CCD成像系統中光學系統研究

姚智慧

摘 要：搭載CCD芯片的成像儀器中，光學鏡頭的選擇成為影響成像質量的重要因素，由于其型號和參數差異，因此在設計之初，選擇適當的參數，如F數、接口、光學格式、像素數視場等，對成像系統的最終成像質量起著決定性的作用。

關鍵詞：大視場 廣角 光學鏡頭 CCD成像

中圖分類號：TB85 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（c）-0085-02

電荷耦合型器件（）因其擁有視場廣、分辨率高、掃描速率快等突出特點廣泛應用于軍事、工業、高精度測量等高端應用場合。在保證成像質量的前提條件下，充分滿足系統的圖像采集要求。因此，在光學系統的設計過程中，需要有相當高的標準。

1 系統簡介

CCD成像系統主要由兩部分組成：光學前端以及CCD元件。一個設計精妙的光學系統對成像結果至關重要。被測物的表面光線經由光學系統部件的多次調整，充分成像在CCD表面的有效成像表面，因此，光學系統的設計良好是決定整體成像結果的重要因素。為滿足系統高速、高效、高質量的要求，光學鏡頭的設計一定要視場大，并將成像表面最大化地與CCD原件的有效像元集中重合，以滿足系統要求[1]。

設計CCD成像系統的光學部分，設定物距為固定值1000 mm，選用CCD型號為TCD1208，參數指標如下：

元件型號：TCD1208；

像元尺寸：14μm×14μm；

像元數：2048；

像感尺寸：28.6 mm。

被掃描物尺寸為一張297 mm×210 mm的白紙，標記物為字體大小為小四號的英文字母，為了達到系統設計要求的分辨率，實際操作得到：標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CCD元件完全可以滿足系統設計要求。

根據被掃描物的尺寸以及CCD元器件成像的像感尺寸計算放大倍率如下：

放大率：

（1）計算焦距。

基于CCD元件的像感儲存設定整體基準，并以此參考量計算焦距。

被掃描物水平高度：H；

CCD元件有效像元水平高度：h；

視場角：2ω；

物距：l；

鏡頭焦距：；

參數關系圖如下：

根據公式；即（mm）；

根據設計原則，選定焦距為90mm。

（2）選擇相對孔徑。

為提高像面照度，按經驗數據選取。

（3）計算視場角。

°；

（4）像距的計算。

根據高斯公式：

則，（mm）

（5）畸變要求。

在保證成像結果清晰度的前提下，設計要求畸變值要控制在0.1%以下。

2 調試與分析

通常，為CCD成像系統設計大視場光學鏡頭時，“雙高斯型”結構鏡頭往往是首選。本設計創新的選擇了“天塞型”結構鏡頭。與前者相比較，“天塞型”鏡頭在本次設計中具有更為突出的特點和適應性，如尺寸小、重量輕、結構緊湊等。同時，其擁有對稱的光路和簡便的操作便可調節的像差，以及均勻的相面照度等技術特點，可以完全適應系統的設計要求。

初始結構光路圖如上圖，， =50.3（mm），視場角30°。經過優化設計，工作波長選定為 0.4～0.7μm，，=90（mm），=16.89°。

上圖為結構優化后的光路圖，通過采用全球面透鏡，將畸變控制在0.1%以下，鏡頭的F數值為4，視場角為17°，視場能量在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，經過數據處理，盡可能使系統整體技術指標與設計要求保持一致，并通過進一步的優化設計，對像差、畸變等數據進行進一步的矯正和調試，并控制在設計要求的范圍內。[2]

進過數據優化，光學系統的整體參數如下：

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數約為2.5。

3 結語

CCD元件在成像過程中，其光學前端的系統參數對最終成像結果起著決定性的作用。將CCD元件的有效像元尺寸與光學鏡頭的成像面尺寸進行有效匹配，才能得到理想的圖像采集結果。不同的光學鏡頭要與相應指標參數的CCD元器件配套使用，而光學鏡頭的設計要充分利用CCD的有效像元，這樣才能達到系統最優化，資源利用最大化。

參考文獻

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

[2] 劉勝洋.高靈敏度CCD光電信號檢測系統的設計[J].電子測量技術，2001，30（3）：178-182.