車載全景魚眼鏡頭的設計與制造

張占軍，張 磊，米士隆

（東莞市宇瞳光學科技股份有限公司，廣東東莞 523850）

0 引言

結合全景輔助駕駛系統的實際需求和標準設計魚眼鏡頭。首先，明確魚眼鏡頭的具體設計內容和設計結構，通過鏡頭和光學原理折射率公式等內容，設計與制造魚眼鏡頭。同時在維持魚眼鏡頭原理不變的情況下設計一個凸面，以此提升魚眼鏡頭本身所具備的性能，并且通過模具方式進行制造。

1 車載全景魚眼鏡頭的設計

全景車輛的輔助系統主要以魚眼鏡頭充當主要鏡頭，該攝像頭本質上歸類于廣角鏡頭，能夠起到對駕駛有利的鏡頭輔助作用。其所具備的攝像頭范圍普遍為16 mm 或焦距更短的鏡頭，在實際工程應用期間，該種類的鏡頭通常泛指視角范圍超出150°，其視角范圍上限為180°，甚至在部分工程應用中還設置過視角范圍超過270°的魚眼鏡頭[1]。

如圖1 所示，能夠得出實際使用期間的鳥瞰圖像。這種圖像視角能夠展現出機動車駕駛期間附近的具體情況，該攝像頭在采集視頻期間通常會由魚眼鏡頭進行失真校正圖像，虛擬圖像縫紉投影負責針對魚眼鏡頭進行合成與變換，這樣就能夠覆蓋前鏡頭的180°范圍。若是使用魚眼睛針孔相機投影模型就可能會造成失真的情況，因此在實際設計流程中應當包含對外形尺寸的計算、像差計算修正和初始結構計算等3 方面。在設計期間的前鏡片會呈現凸出狀，因而稱為魚眼鏡頭[2]。

圖1 魚眼視覺效果

為確保最終設計效果能夠得到符合需求的超廣角鏡頭，在實際設計期間需要針對成像功能進行設計。因實際駕駛期間所遇到的物體都具有固定形狀，為確保魚眼鏡頭形成的畫面能夠符合人們認知，應針對鏡頭進行模型方面的設計，利用相關公式設定魚眼鏡頭像點的精準位置。

利用光學仿生學的相關原理能夠針對魚眼鏡頭進行設計，即在工程實踐期間，開發人員參考魚類在水面游泳產生的視覺原理，通過光學技術進行相關改進與轉型，最終成像。該魚眼鏡頭可以獲取到半球領域的范圍圖像，為提升該魚眼鏡頭性能，需要設計一個凸面，提升后曲面的曲率。

2 車載全景魚眼鏡頭的制造

2.1 相關設計

2.1.1 模具設計

需要針對模具設計的步驟和流程進行設計與構思，按照具體步驟展開設計與制造加工。通常情況下模具的設計步驟包含以下方面。

（1）適當了解與掌握光學產品關聯的公差要求、結構和外觀要求，明確本次制造中的最終成型機類型以及所具備的關鍵功能。

（2）針對模具的結構展開設計并明確模具的尺寸參數。

（3）明確模具的材料選擇和方案，并進行調查與審核。

2.1.2 模具結構

明確模具的整體結構，因注塑工序的不同，模具的結構也需要按照具體的成型注塑機來適當改變，通常情況下基礎結構包含澆注系統、成型功能、結構部件和溫度調節。

本次制造采用的三模板結構，其中噴嘴能夠直接將注塑機中的原料注射到模具當中，頂針和回針的作用是為協助成型產品完成脫模。

首先，需要明確成型部件。本次制造主要針對光學塑膠產品進行設計，其中包含動模、排氣口和定模。在此期間需要將模具定型在注塑機的固定板側上，這樣才能避免注塑機的開合模運動對模具造成影響，因此需要將光學表面模芯充當成型模具的一部分。

其次，需要針對結構部件進行制造，其中包含導向機構、支撐零件和頂出機構。要確保頂出機構的制造符合設計需求，從根本上避免塑料產品在出型時發生嚴重變形現象。

最后，需要針對澆注系統進行制造，其中包含主流道、澆口和分流道，如圖2 所示。按照具體的設計需求對產品所需的材料規格和公差值等進行明確設計。在設計期間要體現出澆道的作用，即將灌嘴中的液態樹膠材料注入到模芯當中，設計期間需要參考塑料在模具中的具體流動情況，這樣才能確保澆筑工序的準確性。

圖2 澆筑系統

2.1.3 澆注系統設計

首先，需要針對主流道進行設計。主流道即通過注塑機噴嘴進行注入的那部分，通常情況下將其設計為圓錐形。這樣才能確保注塑期間熔融態塑膠材料可以正常流動，并且在開模期間能夠將其從動模上取下。

其次，需要針對分流道進行設計。分流道能夠引導熔融態的塑膠材料完成流動，因此需要針對這部分進行精準設計。要確保分流道表面積與體積之間的比例相對較低，這樣才能減少塑料原料的熱量損失和壓力損失。

最后，需要針對澆口部分進行設計。該部分主要作用是讓注入模芯的材料流動速度變快，一般情況下采用小澆口充當模具制造的關鍵澆口，這樣才能完成對模具的設計。

2.1.4 溫度調節系統設計

首先，需要重視變形狀況，即針對形狀相對復雜的產品，需要將自身完成冷卻的厚薄部分，利用溫度調節系統調節溫度。要確保模具的模芯與其他部分溫度相同，這樣才能同時完成冷卻。

其次，需要重視精度，即針對腔體部分的注塑環節進行適當更改，其中因熱脹冷縮，會導致模芯腔體和產品之間存在著較為明顯的收縮。因此需要調節模具內部溫度，以此減少產品的收縮率和收縮程度。

最后，需要重視應力，即針對注塑階段和成型階段進行適當更改，當材料達到熔融狀態后注入到模芯中。通過降溫方式進行冷卻，在此階段中模具自身會生成內應力，也會形成入射光線的雙折射現象，為防止模具自身發生破裂，需要采用模溫調節的方式來進行更改。

2.2 模具的制造

（1）在制造期間需要篩選模具的材料，通常情況下選擇s136 型模具制作。本文在制作期間使用的模芯材料則是完成鍍鎳后在鎳層上精車完成的，其中使用的模板也歸類為s136 型號。在模座方面采用鋼材來充當材料，其中的隔熱板需要具有較強的耐溫性，因此采用復合材料。

（2）在實際制造期間，模具通常分為模芯、模座和鑲塊。因此在注塑期間主要將模具內部制造成空穴，這樣才能起到良好的制造效果。本次制作采用的芯片是S136，在頂部鍍上一層相對較厚的鎳層充當粗胚，通過粗車和精車的加工后使該粗胚擁有鏡面效果。通常情況下鑲塊式模芯制造期間需要考慮到產品的切換來換取不同的鑲塊，因此采用共用模座的方式進行，這樣能夠極大程度上降低成本和加工周期。本次制造采用的鑲塊是不銹鋼，在加工期間通過流道和澆口的加工后進行模芯孔和定位孔的制造。模座在制造期間選擇了符合設計需求的材料，這樣才能提升整體模具質量。

2.3 注塑

2.3.1 塑膠材料的選擇

目前，市場上較為常見的光學鏡頭鏡片制造原材料為玻璃或樹膠材料，考慮到光學玻璃的特點和材料優勢，采用原始的光學材料充當主材料。但是隨著技術和工藝的進步，人們開發出更符合量產制造需求的光學塑膠材料，考慮到該材料具有低成本和高效率的優勢。因此本文以此作為關鍵的塑膠材料選擇對象，這樣才能符合現代光學鏡頭對材料的需求。因此，本次制造選擇的材料是E48R 材料，該材料的性價比相對較高，并且各項參數都符合光學鏡片對材料的需求。

2.3.2 注塑機的使用

本次制造期間采用Fanuc 的ROBOSHOT S-2000i 型注塑機，為全電氣式注塑成型機，具備以下優點。

（1）消耗的成本相對較低，主要體現在電力消耗上。

（2）污染程度較小，因其不使用機油，因此污染程度較低。

（3）高強度。該注塑機功率非常高。

2.3.3 注塑過程

注塑成型階段是將固態顆粒狀的原材料通過干燥桶的方式進行高溫狀態下的烘烤。在此期間所保持的溫度相對較高，直到材料成為熔融態。利用注塑機的高壓和擠壓操作將熔融態的光學塑膠材料利用噴嘴方式噴出，注入到光學磨具中，通過主流道、澆口、分流道注入到模具型腔中，利用保壓方式進行冷卻固化，最后將成型的產品從模具上拔出。

3 結論

本文主要提出具體的設計理念和設計方案，利用光學仿生學的相關原理能夠針對魚眼鏡頭進行設計。在實際制造期間全方位介紹模具設計、模具制造和注塑過程，本次制造的模具型號為s136，通過鎳層上精車完成模具制造，采用的芯片是S136，塑膠材料選擇E48R 材料，采用Fanuc 的ROBOSHOT S-2000i 注塑機，最終完成制造。