定焦工业镜头结构设计和试做分析

周林浩，周林虎

（1.江西凤凰光学科技有限公司，江西 上饶334100；
2.湖北文理学院，湖北 襄阳 441053）

镜头的基本功能就是实现光束变换（调制），在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能，合理地选择和装配镜头，是机器视觉系统设计的重要环节[1]。

不同工业镜头的成像质量千差万别，就算是同一类型的工业镜头也是如此，这主要是由材质、加工精度和镜片结构的不同等因素造成的[2]。根据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类[3]。按照放大倍数工业镜头可分成定倍镜头和变倍镜头，当然镜头的分类还有好几种方法[4]。工业镜头的结构设计对整个镜头组装、调像是非常重要的，结构设计工程师在设计中就需要考虑材料加工变形量、零部件配合尺寸公差、几何公差、表面粗糙度，同时结合经验给出合理的设计数值[5]。

本文主要以一款定焦变倍工业镜头为例，研究工业镜头结构设计和试做分析，得出在工业镜头设计中需要注意的问题和试做的经验，并对使用的材料和表面处理做了说明。由此提出工业镜头结构设计和试做分析的方法。

设计时一般情况需要对光学系统进行简单的评估，评估光学系统对结构设计是否有影响，同时需要进行快速简单的结构搭建工作。这样可以迅速掌握后期部件设计的大概外径尺寸。在设计草图时，根据设计经验和所选取材料进行壁厚的预设计。这里就需要对材料的硬度有所了解，硬度是衡量金属材料软硬程度的指标[6]。本文所涉及的金属材料工业铝，牌号是国标：6061（LD30）GB/T 3190—1996。6061 铝合金是经热处理预拉伸工艺生产的高品质铝合金产品[7]，加工性能极佳，具有优良的焊接特点及电镀性、良好的抗腐蚀性、高韧性及加工后不变形等特点[8]。

做结构草图设计时，需要考虑对应部件所使用的材料，要了解工业镜头使用的环境和相关要求，使用环境和相关要求决定了零部件材料的属性。例如，材料要求环保材料、耐高温材料、耐腐蚀性材料等。同时工业镜头的功能也对材料的选择有影响，例如，工业镜头的外观需要有调节镜头的部件，就得考虑使用频繁会使外观掉漆，可以采用软塑胶材料。如果工业镜头这个部件带有运动的功能，就要在材料选取时考虑运动带来的磨损问题，要选耐磨的材料。同时也要考虑工业镜头的使用环境。工业镜头结构草图设计如图1 所示。

图1 工业镜头结构草图设计（单位：mm）

工业镜头前组设计时，需要考虑通光孔径，结构设计不能遮挡通光大小，确保光学设计的光线能够通过。这里主要说明下镜片1、隔圈1 与镜筒之间的设计。镜片1 的外径需要负公差按g7 给出，镜片1 的安装孔孔径D4尺寸需要正公差按H7 给出，镜片和镜筒之间最大间隙是0.045 mm，最小间隙是0.006 mm，这样的间隙需要加工时特别注意，最大间隙和最小间隙表明该孔径的重要性，安装时利于调试光轴。隔圈2 与镜筒之间的配合在d2～D2之间，而d1与D1之差属于让空位置，防止镜筒双重限制，导致在组装过程中没法调节光轴。D2属于镜筒的孔径，按H8 给出，隔圈d2外径尺寸按照g7 给出，同时镜片安装孔位与隔圈配合尺寸之间的同轴度和端面跳动公差按尺寸段7 级查表给出。隔圈内腔有光通过，需要做消光细牙内螺纹，它不是与螺丝的配合件[9]，而是在光通过时防止镜筒内部反光影响仪器的正常使用，镜筒的内壁通光的位置需要做齿状，反射光就会变成漫反射而逐渐消失。这个对加工要求比较低，只要把加工刀磨得好一点，齿顶变尖没有毛刺即可，不用测尺寸。隔圈1 外径尺寸d1与D1公差范围比较大，对于加工的要求比较低，这样使得设计的构件（包括工装）能经济地做出来[9]。工业镜头前组设计原理图如图2 所示。工业镜头前组整体设计原理图如图3 所示。

图2 工业镜头前组设计原理图（单位：mm）

图3 工业镜头前组整体设计原理图

工业镜头前组结构设计与后组结构设计理论上是一样的，这里只对前组的设计进行全面的说明。该款镜头前组玻璃3 片，隔圈2 个，压圈1 个，压圈和隔圈内腔全部设计消光丝，防止镜筒内部反光影响镜头的正常使用，内腔有光通过孔径时是否有消光在镜头前期试做过程中会体现的比较明显。压圈与镜片接触的一端做倒角有利于螺纹旋入，镜筒和压圈螺纹直径与螺距系列的选择原则：直径与螺距按JB/T 9313—1999《光学仪器特种细牙螺纹》选取，优先选用第一系列直径，其次选用第二系列直径，最后再选用第三系列直径，光学仪器结件用材多为铝、镁合金，在可选的规格内，尽量选取大的螺距值，而少用0.5 的螺距值，小螺距螺纹装调容易卡死，装配效率也较低[9]。压圈的作用是压紧光学玻璃和隔圈，在安装压圈时需要根据不同压圈的大小制作工装，压圈的一端中间处有2个直槽，用于安装压圈，同时压圈螺纹处在镜头检测完好后点胶，防止工业镜头在使用过程中镜片松动，影响光学成像质量。

新产品结构设计是一门技术活。镜头的前组设计完成后，需要对后组进行设计，设计后组相对来说比较容易，可以在前组的基础上进行结构设计，可以参考设计好的前组。在结构设计时需要降低结构的复杂性和加工的难度，多种设计方案中，在保证工业镜头的功能得到满足的情况下，选择最为简单的结构设计方案，尽量设计回转体零件，加工承办会相对来说低好多。同时对于加工的治具的制作将变得比较容易，检验、生产、组装也会更加轻松。

文中所说的定焦工业镜头是定焦变倍工业镜头，前后组不相对运动，焦距和光圈随着使用情况进行调节。如何实现前后组移动的功能，在转动前后组时，前后组和C 接口相对运动，设计时要考虑在360°的范围内实现该功能，因为在镜头转动时的位置有对应的刻度，超过360°，刻度将重合，对使用造成误解。当镜头倍数进行变化时，镜头的整个光学系统为一个整体沿主光轴前后移动。结构内部可以采用多头螺纹、螺旋槽等方式实现。

整组调焦按镜头（光学结构）运动方式可分为平移和转移2 种[10]。平移式调焦在调焦时，摄影镜头的整个光学系统只沿主轴前后平移而不转动，标准镜头大都采用此种调焦方式[10]；
转移式调焦在调焦时，光学系统在沿主轴前后移动的同时又绕主轴转动[10]。文中主要对结构设计中采用多头螺纹的形式实现变倍的方式进行说明。

多头螺纹又叫多头丝杠、多头螺杆，也叫多线丝杠、多线螺杆。螺纹的分类，除按断面形状划分外，还有按螺纹上螺旋槽的多少来划分。有1 条螺旋槽的螺纹被称为单头螺纹。有2 条以上螺旋槽的螺纹被称为多头螺纹。螺纹上相邻两螺旋槽之间的距离被称为螺距。沿螺旋槽旋转一周所前进的距离被称为导程[11]。在设计多头螺纹时需要考虑加工，当采用能整除360°的数值时，在加工时就不会产生累计误差，例如，螺纹头数为7 时，360÷7≈51.428 6°，在加工该多头螺纹时若按照圆周分头法加工时，最后一个多头螺纹加工时就会产生累计误差，与之配合的多头螺纹件也会产生同样的问题，2 个件的累计误差堆积到一起时，在转动镜头时就会出现手感不适，导致良率下降，应该在设计时要避免这类情况的出现。

产品结构设计需要考虑多重因素，一般习惯性地考虑一些问题，这些问题都是由基本的结构设计思维和规则延伸出来的，对于材料的选取、材料表面的处理，外观面的要求等都需要在设计时考虑，结构设计工程师在设计时综合考虑这些问题将会使得结构设计更合理，更容易成功。一般设计人员会实际组装自己所设计的产品，这样对于后期结构优化和产品推入量产有很大的帮助。

产品设计如果没考虑零件结构的加工工艺性，那么设计的产品很可以无法生产或者加工生产成本很高，这种情况多出现在产品设计新手身上。产品设计不仅仅是外观造型，还要考虑产品功能与零件结构的加工工艺等，这样出来的产品才是最具性价比的产品。因此设计之初就要在以生产为目的的情况下进行设计，设计阶段零件结构要符合加工工艺，才能对接生产。

镜头的测试需要知道几个基本的参数：工作距离、焦距、景深、视场、分辨率、光圈等。这里简单说明下工作距离和焦距的概念。镜头的工作距离是指从镜头前部到受检物体表面的距离，在该距离下镜头可以清晰成像[12]，这个在镜头检测时是非常重要的，需要根据不同镜头调整检测的高度。焦距是从镜头的中心点到焦平面上所形成的清晰影像之间的距离，焦距数值小，视角大，但距离较远的物体也可以清晰成像，有定焦和变焦2 种镜头型号。常见的工业镜头焦距有5 mm、8 mm、12 mm、25 mm、35 mm、50 mm、75 mm等。一般来讲，焦距越小，设计的精度越高，镜头的加工制造成本会越高，价格也就越贵。

试做镜头时需要按照设计的图纸进行组装，在前期试做时镜头内部不进行点胶工作，组装完成后对镜头进行检测，主要检测镜头的分辨率、畸变、相对照度、对比度、抗眩光。分辨率是工业镜头的重要参数，指的是它能分辨开2 个接近的点物的能力。在测试工业镜头的时候一定是将视野中心调至最清晰的状态，然后分别读取中心和四角的数值，在将中心和四角的数值与设计理论值对比。在测试时需要将光圈和工作距离保持一致，通常工业镜头的测试至少要测中心位置和四角位置，若在检测过程中发现四角的成像差异比较大，可能镜片在组装过程中镜片中心轴偏差比较大，镜片没有垂直安装在镜筒内。出现这种情况一般是将压圈松开，确保在晃动镜头时镜片可以自我调整中心，然后将压圈压紧再进行测试，好的镜头四角成像差异不大。试做过程中出现中心位置数值偏低没有达到设计的60%，则需要调整镜片之间的空气层，多次反复地做大量的试验，验证出镜片之间空气层最合理的位置。

检测完分辨率后需要对镜头的畸变检测，畸变是相差的一种，由于一对共轭面上的放大率并不是常数而引起的，轴上物点与视场边缘具有不同的放大率，物和像因此不再完全相似，这种像对物的变形像差就是我们所说的畸变[13]。但是畸变对成像的清晰度是没有影响的。

本文结合结构设计实际，对工业镜头结构设计、材料分析、试做方法，从设计方案、材料属性、成本等方面进行详细的说明。利用三维模拟软件分析结构设计的可行性，以前组设计为基础开展整个镜头的设计，从前组镜片与镜筒之前的配合关系，镜筒和隔圈之间的配合公差，以及变倍调节设计方案和降低成本的方法等方面做了阐述，能够为从事该行业的设计师提供切实可行参数和理论依据。该研究对于定焦变倍工业镜头的结构设计具有重要的意义，可进行进一步的推广和应用。

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