设计基于机器视觉的高分辨率双远心物镜

摘要：小倍率大视场的双远心物镜具有低畸变、大景深的优点，在机器视觉工业在线检测领域应用广泛。根据双远心镜头对结构参数的要求，运用光学设计软件Zemax设计了一款高分辨率、大视场、结构简单的双远心物镜。该物镜采用近似对称结构，合理的控制畸变和色差,经过像差优化，实现了长工作距(大于200 mm)、低倍率(β=-0.1)、低畸变(小于0.015%)、高分辨(1/2" CCD全视场MTF在200 lp/mm处大于0.05)、大景深(±32 mm)和双远心系统的设计要求。重点阐述了物镜的设计过程及镜头的敏感度分析，分析影响镜头像质的主要加工和装配因素，为有效抑制由于生产制造过程中的偏差对镜头像质的影响提供参考。关键词：光学设计；机器视觉；双远心；敏感度分析引言

机器视觉应用系统的关键技术主要涉及到光源照明、光学镜头、图像信号处理以及执行机构等。光学镜头作为机器视觉的核心部件扮演着眼睛的功效! 因此镜头的成像质量至关重要。远心镜头具有区别于普通镜头的优越特性：低畸变、恒放大倍率、大景深等! 因此在机器视觉非接触测量领域中应用广泛，常采用特殊设计的远心镜头来避免传统镜头的透视畸变。

1 镜头参数

在机器视觉的非接触测量中，双远心镜头的优势在于其具有恒定的放大倍率、更大的景深和低畸变，其最主要的参数为放大倍率、视场、景深等。本文以某型汽车零件为检测对象，该零件最大视场为78mm，深度为30mm，要求分辨率为0.05mm，畸变要求小于0.5%，景深大于30mm。针对该零件的检测要求，本设计采用低畸变的双远心光学系统，其系统参数如表1所示。

2 设计过程光学设计首先需要考虑以下几点：(1) 提出的要求是否合理(如分辨率,传递函数,畸变等)；(2) 做外形尺寸计算时,各镜组的光焦度分配要合理；(3) 初始结构设计时应考虑像差校正的可能性，并适当选择光学材料；(4) 像差平衡时，要考虑工艺性的要求，包括正透镜的边缘厚度、负透镜的中心厚度及可能需要的特殊工艺要求。光学设计的流程如图1所示。

图1.光学设计流程图2.1 双远心镜头原理双远心光路原理如图2所示,物镜由前后两组构成。物镜前组的后焦点和后组的前焦点重合，形成一个开普勒望远镜结构形式，使得物方主光线和像方主光线均平行于光轴，形成双远心光路。畸变是远心镜头控制的最重要的像差，作为横向像差，校正畸变的常用方法是采用对称式结构，因此本设计采用前后两组近似对称的结构。

图2.双远心系统原理图3 光学加工误差分析

在光学系统的设计完成之后，必须对光学元件的公差对系统像质的影响进行分析，从而制定元件的加工容差。由于在对光学元件进行机加工和系统装校的过程中，都会不可避免地产生误差，并且每个系统参数的误差对系统性能的影响也不一样。

本设计中主要针对镜片的曲率半径偏差、面偏差和物镜各面间的间隔偏差为研究对象，选择衍射极限下的MTF为评价函数，利用Zemax软件对其进行敏感度分析。从图 9可见，该物镜的MTF值的误差基本上控制在20%以内，满足像质的要求。表 3给出了影响该物镜的主要面号及改变值，表中TTHI和TRAD分别代厚度公差和曲率半径公差。从表3的改变量一列，可看出第16面、第11面和第13面是曲率半径的敏感面，而第9面到14面的间距偏差也是影响镜头精度的主要因素之一。表3中的理论公差值，为以后的光学加工和装校提供参考，以保证镜头的成像质量。

图9.公差分析下的MTF曲线图4 结论本文设计的-0.1倍的双远心物镜区别于传统的普通镜头，它能较好地控制畸变的大小，其工作距离为215 mm，物方视场为80 mm，最大畸变远小于一个像素。全视场处光学系统的MTF在200 lp/mm处大于0.05，满足高分辨率的要求，达到了双远心的目的。最后对物镜进行敏感度分析，得出影响镜头加工和装调的主要因素，为后期的实际生产提供了理论依据。然而在本设计中采用了高折射率玻璃，不易于加工，因此在加工时需要采用特殊工艺来保证其加工精度，对于镜片加工的环境因素的影响方面还有待进一步研究。