一款條碼掃描成像鏡頭的多方案設(shè)計和選擇

吳世蕙　黃曉燕　張燕珂

摘要： 設(shè)計了一種掃描成像鏡頭，鏡頭焦距為7.9 mm，視場角為52°，采用CMOS線性傳感器接收。為了使鏡頭成本更低，同時保證好的成像性能，引入了塑料非球面，設(shè)計了一個含有高次塑料非球面鏡片和一個玻璃球面鏡片（1G1P）的結(jié)構(gòu)。相對傳統(tǒng)三片式玻璃球面鏡片（3P）的結(jié)構(gòu)來講，1G1P結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能更好地滿足了技術(shù)指標(biāo)要求，成本為3G結(jié)構(gòu)的50%，推廣應(yīng)用前景好。

關(guān)鍵詞： 條碼成像鏡頭； 調(diào)制傳遞函數(shù)； 塑料非球面； 優(yōu)化方案

中圖分類號： TH 741文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.011

引言 近年來隨著條碼信息量的不斷增加，越來越多的圖像掃描技術(shù)替代了先前的激光條碼掃描技術(shù)。雖然普通的智能手機(jī)都擁有照相拍攝功能，但在特定應(yīng)用場合下，只有專用條碼掃描儀才能做到準(zhǔn)確而高效的識別。了解掃描成像鏡頭的應(yīng)用場合、市場、成本，對設(shè)計出高性能、低成本的結(jié)構(gòu)方案非常重要。本文根據(jù)實際使用要求設(shè)計了一款條碼掃描成像鏡頭，其結(jié)構(gòu)中含有高次塑料非球面，在保證良好性能的前提下，有效降低了量產(chǎn)成本。

1條碼掃描成像鏡頭的設(shè)計要求

條碼掃描成像鏡頭使用波長為640 nm的LED光源。當(dāng)光線照射到目標(biāo)條形碼上時，掃描成像鏡頭便將條形碼圖像成像到CMOS線性傳感器上，然后由解碼器軟件讀取和處理條碼像。該掃描成像鏡頭主要用于圖書館錄像帶條碼檢索儀器中，要求鏡頭外徑為5.2 mm，長度為4.5 mm，技術(shù)指標(biāo)見表1。

2設(shè)計過程

利用Zemax軟件，分別采用了三片式玻璃球面（3G）結(jié)構(gòu)和含有高次塑料非球面（1G1P）結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計，得到兩個對比結(jié)構(gòu)。這兩個光學(xué)結(jié)構(gòu)均滿足設(shè)計要求，主要從光學(xué)性能、加工工藝和成本等方面進(jìn)行比較分析，確定最佳設(shè)計方案。成功的設(shè)計通常從初始結(jié)構(gòu)選型開始，多年的設(shè)計經(jīng)驗和豐富的像差理論知識，有助于準(zhǔn)確快速地建立起初始結(jié)構(gòu)[1-2]。從初始結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)置系統(tǒng)變量和優(yōu)化函數(shù)，控制像差，反復(fù)優(yōu)化直到所有視場的像差都滿足設(shè)計目標(biāo)。設(shè)計完成后，在對3G結(jié)構(gòu)和1G1P結(jié)構(gòu)的像質(zhì)評價中，將用到調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。與其它評價函數(shù)相比，MTF能全面、定量地反映光學(xué)系統(tǒng)的像差性質(zhì)和由衍射所引起的綜合效應(yīng)，能有效降低研發(fā)成本，減少人力、物力的浪費，縮短研制設(shè)計周期[3]。

2.13G光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

選擇三片式玻璃鏡片作為初始結(jié)構(gòu)，利用Zemax軟件的優(yōu)化功能，調(diào)整優(yōu)化操作數(shù)和變量，平衡各種像差，得到3G鏡頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

2.21G1P光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

以上3G鏡頭的設(shè)計結(jié)果已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計技術(shù)指標(biāo)的要求。為了能進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，減少鏡片數(shù)量，降低成本，得到一個更好的設(shè)計結(jié)果，在光學(xué)系統(tǒng)中引入了非球面塑料鏡片。光學(xué)系統(tǒng)中某些球面透鏡的非球面化不僅可以減少鏡片數(shù)量，還可以很好地提高鏡頭的成像質(zhì)量和光學(xué)性能，甚至還能降低系統(tǒng)公差靈敏度[5-6]，從而實現(xiàn)鏡頭的低成本、小型化、輕量化，提高產(chǎn)品的市場競爭力[7]。這是因為球面玻璃透鏡從中心到邊緣只有一個恒定的曲率，在設(shè)計過程中只有一個設(shè)計自由度可以變換；而非球面透鏡從中心到邊緣曲率連續(xù)發(fā)生變化，理論上有無限個設(shè)計自由度。因此，非球面透鏡在像差矯正方面有著很大的優(yōu)勢。1G1P光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中用到的高次非球面是旋轉(zhuǎn)對稱偶次非球面[8]得到的1G1P鏡頭結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)見表3，兩個非球面的Conic值和高次非球面系數(shù)見表4。

3理論結(jié)果對比討論

3.1基本參數(shù)比較

圖1和圖2分別是3G鏡頭和1G1P鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。從鏡頭焦距、鏡頭長度、法蘭焦距和后工作距離這4個基本的參數(shù)比較來看，兩者都滿足了設(shè)計的基本要求，具體數(shù)值見表5。

3.2場曲與畸變以及MTF比較

圖3、圖4分別是兩款鏡頭的場曲和畸變圖。鏡頭的場曲數(shù)值越小說明成像后的圖像平坦度越好，1G1P鏡頭的場曲只有0.06；鏡頭的畸變數(shù)值越小說明成像后的圖像變形越少，越真實，1G1P鏡頭的畸變只有1.1%。

綜合兩個鏡頭的場曲、畸變以及MTF曲線對比結(jié)果，1G1P鏡頭光學(xué)性能優(yōu)于3G鏡頭，詳細(xì)數(shù)值見表6。

3.3點列圖比較圖

7和圖8分別是3G鏡頭與1G1P鏡頭的點列圖。圖7所示3G鏡頭的點列圖中最大均平方根（RMS）半徑為8.6 μm，圖8所示1G1P鏡頭的點列圖中最大RMS半徑為2 μm。對比可知1G1P鏡頭優(yōu)于3G鏡頭。

3.4相對照度比較

圖9和圖10分別是3G鏡頭與1G1P鏡頭相對照度圖。對于掃描成像鏡頭，相對照度越大越好。如果照度太低，視場邊緣的光線會較暗[1]，不利于CMOS線性傳感器的信號接收，影響圖像識別。圖9中3G鏡頭邊緣視場的相對照度為65%，圖10中1G1P鏡頭邊緣視場的相對照度為72%。同樣是1G1P鏡頭優(yōu)于3G鏡頭。

3.5成本比較

利用Zemax軟件對兩款鏡頭進(jìn)行公差分析，結(jié)果顯示：所有玻璃球面鏡片表面的光圈數(shù)為3，局部光圈數(shù)為0.5，厚度公差為±0.03 mm，偏心為0.1°；塑料非球面表面的光圈為0.5，局部光圈為0.05，厚度公差為±0.02 mm，偏心為0.05°。這些公差都在常規(guī)可加工的公差范圍內(nèi)。根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和公差分析，對兩款鏡頭進(jìn)行了成本分析，經(jīng)核算1G1P鏡頭成本為3G鏡頭的50%。

41P1G鏡頭成品檢測及應(yīng)用

1G1P鏡頭成品的MTF測試曲線如圖11所示（使用TRIOPTICS公司ImageMaster HR型傳遞函數(shù)儀測得）。

根據(jù)圖11中的測試結(jié)果，對軸上和軸外（半視場角26°）70 lp/mm處，客戶要求MTF值、理論設(shè)計值和成品測試值進(jìn)行了比較，如表7所示。1P1G鏡頭實測MTF值達(dá)到并超過了客戶的要求。并且只要對光闌直徑稍作修改，就能滿足50～250 mm的工作距離，可以推廣應(yīng)用到超市零售、醫(yī)院病歷等場合的手持式條碼掃描儀中。

5結(jié)論

針對專業(yè)條碼掃描儀的要求，設(shè)計了焦距為7.9 mm，視場角為52°的掃描成像鏡頭，由CMOS線性傳感器作為接收器，利用Zemax設(shè)計軟件進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化。在滿足設(shè)計指標(biāo)的前提下，從鏡片量產(chǎn)化加工工藝、裝配工藝、合格率、成本等多方面進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，采用兩個設(shè)計方案對比，選取像質(zhì)優(yōu)良、加工難度適中的1G1P方案實施試制和量產(chǎn)。最終經(jīng)試制量產(chǎn)驗證，該款鏡頭加工工藝性好、成品率高且成本低廉，是一款具有競爭力并可推廣的條碼掃描成像鏡頭。

參考文獻(xiàn)：

[1]洪堅.3.2～8 mm百萬像素變焦安防鏡頭設(shè)計[J].光學(xué)儀器，2014，36（2）：131-135.

[2]王之江.光學(xué)設(shè)計理論基礎(chǔ)[M].2版.北京：科學(xué)出版社，1985：304-314.

[3]張雙翼，徐熙平.激光掃描系統(tǒng)中F-θ透鏡的光學(xué)設(shè)計[J].光學(xué)儀器，2012，34（5）：40-44.

[4]李士賢，李林.光學(xué)設(shè)計手冊[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1996：162-164.

[5]BETENSKY E.Aberration correction and desensi tization of an inverse triplet objective lens[J].SPIE，1998，3482：264-268.

[6]JEFFS M.Reduced manufacturing sensitivity in multi-element lens systems[J].SPIE，2002，4832：104-113.

[7]潘君驊.光學(xué)非球面的設(shè)計、加工與檢驗[M].蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2004：42-47.

[8]李曉彤，岑兆豐.幾何光學(xué)·像差·光學(xué)設(shè)計[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2003：286-291.第36卷第5期2014年10月光學(xué)儀器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36， No.5October， 2014

摘要： 設(shè)計了一種掃描成像鏡頭，鏡頭焦距為7.9 mm，視場角為52°，采用CMOS線性傳感器接收。為了使鏡頭成本更低，同時保證好的成像性能，引入了塑料非球面，設(shè)計了一個含有高次塑料非球面鏡片和一個玻璃球面鏡片（1G1P）的結(jié)構(gòu)。相對傳統(tǒng)三片式玻璃球面鏡片（3P）的結(jié)構(gòu)來講，1G1P結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能更好地滿足了技術(shù)指標(biāo)要求，成本為3G結(jié)構(gòu)的50%，推廣應(yīng)用前景好。

關(guān)鍵詞： 條碼成像鏡頭； 調(diào)制傳遞函數(shù)； 塑料非球面； 優(yōu)化方案

中圖分類號： TH 741文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.011

引言 近年來隨著條碼信息量的不斷增加，越來越多的圖像掃描技術(shù)替代了先前的激光條碼掃描技術(shù)。雖然普通的智能手機(jī)都擁有照相拍攝功能，但在特定應(yīng)用場合下，只有專用條碼掃描儀才能做到準(zhǔn)確而高效的識別。了解掃描成像鏡頭的應(yīng)用場合、市場、成本，對設(shè)計出高性能、低成本的結(jié)構(gòu)方案非常重要。本文根據(jù)實際使用要求設(shè)計了一款條碼掃描成像鏡頭，其結(jié)構(gòu)中含有高次塑料非球面，在保證良好性能的前提下，有效降低了量產(chǎn)成本。

1條碼掃描成像鏡頭的設(shè)計要求

條碼掃描成像鏡頭使用波長為640 nm的LED光源。當(dāng)光線照射到目標(biāo)條形碼上時，掃描成像鏡頭便將條形碼圖像成像到CMOS線性傳感器上，然后由解碼器軟件讀取和處理條碼像。該掃描成像鏡頭主要用于圖書館錄像帶條碼檢索儀器中，要求鏡頭外徑為5.2 mm，長度為4.5 mm，技術(shù)指標(biāo)見表1。

2設(shè)計過程

利用Zemax軟件，分別采用了三片式玻璃球面（3G）結(jié)構(gòu)和含有高次塑料非球面（1G1P）結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計，得到兩個對比結(jié)構(gòu)。這兩個光學(xué)結(jié)構(gòu)均滿足設(shè)計要求，主要從光學(xué)性能、加工工藝和成本等方面進(jìn)行比較分析，確定最佳設(shè)計方案。成功的設(shè)計通常從初始結(jié)構(gòu)選型開始，多年的設(shè)計經(jīng)驗和豐富的像差理論知識，有助于準(zhǔn)確快速地建立起初始結(jié)構(gòu)[1-2]。從初始結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)置系統(tǒng)變量和優(yōu)化函數(shù)，控制像差，反復(fù)優(yōu)化直到所有視場的像差都滿足設(shè)計目標(biāo)。設(shè)計完成后，在對3G結(jié)構(gòu)和1G1P結(jié)構(gòu)的像質(zhì)評價中，將用到調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。與其它評價函數(shù)相比，MTF能全面、定量地反映光學(xué)系統(tǒng)的像差性質(zhì)和由衍射所引起的綜合效應(yīng)，能有效降低研發(fā)成本，減少人力、物力的浪費，縮短研制設(shè)計周期[3]。

2.13G光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

選擇三片式玻璃鏡片作為初始結(jié)構(gòu)，利用Zemax軟件的優(yōu)化功能，調(diào)整優(yōu)化操作數(shù)和變量，平衡各種像差，得到3G鏡頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

2.21G1P光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

以上3G鏡頭的設(shè)計結(jié)果已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計技術(shù)指標(biāo)的要求。為了能進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，減少鏡片數(shù)量，降低成本，得到一個更好的設(shè)計結(jié)果，在光學(xué)系統(tǒng)中引入了非球面塑料鏡片。光學(xué)系統(tǒng)中某些球面透鏡的非球面化不僅可以減少鏡片數(shù)量，還可以很好地提高鏡頭的成像質(zhì)量和光學(xué)性能，甚至還能降低系統(tǒng)公差靈敏度[5-6]，從而實現(xiàn)鏡頭的低成本、小型化、輕量化，提高產(chǎn)品的市場競爭力[7]。這是因為球面玻璃透鏡從中心到邊緣只有一個恒定的曲率，在設(shè)計過程中只有一個設(shè)計自由度可以變換；而非球面透鏡從中心到邊緣曲率連續(xù)發(fā)生變化，理論上有無限個設(shè)計自由度。因此，非球面透鏡在像差矯正方面有著很大的優(yōu)勢。1G1P光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中用到的高次非球面是旋轉(zhuǎn)對稱偶次非球面[8]得到的1G1P鏡頭結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)見表3，兩個非球面的Conic值和高次非球面系數(shù)見表4。

3理論結(jié)果對比討論

3.1基本參數(shù)比較

圖1和圖2分別是3G鏡頭和1G1P鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。從鏡頭焦距、鏡頭長度、法蘭焦距和后工作距離這4個基本的參數(shù)比較來看，兩者都滿足了設(shè)計的基本要求，具體數(shù)值見表5。

3.2場曲與畸變以及MTF比較

圖3、圖4分別是兩款鏡頭的場曲和畸變圖。鏡頭的場曲數(shù)值越小說明成像后的圖像平坦度越好，1G1P鏡頭的場曲只有0.06；鏡頭的畸變數(shù)值越小說明成像后的圖像變形越少，越真實，1G1P鏡頭的畸變只有1.1%。

綜合兩個鏡頭的場曲、畸變以及MTF曲線對比結(jié)果，1G1P鏡頭光學(xué)性能優(yōu)于3G鏡頭，詳細(xì)數(shù)值見表6。

3.3點列圖比較圖

7和圖8分別是3G鏡頭與1G1P鏡頭的點列圖。圖7所示3G鏡頭的點列圖中最大均平方根（RMS）半徑為8.6 μm，圖8所示1G1P鏡頭的點列圖中最大RMS半徑為2 μm。對比可知1G1P鏡頭優(yōu)于3G鏡頭。

3.4相對照度比較

圖9和圖10分別是3G鏡頭與1G1P鏡頭相對照度圖。對于掃描成像鏡頭，相對照度越大越好。如果照度太低，視場邊緣的光線會較暗[1]，不利于CMOS線性傳感器的信號接收，影響圖像識別。圖9中3G鏡頭邊緣視場的相對照度為65%，圖10中1G1P鏡頭邊緣視場的相對照度為72%。同樣是1G1P鏡頭優(yōu)于3G鏡頭。

3.5成本比較

利用Zemax軟件對兩款鏡頭進(jìn)行公差分析，結(jié)果顯示：所有玻璃球面鏡片表面的光圈數(shù)為3，局部光圈數(shù)為0.5，厚度公差為±0.03 mm，偏心為0.1°；塑料非球面表面的光圈為0.5，局部光圈為0.05，厚度公差為±0.02 mm，偏心為0.05°。這些公差都在常規(guī)可加工的公差范圍內(nèi)。根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和公差分析，對兩款鏡頭進(jìn)行了成本分析，經(jīng)核算1G1P鏡頭成本為3G鏡頭的50%。

41P1G鏡頭成品檢測及應(yīng)用

1G1P鏡頭成品的MTF測試曲線如圖11所示（使用TRIOPTICS公司ImageMaster HR型傳遞函數(shù)儀測得）。

根據(jù)圖11中的測試結(jié)果，對軸上和軸外（半視場角26°）70 lp/mm處，客戶要求MTF值、理論設(shè)計值和成品測試值進(jìn)行了比較，如表7所示。1P1G鏡頭實測MTF值達(dá)到并超過了客戶的要求。并且只要對光闌直徑稍作修改，就能滿足50～250 mm的工作距離，可以推廣應(yīng)用到超市零售、醫(yī)院病歷等場合的手持式條碼掃描儀中。

5結(jié)論

針對專業(yè)條碼掃描儀的要求，設(shè)計了焦距為7.9 mm，視場角為52°的掃描成像鏡頭，由CMOS線性傳感器作為接收器，利用Zemax設(shè)計軟件進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化。在滿足設(shè)計指標(biāo)的前提下，從鏡片量產(chǎn)化加工工藝、裝配工藝、合格率、成本等多方面進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，采用兩個設(shè)計方案對比，選取像質(zhì)優(yōu)良、加工難度適中的1G1P方案實施試制和量產(chǎn)。最終經(jīng)試制量產(chǎn)驗證，該款鏡頭加工工藝性好、成品率高且成本低廉，是一款具有競爭力并可推廣的條碼掃描成像鏡頭。

參考文獻(xiàn)：

[1]洪堅.3.2～8 mm百萬像素變焦安防鏡頭設(shè)計[J].光學(xué)儀器，2014，36（2）：131-135.

[2]王之江.光學(xué)設(shè)計理論基礎(chǔ)[M].2版.北京：科學(xué)出版社，1985：304-314.

[3]張雙翼，徐熙平.激光掃描系統(tǒng)中F-θ透鏡的光學(xué)設(shè)計[J].光學(xué)儀器，2012，34（5）：40-44.

[4]李士賢，李林.光學(xué)設(shè)計手冊[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1996：162-164.

[5]BETENSKY E.Aberration correction and desensi tization of an inverse triplet objective lens[J].SPIE，1998，3482：264-268.

[6]JEFFS M.Reduced manufacturing sensitivity in multi-element lens systems[J].SPIE，2002，4832：104-113.

[7]潘君驊.光學(xué)非球面的設(shè)計、加工與檢驗[M].蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2004：42-47.

[8]李曉彤，岑兆豐.幾何光學(xué)·像差·光學(xué)設(shè)計[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2003：286-291.第36卷第5期2014年10月光學(xué)儀器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36， No.5October， 2014

摘要： 設(shè)計了一種掃描成像鏡頭，鏡頭焦距為7.9 mm，視場角為52°，采用CMOS線性傳感器接收。為了使鏡頭成本更低，同時保證好的成像性能，引入了塑料非球面，設(shè)計了一個含有高次塑料非球面鏡片和一個玻璃球面鏡片（1G1P）的結(jié)構(gòu)。相對傳統(tǒng)三片式玻璃球面鏡片（3P）的結(jié)構(gòu)來講，1G1P結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能更好地滿足了技術(shù)指標(biāo)要求，成本為3G結(jié)構(gòu)的50%，推廣應(yīng)用前景好。

關(guān)鍵詞： 條碼成像鏡頭； 調(diào)制傳遞函數(shù)； 塑料非球面； 優(yōu)化方案

中圖分類號： TH 741文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.011

引言 近年來隨著條碼信息量的不斷增加，越來越多的圖像掃描技術(shù)替代了先前的激光條碼掃描技術(shù)。雖然普通的智能手機(jī)都擁有照相拍攝功能，但在特定應(yīng)用場合下，只有專用條碼掃描儀才能做到準(zhǔn)確而高效的識別。了解掃描成像鏡頭的應(yīng)用場合、市場、成本，對設(shè)計出高性能、低成本的結(jié)構(gòu)方案非常重要。本文根據(jù)實際使用要求設(shè)計了一款條碼掃描成像鏡頭，其結(jié)構(gòu)中含有高次塑料非球面，在保證良好性能的前提下，有效降低了量產(chǎn)成本。

1條碼掃描成像鏡頭的設(shè)計要求

條碼掃描成像鏡頭使用波長為640 nm的LED光源。當(dāng)光線照射到目標(biāo)條形碼上時，掃描成像鏡頭便將條形碼圖像成像到CMOS線性傳感器上，然后由解碼器軟件讀取和處理條碼像。該掃描成像鏡頭主要用于圖書館錄像帶條碼檢索儀器中，要求鏡頭外徑為5.2 mm，長度為4.5 mm，技術(shù)指標(biāo)見表1。

2設(shè)計過程

利用Zemax軟件，分別采用了三片式玻璃球面（3G）結(jié)構(gòu)和含有高次塑料非球面（1G1P）結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計，得到兩個對比結(jié)構(gòu)。這兩個光學(xué)結(jié)構(gòu)均滿足設(shè)計要求，主要從光學(xué)性能、加工工藝和成本等方面進(jìn)行比較分析，確定最佳設(shè)計方案。成功的設(shè)計通常從初始結(jié)構(gòu)選型開始，多年的設(shè)計經(jīng)驗和豐富的像差理論知識，有助于準(zhǔn)確快速地建立起初始結(jié)構(gòu)[1-2]。從初始結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)置系統(tǒng)變量和優(yōu)化函數(shù)，控制像差，反復(fù)優(yōu)化直到所有視場的像差都滿足設(shè)計目標(biāo)。設(shè)計完成后，在對3G結(jié)構(gòu)和1G1P結(jié)構(gòu)的像質(zhì)評價中，將用到調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。與其它評價函數(shù)相比，MTF能全面、定量地反映光學(xué)系統(tǒng)的像差性質(zhì)和由衍射所引起的綜合效應(yīng)，能有效降低研發(fā)成本，減少人力、物力的浪費，縮短研制設(shè)計周期[3]。

2.13G光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

選擇三片式玻璃鏡片作為初始結(jié)構(gòu)，利用Zemax軟件的優(yōu)化功能，調(diào)整優(yōu)化操作數(shù)和變量，平衡各種像差，得到3G鏡頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

2.21G1P光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

以上3G鏡頭的設(shè)計結(jié)果已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計技術(shù)指標(biāo)的要求。為了能進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，減少鏡片數(shù)量，降低成本，得到一個更好的設(shè)計結(jié)果，在光學(xué)系統(tǒng)中引入了非球面塑料鏡片。光學(xué)系統(tǒng)中某些球面透鏡的非球面化不僅可以減少鏡片數(shù)量，還可以很好地提高鏡頭的成像質(zhì)量和光學(xué)性能，甚至還能降低系統(tǒng)公差靈敏度[5-6]，從而實現(xiàn)鏡頭的低成本、小型化、輕量化，提高產(chǎn)品的市場競爭力[7]。這是因為球面玻璃透鏡從中心到邊緣只有一個恒定的曲率，在設(shè)計過程中只有一個設(shè)計自由度可以變換；而非球面透鏡從中心到邊緣曲率連續(xù)發(fā)生變化，理論上有無限個設(shè)計自由度。因此，非球面透鏡在像差矯正方面有著很大的優(yōu)勢。1G1P光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中用到的高次非球面是旋轉(zhuǎn)對稱偶次非球面[8]得到的1G1P鏡頭結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)見表3，兩個非球面的Conic值和高次非球面系數(shù)見表4。

3理論結(jié)果對比討論

3.1基本參數(shù)比較

圖1和圖2分別是3G鏡頭和1G1P鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。從鏡頭焦距、鏡頭長度、法蘭焦距和后工作距離這4個基本的參數(shù)比較來看，兩者都滿足了設(shè)計的基本要求，具體數(shù)值見表5。

3.2場曲與畸變以及MTF比較

圖3、圖4分別是兩款鏡頭的場曲和畸變圖。鏡頭的場曲數(shù)值越小說明成像后的圖像平坦度越好，1G1P鏡頭的場曲只有0.06；鏡頭的畸變數(shù)值越小說明成像后的圖像變形越少，越真實，1G1P鏡頭的畸變只有1.1%。

綜合兩個鏡頭的場曲、畸變以及MTF曲線對比結(jié)果，1G1P鏡頭光學(xué)性能優(yōu)于3G鏡頭，詳細(xì)數(shù)值見表6。

3.3點列圖比較圖

7和圖8分別是3G鏡頭與1G1P鏡頭的點列圖。圖7所示3G鏡頭的點列圖中最大均平方根（RMS）半徑為8.6 μm，圖8所示1G1P鏡頭的點列圖中最大RMS半徑為2 μm。對比可知1G1P鏡頭優(yōu)于3G鏡頭。

3.4相對照度比較

圖9和圖10分別是3G鏡頭與1G1P鏡頭相對照度圖。對于掃描成像鏡頭，相對照度越大越好。如果照度太低，視場邊緣的光線會較暗[1]，不利于CMOS線性傳感器的信號接收，影響圖像識別。圖9中3G鏡頭邊緣視場的相對照度為65%，圖10中1G1P鏡頭邊緣視場的相對照度為72%。同樣是1G1P鏡頭優(yōu)于3G鏡頭。

3.5成本比較

利用Zemax軟件對兩款鏡頭進(jìn)行公差分析，結(jié)果顯示：所有玻璃球面鏡片表面的光圈數(shù)為3，局部光圈數(shù)為0.5，厚度公差為±0.03 mm，偏心為0.1°；塑料非球面表面的光圈為0.5，局部光圈為0.05，厚度公差為±0.02 mm，偏心為0.05°。這些公差都在常規(guī)可加工的公差范圍內(nèi)。根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和公差分析，對兩款鏡頭進(jìn)行了成本分析，經(jīng)核算1G1P鏡頭成本為3G鏡頭的50%。

41P1G鏡頭成品檢測及應(yīng)用

1G1P鏡頭成品的MTF測試曲線如圖11所示（使用TRIOPTICS公司ImageMaster HR型傳遞函數(shù)儀測得）。

根據(jù)圖11中的測試結(jié)果，對軸上和軸外（半視場角26°）70 lp/mm處，客戶要求MTF值、理論設(shè)計值和成品測試值進(jìn)行了比較，如表7所示。1P1G鏡頭實測MTF值達(dá)到并超過了客戶的要求。并且只要對光闌直徑稍作修改，就能滿足50～250 mm的工作距離，可以推廣應(yīng)用到超市零售、醫(yī)院病歷等場合的手持式條碼掃描儀中。

5結(jié)論

針對專業(yè)條碼掃描儀的要求，設(shè)計了焦距為7.9 mm，視場角為52°的掃描成像鏡頭，由CMOS線性傳感器作為接收器，利用Zemax設(shè)計軟件進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化。在滿足設(shè)計指標(biāo)的前提下，從鏡片量產(chǎn)化加工工藝、裝配工藝、合格率、成本等多方面進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，采用兩個設(shè)計方案對比，選取像質(zhì)優(yōu)良、加工難度適中的1G1P方案實施試制和量產(chǎn)。最終經(jīng)試制量產(chǎn)驗證，該款鏡頭加工工藝性好、成品率高且成本低廉，是一款具有競爭力并可推廣的條碼掃描成像鏡頭。

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