CCD摄像机大视场光学镜头的设计

    引言

    CCD摄像设备在图像传感领域的迅速发展,成为现代光电子学和测试技术中最为引人关注的研究热点之一。在科研领域,由于CCD具有灵敏度高、噪声低、成本低、小而轻等优点,已成为研究宏观(如天体)和微观(如生物细胞)现象不可缺少的工具。在国防军事领域,CCD成像技术在微光、夜视及遥感应用中发挥着巨大的作用。总之,在各类光电成像领域中,它已逐步取代了真空摄像管的成像系统[1]。

    CCD摄像机通过光学镜头将外界的景物成像在CCD光敏面上,因此镜头的成像质量是决定CCD摄像机性能的关键因素之一。在CCD摄像机某些应用中,需要采用大视场光学镜头,在保证成像质量的前提下,还要将尽可能多的能量集中到CCD光敏面上,以提高系统的探测距离。考虑到系统体积质量和透过率的限制,必须在镜头的设计中引入非球面。

    1　设计思想

    CCD摄像机常用的大视场光学镜头一般采用“反远距型”光路结构,即由前后分开的2组透镜构成,而且负透镜在前组成不对称的光路结构。除了具有后工作距长的特点外,同“双高斯型”光路结构相比,由于其物方视场角X大于像方视场角X′,因此“反远距型”光路结构的像差相对容易校正,像面照度比较均匀。因此,得到了广泛的应用。此类镜头典型的结构形式如图1所示,D/f′=1∶2.5～1∶3.5, 2X=60°～80°。

    如果需要提高镜头的集光能力,而成像质量不变,必须对系统进行复杂化,即增加镜头的片数;如果系统的片数增加过多,会影响镜头的透过率,与我们增加镜头通光口径的想法相抵触。这时,如果适当的引入非球面,尤其是高次非球面,便可在镜头的总片数和玻璃总厚度保持不变、成像质量不变的情况下,提高镜头的集光能力。

    轴对称非球面可以是二次曲面,也可以是高次非球面。二次曲面方程一般表示为

    式中,坐标原点为曲面顶点;r为光线与曲面交点的高度;C为顶点曲率;k与二次曲面的离心率有关(对于球面k=0)。常用的偶次非球面可以表示为

    由(1)、(2)式可以看出,如果在光学系统中引入标准二次曲面,系统就多了一个可以进行像差校正的变量K,采用高次非球面比二次曲面有更大的自由度。采用初级像差理论对高次非球面求解,一般使用下面形式表示偶次非球面

    式中,A2,A3和A4为非球面像差系数;r4项即为产生初级像差项,高于r6项即为产生高级像差项[2]。将光学系统中的部分球面改为非球面后,初级像差系数的表示式[3]为

     式中,h和hp为第一、第二近轴光线在非球面上的入射高度;P和W为基本像差参量;5为光焦度;K与非球面像差系数有关。利用非球面自身的高级像差较小,可以产生较大的负像差特点,对大视场光学系统进行校正时,首先根据非球面应起的校正像差作用确定其位置,而且非球面最好位于对轴外像差影响较大的面,再根据像差的残余量,给定一个初始值,通过公式(4)解出K,由K求出标准二次曲面的离心率或高次非球面的非球面像差系数。将该非球面产生的SⅠ,SⅡ,SⅢ及SⅤ代入方程组4)相应的像差系数中去,重复上面求解过程,经过几次反复就可得到满意的解。