大视场高分辨率光学检查镜的设计和检测

    随着光学检测技术和图像传感器的发展,光学镜头越来越广泛应用于薄片及其他面型的大规模检测系统中[1],如液晶板缺陷检测装置中的工业检查用光学镜头.该装置利用镜头阵列来实现液晶板的缺陷检验.装置中每个镜头都配有高分辨率的线性CCD,液晶板表面通过光学镜头成像在CCD光敏面上,再经图像采集卡采集后在计算机上显示,最后利用特定软件进行图像处理后检测出缺陷的大小和类别,以便进行修补和报损判别.由于它要求大视场、高分辨率和微小的畸变,对镜头本身的结构设计以及透镜的中心误差都有非常严格的要求.国内生产的工业用光学检查镜头主要是高分辨率、小视场的显微镜,德国的Schneid和日本的Nikon公司正在开发这类不同放大倍率和分辨率的物镜.目前这种物镜和高像素扫描线阵CCD的结合应用正显示出日益广泛的发展前景[2].

    为适应市场的快速发展,提高国际竞争力,针对上述需求开发设计了2.35倍光学镜头.本文重点介绍这种镜头的光学设计需求及结构,并对光学加工误差行分析,介绍其机械结构工艺及装校过程,最后对镜头的成像质量进行了MFT(modulationtransfer Function)测试.

    1 光学设计的要求和结构

    光学系统的分辨率由光学系统的数值孔径决定,实践和理论研究发现,光学系统实际使用的分辨率与照明条件也有很大关系:1)照明系统的相干性;2)照明的方式和形状[3].常规光学镜头采用外置光源,每次使用都要另外配置照明系统,因此,成像质量同时受到两部分像差影响,很难实现物镜和光源的最佳匹配.基于上述原因,采用将检查物镜和其照明系统结合设计的方法,通过机械部件和一组棱镜将两部分结合为一体,利用照明的匹配、明视野和暗视野的变化来最大限度提高镜头的实用分辨率.

    1.1 光学设计要求和主要技术指标

    2.35倍光学镜头的设计要求如下:

    1)图像传感器采用DALSA的线性CCD,由CCD的尺寸确定像方线视场大小为60 mm.根据视场的大小和被检物体的大小确定数值孔径,尽可能使设计的分辨率与该数值孔径下的理论分辨率相接近.

    2)照明系统采用超高压汞灯作光源,所以主色光选择波长546 nm的e光,校正像差的光谱范围是436~579 nm的可见光.随着视场的增大,产生的倍率色像差也越大.使用一般的低色散玻璃,难以有效矫正大视场带来的色像差,因此,设计中选择使用异常色散玻璃.

    3)由于需对被检物体精确成像,设计的系统要求很好地校正畸变.

    镜头的主要设计指标见表1.

    1.2 设计的结构

    依照光学设计要求和主要技术指标,确定一个适当的光学系统初始结构[4].视场类型选择近轴像高,选取Y轴0、-10、-15、-25、-29 mm等5个位置视场.波长选取436、546和579 nm等3种,主波长为546 nm;然后利用ZEMAX软件,针对球差、彗差、像散和畸变等像差进行优化,并使优化后的系统满足各项光学参量[5].其中,由系统结构失对称所导致的垂轴像差、由大视场引起的轴外像差和高级像差是设计的重点和难点[6].各种像差对设计指标的影响体现在调制传递函数(MTF)上.