应用于工业激光加工的紧凑型双远心镜头光学设计

绪论项目背景及意义激光制造技术具有高精度、非接触、高灵活性、高效率、节能环保等优点，能够提高生产效率和产品质量，具有广泛的应用前景。激光制造技术的普及推动了先进制造业的发展，对工业智能化进程产生了深远影响REF_Ref14718\r\h[1]。物像方远心光路是一种光学系统设计，具有以下特性和优势：首先，它能够确保系统具有足够大的景深，使得物体在一定范围内都能够清晰成像；其次，远心光路可以避免视差问题的出现，确保成像质量稳定；此外，该光路结构相对简单，易于调整和优化；最重要的是，物像方远心光路在激光加工等领域具有广泛应用，能够提高系统的性能和稳定性，为高质量的成像和加工提供了可靠支持。脆性材料由于其优良的综合性能，在LED灯丝和光纤PLC平面波导型光分路器等芯片中得到广泛应用。通过粘合、切割、磨削和抛光等工艺，可获得高性能、高成品率和高稳定性的芯片。这有助于提高单片晶圆内产品的数量，对窄划片道结构的重视也日益增加。目前，关注点集中在降低生产成本的同时提高生产效率和产品质量。因此，蓝宝石、石英脆性材料的切割工艺和方法在实际生产应用中具有举足轻重的作用REF_Ref14199\w\h[3]。脆性材料高硬度、高脆性及低断裂韧性等特点又为其加工增加了难度。切割是脆性材料加工的关键工序，要求为高质量、高效率、低成本、窄切缝（高材料利用率）及无环境污染等。迫于应用需求，切割设备及工艺的研究受到很大重视REF_Ref11407\w\h[4-REF_Ref14503\w\h5]。而应用激光加工脆性材料的优势显而易见，激光切割可以实现非常高的精度和精密度，特别适合处理脆性材料，如玻璃、陶瓷等，可以精确切割复杂形状和细小尺寸的零件，避免了传统切割方式可能造成的损伤和浪费，且不会对材料表面产生物理性损伤，保持了材料的原始质量和性能，特别适合处理脆性材料，避免了因接触性加工导致的损坏和变形，能够快速完成加工任务并且减少能源消耗，同时减少了废料产生，符合现代工业对节能环保的要求。激光加工技术，如激光熔覆和激光切割，具有使用方便、非接触、高效和高质量等显著优势。然而，激光加工过程中会释放出大量热量，这可能会对加工材料的表面产生热效应，从而危及激光加工的质量或使加工后的部件无法使用。举例来说，使用激光熔覆技术制造复杂零件时，由于零件的悬空结构、薄壁和特殊几何特征等缺陷，容易产生热变形等问题REF_Ref15277\w\h[6-REF_Ref15287\w\h9]。即使同属于同一类型的工业镜头，它们的成像质量也存在明显的差异。这种差异主要源于材质、加工精度和镜片构造等因素的不同REF_Ref16129\w\h[10]。根据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类REF_Ref16224\w\h[11]。按照放大倍数工业镜头可分成定倍镜头和变倍镜头，当然镜头的分类还有好几种方法REF_Ref16263\w\h[12]。工业镜头的结构设计对整个镜头组装、调像是非常重要的，结构设计工程师在设计中就需要考虑材料加工变形量、零部件配合尺寸公差、几何公差、表面粗糙度，同时结合经验给出合理的设计数值REF_Ref16292\w\h[13]。双远心镜头具有畸变低、景深大的优点，广泛应用于机器视觉工业的在线检测领域REF_Ref16348\w\h[14]。在项目开始时，通常需要对光学器件进行初步评估，以确定光学器件对结构设计的影响，并快速、简单地进行结构设计。这样就可以预先知道大致的外径尺寸，以便进行后续的部件设计。在制定草图时，可根据初步评估结果进行初步设计。在设计开始前，我们也需要了解材料的硬度，硬度是衡量金属材料软硬程度的指标REF_Ref16406\w\h[15]。双远心光路通常是对称的，光圈光阑位于中心位置，使主光线平行于系统的光轴入射和出射REF_Ref16785\w\h[16]。平行进光可以确保系统具有足够大的景深；而平行出光则是为了确保当工作距离发生变化时，景深范围内的成像高度即放大倍率保持不变，主光位置保持不变，从而避免视差问题的出现REF_Ref16818\w\h[17]。目前，双远心镜头的设计方法主要有两种：一种是设计一个像方远心系统，然后对称变换其光学结构，得到相应的物方远心系统；另一种是设计像方远心系统和物方远心系统，然后将两条光路组合成双远心系统REF_Ref16867\w\h[18-REF_Ref16873\w\h20]。与普通工业镜头相比，双远心镜头对被测物体的平面外位移、相机传感器平面位置的微小变化以及相机的自热都不敏感，同时镜头畸变也非常小REF_Ref16919\w\h[21、REF_Ref9886\w\h22]。该系统是一个高度集成的光学系统，将光源、光学元件、光检测器和其他必要的组件集成到一个紧密的盖子中。使用较少的镜片来实现高速、高精度和高稳定性的光学信号传输和处理。由于这种紧密的特点，这些系统可以应用于广泛的领域，包括生物医学、通信和军事通信，这与我们的工业应用息息相关。在设计中，主要从工业镜头设计过程、组装试做过程的角度出发，分析工业镜头组件结构设计的特点，对镜头所涉及的隔圈、压圈、镜片、镜筒等重要的元件进行三维模型设计分析REF_Ref16958\w\h[23、REF_Ref16965\w\h24]。该系统的工作原理是：CCD将接收到的光信号转换成电信号输出，输出的电信号传递要测量的信息，信号被采集和处理，检测结果由显示系统输出。即使在使用较少镜片的情况下，该系统的像质仍能达到工业上的测量要求REF_Ref9735\w\h[2]。国内外技术发展与现状1848年，I.Porro发现了远心镜头，并且在1878年，E.Abbe使用了远心镜头。在过去的这些年间，关于远心光学系统的光学设计并没有太多深层次的文章发表。通常来讲，远心镜头的远心度一般小于1°。在国外，光电检测技术主要应用于半导体和电子领域，其中大约一半应用在半导体领域。半导体和电子学的惊人发展导致了机器人可视化在许多领域的广泛应用，以及机器人可视化研究的激增。在过去的几十年里，中国的各个行业都取得了巨大的发展，特别是机器视觉技术。相比之下，国外的机器研究在中国受到的关注较少。1998年，王向军等人在发表的会议论文中讨论了双偏心成像光学的特点及其成像原理，并介绍了相关的CCD测量系统。他们认为，通过在双偏心光学系统的公共焦点处进行适当滤波，可以发现双偏心光学系统的独特光学特性，即其视角和放大率在视场中任何一点都是恒定的。这一发现促使人们使用这种方法来测量视觉测量问题，例如当被测物体不在同一物体平面上时REF_Ref17383\w\h[25]。2007年，王金元等人设计了一种光学检测系统，专门用于高精度测量工具的几何形状和尺寸。该系统以一般光学成像方法为基础，并对该检测系统中的一般成像方法进行了改进，采用了物方远心光学和柯勒照明，提高了测量中光学系统对被测物（刀具）成像后的成像质量。2010年，徐迎新等人指出，经过仔细分析，利用非接触检测进行在线测量可以显著提高测量效率，经过讨论，利用具有独特光学特性的远心系统和匹配的准直光源进行了实验。实验结果表明，远心光学系统的光学特性可以有效解决旋转体工件平面轮廓成像的干涉问题。2013年，潘兵等人研究了三种典型成像系统（普通成像系统、物方远心成像系统和双远心成像系统）对不利因素的抗干扰能力。实验表明，被测物体的平面外位移和相机本身产生的热量对双远心镜头的成像影响不大，而镜头像差对测量结果有一定影响，但可以忽略不计REF_Ref17451\w\h[26]。在光电技术的帮助下，远心镜头可以得到极大的发展，因为大多数在线工作都可以实时测量。关于光学激光加工的研究大多集中在超精密加工阶段，以获得超光滑表面REF_Ref17487\w\h[27]。国外在光学晶体加工方面对我国实行技术封锁，国内的研究水平与发达国家相比尚有一定的差距REF_Ref17530\w\h[28]。国内外激光工业的发展呈现不同的特点。国内激光加工发展迅速，技术水平高，应用广泛，而国外激光加工以应用深入领先。这显示了我国激光加工的潜力。我们应加强技术创新，加快技术引进，提高竞争力，提高国产设备水平。还需要开拓新的应用领域和市场，推动我国激光加工工业的可持续发展。项目的主要任务本项目的任务是设计一款应用于工业激光加工的紧凑型双远心镜头光学设计。本设计主要针对现阶段工业激光加工镜头存在体积大、结构复杂、调试困难等问题，设计一款相对紧凑、结构简单的光学镜头。本光学设计的主要指标有：工作范围为可见光波段；该系统包括七个球面透镜；100nm工作距离；畸变失真小于0.1%；远心值小于0.02；MTF值大于0.4。本光学设计的主要工作任务有:学习双远心镜头主要技术指标、应用前景及发展现状；熟悉Zemax软件的基本操作使用，理解光学设计的基本概念及优化方法；阅读有关基于双远心镜头的有关文献；对设计的系统进行优化，并对优化结果给出具体分析。该系统的光学设计旨在满足上述性能指标，选择相对经济可靠的设备，并提供可扩展性以方便未来升级。

总体设计方案本设计方案旨在开发一款适用于工业激光加工的紧凑型双远心镜头，以满足工业生产中对激光加工的需求。该镜头设计旨在实现远心度优秀、成像质量高、紧凑轻便的特点，以适应工业激光加工设备的实际应用需求。设计方案将充分考虑以下几个关键方面：首先，通过Zemax光学设计软件进行光学系统的整体设计，包括双远心镜头的曲面参数优化、非球面设计和玻璃材料选择，以实现高质量的激光成像。同时，设计方案还将充分考虑紧凑轻便的特点，以便于安装和维护。此外，设计方案将结合实际工业激光加工的应用场景，充分考虑光学系统和机械结构的一体化设计，以实现镜头的紧凑型结构和易于集成的特点。最后，设计方案将对镜头的光学性能、远心度和成像质量通过软件计算进行评估，以确保其在工业激光加工中的表现。通过以上设计方案，旨在为工业激光加工提供一款性能优越、适用性强的紧凑型双远心镜头，以满足在工业生产中对高质量激光加工的迫切需求。该的设计方案旨在为工业激光加工提供一款性能优越、实用性强的紧凑型双远心镜头，以满足工业生产中对高质量激光加工的迫切需求。系统工作原理分析（1）激光器性能在工业激光加工中，激光器是关键的设备之一，其性能指标和性质对于加工效率、质量和成本都有着重要影响。激光器在工业激光加工中有各项常见的性能指标，如功率稳定性、波长稳定性、光束质量、脉冲重复频率、束直径和光束发散角等，这些指标直接影响着加工过程的效率、质量和成本。因此，在选择和应用激光器时，需要充分考虑这些指标的参数，并根据具体加工需求进行合理选择和调整。（2）紧凑型双远心镜头方案紧凑型双远心镜头在工业激光加工中具有许多重要的指标。在激光通过镜头进行作业时，镜头的组合及其各项指标，对最终激光的作业效果起到至关重要的作用。在各项参数中有镜头远心度优化、成像质量提升、紧凑轻便特点、工程实践的结合、光学透过率、耐用性和稳定性等，这些指标直接影响着激光加工系统的性能和稳定性，因此在工业应用中需要根据具体需求选择合适的紧凑型双远心镜头，以实现高质量、高效率的激光加工。系统总体方案设计对于现代光电系统来说，它是综合了光学、精密机械、光电转换等技术的数字化、图像化、智能化和自动化的综合系统REF_Ref9735\w\h[2]。在本文中设计的是一种期望应用于实际工业加工的基于工业激光加工的紧凑型双远心镜头设计。相对于其他光源，激光方向性、单色性、亮度等光学指标都更优秀REF_Ref9735\w\h[2]。首先，激光方向性好是由其产生的物理过程决定的，也就意味着激光的光能可以集中在很小的空间里传播，并且在较远距离也可以得到高强度的光束，根据这一特性，远距离激光通信、测距等也可以用激光做到；其次，激光单色性好，光谱谱线窄，利用激光单色性好这一特点，可以在很大的范围内提高光学测量的精度REF_Ref17651\w\h[29]。其次，被测对象主要是指具体要测量的物体或物质，被测量就是对被测对象的某一或者某几个参数的测量，被测量可以分为几何量、力学量、光学量、时间频率、电磁量等REF_Ref9735\w\h[2]。本文中被加工对象是尺寸为60mm的零件，而被测量即是几何量。光源发出的光束经过被测物体后，对被测物体的轮廓信息进行了采样，然后携带被测物体信息的光束经过光学成像系统REF_Ref17866\w\h[30、REF_Ref17869\w\h31]，利用各种光学效应如干涉、反射、偏振、折射等，使带有被测物体特征信息的光束转换成可以测量的光信号，这就是光信号的形成与获取REF_Ref9735\w\h[2]。在本设计中是采用物像方远心光路对光信号进行传递。光学系统设计本文所设计的双远心光学系统主要是用于工业激光的加工。在对光学成像系统进行设计时，许多方面都有比较严苛的要求，比如要求光学成像系统的总长度最小化，并要求光源发出的光均匀分布。为达成这个目的，选用的是紧凑型双远心的光学镜头，可以节省设备的体积和重量，提高设备的便携性和灵活性，加工过程中的光斑的稳定性和可控性更好，提高加工精度和一致性，近距离和远距离的光学元件都经过精密设计和优化，能够提供高质量的激光束成像，保证加工过程中的高精度加工效果和一致性，适用于各种工业激光加工应用，包括切割、焊接、打孔等，具有较强的通用性和适应性，可以满足不同加工需求的要求。光源在对双远心光学系统设计之前，先选择一与之匹配的光源。由于双远心光学系统具有独特的结构，即是在物方远心系统和像方远心系统的公共焦点处设置了一孔径光阑，与普通光学系统相比，双远心系统在光源设计上选择平行光源，因为光线进出镜头是平行的。在双远心光学系统中，平行光源的地位是不可动摇的。而在本次设计中，选取激光作为光源，然后对其进行准直扩束REF_Ref9735\w\h[2]。自20世纪60年代初以来，激光以其高亮度和强指向性被广泛应用于激光雕刻、距离测量、高精度检测、光信息处理和光通信等各个领域。而根据不同的要求，激光器的分类方法也有很多种。在选择激光作为高精度测量系统中照射光源时，还需进一步提高其准直性REF_Ref9735\w\h[2]。激光束的横截面强度分布为高斯函数，因此光学器件的性能受到衍射的严重限制。此外，由于激光输出几乎是单色的，因此光学器件无需考虑色差。此外，激光的密度很高还具有很强的光强，光学材料中的缺陷（如气泡、条纹、砂眼等）导致对散射影响很大。因此，在制备光学系统时需要使用质量高的光学材料REF_Ref18003\w\h[32-REF_Ref18013\w\h35]。一般地，工业上所使用的半导体激光器的波长为1064nm、808nm、532nm，由于在测量装置中，光学成像系统是在可见光的条件下工作的，所以选择波长为532nm的半导体激光器作为光源REF_Ref9735\w\h[2]。远心光路成像原理远心光学元件用于工业计量和机器视觉领域的各种测量和应用校准REF_Ref16818\w\h[17、REF_Ref18105\w\h36REF_Ref18124\w\h-40]。由于远心光路特有的优点使得其在各种检测方法中脱颖而出，所以，在一系列零件使用光学系统进行在线检测时，为了保证零件的检测结果，我们一般都会选择使用远心光学系统REF_Ref18160\w\h[41-REF_Ref18163\w\h42]。在测量中视差是存在的，远心光学系统的畸变和远心度等客观条件也会影响测量准确性。因此，在设计远心成像系统时，必须努力全面考虑并尽量减少各种因素对测量精度的影响。视差通常情况下，我们在测量物体时，会将物体表面固定在某一位置，并利用光学成像系统对其进行聚焦，从而使像平面和标尺平面完全一致，但利用这种方法使像平面和标尺平面绝对一致是不可能的，因此仍会存在一定的误差，这种现象就是我们所说的“视差”REF_Ref9735\w\h[2]。视差引起的测量误差可以由图来客观描述。图中，P1PP2是物镜的出瞳，B1B2是光学成像测量的物体，即B1B2是一个像平面，M1M2是刻度尺的平面，从图中可以清楚地看出，刻度尺的平面与在刻度尺平面上的投影之间有一定的距离。像刻度平面上的投影B1B2，在识别色散极限时小于光斑M1M2，实际上在刻度上读出的长度就是M1M2。如图3-1所示，M1M2的尺寸与读出的B1B2的实际尺寸之间明显存在恒定的测量误差。同时，可以非常直观地看出，测量误差的大小取决于视差和光束对光轴的倾角，并且它们之间成正比关系，即视差和夹角越大，误差就会越大REF_Ref18313\w\h[43-REF_Ref18317\w\h44]。图3-1视差造成测量误差示意图双远心光学系统随着精密仪器检测技术的持续进步，对测量精度的要求也日益提高。当物体表面发生移动时，无论是物方远心光学系统还是像方远心光学系统均无法满足高精度测量的要求，从而引发问题。为了解决这一问题，人们利用这两种系统构建了一种双远心成像光学系统，也称为物像方远心光学系统。这一系统融合了物方远心光路和像方远心光路的优势，同时避免了在高精度测量过程中可能产生的测量误差。它汇集了远距离物体远程光路和图像远程光路的优点，同时还能规避在高精度测量时远距离物体远程光路和图像远程光路可能带来的测量误差。双远心光学系统已广泛应用于光学测量系统中。如图3-2所示为基本双远心光路系统示意图：图3-2基础双远心系统示意图物像方远心光学系统的设计本镜头模组采用双远心系统光学设计，其光学系统的技术指标：工作范围为可见光波段；系统包含7面球面透镜；物方线视场：2y=60mm；工作距离：100mm；畸变小于0.1%；远心值小于0.02；MTF值大于0.4。根据设计要求，系统的F数取F#=8。经过广泛文献调研，大多数双远心镜头的设计流程都是先构建一个优化的像方远心系统，然后通过结构的对称变换得到物方远心系统，或者重新设计一个物方远心系统。最终，将物方远心光路和像方远心光路结合起来，形成双远心光路。本次设计是直接将一个普通系统优化成双远心光路REF_Ref18385\w\h[45]。首先在系统自带的镜头模组数据库中选取一基础双远心系统，设置其半物高为30mm，F#=8,波长设置为可见光波段，然后根据其光学系统技术指标更改镜头模组各个镜片的曲率半径、厚度及玻璃材料等相关参数。在此系统中远心度是很重要的指标。优化远心度，先在ZEMAX中设计物方远心，即在系统孔径中勾选远心物空间。经过基本设计过程之后，得到系统参数及结构如图3-3所示，光路系统的质量示意图如3-4、3-5所示：图3-3中期二维结构示意图图3-4中期MTF曲线示意图图3-4中期场曲/畸变示意图在光学系统成像质量评估中，MTF曲线是一个重要的评价指标之一。MTF曲线被广泛用于评估光学系统的成像质量。MTF曲线越高，表示光学系统对高空间频率的物体细节有更好的传递能力，从而可以获得更高的图像分辨率和对比度，它可以用来评价光学系统的成像质量、作为设计优化依据、校正和优化参考以及标准化参考。在光学系统评估中，查看点列图是一种通常用于评估像差的方法。在这个光学设计中，点列图可用来评估系统的像差情况。点列图越接近理想点列图，表示光学系统的像差越小。根据该光学设计的应用场景，可以选择适当的波长和视场角进行分析。通过分析点列图，可以得到光学系统的像差情况，包括球差、色差、像散等。场曲畸变是一种光学系统的像差，通常由于光学元件的曲率半径不同或者光路长度不同等原因引起。在该光学设计中，场曲畸变可以用来评估光学系统在视场范围内的成像效果。场曲畸变越小，表示光学系统的成像效果越好。根据该光学设计的应用场景，可以选择适当的视场角进行分析。通过分析场曲畸变图，可以得到光学系统在视场范围内的成像效果，并确定是否存在场曲畸变等问题。而经过基本的光学设计后，系统的各项参数并未达到所需指标；二维光路结构示意图中光路及镜片模组已初步成形。尽管经过简单的参数调整和优化，MTF曲线呈现出较好的趋势，但30mm和21mm子午线以及30mm孤矢线仍未达到要求的OTF模值。其他曲线虽然恰好控制在所设定的范围内，但整体而言仍有改进空间。场曲和畸变在经过简单的调整后得到有效控制。然而，综合考虑整体情况，发现该光路系统并不符合本次光学设计的初衷，因此有必要进行进一步优化。光学系统优化设置各类操作数操作数在Zemax光学设计中扮演着至关重要的角色，它们通过参数调节与优化、快速迭代与模拟、自动化优化以及提供灵活性与可控性等方式，帮助工程师有效地优化光学系统，提高其性能和成像质量。ZEMAX操作数的重要性体现在以下几个方面：参数调节与优化：操作参数允许工程师在光学设计过程中对光学系统的各项参数进行调整和优化。透过调节这些参数，可以变更光学元件的位置、曲率、厚度等方面，以提升光学系统的性能。快速迭代与模拟：操作数的设置使得工程师能够快速进行多次迭代和模拟，以找到最优的设计方案。通过调整操作数并进行模拟，工程师可以快速评估不同参数对光学系统性能的影响，从而指导优化方向。自动化优化：Zemax提供了多种优化算法，可以自动调整操作数以实现特定的优化目标。工程师可以设置优化目标，并选择合适的优化算法，让Zemax自动调整操作数，以达到最佳的光学系统性能。灵活性与可控性：

操作数的设置提供了光学系统设计的灵活性和可控性。工程师可以根据具体需求调整操作数，对光学系统进行精细的调优，以满足不同应用场景的要求。针对工业激光加工的紧凑型双远心镜头的各项指标，以及参考初步设计出来的基础结构，首先用操作数RANG（指定光线与局部坐标轴Z的夹角）控制像方远心，目标为0，归一化视场坐标Hy分别给定0.5、0.7、1，可以得到很好的远心度。如图4-1所示为该操作数示意图。图4-1像方远心操作数示意图优化畸变。畸变也是该系统的重要指标之一，所以在进行系统优化时，首先就应该考虑到对畸变的控制。加入操作数DISC并设置目标为0，控制优化TV畸变，同时加入操作数PMAG，控制系统放大倍率。如图4-2所示为该操作数设置图。图4-2控制畸变和放大倍率操作数示意图优化像差。在光学系统对远心度和畸变优化设置完成之后，需要观察各个像差曲线的变化，并对那些变化显著的像差进行操作数的控制。在优化过程中，若观察到场曲值和像散值的增大，可以在优化函数编辑框中输入操作数FUCR（确定波长产生的主要场曲贡献值）、FCGS（弧失场曲）、FCGT（子午场曲）、ASTI（确定波长产生的主要像散贡献值）。如图4-3所示为该操作数设置图。图4-3控制像散和场曲操作数示意图在设置好基本的优化操作数后，进行优化。看到MTF曲线并不理想，应对MTF整体的提升操作，需要对每一视场的子午或弧矢在某些空间频率处的调制传递函数值进行优化。如图4-4所示为该操作数设置图。图4-4控制MTF操作数示意图开始系统优化优化是Zemax光学系统设计中非常重要的一步，因为它可以提高光学系统的性能，节省时间和金钱，增加设计的可靠性和灵活性，提高设计质量和精度。因此，优化是光学设计过程中必不可少的一步。其重要性主要体现在以下几个方面提高光学系统性能：优化可以调整光学系统的各种参数，以获得最佳图像质量和性能。例如，可以通过优化操作数来改变光学元件的位置、曲率和厚度等参数，从而优化光学系统的性能。节省时间和成本：通过优化可以快速找到最佳光学系统设计，从而节省设计和生产成本。同时，它还能减少试错步骤，提高设计效率，节省时间和资源。提高设计可靠性：通过优化可以找到最佳光学系统设计方案，并验证其可行性和稳定性。这就提高了设计的可靠性和稳定性，降低了设计风险。提高设计灵活性：优化使工程师能够提高光学系统设计的灵活性。通过优化可以调整光学系统参数，以满足不同应用场景的要求。这就提高了光学系统的适用性和可扩展性。提高设计质量：通过优化可以找到最佳的光学系统设计方案，提高设计质量和精度。这可以提高光学系统的成像质量和性能，增强其竞争力。光学优化包括设置相关操作数，然后在镜头数据接口中将需要优化的数据作为变量逐步设置。在优化阶段设置变量是Zemax光学设计中非常重要的一步。数据变量的设置方式因工程师而异，但根据我的个人经验，以下几点必须牢记选择正确的变量类型：在Zemax中可以设置多种类型的变量，包括透镜参数、光学特性和系统参数。根据设计需要选择合适的变量类型。设置变量范围：设置变量的取值范围，使其不超出实际情况。可根据经验或实验数据设定变量的取值范围。设置变量的步长：设置变量的步长，以便在优化过程中逐步调整变量值。步长过大可能会错过最优解，而步长过小又会增加计算复杂度。避免冗余变量：设置过多冗余变量会增加计算复杂度，并可能导致优化结果不稳定。考虑变量之间的相关性：设置变量时，应考虑变量之间的相关性。有些变量可能会相互影响，因此应全面考虑。光学设计系统数据如图4-5所示，光路系统如图4-6、4-7所示。图4-5物像方远心光路系统参数示意图图4-6二维光路系统示意图图4-7三维光路系统示意图光学系统的传递函数（MTF）如图所示，由图4-8可知，在经过设置操作数和优化之后，系统MTF值比较接近衍射极限，符合成像系统设计要求。图4-8传递函数曲线示意图由传递函数曲线可以看出，在空间截止频率为77.5lp/mm时，各视场的OTF模值均高于0.4，说明镜头的成像质量良好，满足设计要求。图4-9、图4-10分别为系统光程差与点列图：图4-9光程差曲线示意图图4-10点列图示意图点扩散图通过光线在像面上的聚焦程度来评估系统的成像质量。根据图示，几乎所有光线都集中在艾里斑区域内，基本符合成像要求，图中显示系统具有一定的像差。场曲畸变图如图4-11。图4-11场曲/畸变曲线示意图场曲是一个重要的参数，用来评估成像质量，它反映了像面的曲率程度。根据图示，场曲校正在0.1毫米以下，符合设计标准；畸变对成像质量没有影响，但其大小会影响成像的准确性。通过优化校正，系统畸变在0.1%以下，达到设计要求。图4-12能量集中度曲线示意图圈入能量分数是用于描述光学系统成像质量的一个重要参数。它表示有多少入射光束能量被截留在特定图像平面上的特定圆形区域内。能量捕获率由圆形区域（通常称为“捕获圆”）的半径定义，能量捕获率表示捕获在圆内的光束总能量的百分比。这通常用百分比来表示，例如，圆的能量分数为80%意味着圆内的光束能量占总光束能量的80%。圈能分数是一个重要的光学参数，因为它可以用来描述光学系统的分辨率和成像质量。圈内能量分数越高，光学系统的成像质量越好，分辨率越高。在可见光波段，5微米处的环入能量分数约为0.8，环入能量分数为0.8意味着大部分光能可以被传输，这意味着系统具有高透射率、低能量损失和良好的成像质量。系统具有高透射率、低能量损耗和良好的成像质量。单色波长532nmZemax在可见光波段和激光波段的光学设计存在一些差异，主要体现在对透镜模块成像质量的要求上。在可见光波段，镜头模块的成像质量要求通常更为严格。可见光波段的光波长较短，对光学系统的成像性能要求较高。因此，在可见光波段，必须考虑色差、像差和畸变等光学因素，以确保镜头模块能够实现高质量成像。在激光波段，光波长通常较长，对光学系统成像质量的要求相对较低。激光波段的光学设计重点在于优化激光的聚焦、传输和衍射特性，使其能够在系统中有效传输和聚焦，并实现所需的处理或测量任务。因此，可见光波段和激光波段的光学设计在图像质量要求和优化重点方面略有不同，必须根据具体的应用要求和光学特性进行设计和优化。该光学成像系统是在环境为可见光波长的条件下进行设计的，在选取光源时，选择的是波长为532nm的激光，当光学系统在单色波长532nm的条件下进行成像时，其成像质量如下图4-13所示：图4-13传递函数曲线示意图（532nm）图4-14场曲/畸变示意图（532nm）图4-15点列图示意图（532nm）由图4-13、图4-14、图4-15可以看出，与可见光条件下的成像质量相比，在单色波长532nm条件下光学系统的成像质量变化不大，其中传递函数相对而言有了一定的提高。在此基础上相比可见光光路的场曲降低，而畸变也控制在0.1%左右，符合光学系统设计要求。单色波长632.8nm在选择了另一种常用的632.8nm的HeNe激光器后，在此光源下通过光学系统成像的成像质量如下：图4-16传递函数曲线示意图（632.8nm）图4-17场曲/畸变示意图（632.8nm）图4-18点列图示意图（632.8nm）由图4-16、图4-17、图4-18可以看出，与可见光条件下的成像质量相比，在单色波长632.8nm条件下光学系统的成像质量变化不大，相对而言，成像质量略微下降，但也满足了工业激光加工要求。综合上述文章，这个光学系统是在可视光线条件下设计的，这样可以采用白光作为光源进行加工操作，同时也能采用特定波长激光（532nm和632.8nm）作为光源进行加工，并且也能有较好的成像质量。赛德尔系数赛德尔系数是由法国光学家赛德尔提出的一种光学评价指标，它综合考虑了光学系统在各种条件下的成像质量，用于描述光学系统在理想条件下与实际成像之间的差异。典型的赛德尔系数包括球差、像差、散射、色差等。球差是光线经过球面透镜或镜片时产生的像差，导致不同位置的焦点位置不同；像差指光线聚焦于非理想的像点，产生图像模糊或失真；散射是光线在透明介质中发生偏转和分散的现象；色差则是不同波长的光线在透镜或镜片中折射角度不同，导致不同颜色成像位置不同。在Zemax软件中，赛德尔系数可以通过模拟光线传播和成像过程来计算。通过分析赛德尔系数，工程师可以快速了解光学系统的成像质量，并识别可能存在的像差来源。这有助于优化光学设计，提高系统性能，确保实际成像效果符合预期。总之，赛德尔系数是评价光学系统成像质量的重要指标，在Zemax软件中扮演着关键角色。通过对赛德尔系数的分析和优化，可以提高光学系统的成像精度和性能，满足实际应用需求。在检验完赛德尔系数之后，光学设计参数都设置正确，各项指标也都达到了预期的设定。总结在起初就想选择一个与人们生活密切相关的方向，并在此基础上实现一些比较实用的功能。经过研究，看到工业激光加工多年来的发展以及生产对人们生活的重要性，我最终选择了这个课题作为毕业论文的题目。工业激光加工是一种高效、精密的加工方法，被广泛应用于现代工业生产中。紧凑型双远心透镜是工业激光加工中最重要的光学元件之一，其设计优化对确保激光加工的精度和稳定性具有重要意义。本文重点讨论了紧凑型双远心透镜光学设计的关键环节，包括光学元件的选择、透镜远心度的优化、光路的优化、光学参数的优化、材料的选择和耐热设计以及成像质量的优化等。首先，光学元件的选择是紧凑型双远心镜头设计中的一个关键因素。合适的光学元件可以有效地控制激光束的传输和成像，从而提高加工精度和效率。通常情况下，紧凑型双远心镜头采用的光学元件主要包括透镜、棱镜等。这些元件的选择应根据激光加工的具体要求和系统的特点进行合理搭配，以实现最佳的加工效果。其次，优化透镜的远心是设计紧凑型双远心透镜的另一个重要问题。透镜远心度是指透镜在不同入射角度下聚焦位置的一致性。在激光加工中，优化透镜的远心对激光束的稳定性和精确性至关重要。为了优化透镜的远心，可以使用双远心透镜设计。这意味着透镜前后有两个远心点，可以实现更好的光收集和更高的加工精度。光路设计也是紧凑型双远心镜头设计的一个重要因素。光路设计时必须考虑到光传输和图像处理中的缺陷，如散光和色差，并通过选择和优化适当的光学元件来解决这些问题。此外，在设计光路时还必须考虑光路的长度和复杂性，以实现紧凑、高效和稳定的处理系统。光学参数优化是紧凑型双远心镜头设计的另一个重要方面。光学参数优化包括调整镜头焦距、光圈、视角、像差和畸变等参数，以达到最佳成像效果和加工精度。镜头焦距的选择应根据加工材料的特性、激光波长和加工要求进行优化。光圈的选择应考虑激光光束直径和焦点效应等因素。视角的选择必须根据加工区域的大小和形状进行优化。控制像差和畸变是确保图像质量和加工精度的重要因素，需要通过选择和优化适当的光学器件来解决这些问题。材料选择和热设计也是设计紧凑型双远心镜头时需要考虑的问题。在激光加工过程中，光学器件必须能够承受高温和高能量激光束，因此材料选择和耐热设计对于确保透镜的稳定性和使用寿命至关重要。紧凑型双远心透镜通常使用的材料包括石英、硅、ZnSe和Ge。耐热设计必须考虑到透镜的散热和冷却，以确保透镜在高能激光束下的稳定性和使用寿命。最后，图像质量优化是紧凑型双远心镜头设计中的一个重要因素。图像质量优化包括优化分辨率、对比度、图像平整度、图像曲率和其他参数，以达到最佳图像效果和处理精度。分辨率的优化应基于处理要求和激光波长等因素。对比度的优化应通过选择和优化适当的光学滤光片来实现。像面直线度和像面曲率控制是保证图像质量和处理精度的重要因素，应通过选择和优化合适的光学元件来解决。综上所述，紧凑型双远心镜头的光学设计方案应考虑几个重要因素，包括光学元件的选择、镜头远心度的优化、光路设计、光学参数优化、材料选择、耐热设计和图像质量优化。通过合理的设计和优化，可以达到最佳的加工效果和稳定性，为工业激光加工技术的发展做出贡献。

参考文献杜祥碗.激光物理与技术研究[M].北京:科学出版社，2018.侯锐利.紧凑型工业双远心系统的设计[J].长春理工大学，2017-02-16——2017-03-15.庄鸿武.皮秒激光多焦点隐形切割脆性材料研究[J].江苏大学，2017-12-16——2018-01-15.王文君.飞秒激光金属加工中的形状及形貌控制研究:[博士论文].西安交通大学.2008.李灵.水导激光微细加工技术研究[J].哈尔滨工业大学.2010.BOEGELEINT,LOUMISE,DAWSONKetal.CharacterisationofacomplexthinwalledstructurefabricatedbyselectivelasermeltingusingaferriticoxidedispersionstrengthenedsteellJl.MaterialsCharacterization,2016,112:30-40.ZHANGA,QlB,SHlB,etal.Effectofcurvatureradiusontheresidualstressofthin-walledpartsinlaserdirectforming[Jj.ThelnternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2015,79(1/4):81-88.BARTLETTJL,CROOMBP,BURDICKJ,etal.Revealingmechanismsofresidualstressdevelopmentinadditivemanufacturingviadigitalimagecorrelation[JJAdditiveManufacturing,2018,22:1-12.RIVEIROA,QUINTEROF,VALJD,etal.Lasercuttingusingoff-axialsupersonicrectangularnozzlesJ.PrecisionEncineering,2018,51:78-87.彭胤.基于机器视觉的轮毂参数测量系统研究[D].厦门大学,2013段德山.工件非接触检测中机器视觉的研究与应用[D].北京邮电大学,2007李强.光栅表面缺陷识别检测算法及应用研究[D].哈尔滨理工大学,2017皇黄伟,孔晓玲,刘素梅,等.基于CETOL的中子屏蔽结构公差分析[J].机械设计与制造,2012(7):128-129刘凌鸿,冯云,农柳华,唐雪辉.三倍率双远心镜头设计及视场对光学设计影响[J].2022,59(07),300-308戴胡斌,夏祖印.车工实用手册[M].安徽科学技术出版社,2007.MAPate.Opticaldesignandspecificationoftelecentricopticalsystems

J.ProceedingofSPIE-TheinnernationalSociet

foroptical

Engineering,1998,3482:877-886GErdei,GSzarvas,

Kallo,andELoerincz

Telecentric/inverse-telecentricobjectiveforopticaldatastoragepurposeslJPrOCSPIE19983573:380-383YUDaoyin,TANHengying.Engineering0pticsiM1.Bejing:BejingMachinerylndustryPress,2011.(inChinese)郁道银百英.工程光学[M].北京:北京机械工业出版社，2011.YUANXucang.AppliedopticalM.Beijing:NationalDefenselndustryPress,1988:291.(inChinese)袁担治应用光学ML北京:国防工业出版社，1988:291.LILin,AnLiansheng.ThetheoryandapplicationofcomputeraidedopticaldesignM.Beijing:BeitingNationalDefensendustryPress,2002.(inChinese)李林,安连生,计算机辅助光学设计的理论与应用M北京:北京国防工业出版社,2002.潘兵,前立平,吴大方使用双远心镜头的高度二维数字图像相关测量系统U光学学报,201333(4):0412004.PANBing,YULIping,WUDafangHigh-Accura