CCD摄像机大视场光学镜头的设计

图1.镜头的初始结构示意图

为提高CCD摄像机的成像质量，同时使镜头结构紧凑、小型化，在大视场光学镜头的设计中，引入标准二次曲面和偶次非球面。根据初级像差理论，分析了非球面的位置、初始结构参数的求解规律。通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化，给出工作波长为0.4～0.7m、全视场角为80°，相对孔径为1∶1.5的镜头设计实例。该镜头由7块镜片组成，包括一个标准二次曲面和两个8次方非球面;在40lpmm空间频率处的MTF值超过0.85，全视场畸变小于3%，像质优良。

CCD摄像设备在图像传感领域的迅速发展，成为现代光电子学和测试技术中最为引人关注的研究热点之一。在科研领域，由于CCD具有灵敏度高、噪声低、成本低、小而轻等优点，已成为研究宏观(如天体)和微观(如生物细胞)现象不可缺少的工具。在特殊领域，CCD成像技术在微光、夜视及遥感应用中发挥着巨大的作用。总之，在各类光电成像领域中，它已逐步取代了真空摄像管的成像系统。

CCD摄像机通过光学镜头将外界的景物成像在CCD光敏面上，因此镜头的成像质量是决定CCD摄像机性能的关键因素之一。在CCD摄像机某些应用中，需要采用大视场光学镜头，在保证成像质量的前提下，还要将尽可能多的能量集中到CCD光敏面上，以提高系统的探测距离。考虑到系统体积质量和透过率的限制，必须在镜头的设计中引入非球面。

1 设计思想

CCD摄像机常用的大视场光学镜头一般采用“反远距型”光路结构，即由前后分开的2组透镜构成，而且负透镜在前组成不对称的光路结构。除了具有后工作距长的特点外，同“双高斯型”光路结构相比，由于其物方视场角大于像方视场角′ ，因此“反远距型”光路结构的像差相对容易校正，像面照度比较均匀。因此，得到了广泛的应用。此类镜头典型的结构形式如图1所示，D f′= 1∶2. 5～1∶3. 5， 2 =60°～80°。

如果需要提高镜头的集光能力，而成像质量不变，必须对系统进行复杂化，即增加镜头的片数;如果系统的片数增加过多，会影响镜头的透过率，与我们增加镜头通光口径的想法相抵触。这时，如果适当的引入非球面，尤其是高次非球面，便可在镜头的总片数和玻璃总厚度保持不变、成像质量不变的情况下，提高镜头的集光能力。

轴对称非球面可以是二次曲面，也可以是高次非球面。二次曲面方程一般表示为

式中，坐标原点为曲面顶点;r为光线与曲面交点的高度;C为顶点曲率;k与二次曲面的离心率有关(对于球面k=0)。常用的偶次非球面可以表示为

由(1)、(2)式可以看出，如果在光学系统中引入标准二次曲面，系统就多了一个可以进行像差校正的变量K，采用高次非球面比二次曲面有更大的自由度。采用初级像差理论对高次非球面求解，一般使用下面形式表示偶次非球面

3 结论

进行CCD 摄像机大视场光学镜头设计时，适当引入非球面，可以大大提高成像质量，并且使光学镜头结构紧凑，小型化。本文对非球面初始结构参数的求解规律进行了分析，通过理论计算和ZEMAX 光学设计软件的优化，给出了具体的设计实例。对设计实例成像质量的分析表明，该设计是可行的