CCD成像系统中光学系统研究
中图分类号：TB85 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（c）-0085-02
电荷耦合型器件（）因其拥有视场广、分辨率高、扫描速率快等突出特点广泛应用于军事、工业、高精度测量等高端应用场合。在保证成像质量的前提条件下，充分满足系统的图像采集要求。因此，在光学系统的设计过程中，需要有相当高的标准。
1 系统简介
CCD成像系统主要由两部分组成：光学前端以及CCD元件。一个设计精妙的光学系统对成像结果至关重要。被测物的表面光线经由光学系统部件的多次调整，充分成像在CCD表面的有效成像表面，因此，光学系统的设计良好是决定整体成像结果的重要因素。为满足系统高速、高效、高质量的要求，光学镜头的设计一定要视场大，并将成像表面最大化地与CCD原件的有效像元集中重合，以满足系统要求[1]。
设计CCD成像系统的光学部分，设定物距为固定值1000 mm，选用CCD型号为TCD1208，参数指标如下：
元件型号：TCD1208；
像元尺寸：14μm×14μm；
像元数：2048；
像感尺寸：28.6 mm。
被扫描物尺寸为一张297 mm×210 mm的白纸，标记物为字体大小为小四号的英文字母，为了达到系统设计要求的分辨率，实际操作得到：标记物间隔距离不低于50μm（20l p/mm），由于成像元件的像元尺寸为14μm（71.4l p/mm），因此，该型号CCD元件完全可以满足系统设计要求。
根据被扫描物的尺寸以及CCD元器件成像的像感尺寸计算放大倍率如下：
放大率：
（1）计算焦距。
基于CCD元件的像感储存设定整体基准，并以此参考量计算焦距。
被扫描物水平高度：H；
CCD元件有效像元水平高度：h；
视场角：2ω；
物距：l；
镜头焦距：；
参数关系图如下：
根据公式；即（mm）；
根据设计原则，选定焦距为90mm。
（2）选择相对孔径。
为提高像面照度，按经验数据选取。
（3）计算视场角。
°；
（4）像距的计算。
根据高斯公式：
则，（mm）
（5）畸变要求。
在保证成像结果清晰度的前提下，设计要求畸变值要控制在0.1%以下。
2 调试与分析
通常，为CCD成像系统设计大视场光学镜头时，“双高斯型”结构镜头往往是首选。本设计创新的选择了“天塞型”结构镜头。与前者相比较，“天塞型”镜头在本次设计中具有更为突出的特点和适应性，如尺寸小、重量轻、结构紧凑等。同时，其拥有对称的光路和简便的操作便可调节的像差，以及均匀的相面照度等技术特点，可以完全适应系统的设计要求。
初始结构光路图如上图，， =50.3（mm），视场角30°。经过优化设计，工作波长选定为 0.4～0.7μm，，=90（mm），=16.89°。
上图为结构优化后的光路图，通过采用全球面透镜，将畸变控制在0.1%以下，镜头的F数值为4，视场角为17°，视场能量在0.85～1，集中度在76.5%～67.5%，弥散半径5μm。
至此，我们要借助ZEMAX软件的辅助，经过数据处理，尽可能使系统整体技术指标与设计要求保持一致，并通过进一步的优化设计，对像差、畸变等数据进行进一步的矫正和调试，并控制在设计要求的范围内。[2]
进过数据优化，光学系统的整体参数如下：
物高300 mm；
物距1000 mm；
像面28.627 mm；
像距约50 mm；
焦距约为84 mm；
F数约为2.5。
3 结语
CCD元件在成像过程中，其光学前端的系统参数对最终成像结果起着决定性的作用。将CCD元件的有效像元尺寸与光学镜头的成像面尺寸进行有效匹配，才能得到理想的图像采集结果。不同的光学镜头要与相应指标参数的CCD元器件配套使用，而光学镜头的设计要充分利用CCD的有效像元，这样才能达到系统最优化，资源利用最大化。
