曹一青

一種用于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的雙遠(yuǎn)心鏡頭設(shè)計(jì)

曹一青1,2

（1. 莆田學(xué)院 機(jī)電與信息工程學(xué)院，福建 莆田 351100；2. 福建省激光精密加工工程技術(shù)研究中心，福建 莆田 351100）

為了滿足目前機(jī)器視覺(jué)工業(yè)在線檢測(cè)提出的更高要求，本文給出了一種用于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的雙遠(yuǎn)心鏡頭設(shè)計(jì)思路。首先，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，確定較合適初始結(jié)構(gòu)；然后，在雙遠(yuǎn)心鏡頭成像原理和像差分析方法基礎(chǔ)上，應(yīng)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax對(duì)系統(tǒng)像差反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到了一款具有高分辨率、低畸變及遠(yuǎn)心度小等特點(diǎn)的雙遠(yuǎn)心鏡頭。該鏡頭系統(tǒng)由10片折射透鏡組成，工作波長(zhǎng)為400～700nm，工作物距為100mm，畸變小于0.07%，遠(yuǎn)心度最大不超過(guò)為0.06°，調(diào)制傳遞函數(shù)值在奈奎斯特頻率77lp/mm處均大于0.5，像差校正較好，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

光學(xué)設(shè)計(jì)；雙遠(yuǎn)心鏡頭；遠(yuǎn)心度；畸變；像差校正

0 引言

近年來(lái)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)出現(xiàn)為電子、汽車、精密機(jī)械等行業(yè)產(chǎn)品表面缺陷的在線檢測(cè)提供了一種優(yōu)選技術(shù)，用該技術(shù)來(lái)取代“人眼”進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品表面缺陷和幾何尺寸在線檢測(cè)，已經(jīng)成為智能儀器設(shè)計(jì)需要考慮重要部分，并且伴隨著電子和計(jì)算機(jī)等技術(shù)不斷發(fā)展，使得機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在這些領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-3]。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要分為成像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)兩部分，成像系統(tǒng)鏡頭成像質(zhì)量直接決定其工作性能。由于它特殊應(yīng)用領(lǐng)域使得對(duì)鏡頭系統(tǒng)的分辨率、畸變等光學(xué)性能要求越來(lái)越高，而傳統(tǒng)工業(yè)鏡頭難以滿足該要求；遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)具有大景深、低畸變和高分辨率等獨(dú)特性能，它在一定程度上解決了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用傳統(tǒng)工業(yè)鏡頭帶來(lái)視差和畸變引起測(cè)量精度問(wèn)題[4]。

遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)按照光闌放置位置不同一般分為物方遠(yuǎn)心、像方遠(yuǎn)心和雙遠(yuǎn)心3種情況，雙遠(yuǎn)心鏡頭結(jié)合了物方遠(yuǎn)心鏡頭和像方遠(yuǎn)心鏡頭兩者特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在一定物距范圍內(nèi)，得到圖像放大倍率不會(huì)隨物距變化而變化，可以更精準(zhǔn)保證測(cè)量數(shù)據(jù)精確度，使得該類鏡頭被廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)精密測(cè)量領(lǐng)域。目前，許多研究人員對(duì)遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索，上海帆聲圖像科技有限公司的景磊設(shè)計(jì)了一款用于機(jī)器視覺(jué)觸摸屏在線檢測(cè)的F數(shù)為12的大倍率物方遠(yuǎn)心鏡頭[5]；長(zhǎng)春理工大學(xué)的羅春華等人設(shè)計(jì)了一款F數(shù)為8的工業(yè)雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)[6]；桂林電子科技大學(xué)的李明東等人在系統(tǒng)中引入3個(gè)非球面面型設(shè)計(jì)了一種高分辨率雙遠(yuǎn)心物鏡[7]；西安工業(yè)大學(xué)的陳智利等人以反遠(yuǎn)距系統(tǒng)為初始結(jié)構(gòu)，優(yōu)化得到了一款F數(shù)為8的大視場(chǎng)雙遠(yuǎn)心工業(yè)鏡頭[8]。然而，雖然遠(yuǎn)心鏡頭發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，但是隨著人們對(duì)機(jī)器視覺(jué)精密測(cè)量?jī)x器性能要求越來(lái)越高，使得對(duì)儀器中雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)也隨之提高，這將大大提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，使得如何更有效地設(shè)計(jì)出更高性能的此類系統(tǒng)是目前必須要解決的問(wèn)題。

綜上所述，結(jié)合目前對(duì)雙遠(yuǎn)心鏡頭性要求越來(lái)越高，本文是基于此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和像差分析方法，討論了一種雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。首先，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，確定較為合適初始結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用Zemax軟件構(gòu)建系統(tǒng)優(yōu)化評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)控制系統(tǒng)像差及遠(yuǎn)心度等設(shè)計(jì)指標(biāo)，最終設(shè)計(jì)一款工作波長(zhǎng)為400～700nm，F(xiàn)數(shù)為3.3，工作物距為100mm的高分辨率、低畸變及遠(yuǎn)心度的全球面雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)，本文所述方法將為以后設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)提供一種有效的參考方法。

1 遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)原理

機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域中，遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)使用能避免傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)帶來(lái)視差和畸變。遠(yuǎn)心光路分為物方遠(yuǎn)心光路、像方遠(yuǎn)心光路和雙遠(yuǎn)心光路3種，它們對(duì)應(yīng)光路圖如圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)所示[9]。物方和像方遠(yuǎn)心光路分別是將孔徑光闌設(shè)置在系統(tǒng)像方焦平面和物方焦平面上，能夠分別消除物方和像方調(diào)焦不準(zhǔn)確帶來(lái)的測(cè)量誤差；另外，物方遠(yuǎn)心光路在一定范圍內(nèi)，圖像放大倍數(shù)不會(huì)因物距變化而變化，而像方遠(yuǎn)心光路中像平面位置的變化不會(huì)影響系統(tǒng)成像大小。但是，雙遠(yuǎn)心光路是結(jié)合了物方遠(yuǎn)心和像方遠(yuǎn)心光路兩者優(yōu)點(diǎn)，這就避免了這兩種方法帶來(lái)的測(cè)量誤差，更好地保證測(cè)量數(shù)據(jù)精確性，因此該類光路系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)測(cè)量領(lǐng)域中。

對(duì)于雙遠(yuǎn)心光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前主要有3種方法：第一，先設(shè)計(jì)一個(gè)成像質(zhì)量好的像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，在該基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)對(duì)稱變換，得到物方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，然后將物方和像方兩個(gè)遠(yuǎn)心系統(tǒng)組合成雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)；第二，對(duì)物方和像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)，將這兩個(gè)遠(yuǎn)心系統(tǒng)合并形成雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)；第三，將雙高斯結(jié)構(gòu)或反遠(yuǎn)距等光闌位于系統(tǒng)中間的普通成像系統(tǒng)作為初始結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，前半部分和后半部分系統(tǒng)分別形成物方和像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)就變成雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)對(duì)上述方法進(jìn)行分析，本文采用第3種方法設(shè)計(jì)雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)。

2 遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

2.1 設(shè)計(jì)要求及初始結(jié)構(gòu)確定

本文在設(shè)計(jì)用于機(jī)器視覺(jué)測(cè)量的雙遠(yuǎn)心鏡頭光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，選用Sony公司生產(chǎn)的型號(hào)為ICX285的CMOS傳感器，板面尺寸為2/3英寸，分辨率為1360×1024，單個(gè)像素尺寸為6.45mm×6.45mm；系統(tǒng)在物方和像方分別可觀測(cè)半視場(chǎng)分別為14mm和5.56mm，則放大率為：

式中：和￠分別表示物方和像方視場(chǎng)大小。應(yīng)用表達(dá)式(1)，系統(tǒng)放大率為－0.397。

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，物點(diǎn)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后必須覆蓋至少兩個(gè)CMOS傳感器像元才能被辨別[8]，因此應(yīng)用表達(dá)式(2)能計(jì)算得到該光學(xué)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為32.49mm。

式中：為檢測(cè)精度；￠為CMOS傳感器單個(gè)像素尺寸。

因此，設(shè)計(jì)的雙遠(yuǎn)心鏡頭光學(xué)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)由表1給出。

表1 雙遠(yuǎn)心鏡頭光學(xué)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

選取合適初始結(jié)構(gòu)是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程重要環(huán)節(jié)，目前系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)確定方法一般有兩種：第一種是根據(jù)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)，利用賽德?tīng)栂癫罾碚摻⑾癫钇胶夥匠蘙9-10]，或者采用PW法直接設(shè)計(jì)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)，該解析方法對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，然而對(duì)于復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)而言，該方法計(jì)算復(fù)雜冗余，工作量非常大，難以完成高效高質(zhì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；第二種結(jié)合專利庫(kù)或已有參考文獻(xiàn)中的專利結(jié)構(gòu)，確定用于后續(xù)設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)指標(biāo)的初始結(jié)構(gòu)。綜合上述兩種初始結(jié)構(gòu)分析方法，本文在設(shè)計(jì)雙遠(yuǎn)心鏡頭光學(xué)系統(tǒng)時(shí)采用第2種方法來(lái)確定系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)。結(jié)合上一節(jié)論述雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在本設(shè)計(jì)中選取光闌位于系統(tǒng)中間的普通成像系統(tǒng)作為系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)；另外，由于對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)垂軸像差校正有很大優(yōu)勢(shì)，以及雙遠(yuǎn)心鏡頭光學(xué)系統(tǒng)對(duì)分辨率有較高要求需要更大設(shè)計(jì)自由度來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化像差，因此將兩個(gè)雙高斯鏡頭系統(tǒng)組合而成的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程及結(jié)果分析

系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)確定后，最終得到成像性能好的系統(tǒng)，需要經(jīng)過(guò)后續(xù)反復(fù)像差校正過(guò)程，同時(shí)也需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，具體優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程為[11-13]：

①根據(jù)表1給出設(shè)計(jì)指標(biāo)，在上面確定初始結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中設(shè)定物方數(shù)值孔徑、物方視場(chǎng)大小和工作波長(zhǎng)等參數(shù)，將光學(xué)面曲率半徑、空氣間隔、透鏡厚度和材料均設(shè)定為優(yōu)化變量，利用Zemax軟件優(yōu)化模塊中操作數(shù)APER和TTHI控制數(shù)值孔徑大小為0.06mm和物方工作距離為100mm，應(yīng)用操作數(shù)PMAG控制鏡頭系統(tǒng)放大倍率；加入相對(duì)應(yīng)的像差操作數(shù)對(duì)系統(tǒng)像差進(jìn)行優(yōu)化[14-15]；

②對(duì)于雙遠(yuǎn)心鏡頭光學(xué)系統(tǒng)，除了上述幾種像差需要控制外，還需要著重優(yōu)化系統(tǒng)畸變和遠(yuǎn)心度大小，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用操作數(shù)DIMX控制系統(tǒng)畸變，并開(kāi)啟軟件中物方遠(yuǎn)心功能達(dá)到保證系統(tǒng)物方為絕對(duì)遠(yuǎn)心，對(duì)于像方遠(yuǎn)心度通過(guò)控制系統(tǒng)最后光學(xué)面出射主光線方向余弦的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用操作數(shù)REAC來(lái)計(jì)算和優(yōu)化0視場(chǎng)、0.3視場(chǎng)、0.5視場(chǎng)、0.7視場(chǎng)和全視場(chǎng)5個(gè)視場(chǎng)位置時(shí)最后光學(xué)面出射主光線方向余弦值盡可能接近1，從而使系統(tǒng)出射光束垂直入射到像面上，這樣就能達(dá)到鏡頭系統(tǒng)同時(shí)滿足物方和像方主光線與光軸夾角為0，實(shí)現(xiàn)鏡頭雙遠(yuǎn)心目的；

③由于遠(yuǎn)心系統(tǒng)孔徑光闌通常都較小，但該系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)數(shù)量較多達(dá)到12片，容易造成光通量降低，且增加了系統(tǒng)成本和裝配難度；因此，為了能提高光通量，并合理保證設(shè)計(jì)自由度來(lái)有效校正像差，以及應(yīng)用膠合透鏡來(lái)校正高級(jí)像差，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)重新合理設(shè)計(jì)優(yōu)化，將系統(tǒng)鏡片數(shù)減少到10片，且包含一組雙膠合和三膠合透鏡。

通過(guò)上述優(yōu)化方法，在確保系統(tǒng)物方和像方遠(yuǎn)心度和畸變等要求下，采用錘形優(yōu)化方式來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)鏡片材料，補(bǔ)償系統(tǒng)色差，觀察每次優(yōu)化后系統(tǒng)各類像差變化情況，增加對(duì)系統(tǒng)成像性能貢獻(xiàn)較大像差項(xiàng)操作數(shù)的權(quán)重系數(shù)，對(duì)其有針對(duì)性優(yōu)化，最終達(dá)到滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)的光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光學(xué)參數(shù)和光路圖分別由圖2和表2給出。

圖2 優(yōu)化后雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和光路圖

表2 優(yōu)化后雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)

上述優(yōu)化得到雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的調(diào)制傳遞函數(shù)（modulation transfer function，MTF）曲線、點(diǎn)列圖和場(chǎng)曲畸變曲線圖分別如圖3、圖4和圖5所示，從圖中可以看出系統(tǒng)在奈奎斯特頻率1000/(2×6.45)≈77lp/mm處都大于0.50；并且MTF曲線平直，成像質(zhì)量較好；另外，系統(tǒng)的半視場(chǎng)（物高）為0mm、9mm和14mm對(duì)應(yīng)的點(diǎn)列圖均方根（root mean square，RMS）半徑為2.674mm、3.032mm和5.243mm，整體上看均方根半徑都比較小，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)成像性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求。從圖5給出的整個(gè)場(chǎng)曲畸變曲線可以得到，該雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)場(chǎng)曲校正在0.12mm以內(nèi)，畸變小于0.07%，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)場(chǎng)曲和畸變要求。

圖3 優(yōu)化后雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）曲線圖

圖4 優(yōu)化后雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)的點(diǎn)列圖

圖5 優(yōu)化后雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)的場(chǎng)曲及畸變曲線

遠(yuǎn)心度是評(píng)價(jià)雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，本文是基于物方絕對(duì)遠(yuǎn)心來(lái)設(shè)計(jì)完成，并通過(guò)評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器的REAC操作數(shù)來(lái)查看系統(tǒng)視場(chǎng)范圍內(nèi)多個(gè)視場(chǎng)對(duì)應(yīng)的像方遠(yuǎn)心度，其對(duì)應(yīng)像方遠(yuǎn)心度大小如表3所示，它分別列出了0.1、0.3、0.5、0.7和1（代表歸一化物方高度）對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)心度大小。從表3中可以看出系統(tǒng)最大遠(yuǎn)心度小于0.06°，小于設(shè)計(jì)指標(biāo)0.1°，它能保證該鏡頭系統(tǒng)在不同焦深工作環(huán)境下有比較好的圖像清晰度和小的圖像變形。

表3 雙遠(yuǎn)心鏡頭光學(xué)系統(tǒng)遠(yuǎn)心度

3 結(jié)論

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)和成像性能實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一款雙遠(yuǎn)心物鏡光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由10片透鏡組成，光學(xué)面均采用全球面設(shè)計(jì)，F(xiàn)數(shù)為3.3，最大畸變小于0.07%，全視場(chǎng)范圍內(nèi)遠(yuǎn)心度均小于0.06°，各種像差都得到了較好校正和平衡，具有較好的成像性能；它具有低畸變、低遠(yuǎn)心度和像質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn)，滿足遠(yuǎn)心系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。本文討論的方法在以后設(shè)計(jì)類似光學(xué)系統(tǒng)具有一定的參考價(jià)值。

[1] 田原嫄, 黃合成, 譚慶昌. 基于機(jī)器視覺(jué)的零件尺寸測(cè)量[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2010, 47(1): 011501.

TIAN Y Y, HUANG H C, TAN Q C. Size measurement of parts based on machine vision[J]., 2010, 47(1): 011501.

[2] 張恒, 何文雪. 基于機(jī)器視覺(jué)的堅(jiān)果尺寸檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2020(6): 52-60.

ZHANG H, HE W X. Design of nut size detection system based on machine vision[J]., 2020(6): 52-60.

[3] 付曉云. 基于機(jī)器視覺(jué)的典型零件幾何尺寸檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù), 2021(2): 32-35.

FU X Y. Design of Geometric dimension detection system for typical parts based on machine vision [J]., 2021(2): 32-35.

[4] 朱錚濤, 裴煒冬, 李淵, 等. 基于遠(yuǎn)心鏡頭的激光三角測(cè)距系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2018, 55(3): 031002.

ZHU Z T, PEI W D, LI Y, et al. Research and implementation of laser triangulation system based on telecentric lens[J]., 2018, 55(3): 031002.

[5] 景磊. 大倍率高分辨率機(jī)器視覺(jué)遠(yuǎn)心鏡頭設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代信息科技, 2019, 3(12): 141-144.

JING L. Design of telecentric lens for high power and high resolution machine vision[J]., 2019, 3(12): 141-144.

[6] 羅春華, 侯銳利, 于艇, 等. 工業(yè)雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2015, 38(6): 12-15.

LUO C H, HOU R L, YU T, et al. The design of double telecentric optical system in industry[J].: Natural Science Edition, 2015, 38(6): 12-15.

[7] 李明東, 高興宇, 葉鵬, 等. 機(jī)器視覺(jué)非球面雙遠(yuǎn)心物鏡的設(shè)計(jì)[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2016, 53(7): 134-142.

LI M D, GAO X Y, YE P, et al. Design of aspherical double telecentric lens for machine vision[J]., 2016, 53(7): 134-142.

[8] 陳智利, 劉雨昭, 費(fèi)芒芒, 等. 大視場(chǎng)雙遠(yuǎn)心工業(yè)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 38(5): 444-450.

CHEN Z L, LIU Y Z, FEI M M, et al. Design of industrial double telecentric optical lens with large field of view[J]., 2018, 38(5): 444-450.

[9] 葉文煒, 周天福, 黃錦媛, 等. 基于機(jī)器視覺(jué)的雙視野雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2020, 57(1): 012202.

YE W W, ZHOU T F, HUANG J X, et al. Design of dual-vision double telecentric optical system based on machine vision[J]., 2020, 57(1): 012202.

[10] 王之江, 顧培森. 實(shí)用光學(xué)技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

WANG Z J, GU P S.[M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2007.

[11] 楊康. 基于機(jī)器視覺(jué)的工業(yè)鏡頭設(shè)計(jì)[D]. 福州: 福建師范大學(xué), 2013.

YANG K. Design of Several Industrial Camera Based on Machine Vision[D]. Fuzhou: Fujian Normal Univesity, 2013.

[12] 沈志娟, 林海峰, 曹一青. 多組元全動(dòng)型大孔徑及超大視場(chǎng)變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2021, 58(7): 0708001.

SHEN Z J, LIN H F, CAO Y Q. Design of zoom lens system with moveable components including large aperture and with ultra-wide field of view [J]., 2021, 58(7): 0708001.

[13] 曹桂麗, 劉芳芳, 賈永丹, 等. 大相對(duì)孔徑、長(zhǎng)焦距的紫外告警光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2019, 56(12): 122203.

CAO G L, LIU F F, JIA Y D, et al. Design of ultraviolet warning optical system with large relative aperture and long focal length [J]., 2019, 56(12): 122203.

[14] 高志山. ZEMAX軟件在像差設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[M]. 南京: 南京理工大學(xué)出版社, 2006.

GAO Z S.[M]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology Press, 2006.

[15] 王之江, 顧培森. 實(shí)用光學(xué)技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

WANG Z J, GU P S.[M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2007.

Design of Double Telecentric Lens Using Machine Vision System

CAO Yiqing1,2

(1.,,,351100,;2.,351100,)

This study presents a design idea for adouble telecentric lens for machine vision systems to meet the industry requirements for the on-line inspection of machine vision. First, according to the design index of the system, a suitable initial structure is determined, and based on the imaging principle and aberration analysis method of the double telecentric lens, the aberration of the lens is then optimized repeatedly using the optical design software Zemax. Finally, a double telecentric lens with high resolution, low distortion, and small telecentricity is obtained. The lens system consists of 10 refraction lenses with an operating wavelength range 400–700 nm, a working object distance of 100 mm, distortion of less than 0.07%, maximum telecentricity of 0.06°, and modulation transfer function value greater than 0.5 at a Nyquist frequency of 77 lp/mm. The aberration correction is good and meets the design requirements of the system.

optical design; double telecentric lens; telecentricity; distortion; aberration correction

O435.2

A

1001-8891(2022)02-0140-05

2021-11-08；

2021-11-11.

曹一青（1987-），男，博士研究生，講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事光學(xué)系統(tǒng)成像分析及設(shè)計(jì)、光學(xué)檢測(cè)技術(shù)等方面的研究。E-mail：caoyiqing1987@163.com

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2020J01916）；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（JAT190590，JAT190567）；莆田市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2020GP004）；莆田學(xué)院引進(jìn)人才科研啟動(dòng)費(fèi)項(xiàng)目（2019010）。