像方远心航拍数码相机镜头设计

    0 引 言

    航拍数码相机因其覆盖范围大、分辨率高等突出优点已成为人员搜救、灾情勘察、目标定位以及城市巡逻的重要设备[1]。不仅可以在短时间内同时发现多个目标，向各级指挥人员提供实时的数字图像信息，而且还可对目标进行跟踪识别，在现代的人员搜救、灾情勘察和城市安全中发挥着越来越大的作用[2]。

    航拍相机镜头是由若干透镜组成，依靠透镜组获得清晰影像信息。镜头设计的好坏直接影响航拍数码相机的成像效果。航拍数码相机镜头根据使用情况焦距从几十毫米到几米不等，体积和重量大小也有很大的差别。本文设计的航拍数码相机镜头总长度仅 75 mm，重量小于 500 g，主要用于小范围的目标定位及城市巡逻。

    1 CCD 探测器的特殊要求

    随着 CCD 芯片制造技术的不断发展，为了提高芯片的灵敏度和量子效率，Kodak、Sony 等 CCD 芯片的制造厂商开发出了带微透镜阵列的 CCD 芯片。我们选用的数码相机采用的 CCD 芯片为行间转移型芯片，分辨率为 4 008×2 672，像元大小为 9 µm×9 µm。该芯片带有微透镜阵列，可将绝对量子效率的峰值由普通芯片的 16%提高到 50%，量子效率曲线如图 1 所示[3]。

    微透镜阵列的引入大大提高了 CCD 芯片的灵敏度，同时也带来了一些其它问题。例如，微透镜阵列使量子效率受光线的入射角影响很大，如图 2 所示。特别是当水平方向的入射角超过 15°时量子效率将降低为 0°入射角(中心视场)的 50%以下，并随着入射角的增加，量子效率还在迅速减小。因此，如果选择带微透镜阵列的数码相机就必须考虑入射角度问题，数码相机镜头必须选用像方远心光路，以提高数码相机的量子效率和像面照度的均匀性。

    2 像方远心光学系统设计

    由于带微透镜阵列的数码相机 CCD 芯片对光路的特殊要求，镜头光路设计采用像方远心光路，镜头的 F 数为 F/2.8，焦距 f=45 mm。根据芯片大小和光学镜头焦距可知，镜头的半视场为 26°，光路设计如图3 所示。根据 CCD 芯片像元大小，该芯片的截止频率称为尼奎斯特频率，大小为 1/2(像素周期)，即 55lp/mm[4]。

    由光路图可以看出，1 视场入射到探测器上的光线几乎垂直芯片入射，入射角度接近 0°，相对量子效率接近 100%。

    本系统采用专用光学设计软件 Zemax 经过反复优化设计，光学系统的传递函数(MTF)如图 4 所示。1视场角在芯片的截止频率 55 lp/mm 处的传递函数可达 40%。其它视场的传递函数也都在 40％以上。