在装有玻璃镜片的防护罩内使用Zivid相机
介绍
Zivid 3D相机的防护等级为IP65或更高，这意味着它们可以在相应的灰尘和溅水的环境下工作而不会损坏。 但是用户可能希望在更加恶劣的环境中使用相机，例如暴露于以下一种或多种情况：
焊接烟雾
油漆
过热
其它因素
然后问题出现了：相机应该放在某种形式的防护罩内吗？
小技巧
为了防止意外事故导致的损坏，我们提供了一个适用于Zivid 2和Zivid 2+的 Protective Cage。
如果要将Zivid相机内置到保护盒中，我们需要解决以下几个方面的问题。我们将讨论有关光学条件、温度、冷凝、一般维护和耐用性的注意事项。
设计防护罩
在本文中，我们假设我们的传感器防护罩将包含一些保护性的玻璃，以供传感器拍摄图像。 请注意，在某些应用中，也可能会将相机前方保持为敞开状态。在这种情况下，可以在壳体内部使用高压空气以防止灰尘或其他颗粒通过开口进入。 现在，我们假设我们将为Zivid 3D相机构建一个功能性的保护壳，该设计包括以下要点：
- 窗户或窥镜
供Zivid传感器捕获图像使用。这些窗口的尺寸越小，背光反射的效果就越好，因为它们不会在相机或投影仪的视野中造成阴影区域。
- 保护壁。
例如用铝或有机玻璃制成。
- 一个开口
用于接入必要的电缆和连接器。
- 安装固定的方案
通常防护罩位于Zivid相机和相机将要安装到的位置之间。
注意！ 相机相对于保护窗的位置可能会改变光学性能。这可能反过来影响Zivid点云的准确性。请将相机牢固地固定在盒子里以降低这种风险。
- 温湿度控制
控制相机防护罩内的温度和湿度。如果外部环境温度或相机的工作负荷不会导致防护罩内部温度过高从而造成相机过热，那么可以设计为一个被动调节方法。如果相机工作区域的环境温度超过了Zivid相机规格书中定义的限制，则需要进行主动调节。
接下来，我们将深入挖掘需要解决的各种挑战。
温度、湿度和维护
在将Zivid相机安装于防护罩中时，需重点考虑相机运行过程中防护罩内的散热情况。 下面有一些注意事项：
防护罩内部的温度应符合Zivid 3D相机的数据表中的要求。 例如，Zivid One +相机的额定工作温度为10至40°C（参见 datasheet ）。 该相机在此温度范围内可达到最佳性能，如果在此温度范围外使用相机，则相机的精度可能会发生漂移。 在最坏的情况下，相机可能会因在过高的温度下工作而损坏。
防护罩（和相机）内的空气应保持干燥，以防止在Zivid相机的镜头或防护罩玻璃内部（或传感器的窥镜）上形成冷凝水。
防护罩内的温度应类似或略高于防护罩外的温度，以防止在防护罩玻璃上形成冷凝水。
如果您想在下雨天从咖啡馆的窗户内或飞机窗里向外拍摄图像，一部个人相机将很难对焦并获得清晰的图像。 类似的，镜头、滤镜和窗户上的凝露或灰尘会干扰Zivid相机的视线，可能会导致3D点云质量下降。 因此，建议保持防护罩窗口和相机镜头洁净。
小心
清洁Zivid的相机镜头和防护罩窗口时，请确保使用用于相机清洁的专用设备，例如长纤维布或纸。 请避免在清洁时直接大力擦拭镜头。 建议使用与操作智能手机相近的力量。
通过一个表面有水雾的窗口看到的人像。 （ 由 Matteo Catanese 在 Unsplash 拍摄的照片）
如果相机外壳内残留有潮湿的空气，镜头上可能会出现冷凝水。 如果将相机存放（未接线状态下）在潮湿和寒冷的环境中，则可能会发生这种情况。 为消除冷凝水，请将相机防止在阴凉干燥的环境中，并保持电源供电，但不连接USB端口（保持气孔打开），持续两天。 冷凝水将蒸发并消失。
最后，建议设计的相机防护罩可以确保防护罩窗口相对相机不会发生位移。这是出于光学原因，将在接下来步骤中解决。
选择合适的玻璃镜片
当光线穿过玻璃时路径会发生改变，因此重点是玻璃镜片必须具备优良的光学质量，以免对相机精度产生影响。 光学玻璃通常由其折射率，阿贝数和吸收率定义。 为了使窗口起到保护相机的作用，同时不改变光线，它应该：
非常平坦且均匀
折射率低
阿贝数高
吸收率低。
采购该玻璃镜片时，建议咨询光学玻璃专家。
小技巧
该玻璃应该具有低折射率，高阿贝数，低吸收率并且非常平整度及均匀。
小心
典型的建筑物中的玻璃窗的吸收率很高，如果用于3D传感器的防护，则会对信噪比产生负面影响。
Zivid建议玻璃厚度在1-5mm之间。 可能更厚得玻璃也可以很好地工作，但是Zivid尚未进行厚度超过5mm的实验。
最后，玻璃防护窗应放置在靠近相机镜头的位置，并且应与相机大致平行。
玻璃厚度如何影响相机性能？
承接上述的相关说明，在Zivid相机前面放置一个玻璃防护窗口，对于大多数应用而言，对相机的性能仅会产生微不足道的影响。 将该系统投入生产之前，强烈建议您检查系统的性能，并在点云精度方面比较使用和不使用保护外壳的情况。
小技巧
通过在相同条件下比较同一参考对象的至少两个点云来验证防护玻璃的质量。
下图显示了在Zivid One + Large前面使用各种不同厚度玻璃的影响。我们将结果进行了对比，并表示为相对于不使用任何保护窗的差异值。 每张图都显示了性能参数如何随成像距离的增加而变化，从1.1 m开始到2.9 m结束。 这些参数是根据Zivid One+ datasheet 定义的。
备注
结果显示为相对于不使用任何防护玻璃的差异值。
点精确度
可以看出，点精确度误差随着距离而稳定增加（没有玻璃时也是如此），但是玻璃厚度对其没有明显的影响。 在大多数距离和条件下，这些变化对于应用来说应该可以忽略不计。
局部平面精确度
可以看出玻璃厚度对于局部平面度精确度误差没有明显的影响。 平面度精确度的变化在0.1mm内，这与点精确度的变化相似，对于典型应用而言，其影响也可以忽略不计。
全局平面真实度
下图显示了随防护玻璃的厚度变化的情况下所测量的平板的平面度的变化情况。 可以看出其变化在±15％之内，这意味着对于无防护玻璃情况下约0.4mm平面度误差的影响为±0.075 mm的变化。 这将平面度真实度误差增加到约0.5 mm，因此，对于大多数应用而言，选用合适的防护窗将对传感器的整体平面度真实度会产生可接受范围内的影响。
全局平面精度
这些测量结果显示了在存在防护玻璃的情况下，平板的噪声和平面度的变化情况。 测量结果主要由上述的真实性误差所决定，顶部加上精确度噪声。 没有防护玻璃的情况下，总变化率在现有误差的±10％之内。 对于一台典型的Zivid One + Large传感器，平面度精度约为0.5 mm。 因此，此精度变化10％意味着总误差可能会增加到0.55 mm。 这通常是可以接受的影响。 请注意，全局平面精度的相对变化低于真实度。 这是由于对于准确度而言，潜在的绝对误差固有地要比对真实度大，因此，两者之间相似比例的变化对较低值（真实度）的影响将大于较高值（准确度）的影响。
尺寸精度
通过对10 cm尺寸的重复测量表明，相对于没有防护玻璃的基本精度，这些测量结果的变化产生的1σ变化小于35 µm。 考虑到距离较远，这些数字相对较小，对整体点云质量的影响应忽略不计。
尺寸真实度
下图显示了在存在前盖玻璃的情况下给定尺寸的测量值的变化量。 对于较大的相机工作距离，变化小于30％，并且厚度之间没有明显的相关性。 这意味着，如果在没有防护罩的情况下测得的原始尺寸真实度误差为0.1％，在加入防护窗后，该误差可能会在0.07％至0.13％之间变化。 这种差异在许多应用中仍然可以接受。
总结
这些测量不能提供足够的证据来证明玻璃厚度和相机性能之间的潜在系统依赖性。 玻璃质量不佳的影响（例如有限的平整度）可能是影响精度变化的主要因素。
以上测量结果表明，预期的误差变化应在<±50％的范围内。 在要求高可靠性的系统中，应采用比测量单元的精度高几倍的公差等级。 根据这些结果我们可以推断出，误差的±50％内的附加变化可能对整个系统产生微不足道或可接受的影响，其中来自传感器的新的预期误差应仍小于总的系统偏差。
我们建议对玻璃质量进行比较测试，以确认安装防护窗后相机的真实度和准确度仍然可以接受。