張占軍，張 磊，米士隆

（東莞市宇瞳光學(xué)科技股份有限公司，廣東東莞 523850）

0 引言

結(jié)合全景輔助駕駛系統(tǒng)的實(shí)際需求和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)魚眼鏡頭。首先，明確魚眼鏡頭的具體設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，通過鏡頭和光學(xué)原理折射率公式等內(nèi)容，設(shè)計(jì)與制造魚眼鏡頭。同時(shí)在維持魚眼鏡頭原理不變的情況下設(shè)計(jì)一個(gè)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(jìn)行制造。

1 車載全景魚眼鏡頭的設(shè)計(jì)

全景車輛的輔助系統(tǒng)主要以魚眼鏡頭充當(dāng)主要鏡頭，該攝像頭本質(zhì)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(shí)際工程應(yīng)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(yīng)用中還設(shè)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(shí)際使用期間的鳥瞰圖像。這種圖像視角能夠展現(xiàn)出機(jī)動(dòng)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(huì)由魚眼鏡頭進(jìn)行失真校正圖像，虛擬圖像縫紉投影負(fù)責(zé)針對魚眼鏡頭進(jìn)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(jī)投影模型就可能會(huì)造成失真的情況，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)流程中應(yīng)當(dāng)包含對外形尺寸的計(jì)算、像差計(jì)算修正和初始結(jié)構(gòu)計(jì)算等3 方面。在設(shè)計(jì)期間的前鏡片會(huì)呈現(xiàn)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(shè)計(jì)效果能夠得到符合需求的超廣角鏡頭，在實(shí)際設(shè)計(jì)期間需要針對成像功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?qū)嶋H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(rèn)知，應(yīng)針對鏡頭進(jìn)行模型方面的設(shè)計(jì)，利用相關(guān)公式設(shè)定魚眼鏡頭像點(diǎn)的精準(zhǔn)位置。

利用光學(xué)仿生學(xué)的相關(guān)原理能夠針對魚眼鏡頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，即在工程實(shí)踐期間，開發(fā)人員參考魚類在水面游泳產(chǎn)生的視覺原理，通過光學(xué)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)與轉(zhuǎn)型，最終成像。該魚眼鏡頭可以獲取到半球領(lǐng)域的范圍圖像，為提升該魚眼鏡頭性能，需要設(shè)計(jì)一個(gè)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(guān)設(shè)計(jì)

2.1.1 模具設(shè)計(jì)

需要針對模具設(shè)計(jì)的步驟和流程進(jìn)行設(shè)計(jì)與構(gòu)思，按照具體步驟展開設(shè)計(jì)與制造加工。通常情況下模具的設(shè)計(jì)步驟包含以下方面。

（1）適當(dāng)了解與掌握光學(xué)產(chǎn)品關(guān)聯(lián)的公差要求、結(jié)構(gòu)和外觀要求，明確本次制造中的最終成型機(jī)類型以及所具備的關(guān)鍵功能。

（2）針對模具的結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)并明確模具的尺寸參數(shù)。

（3）明確模具的材料選擇和方案，并進(jìn)行調(diào)查與審核。

2.1.2 模具結(jié)構(gòu)

明確模具的整體結(jié)構(gòu)，因注塑工序的不同，模具的結(jié)構(gòu)也需要按照具體的成型注塑機(jī)來適當(dāng)改變，通常情況下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包含澆注系統(tǒng)、成型功能、結(jié)構(gòu)部件和溫度調(diào)節(jié)。

本次制造采用的三模板結(jié)構(gòu)，其中噴嘴能夠直接將注塑機(jī)中的原料注射到模具當(dāng)中，頂針和回針的作用是為協(xié)助成型產(chǎn)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(xué)塑膠產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包含動(dòng)模、排氣口和定模。在此期間需要將模具定型在注塑機(jī)的固定板側(cè)上，這樣才能避免注塑機(jī)的開合模運(yùn)動(dòng)對模具造成影響，因此需要將光學(xué)表面模芯充當(dāng)成型模具的一部分。

其次，需要針對結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行制造，其中包含導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、支撐零件和頂出機(jī)構(gòu)。要確保頂出機(jī)構(gòu)的制造符合設(shè)計(jì)需求，從根本上避免塑料產(chǎn)品在出型時(shí)發(fā)生嚴(yán)重變形現(xiàn)象。

最后，需要針對澆注系統(tǒng)進(jìn)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(shè)計(jì)需求對產(chǎn)品所需的材料規(guī)格和公差值等進(jìn)行明確設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)期間要體現(xiàn)出澆道的作用，即將灌嘴中的液態(tài)樹膠材料注入到模芯當(dāng)中，設(shè)計(jì)期間需要參考塑料在模具中的具體流動(dòng)情況，這樣才能確保澆筑工序的準(zhǔn)確性。

圖2 澆筑系統(tǒng)

2.1.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先，需要針對主流道進(jìn)行設(shè)計(jì)。主流道即通過注塑機(jī)噴嘴進(jìn)行注入的那部分，通常情況下將其設(shè)計(jì)為圓錐形。這樣才能確保注塑期間熔融態(tài)塑膠材料可以正常流動(dòng)，并且在開模期間能夠?qū)⑵鋸膭?dòng)模上取下。

其次，需要針對分流道進(jìn)行設(shè)計(jì)。分流道能夠引導(dǎo)熔融態(tài)的塑膠材料完成流動(dòng)，因此需要針對這部分進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。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(jìn)行設(shè)計(jì)。該部分主要作用是讓注入模芯的材料流動(dòng)速度變快，一般情況下采用小澆口充當(dāng)模具制造的關(guān)鍵澆口，這樣才能完成對模具的設(shè)計(jì)。

2.1.4 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先，需要重視變形狀況，即針對形狀相對復(fù)雜的產(chǎn)品，需要將自身完成冷卻的厚薄部分，利用溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)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(shí)完成冷卻。

其次，需要重視精度，即針對腔體部分的注塑環(huán)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)更改，其中因熱脹冷縮，會(huì)導(dǎo)致模芯腔體和產(chǎn)品之間存在著較為明顯的收縮。因此需要調(diào)節(jié)模具內(nèi)部溫度，以此減少產(chǎn)品的收縮率和收縮程度。

最后，需要重視應(yīng)力，即針對注塑階段和成型階段進(jìn)行適當(dāng)更改，當(dāng)材料達(dá)到熔融狀態(tài)后注入到模芯中。通過降溫方式進(jìn)行冷卻，在此階段中模具自身會(huì)生成內(nèi)應(yīng)力，也會(huì)形成入射光線的雙折射現(xiàn)象，為防止模具自身發(fā)生破裂，需要采用模溫調(diào)節(jié)的方式來進(jìn)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(dāng)材料，其中的隔熱板需要具有較強(qiáng)的耐溫性，因此采用復(fù)合材料。

（2）在實(shí)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(nèi)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(dāng)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(chǎn)品的切換來換取不同的鑲塊，因此采用共用模座的方式進(jìn)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(jìn)行模芯孔和定位孔的制造。模座在制造期間選擇了符合設(shè)計(jì)需求的材料，這樣才能提升整體模具質(zhì)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(xué)鏡頭鏡片制造原材料為玻璃或樹膠材料，考慮到光學(xué)玻璃的特點(diǎn)和材料優(yōu)勢，采用原始的光學(xué)材料充當(dāng)主材料。但是隨著技術(shù)和工藝的進(jìn)步，人們開發(fā)出更符合量產(chǎn)制造需求的光學(xué)塑膠材料，考慮到該材料具有低成本和高效率的優(yōu)勢。因此本文以此作為關(guān)鍵的塑膠材料選擇對象，這樣才能符合現(xiàn)代光學(xué)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(jià)比相對較高，并且各項(xiàng)參數(shù)都符合光學(xué)鏡片對材料的需求。

2.3.2 注塑機(jī)的使用

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

（1）消耗的成本相對較低，主要體現(xiàn)在電力消耗上。

（2）污染程度較小，因其不使用機(jī)油，因此污染程度較低。

（3）高強(qiáng)度。該注塑機(jī)功率非常高。

2.3.3 注塑過程

注塑成型階段是將固態(tài)顆粒狀的原材料通過干燥桶的方式進(jìn)行高溫狀態(tài)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(tài)。利用注塑機(jī)的高壓和擠壓操作將熔融態(tài)的光學(xué)塑膠材料利用噴嘴方式噴出，注入到光學(xué)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(jìn)行冷卻固化，最后將成型的產(chǎn)品從模具上拔出。

3 結(jié)論

本文主要提出具體的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方案，利用光學(xué)仿生學(xué)的相關(guān)原理能夠針對魚眼鏡頭進(jìn)行設(shè)計(jì)。在實(shí)際制造期間全方位介紹模具設(shè)計(jì)、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(jī)，最終完成制造。