广角大孔径CCD摄像镜头光学设计

　　目前 CCD 技术在各个领域的应用与研究方兴未艾。由于CCD具有光电转换功能，具有功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点，且在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输和自 扫描等方面具有优越性，使 CCD 摄像机具有其它摄像机无法比拟的更大优势[1]。CCD 摄像机在摄像领域以及图像监视领域，正逐步取代传统的摄像机(如数码相机的出现)，其应用也开始走向普及。本文所涉及 CCD 摄像镜头，旨在用于隐秘摄像需要，所以要求设计一个大孔径大视场短焦距小尺寸的摄像镜头。

　　作为隐蔽监视用的 CCD 摄像机，不宜使用云台，为扩大监视范围，还需较大视场角。由于大视场角会带来大的垂轴像差，尤其是畸变，加之结构的不对称性，国内外 CCD 针孔摄像镜头一般视场角不超过 70°。视场角越大、焦距越小、长度越短的 CCD 针孔物镜越难设计。

　　本文提出了一种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，在光学系统设计过程中，为较好地校正畸变与像散等垂轴像差，将诸多球面镜中的一面设计为非球面，且此非球面属易加工型。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。

　　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，即由前后分开的两组透镜构成，而且负透镜在前组成不对称的光路结构，如图 1 所示。“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 2 所示。

　　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，与增加 镜头通光口径的想法相抵触。若适当的引入非球面，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。

　　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。

　　在该镜头中，采用常规的广角目镜结构作为正组，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 =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Ⅱ=Ⅲ=V=Ⅱ=0。除场曲以外的轴外像差主要由后组的正目镜来承担。