定焦工業(yè)鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計和試做分析

周林浩，周林虎

（1.江西鳳凰光學(xué)科技有限公司，江西 上饒334100；2.湖北文理學(xué)院，湖北 襄陽 441053）

鏡頭的基本功能就是實(shí)現(xiàn)光束變換（調(diào)制），在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，鏡頭的主要作用是將目標(biāo)成像在圖像傳感器的光敏面上。鏡頭的質(zhì)量直接影響到機(jī)器視覺系統(tǒng)的整體性能，合理地選擇和裝配鏡頭，是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)[1]。

不同工業(yè)鏡頭的成像質(zhì)量千差萬別，就算是同一類型的工業(yè)鏡頭也是如此，這主要是由材質(zhì)、加工精度和鏡片結(jié)構(gòu)的不同等因素造成的[2]。根據(jù)焦距能否調(diào)節(jié)，可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭兩大類[3]。按照放大倍數(shù)工業(yè)鏡頭可分成定倍鏡頭和變倍鏡頭，當(dāng)然鏡頭的分類還有好幾種方法[4]。工業(yè)鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計對整個鏡頭組裝、調(diào)像是非常重要的，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師在設(shè)計中就需要考慮材料加工變形量、零部件配合尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度，同時結(jié)合經(jīng)驗(yàn)給出合理的設(shè)計數(shù)值[5]。

本文主要以一款定焦變倍工業(yè)鏡頭為例，研究工業(yè)鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計和試做分析，得出在工業(yè)鏡頭設(shè)計中需要注意的問題和試做的經(jīng)驗(yàn)，并對使用的材料和表面處理做了說明。由此提出工業(yè)鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計和試做分析的方法。

1 工業(yè)鏡頭結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計

設(shè)計時一般情況需要對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行簡單的評估，評估光學(xué)系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計是否有影響，同時需要進(jìn)行快速簡單的結(jié)構(gòu)搭建工作。這樣可以迅速掌握后期部件設(shè)計的大概外徑尺寸。在設(shè)計草圖時，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和所選取材料進(jìn)行壁厚的預(yù)設(shè)計。這里就需要對材料的硬度有所了解，硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)[6]。本文所涉及的金屬材料工業(yè)鋁，牌號是國標(biāo)：6061（LD30）GB/T 3190—1996。6061 鋁合金是經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)鋁合金產(chǎn)品[7]，加工性能極佳，具有優(yōu)良的焊接特點(diǎn)及電鍍性、良好的抗腐蝕性、高韌性及加工后不變形等特點(diǎn)[8]。

做結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計時，需要考慮對應(yīng)部件所使用的材料，要了解工業(yè)鏡頭使用的環(huán)境和相關(guān)要求，使用環(huán)境和相關(guān)要求決定了零部件材料的屬性。例如，材料要求環(huán)保材料、耐高溫材料、耐腐蝕性材料等。同時工業(yè)鏡頭的功能也對材料的選擇有影響，例如，工業(yè)鏡頭的外觀需要有調(diào)節(jié)鏡頭的部件，就得考慮使用頻繁會使外觀掉漆，可以采用軟塑膠材料。如果工業(yè)鏡頭這個部件帶有運(yùn)動的功能，就要在材料選取時考慮運(yùn)動帶來的磨損問題，要選耐磨的材料。同時也要考慮工業(yè)鏡頭的使用環(huán)境。工業(yè)鏡頭結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計如圖1 所示。

圖1 工業(yè)鏡頭結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計（單位：mm）

2 工業(yè)鏡頭前組結(jié)構(gòu)設(shè)計

工業(yè)鏡頭前組設(shè)計時，需要考慮通光孔徑，結(jié)構(gòu)設(shè)計不能遮擋通光大小，確保光學(xué)設(shè)計的光線能夠通過。這里主要說明下鏡片1、隔圈1 與鏡筒之間的設(shè)計。鏡片1 的外徑需要負(fù)公差按g7 給出，鏡片1 的安裝孔孔徑D4尺寸需要正公差按H7 給出，鏡片和鏡筒之間最大間隙是0.045 mm，最小間隙是0.006 mm，這樣的間隙需要加工時特別注意，最大間隙和最小間隙表明該孔徑的重要性，安裝時利于調(diào)試光軸。隔圈2 與鏡筒之間的配合在d2～D2之間，而d1與D1之差屬于讓空位置，防止鏡筒雙重限制，導(dǎo)致在組裝過程中沒法調(diào)節(jié)光軸。D2屬于鏡筒的孔徑，按H8 給出，隔圈d2外徑尺寸按照g7 給出，同時鏡片安裝孔位與隔圈配合尺寸之間的同軸度和端面跳動公差按尺寸段7 級查表給出。隔圈內(nèi)腔有光通過，需要做消光細(xì)牙內(nèi)螺紋，它不是與螺絲的配合件[9]，而是在光通過時防止鏡筒內(nèi)部反光影響儀器的正常使用，鏡筒的內(nèi)壁通光的位置需要做齒狀，反射光就會變成漫反射而逐漸消失。這個對加工要求比較低，只要把加工刀磨得好一點(diǎn)，齒頂變尖沒有毛刺即可，不用測尺寸。隔圈1 外徑尺寸d1與D1公差范圍比較大，對于加工的要求比較低，這樣使得設(shè)計的構(gòu)件（包括工裝）能經(jīng)濟(jì)地做出來[9]。工業(yè)鏡頭前組設(shè)計原理圖如圖2 所示。工業(yè)鏡頭前組整體設(shè)計原理圖如圖3 所示。

圖2 工業(yè)鏡頭前組設(shè)計原理圖（單位：mm）

圖3 工業(yè)鏡頭前組整體設(shè)計原理圖

工業(yè)鏡頭前組結(jié)構(gòu)設(shè)計與后組結(jié)構(gòu)設(shè)計理論上是一樣的，這里只對前組的設(shè)計進(jìn)行全面的說明。該款鏡頭前組玻璃3 片，隔圈2 個，壓圈1 個，壓圈和隔圈內(nèi)腔全部設(shè)計消光絲，防止鏡筒內(nèi)部反光影響鏡頭的正常使用，內(nèi)腔有光通過孔徑時是否有消光在鏡頭前期試做過程中會體現(xiàn)的比較明顯。壓圈與鏡片接觸的一端做倒角有利于螺紋旋入，鏡筒和壓圈螺紋直徑與螺距系列的選擇原則：直徑與螺距按JB/T 9313—1999《光學(xué)儀器特種細(xì)牙螺紋》選取，優(yōu)先選用第一系列直徑，其次選用第二系列直徑，最后再選用第三系列直徑，光學(xué)儀器結(jié)件用材多為鋁、鎂合金，在可選的規(guī)格內(nèi)，盡量選取大的螺距值，而少用0.5 的螺距值，小螺距螺紋裝調(diào)容易卡死，裝配效率也較低[9]。壓圈的作用是壓緊光學(xué)玻璃和隔圈，在安裝壓圈時需要根據(jù)不同壓圈的大小制作工裝，壓圈的一端中間處有2個直槽，用于安裝壓圈，同時壓圈螺紋處在鏡頭檢測完好后點(diǎn)膠，防止工業(yè)鏡頭在使用過程中鏡片松動，影響光學(xué)成像質(zhì)量。

新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計是一門技術(shù)活。鏡頭的前組設(shè)計完成后，需要對后組進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計后組相對來說比較容易，可以在前組的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以參考設(shè)計好的前組。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和加工的難度，多種設(shè)計方案中，在保證工業(yè)鏡頭的功能得到滿足的情況下，選擇最為簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，盡量設(shè)計回轉(zhuǎn)體零件，加工承辦會相對來說低好多。同時對于加工的治具的制作將變得比較容易，檢驗(yàn)、生產(chǎn)、組裝也會更加輕松。

3 定焦工業(yè)鏡頭調(diào)節(jié)方式的設(shè)計

文中所說的定焦工業(yè)鏡頭是定焦變倍工業(yè)鏡頭，前后組不相對運(yùn)動，焦距和光圈隨著使用情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。如何實(shí)現(xiàn)前后組移動的功能，在轉(zhuǎn)動前后組時，前后組和C 接口相對運(yùn)動，設(shè)計時要考慮在360°的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)該功能，因?yàn)樵阽R頭轉(zhuǎn)動時的位置有對應(yīng)的刻度，超過360°，刻度將重合，對使用造成誤解。當(dāng)鏡頭倍數(shù)進(jìn)行變化時，鏡頭的整個光學(xué)系統(tǒng)為一個整體沿主光軸前后移動。結(jié)構(gòu)內(nèi)部可以采用多頭螺紋、螺旋槽等方式實(shí)現(xiàn)。

整組調(diào)焦按鏡頭（光學(xué)結(jié)構(gòu)）運(yùn)動方式可分為平移和轉(zhuǎn)移2 種[10]。平移式調(diào)焦在調(diào)焦時，攝影鏡頭的整個光學(xué)系統(tǒng)只沿主軸前后平移而不轉(zhuǎn)動，標(biāo)準(zhǔn)鏡頭大都采用此種調(diào)焦方式[10]；轉(zhuǎn)移式調(diào)焦在調(diào)焦時，光學(xué)系統(tǒng)在沿主軸前后移動的同時又繞主軸轉(zhuǎn)動[10]。文中主要對結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用多頭螺紋的形式實(shí)現(xiàn)變倍的方式進(jìn)行說明。

多頭螺紋又叫多頭絲杠、多頭螺桿，也叫多線絲杠、多線螺桿。螺紋的分類，除按斷面形狀劃分外，還有按螺紋上螺旋槽的多少來劃分。有1 條螺旋槽的螺紋被稱為單頭螺紋。有2 條以上螺旋槽的螺紋被稱為多頭螺紋。螺紋上相鄰兩螺旋槽之間的距離被稱為螺距。沿螺旋槽旋轉(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離被稱為導(dǎo)程[11]。在設(shè)計多頭螺紋時需要考慮加工，當(dāng)采用能整除360°的數(shù)值時，在加工時就不會產(chǎn)生累計誤差，例如，螺紋頭數(shù)為7 時，360÷7≈51.428 6°，在加工該多頭螺紋時若按照圓周分頭法加工時，最后一個多頭螺紋加工時就會產(chǎn)生累計誤差，與之配合的多頭螺紋件也會產(chǎn)生同樣的問題，2 個件的累計誤差堆積到一起時，在轉(zhuǎn)動鏡頭時就會出現(xiàn)手感不適，導(dǎo)致良率下降，應(yīng)該在設(shè)計時要避免這類情況的出現(xiàn)。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮多重因素，一般習(xí)慣性地考慮一些問題，這些問題都是由基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計思維和規(guī)則延伸出來的，對于材料的選取、材料表面的處理，外觀面的要求等都需要在設(shè)計時考慮，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師在設(shè)計時綜合考慮這些問題將會使得結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理，更容易成功。一般設(shè)計人員會實(shí)際組裝自己所設(shè)計的產(chǎn)品，這樣對于后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化和產(chǎn)品推入量產(chǎn)有很大的幫助。

產(chǎn)品設(shè)計如果沒考慮零件結(jié)構(gòu)的加工工藝性，那么設(shè)計的產(chǎn)品很可以無法生產(chǎn)或者加工生產(chǎn)成本很高，這種情況多出現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計新手身上。產(chǎn)品設(shè)計不僅僅是外觀造型，還要考慮產(chǎn)品功能與零件結(jié)構(gòu)的加工工藝等，這樣出來的產(chǎn)品才是最具性價比的產(chǎn)品。因此設(shè)計之初就要在以生產(chǎn)為目的的情況下進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計階段零件結(jié)構(gòu)要符合加工工藝，才能對接生產(chǎn)。

4 工業(yè)鏡頭試做和分析

鏡頭的測試需要知道幾個基本的參數(shù)：工作距離、焦距、景深、視場、分辨率、光圈等。這里簡單說明下工作距離和焦距的概念。鏡頭的工作距離是指從鏡頭前部到受檢物體表面的距離，在該距離下鏡頭可以清晰成像[12]，這個在鏡頭檢測時是非常重要的，需要根據(jù)不同鏡頭調(diào)整檢測的高度。焦距是從鏡頭的中心點(diǎn)到焦平面上所形成的清晰影像之間的距離，焦距數(shù)值小，視角大，但距離較遠(yuǎn)的物體也可以清晰成像，有定焦和變焦2 種鏡頭型號。常見的工業(yè)鏡頭焦距有5 mm、8 mm、12 mm、25 mm、35 mm、50 mm、75 mm等。一般來講，焦距越小，設(shè)計的精度越高，鏡頭的加工制造成本會越高，價格也就越貴。

試做鏡頭時需要按照設(shè)計的圖紙進(jìn)行組裝，在前期試做時鏡頭內(nèi)部不進(jìn)行點(diǎn)膠工作，組裝完成后對鏡頭進(jìn)行檢測，主要檢測鏡頭的分辨率、畸變、相對照度、對比度、抗眩光。分辨率是工業(yè)鏡頭的重要參數(shù)，指的是它能分辨開2 個接近的點(diǎn)物的能力。在測試工業(yè)鏡頭的時候一定是將視野中心調(diào)至最清晰的狀態(tài)，然后分別讀取中心和四角的數(shù)值，在將中心和四角的數(shù)值與設(shè)計理論值對比。在測試時需要將光圈和工作距離保持一致，通常工業(yè)鏡頭的測試至少要測中心位置和四角位置，若在檢測過程中發(fā)現(xiàn)四角的成像差異比較大，可能鏡片在組裝過程中鏡片中心軸偏差比較大，鏡片沒有垂直安裝在鏡筒內(nèi)。出現(xiàn)這種情況一般是將壓圈松開，確保在晃動鏡頭時鏡片可以自我調(diào)整中心，然后將壓圈壓緊再進(jìn)行測試，好的鏡頭四角成像差異不大。試做過程中出現(xiàn)中心位置數(shù)值偏低沒有達(dá)到設(shè)計的60%，則需要調(diào)整鏡片之間的空氣層，多次反復(fù)地做大量的試驗(yàn)，驗(yàn)證出鏡片之間空氣層最合理的位置。

檢測完分辨率后需要對鏡頭的畸變檢測，畸變是相差的一種，由于一對共軛面上的放大率并不是常數(shù)而引起的，軸上物點(diǎn)與視場邊緣具有不同的放大率，物和像因此不再完全相似，這種像對物的變形像差就是我們所說的畸變[13]。但是畸變對成像的清晰度是沒有影響的。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)際，對工業(yè)鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料分析、試做方法，從設(shè)計方案、材料屬性、成本等方面進(jìn)行詳細(xì)的說明。利用三維模擬軟件分析結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性，以前組設(shè)計為基礎(chǔ)開展整個鏡頭的設(shè)計，從前組鏡片與鏡筒之前的配合關(guān)系，鏡筒和隔圈之間的配合公差，以及變倍調(diào)節(jié)設(shè)計方案和降低成本的方法等方面做了闡述，能夠?yàn)閺氖略撔袠I(yè)的設(shè)計師提供切實(shí)可行參數(shù)和理論依據(jù)。該研究對于定焦變倍工業(yè)鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的意義，可進(jìn)行進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。