摘要：小倍率大視場(chǎng)的雙遠(yuǎn)心物鏡具有低畸變、大景深的優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)器視覺(jué)工業(yè)在線檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。根據(jù)雙遠(yuǎn)心鏡頭對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的要求，運(yùn)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax設(shè)計(jì)了一款高分辨率、大視場(chǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙遠(yuǎn)心物鏡。該物鏡采用近似對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，合理的控制畸變和色差,經(jīng)過(guò)像差優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)工作距(大于200 mm)、低倍率(β=-0.1)、低畸變(小于0.015%)、高分辨(1/2" CCD全視場(chǎng)MTF在200 lp/mm處大于0.05)、大景深(±32 mm)和雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。重點(diǎn)闡述了物鏡的設(shè)計(jì)過(guò)程及鏡頭的敏感度分析，分析影響鏡頭像質(zhì)的主要加工和裝配因素，為有效抑制由于生產(chǎn)制造過(guò)程中的偏差對(duì)鏡頭像質(zhì)的影響提供參考。關(guān)鍵詞：光學(xué)設(shè)計(jì)；機(jī)器視覺(jué)；雙遠(yuǎn)心；敏感度分析引言

機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要涉及到光源照明、光學(xué)鏡頭、圖像信號(hào)處理以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。光學(xué)鏡頭作為機(jī)器視覺(jué)的核心部件扮演著眼睛的功效! 因此鏡頭的成像質(zhì)量至關(guān)重要。遠(yuǎn)心鏡頭具有區(qū)別于普通鏡頭的優(yōu)越特性：低畸變、恒放大倍率、大景深等! 因此在機(jī)器視覺(jué)非接觸測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，常采用特殊設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)心鏡頭來(lái)避免傳統(tǒng)鏡頭的透視畸變。

1 鏡頭參數(shù)

在機(jī)器視覺(jué)的非接觸測(cè)量中，雙遠(yuǎn)心鏡頭的優(yōu)勢(shì)在于其具有恒定的放大倍率、更大的景深和低畸變，其最主要的參數(shù)為放大倍率、視場(chǎng)、景深等。本文以某型汽車(chē)零件為檢測(cè)對(duì)象，該零件最大視場(chǎng)為78mm，深度為30mm，要求分辨率為0.05mm，畸變要求小于0.5%，景深大于30mm。針對(duì)該零件的檢測(cè)要求，本設(shè)計(jì)采用低畸變的雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，其系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程光學(xué)設(shè)計(jì)首先需要考慮以下幾點(diǎn)：(1) 提出的要求是否合理(如分辨率,傳遞函數(shù),畸變等)；(2) 做外形尺寸計(jì)算時(shí),各鏡組的光焦度分配要合理；(3) 初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮像差校正的可能性，并適當(dāng)選擇光學(xué)材料；(4) 像差平衡時(shí)，要考慮工藝性的要求，包括正透鏡的邊緣厚度、負(fù)透鏡的中心厚度及可能需要的特殊工藝要求。光學(xué)設(shè)計(jì)的流程如圖1所示。

圖1.光學(xué)設(shè)計(jì)流程圖2.1 雙遠(yuǎn)心鏡頭原理雙遠(yuǎn)心光路原理如圖2所示,物鏡由前后兩組構(gòu)成。物鏡前組的后焦點(diǎn)和后組的前焦點(diǎn)重合，形成一個(gè)開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)形式，使得物方主光線和像方主光線均平行于光軸，形成雙遠(yuǎn)心光路?；兪沁h(yuǎn)心鏡頭控制的最重要的像差，作為橫向像差，校正畸變的常用方法是采用對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，因此本設(shè)計(jì)采用前后兩組近似對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)。

圖2.雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)原理圖3 光學(xué)加工誤差分析

在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成之后，必須對(duì)光學(xué)元件的公差對(duì)系統(tǒng)像質(zhì)的影響進(jìn)行分析，從而制定元件的加工容差。由于在對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行機(jī)加工和系統(tǒng)裝校的過(guò)程中，都會(huì)不可避免地產(chǎn)生誤差，并且每個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的誤差對(duì)系統(tǒng)性能的影響也不一樣。

本設(shè)計(jì)中主要針對(duì)鏡片的曲率半徑偏差、面偏差和物鏡各面間的間隔偏差為研究對(duì)象，選擇衍射極限下的MTF為評(píng)價(jià)函數(shù)，利用Zemax軟件對(duì)其進(jìn)行敏感度分析。從圖 9可見(jiàn)，該物鏡的MTF值的誤差基本上控制在20%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足像質(zhì)的要求。表 3給出了影響該物鏡的主要面號(hào)及改變值，表中TTHI和TRAD分別代厚度公差和曲率半徑公差。從表3的改變量一列，可看出第16面、第11面和第13面是曲率半徑的敏感面，而第9面到14面的間距偏差也是影響鏡頭精度的主要因素之一。表3中的理論公差值，為以后的光學(xué)加工和裝校提供參考，以保證鏡頭的成像質(zhì)量。

圖9.公差分析下的MTF曲線圖4 結(jié)論本文設(shè)計(jì)的-0.1倍的雙遠(yuǎn)心物鏡區(qū)別于傳統(tǒng)的普通鏡頭，它能較好地控制畸變的大小，其工作距離為215 mm，物方視場(chǎng)為80 mm，最大畸變遠(yuǎn)小于一個(gè)像素。全視場(chǎng)處光學(xué)系統(tǒng)的MTF在200 lp/mm處大于0.05，滿(mǎn)足高分辨率的要求，達(dá)到了雙遠(yuǎn)心的目的。最后對(duì)物鏡進(jìn)行敏感度分析，得出影響鏡頭加工和裝調(diào)的主要因素，為后期的實(shí)際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。然而在本設(shè)計(jì)中采用了高折射率玻璃，不易于加工，因此在加工時(shí)需要采用特殊工藝來(lái)保證其加工精度，對(duì)于鏡片加工的環(huán)境因素的影響方面還有待進(jìn)一步研究。