姚智慧

（长春中国光学科学技术馆，吉林长春 130117）

摘要：搭载芯片的成像仪器的光学镜头种类繁多，其参数不尽相同，合适的参数指标根据不同的接口、光敏面光学格式、视场、像素数、F数等来确定。

关键词：大视场 广角 光学镜头 CCD成像

1.引言

电荷耦合型器件（）由于其较广的成像视场、快速的扫描速率、分辨率高等优点越来越多的被用在军事领域和工业现场检测等高端应用场合。在保证成像质量的前提条件下，充分满足系统的图像采集要求。因此，在光学系统的设计过程中，需要有相当高的标准。

2.光学系统简介

CCD成像系统一般包括光学系统和CCD器件两部分，所以一个完备成像环节需要光学系统。外界的被扫描物体的光线通过光学镜头投射到CCD成像系统的CCD光敏表面上，由此可知，光学镜头的成像质量是CCD成像系统性能的关键决定性因素之一。为了提高系统的探测效率以及保证成像质量的前提条件下，CCD成像系统采用大视场广角光学镜头，同时还要调整成像面与CCD光敏表面尽可能地重合在一起，并保证尽可能大的集中[1]。

设计一个固定物距为1000mm的光学系统，成像器件采用TCD1208，其主要参数为：像元尺寸为14μm×14μm，像元数为2048，像感尺寸为28.6mm。该照相物镜拍摄的是一张A4(297mm×210mm)纸，上面是英文小四号字体，为了拍摄的图像在显示系统上能够分辨出每个字母，经实际测量可知，每个字母笔画的最小间隔不超过50μm，即20lp/mm；而CCD像素尺寸单元为14μm，即71.4lp/mm，故采用这种CCD可以满足分辨要求。要把画幅为297mm的图像成像在像感尺寸为28.6mm的CCD中，必须去求出放大倍率：

放大率：

本系统采用的像感尺寸26.6mm作为整个系统基准，以确保被扫描的目标能完全成像在有效光敏单元内，并以之为基准来计算光学系统的焦距。

（1）焦距的计算

如图1所示，H为景物水平高度；h为靶面上成像水平高度；l为被摄物体至镜头的距离；为镜头焦距；ω为半视场角。根据比例关系公式：

 

图1光学系统光路图

由；得(mm)；所以选取焦距=90mm。

（2）相对孔径的选择

一般光学加工都是按经验数据选取，这里为了提高像面照度，选取。

（3）视场角的计算

垂直视场角为：°；

（4）像距的计算

根据高斯公式：则，(mm)

（5）畸变的要求

为了能够正确辨别出画面内的字母，根据经验，要求设计畸变小于0.1%。

3.调试与分析

照相系统通常采用“双高斯型”光路结构的大视场光学镜头，本系统选用“天塞型”结构镜头。“天塞型”结构镜头的优点主要是：总重量轻，结构简单、紧凑，外形尺寸小，因此很适用于做数码镜头；同时，“天塞型”结构镜头光路结构基本对称，像面照度比较均匀，像差相对容易校正，所以选择“天塞型”结构进行设计，图2为一个全视场角为30°，，=50.3(mm)的初始结构光路图。

 

图2光学系统初始结构光路图

需要设计的系统，工作波长0.4～0.7μm，=90(mm)，=16.89°，系统的通光口径应该尽可能大(=1/3)。如果选择如图3.30所示的结构形式进行优化设计，全部采用球面，在畸变小于0.1%的前提下，镜头的F数仅能达到4，视场也比较小(=17°)，而且0.85～1视场能量的集中度较低，分别为76.5%和67.5%(弥散半径5μm范围内)。所以必须用ZEMAX进行缩放，使其设计的技术指标和要求的一致，同时再进行优化设计，以致使像差得到进一步校正，保证畸变值校正在要求的范围内，优化后的光学系统如图3所示。[2]

 

图3 线阵CCD光学系统光路图

优化后的光学系统参数：物高300mm、物距1000mm、像面14μm×2048=28.627mm、像距约50mm、焦距约为84mm（计算值89.6mm）、F数约为2.5。

4.结论

成像过程中，光学系统起着决定性的作用。的成像尺寸大小也会影响到镜头的视场，当使用相同的镜头时，尺寸小的器件会产生较小的视场，但是镜头的规格和视场并不是直接相关的，有时不得已也可用大规格的镜头与较小规格的芯片尺寸配套使用，此时镜头成像的视场就要比它的标称值小。

参考文献

[1]Joey.Camera Link Areascan Camera Interface using the FPGA.Hunt Enginering，2002

[2]刘胜洋.高灵敏度CCD光电信号检测系统的设计.电子测量技术[J].2001，30（3）：178～182