近年来随着条码信息量的不断增加,越来越多的图像扫描技术替代了先前的激光条码扫描技术。虽然普通的智能手机都拥有照相拍摄功能,但在特定应用场合下,只有专用条码扫描仪才能做到准确而高效的识别。了解扫描成像镜头的应用场合、市场、成本,对设计出高性能、低成本的结构方案非常重要。本文根据实际使用要求设计了一款条码扫描成像镜头,其结构中含有高次塑料非球面,在保证良好性能的前提下,有效降低了量产成本。

条码扫描成像镜头使用波长为640 nm的LED光源。当光线照射到目标条形码上时,扫描成像镜头便将条形码图像成像到CMOS线性传感器上,然后由解码器软件读取和处理条码像。该扫描成像镜头主要用于图书馆录像带条码检索仪器中,要求镜头外径为5.2 mm,长度为4.5 mm,技术指标见表 1。

表 1(Table 1">Table 1)

表 1 条码扫描成像镜头的技术指标 Tab. 1 The specifications of barcode imaging lens 名称 焦距/mm 物距/mm 入瞳直径/mm 法兰焦距/mm 后工作距/mm 指标 7.9±0.25 203 1.2 9.0 4.6±0.5 名称 视场角 轴上MTF@70 lp/mm 轴外MTF@70 lp/mm 畸变 指标 52° ＞30% ＞25% ＜3%

表 1 条码扫描成像镜头的技术指标 Tab. 1 The specifications of barcode imaging lens

从应用条件和技术指标来看,这款镜头的外形尺寸小、视场大、MTF要求较高,同时还要满足低成本和每年30万个的量产要求,设计难度较高。

利用Zemax软件,分别采用了三片式玻璃球面(3G)结构和含有高次塑料非球面(1G1P)结构进行仿真设计,得到两个对比结构。这两个光学结构均满足设计要求,主要从光学性能、加工工艺和成本等方面进行比较分析,确定最佳设计方案。

成功的设计通常从初始结构选型开始,多年的设计经验和丰富的像差理论知识,有助于准确快速地建立起初始结构^{[1, 2]}。从初始结构出发,设置系统变量和优化函数,控制像差,反复优化直到所有视场的像差都满足设计目标。设计完成后,在对3G结构和1G1P结构的像质评价中,将用到调制传递函数(MTF)。与其它评价函数相比,MTF能全面、定量地反映光学系统的像差性质和由衍射所引起的综合效应,能有效降低研发成本,减少人力、物力的浪费,缩短研制设计周期^[3]。

选择三片式玻璃镜片作为初始结构,利用Zemax软件的优化功能,调整优化操作数和变量,平衡各种像差,得到3G镜头的结构参数见表 2。

表 2(Table 2">Table 2)

表 2 3G镜头结构参数 Tab. 2 Structure parameters of the 3G lens 序号 类型 Radius/mm 厚度/mm 折射率 色散系数 口径/mm 1 标准面 2.300 0.600 1.846 670 23.791 2 2.810 2 标准面 1.483 0.170 2.122 3 标准面 1.555 1.330 1.744 003 44.926 6 2.048 4 标准面 2.170 0.153 0.968 光阑 标准面 ∞ 1.000 0.800 6 标准面 8.659 1.000 1.883 004 40.810 9 2.760 7 标准面 ∞ 4.491

表 2 3G镜头结构参数 Tab. 2 Structure parameters of the 3G lens

以上3G镜头的设计结果已经达到了设计技术指标的要求。为了能进一步提高系统性能,减少镜片数量,降低成本,得到一个更好的设计结果,在光学系统中引入了非球面塑料镜片。

光学系统中某些球面透镜的非球面化不仅可以减少镜片数量,还可以很好地提高镜头的成像质量和光学性能,甚至还能降低系统公差灵敏度^{[5, 6]}，从而实现镜头的低成本、小型化、轻量化,提高产品的市场竞争力^[7]。这是因为球面玻璃透镜从中心到边缘只有一个恒定的曲率,在设计过程中只有一个设计自由度可以变换;而非球面透镜从中心到边缘曲率连续发生变化,理论上有无限个设计自由度。因此,非球面透镜在像差矫正方面有着很大的优势。1G1P光学系统设计中用到的高次非球面是旋转对称偶次非球面^[8],非球面方程为

将第二个镜片的两个面分别设置为偶次非球面,材料为POLYCARB,利用Zemax软件的优化功能,增加非球面系数作为变量,调整优化操作数,平衡各种像差。在优化过程中控制塑料非球镜片的形状,满足注塑工艺要求。得到的1G1P镜头结构,具体参数见表 3,两个非球面的Conic值和高次非球面系数见表 4。

表 3(Table 3">Table 3)

表 3 1G1P镜头结构参数 Tab. 3 Structure parameters of the 1G1P lens 序号 类型 Radius/mm 厚度/mm 折射率 色散系数 口径/mm 1 标准面 1.800 1.200 1.516 797 64.212 4 3.200 2 标准面 2.445 0.214 2.000 光阑 标准面 ∞ 0.800 0.896 4 非球面 -2.900 1.200 1.531 160 56.043 8 2.200 5 非球面 -2.800 0.920 3.200

表 3 1G1P镜头结构参数例 Tab. 3 Structure parameters of the 1G1P lens

表 4(Table 4">Table 4)

表 4 1G1P镜头非球面系数 Tab. 4 Aspheric coefficients of the 1G1P lens 序号 K α1 α2 α3 α4 α5 α6 α7 α8 4 5.766 0 -0.047 735 4 0.013 565 1 -0.052 521 3 -0.018 675 8 0 0 0 5 1.700 0 -0.005 782 2 -0.010 025 9 0.005 685 6 -0.002 162 0 0 0 0

表 4 1G1P镜头非球面系数 Tab. 4 Aspheric coefficients of the 1G1P lens

图 1和图 2分别是3G镜头和1G1P镜头的光学结构图。从镜头焦距、镜头长度、法兰焦距和后工作距离这4个基本的参数比较来看,两者都满足了设计的基本要求,具体数值见表 5。

图 1

Fig. 1

图 1 3G镜头的光学结构 Fig. 1 Layout of the 3G lens after optimization

图 2

Fig. 2

图 2 1G1P镜头的光学结构 Fig. 2 Layout of the 1G1P lens after optimization

表 5(Table 5">Table 5)

表 5 3G镜头和1G1P镜头指标对比 Tab. 5 Values comparison of 3G and 1G1P Lens 名称 焦距/mm 镜头长度/mm 法兰焦距/mm 后工作距/mm 指标 7.9±0.25 4.50 9.00 4.6±0.5 3G镜头 7.91 4.43 9.12 4.69 1G1P镜头 7.90 4.55 9.00 4.45

表 5 3G镜头和1G1P镜头指标对比 Tab. 5 Values comparison of 3G and 1G1P Lens

图 3、图 4分别是两款镜头的场曲和畸变图。镜头的场曲数值越小说明成像后的图像平坦度越好,1G1P镜头的场曲只有0.06;镜头的畸变数值越小说明成像后的图像变形越少,越真实,1G1P镜头的畸变只有1.1%。

图 3

Fig. 3

图 3 3G镜头场曲和畸变 Fig. 3 Field curvature/distortion of the 3G lens

图 4

Fig. 4

图 4 1G1P镜头场曲和畸变 Fig. 4 Field curvature/distortion of the 1G1P lens

图 5、图 6分别是两款镜头的MTF曲线图。镜头的MTF越接近衍射极限,说明成像系统的解像能力越强,分辨率越高。与3G镜头相比,1G1P镜头在轴上以及轴外的MTF都有了很大的提高,超出了技术指标的要求。

图 5

Fig. 5

图 5 3G镜头MTF曲线 Fig. 5 MTF of the 3G lens

图 6

Fig. 6

图 6 1G1P镜头MTF曲线 Fig. 6 MTF of the 1G1P lens

综合两个镜头的场曲、畸变以及MTF曲线对比结果,1G1P镜头光学性能优于3G镜头,详细数值见表 6。

表 6(Table 6">Table 6)

表 6 3G镜头和1G1P镜头的对比 Tab. 6 Values comparison of 3G and 1G1P Lens 名称 畸变 场曲/mm 轴上MTF@70 lp/mm 轴外MTF@70 lp/mm 技术指标 ＜3% - ＞30% ＞25% 3G镜头 2.4% 0.15 39% 28% 1G1P镜头 1.1% 0.06 60% 49%

表 6 3G镜头和1G1P镜头的对比 Tab. 6 Values comparison of 3G and 1G1P Lens

图 7和图 8分别是3G镜头与1G1P镜头的点列图。图 7所示3G镜头的点列图中最大均平方根(RMS)半径为8.6 μm,图 8所示1G1P镜头的点列图中最大RMS半径为2 μm。对比可知1G1P镜头优于3G镜头。

图 7

Fig. 7

图 7 3G镜头点列图 Fig. 7 Spot diagram of the 3G lens

图 8

Fig. 8

图 8 1G1P镜头点列图 Fig. 8 Spot diagram of the 1G1P lens

图 9和图 10分别是3G镜头与1G1P镜头相对照度图。对于扫描成像镜头,相对照度越大越好。如果照度太低,视场边缘的光线会较暗^[1],不利于CMOS线性传感器的信号接收,影响图像识别。图 9中3G镜头边缘视场的相对照度为65%,图 10中1G1P镜头边缘视场的相对照度为72%。同样是1G1P镜头优于3G镜头。

图 9

Fig. 9

图 9 3G镜头相对照度 Fig. 9 Relative illumination of the 3G lens

图 10

Fig. 10

图 10 1G1P镜头相对照度 Fig. 10 Relative illumination of the 1G1P lens

利用Zemax软件对两款镜头进行公差分析,结果显示:所有玻璃球面镜片表面的光圈数为3,局部光圈数为0.5,厚度公差为±0.03 mm,偏心为0.1°;塑料非球面表面的光圈为0.5,局部光圈为0.05,厚度公差为±0.02 mm,偏心为0.05°。这些公差都在常规可加工的公差范围内。根据结构参数和公差分析,对两款镜头进行了成本分析,经核算1G1P镜头成本为3G镜头的50%。

1G1P镜头成品的MTF测试曲线如图 11所示(使用TRIOPTICS公司ImageMaster HR型传递函数仪测得)。

图 11

Fig. 11

图 11 1G1P镜头实测MTF Fig. 11 The measured MTF of the 1G1P lens

根据图 11中的测试结果,对轴上和轴外(半视场角26°)70 lp/mm处,客户要求MTF值、理论设计值和成品测试值进行了比较,如表 7所示。

表 7(Table 7">Table 7)

表 7 1G1P镜头三项指标对比 Tab. 7 Comparison of 1G1P Lens with three indicators 轴上MTF@70 lp/mm 轴外(半视场角26°)MTF@70 lp/mm 客户要求值 30% 25% 理论设计值 60% 49% 成品测试值 42.7% 36.5%

表 7 1G1P镜头三项指标对比 Tab. 7 Comparison of 1G1P Lens with three indicators

1P1G镜头实测MTF值达到并超过了客户的要求。并且只要对光阑直径稍作修改,就能满足50～250 mm的工作距离,可以推广应用到超市零售、医院病历等场合的手持式条码扫描仪中。

针对专业条码扫描仪的要求,设计了焦距为7.9 mm,视场角为52°的扫描成像镜头,由CMOS线性传感器作为接收器,利用Zemax设计软件进行设计与优化。在满足设计指标的前提下,从镜片量产化加工工艺、装配工艺、合格率、成本等多方面进行设计优化,采用两个设计方案对比,选取像质优良、加工难度适中的1G1P方案实施试制和量产。最终经试制量产验证,该款镜头加工工艺性好、成品率高且成本低廉,是一款具有竞争力并可推广的条码扫描成像镜头。