大视场宽景深双远心系统的设计

为了满足基于机器视觉的复杂零件表面质量在线实时检测的需求,根据双远心成像原理和像差理论基础,采用ZEMAX光学设计软件,设计了一款大视场宽景深的双远心光学系统。所设计的系统仅由6块透镜组成,工作波长在可见光范围内,系统放大率为-0.061,工作距离大于390mm,最大视场达到180mm。结果表明,光学系统的最大畸变小于0.1%,景深范围达到80mm,调制传递函数在全视场100lp/mm处大于0.4,远心度最大值控制在0.012°内;各种像差均得到很好的矫正,像质优良。该设计结构符合双远心系统的总体设计要求。     

基于机器视觉的非球面双远心工业镜头设计

根据大尺寸零部件精密测量的需求,设计了一套基于机器视觉的非球面双远心工业镜头,有效地代替人眼进行检测。系统采用7片透镜组成的对称式结构,孔径光阑居正中;引入2个新型非球面提高成像质量,并最大程度的减小了系统体积,使系统总长为292 mm。在奈奎斯特频率为50 lp/mm时,调制传递函数MTF值均高于0.6,并进行公差分析,满足成像要求。系统工作距127.3 mm、入瞳直径300 mm、景深80 mm、最大畸变0.005%、远心度小于0.01°,实现了大口径、大景深、低畸变等设计要求,达到了双远心的目的。该系统可广泛应用于航空航天、轨道客车和汽车船舶领域的生产和检测等环节。     

基于机器视觉的双视野双远心光学系统设计

提供了一种基于机器视觉的双视野双光路远心系统设计方案,以折射棱镜为分界,将远心系统分为物镜部分与目镜部分,通过增加或更换目镜,即可在原有系统中同时实现不同的光学放大率,提高了远心系统在不同场合的适用性。设计了一款具有双视野的双远心系统。该系统工作距离为130mm,物方视场分别为40mm与80mm,搭配ON Semiconductor公司生产的型号为SN5000A的成像芯片,光学放大倍率分别为-0.275与-0.1375,并且满足低畸变(各视场畸变均小于0.1%)、高分辨(105lp/mm处大于0.3)、高远心度(小于0.1°)等设计要求。     

大面阵高分辨率三变倍双远心光学设计

针对芯片在塑封工艺中的表面缺陷检测,设计一款大面阵高分辨率三变倍双远心光学系统。通过远心理想模型分析和像差优化,得到一款大视场、高精度、可变倍、低畸变的双远心光学系统。该系统采用6500W像素的大面阵工业相机,由13片球形透镜组成,工作波长在可见光范围内,F数为7,放大倍率为-0305x、-0427x和-0500x,系统总长小于362mm。设计结果表明,不同倍率下的全视场调制传递函数在奈奎斯特频率156 lp/mm处都大于01,最大畸变不超过02,物方远心度小于02°,该光学系统成像质量良好,在工业表面缺陷检测光学设计领域有着一定的参考价值。     

CCD高速线材测径仿真系统的设计

设计了由平行光源、双远心镜头、面阵CCD摄像机和待测物等部分组成的高精度线材测径仿真系统。考虑到实验系统是 为了模拟完成高速线材的拍摄测量,在线材轧制过程中其径向速度可以高达100 m/s,同时存在横向跳动的迹象, 所以在光学设计中采用具有固定放大倍率的远心镜头,确保当物距改变时光敏面上的图像大小不发生变化; 并且选用的面阵CCD最快曝光时间可以达到1 us,从而可以得到实时反映被测物体尺寸的高清图像。 实验结果表明:使用该仿真系统测量出的工件直径精度可以达到20 um,足以满足生产需要。     

应用六阶波像差理论的鱼眼镜头系统设计

鱼眼镜头系统具有平面对称、超大视场、大孔径成像等特点,使得其设计十分复杂。波像差理论是研究光学系统的重要手段,由于鱼眼镜头系统具有平面对称的成像特性,赛德尔初级像差和基于轴对称光学系统发展的高阶像差理论不再适用于鱼眼镜头系统的像差分析和设计。介绍了六阶波像差理论,包括六阶本征波像差、五阶像差、衍生波像差及孔径光线二阶精度对波像差的影响,给出六阶波像差理论设计鱼眼镜头系统的流程图,应用六阶波像差理论设计鱼眼镜头前光组,由其前光组与后光组像差平衡设计了后光组。最后得到一成像质量良好的鱼眼镜头系统,该镜头的焦距为5.989 mm,视场角为180°,相对孔径为1/3.2。设计结果表明,该鱼眼镜头系统的调制传递函数（MTF）数值在空间频率为60 lp/mm时均不低于0.56,具有较好的成像质量。     

一种实用的CCD像机标定方法

机器视觉测量系统中,对于短焦距、视场角较大的CCD镜头,图像畸变较大,为了获得高精度的测量结果,需要对镜头进行标定.提出了一种实用的像机标定方法,采用了从畸变像点到理想像点变换的镜头畸变模型,通过优化搜索算法,得到了镜头畸变参数.进行了CCD像机标定实验,实验结果表明,该方法得到的摄像机的内部参数和镜头畸变参数能较好地还原畸变图像.     

一种利用结构光照明的高精度三维测量系统

为实现微小物体的全方位高精度三维测量,构建了一种利用结构光照明的高精度三维测量系统。对系统采用的双远心镜头、相位解算方法、多投影点云融合算法等进行研究。首先利用双远心测量头采集图像数据,然后采用多频相移与互补格雷码相移两种方法进行相位解算,并分析比较两种方法在重建精度和重建效率方面的性能,最后针对特定点云噪声提出相位滤波方法、优化的统计滤波方法以及多投影点云融合匹配校正方法。实验结果表明,系统应针对不同使用场景选用不同的相位解算方法;相较于单投影双目系统,基于多投影的本系统能获取目标全貌,且平面及高度测量精度均在10 μm以下;在GPU加速后,测量速度提升218倍。该系统基本满足高精度工业测量的精度高、效率高等要求。     

机器视觉系统的设计方法

文章主要介绍了机器视觉系统的概念和发展历程,介绍了机器视觉的组成和基本原理,从工业摄像机、镜头、光源、图像采集卡几方面详细阐述了机器视觉系统的设计要点、分类、选型。     

机器视觉光路的鬼像分析

分析了机器视觉系统光路中鬼像的来源及危害,给出了怎样利用光学设计软件ZEMAX进行鬼像分析。以某机器视觉系统为例详细阐述并列举了消除机器视觉系统鬼像的一般方法。     

高分辨率像方远心连续变焦投影镜头的设计

为了满足基于TIR棱镜的高分辨率工程投影机对高分辨率、高照度均匀性、长后工作距离及连续变焦投影的工作需求,设计了一种基于TIR棱镜的高分辨率像方远心连续变焦投影镜头。该镜头焦距为25~32 mm,F#为2.4,工作在可见光波段。该投影镜头具有靶面大、分辨率高、后工作距离长及照度均匀性高的设计难点,通过选择反远距的双高斯结构,控制像方远心度,通过采用不同材料搭配,并借助CODE V的玻璃专家优化功能,反复迭代优化,最终,得到满足使用要求的连续变焦投影镜头。结果表明:该镜头在连续变焦过程中各视场MTF值在72 lp/mm处不低于0.4,各视场RMS弥散斑直径小于8.5 m,畸变小于2%,短焦边缘视场照度均匀性大于95%。该连续变焦投影镜头采用全球面设计,结构紧凑,成像质量好,畸变、垂轴色差和照度均匀性都得到了较好的控制,可以很好地满足高分辨率工程投影机的投影需求。     

365 nm光刻照明系统中变焦系统的设计及公差分析

照明系统是投影光刻曝光光学系统的重要组成部分,它实现的功能是为掩模面提供高均匀性照明、控制曝光剂量以及不同照明模式。变焦系统作为光刻照明系统的重要组成部分,对提高整个光刻机的性能起着至关重要的作用。文中针对紫外光刻照明系统的特点,采用CODE V软件完成了波长365 nm,入瞳直径Φ33 mm,像方远心度≤10 mrad,畸变≤±2%近紫外光刻照明系统中变焦系统的设计,分析了变焦系统的误差源对系统光瞳性能的影响,结合变焦系统的设计方案和实际加工能力,给出单面厚度公差需小于20 μm,动件移动精度小于0.5 nm,各透镜偏心公差小于0.02 mm,各透镜倾斜公差控制在1′之内。制定公差合理、可行,满足了紫外光刻照明系统高均匀性、高能量利用率的要求。     

宽光谱可见-短波红外成像光学系统设计

针对目前的红外成像光学系统在机器视觉工业检测领域难以同时实现成像质量好和结构紧凑设计的问题,提出了一种宽光谱可见-短波红外成像光学系统的设计方法。运用光学设计软件ZEMAX设计了一种适用于可见光和短波红外的红外成像光学系统。该系统由7组10片透镜组成,利用多组双胶合透镜来消色差,在第15个面使用非球面提高成像质量,最后对系统的成像质量进行研究。设计结果表明：该系统的的工作波长为0.4～1.7μm,全长为79.6 mm,F数为2.8,焦距为25.7 mm,畸变小于1.4%,调制传递函数值在奈奎斯特频率100 lp/mm处均大于0.4,接近衍射极限,成像质量良好。该系统可以对光滑表面的装配件进行缺陷检测,具有结构简单、易于加工装调的优点,有助于高效地完成机器视觉检测。     

激光大尺度3维动态聚焦扫描加工系统研究

为了满足激光3维微加工不断提高的精度要求、不断增大的加工尺寸范围,以及加工效率的上升需求,采用理论分析和计算结合的方法,研制出由动态聚焦镜和2维扫描振镜组合的动态聚焦系统,与高精度X-Y-Z 3维高精度工作台集成为一台激光大尺度3维动态聚焦扫描加工设备。设计了焦距为100mm、视场角15、光阑口径7mm、后工作距137mm、相对畸变小于0.5%的远心f-镜和入光口径8mm、光学杠杆比1:8、后工作距800mm40mm的动态聚焦镜系统,并使用ZEMAX软件对系统关键光学部件动态聚焦镜和远心f-镜进行光学设计及系统性能评价。结果表明,通过工艺控制软件分层拼接,实现了460mm310mm50mm大尺度3维动态聚焦的高精度紫外激光微加工功能,在该3维扫描范围内,激光聚焦光斑直径始终保持小于10m,从而满足大尺度激光3维精密微加工需求。     

基于谐衍射的红外中波/长波双波段视景仿真光学系统设计

针对红外中波/长波双波段制导系统性能测试与评估的需求,设计了一套基于数字微镜器件的红外双波段视景仿真光学系统,包括投影镜头和照明系统。讨论了大出瞳距、大后工作距情况下红外双波段投影系统的像差特性及设计方法,采用反摄远结构和谐衍射面结合的方案,解决了由双波段、大出瞳距离和大后工作距带来的系统彗差、像散、畸变以及色差难以平衡的问题。采用柯勒式直接照明的方案,解决了斜入射情况下均匀照明的问题,提高了光能利用率并有效地控制了杂光的影响。最终仿真系统全视场角为5,F#为2.4,出瞳距离190 mm,出瞳直径84 mm,系统畸变小于0.1%,中波时系统奈奎斯特频率36 lp/mm下各视场调制传递函数大于0.4,长波时中间频率20 lp/mm处传递函数均大于0.38;照明均匀性高于98.5%。满足红外中波/长波双波段高质量模拟仿真的需求。     

大相对孔径宽光谱星敏感器光学镜头设计

为了提高星敏感器相对孔径,拓宽探测光谱范围,文中通过探测器灵敏度模型的计算,确定了星敏感器光学系统的设计参数,进而设计了一款基于卫星平台的星敏感器光学镜头。该镜头由7片球面透镜组成,光谱范围为500~800 nm,焦距为50 mm,相对孔径为1/1.25,视场角为8.458.45（对角线视场角为11.96）,总长83.33 mm。镜头采用像方远心光路,减小了因像面离焦及其他因素引起的测量误差。优化后的镜头畸变小于0.5%,质心色偏差控制在2 m内,能量集中度（33像元内）大于80%,最大倍率色差为-0.073 m,轴外视场的弥散斑能量集中度和轴上视场基本一致。对比不同温度下的光学系统,焦距变化量很小,验证了无热化设计要求,镜头的成像质量良好。