ccd成像系统中光学系统研究

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1、CCD成像系统中光学系统研究　　中图分类号：TB85文献标识码：A：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，

2、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1000mm，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：28.6mm。　　被扫描物尺寸为一张297mm×210mm的白纸，标

3、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（20lp/mm），由于成像元件的像元尺寸为14μm（71.4lp/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：；

4、　　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

5、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ZEM

6、AX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300mm；　　物距1000mm；　　像面28.627mm；　　像距约50mm；　　焦距约为84mm；　　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

7、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。