同网络单元上。可以根据实际需要选择其中的部分或全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
69.另外，本领域内的技术人员应当理解的是，在本实用新型实施例的申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
70.本实用新型实施例的说明书中，说明了大量具体细节。然而应当理解的是，本实用新型实施例的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本实用新型实施例公开并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型实施例的示例性实施例的描述中，本实用新型实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。
71.然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型实施例要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，实用新型方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型实施例的单独实施例。
72.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型实施例进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例各实施例技术方案的精神和范围。