低畸變寬工作距機器視覺鏡頭光學(xué)設(shè)計

柳曉娜，王少勃，歐陽名釗，韓雪峰

（1.中電?？导瘓F(tuán)有限公司研究院，浙江 杭州 310000；2.長春國科醫(yī)工科技發(fā)展有限公司，吉林 長春 130000；3.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130000）

引言

在工業(yè)領(lǐng)域中，很多機器設(shè)備都開始啟用智能無人操作模式替代人工來進(jìn)行生產(chǎn)及檢測工作，比如制造業(yè)表面缺陷自動檢測設(shè)備、生產(chǎn)線產(chǎn)品自動計數(shù)及條碼檢測設(shè)備、3D 視覺貨物分揀機器人、工廠自動化抓取及運輸機器人等都離不開設(shè)備的“眼睛”——機器視覺鏡頭。總體來說機器視覺有三大應(yīng)用功能，第一是定位功能，多用于配合機械手或焊槍、噴嘴來進(jìn)行裝配生產(chǎn)、焊接、噴涂等；第二是測量功能，測量產(chǎn)品外觀尺寸，如輪廓、孔徑、高度、面積、體積等；第三是缺陷檢測功能，如包裝正誤，印刷正誤、表面刮傷顆粒、破損、有無油污等。

器件尺寸及表面缺陷檢測或焊接機器人的視覺鏡頭，光學(xué)畸變一般都要求小于0.3%，甚至小于0.1%。因為尺寸檢測需要很高的測量精度，如果因為鏡頭畸變過大導(dǎo)致零件尺寸誤測，缺陷被放大或縮小而誤判，都會導(dǎo)致生產(chǎn)的混亂和零部件的浪費，又或者找不準(zhǔn)焊接點而導(dǎo)致缺焊或少焊從而引發(fā)安全隱患，一般普通安防鏡頭光學(xué)畸變小于20%，而魚眼鏡頭光學(xué)畸變大于60%，因此機器視覺鏡頭對畸變的要求很嚴(yán)苛。另外，還有一些機器人要求視覺鏡頭在近距離到無窮遠(yuǎn)，成像畫質(zhì)都要清晰，這樣可滿足不同場景的需求，比如可在0.2 m 距離內(nèi)檢測零件尺寸和體積，也可在10 m甚至更遠(yuǎn)的距離檢測汽車輪轂等。貨物計數(shù)及條碼掃描機器人，對鏡頭的相對照度有著很高的要求，為避免亮度過暗讀數(shù)不清、計數(shù)不準(zhǔn)的問題，需要全區(qū)域高亮度掃描條碼區(qū)，相對照度要大于70%或更高，而普通安防鏡頭大于40%即可。所以對于機器視覺鏡頭的光學(xué)設(shè)計，側(cè)重畸變、相對照度、工作距及高解析等方面的要求，同時，為避免因工作環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致鏡頭焦點漂移解析下降等現(xiàn)象，在設(shè)計時需要對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行溫度補償設(shè)計，保證鏡頭在?20℃～70℃溫度變化范圍內(nèi)焦點漂移量小，解析清晰[1-4]。

1 機器視覺鏡頭設(shè)計

1.1 機器視覺鏡頭使用場景

機器視覺鏡頭幾種使用場景如圖1～3所示。

圖1 焊接機器人Fig.1 Welding robot

圖2 汽車組裝機器人Fig.2 Automobile assembly robot

圖3 搬運機器人Fig.3 Transfer robot

1.2 參數(shù)要求

根據(jù)機器視覺鏡頭的使用場景要求，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 機器視覺鏡頭光學(xué)參數(shù)指標(biāo)Table1 Optical parameters of machine vision lens

1.3 優(yōu)化設(shè)計

通過收集專利局及各大機器視覺公司的網(wǎng)頁數(shù)據(jù)，對國內(nèi)外的機器視覺鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和分析，發(fā)現(xiàn)賓得，騰龍，COMPUTAR，精工和KOWA 等外國公司的機器視覺光學(xué)鏡片大多都是9枚以上，有的甚至達(dá)到了13枚，這在成本競爭日益激烈的市場環(huán)境下是不利于產(chǎn)品推廣的。國內(nèi)機器視覺鏡頭生產(chǎn)廠商有的鏡頭結(jié)構(gòu)使用了7枚或8枚，但是光學(xué)性能較差，有的使用了9枚[5]，但性能沒有到最優(yōu)。本文使用最小二乘優(yōu)化法，重新設(shè)計了一種光學(xué)結(jié)構(gòu)[6-10]。

第1枚鏡片是光焦度為正的雙凸鏡片，盡量收納大角度的光線，擴(kuò)大視場角；第2枚鏡片是光焦度為正的凸凹鏡片，可以分?jǐn)偟?枚鏡片的光焦度并收斂光線角度，減小后面鏡片的直徑尺寸；第3枚是負(fù)光焦度的凸凹鏡片，第4枚是負(fù)光焦度的雙凹鏡片，并將光圈放在第3枚與第4枚鏡片之間，且第3枚與第4枚的鏡片形狀是對稱結(jié)構(gòu)，這樣可以很好地校正畸變；第5枚是正光焦度的雙凸鏡片與第4枚鏡片膠合在一起，可以校正色差；第6枚設(shè)計成正光焦度的雙凸鏡片，以校正前面鏡片的各種像差收斂光線，并與前5枚鏡片一起組成調(diào)焦組，可前后移動進(jìn)行調(diào)焦；第7枚鏡片是負(fù)光焦度的凸凹鏡片；第8枚是正光焦度的凸凹鏡片，第7枚和第8枚鏡片組成固定組，用來補償前組調(diào)焦移動產(chǎn)生的像差。不同物距調(diào)焦時的組群距離間隔變化如表2所示。鏡片材料的選擇為一般常見的冕牌玻璃和火石玻璃，沒有使用高折射率或高阿貝數(shù)的特殊玻璃，這樣可以進(jìn)一步降低鏡頭成本，使用的光學(xué)玻璃材料如表3所示[11-15]。

表2 不同物距下兩群組之間的調(diào)焦間隔Table2 Focus space between two groups at different object distances

表3 鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table3 Optical structure parameters of lens

2 設(shè)計評定

優(yōu)化設(shè)計后的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化設(shè)計后光學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.4 Optical structure after optimization design

圖5為光學(xué)系統(tǒng)相對照度圖。從圖5可看出，半像高11.95°時相對照度ER為80%，滿足ER＞70%的要求。

圖5 相對照度圖Fig.5 Relative illumination curve

圖6為光學(xué)系統(tǒng)場曲和畸變圖。從圖6可以看出，系統(tǒng)畸變小于0.1%，場曲小于0.1%，滿足參數(shù)要求。

圖6 場曲和畸變Fig.6 Field curvature and distortion

圖7和圖8分別為物距0.1 m和無窮遠(yuǎn)時光學(xué)系統(tǒng)的MTF性能圖。從圖7和圖8可以看出，在空間頻率120 lp/mm處，中心視場MTF＞0.5，邊緣視場MTF＞0.4，均滿足MTF的性能要求。

圖9為?20℃時光學(xué)系統(tǒng)的焦點漂移圖。從圖9可以看出，不同視場MTF仍大于0.4@120 lp/mm，滿足參數(shù)要求。圖10為70℃時光學(xué)系統(tǒng)的焦點漂移圖。從圖10可看出，不同視場MTF仍大于0.4@120 lp/mm，滿足參數(shù)要求。

圖7 物距0.1 m MTF 解析圖Fig.7 MTF analytical diagram of 0.1 meter object distance

圖8 物距無窮遠(yuǎn)MTF 解析圖Fig.8 MTF analytical diagram of infinite object distance

圖9 溫度?20℃的焦點漂移Fig.9 Focus drift and MTF through focus curve at temperature ?20℃

圖10 溫度70℃的焦點漂移Fig.10 Focus drift and MTF through focus curve at temperature 70℃

3 公差分析

光學(xué)設(shè)計的評定標(biāo)準(zhǔn)不僅看性能參數(shù)是否滿足要求，還要看鏡片加工性和鏡頭組裝優(yōu)良率，要把實際加工和裝調(diào)公差余量考慮進(jìn)去進(jìn)行公差分析，看性能是否滿足要求。

近軸后焦距作為補償參數(shù)，選取120 lp/mm 空間頻率，空氣間隔和鏡片厚度公差設(shè)置為±0.03 mm，元件組裝偏芯和傾斜分別設(shè)為±0.01 mm和±0.1°，選取中心視場和邊緣視場進(jìn)行蒙特卡羅分析，評價衍射極限MTF，評價結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，空間頻率120 lp/mm處MTF＞0.4的概率在90%以上，達(dá)到量產(chǎn)優(yōu)良率要求。

表4 蒙特卡羅分析結(jié)果Table4 Analysis results of Monte Carlo

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種機器視覺光學(xué)鏡頭新結(jié)構(gòu)，使用8片球面玻璃鏡片及常用冕牌玻璃和火石玻璃，最大程度地降低了成本。采用2枚鏡片作為固定組，突破現(xiàn)有機器視覺鏡頭固定組只使用1枚鏡片的結(jié)構(gòu)，工作距從0.1 m到無窮遠(yuǎn)距離變化時，光學(xué)畸變控制在0.1%以內(nèi)，相對照度大于80%，在空間頻率120 lp/mm處全視場MTF大于0.4，經(jīng)蒙特卡羅公差分析，MTF 符合優(yōu)良率達(dá)90%以上的指標(biāo)，可以達(dá)到量產(chǎn)要求。此鏡頭光學(xué)系統(tǒng)滿足低畸變寬工作距的機器視覺市場需求，在物聯(lián)網(wǎng)智能時代有著廣泛的應(yīng)用前景。