基于机器视觉的小景深高分辨率双远心光学系统的设计

针对机器视觉检测Pin针位置度的应用需求,确定光学系统技术指标,选择合适的初始结构和玻璃组合,通过像差优化设计一款小景深、高分辨率、低远心度的双远心光学系统。系统包括8片球面透镜,物方线视场2y=32 mm,工作距离120 mm,景深0. 5 mm,像面CCD尺寸1英寸,最大畸变小于0. 1%,远心度最大值控制在0. 007°以内,在空间频率208 lp/mm处调制传递函数(MTF)值大于0. 3,各种像差均得到很好的矫正,像质优良,并对光学系统进行公差分析。该结构在连接器Pin针位置度检测领域内具有广泛的通用性,在一定程度上提高检测效率、降低劳动成本,有很好的市场前景。     

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。     

连续变焦镜头凸轮曲线压力升角优化研究

连续变焦镜头凸轮曲线压力升角优化设计是镜头性能的重要影响因素.结合镜头中凸轮驱动结构形式及力学理论,分析了凸轮曲线的压力升角对系统传动力矩的影响;结合机械加工误差以及压力升角模型,提出凸轮曲线优化约束条件及优化原则;同时借助Gauss函数的平滑特性,实现凸轮曲线沿垂直于光轴方向非均匀展宽的优化方法,抑制凸轮曲线的最大升...     

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。     

基于远心成像的高精度线激光三维测量方法

精密零部件的高精度三维成像是工业制造和检测的关键任务。针对现有的线激光测量系统效率慢、精度低等问题,提出了利用远心成像的线激光三维测量系统,研究了该系统的标定方法。首先,分别采集不同位置的靶标图像和激光线照射下相同位置的靶标图像,通过远心正交成像标定相机内参矩阵系数和外参位姿关系;然后,建立线激光投影平面与标定目标平面之间的几何关系,求解不同目标平面下的激光线方向矢量,进而通过最小二乘法获得光平面方程;最后,在极大似然准则下,利用Levenberg-Marquard非线性优化算法精确地计算标定参数最优解,搭建了测试系统,开发了专用标定程序。实验结果表明：在60 mm×48 mm的视场下,所设计的系统和方法可以实现优于18μm的测量误差,能够快速准确地重建出三维形貌。     

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。     

宽光谱实入瞳远心中继光学系统设计

红外光谱成像系统、光场成像系统、光学显微系统、偏振干涉成像系统、复眼成像系统、环带式全景光学系统、多尺度成像系统及头戴式增强显示系统等光学系统中,通常需要中继光学系统来实现光路衔接、配曈、偏转等。研究了现有中继光学系统结构,介绍了光阑前置即具有实入曈的像方远心离轴三反光学系统的设计方法及自由曲面的描述方法,完成了满足设计参数的具有实入瞳的远心中继光学系统仿真设计,系统各镜采用XY多项式描述的自由曲面离轴三反光学系统结构。CODEV仿真设计结果表明,在工作谱段0.4~5.0 μm、焦距400 mm、F数3、视场角2ω=8°下,系统MTF(Modulation Transfer Function)接近于衍射极限,畸变小于1%,成像质量良好。     

用于精密检测的大孔径双远心光学系统设计

为了满足光通信玻璃管内径检测对机器视觉提出的高精度要求,以及解决照明不均匀对检测精度的影响,本文在四组元结构设计理论基础上,通过像差平衡和优化设计,设计了一种具有同轴照明的大孔径高分辨率双远心光学系统。该系统由球面透镜及分光棱镜组成,放大倍率为6×,F数为8,物方数值孔径为03759,适配于6500万像素的大面阵工业相机。设计结果表明,系统的成像质量接近衍射极限,光学调制传递函数在奈奎斯特频率156 lp/mm处大于01,最大畸变小于01,物像方远心度均小于01°,系统分辨率高达1μm。     

红外连续变焦镜头凸轮曲线优化及运动学仿真

随着制造技术的发展, 机械补偿式变焦镜头的使用也越来越广泛.光学系统变焦的精确性、平滑性和驱动力均衡性主要取决于变焦凸轮, 而变焦凸轮的压力角与凸轮外径、凸轮转角范围以及变倍组的运动规律有关.本文以某款红外连续变焦镜头为例, 不改变凸轮外径和凸轮转角范围, 对变倍组的运动规律进行优化设计, 并通过ADAMS对优化后的模型进行运动学仿真.仿真结果表明:该优化方法可以降低变焦凸轮在短焦段和长焦段的压力角, 消除变倍组等速运动时的刚性冲击.     

红外双波段/双视场望远系统设计

红外双波段/双视场光学系统能提升红外系统的探测能力,为了满足探测要求,提出了双波段/双视场红外望远光学系统的设计方法,设计了一种双波段/双视场红外望远光学系统,采用切换式视场变换方式,使用了锗、硒化锌和氟化钡3种光学材料。仿真结果表明,该系统结构简单,像质良好,在16 lp/mm处的MTF值大于0.5。     

基于ZEMAX软件的二组元变焦系统凸轮曲线设计程序

变焦系统凸轮曲线设计是变焦系统后期设计过程中十分重要的一环,曲线设计的好坏直接关系到系统最后像面的稳定程度.针对较普及的ZEMAX光学设计软件界面编写的二组元变焦系统凸轮曲线设计程序确保像面稳定,像质优良.程序可准确给出凸轮曲线的数据和形状.可借助该程序对变焦系统任意焦距位置的光学性能和像差特性进行实时评估.提高变焦系统的设计效率和精度,对变焦系统的前期和后期设计有着积极的作用.     

基于远心镜头与曲面屏的镜面三维测量方法

提出了一种基于远心镜头与曲面屏的非连续镜面三维形貌测量新方法,在增加大曲率镜面成像范围的同时,提高了三维数据的测量精度。首先,在显示屏上显示标准正弦条纹图,相机分别记录经由平面参考镜和被测镜面反射的正弦条纹图像。然后,利用四步相移法和最佳三条纹选择法得到对应的相位分布值。接着,与平面参考镜比较,得到经由被测镜面物体表面调制后的相位变化。根据所建立的数学模型,推导相位与深度间对应关系,并对其系统参数进行标定。最后,对大曲率镜面和非连续镜面标准台阶进行了测量,验证了该方法的精度和有效性。     

一种用于机器视觉系统的双远心镜头设计

为了满足目前机器视觉工业在线检测提出的更高要求,本文给出了一种用于机器视觉系统的双远心镜头设计思路.首先,根据系统设计指标,确定较合适初始结构;然后,在双远心镜头成像原理和像差分析方法基础上,应用光学设计软件Zemax对系统像差反复优化设计,最终得到了一款具有高分辨率、低畸变及远心度小等特点的双远心镜头.该镜头系统由1...     

可变光片照明系统设计

为解决目前光片荧光显微镜光片厚度单一的问题,基于变倍扩束原理进行了可变光片照明系统设计。首先,对光片照明系统各组成部分进行了高斯光学计算,得到光片厚度与扩束比的关系以及扩束比与各组元垂轴放大率、焦距的关系;然后,设计了基于10倍扩束的可变光片照明系统,得到厚度和长度连续可变的光片;最后,对光片参数、均匀性及系统的公差进行分析。设计结果表明,连续可变光片的厚度为3.33～33.3 m,在YOZ平面上60%的光片高度区域内,低（1）、中（6）和高（10）扩束比下的照度均匀性分别达到0.65、0.4和0.61。公差分析表明,光片厚度在1扩束比时的最大改变量小于设计值的15%,在6和10扩束时小于6%。设计实现了光片厚度的连续变化,且在60%的光片高度区域内有利于样本的观察。     

R-C光学系统设计及杂散光分析

将光学系统设计与杂散光分析相结合,介绍了一种焦距2000 mm、F/#=10、2ω=1.66°的空间用R-C光学系统,系统像质优良,结构紧凑.同时,针对R-C系统的特点,考虑轴外渐晕的影响,计算了主、次镜内遮光罩的尺寸,给出外遮光罩的设计方法,对该R-C望远镜系统进行了遮光罩设计,并用光学软件进行杂散光分析,计算得到方位角为0°时的PST曲线.结果表明,当离轴角度大于太阳临界入射角时,PST值小于10-8量级,满足要求.     

空间外差光谱仪成像光学系统设计

为满足高光谱傅里叶变换光谱仪对高光谱分辨率、小畸变、像面光谱辐照度均匀、高信噪比以及仪器轻量化小型化的要求,设计了空间外差光谱仪成像光学系统。基于傅里叶变换的空间外差光谱仪空间干涉的特点和对成像系统缩放比、畸变等要求,依据干涉图调制度分析了最恶劣面形改变条件下对干涉仪元件面形误差的要求,并采用前后镜组匹配实现了双远心成像系统的设计。设计结果表明:该光学结构可避免调焦产生的成像系统缩放比改变,有效视场内畸变量约0.1%,传递函数在38.5 lp/mm处物面所有点全视场范围逸0.60。依据仪器视场角对滤光片安装位置和精度提出要求,并对成像系统进行杂散光和照度均匀性分析提出有效抑制杂散光的措施和方法。系统设计满足了空间外差光谱仪对成像的要求,实现了照度均匀、低畸变、离焦情况下缩放比保持不变等。     

基于DSP的红外双视场调焦系统设计

根据红外双视场光学成像系统的特点和技术要求,介绍一种以DSP芯片TMS320LF2407A为控制核心的调焦系统,主要包括光学系统的调焦原理、调焦机构的设计、控制系统硬件电路的构成及控制策略的软件实现.实验结果表明,该调焦系统可以在1 s内实现大小两个视场的切换,调焦定位精度达到5μm,满足光学系统对调焦控制的快速性和高精度要求.