基于機(jī)器視覺的高分辨率雙遠(yuǎn)心物鏡設(shè)計(jì)

李明東+高興宇+陳朋波+葉鵬+黃寅

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)稱結(jié)構(gòu)，合理的控制畸變和色差，經(jīng)過像差優(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； 雙遠(yuǎn)心； 敏感度分析

中圖分類號(hào)： TN 216 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.007

文章編號(hào)： 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(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)[1]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[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(jī)器視覺非接觸測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，常采用特殊設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)心鏡頭來避免傳統(tǒng)鏡頭的透視畸變[3]。

遠(yuǎn)心鏡頭一般分為物方遠(yuǎn)心鏡頭、像方遠(yuǎn)心鏡頭和雙遠(yuǎn)心鏡頭。雙遠(yuǎn)心鏡頭綜合了物方遠(yuǎn)心鏡頭和像方遠(yuǎn)心鏡頭的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)微小的物距和像距變化均不敏感[4]，能較好地消除被測(cè)物體的透視畸變，故在大景深、恒放大倍率等場(chǎng)合得到了廣泛地應(yīng)用。國(guó)外對(duì)雙遠(yuǎn)心鏡頭的設(shè)計(jì)比較成熟，主要集中在德國(guó)、日本和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。伴隨機(jī)器視覺的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)雙遠(yuǎn)心鏡頭的設(shè)計(jì)也日趨成熟。本文根據(jù)某型汽車零件的機(jī)器視覺檢測(cè)要求，確定雙遠(yuǎn)心物鏡的主要光學(xué)性能技術(shù)指標(biāo)，合理選擇初始結(jié)構(gòu)和玻璃組合，通過像差優(yōu)化設(shè)計(jì)出一款放大倍率為-0.1的雙遠(yuǎn)心物鏡，其性能指標(biāo)達(dá)到要求，最后對(duì)其光學(xué)結(jié)構(gòu)公差參數(shù)進(jìn)行敏感度分析。

1 鏡頭參數(shù)

在機(jī)器視覺的非接觸測(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。本文以某型汽車零件為檢測(cè)對(duì)象，該零件最大視場(chǎng)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(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。