基于机器视觉的高分辨率双远心物镜设计

李明东+高兴宇+陈朋波+叶鹏+黄寅

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

中图分类号： TN 216 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.007

文章编号： 1005-5630（2016）03-0226-07

Abstract： The double telecentric lenses with low magnification and large field-of-view present the advantages of low distortion and large depth of field，so they are widely applied in the machine vision industrial online detection.In this paper，a telecentric lens with high definition，large field-of-view and simple configuration is designed with the optics design software Zemax based on the demand of parameters for telecentric lens.The lens uses a nearly symmetrical structure to control the distortion and lateral color.After the optimization of optical aberrations，it achieves a long working distance （greater than 200 mm），low ratio （β=-0.1），low distortion （< 0.015%），high resolution （for 1/2"CCD the MTF of full field at 200 lp/mm is greater than 0.05），large depth of field （±32 mm） and satisfies the double telecentric requirements.This paper focuses on the design process and sensitivity analysis of the objective lens，and gives the main factors that affect the lens image quality in the manufacturing process and assembly.To effectively inhibit the deviation in the process of production and manufacturing，the sensitivity analysis provides a theoretical basis to ensure the lens image quality.

Keywords： optical design； machine vision； double telecentric； sensitivity analysis

引 言

机器视觉应用系统[1]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[2]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[3]。

远心镜头一般分为物方远心镜头、像方远心镜头和双远心镜头。双远心镜头综合了物方远心镜头和像方远心镜头的优点，对微小的物距和像距变化均不敏感[4]，能较好地消除被测物体的透视畸变，故在大景深、恒放大倍率等场合得到了广泛地应用。国外对双远心镜头的设计比较成熟，主要集中在德国、日本和美国等发达国家。伴随机器视觉的快速发展，国内对双远心镜头的设计也日趋成熟。本文根据某型汽车零件的机器视觉检测要求，确定双远心物镜的主要光学性能技术指标，合理选择初始结构和玻璃组合，通过像差优化设计出一款放大倍率为-0.1的双远心物镜，其性能指标达到要求，最后对其光学结构公差参数进行敏感度分析。

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78 mm，深度为30 mm，要求分辨率为0.05 mm，畸变要求小于0.5%，景深大于30 mm。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。