大视场针孔ccd摄像物镜设计中的非球面应用

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1、第19卷第2期南京邮电学院学报(自然科学版)Vol.19No.21999年6月JournalofNanjingUniversityofPostsandTelecommunications(NaturalScience)Jun.1999文章编号:100021972(1999)0220057204大视场针孔CCD摄像物镜设计中的非球面应用万静,杨茂田(南京邮电学院基础课部,江苏南京210003)摘要:由于大视场会带来大的垂轴像差,尤其是畸变,以及结构的不对称性,CCD针孔物镜一般视场不超过70°。应用非球面光学设计,不仅使视场大于等于80°,且畸变较小。此外,通过实例对球面设计与非球面设计

2、进行比较,论证了非球面光学设计的优越性。关键词:CCD摄像机;像差;畸变;非球面设计中图分类号:O439文献标识码:A1引言计。非球面光学设计与球面光学设计相比,具有易矫正像差、简化光学结构的优势。随着光学加工工艺水平的不断提高,非球面设计逐渐得到广泛发展。CCD摄像机具有功耗小、工作电压低和抗烧毁[2]光学系统中较常采用的非球面设计有两种情况:等优点,而且在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输(1)孔径光束的直径较接近透镜的口径,而视和自扫描等方面的优越性也是其它摄像器件无法比[1]场角又较小,即主光线在透镜上的高度hp很小,h拟的。其视场角通常在70°范围内,常附带旋转云mhp的情况

3、,此时非球面主要用于校正轴上点宽光台。本文设计的CCD摄像镜头为视场角大于等于束像差(SⅠ或SⅡ),如大孔径聚光镜物镜、卡塞格80°的针孔广角镜头,是国家安全部大型课题中一部林系统。分,短小轻便,可不带云台。CCD图像监视系统的(2)小相对孔径大视场系统,即hnhp的情简易系统框图如图1所示。况,此时非球面用于校正轴外细光束像差(SⅢ或者SⅤ),如广角目镜。非球面设计一般采用旋转轴对称非球面面型,[2]其非球面方程为:Z=f(x,y)2cr46810=221/2+A2r+A3r+A4r+A5r1+(1-A1cr)图1CCD实时图像监视系统222其中,r=x+y。为解决光学设计中大视场与

4、结构的不对称性和当A1=0时,为施密特校正面板型方程。当A2大垂轴像差之间的矛盾,应用了非球面设计。本文～A5为0时,为二次曲面方程:A1=1,为球面方对CCD针孔广角物镜的光学设计思想及非球面设程;A1=0,为抛物面方程;A1>1,为扁椭球面方计的优越性作了讨论与比较。程;0

5、m,视58南京邮电学院学报(自然科学版)1999年场大于等于80°。由于大视场会带来大的垂轴像差,镜头采用相同的转像系统,两头镜选自同一初始结特别是畸变,一般摄影物镜通常采用光阑在系统中构,只是一个在系统中运用了一非球面,另一个全为[3]间的对称或略失对称结构来消除垂轴像差。由于球面系统。经过最终像差综合平衡矫正后,两组光本系统要求光阑在外,故不能采用一般物镜结构,而学结构形式如图2所示。是选用大视场的目镜结构作为参考(目镜光阑在外)。因光学结构不对称、视场大、结构紧凑,故光学设计难度较大,若应用非球面设计,效果比球面设计好。下面以两组光学镜头设计为例,来论证非球面设计的优越性。本光学

6、设计选用CIOE光学设计计算机辅助软件。图2光学结构图(1)光学参数在图2(b)非球面系统结构中,系统仅用了两种视场角:2ω=90°玻璃ZK6、ZF4,且结构比较简单,第一、五、八光学像高2y′:1/2″CCD(6.4mm×4.8mm),面为平面,第六面靠近头镜像面,且此处对垂轴像差222y′=6.4+4.8=8mm;2畸变影响最大,故取此面为非球面,经过反复几次1/3″CCD(4.8mm×3.6mm),修改,最终选定A1=-0.1,A2～A5=0,非球面2y′=6mm为双曲面二次曲面型,可主要消去前几面引入的高焦距选择:2f′×tgω=2y′;若2ω=90°,则级畸变量,同时兼顾像散

7、。图2(a)全球面系统用了4mm(1/2″CCD)f′=四种玻璃ZK6、ZK9、ZF1、ZF4,各光学面也反复做了3mm(1/3″CCD)较多调整和修改,第一面也由平面变为向光阑弯曲,相对孔径:根据CCD照度特性和实践经验,取且比非球面系统多一光学面。为1/5～1/3。(3)像差分析(2)物镜(头镜)结构选取加上转像系统,经像差平衡与矫正后,两系统球系统总结构采取头镜加转像系统的方式。转像差、正弦差分布相差无几,都校正得比较好。具体像系统主要为