轴向梯度折射率TFCCD监视镜头设计

　　1　引　言

　　现在安全监控仪器使用非常广泛,比如政府大楼、银行柜台和自动取款间、学校大门和重点研究机构、道路交通违章和流量监测、工厂车间安全流程和操作监测等。在监控系统中,监视镜头[1-2]是一个重要的元件,它决定了监控区域的范围、摄像的清晰度和分辨率等。根据监控区域的范围不同,监视镜头的焦距有很大的差别。对于近距离的监视镜头,通常焦距短、视场大。比如自动取款间中监视镜头,焦距约3~8mm,视场一般大于90°。而一些长距离监视镜头,焦距大(15~2500mm不等),视场角以监控区域决定,约20°~60°。

　　轴向梯度折射率材料近些年来受到很大的重视[3-16]。单片轴向梯度透镜相当于两片非球面透镜,因此在校正像差方面优于非球面。并且,轴向梯度透镜使用球面,在制造加工、检验检测方面与非球面相比都有很大的优势。国外对轴向梯度折射率透镜的像差理论及其在光学设计中的应用做了大量的研究[3-12]。国内中科院西安光机所[13-14]在进行轴向梯度折射率材料的制造研究,作者在文献[15]中设计了一个单片轴向梯度折射率激光束聚焦镜。

　　本文设计了应用于工业生产监控的监视镜头，焦距26mm,F2. 8。使用美国产1in(1in=2. 54cm)面型硅TFCCD, 1024×1024像素,像元15μm×15μm。分别设计了一个全球面普通监视镜头和一个包含两片轴向梯度折射率材料的监视镜头。对这两个镜头作了比较,发现后者在减少两片透镜的情况下,像质仍然有所提高。

　　2　设计考虑

　　根据监视区域的大小和离监视区域的距离,我们计算监视镜头的焦距,使用下面公式:

　　其中,H是TFCCD的对角线长度之半,约10.86mm;L为监视区域离镜头的距离;δ是监视区域半径。我们要求,在3m处监视约2.5m的区域,所以f′≈26mm。因此,视场角为2ω=2arctan(H/f′)=45.3°。

　　实际上,我们在优化过程中,直接使用近轴像面作为视场。因为要求监视区域的细节要求,我们选用大的1in美国产TFCCD, 1024×1024像素,像元15μm×15μm。

　　3　轴向梯度折射率材料

　　普通球面在光学设计中使用最多,但为了提高像质或减小体积、质量等考虑,需要引入非球面等光学元件。而非球面的引入,不但会增加加工工艺和检验检测方面的难度,而且会大幅度增加成本,一般单片非球面的成本相当于单片球面透镜的10倍。

　　再一点,非球面对像差的校正也不是万能的,也有一定的限度。为此,很多先进的技术被提出来以取代非球面技术,比如自由曲面技术[17]、二元光学技术[18]和梯度折射率技术等。自由曲面的设计和加工都比较麻烦,尚处于研究阶段。二元光学技术对像差校正较好(尤其是色差),但加工成本比非球面还要高,作为低成本的普通产品来说,普及之路还很长。梯度折射率是一个历史较长的技术,理论研究较多,实用化受制造技术的限制。由于近期,轴向梯度折射率材料的制造有所突破,已经可以制造出大直径、深厚度、大折射率差的材料[16],所以轴向梯度折射率越来越受到重视。