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成像镜头的加固

成像镜头的加固

Section 7.2 of the 成像资源指南7.2章节

在许多工业机器视觉应用中,在使用成像镜头时,通常要符合很多特殊要求。在工厂自动化,机器人和工业检测中使用的镜头必须能够在特定和苛刻的环境中工作,可能涉及振动,冲击 ,温度变化和污染物。由于这些环境要求,新型的加固型镜头不断被开发出来,用于不同的场景中。它们符合不同类型的加固。主要有三种不同的加固类型:

  1. 工业性加固
  2. 防护性加固
  3. 稳定性加固

工业性加固

工业性加固镜头能够适应振动和冲击,避免镜头被损坏,保持镜头的焦距和f /#。 为了实现这一点,我们取消了镜头的活动部件并使其更容易锁止,不过这样一来就牺牲了其灵活性。

标准定焦镜头采用复杂的虹膜式光圈和对焦机制,典型的虹膜式光圈由薄叶片和球形掣子组成,用于调节f /#,在冲击和振动过程中可能会弹出。对于工业性加固镜头,虹膜式光圈被移除,取而代之的是固定光圈。另外,在另一个螺纹筒内套用另一个螺纹筒的典型对焦结构被单螺纹和刚性锁定结构代替。

Standard Lens with complex mechanics and an adjustable
iris vs. Industrial Ruggedized Lens with simplified mechanics.
图1: 具有复杂结构和可调节虹膜式光圈的标准镜头对比具有简单结构的工业性加固镜头。

工业性加固镜头非常适用于系统一旦建立好,就不再变动的应用。 由于去除了复杂的活动和调整结构,将导致所需部件显著减少,从而节省了成本,使得这类镜头拥有额外的成本优势。 很多应用都会用到工业性加固镜头,例如高振动的工厂环境,相机会进行快速加速和减速移动的情况,会反复进行多种相机设置的检测系统以及机器人视觉系统。

防护性加固

防护性加固可确保镜头组件被很好的密封,以防止水汽和异物进入镜头,通常我们会采用O型圈和RTV硅胶。 这种防护方法经常用于工业性加固镜头中,因为可调节的对焦结构和虹膜式光圈不利于密封。 这类镜头可用于高湿度/潮湿,溅射,灰尘或小颗粒的环境中,以及没有空间来封装镜头和相机的情况下。

Ingress Protection Ruggedized Lens with an O-ring to seal
out contaminants.
图2: 带有O型圈的防护性加固镜头,可阻止污染物进入。

稳定性加固

与工业性加固镜头类似,稳定性加固可保护镜头免受损伤,同时还可确保在受到冲击和振动后,其光学指向和定位仍可保持稳定。除了替换虹膜式光圈并采用简化的对焦结构外,各个镜头的内部元件都采用胶合固定,以防止他们在外壳中产生活动。图3显示了一个经过稳定性加固的镜头,镜头元件被胶合固定,并使用卡锁来简化对焦。

Stability Ruggedized Lens with all lens elements glued
in place.
图3: 稳定性加固镜头,所有镜头元件均采用胶合固定。

在成像组件中,镜头元件位于镜筒的内孔内。 透镜的外径和镜筒的内径之间的空间很小(通常小于50微米)。 尽管空间十分狭小,不过几十微米的偏心足以显著影响镜头的指向。在使用稳定性加固镜头时,如果物点位于视场的中心并准确的落在中心像素上,即使镜头被剧烈振动,它也将始终落在此处(图4)。稳定性加固非常适用于必须进行视场校准的应用,例如测量设备,3D立体视觉,用于机器人感测的镜头,以及用于跟踪物体位置的镜头上。 这些应用通常需要光学指向始终保持稳定,偏离值必须比单个像素小得多。

Unperturbed system where object crosshair is mapped to
the image crosshair.
图4a: 无扰动系统,物体十字准星准确映射到图像十字准星上。
Perturbed system where lenses are decentered within
the barrel and the optical pointing stability changes. Object crosshair is
mapped to a different place on the image.
图4b: 透镜在镜筒内产生偏心,光学指向稳定性产生变化的扰动系统。 物体十字准星映射到图像上的位置产生偏移。
Image crosshairs overlayed, red crosshair is image from
Figure 4a and the decentered yellow crosshair is from Figure 4b.
Example is highly exaggerated actual changes tend to be on the order
of a pixel or less.
图4c: 叠加的图像十字准星,红十字线是图4a的图像,偏心的黄色十字线是图4b的图像。示例略显夸张,实际的变化往往是一个像素或更小的程度。
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