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机器视觉系统由硬件部分和软件部分构成,硬件主要包括工业相机、光源、光学镜头和图像采集系统。其中光学镜头的成像质量影响着最终获取图像的清晰度和分辨率。本文通过学习文献资料,阐述了机器视觉在国内外的发展现状以及机器视觉镜头的研究现状,在此基础上结合图像传感技术的发展现状,设计了几款机器视觉镜头及其光学系统:论文设计完成一款大视场连续变倍物方远心镜头,放大倍率范围0.5x-1.0x,最大可匹配4/3英寸图像传感器。创新性的提出了利用光学设计软件中的虚拟透镜构建变焦距系统初始结构的方法。利用光学设计软件中的虚拟透镜模拟变倍系统的变倍过程,可初步确定变倍系统中各组份的焦距以及各组分之间在不同放大倍率情况下的间隔,再用实际镜片代替虚拟透镜,即可得到光学系统的初始结构。在构建的初始结构的基础上进行了优化设计,并在完成光学系统的公差分析及凸轮曲线设计后进行了生产与加工。搭配自主研发的工业相机及配套软件系统进行尺寸测量实验,证明了所设计的连续变倍物方远心光学系统测量数据具有可信度和可重复性。论文设计完成一款高变倍比超短尺寸连续变倍数码显微镜,放大倍率范围0.7x-5.6x,工作距离为100mm,但光学系统总长仅130mm。与传统光学显微镜相比,数码显微镜将观察对象直接成像于图像传感器表面,而无需考虑目视光学系统的设计,简化了显微镜光学系统结构,降低了显微镜光学系统加工的难度和生产成本;同时数码显微镜光学系统结合了光学镜头与图像传感技术的优势,具有连续可调的放大倍率与良好的成像质量。在完成高变倍比超短尺寸连续变倍数码显微镜的光学设计后,对整个系统进行了公差分析,并对不同情况下系统的凸轮曲线进行分析,为日后的生产和加工提供了理论设计基础。论文设计完成基于光学镜头移动的多共轭距倍率连续可调便携式数码显微镜光学系统。从变倍系统最原始的光学变倍设计原理出发,从理论上分析了光学系统实现连续变倍的条件以及能够实现的最高放大倍率。基于光学镜头移动的多共轭距倍率连续可调便携式数码显微镜光学系统主要由光学镜头、硬件电路和机械结构组成。所设计的光学镜头焦距15mm,工作距离覆盖25mm-97mm,能够实现0.2x-2.2x连续变倍;电路部分由主控电路板和照明电路板组成;机械部分包括光学镜头机械结构设计和整个系统机械结构设计。利用移动光学镜头的方法实现变倍,在保证光学系统成像质量的同时,最大程度地简化了光学系统的结构。论文还设计完成基于图像传感器移动的多共轭距倍率连续可调便携式数码显微镜光学系统。当光学系统的工作距离变化时,通过调整图像传感器的位置实现清晰成像。基于图像传感器移动的多共轭距倍率连续可调数码显微镜光学系统主要由光学镜头、硬件电路和机械结构组成。设计完成四款焦距为3mm、6mm、15mm和23mm的光学镜头。其中焦距15mm的光学镜头完成生产加工,其工作距离覆盖20mm-200mm,可实现0.1x-3.3x连续变倍;电路部分由供电电路板、主控电路板、传感器电路板和照明电路板组成;机械部分包括光学镜头机械结构设计和整个系统机械结构设计。基于图像传感器移动实现变倍的方法,具有可实现放大倍率连续变化,放大倍率线性调节,大变倍比的优点,是目前主流市场的产品所没有的。借助这种思路,本研究有望应用于机器视觉领域需要放大倍率连续快速变化的场合。