《30倍輪廓測量投影儀物鏡鏡頭設(shè)計8600字（論文）》

倍輪廓測量投影儀物鏡鏡頭設(shè)計【摘要】隨著工業(yè)化測量領(lǐng)域的發(fā)展，使得輪廓測量投影儀對物體的輪廓，二維尺寸的測量和比對精度要求也越來越高。為了滿足對物體輪廓測量比對時的精度需求，設(shè)計采用了對稱式的雙高斯鏡頭組作為初始結(jié)構(gòu)，通過光學(xué)軟件ZEMAX進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，設(shè)計了一個有效焦距為50mm，F(xiàn)數(shù)4.2，像面直徑25.4毫米，放大倍率為30倍，基于物方遠(yuǎn)心光路鏡頭設(shè)計的輪廓測量投影物鏡。該鏡頭最大畸變小于0.07%，全視場MTF=100lp/mm時大于0.3。可大幅度提升輪廓測量投影儀對工件測量的精度。最后，結(jié)合MTF，點列圖以及場曲和畸變對此次設(shè)計的輪廓投影物鏡鏡頭進(jìn)行了像質(zhì)評價，以驗證輪廓投影鏡頭測量的超高精度性。【關(guān)鍵詞】雙高斯鏡頭組；輪廓測量投影儀;MTF;遠(yuǎn)心光路；畸變目錄1緒論 31.1輪廓測量投影儀簡介 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 103.3初始結(jié)構(gòu)分析 103.4設(shè)計優(yōu)化 113.5設(shè)計結(jié)果 134像質(zhì)評價 144.1點列圖分析 144.2調(diào)制傳遞函數(shù)MTF分析 144.3場曲和畸變分析 155總結(jié) 17參考文獻(xiàn)1緒論1.1輪廓測量投影儀簡介1.1.1輪廓測量投影儀概念輪廓測量投影儀，英文全稱Measuringprojector，中文別稱光學(xué)輪廓測量投影儀，測量投影儀，光學(xué)投影檢量儀或者叫光學(xué)投影比較儀，該儀器利用光學(xué)投射的原理，將被測物件的輪廓投影至觀察屏幕上，作測量或比較的一種測量儀器，可以高效地完成各種形狀復(fù)雜物件輪廓和表面形狀的測量。1.1.2輪廓測量投影儀結(jié)構(gòu)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。投影箱：包括物鏡，反光鏡，投影屏以及多功能電箱。儀器主殼體：光源,電器控制系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)以及起到支撐投影箱體與工作平臺的支撐架。?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線位移感測器。1.1.3輪廓測量投影儀工作原理輪廓測量投影儀是將被測物件放置于工作平臺上，在透射光源或者反射光源的照射下，工件由輪廓測量投影物鏡成放大實像經(jīng)兩個專用反光鏡反射至投影箱內(nèi)的投影屏幕上。當(dāng)反光鏡換成正像后，便得到一個與工作完全同向的影像。1.1.4輪廓測量投影儀功能及其用途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[1]。本儀器被廣泛應(yīng)用于鐵路行業(yè)以及光學(xué)測量工業(yè)，機械加工業(yè)、汽車配件、摩托車配件、精密五金制造業(yè)、模具、光學(xué)元器件等行業(yè)領(lǐng)域。同時也應(yīng)用于測量電機軸、曲軸等可測軸承；傳動制造業(yè)滾針、活塞、油嘴、氣門、以及滾子直徑控制等。圖1-1輪廓測量投影儀外觀1.2研究背景和意義1.2.1研究背景二十世紀(jì)二十年代末，德國工程師斯馬爾茨發(fā)明一些基于機械和光學(xué)方法實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的表面特征記錄儀器，即輪廓測量投影儀的初始模型[2]。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相位信息，從而獲取物件表面特征。從此，輪廓測量投影儀由物理式的觸針逐點測量發(fā)展到更為先進(jìn)的光學(xué)多采樣點測量。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)讓輪廓測量投影儀正式進(jìn)軍微觀領(lǐng)域?，F(xiàn)如今，隨著光柵尺位移傳感器的出現(xiàn)，投影儀開始安裝上高精度的光柵尺位移傳感器，即測量投影儀，這種儀器的作用主要是將工件在強透射性光源的透射或者反射下，在投影屏上形成放大正像的投影儀，然后用光柵尺位移傳感器記錄并確定產(chǎn)品的尺寸。隨著工業(yè)化的發(fā)展，輪廓測量投影儀已經(jīng)成為制造業(yè)和鐵路行業(yè)最常用的檢測儀器之一。1.2.2研究的意義近幾年來，隨著機械制造、鐵路及光學(xué)測量工業(yè)的飛速發(fā)展，對加工表面的質(zhì)量要求也越來越高。為了在生產(chǎn)過程中控制工件規(guī)格，和確保加工表面的質(zhì)量，必需輔以相應(yīng)的高精度檢測儀器。測量表面質(zhì)量的傳統(tǒng)儀器是物理式的觸針輪廓測量儀，在測量過程中，由于金剛石材料觸針要始終與被測表面接觸，往往容易刮損被測工件的表面，導(dǎo)致影響到被測表面的質(zhì)量，同時測量工件表面時也產(chǎn)生較大的測量誤差，所以急切需要開發(fā)一系列更高精度的非接觸式輪廓投影測量儀器來應(yīng)對傳統(tǒng)儀器的不足之處。由于光學(xué)投影領(lǐng)域的深度開發(fā)，目前以光學(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無傷測量對比和評定分析，而且還具有超高精度的特點，因此對于工件表面輪廓測量領(lǐng)域，采用光學(xué)投影原理的非接觸式輪廓投影測量儀更加受到了人們的廣泛重視和普遍應(yīng)用。1.3ZEMAX簡介Zemax是全球眾多光學(xué)設(shè)計工作者最為青睞的一款綜合性光學(xué)設(shè)計軟件。這一光學(xué)設(shè)計軟件集成了包括光學(xué)鏡頭系統(tǒng)定義、設(shè)計、分析、優(yōu)化、公差等諸多功能，并通過簡潔、直觀的用戶操作界面，給光學(xué)設(shè)計工程師團(tuán)隊提供了一個方便快捷的設(shè)計手段，減少傳統(tǒng)式圖紙的設(shè)計迭代和重復(fù)打樣的龐大的工作量。十幾年來，軟件不斷被開發(fā)新功能和完善軟件相關(guān)漏洞，早已賦予Zemax一個個更為強大的功能以及更為簡便的設(shè)計體驗，因而被廣泛用在透鏡設(shè)計、照明、激光束傳播、光纖和其他光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中[3]。如圖1-2所示。通常，一般Zemax光學(xué)設(shè)計軟件采用的是右手坐標(biāo)系。Y軸垂直向上，Z軸為光軸，以X軸為正向，指向顯示器以內(nèi)[4]。YXOZ圖1-2Zemax坐標(biāo)系統(tǒng)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(dá)到1024×768∶需要的內(nèi)存則與所設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)以及所采用的分析類型有關(guān)。對于傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)，最小只需256M內(nèi)存;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(dá)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2.1輪廓投影鏡頭設(shè)計參數(shù)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。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。有效焦距有效焦距指在一個光學(xué)系統(tǒng)中，焦點到像方主平面之間的距離，此次設(shè)計我們初定系統(tǒng)的有效焦距為50mm。F數(shù)（F#）F#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)大小直接影響光圈值的大小，從而影響了進(jìn)光量大小及其景深大小。由于光圈越大，所對應(yīng)的景深和進(jìn)光量也越小。為了能夠滿足輪廓投影物鏡鏡頭的進(jìn)光量，此次設(shè)計鏡頭選擇的光圈值為4.2，即F#數(shù)值為4.2?？讖饺胪?，指的是限制入射光的有效孔徑，是空間光闌對前面光學(xué)組件所成的像。在一個標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)系統(tǒng)中，有效焦距、光圈與入瞳直徑有如下關(guān)系：（2-1）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(xiàn)數(shù)F#（4.2）到式（2-1）中，可得入瞳孔徑值約為12.0毫米。工作波長的設(shè)定系統(tǒng)工作波長是根據(jù)實際應(yīng)用而設(shè)定的，作為測量物體輪廓的投影鏡頭，基本上在白天進(jìn)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）。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——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：M=(IMAX?IMIN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(dá)像平面的像的調(diào)制度為M’，則MTF函數(shù)值就是M'M。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，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≈1500mm物方遠(yuǎn)心光路設(shè)計本次設(shè)計采用的是物方遠(yuǎn)心光路系統(tǒng)，如圖2-1，將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的像方焦平面上，物方主光線平行于光軸主光線的會聚中心位于像方無限遠(yuǎn)，稱之為物方遠(yuǎn)心光路系統(tǒng)。該系統(tǒng)的作用可以消除物方由于調(diào)焦不準(zhǔn)確帶來的讀數(shù)誤差，以方便使用者能夠精確讀出[6]。圖2-1物方遠(yuǎn)心光路示意圖2.2鏡頭初始結(jié)構(gòu)的確定輪廓投影物鏡主要是測量和比對物體的輪廓，所以影響輪廓投影物鏡鏡頭的光學(xué)性能主要是是測量精度問題。根據(jù)上述課題設(shè)計參數(shù)，我們可以選擇結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計較為方便的三片式物鏡或者對稱性較強的雙高斯物鏡作為輪廓投影物鏡鏡頭初始結(jié)構(gòu)，以下分別對這兩種物鏡鏡頭初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹：（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(dá)3.5，視場角可達(dá)50°。它具有結(jié)構(gòu)簡單，視場大，光圈大保證了進(jìn)光量大的優(yōu)點。但缺點是鏡片少，修正像差能力相對較弱。圖2-2簡單的三片式物鏡（2）雙高斯物鏡雙高斯物鏡是一種攝影物鏡，具有視場中等，但相對孔徑大的優(yōu)點[7]。物鏡采用彎月形厚透鏡，該光學(xué)結(jié)構(gòu)可以校正匹茲萬場曲，其鏡頭系統(tǒng)是由兩個薄透鏡以及兩個彎月形的透鏡組成，如圖2-3所示。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口所示。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(rèn)值即可。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(jìn)行設(shè)置，可選擇Aperture標(biāo)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小;像空間F/#∶與無限遠(yuǎn)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。孔徑大小根據(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(xiàn)數(shù)初定數(shù)值為4.2。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。圖3-2視場設(shè)定對話框Zemax中有4種不同的類型的視場設(shè)置∶一是指定投影到Z和YZ平面上時，主光線與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)計中的近軸像高，最后一個是需要固定像的大小的實際像高[8]。在Zemax設(shè)計軟件中，每個光學(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(rèn)。波長的設(shè)定。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，系統(tǒng)在進(jìn)行點列圖計算時決定不同波長的貢獻(xiàn)度。此次設(shè)計我們默認(rèn)通過"選擇->"按鈕中的‘F，d，C(可見）’直接選取可見光波段。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，為了統(tǒng)一在設(shè)計鏡頭過程中選擇玻璃類型，可以在主窗口菜單下，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按鈕打開通用數(shù)據(jù)設(shè)定對話框來鎖定此次輪廓投影鏡頭設(shè)計所需的成都光明玻璃庫文件。3.2初始結(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)此次輪廓投影物鏡設(shè)計光學(xué)特性，要求物鏡的視場大，相對孔徑中等大小，所以選用雙高斯結(jié)構(gòu)即可滿足要求[9]。在Zemax光學(xué)設(shè)計軟件中，無論采用什么類型初始結(jié)構(gòu)，軟件總能幫你進(jìn)行更新迭代，使系統(tǒng)在滿足設(shè)置的參數(shù)和條件的前提下，再通過評價函數(shù)使得光學(xué)鏡頭系統(tǒng)無限接近于期望值。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(jìn)行改良。該高斯物鏡光學(xué)特性為f'=50,2w=40°，D/f'=1/2。圖3-4雙高斯初始鏡頭數(shù)據(jù)3.3初始性能分析初始結(jié)構(gòu)選擇后，可根據(jù)課題設(shè)計預(yù)期值對其進(jìn)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(jìn)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(zhǔn)確，說明系統(tǒng)MTF達(dá)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(jìn)行一系列優(yōu)化評價。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)化通常，在設(shè)計一個鏡頭時會使用一些操作數(shù)對一個鏡頭初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化從而達(dá)到設(shè)計要求。Zemax有很強大的優(yōu)化功能，它能夠優(yōu)化一個具有發(fā)出光線追跡的起始點和一組自變量的鏡頭系統(tǒng)，優(yōu)化過程中可參與的變量可以是曲率、厚度、玻璃類型以及所有數(shù)字的附加數(shù)據(jù)，經(jīng)由Zemax中的READ、REAY、CVVA、TOTR、DMVA、SUMM、CONS、SPHA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(jìn)行Opt優(yōu)化，這種算法能夠優(yōu)化加權(quán)目標(biāo)值組成的評價函數(shù)，適用于大多數(shù)經(jīng)典的光學(xué)成像系統(tǒng)。由初始結(jié)構(gòu)分析結(jié)果可知，初始結(jié)構(gòu)成像質(zhì)量取樣太低，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，并不能滿足設(shè)計要求，所以需要建立優(yōu)化函數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。首先，將透鏡的曲率半徑、空氣間隔及厚度設(shè)為自變量；輸入一系列相關(guān)操作數(shù)對場曲、畸變、通過對彗差、子午像差、軸向色差等的進(jìn)行優(yōu)化，具體評價函數(shù)的建立及其優(yōu)化步驟如下：在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中將除了像面和物面以外的標(biāo)準(zhǔn)面曲率設(shè)成自變量。并在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中將玻璃設(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Substitute)。圖3-7鏡頭數(shù)據(jù)編輯器利用編輯器中的評價函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，如圖3-8。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)SPHA計算所有面產(chǎn)生的球差總和；利用操作數(shù)DIMX控制系統(tǒng)的畸變上下限；利用操作數(shù)SUMM計算兩個操作數(shù)的代數(shù)和；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)大于某個值；利用操作數(shù)SPHA控制規(guī)定面的波球差分布，輸入“0”計算全局；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(biāo)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；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(jìn)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。圖3-9Opt優(yōu)化評價函數(shù)理想狀態(tài)下為零，但出于實際考慮，優(yōu)化到無限接近與零即可，優(yōu)化結(jié)果關(guān)鍵取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和系統(tǒng)點列圖。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EFFL=50.66mm，系統(tǒng)總長TOTR=83.23mm。圖3-10系統(tǒng)布局總體圖以及關(guān)鍵部位細(xì)節(jié)放大4像質(zhì)評價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)傳遞函數(shù)、點擴散函數(shù)、波面圖、照度計算、成像分析等功能，一些常用的分析功能也可以通過工具欄中的圖標(biāo)按鈕來快速選擇。如Lay（二維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖）、Spt（點列圖）、Enc（包圍圓能量）等。選擇某一項功能后，相應(yīng)的分析結(jié)果會以直觀的圖形或文本窗口的形式顯示出來。使用者可以通過對這些圖形和文本窗口提供的菜單命令進(jìn)行操作，設(shè)置需要顯示或計算的內(nèi)容。結(jié)合本設(shè)計的特點，可以從以下幾個方面進(jìn)行像質(zhì)分析。點列圖∶可以以標(biāo)準(zhǔn)、全視場和結(jié)構(gòu)矩陣的方式給出點列圖分布圖形;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)；場曲和畸變：利用主窗口中的工具一欄可查看分析視場的場曲范圍與畸變百分比范圍。4.1點列圖點列圖是比較好的評價大像差光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的方法，它可以表示一個星點發(fā)出的光束在經(jīng)過光學(xué)鏡頭組器件后在像面上交點的集中成度和彌散半徑大小，一個星點發(fā)出的光束在像面上的星點集中度越高，彌散半徑越小，成像質(zhì)量也就越好[10]。如圖4-1所示，各視場的星點均方根半徑分別為3.428微米，3.276微米,4.261微米。也就說明全視場星點均方根半徑均小于5um，達(dá)到課題設(shè)計指標(biāo)要求。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：M=(IMAX?IMIN)(I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(dá)像平面的像的調(diào)制度為M’，則MTF函數(shù)值就是M'M。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滿足圖4-2ZEMAX點列圖4.3場曲和畸變分析4.3.1場曲場曲又稱“像場彎曲”。如圖4-3所示，當(dāng)透鏡存在場曲時，整個光線的交點始終無法與理想像點相重合，雖然在每個特定位置都能觀察到清晰的像點，但整個像平面是一個凸起的曲面。這樣在檢測時不能同時看清整個像面，給觀察帶來諸多困難。因像散存在，所以有子午場曲和弧矢場曲之分[12]。圖4-3場曲示意圖子午場曲可分為細(xì)光束的子午場曲和寬光束的子午場曲，表示子午光束相對理想像面的偏移[13]。細(xì)光束的子午場曲表示子午細(xì)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（4-2）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距離。其關(guān)系式為（4-3）式（4-2）中，用表示細(xì)光束子午場曲，式（4-3）中，表示寬光束子午場曲.弧矢場曲也可分為細(xì)光束的弧矢場曲和寬光束的弧矢場曲[14]。（1）細(xì)光束的弧矢場曲表示弧矢細(xì)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（4-4）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（4-5）式(4-4)中，表示細(xì)光束弧矢場曲，式（4-5）中，表示寬光束弧矢場曲。 上述說明，場曲使得光學(xué)鏡頭系統(tǒng)不能從一個平面物體上的各點同時在一個像平面上清晰成像。即場曲越小，成像面上模糊點就越小，成像也就越清晰。如圖4-4，弧矢場曲-0.11mm，子午場曲-0.09mm，全視場皆能清晰成像。圖4-4場曲和畸變4.3.2畸變畸變是垂直放大率產(chǎn)生的成像缺陷，有正畸變和負(fù)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。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(xì)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(biāo)要求完成了初始結(jié)構(gòu)