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 10片折射透镜组成, 工作波长为 400～ 700 nm, 工作物距为 100 mm, 畸变小于 0.07%, 远心度最大不超过为 0.06°, 调制传递函数值在奈奎斯特频率 77 lp/mm处均大于 0.5, 像差校正较好, 满足系统设计要求。

针对使用点光源的激光干涉仪在测量中容易出现相干噪声的问题,阐述了环形光源抑制相干噪声的原理,分析了环形光源半径及厚度与条纹可见度之间的关系,提出一种基于环形透镜产生环形光源的光学系统。该系统包括扩束系统、环形透镜和双远心镜头,根据菲索干涉仪中的准直镜头和干涉腔长得到环形光源的目标参数。使用Zemax分别设计了环形光源系统中的三个子系统,并保证各部分光学系统之间良好衔接。其中：环形透镜由一个非球面透镜旋转而成;双远心镜头可以使环形光源直径缩小到合理范围,并确保最后环形光源上每个离轴点的出射光束都与光轴平行。最终设计出环半径为0.38 mm、厚度为12.5 μm的环形光源,在准直透镜焦距为900 mm、干涉腔长为100 mm的情况下,干涉条纹可见度的理论值大于0.98。

针对基于SMT技术生产的PCB板产品的三维缺陷检测问题, 设计了一款高分辨率、高远心度及低畸变的双光路双远心光学系统。它通过远心投影物镜经共光路物镜将DMD数字条纹均匀投影至待测物面, 同时经由共光路物镜和成像物镜收集物面反射条纹光至CMOS接收面。使用ZEMAX光学软件分别对三部分镜组进行优化设计, 分析了系统的像差和调制传递函数。设计结果表明: 共光路物镜部分采用长工作距离、大视场角及物方远心结构, 空间频率50lp/mm处, 各视场的MTF接近衍射极限; 投影光路畸变小于0.1%, 在投影面上全视场范围MTF在6lp/mm处大于0.8且条纹周期均匀; 成像光路畸变小于0.05%, 在全视场范围MTF在80lp/mm处大于0.3。仿真成像结果表明,在离焦量为+/-6mm时仍能达到景深范围内分辨率要求, 能有效提高3D AOI检测质量。且双光路双远心系统所用材料基本为普通玻璃且重复率较高, 利于加工和节省成本。

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 μs,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 μm,足以满足生产需要。

针对3D自动检测PCB板缺陷的实际应用问题, 设计了一款高分辨率、大景深、大视场的双远心数字条纹投影光学系统, 实现了大面积区域均匀投影。分析了基于0.65 WQXGA DMD的双远心数字条纹投影系统的工作原理及设计指标; 设计了基于复眼透镜阵列的LED匀光照明系统, 在DMD照明面内的照明均匀性为90.5%, 且能量利用率为45.8%; 设计了双远心结构的投影光学系统, 投影视场为66.5mm×37.5mm, 并在全视场范围内分辨率在8 lp/mm处的MTF值大于0.5。利用光学软件建立双远心数字投影整体系统模型, 仿真结果表明, 被投影区域均匀性为90.8%, 投影条纹在+/-7.5mm的离焦范围内投影清晰且周期均匀, 综合提高了3D 自动检测系统的投影质量。

通过比较变形前后同一平面物体表面的两幅数字图像，二维数字图像相关方法可获得亚像素精度的像面位移（以像素为单位）和应变。但在实际测量中，变形物体表面的离面位移、相机传感器平面位置的微小改变以及镜头的成像畸变，都会使原先假设的物、像面位移间的线性对应关系不再严格成立，在某些情况下会引起不能忽略的测量误差。详细分析了被测物体的离面位移、相机自热和镜头畸变对二维数字图像相关方法位移和应变测量结果的影响。通过实验研究了3种典型的成像镜头（标准成像镜头、物方远心成像镜头和双远心成像镜头）对以上不利因素的抗干扰能力。实验显示高质量的双远心镜头不仅对被测物体表面的离面位移和相机自热不敏感，并且镜头畸变也小到可以忽略不计的程度，因此该镜头是高精度二维数字图像相关测量中的关键光学元件。