隐秘型CCD微摄像镜头光学设计

    一、引言

    随着CCD摄像器件、微电子技术及精密机械的进步,摄录一体摄像系统的体积大大缩小,为公安部门的侦察、取证等提供了现代化刑侦工具。但是,在许多场合CD摄像机仍沿用16mm胶片的摄影镜头。虽然,成像幅面较大的摄影镜头可以满足幅面较小的CCD摄像要求,但它们的尺寸和重量都显得较大。设计专用的大现场小尺寸的微小型摄像镜头显得十分必要。本文所涉及CCD摄像镜头,旨在用于隐秘摄像需要。镜头与1/3d彩色CCD光电摄像器件配合使用,CCD接收靶面面积为418mm@316mm。为实现微型化,镜头焦距要短,通常要求fc<4mm。所以视场角要求大于75b(水平64b@垂直50b)。在彩色摄像机工作过程中,为保证图像色彩逼真,需要在镜头后工作距离中加进滤色片[1],因此,要求镜头后工作距离长,即lFc/fc>1。为保证像面有合适的光照度,要求镜头相对孔径在1/4到1/218之间。

    国外面市的微型摄像镜头商品[1],其结构为基本对称的照相镜头,孔径光阑位于镜头中间,第一块透镜的口径较大,暴露在视野中,隐蔽性差。也有采用针孔光阑加单片透镜的所谓针孔镜头形式,但其成像质量不佳,畸变严重,像面渐晕大,像面边缘部分明显变暗,影响实际使用效果。而且,工作距离最长只能等于焦距,当焦距值较小时,无法放置滤色片。

    本文提出了一种以同心透镜作为负组,置孔径光阑于镜头前方的新型反远摄结构的CCD微摄像镜头,它既具有很好的隐蔽性,满足这一特殊使用要求,又能保证成像质量。作者按照新的设计思想进行了具体光学设计,文中给出了设计结果和像差曲线。

    二、设计思想

    为了实现镜头的隐蔽性,拟将孔径光阑放到镜头的最前面。因为镜头焦距很短,所以孔径光阑仅为一个很小的小孔,整个镜头隐藏在孔径光阑之后,很不易发现。这种不对称的结构类似于颠倒的目镜形式。

    目镜的工作距离一般较短。当要求广角视场时,工作距更短[3]。为了实现该镜头的工作距离(即像距)大于焦距,需采用反远摄型结构,即负、正光组分离的形式。在本镜头中,采用常规的广角目境结构作为正组,以一同心透镜作为负组,并让镜头孔径光阑中心与同心透镜两球面球心相重合。这样,同心透镜对轴上光束相当于一块负透镜,起到发散光束的作用,但对轴外主光线不起任何偏折作用。主光线入射角iz=0,所以不产生初级彗差、初级像散、初级畸变和初级垂轴色差,即S2=S3=S5=C2=0。除场曲以外的轴外像差主要由后组的正目镜来承担。

    为了减小渐晕,采用准像方远心光路。让孔径光阑经同心透镜成像后的位置处在后正组的前焦点附近。这样便可使镜头像方主光线与光轴近似平行。