大视场高分辨率显微工业电视镜头设计

　　1引言

　　20世纪90年代的工业显微镜是在生物显微镜的基础上改造的，用转接镜头替代生物显微镜目镜，成像于CMOS或CCD靶面上。但由于当时CM()S、CCD及监视器分辨率不高，无法获取高清晰的图像，而且存在着工作距离短、景深小等缺陷，使工业显微镜的应用和发展受到限制。随着电子元器件集成度以及CMOS、CCD分辨率的提高，研制高清晰显微工业电视系统的条件已趋向成熟。显微工业电视摄像系统就是通过高清晰显微工业电视镜头把观测物成像在CCD靶面，并将图像显示在监视器或将视频信号转换成数字信号储存在计算机中。结合二维或三维测量软件可以对观测物进行定量检测，从而代替观察者的眼睛，实现了人视觉到机器视觉、定性检查到定量检查的转变以及进行实时动态的记录，极大地提高了工作效率，克服了人为检测的不确定性。

　　显微工业电视镜头较传统的工业显微镜具有较长的工作距离，较高的分辨率及大视场大景深高清晰度，因此可适用于工业上的无损检测和三维观察，在工业生产及检测领域均得到广泛的应用^[1] 。电视显微摄像镜头是高清晰显微工业电视系统的重要组成部分。

　　本文在结构类型为库克三片式的基础上优化设计，设计出光学放大倍数为1倍，视场直径为8mm，数值孔径为0.08，分辨率为200万像素的工业电视镜头，具有较高的分辨率，并给出了最终的系统结构及像差曲线。

　　2成像原理

　　传统的生物显微镜成像原理如图1所示。

　　传统的生物显微镜一般是由物镜和目镜组成的，显微镜下的样品经物镜成第一次放大的实像，该实像经过目镜二次放大，并以人眼为放大像的接收体，所观察到的是被目镜放大后的虚像圈，该虚像不能被投影在CCD靶面上。如图2所示是工业显微电视镜头的成像原理，将有限远的物通过显微工业电视镜头放大后得到一个实像，该放大的实像就在CCD靶面上，经过光电转换系统后再由监视器显示。

　　3设计方法

　　3.1初始结构选择

　　该结构由正负正分离的三片单透镜组成，如图3所示。该光学系统相对于中间透镜是近似对称，这使得像差控制更容易，光阑置于第二镜片与后镜组之间。由像差理论，对称结构可使垂轴像差、倍率色差、畸变得到自动校正，其中像散可通过选择合适的光阑位置进行校正团。该结构的光学参数为:数值孔径。.05，光学放大倍数为1，分辨率为80万像素，接收靶面1/3llCCD，成像光谱。.486一0.656mm，工作距离大于55mm.

　　3.2设计思想