130倍輪廓測量投影儀物鏡鏡頭設(shè)計目錄1緒論 3 31.2研究背景和意義 41.3ZEMAX簡介 52總體方案設(shè)計 62.1輪廓測量投影儀設(shè)計參數(shù) 62.2鏡頭初始結(jié)構(gòu)的確定 83方案實現(xiàn) 83.1系統(tǒng)建模 83.2初始結(jié)構(gòu)的選擇 3.4設(shè)計優(yōu)化 3.5設(shè)計結(jié)果 4像質(zhì)評價 4.2調(diào)制傳遞函數(shù)MTF分析 4.3場曲和畸變分析 5總結(jié) 1.1輪廓測量投影儀簡介輪廓測量投影儀，英文全稱Measuringprojector,中文別稱光學(xué)輪廓測量投影儀，測量2如圖1-1,輪廓測量投影儀主要結(jié)構(gòu)由投影箱體、主殼體和工作平臺三部分組成。工作平臺：包括從X軸、Y軸運動和Z軸運動的解析度為一微米級別的光柵輪廓測量投影儀能高效地完成各種形狀復(fù)雜工件輪廓和表面形狀的檢測比對。本儀器圖1-1輪廓測量投影儀外觀1.2研究背景和意義1940年，在英國，第一臺觸針式表面輪廓測量儀誕生。1970年，梅多斯提出了基于光學(xué)條紋圖分析原理的測量技術(shù)，通過條紋圖提取物體的1982年，全球第一臺掃描隧道顯微鏡研制成功，掃描隧道顯微鏡(STM)的出現(xiàn)讓輪發(fā)展，輪廓測量投影儀已經(jīng)成為制造業(yè)和鐵路行業(yè)3前以光學(xué)投影原理的輪廓投影測量儀可實現(xiàn)對工件表面輪廓尺寸的Zemax是基于Windows的應(yīng)用程序5]。以2013年11月發(fā)布的Zemax版本為例，對系統(tǒng)的要求是：硬盤空間不能小于200M,顯示器分辨率至少要達到1024×768:需要的內(nèi)存則與但在設(shè)計更為復(fù)雜的系統(tǒng)時(如物理光學(xué)、散射和照明分析等),至少應(yīng)具備512M內(nèi)存，如果能夠達到1GB以上則可以更好地提高軟件的效率。2.總體方案設(shè)計1.像面尺寸此次設(shè)計選擇的是一像面尺寸CCD,像面直徑為25.4mm,半像高為12.7mm。2.放大倍率此次設(shè)計的放大倍率為30倍，即需要像方線視場直徑為762mm。3.有效焦距效焦距為50mm。4F#數(shù)其實就是光圈值，也就是光圈大小，是相對孔徑值的倒數(shù)，F(xiàn)#數(shù)大小直接影響光也越小。為了能夠滿足輪廓投影物鏡鏡頭的進光量，此次設(shè)計鏡頭選擇的光圈值為4.2,即5.孔徑式(2-1)中，D為入瞳直徑，f為有效焦距，F(xiàn)#為光圈值。代入上述初定的有效焦距f(50毫米),F數(shù)F#(4.2)到式(2-1)中，可得入瞳孔徑值約為12.0毫米。6.工作波長的設(shè)定進行測量工作，所以設(shè)置的工作波長為可見光譜范圍(0.400um-0.65um)。7.調(diào)制傳遞函數(shù)MTFMTF指調(diào)制傳遞函數(shù)，是一種分析光學(xué)鏡頭的解像方法，在這里，我們引入一個調(diào)制度M的概念—一最大照度值減去最小照度值與最大照度值加上最小照度值的比值，其關(guān)系如式(2-2)所示：式(2-2)中，M為調(diào)制度，I為光照強度值，其調(diào)制度的值始終介于0-1之間，對于原來調(diào)制度為M的正弦光柵(一種廠家用于測試的黑白柵格)來說，若經(jīng)過鏡頭到達像平面尺寸為5微米，一般線對是1/2的奈奎斯特頻率，奈奎斯特頻率是根據(jù)像元尺寸來的，根據(jù)MTF線對數(shù)=1000/(2*像元尺寸),計算得MTF線對數(shù)為100lp/mm,而此次設(shè)計要求MTF在100lp/mm時全視場MTF值須大于0.30,以保證鏡頭的成像品質(zhì)。8.工作距離理想狀態(tài)下，最佳投影距離=鏡頭有效焦距(轉(zhuǎn)換為毫米)×像方線視場/物方線視場，即最佳投影距離=50mm×762mm/25.4mm≈1500mm9.物方遠心光路設(shè)計本次設(shè)計采用的是物方遠心光路系統(tǒng)，如圖2-1,將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的像方焦5物方遠心光路示意圖圖2-1物方遠心光路示意圖2.2鏡頭初始結(jié)構(gòu)的確定(1)三片式物鏡簡單的三片型物鏡如圖2-2所示。它是一種結(jié)構(gòu)最簡單，設(shè)計較為方便的照相物鏡初始結(jié)構(gòu)，當(dāng)初始結(jié)構(gòu)有效焦距為50毫米左右時，光圈值可達3.5,視場角可達50°。它具有圖2-2簡單的三片式物鏡(2)雙高斯物鏡鏡組成，如圖2-3所示。6圖2-3雙高斯物鏡由于雙高斯物鏡是一個對稱的系統(tǒng)，垂軸像差很容易校正。設(shè)計這種類型的系統(tǒng)時，只需要考慮球差、色差、場曲、像散的校正。3方案實現(xiàn)3.1系統(tǒng)建模光學(xué)系統(tǒng)建模前，根據(jù)該課題設(shè)計特點，在文件(File)窗口中選擇確定選擇序列或者非序列這兩種模式。本次設(shè)計采用的是一般用于傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計的序列模式。在ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件中，一個鏡頭系統(tǒng)光學(xué)特性參數(shù)主要體現(xiàn)在對孔徑、視場和波長的設(shè)定上。(1)孔徑。在主窗口菜單下，單擊‘系統(tǒng)’選項中的‘基本設(shè)置…'或者在快捷工具欄中單擊Gen按鈕都可以打開通用數(shù)據(jù)設(shè)定對話框。如圖3-1□所示。這一對話框中，包含了光學(xué)系統(tǒng)作為一個鏡頭系統(tǒng)整體的光學(xué)性能參數(shù)以及使用環(huán)境的要求。對一般使用者而言，設(shè)定孔徑類型，孔徑值以及玻璃庫的選擇，其他項若無特殊要求，保持其默認值即可。常規(guī)非序列孔徑偏振光線瞄準光線瞄準玻璃庫環(huán)境文件環(huán)境像方空間F/#廠遠心物空間廠無焦像空間幫助取消廠在更新時迭代求解幫助取消確定7圖3-1通用數(shù)據(jù)鏡頭選項卡系統(tǒng)的孔徑確定了能夠通過光學(xué)系統(tǒng)的軸向光束。要對孔徑類型和大小進行設(shè)置，可選擇Aperture標簽，如圖3-2示。在孔徑類型Aperturetype的下拉式列表中，可以選擇如下的方式之一來指定系統(tǒng)的孔徑類型：入瞳直徑：可直接指定入瞳直徑的大??；像空間F#:與無限遠相共軛的像空間近軸F數(shù)；物空間數(shù)值孔徑：物距為有限距離時，物空間邊緣光線的數(shù)值孔徑；通過光闌尺寸浮動：入瞳大小由系統(tǒng)光闌的半口徑?jīng)Q定；近軸工作F/#:共軛像空間近軸F/#;物方孔徑角：物在有限距離時，物空間邊緣光線的半角度；對于同一個系統(tǒng)，只能選擇上述孔徑類型中的一種?？讖酱笮「鶕?jù)所選擇的孔徑類型在ApertureValue右側(cè)的空格中直接輸入。本次輪廓投影鏡頭設(shè)計采用的是像空間F#,F數(shù)初定數(shù)值為4.2。(2)視場的設(shè)定。在主窗口菜單下，單擊‘系統(tǒng)’選項中的‘視場…’或者在快捷工具欄中單擊Fie按鈕都可以打開視場設(shè)定對話框。如圖3-2所示。8視場歸-化徑向廠1000廠1100等面積視場>設(shè)置新暈圖3-2視場設(shè)定對話框與Z軸的物方視場角，二是指定物面X,Y方向的的物高，三是一般用在近軸光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)光學(xué)系統(tǒng)最大可允許設(shè)置12個視場，同時在這一對話框中可以設(shè)置每一視場的偏心與漸暈：X向偏心VDX、Y向偏心VDY、X向漸暈系數(shù)VCX、Y向漸暈系數(shù)VCY和漸暈的角度VAN。此次設(shè)計采用物放視場角方式設(shè)定三個視場，分別為0視場(0°),0.7視場 (9.5°),1.0視場(14°),其余設(shè)計隨系統(tǒng)默認。取消最大視場3靚助分類C近軸像高C物高在主窗口菜單下，單擊‘系統(tǒng)’選項中的‘波長…’或者在快捷工具欄中單擊Wav按鈕都可以打開波長設(shè)定對話框。如圖3-3所示。波長對話框可用于設(shè)置波長、權(quán)因子和主波長。在Zemax設(shè)計軟件中，每個光學(xué)系統(tǒng)最多可以設(shè)定12種波長。根據(jù)不同的權(quán)因子， 'F,d,C(可見)’直接選取可見光波段。9使用皮長微米)權(quán)重使用波長微米)權(quán)重廠111取消111112:圖3-3波長設(shè)定對話框(4)玻璃庫的選擇由于本次投影物鏡設(shè)計采用的是中國成都光明玻璃庫(CDGM-2019-04),必須保證在ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件中，存放玻璃庫的目錄下存有CDGM-ZEMAX201904.AGF文件，為3.2初始結(jié)構(gòu)的選擇設(shè)計采用如圖3-4的一個典型的雙高斯物鏡的原始系統(tǒng)進行改為f=50,2w=40°,D/f=1/2。1-圖3-4雙高斯初始鏡頭數(shù)據(jù)初始結(jié)構(gòu)選擇后，可根據(jù)課題設(shè)計預(yù)期值對其進行優(yōu)化。首先對前面給的經(jīng)典高斯鏡頭初始結(jié)構(gòu)進行成像質(zhì)量分析。如圖3-5是初始結(jié)構(gòu)的點列圖，從圖中可以看出外視場邊緣視場星點均方根半徑為118微米，有明顯的像散；圖3-6是初始結(jié)構(gòu)在分辨率100lp/mm下的MTF曲線，從圖中可以看出取樣太低，數(shù)據(jù)不準確，說明系統(tǒng)MTF達不到要求，該鏡頭初始結(jié)構(gòu)的像質(zhì)差，后續(xù)需要插入操作數(shù)進行一系列優(yōu)化評價?！酢罠新點列機引荒源深…源深…品璃1的組態(tài)1圖3-5初始結(jié)構(gòu)點列圖圖3-6初始結(jié)構(gòu)MTF圖3.4設(shè)計優(yōu)化等一系列操作數(shù)控制自變量。最后使用有效阻尼最小二乘法(DLS)進行Opt優(yōu)化，這種算輯器中將玻璃設(shè)置為可替換狀態(tài)(如圖3-7,打開solve選項，并設(shè)置solve類型為Substitu曲率半徑厚度VVSUVVUVVSUvVSU5VVV7VVSvVSuvVUVVSUVU圖3-7鏡頭數(shù)據(jù)編輯器利用操作數(shù)EFFL控制透鏡單元的有效焦距；利用操作數(shù)TOTR控制透鏡單元的總長；利用操作數(shù)MXCG控制最大中心玻璃厚度；利用操作數(shù)CVVA提取透鏡表面曲率；利用操作數(shù)MXEG控制最大邊緣玻璃厚度；利用操作數(shù)CTLT控制玻璃中心厚度小于某一個值；利用操作數(shù)DIMX控制系統(tǒng)的畸變上下限；利用操作數(shù)MNCG控制最小中心玻璃厚度；利用操作數(shù)MNEG控制最小邊緣玻璃厚度；利用操作數(shù)MNEA控制最小邊緣空氣厚度；利用操作數(shù)MNCA控制最小中心空氣厚度；利用操作數(shù)REAY追跡物空間的視場角度；利用操作數(shù)RAED控制實際光線出射角；利用操作數(shù)RSCE控制主光線的RMS光斑尺寸；利用操作數(shù)MTFT和OPGT控制切向調(diào)制函數(shù)大于利用操作數(shù)SPHA控制規(guī)定面的波球差分布利用操作數(shù)COMA控制透過面彗差；利用操作數(shù)ASTI控制透過面像散；利用操作數(shù)DMFS指明附加在某個面的標記；利用操作數(shù)TTHT控制計算兩個面之間的所有面厚度之和；利用操作數(shù)OPLT限制操作數(shù)CVVA取值范圍；利用操作數(shù)TRAR控制徑像像對于主光線的橫向像差；利用操作數(shù)TRAY控制“Y”向橫向色差；目標23451113345471222*2*57:SUMM10010201030圖3-8優(yōu)化函數(shù)編輯器操作數(shù)設(shè)置完畢后，選擇OPT進行優(yōu)化設(shè)計，算法采用阻尼最小二乘法，得到的結(jié)果如圖3-9。目標：最小化變量：20算法：阻尼最小二乘法內(nèi)核數(shù)目：|8廠自動更新自動1圈5圈50圈無限圈中止退出3.5設(shè)計結(jié)果經(jīng)過初始結(jié)構(gòu)確定以及初始結(jié)構(gòu)的相關(guān)優(yōu)化操作后，最后我們得到如圖3-10的設(shè)計結(jié)果：該光學(xué)鏡頭系統(tǒng)放大倍率為30倍，光圈值F#=4.2,入瞳直徑為12.06mm,有效焦距10:布局圖3Z=-621.25012,Y=214.68202□×布同1的組態(tài)110:布局圖3Z=-18.96078,Y=30.946594一□×圖3-10系統(tǒng)布局總體圖以及關(guān)鍵部位細節(jié)放大ZEMAX具有非常強大的像質(zhì)分析功能。其中包含了像差扇形圖、點列圖、光學(xué)傳遞函具欄中的圖標按鈕來快速選擇。如Lay(二維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖)、Spt(點列圖)、Enc(包圍圓MTF:計算并顯示所有視場的衍射光學(xué)傳遞函數(shù)(采用快速傅里葉變換或惠更斯直接積分算法)或幾何光學(xué)傳遞函數(shù)；4.1點列圖徑均小于5um,達到課題設(shè)計指標要求。物面：0園像面：000m像面:8面：面像面:12.700m點列圖RUS半徑：3.4283.276縮放條：40參考：主1的組態(tài)1圖4-1點列圖4.2調(diào)制傳遞函數(shù)MTF分析MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))是一種分析光學(xué)鏡頭的解像方法。當(dāng)調(diào)制度M定義為最大照度值減去最小照度值與最大照度值加上最小照度值的比值，其關(guān)系如式(4-1)所示：式(4-1)中，M為調(diào)制度，I為光照強度值，其調(diào)制度的值始終介于0-1之間，對于原來調(diào)制度為M的正弦光柵(一種廠家用于測試的黑白柵格)來說，若經(jīng)過鏡頭到達像平面的像的調(diào)制度為M',則MTF函數(shù)值就是。此次設(shè)計，我們選擇的一英寸CCD像元尺寸為5微米，一般線對是1/2的奈奎斯特頻率，奈奎斯特頻率是根據(jù)像元尺寸來的，根據(jù)MTF線對數(shù)=1000/(2*像元尺寸),計算得MTF線對數(shù)為100lp/mm,而此次設(shè)計要求MTF在100lp/mm時全視場MTF值須大于0.30,以保證鏡頭的成像品質(zhì)。如圖4-2,MTF滿足此次設(shè)計要求MTF在100lp/mm時1.0視場大于0.30。TS衍射極限數(shù)據(jù)0.4860到0.6560μm.面：像圖4-2ZEMAX點列圖4.3場曲和畸變分析場曲又稱“像場彎曲”。如圖4-3所示，當(dāng)透鏡存在場曲時，整個光圖4-3場曲示意圖偏移[13]。(1)細光束的子午場曲表示子午細光束的交點沿光軸方向偏離理想像面的(2)寬光束的子午場曲表示子午寬光束的交點沿光軸方向偏離理想像面的式(4-2)中，用x't表示細光束子午場曲，式(4-3)中，X't表示寬光束子午場曲.(1)細光束的弧矢場曲表示弧矢細光束的交點沿光軸方向偏離理想像面的距離。其關(guān)系式為(2)寬光束的弧矢場曲表示弧矢寬光束的交點沿光軸方向偏離理想像面的距離。其關(guān)系式為式(4-4)中，x's表示細光束弧矢場曲，式(4-5)中，X's表示寬光束弧矢場曲。場曲1毫米百分比最大視場是14.000度.圖4-4場曲和畸變畸變是垂直放大率產(chǎn)生的成像缺陷，有正畸變和負畸變之分，如圖4-5,表示幾種畸變類型15]。圖4-5畸變圖所以初定最大畸變量不超過0.1%,因為過高的畸變百分比會導(dǎo)致鏡頭測量時產(chǎn)生較大的測量誤差。如圖4-6,最大畸變?yōu)?0.07%,人的肉眼幾乎無法察覺，因此滿足此次設(shè)計要求。場曲1毫米百分比最大視場是14.000度.圖4-6場曲和畸變5總結(jié)本文從輪廓測量投影儀的概念、總體方案設(shè)計、方案實現(xiàn)過程和像質(zhì)評價四個方面入手，詳細介紹了輪廓投影物鏡鏡頭的發(fā)展現(xiàn)狀與研究意義、方案設(shè)計過程、鏡頭優(yōu)化操作及輪廓投影鏡頭的像質(zhì)評價的方法及步驟，結(jié)合光圈中等，視場較小鏡頭各項性能指標要求完成了初始結(jié)構(gòu)的選擇，并使用光學(xué)設(shè)計軟件Zemax對其進行優(yōu)化操作，