高分辨率大视场DTI-CCD 成像物镜的设计与实现*

冯 云，萧华鹏，马姝靓†

(1.桂林优利特电子集团有限公司，广西 桂林 541004；2.广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004)

1 引言

DTI-CCD 器件，是具有数列线阵的一种时间延迟积分CCD 器件，可直接将接收到的一维光信号转换成时序的电信号输出。它的结构就像一个长方形的面阵器件，行数为延迟积分的级数，列数为CCD 器件中一行的像元数。在相同的积分周期时，DTI-CCD 的灵敏度比普通CCD 高得多，是微光摄影领域的理想探测器件。

成像物镜的功能是把物体通过成像物镜成像于CCD 图像传感器的光敏面上，成像物镜的分辨率应与CCD图像传感器的最小探测单元即像素尺寸相适配。根据DTI-CCD 的特点，分析得出与之适配的成像物镜的设计要点如下：①有效的光敏面都比较大，如7500 像素的线阵CCD，其像敏单元尺寸最小为7μm×7μm，最大为14μm×200μm。②镜头常用3 倍左右的放大倍率。③考核线阵CCD 和DTI-CCD 成像物镜的成像尺寸时，长×高=像敏区总长×0.3 倍敏区总长，并且也按照长×高=1×0.3 的比例设置矩形光阑。

2 系统设计

3.5×的高分辨率大视场DTI-CCD 成像物镜，像敏区总长为57.344mm。在蓝光LED 同轴光照明的条件下，设计要求：①β=—3.5×，物方分辨率≤2μm；②NA'=0.12；③工作距离W.D≥65mm；④相对畸变≤0.05%；⑤远心。

用光组L1和L2构成双远心系统，根据β=—3.5×，光组L1和L2的焦距有f2'=3.5f1'的关系。成像光线在间距L 中为平行光，在L 中嵌入半反半透平板和光阑，大功率LED 灯的光线通过远心科勒照明系统落射照亮物面，光学系统物面漫反射光线通过物镜系统成像于DTI-CCD 的光敏面上。光阑位置设置于L 区域中，使整个系统成为远心光路。

3 结构设计

通过光学设计CAD 软件OSLO 6.3 设计计算光路，本镜头采用逆光路进行计算。把像敏区作为物方，原来的物方改为像方。设计结果如图1 所示，镜头是一个9 片7 组元较为复杂的结构。系统长度L=461.378mm，f'=131.129mm，l'=66.605mm，y'=16.534mm，NA'=0.12，β=—0.2872（与要求的β=1/—3.5=—0.2857，相差＜1%）。光阑位于物镜结构的“准”中心位置，有利于校正垂轴像差（彗差、畸变和垂轴色差等）。本镜头以F 光校正单色像差，谱带半宽度为10nm，光学结构参数如图2 所示。

图1 双远心物镜光学图

图2 光学结构参数

4 像质评价

根据几何像质图（图3）和MTF 图（图4）和点扩散函数图（图5），可以较全面地评价本镜头的像质。可见，在0.707ω视场360lp/mm 时，分辨率σ=0.00278mm，MTF≥0.15。根据瑞利判断的要点，波像差的最大值小于λ/4，可认为系统是完善的。而波像差≤λ/4 时，相对应的中心亮斑所占能量为≥68%以上，本镜头在全视场内反映出波像差≤λ/4。

图3 几何像质图

图4 MTF 图

图5 点扩散函数图

由几何像差数据（图6）可见，三阶场曲PTZ3=—0.001957，五阶场曲PTZ5=0.000146，故平视场效果好。物镜的相对畸变小，仅为0.2%。

图6 几何像差数据

弥散圆和中心亮斑所占能量，可以作为CCD 成像物镜的评价指标。从点列图（图7）中可以看出，0ω、0.707ω视场弥散圆直径分别为1.8μm 和2.744μm，弥散圆直径小于1 至1.25 倍像素尺寸，完全达到目标参数要求，物镜成像效果良好。

图7 点列图