宽光谱双远心光路设计.docx

随着对工业生产检测要求的不断提高，普通镜头由于受到视差和畸变的影响,应用在工业测量领域的局限性也逐渐显现出来。此时，双远心系统独特的光学特性能可以很好的解决普通镜头存在的问题，逐渐显示出在测量领域的优势。本文设计了一个双远心光学系统，采用ZEMAX光学设计软件对系统的整体结构进行了优化设计，通过点列图，MTF,畸变和远心度等对系统的成像情况进行分析，并对系统进行了公差分析和温度分析。最后得到的双远心系统包括6片透镜，远心度小于O02,畸变小于0.3%,MTF在701pmm时的值大于0.35,系统的成像质量完善，满足设计要求。关键词：双远心高精度测量公差分析温度分析AbstractWiththecontinuousimprovementoftherequirementsforindustrialproductiondetection,thelimitationsofordinarylensesinthefieldofindustrialmeasurementaregraduallyemergingduetotheinfluenceofparallaxanddistortion.Atthistime,theuniqueopticalpropertiesofthedualtelecentricsystemcansolvetheproblemsofordinarylensesandgraduallyshowitsadvantagesinthefieldofmeasurement.Inthispaper,adoubletelecentricopticalsystemisdesigned.TheoverallstructureofthesystemisoptimizedbyZEMAXopticaldesignsoftware.Theimagingofthesystemisanalyzedbyspotdiagram,MTF,distortionandtelecentricity.Thetoleranceanalysisandtemperatureanalysisofthesystemarecarriedout.Thefinaldoubletelecentricsystemincludes6lenses.Thetelecentricityislessthan0.02,thedistortionislessthan0.3%,andtheMTFisgreaterthan0.35at701p/mm.Theimagingqualityofthesystemisperfectandmeetsthedesignrequirements.Keywords:Doubletelecentric;Highprecisionmeasurement;Toleranceanalysis;Temperatureanalysis摘要IAbstractII第1章绪论1L2研究目的意义11.3 远心系统的应用21.4 国内外研究现状21.5 本课题主要研究内容5第2章远心光路原理71. 1应用在非远心领域的问题72. 2远心光路的分类73. 3双远心光学像质评价指标9第3章双远心系统设计114. 1初步设计115. 2系统优化136. 3设计结果147. 4无热化178. -204.1公差分析的方法204.2公差分析结果20第5章总结与展望235.1总结235.223参考文献24致谢错误!未定义书签。第1章绪论1.1研究背景测量是科学的眼睛、也是工程的眼睛，测量的重要性是显而易见的山。然而，随着现代工业中零件尺寸的减小和复杂度的提高，传统的普通光学成像系统已无法满足对测量精度的要求。特别是在对一个或多个被测物体进行高精度检测时,光学系统的选择变得非常重要，因为传统的光学成像系统会引入误差，严重影响测量精度，并使数据处理复杂化。光学测量技术是将光学原理应用于测量中，在工业测量领域具有高效率、无接触、低人力消耗、高精度和快速测量等特点网，在工业测量领域备受关注。随着工业制造工艺、光学理论等的发展，对于工业测量精度的要求不断提高，特别是超精密轮廓测量，使得用于几何量测量的光学系统也越来越成熟。其中，双远心光学系统等获取图像的光学测量系统，因其独特的优势，在工业测量的特定领域中发挥着越来越重要的作用。L2研究目的意义远心镜头具有独特的光学特性，包括高分辨率、宽景深、低畸变和平行光设计等，因此在高精度的机器视觉精密检测中具有很大优势。例如，在现场测量中，远心镜头能够在保持大景深范围的前提下提供精准的测量结果。相比之下，即使通过图像处理算法改进，普通工业光学系统也无法达到同样的效果。普通光学镜头在测量过程中存在一些问题，如镜头的畸变大，选择不恰当的视角导致误差增加，外部光源干扰导致采集到的图像边缘比较模糊等，从而影响系统的测量精度。举个例子，现在需要检测一个工业零件，如图1.1所示为普通相机正面拍摄的图像，使用普通相机测量时，由于视差存在，拍摄的图像出现变形和虚影，导致测量效果不理想。图LI普通镜头拍摄使用双远心相机测量上述零件，正面拍摄的图像如图1.2所示，可以看出,双远心相机获取的图像呈平面状，无虚影，并且边缘轮廓非常清晰，在后续的图像处理工作中非常方便，便于测量。图1.2双远心镜头拍摄由此可知，在使用普通镜头进行尺寸测量时，会存在一系列问题，而远心镜头具有准确的放大倍率、小误差、小畸变和高分辨率等优点，可以很好地解决现在工业测量中普通镜头存在的一些问题。1.3远心系统的应用(1)在精密测量领域，远心光学系统主要的应用领域是精密机械组件的测量，例如测量汽车零器件的尺寸，以及不合格的零器件的检测等。此外，也会利用远心系统检测体积较小的精细零部件，如螺丝、垫片、弹簧和螺帽等。(2)其在工业测量领域的应用还包括一些有厚度及深度物体的检测、透光物体的检测、带孔径以及三维物体的检测等。(3)在图像测量领域，在传统的光学系统下，物体图像的大小随着物体与透镜之间的距离而变化，不利于图像测量。而远心系统则能允许一定程度的距离改变，使得镜头在一定的范围内都能够清晰成像，图像不会因物体与镜头间距离的改变而放大或缩小。L4国内外研究现状在光学设计行业，关注的重点主要为传统的非远心系统。然而随着机器视觉应用普及程度的加深，人们对于远心系统设计的关注度也越来越高，其基础的设计理论、优化理论也逐渐完善，国内外对于远心系统的研究也慢慢完善。(1)国内现状：2009年，中科院的李欢等人将远心系统应用在离轴三反望远系统中，论文阐述了离轴望远镜设计的相关的几何光学成像理论，并且在此基础上细致研究了成像光谱仪的设计，解决了一些大口径离轴三反望远镜系统的固有的问题并成功设计了一款10。大视场的消像散望远系统，成像质量良好；2010年，天津大学的徐颖欣等人将远心镜头应用在非接触的测量场景中，重点分析了普通镜头的透视投影成像方法与远心镜头的平行投影成像方法进行比较，分析其不同特点，研究结果表明远心镜头的平行投影相较于透视投影能很好的解决回转体工件在测量过程中遇到的问题；2014年，梅丹阳等人设计了一款在保持远心光路特性的基础上还能进行变焦的光学系统。2016年，沈阳工业大学的王明威等人利用了双远心镜头宽景深和低畸变的优势，将其应用在虹膜图像采集设备中（如图1.3所示），有效的降低了图像采集过程中出现的运动模糊、离焦等问题，提高了识别效率；计算机D摄像机双远心镜头人眼LED光源托盘固定焦距高度可调图L3采集系统的组成框图2018年，西安工业大学的陈智利等人以反远距系统为初始结构，优化得到了一款F数为8的大视场双远心工业镜头叫同年,南京理工大学的刘志颖等人细致分析离轴抛物面的折反式远心镜头与传统的折射式物方远心成像系统的优缺点后，将折射式物方远心系统应用到瞳孔检测仪中（如图1.4所示），用于采集人眼两个瞳孔的图像信息，检测精度较高且适用的瞳距范围大，并且相较于双CCD的方案大大降低了检测仪的制作成本。LEDlLED2图1.4系统原理图2019年，张合，向阳等设计了一款用于镜片疵病检测的双路双远心光学系统HO）（如图1.5所示）。像面图L5双光路双远心原理图2020年，蔡达岭等人设计了一款基于机器视觉的小景深，高分辨率，低远心度的双远心光学系统HL2022年，曹一青根据工业生产中机器视觉检测系统对光学系统参数和成像性能实际需要，设计了一款双远心物镜光学系统I。（2）国外现状:2008年，波兰的设计者TKrySZCZyhSki根据矩阵光学理论，阐述了镜组个数为三个的双远心系统的设计方案。分析物像双远心系统的特性后，将每个个镜组的镜组距离与镜组的焦距以及系统的放大率之间联系在一起，然后通过算法计算出各个镜组最合适的光焦度值H文2015年，MikeAntonmNovakPavel等人将引入远心光学系统用于提高背景定向纹影技术的空间分辨率H文2016年，MccallB,ClaytorN等人对由四个可调谐透镜组成的双面远心变焦透镜进行了近轴分析。并且根据推导出的旁轴参数的计算公式，给出了相应的计算实例"习。2018年，ThanhC.Nguyen等人在研究癌细胞的形态和运动问题时，在数字全息显微术（DHM）中巧妙的利用远心结构（如图1.6所示）减小了由于显微镜物镜造成的相位像差和参考光束产生的线性高频条纹，从而最小化了无畸变三维重建所需的数字像差校正1。NeutralFilterNeutralDensityFilterSpatialfilterIOX MOPinCoIIimatingR IcdBSTube Lcns 2 wM02 UTube Lens ISample holder图L6双远心DHM系统由上述可知，在远心成像系统中针对物像方双远心系统的近轴设计理论，国内外研究者提出了较多的设计方案，但是在实际设计与实际场景的应用中，更多设计者与使用中都停留在了物方单远心或像方单远心系统的层面。其中很重要一部分原因是物像方双远心系统在结构方面相对复杂、在生产成本上相对较高、且在实际应用中装调测量的难度较大。然而随着近些年在光学加工、光学检测及高精度装调方面的水平日渐提高，物像方双远心系统与单方远心系统的差距正在逐步减小，市场的需求也逐渐加大，因此针对远心系统中物像方双远心系统的设计是本论文的重点。L5本课题主要研究内容双远心光路在测量系统中有着广泛应用，但是其设计相对复杂，同时宽光谱消色差的需求又进一步提高了光学设计难度。本论文针对上述需求，深入研究光学设计方法，设计一款400-800nm宽光谱双远心光路。以下为本文的主要研究内容：第一章绪论讨论了普通传统镜头在使用中存在的不足，以及远心系统所具有的独特特性，同时研究了远心系统在工业测量中的应用，后面介绍了远心系统在国内外的发展现状。第二章介绍了远心光路成像原理，分析了在工业测量时非远心系统影响测量精度的原因，然后又主要介绍了远心系统的分类及其在测量时的优点，之后又分析了几种系统的像质评价指标。第三章为双远心系统的设计。介绍了设计前初始结构的选择，以及具体的优化过程，对设计过程中操作数的设置和设计完成后系统各个方面的结果进行了阐述和分析，结果显示系统成像良好，且各项指标均满足设计要求。第四章为公差分析。