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    CCD成像系統(tǒng)中光學系統(tǒng)研究

    2015-03-12 13:10:51姚智慧
    科技資訊 2015年24期
    關鍵詞:廣角

    姚智慧

    摘 要:搭載CCD芯片的成像儀器中,光學鏡頭的選擇成為影響成像質(zhì)量的重要因素,由于其型號和參數(shù)差異,因此在設計之初,選擇適當?shù)膮?shù),如F數(shù)、接口、光學格式、像素數(shù)視場等,對成像系統(tǒng)的最終成像質(zhì)量起著決定性的作用。

    關鍵詞:大視場 廣角 光學鏡頭 CCD成像

    中圖分類號:TB85 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2015)08(c)-0085-02

    電荷耦合型器件()因其擁有視場廣、分辨率高、掃描速率快等突出特點廣泛應用于軍事、工業(yè)、高精度測量等高端應用場合。在保證成像質(zhì)量的前提條件下,充分滿足系統(tǒng)的圖像采集要求。因此,在光學系統(tǒng)的設計過程中,需要有相當高的標準。

    1 系統(tǒng)簡介

    CCD成像系統(tǒng)主要由兩部分組成:光學前端以及CCD元件。一個設計精妙的光學系統(tǒng)對成像結果至關重要。被測物的表面光線經(jīng)由光學系統(tǒng)部件的多次調(diào)整,充分成像在CCD表面的有效成像表面,因此,光學系統(tǒng)的設計良好是決定整體成像結果的重要因素。為滿足系統(tǒng)高速、高效、高質(zhì)量的要求,光學鏡頭的設計一定要視場大,并將成像表面最大化地與CCD原件的有效像元集中重合,以滿足系統(tǒng)要求[1]。

    設計CCD成像系統(tǒng)的光學部分,設定物距為固定值1000 mm,選用CCD型號為TCD1208,參數(shù)指標如下:

    元件型號:TCD1208;

    像元尺寸:14μm×14μm;

    像元數(shù):2048;

    像感尺寸:28.6 mm。

    被掃描物尺寸為一張297 mm×210 mm的白紙,標記物為字體大小為小四號的英文字母,為了達到系統(tǒng)設計要求的分辨率,實際操作得到:標記物間隔距離不低于50μm(20l p/mm),由于成像元件的像元尺寸為14μm(71.4l p/mm),因此,該型號CCD元件完全可以滿足系統(tǒng)設計要求。

    根據(jù)被掃描物的尺寸以及CCD元器件成像的像感尺寸計算放大倍率如下:

    放大率:

    (1)計算焦距。

    基于CCD元件的像感儲存設定整體基準,并以此參考量計算焦距。

    被掃描物水平高度:H;

    CCD元件有效像元水平高度:h;

    視場角:2ω;

    物距:l;

    鏡頭焦距:;

    參數(shù)關系圖如下:

    根據(jù)公式;即(mm);

    根據(jù)設計原則,選定焦距為90mm。

    (2)選擇相對孔徑。

    為提高像面照度,按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取。

    (3)計算視場角。

    °;

    (4)像距的計算。

    根據(jù)高斯公式:

    則,(mm)

    (5)畸變要求。

    在保證成像結果清晰度的前提下,設計要求畸變值要控制在0.1%以下。

    2 調(diào)試與分析

    通常,為CCD成像系統(tǒng)設計大視場光學鏡頭時,“雙高斯型”結構鏡頭往往是首選。本設計創(chuàng)新的選擇了“天塞型”結構鏡頭。與前者相比較,“天塞型”鏡頭在本次設計中具有更為突出的特點和適應性,如尺寸小、重量輕、結構緊湊等。同時,其擁有對稱的光路和簡便的操作便可調(diào)節(jié)的像差,以及均勻的相面照度等技術特點,可以完全適應系統(tǒng)的設計要求。

    初始結構光路圖如上圖,, =50.3(mm),視場角30°。經(jīng)過優(yōu)化設計,工作波長選定為 0.4~0.7μm,,=90(mm),=16.89°。

    上圖為結構優(yōu)化后的光路圖,通過采用全球面透鏡,將畸變控制在0.1%以下,鏡頭的F數(shù)值為4,視場角為17°,視場能量在0.85~1,集中度在76.5%~67.5%,彌散半徑5μm。

    至此,我們要借助ZEMAX軟件的輔助,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,盡可能使系統(tǒng)整體技術指標與設計要求保持一致,并通過進一步的優(yōu)化設計,對像差、畸變等數(shù)據(jù)進行進一步的矯正和調(diào)試,并控制在設計要求的范圍內(nèi)。[2]

    進過數(shù)據(jù)優(yōu)化,光學系統(tǒng)的整體參數(shù)如下:

    物高300 mm;

    物距1000 mm;

    像面28.627 mm;

    像距約50 mm;

    焦距約為84 mm;

    F數(shù)約為2.5。

    3 結語

    CCD元件在成像過程中,其光學前端的系統(tǒng)參數(shù)對最終成像結果起著決定性的作用。將CCD元件的有效像元尺寸與光學鏡頭的成像面尺寸進行有效匹配,才能得到理想的圖像采集結果。不同的光學鏡頭要與相應指標參數(shù)的CCD元器件配套使用,而光學鏡頭的設計要充分利用CCD的有效像元,這樣才能達到系統(tǒng)最優(yōu)化,資源利用最大化。

    參考文獻

    [1] Joey.Camera Link Areascan Camera Interface using the FPGA[M].Hunt Enginering,2002.

    [2] 劉勝洋.高靈敏度CCD光電信號檢測系統(tǒng)的設計[J].電子測量技術,2001,30(3):178-182.

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