CN107831578B - 多层全向观察窗口结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多层全向观察窗口结构，它包括：固设的多层壳体，每层壳体上沿周向设有多个观察窗口，观察窗口上设有玻璃窗罩；相邻两层的观察窗口在圆周上交错布置；与各层壳体相对应的传感器，每层传感器设置在可旋转的框型方位轴上，各个传感器通过俯仰驱动机构与框型方位轴连接。通过采用壳体静止，上下层观察窗口交错，各层观察窗口内侧设置可旋转和俯仰调节的传感器的方案，能够可靠的获得全景图像。

Description

多层全向观察窗口结构

技术领域

本发明涉及一种光电设备的观察窗口结构，特别是一种多层全向观察窗口结构。

背景技术

观察窗口是透光的，需保护玻璃，通常为石英或硅、锗等材质的玻璃，能起到防尘、防雨水、盐雾的目的。对用于水下的观察窗口产品，需要承受一定的压力，并且需要密封，玻璃厚度也必须满足耐压要求。保护玻璃的形状可以是平板、球面、柱面的，最实用的为平面玻璃窗罩，加工简单，成本低，光学入射光线经两次折射后再出玻璃，图像无畸变。球面可以大视场角度观察，符合透镜的光学原理，但加工成本高，特殊场合使用；柱面玻璃成形加工方便，可以四周无遮挡，但不符合光学成像机理，特殊应用需复杂光学补偿及图像软件处理，但仍存在图像畸变，一般不推荐使用。

传统观察仪器要做到360°方位观察（俯仰一般为有限角度，如-10°~60°），只需壳体（杆体）转动，有一块保护玻璃即可，如图7中所示，此时图像传感器与壳体一同转动。但是该结构的旋转轴需设置外置动密封，做到气密、水密，结构复杂，重量尺寸大，特别是水下耐压密封，动密封存在渗水的风险。

若采用球面玻璃，顶置，壳体不动，内部传感器转动的方案，可以做到360°无遮挡观察，这又分2种情况，一是半球，只能看到俯仰0°以上的景物，如图8中所示。二是超半球，可以看到负角度，如-10°，如图9中所示，但半球的玻璃加工非常困难，特别是超半球，存在磨头的伸入、装夹等诸多难题，加工异常困难，生产成本高，光学指标难以满足，要达到光洁度、厚度均匀的程度非常困难，使用很少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多层全向观察窗口结构，能够克服现有技术中壳体外转动密封不可靠或者半球玻璃窗罩加工困难的技术问题，能够做到360°全向无遮挡的观察。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多层全向观察窗口结构，它包括：

固设的多层壳体，每层壳体上沿周向设有多个观察窗口，观察窗口上设有玻璃窗罩；

相邻两层的观察窗口在圆周上交错布置；

与各层壳体相对应的传感器，每层传感器设置在可旋转的框型方位轴上，各个传感器通过俯仰驱动机构与框型方位轴连接。

优选的方案中，所述的壳体顶部封闭，沿壳体从上到下分为两层，各层壳体的周向均布多根固定筋，固定筋在壳体侧面形成多个观察窗口，玻璃窗罩密封固定安装在固定筋之间。

优选的方案中，所述的观察窗口为梯形，玻璃窗罩相应的也为梯形，在固定筋上设有燕尾槽，玻璃窗罩镶嵌在固定筋之间，并通过插入到燕尾槽内的压框压紧，在压框的下端通过定位螺钉与壳体固定连接。

优选的方案中，每一层的观察窗口的宽度大于固定筋的宽度。

优选的方案中，每一层的观察窗口为4~8个。

优选的方案中，所述的传感器为可见光图像传感器或红外图像传感器。

优选的方案中，俯仰驱动机构的结构为：各层的传感器的两侧通过销轴与框型方位轴的侧板可转动的连接，销轴通过第一传动机构与固设在框型方位轴的俯仰电机连接。

优选的方案中，所述的第一传动机构中，上钢带轮和下钢带轮与各层传感器的销轴固定连接，驱动轮与俯仰电机的输出轴固定连接，上钢带轮、下钢带轮和驱动轮通过钢带连接。

优选的方案中，在框型方位轴的上端与下端设有转轴，上端的转轴与壳体的顶部可转动的连接，下端的转轴与方位轴支板可转动的连接，方位轴支板与壳体固定连接；

转轴与方位电机的输出轴连接。

优选的方案中，每一层设置的传感器为1个、2个或2个以上；

当每一层设置的传感器为2个时，2个传感器之间水平布置。

本发明提供的一种多层全向观察窗口结构，通过采用壳体静止，上下层观察窗口交错，各层观察窗口内侧设置可旋转和俯仰调节的传感器的方案，能够可靠的获得全景图像。

本发明的结构具有以下的有益效果：

1、无动密封结构，全部静密封，可靠性高。

2、整体重量轻，有利于搭载安装。

3、转动重量轻，惯量小，与转动壳体的结构相比，可减小电机功率，降低功耗，提高定位速度和精度。

4、为细长结构，满足要求直径较小的场合。

5、便于加工。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的主视剖视示意图。

图2为本发明的侧视半剖示意图。

图3为图1的B-B剖视示意图。

图4为图1的C-C剖视示意图。

图5为本发明中的传感器转动到各个角度时的工作状态示意图。

图6为本发明中上传感器和下传感器的驱动结构示意图。

图7为现有技术中转动壳体方案的结构示意图。

图8为现有技术中半球面窗罩的结构示意图。

图9为现有技术中超半球面窗罩的结构示意图。

图中：壳体1，固定筋101，压框102，定位螺钉103，第一层壳体104，第二层壳体105，观察窗口106，玻璃窗罩2，框型方位轴3，侧板4，方位轴支板5，电机支架6，上传感器7，下传感器8，上钢带轮9，下钢带轮10，驱动轮11，俯仰电机12，方位电机13，钢带14，杆体1A，壳体2A，玻璃窗罩3A，传感器4A，旋转动密封5A，壳体1B，半球面窗罩2B，传感器3B，内旋转轴系4B，壳体1C，超半球面窗罩2C，传感器3C，内旋转轴系4C。

具体实施方式

如图1~5中，一种多层全向观察窗口结构，它包括：

固设的多层壳体1，每层壳体1上沿周向设有多个观察窗口106，观察窗口106上设有玻璃窗罩2；本例中优选采用两层壳体，例如第一层壳体104和第二层壳体105。

相邻两层的观察窗口106在圆周上交错布置；相邻两层的观察窗口106的固定筋101与观察窗口106的中线重合。

还包括与各层壳体1相对应的传感器，每层的传感器设置在可旋转的框型方位轴3上，优选的如图6中，框型方位轴3旋转轴线为位于上端和下端的转轴，各个传感器通过俯仰驱动机构与框型方位轴3连接。由此结构，与转动壳体的方案相比，能够减少整个传感器总成的转动扭矩，也减少密封结构的复杂程度。与半球面窗罩的结构和超半球面窗罩的结构相比，本发明的方案能够减少窗罩加工的复杂程度。由于相邻层观察窗口106交错布置，无论旋转到任何角度，至少有一个传感器没有被遮挡。此处所述的传感器为可见光图像传感器或红外图像传感器。例如CCD、CMOS或红外图像传感器。本例中相应设置为上传感器7和下传感器8。

优选的方案中，每一层设置的传感器为1个、2个或2个以上；

当每一层设置的传感器为2个时，2个传感器之间水平布置。本例中优选的采用了1个传感器，例如1个可见光图像传感器。进一步优选的方案是，在每一层采用两个可见光图像传感器，两个可见光图像传感器之间水平布置。或者在每一层采用一个可见光图像传感器和红外图像传感器，该结构下通常可见光图像传感器位于中间，而红外图像传感器位于可见光图像传感器的附近即可。又或者在每一层采用两个可见光图像传感器和一个红外图像传感器，其中两个可见光图像传感器水平布置，红外图像传感器位于可见光图像传感器之间的位置。

优选的方案如图1~4中，所述的壳体1顶部封闭，沿壳体1从上到下分为两层，各层壳体的周向均布多根固定筋101，固定筋101在壳体侧面形成多个观察窗口106，玻璃窗罩2密封固定安装在固定筋101之间。由此结构，大幅降低壳体加工的复杂程度。

优选的方案如图1~4中，所述的观察窗口为梯形，玻璃窗罩2相应的也为梯形，在固定筋101上设有燕尾槽，玻璃窗罩2镶嵌在固定筋101之间，并通过插入到燕尾槽内的压框102压紧，在压框102的下端通过定位螺钉103与壳体1固定连接。由此结构，能够确保密封可靠，而且便于安装，外形也较为美观。

优选的方案如图3、4中，每一层的观察窗口106的宽度大于固定筋101的宽度。由此结构，能够减少固定筋101对传感器的干涉。

优选的方案中，每一层的观察窗口106为4~8个。本例中优选为5~6个观察窗口，进一步优选的，每层有5个观察窗口。如图5中的图5a~5d所示，由于采用了棱台的壳体结构，本发明的加工难度大幅降低，但是产生了新的技术问题，即用于固定的固定筋101会对图像传感器造成干涉，本发明中通过采用上下层的图像传感器克服了该技术问题，如图5中所示，由于角度的原因，总有一个图像传感器未被固定筋101遮挡，从而能够获得全景图像。尤其是采用两个图像传感器的结构中，当两个图像传感器均未被干涉的前提下，能够利用立体视觉进行辅助测距。图5中，图像传感器前部的锥台结构为模拟的入射光线，虚线表示被遮挡。

优选的方案中，所述的传感器为可见光图像传感器或红外图像传感器。

优选的方案中，俯仰驱动机构的结构为：各层的传感器的两侧通过销轴与框型方位轴3的侧板4可转动的连接，销轴通过第一传动机构与固设在框型方位轴3的俯仰电机12连接。

优选的方案中，所述的第一传动机构中，上钢带轮9和下钢带轮10与各层传感器的销轴固定连接，驱动轮11与俯仰电机12的输出轴固定连接，上钢带轮9、下钢带轮10和驱动轮11通过钢带14连接。

优选的方案中，在框型方位轴3的上端与下端设有转轴，上端的转轴与壳体的顶部可转动的连接，下端的转轴与方位轴支板5可转动的连接，方位轴支板5与壳体1固定连接；

方位电机13通过电机支架6与方位轴支板5固定连接，转轴与方位电机13的输出轴连接。由此结构，实现整个多层观察窗口360°无死角的全向观察。

本发明的工作方式为：以CCD传感器水平时，即俯仰角为0°时为例说明如下：方位0°用上CCD观察可看到完整图像，下CCD被遮挡，一直到18°时,2个CCD都能看到完整图像，即0°~18°用上CCD观察；18°以后上CCD逐渐遮挡，切换用下CCD观察，到54°时2个CCD都能看到完整图像，即18°~54°用下CCD观察，依次类推，直到360°循环。见下表：

注：表中 + 为完整图像 - 为遮挡图像

以单层中设置两个CCD传感器为例，图中未示出，参见图6的结构，如果采用两个传感器，则每层的两个传感器之间水平固定连接，同时俯仰和围绕框型方位轴3的轴线旋转，当前层为水平状态时，即俯仰角为0°时为例说明如下：方位18°用右CCD传感器观察可看到完整图像，左CCD传感器被遮挡，一直到36°时,2个CCD传感器都能看到完整图像，即18°~36°用右CCD传感器观察；36°以后右CCD传感器逐渐遮挡，切换用左CCD传感器观察，到72°时2个CCD传感器都能看到完整图像，即36°~72°用左CCD传感器观察，依此类推，直到360°循环。见下表：

注：+ 完整 - 遮挡

CCD传感器之间的间隔相对于观察距离可以忽略不计，可以认为看到的是同一目标。通过方位角度反馈，快速切换视频，保证视频切换时间在人眼暂留时间0.2s内，达到全景观察的目的。当俯仰朝下或俯仰朝上转动时，原理同上。根据视场角大小，选择观察窗口106的开口大小及壳体固定筋101的宽度。即实现全向观察功能，又保证壳体强度。整机重量在15~25kg。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明记载的技术特征，在互不冲突的前提下，能够自由组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多层全向观察窗口结构，其特征是它包括：

固设的多层壳体（1），每层壳体（1）上沿周向设有多个观察窗口（106），观察窗口（106）上设有玻璃窗罩（2）；

相邻两层的观察窗口（106）在圆周上交错布置；

与各层壳体（1）相对应的传感器，每层传感器设置在可旋转的框型方位轴（3）上，各个传感器通过俯仰驱动机构与框型方位轴（3）连接；

所述的传感器为可见光图像传感器或红外图像传感器；

所述的壳体（1）顶部封闭，沿壳体（1）从上到下分为两层，各层壳体的周向均布多根固定筋（101），固定筋（101）在壳体侧面形成多个观察窗口（106），玻璃窗罩（2）密封固定安装在固定筋（101）之间；

所述的观察窗口为梯形，玻璃窗罩（2）相应的也为梯形，在固定筋（101）上设有燕尾槽，玻璃窗罩（2）镶嵌在固定筋（101）之间，并通过插入到燕尾槽内的压框（102）压紧，在压框（102）的下端通过定位螺钉（103）与壳体（1）固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种多层全向观察窗口结构，其特征是：每一层的观察窗口（106）的宽度大于固定筋（101）的宽度。

3.根据权利要求1所述的一种多层全向观察窗口结构，其特征是：每一层的观察窗口（106）为4~8个。

4.根据权利要求1所述的一种多层全向观察窗口结构，其特征是：俯仰驱动机构的结构为，各层的传感器的两侧通过销轴与框型方位轴（3）的侧板（4）可转动的连接，销轴通过第一传动机构与固设在框型方位轴（3）的俯仰电机（12）连接。

5.根据权利要求4所述的一种多层全向观察窗口结构，其特征是：所述的第一传动机构中，上钢带轮（9）和下钢带轮（10）与各层传感器的销轴固定连接，驱动轮（11）与俯仰电机（12）的输出轴固定连接，上钢带轮（9）、下钢带轮（10）和驱动轮（11）通过钢带（14）连接。

6.根据权利要求1所述的一种多层全向观察窗口结构，其特征是：在框型方位轴（3）的上端与下端设有转轴，上端的转轴与壳体的顶部可转动的连接，下端的转轴与方位轴支板（5）可转动的连接，方位轴支板（5）与壳体（1）固定连接；

转轴与方位电机（13）的输出轴连接。

7.根据权利要求6所述的一种多层全向观察窗口结构，其特征是；每一层设置的传感器为1个、2个或2个以上；当每一层设置的传感器为2个时， 2个传感器之间水平布置。