CN112230239A - 一种基于光轴折反射的监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光轴折反射的监测装置，包括探测器组件、第一反射组件、套筒二、折反射组件，第一反射组件与套筒二的连接处设有由电机一驱动的第一齿轮传动组件，折反射组件与套筒二的连接处设有由电机二驱动的第二齿轮传动组件；折反射组件中设有可转动和摆动的棱镜组件；探测器组件与第一反射组件连接并位置可调，探测器组件可实现相机、激光器和光源的更换和位置调整；探测器组件产生的光轴通过第一反射组件的反射调整、套筒二的反射调整、折反射组件的旋转折射调整以及偏摆折射调整相互配合实现光轴的三级精度调整。与现有技术相比，本发明可实现360°大范围光轴调整及亚微弧度精准光轴指向，可同时实现对监控对象的成像、跟踪和照明。

Description

一种基于光轴折反射的监测装置
技术领域
本发明涉及光电跟踪技术领域，尤其是涉及一种基于光轴折反射的监测装置。
背景技术
随着人工智能时代的到来，场景监测技术在安防监控、交通管治、地面搜救、军事侦察等领域得到广泛应用。大范围光轴调整和高精光轴指向一直是监测技术所追求的美好愿景，但在传统的光电跟踪监测系统中，光轴大范围调整和高精度指向是一对相互抵触的指标，制约着监测技术的进一步发展。
在先技术(申请号：CN201610934565.6，申请日：2016年11月1日“级联棱镜副光束粗精两级扫描装置”及Anhu Li,etc.,“Laser Coarse-fine Coupling Scanning Methodby Steering Double Prisms”,Applied Optics,2012,51(3):356-364)采用旋转运动机构和偏摆运动机构嵌套组合，实现了粗精扫描功能的集成，但其结构复杂，系统繁冗，需采用两套驱动装置分别驱动两套棱镜实现旋转和偏摆。此外，光轴调整范围有限，并不能实现360°全景范围的光轴调整。
在先技术(Tarhan M,
Figure BDA0002611151340000011
E.A catadioptric and pan-tilt-zoom camera pairobject tracking system for UAVs.J Intell Robot Syst Theory Appl 2011；61(1):119-34.；Eldrandaly KA,Abdel-Basset M,Abdel-Fatah L.PTZ-Surveillance coveragebased on artificial intelligence for smart cities.Int J Inf Manage 2019；49:520-532.)采用云台带动光源或相机运动实现光轴的大范围调整，但该方法容易引起成像模糊，光轴指向不稳定且精度低等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的大范围光轴调整与精准光轴调整难以兼顾的缺陷而提供一种基于光轴折反射的监测装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于光轴折反射的监测装置，包括依次设置的探测器组件、第一反射组件、套筒二、折反射组件，所述套筒二的两端分别通过轴承一、轴承二与第一反射组件、折反射组件倾斜连接，所述第一反射组件与套筒二的连接处设有由电机一驱动的第一齿轮传动组件，所述折反射组件与套筒二的连接处设有由电机二驱动的第二齿轮传动组件；
所述折反射组件中设有可转动和摆动的棱镜组件；所述探测器组件与第一反射组件连接并且位置可调节，所述探测器组件设有相机、激光器和光源，所述探测器组件可实现相机、激光器、光源的更换及位置调整；所述探测器组件产生的光轴通过第一反射组件的反射调整、套筒二的反射调整、折反射组件的旋转折射调整以及折反射组件的偏摆折射调整相互配合实现光轴的三级精度调整。
优选的，所述第一反射组件包括套筒一，所述套筒一内部为空腔并铺满反射层一，所述套筒一与套筒二连接的一端为斜面，另一端呈锥状，并在锥状的顶部设有通光孔；
所述套筒二包括桶体一，所述桶体一的两端设置为斜面，并分别与第一反射组件和折反射组件连接，所述桶体一内部设置为空腔，并铺满反射层二；
所述折反射组件包括套筒三，所述套筒三包括桶体二，所述桶体二内部设置为空腔，并铺满反射层三，所述桶体二与桶体一连接的一端为斜面，另一端的外侧通过滑套与套筒四转动连接，所述棱镜组件可转动和摆动的设置在所述套筒四空腔中。
优选的，所述套筒三通过导向键与滑套滑动连接，所述滑套外侧通过轴承四与套筒四连接，所述套筒四的外侧固连从动齿轮三，所述滑套上设有电机三，所述电机三通过主动齿轮三与从动齿轮三啮合，所述套筒三上设有直线电机，所述直线电机通过拨叉插入滑套；
所述桶体二的内侧通过轴承五与套筒五连接，所述套筒五伸出套筒三的一端位于套筒四的空腔中，所述棱镜组件设置在套筒五位于套筒四的部分空腔内，所述棱镜组件的两端分别通过轴承六与套筒五连接，且两端分别从轴承六伸出并固装有从动齿轮四；
所述套筒五朝向套筒四的一端固连有齿圈三，所述套筒四空腔的顶部和底部分别设有可与从动齿轮四啮合的齿圈一和可与齿圈三啮合的齿圈二；由直线电机通过拨叉带动滑套移动，从而选择齿圈一与从动齿轮四啮合或齿圈二与齿圈三啮合，实现棱镜组件的摆动或转动。
优选的，所述棱镜组件包括棱镜、镜框和用于安装轴承五的轴一，所述棱镜固装在镜框内部，所述轴一与镜框固连。
优选的，所述探测器组件包括安装支架和导轨板，所述导轨板的底面设有轨道，所述安装支架的一端通过直线电机二与安装在轨道中的滑块连接，另一端与第一反射组件连接；
所述滑块上设有电机四，所述电机四通过齿条传动组件控制滑块在轨道上移动；
所述导轨板顶面的一端设有电机五，所述电机五主轴固连主动链轮，所述主动链轮通过链条与设在导轨板顶面另一端的两个从动链轮传动连接，所述从动链轮通过轴承七套在固定在导轨板顶面的轴二；
所述相机、激光器、光源均安装在链条上，当相机、激光器、光源调整至工作位置时，其光线穿过套筒一的通光孔进入第一反射组件。
优选的，所述齿条传动组件包括套在电机四主轴上的主动齿轮四，以及设置在轨道上的齿条，所述主动齿轮四与齿条啮合。
优选的，所述反射层一、反射层二、反射层三为镜面不锈钢、镜面铝板、化学镀镍层、化学镀银层或真空镀铝层。
优选的，所述相机为红外相机。
优选的，所述光源为探照灯。
优选的，所述棱镜的截面为楔形。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用该监测装置，光轴通过反射层反射调整、棱镜旋转折射调整以及棱镜偏摆折射调整，实现光轴的三级粗精调整，可实现360°大范围光轴调整及亚微弧度精准光轴指向。
(2)采用该监测装置，可在单套装置中单动力源实现棱镜的偏摆和旋转运动，使装置结构更加紧凑，成本更加低廉，控制更加容易。
(3)装置中设置有可更换和位置调整的相机、激光器和光源，可同时实现对监控对象的成像、跟踪和照明。
(4)该监测装置无需移动相机、激光器和光源的位置实现光轴调整，具有克服遮挡、结构紧凑、动态特性好、对干扰不敏感，可实现对监控对象更清晰的成像，更精确的跟踪，以及更优质的照明。
(5)该监测系统简单、成本低廉、操作便捷，易于在实际生产中推广。
附图说明
图1为本发明的轴侧图；
图2为本发明的俯剖视图；
图3为本发明任意工作状态下的轴侧图；
图4为本发明任意工作状态下的光路图；
图5为本发明中第一反射组件的轴侧图；
图6为本发明中第一反射组件的主剖视图；
图7为本发明中套筒二的轴侧图；
图8为本发明中套筒二的主剖视图；
图9为本发明中折反射组件的轴侧图；
图10为本发明中折反射组件的主剖视图；
图11为本发明中套筒三的轴侧图；
图12为本发明中套筒三的主剖视图；
图13为本发明中棱镜组件的轴侧图；
图14为本发明中棱镜的主剖视图；
图15为本发明中探测器组件的轴侧图；
图16为本发明中探测器组件的后视图。
图中标注：1为第一反射组件，2为从动齿轮一，3为套筒二，4为探测器组件，5为主动齿轮一，6为电机一，7为编码齿轮一，8为编码器一，9为编码齿轮二，10为编码器二，11为主动齿轮二，12为电机二，13为折反射组件，14为从动齿轮二，15为轴承一，16为轴承二，17为光轴，1-1为套筒一，1-2为法兰，1-3为反射层一，3-1为桶体一，3-2为安装面，3-3为反射层二，13-1为套筒三，13-2为滑套，13-3为从动齿轮三，13-4为主动齿轮三，13-5为套筒四，13-6为电机三，13-7为编码器齿轮三，13-8为编码器三，13-9为拨叉，13-10为直线电机，13-11为轴承四，13-12为齿圈一，13-13为从动齿轮四，13-14为齿圈二，13-15为齿圈三，13-16为棱镜组件，13-17为轴承五，13-18为套筒五，13-19为轴承六，13-20为导向键，13-1-1为桶体二，13-1-2为反射层三，13-1-3为键槽，13-16-1为棱镜，13-16-2为镜框，13-16-3为轴一，4-1为安装支架，4-2为直线电机二，4-3为电机四，4-4为滑块，4-5为齿条，4-6为导轨板，4-7为链条，4-8为主动链轮，4-9为电机五，4-10为主动齿轮四，4-11为轴二，4-12为相机，4-13为激光器，4-14为光源，4-15为轴承七，4-16为从动链轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1～4所示，本申请提出一种基于光轴折反射的监测装置，包括依次设置的探测器组件4、第一反射组件1、套筒二3、折反射组件13。套筒二3的两端分别通过轴承一15、轴承二16与第一反射组件1、折反射组件13倾斜连接。第一反射组件1与套筒二3的连接处设有由电机一6驱动的第一齿轮传动组件，折反射组件13与套筒二3的连接处设有由电机二12驱动的第二齿轮传动组件。折反射组件13中设有可转动和摆动的棱镜组件13-16。探测器组件4与第一反射组件1连接并且位姿可调节。探测器组件4设有位置可调的相机4-12、激光器4-13和光源4-14，探测器组件4可实现相机4-12、激光器4-13、光源4-14的更换及位置调整。探测器组件4的光轴17可入射到第一反射组件1的空腔内，光轴17通过第一反射组件1反射入套筒二3的空腔内，再通过套筒二3反射入折反射组件13的空腔内，最终通过折反射组件13反射和折射出监测装置。探测器组件4产生的光轴17通过第一反射组件1的反射调整、套筒二3的反射调整、折反射组件13的旋转折射调整以及折反射组件13的偏摆折射调整相互配合实现光轴的三级精度调整。
第一齿轮传动组件包括从动齿轮一2和主动齿轮一5，从动齿轮一2倾斜安装在第一反射组件1上。电机一6和编码器一8安装在套筒二3与第一反射组件1连接的一端。电机一6、编码器一8分别通过主动齿轮一5、编码齿轮一7与从动齿轮一2啮合。第二齿轮传动组件包括主动齿轮二11和从动齿轮二14，从动齿轮二14倾斜安装在折反射组件13的一端。电机二12和编码器二10安装在套筒二3与折反射组件13连接的一端。电机二12、编码器二10分别通过主动齿轮二11、编码齿轮二9与从动齿轮二14啮合。
如图5～6所示，第一反射组件1包括套筒一1-1，套筒一1-1内部为空腔并铺满反射层一1-3，套筒一1-1与套筒二3连接的一端为斜面，另一端呈锥状，并在锥状的顶部设有通光孔。法兰1-2固装在套筒一1-1上。
如图7～8所示，套筒二3包括桶体一3-1，桶体一3-1的两端设置为斜面，并分别与第一反射组件1和折反射组件13连接，桶体一3-1内部设置为空腔，并铺满反射层二3-3。桶体一3-1两端分别设置两个垂直于斜面的安装面3-2，用于安装电机一6、编码器一8、编码器二10及电机二12。
如图9～10所示，折反射组件13包括套筒三13-1。如图11～12所示，套筒三13-1包括桶体二13-1-1-1，桶体二13-1-1内部设置为空腔，并铺满反射层三13-1-2。桶体二13-1-1与桶体一3-1连接的一端为斜面，另一端的外侧通过滑套13-2与套筒四13-5转动连接，棱镜组件13-16可转动和摆动的设置在套筒四13-5空腔中。
桶体二13-1-1-1设置有用于安装导向键13-20的键槽13-1-3，套筒三13-1通过导向键13-20与滑套13-2滑动连接，滑套13-2外侧通过轴承四13-11与套筒四13-5连接。套筒四13-5的外侧固连从动齿轮三13-3。滑套13-2上设有电机三13-6、编码器三13-8，电机三13-6、编码器三13-8分别通过主动齿轮三13-4、编码器齿轮三13-7与从动齿轮三13-3啮合。套筒三13-1上固装有直线电机13-10，直线电机13-10通过拨叉13-9插入滑套13-2。
桶体二13-1-1-1的内侧通过轴承五13-17与套筒五13-18连接，套筒五13-18伸出套筒三13-1的一端位于套筒四13-5的空腔中，棱镜组件13-16设置在套筒五13-18位于套筒四13-5的部分空腔内。棱镜组件13-16的两端分别通过轴承六13-19与套筒五13-18连接，且两端分别从轴承六13-19伸出并固装有从动齿轮四13-13。
套筒五13-18朝向套筒四13-5的一端固连有齿圈三13-15，套筒四13-5空腔的顶部和底部分别设有可与从动齿轮四13-13啮合的齿圈一13-12和可与齿圈三13-15啮合的齿圈二13-14。由直线电机13-10通过拨叉13-9带动滑套13-2移动，从而选择齿圈一13-12与从动齿轮四13-13啮合或齿圈二13-14与齿圈三13-15啮合，实现棱镜组件13-16的摆动或转动。
反射层一1-3、反射层二3-3、反射层三13-1-2为镜面不锈钢、镜面铝板、化学镀镍层、化学镀银层或真空镀铝层。
如图13～14所示，棱镜组件13-16包括棱镜13-16-1、镜框13-16-2和用于安装轴承五13-17的轴一13-16-3，棱镜13-16-1与镜框13-16-2注胶固连，轴一13-16-3与镜框13-16-2固连。本实施例中，棱镜13-16-1的截面为楔形。
如图15～16所示，探测器组件4包括安装支架4-1和导轨板4-6，导轨板4-6的底面设有轨道，安装支架4-1的一端通过直线电机二4-2与安装在轨道中的滑块4-4连接，另一端与第一反射组件1连接。
滑块4-4上设有电机四4-3，电机四4-3通过齿条传动组件控制滑块4-4在轨道上移动。齿条传动组件包括套在电机四4-3主轴上的主动齿轮四4-10，以及设置在轨道上的齿条4-5，主动齿轮四4-10与齿条4-5啮合。
导轨板4-6顶面的一端设有电机五4-9，电机五4-9主轴固连主动链轮4-8。主动链轮4-8通过链条4-7与设在导轨板4-6顶面另一端的两个从动链轮4-16传动连接。从动链轮4-16通过轴承七4-15套在固定在导轨板4-6顶面的轴二4-11。两个轴二4-11上下竖直对齐固装在导轨板4-6上，链条4-7缠绕主动链轮4-8和两个从动链轮4-16，且与主动链轮4-8和两个从动链轮4-16啮合。
相机4-12、激光器4-13、光源4-14均安装在链条4-7上，当相机4-12、激光器4-13、光源4-14调整至工作位置时，其光线穿过套筒一1-1的通光孔进入第一反射组件1。
本装置中，相机4-12具体可采用红外相机，光源4-14可采用探照灯。
本装置的工作原理：
探测器组件4通过电机五4-9带动链条4-7运动，实现相机4-12、激光器4-13、光源4-14的更换以及X向位移调整；电机四4-3通过齿条传动组件控制导轨板4-6相对滑块4-4移动，实现相机4-12、激光器4-13、光源4-14的Y向位移调整；安装支架4-1的一端通过直线电机二4-2与滑块4-4连接，直线电机二4-2的伸缩带动滑块4-4和导轨板4-6的Z向移动，实现相机4-12、激光器4-13、光源4-14的Z向位移调整。
相机4-12、激光器4-13、光源4-14调整至工作位置时，其光轴17入射到第一反射组件1的空腔内，并通过第一反射组件1反射入套筒二3的空腔内，再通过套筒二3反射入折反射组件13的空腔内，并通过折反射组件13反射出监测装置。第一反射组件1、套筒二3与折反射组件13之间斜面连接，电机一6与电机二12可分别驱动套筒二3和折反射组件13旋转，改变第一反射组件1轴线与套筒二3轴线的相对夹角以及套筒二3轴线与折反射组件13轴线的相对夹角，即改变反射层一1-3轴线与反射层二3-3轴线的夹角以及反射层二3-3轴线与反射层三13-1-2轴线的夹角，编码器一8和编码器二10可实时反馈套筒二3和折反射组件13转动角度，控制反射层一1-3、反射层二3-3以及反射层三13-1-2相互配合组合反射光轴17，实现光轴17的360°大范围调整，即第一级调整。
直线电机13-10通过拨叉13-9拉动滑套13-2，使齿圈三13-15与齿圈二13-14啮合，即将棱镜组件13-16设置为旋转模式，微调整棱镜组件13-16的转动角度，以转动棱镜13-16-1折射形式调整光轴17，进一步实现光轴17的亚弧度级精调整，即第二级调整；
直线电机13-10通过拨叉13-9推动滑套13-2，使从动齿轮四13-13与齿圈一13-12啮合，将棱镜组件13-16设置为偏摆模式，微调整棱镜组件13-16的摆动角度，以摆动棱镜13-16-1折射形式调整光轴17，进一步实现光轴17的亚微弧度级精调整，即第三级调整。

Claims (10)

1.一种基于光轴折反射的监测装置，其特征在于，包括依次设置的探测器组件(4)、第一反射组件(1)、套筒二(3)、折反射组件(13)，所述套筒二(3)的两端分别通过轴承一(15)、轴承二(16)与第一反射组件(1)、折反射组件(13)倾斜连接，所述第一反射组件(1)与套筒二(3)的连接处设有由电机一(6)驱动的第一齿轮传动组件，所述折反射组件(13)与套筒二(3)的连接处设有由电机二(12)驱动的第二齿轮传动组件；
所述折反射组件(13)中设有可转动和摆动的棱镜组件(13-16)；所述探测器组件(4)与第一反射组件(1)连接并且位置可调节，所述探测器组件(4)设有相机(4-12)、激光器(4-13)和光源(4-14)，所述探测器组件(4)可实现相机(4-12)、激光器(4-13)、光源(4-14)的更换及位置调整；所述探测器组件(4)产生的光轴(17)通过第一反射组件(1)的反射调整、套筒二(3)的反射调整、折反射组件(13)的旋转折射调整以及折反射组件(13)的偏摆折射调整相互配合实现光轴的三级精度调整。
2.根据权利要求1所述的一种基于光轴折反射的监测装置，其特征在于，所述第一反射组件(1)包括套筒一(1-1)，所述套筒一(1-1)内部为空腔并铺满反射层一(1-3)，所述套筒一(1-1)与套筒二(3)连接的一端为斜面，另一端呈锥状，并在锥状的顶部设有通光孔；
所述套筒二(3)包括桶体一(3-1)，所述桶体一(3-1)的两端设置为斜面，并分别与第一反射组件(1)和折反射组件(13)连接，所述桶体一(3-1)内部设置为空腔，并铺满反射层二(3-3)；
所述折反射组件(13)包括套筒三(13-1)，所述套筒三(13-1)包括桶体二(13-1-1)，所述桶体二(13-1-1)内部设置为空腔，并铺满反射层三(13-1-2)，所述桶体二(13-1-1)与桶体一(3-1)连接的一端为斜面，另一端的外侧通过滑套(13-2)与套筒四(13-5)转动连接，所述棱镜组件(13-16)可转动和摆动的设置在所述套筒四(13-5)空腔中。
3.根据权利要求2所述的一种基于光轴折反射的监测装置，其特征在于，所述套筒三(13-1)通过导向键(13-20)与滑套(13-2)滑动连接，所述滑套(13-2)外侧通过轴承四(13-11)与套筒四(13-5)连接，所述套筒四(13-5)的外侧固连从动齿轮三(13-3)，所述滑套(13-2)上设有电机三(13-6)，所述电机三(13-6)通过主动齿轮三(13-4)与从动齿轮三(13-3)啮合，所述套筒三(13-1)上设有直线电机(13-10)，所述直线电机(13-10)通过拨叉(13-9)插入滑套(13-2)；
所述桶体二(13-1-1)的内侧通过轴承五(13-17)与套筒五(13-18)连接，所述套筒五(13-18)伸出套筒三(13-1)的一端位于套筒四(13-5)的空腔中，所述棱镜组件(13-16)设置在套筒五(13-18)位于套筒四(13-5)的部分空腔内，所述棱镜组件(13-16)的两端分别通过轴承六(13-19)与套筒五(13-18)连接，且两端分别从轴承六(13-19)伸出并固装有从动齿轮四(13-13)；
所述套筒五(13-18)朝向套筒四(13-5)的一端固连有齿圈三(13-15)，所述套筒四(13-5)空腔的顶部和底部分别设有可与从动齿轮四(13-13)啮合的齿圈一(13-12)和可与齿圈三(13-15)啮合的齿圈二(13-14)；由直线电机(13-10)通过拨叉(13-9)带动滑套(13-2)移动，从而选择齿圈一(13-12)与从动齿轮四(13-13)啮合或齿圈二(13-14)与齿圈三(13-15)啮合，实现棱镜组件(13-16)的摆动或转动。
4.根据权利要求3所述的一种基于光轴折反射的监测装置，其特征在于，所述棱镜组件(13-16)包括棱镜(13-16-1)、镜框(13-16-2)和用于安装轴承五(13-17)的轴一(13-16-3)，所述棱镜(13-16-1)固装在镜框(13-16-2)内部，所述轴一(13-16-3)与镜框(13-16-2)固连。
5.根据权利要求1所述的一种基于光轴折反射的监测装置，其特征在于，所述探测器组件(4)包括安装支架(4-1)和导轨板(4-6)，所述导轨板(4-6)的底面设有轨道，所述安装支架(4-1)的一端通过直线电机二(4-2)与安装在轨道中的滑块(4-4)连接，另一端与第一反射组件(1)连接；
所述滑块(4-4)上设有电机四(4-3)，所述电机四(4-3)通过齿条传动组件控制滑块(4-4)在轨道上移动；
所述导轨板(4-6)顶面的一端设有电机五(4-9)，所述电机五(4-9)主轴固连主动链轮(4-8)，所述主动链轮(4-8)通过链条(4-7)与设在导轨板(4-6)顶面另一端的两个从动链轮(4-16)传动连接，所述从动链轮(4-16)通过轴承七(4-15)套在固定在导轨板(4-6)顶面的轴二(4-11)；
所述相机(4-12)、激光器(4-13)、光源(4-14)均安装在链条(4-7)上，当相机(4-12)、激光器(4-13)、光源(4-14)调整至工作位置时，其光线穿过套筒一(1-1)的通光孔进入第一反射组件(1)。
6.根据权利要求5所述的一种基于光轴折反射的监测装置，其特征在于，所述齿条传动组件包括套在电机四(4-3)主轴上的主动齿轮四(4-10)，以及设置在轨道上的齿条(4-5)，所述主动齿轮四(4-10)与齿条(4-5)啮合。
7.根据权利要求1所述的一种基于光轴折反射的监测装置，其特征在于，所述反射层一(1-3)、反射层二(3-3)、反射层三(13-1-2)为镜面不锈钢、镜面铝板、化学镀镍层、化学镀银层或真空镀铝层。
8.根据权利要求1所述的一种基于光轴折反射的监测装置，其特征在于，所述相机(4-12)为红外相机。
9.根据权利要求1所述的一种基于光轴折反射的监测装置，其特征在于，所述光源(4-14)为探照灯。
10.根据权利要求4所述的一种基于光轴折反射的监测装置，其特征在于，所述棱镜(13-16-1)的截面为楔形。
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