一款条码扫描成像镜头的多方案设计和选择

吴世蕙　黄晓燕　张燕珂

摘要： 设计了一种扫描成像镜头，镜头焦距为7.9 mm，视场角为52°，采用CMOS线性传感器接收。为了使镜头成本更低，同时保证好的成像性能，引入了塑料非球面，设计了一个含有高次塑料非球面镜片和一个玻璃球面镜片（1G1P）的结构。相对传统三片式玻璃球面镜片（3P）的结构来讲，1G1P结构的光学性能更好地满足了技术指标要求，成本为3G结构的50%，推广应用前景好。

关键词： 条码成像镜头； 调制传递函数； 塑料非球面； 优化方案

中图分类号： TH 741文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.011

引言 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。

1条码扫描成像镜头的设计要求

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。

2设计过程

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]。

2.13G光学系统设计

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。

2.21G1P光学系统设计

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]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。

3理论结果对比讨论

3.1基本参数比较

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。

3.2场曲与畸变以及MTF比较

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%。

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。

3.3点列图比较图

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。

3.4相对照度比较

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。

3.5成本比较

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%。

41P1G镜头成品检测及应用

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）。

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。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。

5结论

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。

参考文献：

[1]洪坚.3.2～8 mm百万像素变焦安防镜头设计[J].光学仪器，2014，36（2）：131-135.

[2]王之江.光学设计理论基础[M].2版.北京：科学出版社，1985：304-314.

[3]张双翼，徐熙平.激光扫描系统中F-θ透镜的光学设计[J].光学仪器，2012，34（5）：40-44.

[4]李士贤，李林.光学设计手册[M].北京：北京理工大学出版社，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]潘君骅.光学非球面的设计、加工与检验[M].苏州：苏州大学出版社，2004：42-47.

[8]李晓彤，岑兆丰.几何光学·像差·光学设计[M].杭州：浙江大学出版社，2003：286-291.第36卷第5期2014年10月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36， No.5October， 2014

摘要： 设计了一种扫描成像镜头，镜头焦距为7.9 mm，视场角为52°，采用CMOS线性传感器接收。为了使镜头成本更低，同时保证好的成像性能，引入了塑料非球面，设计了一个含有高次塑料非球面镜片和一个玻璃球面镜片（1G1P）的结构。相对传统三片式玻璃球面镜片（3P）的结构来讲，1G1P结构的光学性能更好地满足了技术指标要求，成本为3G结构的50%，推广应用前景好。

关键词： 条码成像镜头； 调制传递函数； 塑料非球面； 优化方案

中图分类号： TH 741文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.011

引言 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。

1条码扫描成像镜头的设计要求

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。

2设计过程

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]。

2.13G光学系统设计

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。

2.21G1P光学系统设计

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]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。

3理论结果对比讨论

3.1基本参数比较

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。

3.2场曲与畸变以及MTF比较

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%。

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。

3.3点列图比较图

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。

3.4相对照度比较

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。

3.5成本比较

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%。

41P1G镜头成品检测及应用

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）。

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。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。

5结论

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。

参考文献：

[1]洪坚.3.2～8 mm百万像素变焦安防镜头设计[J].光学仪器，2014，36（2）：131-135.

[2]王之江.光学设计理论基础[M].2版.北京：科学出版社，1985：304-314.

[3]张双翼，徐熙平.激光扫描系统中F-θ透镜的光学设计[J].光学仪器，2012，34（5）：40-44.

[4]李士贤，李林.光学设计手册[M].北京：北京理工大学出版社，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]潘君骅.光学非球面的设计、加工与检验[M].苏州：苏州大学出版社，2004：42-47.

[8]李晓彤，岑兆丰.几何光学·像差·光学设计[M].杭州：浙江大学出版社，2003：286-291.第36卷第5期2014年10月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36， No.5October， 2014

摘要： 设计了一种扫描成像镜头，镜头焦距为7.9 mm，视场角为52°，采用CMOS线性传感器接收。为了使镜头成本更低，同时保证好的成像性能，引入了塑料非球面，设计了一个含有高次塑料非球面镜片和一个玻璃球面镜片（1G1P）的结构。相对传统三片式玻璃球面镜片（3P）的结构来讲，1G1P结构的光学性能更好地满足了技术指标要求，成本为3G结构的50%，推广应用前景好。

关键词： 条码成像镜头； 调制传递函数； 塑料非球面； 优化方案

中图分类号： TH 741文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.011

引言 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。

1条码扫描成像镜头的设计要求

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。

2设计过程

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]。

2.13G光学系统设计

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。

2.21G1P光学系统设计

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]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。

3理论结果对比讨论

3.1基本参数比较

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。

3.2场曲与畸变以及MTF比较

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%。

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。

3.3点列图比较图

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。

3.4相对照度比较

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。

3.5成本比较

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%。

41P1G镜头成品检测及应用

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）。

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。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。

5结论

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。

参考文献：

[1]洪坚.3.2～8 mm百万像素变焦安防镜头设计[J].光学仪器，2014，36（2）：131-135.

[2]王之江.光学设计理论基础[M].2版.北京：科学出版社，1985：304-314.

[3]张双翼，徐熙平.激光扫描系统中F-θ透镜的光学设计[J].光学仪器，2012，34（5）：40-44.

[4]李士贤，李林.光学设计手册[M].北京：北京理工大学出版社，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]潘君骅.光学非球面的设计、加工与检验[M].苏州：苏州大学出版社，2004：42-47.

[8]李晓彤，岑兆丰.几何光学·像差·光学设计[M].杭州：浙江大学出版社，2003：286-291.第36卷第5期2014年10月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36， No.5October， 2014