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成像镜头的加固

成像镜头的加固

《成像资源指南》的第5.3节。

在工业机器视觉应用中使用的成像镜头,通常有超出标准成像镜头的特殊要求。用于工厂自动化、机器人技术和工业检测场景的镜头,必须在可能存在振动、冲击、温度变化和污染物的苛刻环境中工作。因此,适用于多种不同工业应用场景的新型加固型镜头应运而生。目前,Edmund Optics(EO)针对各类严苛恶劣的工业应用场景,推出了四种不同类型的加固型镜头,来满足特定的应用需求。

  1. 工业性加固镜头
  2. 防护性加固镜头
  3. 稳定性加固镜头
  4. 无热化加固镜头

工业性加固镜头

工业加固型镜头的设计可以经受住振动和冲击,避免镜头受到损害且保持聚焦或f/#。为了实现这一点,我们去除了镜头的活动部件并使其更容易锁止,不过这样一来也牺牲了其灵活性。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。

A standard lens with complex mechanics and an adjustable iris vs. an industrial ruggedized lens with simplified mechanics.
A standard lens with complex mechanics and an adjustable iris vs. an 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和具有简单结构的工业性加固镜头的对比。

工业性加固镜头非常适用于系统一旦建立好、就不再需要再变动的应用。由于去除了复杂的活动和调整结构,使得所需部件显著减少,从而节省了成本,使得这类镜头也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、相机会需要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等。

防护性加固镜头

防护性加固确保镜头组件使用 O 型环和 RTV 硅胶密封,以防止水汽和碎片进入镜头。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。这些镜头可用于存在高湿度/水分、溅射、灰尘或小颗粒的环境中,以及没有空间来完全封闭镜头和相机的情况下。


图 2:  带有O型环的防护性加固镜头,可以密封灰尘、污垢或湿气等污染物,并在光学系统的前端有一个疏水窗口片。

根据IEC 60529标准,入侵保护由两位数字组成IP等级。第一位数字描述了对固体和颗粒的防护水平,范围从0到6。如果一个部件没有经过对固体入侵的保护测试,第一个数字将被改为X(见表1)。

Solid protection digit: Description
X

没有经过对固体入侵的防护测试

0

对入侵的固体物没有防护能力

1

能阻止直径大于/等于 50mm 的物体进入

2

能阻止直径大于/等于 12.5mm 的物体进入

3

能阻止2.5mm或更大的颗粒进入

4 能阻止1mm或更大的颗粒进入
5 局部防尘,不影响正常使用
6 完全防尘
表 1:IP等级的第一位数字描述了外壳对入侵的固体和颗粒的防护程度

Ip等级的第二位数字描述了外壳对潮湿的防护程度,范围从0到9(见表 2)。

Moisture protection digit: 水的类型 描述(对潮湿的保护程度)
X

 

没有经过对湿气入侵的防护测试
0 对湿气没有防护能力
1 滴下的液体 能防护垂直落下的水滴,测试时长10分钟
2 能防护从垂直方向偏转15°的水滴,测试时长10分钟
3 溅射或喷射 能防护水从垂直方向偏转60°的喷射
4 能防护水从各个方向飞溅,测试时长至少10分钟
5 喷雾(加压) 能防护直径6.3mm的低压喷射
6 能防护直径12.5mm的直接压力喷射
7 连续浸泡 全部浸泡、浸泡深度15cm~1m,能防护30分钟
8 能防护深度超过1m的长时间高压浸泡
9 或 9K 高压高温喷射 完全防潮,耐受高压、高温喷射、冲洗和蒸汽清洗
表 2: IP等级的第二位数字描述了外壳对潮湿的防护程度

请注意,这些评级是不累积的。换句话说,符合IPX7或IPX8并不保证符合IPX5或IPX6。既符合喷射额定值又符合连续浸泡额定值的产品将被指定为两个额定值。例如,防水的 TECHSPEC® Cw系列定焦镜头同时符合 IPX7 和 IPX9K 等级。

稳定性加固镜头

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,镜头的光学指向和定位仍可保持稳定。除了更换光圈和简化的对焦结构外,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移动。图 3 是一个稳定性加固镜头的示意图,所有镜头元件均采用胶合固定,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。镜头的外径和镜筒的内径之间的空间通常小于50微米。尽管空间极小,但几十微米的偏心足以显著影响镜头的指向性。当使用稳定性强的镜头时,如果一个物体点在视场(FOV)的中心并落在准确的中心像素上,即使镜头受到严重振动,它也会一直落在那里(图4)。稳定性加固镜头在FOV必须被校准的应用中非常重要,如测量设备、3D立体视觉、用于机器人传感的镜头,以及用于跟踪物体位置的镜头。这些应用通常需要光学指向始终保持稳定,偏离值必须要比单个像素小得多。

An unperturbed system where object crosshair is mapped to the image crosshair (a) and a perturbed system where lenses are decentered within the barrel and the optical pointing stability changes (b). The object crosshair is mapped to a different place (yellow) on the image than the unperturbed image (red). This example is highly exaggerated and actual changes tend to be on the order of a pixel or less.
An unperturbed system where object crosshair is mapped to the image crosshair (a) and a perturbed system where lenses are decentered within the barrel and the optical pointing stability changes (b). The object crosshair is mapped to a different place (yellow) on the image than the unperturbed image (red). This example is highly exaggerated and actual changes tend to be on the order of a pixel or less.
一个未受干扰的系统,物体的十字准星被映射到图像的十字准星上(a);一个受干扰的系统,镜头在镜筒内产生偏心,光学指向的稳定性发生变化(b)。物体十字准星被映射到图像上的不同位置(黄色),而不是未受干扰的图像(红色)。为了便于说明,这里使用了夸张的例子,实际应用中的变化往往是在一个像素或更小的数量级上。

无热化加固镜头

物质会随着温度的变化进而膨胀和收缩。热膨胀系数(CTE)是用来衡量一种材料的尺寸随温度变化程度的指标。遭受极端或巨大温度变化的高性能视觉系统,需要无热化成像镜头,以尽量减少与温度有关的性能变化。无热化指的是在极端或温度变化的过程中,将光学机械系统维持稳定。关于温度对材料膨胀和折射率的光热和光机械效应产生影响的更多信息,请阅读 《光学基底的热性能》一文.

无热化可以是主动或被动的。主动无热化设计是镜头的设计和制造能够承受极端或变化的温度,但可能需要额外的调整机制,如重新聚焦。被动无热化设计是镜头的设计和制造采用互补材料,在指定的温度范围内不需要调整。有关被动无热化设计的更多信息,可参考《被动无热化设计的介绍》一文。

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