李明東+高興宇+陳朋波+葉鵬+黃寅

摘要： 小倍率大視場的雙遠心物鏡具有低畸變、大景深的優(yōu)點，在機器視覺工業(yè)在線檢測領域應用廣泛。根據(jù)雙遠心鏡頭對結構參數(shù)的要求，運用光學設計軟件Zemax設計了一款高分辨率、大視場、結構簡單的雙遠心物鏡。該物鏡采用近似對稱結構，合理的控制畸變和色差，經(jīng)過像差優(yōu)化，實現(xiàn)了長工作距（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MTF在200 lp/mm處大于0.05）、大景深（±32 mm）和雙遠心系統(tǒng)的設計要求。重點闡述了物鏡的設計過程及鏡頭的敏感度分析，分析影響鏡頭像質的主要加工和裝配因素，為有效抑制由于生產(chǎn)制造過程中的偏差對鏡頭像質的影響提供參考。

關鍵詞： 光學設計； 機器視覺； 雙遠心； 敏感度分析

中圖分類號： TN 216 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.007

文章編號： 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

機器視覺應用系統(tǒng)[1]的關鍵技術主要涉及到光源照明、光學鏡頭、圖像信號處理以及執(zhí)行機構等。光學鏡頭作為機器視覺的核心部件，扮演著眼睛的功效，因此鏡頭的成像質量至關重要。遠心鏡頭[2]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，因此在機器視覺非接觸測量領域中應用廣泛，常采用特殊設計的遠心鏡頭來避免傳統(tǒng)鏡頭的透視畸變[3]。

遠心鏡頭一般分為物方遠心鏡頭、像方遠心鏡頭和雙遠心鏡頭。雙遠心鏡頭綜合了物方遠心鏡頭和像方遠心鏡頭的優(yōu)點，對微小的物距和像距變化均不敏感[4]，能較好地消除被測物體的透視畸變，故在大景深、恒放大倍率等場合得到了廣泛地應用。國外對雙遠心鏡頭的設計比較成熟，主要集中在德國、日本和美國等發(fā)達國家。伴隨機器視覺的快速發(fā)展，國內(nèi)對雙遠心鏡頭的設計也日趨成熟。本文根據(jù)某型汽車零件的機器視覺檢測要求，確定雙遠心物鏡的主要光學性能技術指標，合理選擇初始結構和玻璃組合，通過像差優(yōu)化設計出一款放大倍率為-0.1的雙遠心物鏡，其性能指標達到要求，最后對其光學結構公差參數(shù)進行敏感度分析。

1 鏡頭參數(shù)

在機器視覺的非接觸測量中，雙遠心鏡頭的優(yōu)勢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、景深等。本文以某型汽車零件為檢測對象，該零件最大視場為78 mm，深度為30 mm，要求分辨率為0.05 mm，畸變要求小于0.5%，景深大于30 mm。針對該零件的檢測要求，本設計采用低畸變的雙遠心光學系統(tǒng)，其系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

2 設計過程

光學設計首先需要考慮以下幾點：（1）提出的要求是否合理（如分辨率，傳遞函數(shù)，畸變等）；（2）做外形尺寸計算時，各鏡組的光焦度分配要合理；（3）初始結構設計時應考慮像差校正的可能性，并適當選擇光學材料；（4）像差平衡時，要考慮工藝性的要求，包括正透鏡的邊緣厚度、負透鏡的中心厚度及可能需要的特殊工藝要求。光學設計的流程如圖1所示。