小畸变大视场CCD相机光学系统的设计

    CCD 照相设备在图像传感领域的迅速发展，已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。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 照相系统结构如图 1 所示。CCD 照相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 照相机性能的关键因素之一。在 CCD 照相机某些应用中，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，以提高系统的探测效率。

    1 光学系统技术指标的提出

    由于应用的需要，设计一个固定物距为380mm的光学系统，成像器件采用AA5610 型面阵CCD，其主要参数为：像感尺寸为 7.176mm×5.319mm(对角线为8.932mm)，像元尺寸为2.8 m×2.8 m。该照相物镜拍摄的是一张 A4(297mm×210mm)纸，上面是英文五号字体，为了拍摄出来的图像，在显示系统上能够分辨出每个字母，经实际测量可知，每个字母笔画的最小间隔不超过 10 m，即 100lp/mm；而 CCD 像素尺寸单元仅为 2.8 m，即 357lp/mm，故采用这种 CCD 可以满足分辨要求。要把画幅为297mm×210mm 的图像成像在像感尺寸为 7.176mm×5.319mmCCD 中，必须去求出放大倍率 ：

    水平放大率：

    垂直放大率：

    通过计算发现：水平放大率＜垂直放大率；为了能使景物能完全成像在 CCD 有效光敏单元内，所以选择CCD的水平像感尺寸作为整个系统基准，来计算光学系统的焦距。

   （1）焦距的计算

    如图 2 所示， 为景物水平高度； 为 CCD 靶面上成像水平高度； 为被摄物体至镜头的距离；为镜头焦距； 为半视场角。

    根据比例关系公式：≈9.1814(mm)；所以选取焦距 =9(mm)。

   （2） 相对孔径的选择

    一般光学加工都是按经验数据选取，这里为了提高像面照度，选取

   （3） 视场角的计算

    垂直视场角为：

    水平视场角为：

    圆视场角为（对角线视场）：

    在设计时采用圆视场角，所以2 =51.15°。

   （4） 像距的计算

    根据高斯公式［2］：则

   （5） 畸变的要求

    为了能够正确辨别出画面内的字母，根据经验，要求设计畸变小于 0.1%。