30倍轮廓测量投影仪物镜镜头设计8600字【论文】

130倍轮廓测量投影仪物镜镜头设计目录1绪论 3 31.2研究背景和意义 41.3ZEMAX简介 52总体方案设计 62.1轮廓测量投影仪设计参数 62.2镜头初始结构的确定 83方案实现 83.1系统建模 83.2初始结构的选择 3.4设计优化 3.5设计结果 4像质评价 4.2调制传递函数MTF分析 4.3场曲和畸变分析 5总结 1.1轮廓测量投影仪简介轮廓测量投影仪，英文全称Measuringprojector,中文别称光学轮廓测量投影仪，测量2如图1-1,轮廓测量投影仪主要结构由投影箱体、主壳体和工作平台三部分组成。工作平台：包括从X轴、Y轴运动和Z轴运动的解析度为一微米级别的光栅轮廓测量投影仪能高效地完成各种形状复杂工件轮廓和表面形状的检测比对。本仪器图1-1轮廓测量投影仪外观1.2研究背景和意义1940年，在英国，第一台触针式表面轮廓测量仪诞生。1970年，梅多斯提出了基于光学条纹图分析原理的测量技术，通过条纹图提取物体的1982年，全球第一台扫描隧道显微镜研制成功，扫描隧道显微镜(STM)的出现让轮发展，轮廓测量投影仪已经成为制造业和铁路行业3前以光学投影原理的轮廓投影测量仪可实现对工件表面轮廓尺寸的Zemax是基于Windows的应用程序5]。以2013年11月发布的Zemax版本为例，对系统的要求是：硬盘空间不能小于200M,显示器分辨率至少要达到1024×768:需要的内存则与但在设计更为复杂的系统时(如物理光学、散射和照明分析等),至少应具备512M内存，如果能够达到1GB以上则可以更好地提高软件的效率。2.总体方案设计1.像面尺寸此次设计选择的是一像面尺寸CCD,像面直径为25.4mm,半像高为12.7mm。2.放大倍率此次设计的放大倍率为30倍，即需要像方线视场直径为762mm。3.有效焦距效焦距为50mm。4F#数其实就是光圈值，也就是光圈大小，是相对孔径值的倒数，F#数大小直接影响光也越小。为了能够满足轮廓投影物镜镜头的进光量，此次设计镜头选择的光圈值为4.2,即5.孔径式(2-1)中，D为入瞳直径，f为有效焦距，F#为光圈值。代入上述初定的有效焦距f(50毫米),F数F#(4.2)到式(2-1)中，可得入瞳孔径值约为12.0毫米。6.工作波长的设定进行测量工作，所以设置的工作波长为可见光谱范围(0.400um-0.65um)。7.调制传递函数MTFMTF指调制传递函数，是一种分析光学镜头的解像方法，在这里，我们引入一个调制度M的概念—一最大照度值减去最小照度值与最大照度值加上最小照度值的比值，其关系如式(2-2)所示：式(2-2)中，M为调制度，I为光照强度值，其调制度的值始终介于0-1之间，对于原来调制度为M的正弦光栅(一种厂家用于测试的黑白栅格)来说，若经过镜头到达像平面尺寸为5微米，一般线对是1/2的奈奎斯特频率，奈奎斯特频率是根据像元尺寸来的，根据MTF线对数=1000/(2*像元尺寸),计算得MTF线对数为100lp/mm,而此次设计要求MTF在100lp/mm时全视场MTF值须大于0.30,以保证镜头的成像品质。8.工作距离理想状态下，最佳投影距离=镜头有效焦距(转换为毫米)×像方线视场/物方线视场，即最佳投影距离=50mm×762mm/25.4mm≈1500mm9.物方远心光路设计本次设计采用的是物方远心光路系统，如图2-1,将孔径光阑放置在光学系统的像方焦5物方远心光路示意图图2-1物方远心光路示意图2.2镜头初始结构的确定(1)三片式物镜简单的三片型物镜如图2-2所示。它是一种结构最简单，设计较为方便的照相物镜初始结构，当初始结构有效焦距为50毫米左右时，光圈值可达3.5,视场角可达50°。它具有图2-2简单的三片式物镜(2)双高斯物镜镜组成，如图2-3所示。6图2-3双高斯物镜由于双高斯物镜是一个对称的系统，垂轴像差很容易校正。设计这种类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正。3方案实现3.1系统建模光学系统建模前，根据该课题设计特点，在文件(File)窗口中选择确定选择序列或者非序列这两种模式。本次设计采用的是一般用于传统光学成像系统设计的序列模式。在ZEMAX光学设计软件中，一个镜头系统光学特性参数主要体现在对孔径、视场和波长的设定上。(1)孔径。在主窗口菜单下，单击‘系统’选项中的‘基本设置…'或者在快捷工具栏中单击Gen按钮都可以打开通用数据设定对话框。如图3-1□所示。这一对话框中，包含了光学系统作为一个镜头系统整体的光学性能参数以及使用环境的要求。对一般使用者而言，设定孔径类型，孔径值以及玻璃库的选择，其他项若无特殊要求，保持其默认值即可。常规非序列孔径偏振光线瞄准光线瞄准玻璃库环境文件环境像方空间F/#厂远心物空间厂无焦像空间帮助取消厂在更新时迭代求解帮助取消确定7图3-1通用数据镜头选项卡系统的孔径确定了能够通过光学系统的轴向光束。要对孔径类型和大小进行设置，可选择Aperture标签，如图3-2示。在孔径类型Aperturetype的下拉式列表中，可以选择如下的方式之一来指定系统的孔径类型：入瞳直径：可直接指定入瞳直径的大小；像空间F#:与无限远相共轭的像空间近轴F数；物空间数值孔径：物距为有限距离时，物空间边缘光线的数值孔径；通过光阑尺寸浮动：入瞳大小由系统光阑的半口径决定；近轴工作F/#:共轭像空间近轴F/#;物方孔径角：物在有限距离时，物空间边缘光线的半角度；对于同一个系统，只能选择上述孔径类型中的一种。孔径大小根据所选择的孔径类型在ApertureValue右侧的空格中直接输入。本次轮廓投影镜头设计采用的是像空间F#,F数初定数值为4.2。(2)视场的设定。在主窗口菜单下，单击‘系统’选项中的‘视场…’或者在快捷工具栏中单击Fie按钮都可以打开视场设定对话框。如图3-2所示。8视场归-化径向厂1000厂1100等面积视场>设置新晕图3-2视场设定对话框与Z轴的物方视场角，二是指定物面X,Y方向的的物高，三是一般用在近轴光学系统的设光学系统最大可允许设置12个视场，同时在这一对话框中可以设置每一视场的偏心与渐晕：X向偏心VDX、Y向偏心VDY、X向渐晕系数VCX、Y向渐晕系数VCY和渐晕的角度VAN。此次设计采用物放视场角方式设定三个视场，分别为0视场(0°),0.7视场 (9.5°),1.0视场(14°),其余设计随系统默认。取消最大视场3靓助分类C近轴像高C物高在主窗口菜单下，单击‘系统’选项中的‘波长…’或者在快捷工具栏中单击Wav按钮都可以打开波长设定对话框。如图3-3所示。波长对话框可用于设置波长、权因子和主波长。在Zemax设计软件中，每个光学系统最多可以设定12种波长。根据不同的权因子， 'F,d,C(可见)’直接选取可见光波段。9使用皮长微米)权重使用波长微米)权重厂111取消111112:图3-3波长设定对话框(4)玻璃库的选择由于本次投影物镜设计采用的是中国成都光明玻璃库(CDGM-2019-04),必须保证在ZEMAX光学设计软件中，存放玻璃库的目录下存有CDGM-ZEMAX201904.AGF文件，为3.2初始结构的选择设计采用如图3-4的一个典型的双高斯物镜的原始系统进行改为f=50,2w=40°,D/f=1/2。1-图3-4双高斯初始镜头数据初始结构选择后，可根据课题设计预期值对其进行优化。首先对前面给的经典高斯镜头初始结构进行成像质量分析。如图3-5是初始结构的点列图，从图中可以看出外视场边缘视场星点均方根半径为118微米，有明显的像散；图3-6是初始结构在分辨率100lp/mm下的MTF曲线，从图中可以看出取样太低，数据不准确，说明系统MTF达不到要求，该镜头初始结构的像质差，后续需要插入操作数进行一系列优化评价。□×F新点列机引荒源深…源深…品璃1的组态1图3-5初始结构点列图图3-6初始结构MTF图3.4设计优化等一系列操作数控制自变量。最后使用有效阻尼最小二乘法(DLS)进行Opt优化，这种算辑器中将玻璃设置为可替换状态(如图3-7,打开solve选项，并设置solve类型为Substitu曲率半径厚度VVSUVVUVVSUvVSU5VVV7VVSvVSuvVUVVSUVU图3-7镜头数据编辑器利用操作数EFFL控制透镜单元的有效焦距；利用操作数TOTR控制透镜单元的总长；利用操作数MXCG控制最大中心玻璃厚度；利用操作数CVVA提取透镜表面曲率；利用操作数MXEG控制最大边缘玻璃厚度；利用操作数CTLT控制玻璃中心厚度小于某一个值；利用操作数DIMX控制系统的畸变上下限；利用操作数MNCG控制最小中心玻璃厚度；利用操作数MNEG控制最小边缘玻璃厚度；利用操作数MNEA控制最小边缘空气厚度；利用操作数MNCA控制最小中心空气厚度；利用操作数REAY追迹物空间的视场角度；利用操作数RAED控制实际光线出射角；利用操作数RSCE控制主光线的RMS光斑尺寸；利用操作数MTFT和OPGT控制切向调制函数大于利用操作数SPHA控制规定面的波球差分布利用操作数COMA控制透过面彗差；利用操作数ASTI控制透过面像散；利用操作数DMFS指明附加在某个面的标记；利用操作数TTHT控制计算两个面之间的所有面厚度之和；利用操作数OPLT限制操作数CVVA取值范围；利用操作数TRAR控制径像像对于主光线的横向像差；利用操作数TRAY控制“Y”向横向色差；目标23451113345471222*2*57:SUMM10010201030图3-8优化函数编辑器操作数设置完毕后，选择OPT进行优化设计，算法采用阻尼最小二乘法，得到的结果如图3-9。目标：最小化变量：20算法：阻尼最小二乘法内核数目：|8厂自动更新自动1圈5圈50圈无限圈中止退出3.5设计结果经过初始结构确定以及初始结构的相关优化操作后，最后我们得到如图3-10的设计结果：该光学镜头系统放大倍率为30倍，光圈值F#=4.2,入瞳直径为12.06mm,有效焦距10:布局图3Z=-621.25012,Y=214.68202□×布同1的组态110:布局图3Z=-18.96078,Y=30.946594一□×图3-10系统布局总体图以及关键部位细节放大ZEMAX具有非常强大的像质分析功能。其中包含了像差扇形图、点列图、光学传递函具栏中的图标按钮来快速选择。如Lay(二维系统结构图)、Spt(点列图)、Enc(包围圆MTF:计算并显示所有视场的衍射光学传递函数(采用快速傅里叶变换或惠更斯直接积分算法)或几何光学传递函数；4.1点列图径均小于5um,达到课题设计指标要求。物面：0园像面：000m像面:8面：面像面:12.700m点列图RUS半径：3.4283.276缩放条：40参考：主1的组态1图4-1点列图4.2调制传递函数MTF分析MTF(调制传递函数)是一种分析光学镜头的解像方法。当调制度M定义为最大照度值减去最小照度值与最大照度值加上最小照度值的比值，其关系如式(4-1)所示：式(4-1)中，M为调制度，I为光照强度值，其调制度的值始终介于0-1之间，对于原来调制度为M的正弦光栅(一种厂家用于测试的黑白栅格)来说，若经过镜头到达像平面的像的调制度为M',则MTF函数值就是。此次设计，我们选择的一英寸CCD像元尺寸为5微米，一般线对是1/2的奈奎斯特频率，奈奎斯特频率是根据像元尺寸来的，根据MTF线对数=1000/(2*像元尺寸),计算得MTF线对数为100lp/mm,而此次设计要求MTF在100lp/mm时全视场MTF值须大于0.30,以保证镜头的成像品质。如图4-2,MTF满足此次设计要求MTF在100lp/mm时1.0视场大于0.30。TS衍射极限数据0.4860到0.6560μm.面：像图4-2ZEMAX点列图4.3场曲和畸变分析场曲又称“像场弯曲”。如图4-3所示，当透镜存在场曲时，整个光图4-3场曲示意图偏移[13]。(1)细光束的子午场曲表示子午细光束的交点沿光轴方向偏离理想像面的(2)宽光束的子午场曲表示子午宽光束的交点沿光轴方向偏离理想像面的式(4-2)中，用x't表示细光束子午场曲，式(4-3)中，X't表示宽光束子午场曲.(1)细光束的弧矢场曲表示弧矢细光束的交点沿光轴方向偏离理想像面的距离。其关系式为(2)宽光束的弧矢场曲表示弧矢宽光束的交点沿光轴方向偏离理想像面的距离。其关系式为式(4-4)中，x's表示细光束弧矢场曲，式(4-5)中，X's表示宽光束弧矢场曲。场曲1毫米百分比最大视场是14.000度.图4-4场曲和畸变畸变是垂直放大率产生的成像缺陷，有正畸变和负畸变之分，如图4-5,表示几种畸变类型15]。图4-5畸变图所以初定最大畸变量不超过0.1%,因为过高的畸变百分比会导致镜头测量时产生较大的测量误差。如图4-6,最大畸变为-0.07%,人的肉眼几乎无法察觉，因此满足此次设计要求。场曲1毫米百分比最大视场是14.000度.图4-6场曲和畸变5总结本文从轮廓测量投影仪的概念、总体方案设计、方案实现过程和像质评价四个方面入手，详细介绍了轮廓投影物镜镜头的发展现状与研究意义、方案设计过程、镜头优化操作及轮廓投影镜头的像质评价的方法及步骤，结合光圈中等，视场较小镜头各项性能指标要求完成了初始结构的选择，并使用光学设计软件Zemax对其进行优化操作，