CCD成像系统中光学系统研究

姚智慧

摘 要：搭载CCD芯片的成像仪器中，光学镜头的选择成为影响成像质量的重要因素，由于其型号和参数差异，因此在设计之初，选择适当的参数，如F数、接口、光学格式、像素数视场等，对成像系统的最终成像质量起着决定性的作用。

关键词：大视场 广角 光学镜头 CCD成像

中图分类号：TB85 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（c）-0085-02

电荷耦合型器件（）因其拥有视场广、分辨率高、扫描速率快等突出特点广泛应用于军事、工业、高精度测量等高端应用场合。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。

1 系统简介

CCD成像系统主要由两部分组成：光学前端以及CCD元件。一个设计精妙的光学系统对成像结果至关重要。被测物的表面光线经由光学系统部件的多次调整，充分成像在CCD表面的有效成像表面，因此，光学系统的设计良好是决定整体成像结果的重要因素。为满足系统高速、高效、高质量的要求，光学镜头的设计一定要视场大，并将成像表面最大化地与CCD原件的有效像元集中重合，以满足系统要求[1]。

设计CCD成像系统的光学部分，设定物距为固定值1000 mm，选用CCD型号为TCD1208，参数指标如下：

元件型号：TCD1208；

像元尺寸：14μm×14μm；

像元数：2048；

像感尺寸：28.6 mm。

被扫描物尺寸为一张297 mm×210 mm的白纸，标记物为字体大小为小四号的英文字母，为了达到系统设计要求的分辨率，实际操作得到：标记物间隔距离不低于50μm（20l p/mm），由于成像元件的像元尺寸为14μm（71.4l p/mm），因此，该型号CCD元件完全可以满足系统设计要求。

根据被扫描物的尺寸以及CCD元器件成像的像感尺寸计算放大倍率如下：

放大率：

（1）计算焦距。

基于CCD元件的像感储存设定整体基准，并以此参考量计算焦距。

被扫描物水平高度：H；

CCD元件有效像元水平高度：h；

视场角：2ω；

物距：l；

镜头焦距：；

参数关系图如下：

根据公式；即（mm）；

根据设计原则，选定焦距为90mm。

（2）选择相对孔径。

为提高像面照度，按经验数据选取。

（3）计算视场角。

°；

（4）像距的计算。

根据高斯公式：

则，（mm）

（5）畸变要求。

在保证成像结果清晰度的前提下，设计要求畸变值要控制在0.1%以下。

2 调试与分析

通常，为CCD成像系统设计大视场光学镜头时，“双高斯型”结构镜头往往是首选。本设计创新的选择了“天塞型”结构镜头。与前者相比较，“天塞型”镜头在本次设计中具有更为突出的特点和适应性，如尺寸小、重量轻、结构紧凑等。同时，其拥有对称的光路和简便的操作便可调节的像差，以及均匀的相面照度等技术特点，可以完全适应系统的设计要求。

初始结构光路图如上图，， =50.3（mm），视场角30°。经过优化设计，工作波长选定为 0.4～0.7μm，，=90（mm），=16.89°。

上图为结构优化后的光路图，通过采用全球面透镜，将畸变控制在0.1%以下，镜头的F数值为4，视场角为17°，视场能量在0.85～1，集中度在76.5%～67.5%，弥散半径5μm。

至此，我们要借助ZEMAX软件的辅助，经过数据处理，尽可能使系统整体技术指标与设计要求保持一致，并通过进一步的优化设计，对像差、畸变等数据进行进一步的矫正和调试，并控制在设计要求的范围内。[2]

进过数据优化，光学系统的整体参数如下：

物高300 mm；

物距1000 mm；

像面28.627 mm；

像距约50 mm；

焦距约为84 mm；

F数约为2.5。

3 结语

CCD元件在成像过程中，其光学前端的系统参数对最终成像结果起着决定性的作用。将CCD元件的有效像元尺寸与光学镜头的成像面尺寸进行有效匹配，才能得到理想的图像采集结果。不同的光学镜头要与相应指标参数的CCD元器件配套使用，而光学镜头的设计要充分利用CCD的有效像元，这样才能达到系统最优化，资源利用最大化。

参考文献

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

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