新闻资讯成像系统中使用的每个组件，包括光学成像镜头、机器视觉相机和照明光源，都影响着整个视觉系统的复杂程度。
成像系统的质量取决于系统在给定应用中的表现。系统性能取决于各个组件的性能以及这些组件之间的相互搭配。为了确保系统性能，组件的规格必须要满足给定应用的要求。
成像系统中使用的每个组件，包括光学成像镜头、机器视觉相机和照明光源，都影响着整个视觉系统的复杂程度。本文将针对其中的成像镜头，讨论光学镜头的设计和制造挑战。
对比度和分辨率是视觉系统的两个最基本的性能指标。因此，镜头性能通常用百分比对比度相对于分辨率频率的函数来表征，称为调制传递函数（MTF）。图1显示了一支镜头的MTF曲线：MTF曲线显示了成像镜头的理论光学性能，表征了镜头可以再现的对比度与分辨率频率的函数关系。（图片来源：Edmund Optics）
从广义上讲，镜头设计可能存在许多不理想的方面，甚至无法制造、组装、测试或安装到实际应用场景中。镜头设计软件是一种极其强大的工具，但它并不能取代对细节的关注或考虑光学制造的独特细微差别。成功的镜头设计，需要密切关注制造公差。可以在设计过程中利用光学设计软件，做镜头性能预测和公差分析及统计，这在镜头装配过程中是控制生产良率的有效工具。
折射率和色散系数（阿贝数）会因透镜生产批次而异。这些变化很小，但会影响设计的性能，需要在镜头设计中的公差中进行适当模拟。折射率的微小变化会影响聚焦点以及球差和彗差等像差，而阿贝数的变化会影响横向和轴向色差校正。
对于镜头设计的每个光学表面、镜片和光学机械组成部分，都有许多公差因素需要考虑。在光学镜片的两个主表面之间，存在一定量的楔形，如图2所示。楔形以角度单位（通常为弧分）测量，可以被认为是一个表面相对于另一个表面的倾斜度。该角度也可以通过中心厚度的长度差除以通光孔径的直径来计算（见公式1）。
图3a显示了镜片球面区域与相邻垫因为接触的方式而发生滚动的镜片。这种滚动表现为角度偏差，镜片在镜桶内产生向上方向的线性位置偏移。如果该光学组件具有如图 2中C所示的平面或平面环形空间，则该组件只会发生偏心。根据被滚动或偏心的镜片因为外形以及周边的耦合组件，可能会发生设计装配位置的额外偏移。
在光学设计软件中，对楔形、滚动和偏心公差进行建模，是通过蒙特卡洛模拟进行的，其中对于每个镜片或镜片组，偏心量和角运动（称为倾斜）是不同的。这些模拟假设所涉及的所有角度都足够小，因此小角度近似是有效的。对于具有角度偏差的球面光学组件，由于球面几何的对称性，楔形表面倾斜和滚动表面倾斜是无法区分的。每个镜片，两个表面之一是固定的（通常是最靠近承靠的表面），而另一个表面是倾斜的。楔形的倾斜和装配的滚动效应，可以分别设定到公差模型中。
考虑到影响镜组设计的所有不同类型的公差，光学设计者和制造商可以通过多种方式确保镜头的可生产性，并获得可接受的良率。第一种方法是让设计对公差影响不敏感。
对公差较不敏感的光学设计通常是更简单的设计，特殊组件较少，复杂程度较低。因此，它们更容易制造，既可靠又可重复，而且良率高。复杂性较低的考虑，意味着这些设计不用考虑复杂的光学组装系统。设计软件优化功能，通常可以找到与最佳性能的设计不同的解决方案。设计人员可以使用许多软件工具，来优化提供最佳公差性能的不敏感设计，包括：使用镜头设计软件中自带的优化器工具，添加具有扰动镜片的设定以围绕敏感公差进行设计，以及控制镜片表面折射和表面像差。所有这些方法都试图在所有镜片之间平衡整体设计的折射效果，而不是把所有的公差限定在单一镜片上。这样，如果设计受到公差的影响，对系统级性能的严重影响就会减少。
图3：A. 镜片的滚动；B. 耦合滚动；C. 镜片的偏心；D. 耦合偏心。
当设计不再对公差影响不敏感时，下一个选择是收紧公差规范。有两种主要方法可以获得具有更严格公差的组件。第一种方法是按生产批次内根据所需质量进行分类，并报废不符合要求的零件。当生产的零件质量可靠性服从统计分布时，此方法通常更有用。例如，典型的自动定心过程将导致几乎所有生产的零件有1弧分或更小的光束偏差。假定需要零件规格是0.5弧分偏差，通常这些零件生产时会有若干百分比例会出超过0.5弧分的偏差。如果80%的零件符合0.5弧分的偏差范围内，则剩余超过0.5弧分的20%部分（报废零件）其成本将转嫁给客户。
当设计无法降低灵敏度或收紧公差时，可以使用利用反馈机制的制造方法来补偿这些公差效应。主动对位是一种装配技术，它使用带有检修孔的特殊镜筒组件，在装配光学组件时对准它们。通过主动调整对位，有两种主要方法可以减少公差影响。一种方法是装配技术人员尽可能减少迭层中的倾斜和偏心形式。但是，此选项需要额外的组装时间，并且受到每个组件的制造精度的限制。可以使用主动对位的另一种方式是，使用一些预先的内置设计灵活性。可以通过在生产中监控特定性能指标的同时，调整上游组件来减轻设计中下游的公差。
例如，镜片厚度、半径、折射率或机械安装公差，都会偏离设计的理想聚焦位置。设计人员可以调整最后一个镜片和传感器之间的空气间隔，同时以MTF 的形式评价图像质量以补偿这些误差。然而，倾斜和偏心需要的补偿，比补偿聚焦的要求更复杂。在比较性能时调整一个镜片或一组镜片倾斜或偏心，可以补偿系统中的所有其他倾斜和偏心。调整后的镜片或镜片组可能比正常情况下刻意偏心。但是，考虑到系统的整体性能，这个偏心位置可能是修正所有其他误差的最佳位置。这种方法不是一种放之四海而皆准的解决方案，因此并不是每次都能成功。
成像镜头性能以几种关键方式定义。然而，大多数设计人员、制造商和最终用户都使用调制传递函数评估此性能：对比度作为分辨率的函数。
要制造具有高度复杂光学设计的高性能成像镜头，需要将大量时间、精力和成本纳入生产过程的设计和计划中。对于大批量生产，这可能特别麻烦，因为复杂的设计需要非标准或高度先进的制造技术，来生产和组装光学组件。即使在制造完所有部件后，也必须平衡公差影响并减轻这些影响，无论是在单个部件级别还是在整个系统的级别上，都必须平衡这些影响以满足整体性能规范。由于这些原因，对于最终用户和集成商来说，准确了解所需的性能规格至关重要。