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成像鏡頭的加固

成像鏡頭的加固

成像資源指南第7.2部份

在許多工業機器視覺應用中,在使用成像鏡頭時,通常要符合很多特殊要求。在工廠自動化,機器人和工業檢測中使用的鏡頭必須能夠在特定和苛刻的環境中工作,可能涉及振動,衝擊,溫度變化和污染物。由於這些環境要求,新型的加固型鏡頭不斷被開發出來,用於不同的場景中。它們符合不同類型的加固。主要有三種不同的加固類型:

  1. 工業性加固
  2. 防護性加固
  3. 穩定性加固

工業性加固

工業性加固鏡頭能夠適應振動和衝擊,避免鏡頭被損壞,保持鏡頭的焦距和f /#。為了實現這一點,我們取消了鏡頭的活動部件並使其更容易鎖止,不過這樣一來就犧牲了其靈活性。

標准定焦鏡頭採用複雜的虹膜式光圈和對焦機制,典型的虹膜式光圈由薄葉片和球形掣子組成,用於調節f /#,在衝擊和振動過程中可能會彈出。對於工業性加固鏡頭,虹膜式光圈被移除,取而代之的是固定光圈。另外,在另一個螺紋筒內套用另一個螺紋筒的典型對焦結構被單螺紋和剛性​​鎖定結構代替。

Standard Lens with complex mechanics and an adjustable
iris vs. Industrial Ruggedized Lens with simplified mechanics.
圖1: 具有復雜結構和可調節虹膜式光圈的標準鏡頭對比具有簡單結構的工業性加固鏡頭。

工業性加固鏡頭非常適用於系統一旦建立好,就不再變動的應用。由於去除了複雜的活動和調整結構,將導致所需部件顯著減少,從而節省了成本,使得這類鏡頭擁有額外的成本優勢。很多應用都會用到工業性加固鏡頭,例如高振動的工廠環境,相機會進行快速加速和減速移動的情況,會反復進行多種相機設置的檢測系統以及機器人視覺系統。

防護性加固

防護性加固可確保鏡頭組件被很好的密封,以防止水汽和異物進入鏡頭,通常我們會採用O型圈和RTV矽膠。這種防護方法經常用於工業性加固鏡頭中,因為可調節的對焦結構和虹膜式光圈不利於密封。這類鏡頭可用於高濕度/潮濕,濺射,灰塵或小顆粒的環境中,以及沒有空間來封裝鏡頭和相機的情況下。

Ingress Protection Ruggedized Lens with an O-ring to seal
out contaminants.
圖2: 帶有O型圈的防護性加固鏡頭,可阻止污染物進入。

穩定性加固

與工業性加固鏡頭類似,穩定性加固可保護鏡頭免受損傷,同時還可確保在受到衝擊和振動後,其光學指向和定位仍可保持穩定。除了替換虹膜式光圈並採用簡化的對焦結構外,各個鏡頭的內部元件都採用膠合固定,以防止他們在外殼中產生活動。圖3顯示了一個經過穩定性加固的鏡頭,鏡頭元件被膠合固定,並使用卡鎖來簡化對焦。

Stability Ruggedized Lens with all lens elements glued
in place.
圖3: 穩定性加固鏡頭,所有鏡頭元件均採用膠合固定。

在成像組件中,鏡頭元件位於鏡筒的內孔內。透鏡的外徑和鏡筒的內徑之間的空間很小(通常小於50微米)。儘管空間十分狹小,不過幾十微米的偏心足以顯著影響鏡頭的指向。在使用穩定性加固鏡頭時,如果物點位於視場的中心並準確的落在中心像素上,即使鏡頭被劇烈振動,它也將始終落在此處(圖4)。穩定性加固非常適用於必須進行視場校準的應用,例如測量設備,3D立體視覺,用於機器人感測的鏡頭,以及用於跟踪物體位置的鏡頭上。這些應用通常需要光學指向始終保持穩定,偏離值必須比單個像素小得多。

Unperturbed system where object crosshair is mapped to
the image crosshair.
圖4a: 無擾動系統,物體十字準星準確映射到圖像十字準星上。
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.
圖4b: 透鏡在鏡筒內產生偏心,光學指向穩定性產生變化的擾動系統。物體十字準星映射到圖像上的位置產生偏移。
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.
圖4c: 疊加的圖像十字準星,紅十字線是圖4a的圖像,偏心的黃色十字線是圖4b的圖像。示例略顯誇張,實際的變化往往是一個像素或更小的程度。
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