用于恶劣环境的成像镜头

   成像透镜是系统部署在许多环境中的重要组件，如制造和工厂自动化、自动车辆和机器人以及工业检测。标准成像透镜可能无法在极端环境因素（如温度、湿度、振动或冲击）下工作。然而，标准成像透镜可以通过一些关键的方法进行改进，使其能够承受一种或多种极端环境条件。成像透镜通常有多种加固方式，根据三种不同的类型进行选择：工业级、入口保护型和稳定性加固型。

什么是工业加固？

工业加固镜片设计用于在可能有振动或冲击的环境中生存，并且在使用过程中不会损坏或焦点或f数发生变化。为了实现这一点，许多可移动的机械装置从镜头设计中移除，取而代之的是静态组件，降低了灵活性，但使组件更容易锁定。标准成像透镜通常具有一个由薄叶片和球状分离器组成的可调虹膜，用于调整透镜的光圈大小，从而调整f数。工业加固镜片去掉了这个可调光圈，用固定光圈挡块代替，消除了在恶劣条件下更容易损坏的部件。

图1：标准成像透镜（左）通常使用可调虹彩光圈，而工业加固成像透镜（右）则使用更简单的机械装置。

工业加固是理想的应用，一个成像系统只建立一次，然后不改变。减少镜头设计中复杂的可移动部件数量的另一个好处是，静止部件通常比可移动部件便宜。正因为如此，在数量上实现了显著的成本节约，并以机械上更简单、更坚固的产品的形式传递出去。工业加固镜片有许多应用，包括高振动生产线环境中摄像机的快速加速或减速，检测系统中有多个类似的摄像头系统，以及自动驾驶汽车和仓库分拣机器人等自动化系统。

什么是入口保护？

对成像镜头进行加固保护，使其不受潮气或外来碎片等外部因素的影响。这些镜头提供了一个成本效益高的替代方案覆盖整个成像系统与保护外壳。虽然使用外壳确实提供了一个额外的外部保护层，免受环境因素的影响，但是外壳的使用限制了用户在应用程序内操作时重新聚焦。此外，对于短焦距和大视场透镜系统而言，外壳的制造成本可能过高或不合理，这些系统通常采用外径大于相机特征尺寸的透镜和可能从组件中突出的最终光学元件。

由于复杂的可移动部件易受湿气和其他因素的影响，防护镜片通常也经过工业加固。这种加固通常是通过插入O型环或将RTV硅树脂注入组件内特别易受影响的位置来实现的（见图2）。

图2：一个入口保护加固镜片具有一个O型环，可以密封灰尘、污垢或湿气等污染物。

具有这种加固类型的镜片通常根据特定的IPX等级进行测试。防护等级从0到6的固体防护等级（表中规定了从零到6的固体防护等级）。

表1：第二个数字描述了防潮保护，范围从0到9，其中0或“X”根本不提供防潮保护，9表示完全防潮（表2）。表1：IP等级的第一个数字描述了外壳的固体防护等级。

表2:IP等级的第二位数字描述了外壳的防潮保护等级。

现代防护镜片的防护等级为IP67、IP68或更高。这些加固镜片适用于湿度高、飞溅、灰尘或小颗粒的应用。这些镜头通常也被用在封闭的全成像镜头和相机系统的应用中。

什么是稳定性加固？

稳定性加固是一种类似于工业加固的技术，可以保护透镜组件不受损坏。然而，稳定性加固还可以确保在施加冲击和振动后保持光学指向稳定性和定位，而工业加固则不能。这意味着工业加固透镜可以在施加振动或冲击后将物体上的点映射到附近不同的像素点。

除了移除移动虹膜和聚焦机构，稳定加固透镜通过胶合所有内部透镜元件并使用夹紧锁来简化聚焦机制来进一步稳定（图3）。

图3：一个稳定加固透镜组件是由光学元件组成的，所有胶合到位。

透镜元件位于成像透镜组件筒体的内孔内。透镜外径和筒体内径之间有一个很小的空间，通常为50微米或更小。虽然这个空间非常小，但只有几十微米的偏心度足以影响透镜指向稳定性的质量（图4）。

图4：在没有冲击或振动的未扰动系统（a）中，目标十字准线映射到图像十字准线。在受到冲击或振动（b）扰动的系统中，筒体中的偏心透镜会引起光学指向稳定性的变化，并导致目标十字准线映射到不同的图像位置。

对于稳定加固镜头，如果一个物体点在视野的中心并且落在精确的中心像素上，即使镜头受到严重冲击或震动，它也总是落在同一个像素上（图5）。

图5：标准成像透镜（a）经受50G冲击的像素偏移大于一个像素，而稳定加固透镜（b）在相同条件下的像素偏移小于1μm，远小于像素大小。

稳定加固是一种重要的成像透镜制造技术，它将用于视场必须校准和维护的应用场合。这些类型的应用需要成像透镜来进行精确测量，包括三维立体视觉、机器人视觉传感和运动物体位置跟踪。对于这些应用来说，可接受的光学指向稳定性所需的值通常远小于单个像素的值。