声光可调协滤波器（AOTF）成像光谱仪可同时获取探测目标的空间图像和光谱信息，具有体积小、质量轻、中心波长挑选灵活等优势。提出一种基于AOTF成像光谱仪组合变焦光学系统设计方案并完成了主动变焦前置光学系统仿真设计。该方案由主反式变焦前置系统和具有任意放大倍数的投影系统组成，可实现大变焦范围主动变焦成像。前置光学系统的初始结构由主反式变焦系统设计理论确定，利用同轴系统的离轴解和参数优化完成离轴三反远心结构的设计和系统像差校正，构建逐步逼近优化法实现主动连续变焦。在Code V中的仿真结果表明：前置变焦系统工作波段为0.5~1.7 μm，变焦范围为260~520 mm，短焦处调制传递函数大于0.68@34 lp/mm，长焦处大于0.45@34 lp/mm，全场的均方根半径小于0.345 μm，成像质量良好。

双远心镜头具有畸变低、景深大的优点，广泛应用于机器视觉工业的在线检测领域。现在提供一种三倍率双远心光路的设计方案，以半反半透镜为界，将远心镜头分为物镜与目镜两部分，通过更换目镜，在原有物镜系统上同时实现不同的光学倍率，可满足同时观察物体的整体与局部的需求。运用光学设计软件设计出一款三倍率、低畸变、高分辨率的双远心镜头。该镜头的工作距离为100 mm，物方视场分别为100 mm和25 mm，光学放大倍率分别为-0.11×，-0.24×和-0.44×，满足低畸变（最大畸变小于0.05%）与高分辨率（145 lp/mm处大于0.3）等要求。并以此对视场大小与光学系统设计的关系进行研究。

为满足机器视觉系统对可变倍双远心系统的需求,设计了一款可实现连续变倍的双远心镜头。该系统的放大倍率为-0.50×至-0.20×,物方视场可观测的直径范围为22~55 mm,可满足低畸变(各倍率段均小于 0.1%)、高分辨率(77.5 lp/mm处均大于 0.30)、高远心度(各倍率段均小于 0.1°)等设计要求,在使用过程中同时具有对物面、像面位移不敏感和可连续变倍检测的优点。重点介绍两种求解变倍凸轮曲线的方法,并进行相互验证,验证结果表明了凸轮曲线数据的准确性,这对变倍系统的后期生产加工具有重要作用。

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130 mm,物方视场分别为40 mm与80 mm,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(105 lp/mm处大于0.3)、高远心度(小于0.1°)等设计要求。

为实现简化的角膜曲率测量系统, 提出一种以角膜反射成像为原理的角膜曲率计, 其测量方法是将六个呈正六边形排布的点光源准直后投射到角膜前表面, 角膜反射图像经物方远心光路成像在CMOS上; 利用重心算法求出角膜反射图像中位于正六边形长对角线上的两个点光源的距离, 进而求得角膜曲率。本文对系统的成像质量、测量范围和测量精度进行了理论分析, 并且采用标准模拟眼和人眼进行实验, 以验证理论分析结果。结果表明: 本文设计的测量系统的角膜曲率半径测量范围为5.5 mm~11 mm(对应角膜屈光度30 m-1~60 m-1), 测量误差为±0.02 mm。这将为自动角膜曲率计的设计及优化提供技术支持。

针对深腔内深孔、微小孔或盲孔等,由于受到腔体尺寸形状和腔体结构的限制, 导致对腔体内表面的检测及腔体内孔径形位信息的检测有很大的难度,设计了一种检测腔内小孔特征以及腔内状态的内窥镜光学探头。该探头为具有90°视向角、20 mm大景深、高分辨率的细径内窥镜, 其放大倍率为-0.71×, 最大畸变为0.5%, 全视场MTF在166 lp/mm处接近0.1, 孔径检测精度为0.01 mm, 分辨率为0.005 mm, 且光学系统外径小于5 mm, 可用于对腔体直径范围15 mm～45 mm、孔径直径范围0.01 mm～4 mm的腔体零件内微小孔径形位信息的检测。

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。

针对井下爆炸装置主体密封螺纹的大径、中径、小径、螺距等参数的测量问题, 为了提高螺纹测量自动化程度, 在主体结构特点基础上研究了其外螺纹机器视觉测量方法。为了提高测量精度, 设计了基于双远心光学系统的外螺纹机器视觉测量系统。研究了螺纹图像区域提取方法、快速特征点提取方法、参数计算方法等。在所搭建平台上, 对所提出方法进行实验分析。实验结果表明, 被测螺纹导程为3 980.8 μm, 大径为65 435.6 μm, 螺纹小径为60 669.4 μm, 测量牙型高为2 383.1 μm, 满足4级螺纹精度要求, 证明了该方法的正确性和可行性。

基于机器视觉的大视场非接触精密检测的需求,参照卡尔蔡司公司的TVM 150/11/0.1远心镜头指标,设计了一款大视场双远心光学系统。采用了近对称的结构和半部设计的设计思路,较好地控制了畸变和倍率色差,实现了长工作距离(大于160 mm)、大视场(物方视场达到Φ150 mm)、低畸变(最大畸变小于1个像素)、高分辨(在2/3″ CCD全视场200 lp/mm处光学传函优于0.3)、宽景深(设计景深达到了±38 mm)和双远心系统的设计要求。着重分析了系统各器件偏心对畸变的影响,通过对关键器件的偏心控制,有效地抑制了由于生产制造过程中的偏差产生的随机畸变对测量误差的影响,从而为实际生产提供了理论指导。