光学新动态 | 适用于恶劣环境的加固型成像系统

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适用于恶劣环境的镜头促进自动化发展

• 成像系统正被引入新的自动化应用环境中
• 机器视觉镜头正不断发展以保持在这些应用条件下的性能
• 这些新兴的应用许多都经历了恶劣的环境
• 经过加固处理的镜头可承受冲击和振动、在水中暴露以及温度波动
  

自动化系统已经扩展到各行各业，对现代生活也越来越重要。从自动化农业设备到与制造业工人一起工作的机器人再到无人机，机器视觉系统正应用于传统的受控环境之外的新应用领域。这些应用通常是在有冲击和振动、喷水、湿度、污染物和温度波动的恶劣环境下进行的。虽然机器视觉镜头比起其他专业消费类产品来说更加坚固，但应对具有挑战性的应用可能仍需进行额外的加固。新一代机器视觉镜头已经面世，它们可以适用于这些苛刻的应用条件，使自动化系统能够满足对高性能的要求，从而勇敢面对世界的挑战。

为什么需要额外的加固？

传统的机器视觉镜头已经被设计成能够承受工厂环境的磨损。它们可以长期使用而不会散架。然而，它们不一定被设计成放入机器、装载到卡车上、掉落到工厂地板上，以及在具有额外冲击、振动或污染物的条件下使用。工厂环境可能很恶劣，但通常是可控的，而其他环境则不然。

传统的机器视觉镜头具有多个用于调节光孔的叶状光阑和双螺纹对焦机构，使镜头具有灵活性且易于调整，以适应不同的使用情况（图1）。然而，冲击和振动会使这些移动部件发生位移，导致不必要的像素偏移和分辨率下降。水和其他污染物可能渗入镜头组件使镜头无法使用，甚至损坏镜头后面的相机传感器。温度波动也会导致玻璃透镜和金属外壳膨胀或收缩，导致焦点位置改变，并要求系统重新对焦。随着自动化的进步，机器视觉系统可以在更恶劣的环境中使用，以上这些问题都可能降低性能或使镜头无法使用。例如，自动化农业设备在崎岖的地形上移动时会受到冲击和振动，空气中的水雾和湿度，以及天气变化带来的温度波动。

图 1: 传统机器视觉镜头内部的移动部件会因为恶劣环境下的冲击和振动而发生位移，导致性能下降。不必要的污染物也可能渗入聚焦机构周围的组件。

工业性加固镜头尽量减少镜头的复杂性

最简单的解决方案往往是最好的。工业加固涉及简化和精简镜头机械构造，以实现更轻巧和节省空间的设计，使其成为设置后无需改动的仪器和OEM应用集成的理想选择。这也防止了在经历冲击和振动时焦点或f/#的变化，并减少了移动机械部件的数量。从而使得工业加固镜头比传统镜头更具成本效益。固定光圈挡板取代了可调节的多叶光阑。单线程调焦机构取代了笨重的双线程调焦机构。然而，虽然工业加固的镜头既更具成本效益，又能保护其免受冲击和振动，但它们在调整镜头参数方面的灵活性却较低。

图 2: 工业性加固简化了镜头的机械结构，防止冲击和振动引起的焦点或f/#变化，是工业应用中设置后就 "一劳永逸 "的成像镜头的理想选择。

稳定性加固镜头对冲击和振动的最大保护

稳定性加固建立在工业耐用性的基础上，有更多的保护功能，以保护镜头免受冲击和振动。组件内所有单独的玻璃元件都被胶合在一起，以保持光学指向的稳定性。冲击和振动会使传统镜头内的镜头元件偏移，导致图像在不同的像素上移动（图3）。将所有元件粘合到位可以防止像素偏移，并在恶劣环境中保持性能。

图 3: 传统镜头由于冲击和振动而发生的像素偏移（左）与稳定性加固镜头改进的指向稳定性（右）的比较。防护性加固镜头: 防水组件

受保护的坚固性密封镜头，防止水或固体颗粒进入外壳。用O型环来密封已经工业加固的镜头，因为传统镜头的移动部件会影响密封。Edmund Optics® 的防护性加固镜头是防水镜头，符合国际电工委员会（IEC）的 IPX7 和 IPX9K 的入侵保护等级。将这些镜头与防水相机和照明设备（需要时）搭配使用，可以保护整个成像系统。

图 4: 在户外操作的自动化设备经常会暴露在水里，通过防护性加固可将其机器视觉系统密封起来，使污染物无法进入组件。

无热化加固：无论温度如何都能保持无热化

玻璃透镜元件及其金属外壳的热诱导膨胀和收缩会导致机器视觉镜头的焦点偏移。这个问题对航空航天应用或任何其他暴露在明显温度波动下的机器视觉系统特别不利。有两种主要的方法可以使透镜组件无热化：主动无热化和被动无热化。主动无热化包括使用反馈回路和电机外壳内的镜头元件位置进行物理调整，以校正热焦点偏移。另一方面，被动无热化利用巧妙的机械设计和材料选择，在整个温度波动期间将镜头性能保持在其指定范围内，而无需主动调整任何元件。在设计被动无热能化镜头时采取了一些措施来尽量减少热变化的影响。Edmund Optics 的无热化加固镜头在-10°C至50°C的温度下进行被动无热化处理，未使用外来的或昂贵的玻璃类型（图5）。这在不必增加系统成本或复杂性的情况下将温度保持在宽范围内。

图 5: 上方的动画显示了由于温度变化而引起的传统镜头的焦点偏移，而下方的动画显示了被动无热化镜头是如何在这些热变化中保持在其分辨率规格之内。

关于爱特蒙特光学（Edmund Optics）:

爱特蒙特光学（Edmund Optics）是一家全球领先的光学、成像和光子技术供应商，自 1942 年成立以来一直服务于包括生命科学、生物医学、工业检测、半导体、研发和国防等各个行业。公司设计并制造各种光学元件、多元件透镜、成像系统和光机械设备，同时凭借标准产品和定制产品的批量生产能力支持 OEM 应用。爱特蒙特光学（Edmund Optics） 目前在全球设立有十多家分支机构，约有1,100 多名员工并且仍在继续扩大。中国大陆地区客户可以通过拨打电话（+86-755-84355459分机号#1）、产品目录手册以及官网商城（www.edmundoptics.cn）等多种线上和线下途径进行产品选型咨询和订购。