加固型面向未来的镜头设计

长期以来，坚固耐用的镜头设计一直是工业成像应用的支持技术，它正在为工厂车间以外的系统发展。

JASON BAECHLER, MORITEX NORTH AMERICA INC.

  随着机器视觉应用迅速扩展到工厂的受控环境之外，对能够满足更多样化和细致入微要求的加固镜头设计的需求也越来越大。这并不是说工厂自动化对防震和高振动镜片没有需求。但工业化成像应用的解决方案已经实施多年，其中许多技术可以应用于控制较少的环境，例如由自动驾驶汽车和无人机导航的环境。事实上，与工厂外的使用相比，工厂自动化的视觉应用数量很快就会相形见绌，而对自主服务和系统的需求继续发展甚至加速，这在很大程度上是由于当前的大流行。

配备红光和近红外优化的高抗振镜头的无人机和载人飞机越来越多地用于农田的归一化差异植被指数 (NDVI) 分析。 由 MORITEX 北美公司提供。

配备红光和近红外优化的高抗振镜头的无人机和载人飞机越来越多地用于农田的归一化差异植被指数 (NDVI) 分析。由 MORITEX 北美公司提供。

  加固机器视觉的概念让人联想到安装在笨重的外部外壳中的相机和其他硬件的图像。这些外壳增加了视觉系统的尺寸、重量和成本，这在某些工厂自动化应用中可能是可以接受的。但视觉的未来正朝着需要更优化解决方案的系统设计发展，尤其是在工厂外的应用中。虽然机械加固是这种优化的重要组成部分，但它并不是设计和生产更坚固镜头的唯一动机。优化光学系统的其他原因包括需要同时提高成本和成像性能。成像性能——可以定义为光学稳定性和可重复性——可以说是优化的最重要动力。

初始镜头考虑因素

  当考虑到特定解决方案时，大多数现成的机器视觉镜头旨在涵盖相对广泛的应用。传统固定焦距镜头的价值在于其多功能性和高产量。虽然这种多功能性使这些镜头能够满足广泛应用的需求，但在与特定视觉系统一起使用时可能需要权衡取舍。

多向力测试台应用连续的冲击和振动效应来测量图像传感器像素偏移。由 MORITEX 北美公司提供。

  例如，为工厂自动化应用设计的多用途成像镜头的工作距离几乎总是有限的。他们支持的视觉系统通常提供控件，通过自定义相机和照明设置来帮助使镜头适应各种情况。对于在户外运行的非工业视觉系统，这种控制是有限的。操作员无法如此轻松地调整来自太阳的环境光，并且成像工作距离趋于无穷远，至少相对于镜头设计而言。在为这些系统购买现成镜头时，最终用户可能会为旨在涵盖更广泛应用的光学设计支付更多费用，其中包括不一定符合用户情况的优先级。

  定制光学器件也存在限制和缺点。一个常见的挫折来源源于物理定律，它限制了可以基于现有材料设计的光学器件。另一个挑战是定制光学器件的产量相对较低，与大批量生产的标准镜头相比，这可能会带来更高的单件成本。但是，如果定制镜片的产量足够高，则可以将部分预算分配给初始设计优化，然后通过简化设计在产品的整个生命周期内实现广泛的单价回报。

 用于自主移动机器人的镜头的加固特性概述。由 MORITEX 北美公司提供。

  这里适用的公理是复杂系统通常具有更高的成本，而更简单的系统在应用中具有更多的权衡取舍。视觉系统设计人员应首先确定对其应用最重要的成像规格，并适当考虑镜头可靠运行所需的机械和环境要求。下一步是计算镜头对系统的成本贡献。

光学稳定性

  加固并没有预先要求镜头满足作为可重复性能基础的光学稳定性的基本要求。一旦满足这些要求，光学设计就可以解决恶劣或危险的外部环境对光学性能的潜在影响。

  对于基本应用，通常只需为 f 值和孔径光阑选择特定的成像设置，或在特定工作距离下的最佳焦距，即可确保镜头在特定成像配置下准确执行预期。去除多余的零件和特征可以降低复杂性、尺寸和成本，还可以永久修复设置以避免在使用过程中发生不必要的更改。换句话说，缺乏可调节性实际上可以帮助用户并减少以后对支持的需求。每个设置也可以进行微调，以最大限度地提高重要规格。例如，当用户扫描不同高度的物体时，例如上面带有条形码的盒子，他们可能需要更长的景深 (DOF)。

 最大振动试验台设置（上图）。高振动操作之前（左）和之后（右）调制传递函数的比较。lp：线对。由 MORITEX 北美公司提供。

  对于航空成像等新兴应用，它使用归一化的植被指数来确定作物健康状况，可以通过优化具有特殊涂层的镜头和/或对光学组件进行其他调整来定位感兴趣的波长。此外，此类应用的工作距离在数万英尺范围内。所以焦点位置可以固定到无穷远。当然，这些光学变化还会产生其他影响。例如，通过增加 f 数来扩展 DOF 将减小光圈尺寸，进而减小光学系统的衍射极限和最大分辨率。

  需要更高精确度的成像应用，例如计量学或立体视觉，通常需要配置光学组件——以及它们的相对位置和与机械设计的相互作用——以最大限度地减少特殊影响的影响。这通常可以通过使用粘合剂将具有更严格公差的简化机械结构固定到光学元件上来实现，以提供更安全、更紧密间隔的组件。这种方法可以防止组件的光学性能发生任何变化或漂移。在更极端的高温环境中，通常可以使用具有低热膨胀系数的特殊材料来控制镜头外壳的收缩和膨胀，进而控制光学元件位置的移动。

 视觉引导机器人的新兴用途将在未来几年推动对专用和加固光学器件的需求增加。由 MORITEX 北美公司提供。

  需要高光学稳定性的成像应用的主要目标是最小化像素偏移，这会对光学指向产生不利影响。像素偏移可能是由机械力引起的，例如振动或冲击，即使镜头偏心几微米，也会导致图像偏移到相邻像素。如果这种转变总是一致且可预测的，那么图像处理算法可能会纠正这种行为。不幸的是，这种转变以不可预测的方式影响视觉系统。稳定的加固镜头组件应将冲击前后的图像侧位置精度保持在单个像素内，甚至小于 0.3 像素，以获得最准确的成像解决方案。

安装和密封

  尽管在光学设计过程中通常会考虑初始机械要求和约束，但额外的努力通常必须集中在保持设计的完整性和保护镜头免受外部环境因 素的影响。

  所有优秀的机器视觉集成商都会预见到镜头和相机组件的弱点，尤其要注意安装。标准螺纹安装座，如流行的 C 型安装座，非常适合一般使用。但是它们在高振动环境中不能很好地支撑，并且经常被 C 型锁紧夹所取代。不过需要注意的是：在用额外的力量固定镜头卡口时，可能会牺牲光学稳定性。镜头倾斜是一个经常被忽视的过度拧紧症状，它会影响光学稳定性。

  从系统的角度来看，还应特别注意保护镜头卡口和相机之间的接口。例如，C-mount 法兰焦距 (17.526 mm) 相当长，当信封内的空间非常宝贵时，它并不理想。在可行的情况下，建议使用更小、更坚固的螺纹选项，例如 M12 × 0.5 S-mount。

  如果光圈和焦距尚未在光学上固定，则标准固定焦距镜头的下一个考虑因素是镜头的可调节特性。坚固的机械设计应该是任何改进或加固镜头的起点。从那里开始，目标是限制移动部件的数量并为剩余的部件添加锁定机制。对于基本应用，用固定螺钉代替翼形螺钉就足够了。在更苛刻的环境中，首选夹紧螺旋或双螺母锁定配置。定制镜头设计可以完全消除这些弱点，实现完全固定和刚性尺寸优化的机械设计。

越来越多的物流应用需要坚固耐用的机器视觉镜头。由 MORITEX 北美公司提供。

  对于食品、饮料和药品制造中的户外使用或冲洗应用而言，另一个重要的考虑因素是实施侵入保护措施。第 48 页上的示意图显示了各种视觉系统设计特征，这些特征通常用于在高度可变的环境中运行的自主移动机器人，在该环境中，灰尘和其他碎屑、水和清洁剂可能会与镜头接触。镜头两端的核心机械结构用 O 型圈密封，并用胶水填充任何气隙，从而防止进水。密封盖玻璃可以为镜头的物侧和图像侧增加一层额外的保护，在某些情况下，可以兼作滤光片或偏光片。其他镜片处理，例如疏水或疏油涂层，也可以添加到外部光学元件中以排斥液体。为了满足 IPX7 和 IPX9 系统等级，需要最大限度地减少进入，并且还有助于防止在镜头内形成冷凝或起雾。

质量控制

  必须始终执行严格的质量程序，以确保镜头的性能实际上符合特定应用的预期设计。为实现这一目标，光学设计公司应用了大量仿真工具来验证目标光学、机械和热稳定性；评估疲劳；并在制造开始前进行公差分析。原型制作后，应根据镜头设计验证镜头性能，然后进行额外的振动和温度测试，以确保镜头可靠，并在批量生产前解决任何问题。如果预算允许（并且应用程序需要），高度加速寿命测试 (HALT) 或其他极端压力测试可能是确定镜头和系统限制的一种有价值的方法。即使在生产规模扩大后，

扩大视野

  具有挑战性的工厂自动化和测量应用（例如立体视觉、测量和光学轮廓）都可以从坚固耐用的镜头系统中受益。然而，在未来几十年中，可能会推动最大数量的专用和加固光学器件的应用是自主系统。从视觉引导机器人到自动驾驶汽车和无人机，紧凑、低成本、轻便、坚固的光学系统已经被实施，作为系统的眼睛，将与人类直接交互并最终深入融入我们的世界。工业和农业还将寻求通过使用航空成像来提高效率，以监测宝贵的农作物和牲畜的健康状况，确认基础设施的完整性——如管道、电网、

  无论是在工厂内部还是外部，未来的成像应用几乎没有限制，所有这些都将在通往优化解决方案的道路上提出独特的挑战。随着采用的普及，考虑到坚固耐用的光学器件可能会使生产线停机或影响制造产品的质量，这一点仍然很重要。但是，在工厂之外，镜头在某些环境下的性能会影响人们的生活质量、健康甚至安全。

认识作者

        Jason Baechler 是位于加利福尼亚州圣何塞的 MORITEX North America Inc. 的总裁，负责管理公司的业务发展和区域运营。凭借电气工程理学学士学位和 17 年的机器视觉经验，Baechler 发展了 MORITEX 的业务和技术，帮助客户在不同的细分市场取得成功；电子邮件： jason.baechler@moritex.com。