姚智慧

摘 要：搭載CCD芯片的成像儀器中，光學(xué)鏡頭的選擇成為影響成像質(zhì)量的重要因素，由于其型號(hào)和參數(shù)差異，因此在設(shè)計(jì)之初，選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，如F數(shù)、接口、光學(xué)格式、像素?cái)?shù)視場(chǎng)等，對(duì)成像系統(tǒng)的最終成像質(zhì)量起著決定性的作用。

關(guān)鍵詞：大視場(chǎng) 廣角 光學(xué)鏡頭 CCD成像

中圖分類號(hào)：TB85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）08（c）-0085-02

電荷耦合型器件（）因其擁有視場(chǎng)廣、分辨率高、掃描速率快等突出特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、高精度測(cè)量等高端應(yīng)用場(chǎng)合。在保證成像質(zhì)量的前提條件下，充分滿足系統(tǒng)的圖像采集要求。因此，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要有相當(dāng)高的標(biāo)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

CCD成像系統(tǒng)主要由兩部分組成：光學(xué)前端以及CCD元件。一個(gè)設(shè)計(jì)精妙的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)成像結(jié)果至關(guān)重要。被測(cè)物的表面光線經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)部件的多次調(diào)整，充分成像在CCD表面的有效成像表面，因此，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)良好是決定整體成像結(jié)果的重要因素。為滿足系統(tǒng)高速、高效、高質(zhì)量的要求，光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)一定要視場(chǎng)大，并將成像表面最大化地與CCD原件的有效像元集中重合，以滿足系統(tǒng)要求[1]。

設(shè)計(jì)CCD成像系統(tǒng)的光學(xué)部分，設(shè)定物距為固定值1000 mm，選用CCD型號(hào)為TCD1208，參數(shù)指標(biāo)如下：

元件型號(hào)：TCD1208；

像元尺寸：14μm×14μm；

像元數(shù)：2048；

像感尺寸：28.6 mm。

被掃描物尺寸為一張297 mm×210 mm的白紙，標(biāo)記物為字體大小為小四號(hào)的英文字母，為了達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的分辨率，實(shí)際操作得到：標(biāo)記物間隔距離不低于50μm（20l p/mm），由于成像元件的像元尺寸為14μm（71.4l p/mm），因此，該型號(hào)CCD元件完全可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)被掃描物的尺寸以及CCD元器件成像的像感尺寸計(jì)算放大倍率如下：

放大率：

（1）計(jì)算焦距。

基于CCD元件的像感儲(chǔ)存設(shè)定整體基準(zhǔn)，并以此參考量計(jì)算焦距。

被掃描物水平高度：H；

CCD元件有效像元水平高度：h；

視場(chǎng)角：2ω；

物距：l；

鏡頭焦距：；

參數(shù)關(guān)系圖如下：

根據(jù)公式；即（mm）；

根據(jù)設(shè)計(jì)原則，選定焦距為90mm。

（2）選擇相對(duì)孔徑。

為提高像面照度，按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取。

（3）計(jì)算視場(chǎng)角。

°；

（4）像距的計(jì)算。

根據(jù)高斯公式：

則，（mm）

（5）畸變要求。

在保證成像結(jié)果清晰度的前提下，設(shè)計(jì)要求畸變值要控制在0.1%以下。

2 調(diào)試與分析

通常，為CCD成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)大視場(chǎng)光學(xué)鏡頭時(shí)，“雙高斯型”結(jié)構(gòu)鏡頭往往是首選。本設(shè)計(jì)創(chuàng)新的選擇了“天塞型”結(jié)構(gòu)鏡頭。與前者相比較，“天塞型”鏡頭在本次設(shè)計(jì)中具有更為突出的特點(diǎn)和適應(yīng)性，如尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等。同時(shí)，其擁有對(duì)稱的光路和簡(jiǎn)便的操作便可調(diào)節(jié)的像差，以及均勻的相面照度等技術(shù)特點(diǎn)，可以完全適應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

初始結(jié)構(gòu)光路圖如上圖，， =50.3（mm），視場(chǎng)角30°。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，工作波長(zhǎng)選定為 0.4～0.7μm，，=90（mm），=16.89°。

上圖為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的光路圖，通過(guò)采用全球面透鏡，將畸變控制在0.1%以下，鏡頭的F數(shù)值為4，視場(chǎng)角為17°，視場(chǎng)能量在0.85～1，集中度在76.5%～67.5%，彌散半徑5μm。

至此，我們要借助ZEMAX軟件的輔助，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，盡可能使系統(tǒng)整體技術(shù)指標(biāo)與設(shè)計(jì)要求保持一致，并通過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)像差、畸變等數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的矯正和調(diào)試，并控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。[2]

進(jìn)過(guò)數(shù)據(jù)優(yōu)化，光學(xué)系統(tǒng)的整體參數(shù)如下：

物高300 mm；

物距1000 mm；

像面28.627 mm；

像距約50 mm；

焦距約為84 mm；

F數(shù)約為2.5。

3 結(jié)語(yǔ)

CCD元件在成像過(guò)程中，其光學(xué)前端的系統(tǒng)參數(shù)對(duì)最終成像結(jié)果起著決定性的作用。將CCD元件的有效像元尺寸與光學(xué)鏡頭的成像面尺寸進(jìn)行有效匹配，才能得到理想的圖像采集結(jié)果。不同的光學(xué)鏡頭要與相應(yīng)指標(biāo)參數(shù)的CCD元器件配套使用，而光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)要充分利用CCD的有效像元，這樣才能達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)化，資源利用最大化。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 劉勝洋.高靈敏度CCD光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2001，30（3）：178-182.