| 导论：设计一种用于交通监控系统的宽波段大孔径光学成像镜头，利用红外光的“大气窗口” , 可在黑暗中或能见度不佳的环境中得到清晰的图像。为了对近红外光与可见光成像, 采用CCD 作为图像传感器, 选用的 CCD 像元尺寸为 4.65 μm, 其分辨率极限为 110 lp/mm。镜头的 F 数为 1.6, 视场角为 16.8°, 中心波长为 880 nm 的近红外光，工作波段为 400 ～ 1000 nm。 通过计算光学镜头的参数, 选用松纳型作为镜头初始结构, 通过软件优化, 在110 lp/ mm空间频率处所有视场的调制传递函数(M TF)值超过 0.3,最大畸变小于 0.1%。我国的标准民用车牌高为140 mm，宽为 440mm，由 7 个字符组成，第 2 和第 3 个字符之间有一间隔符，宽度为 10mm。单一字符统一宽度为 45 mm，字符高度为 90 mm，各字符间距为 12 mm。牌照图像的实际大小可能由于 CCD 采集的时机不同而产生一定的缩放,但是总体比例不会发生大的变化。该照相物镜拍摄的是 4m 宽的车道 ,物距为 15～25 m，成像器件采用ICX205AL 型面阵 CCD,其有效感光尺寸为 6.324 mm×4.762mm ,像元尺寸为4.65μm×4.65μm 。为了使设计的照相物镜具有通用性，满足不同的字符识别算法要求，综合考虑16 pixel×16 pixel和 30pixel ×20 pixel两种像素大小输入字符识别模块，确定照相物镜的各项参数。照相物镜的光学特性参数主要有焦距(f′)、相对孔径(D/ f′)和视场角(2ω)。 
如上图所示, y 为景物水平宽度；y′为 CCD 靶面上成像水平宽度；l 为物距；f′为镜头焦距，ω为半视场角。
根据成像公式可得 f′=y′l/y ，取 l =17 m ，代入后得f′=6.324×17/4=26.877 mm 。取 f′=27 mm。相对孔径(D/ f′)的大小决定照相物镜接收光能量的多少,其倒数称为 F 数,记作 F#。根据瑞利判据可知 ,当艾里斑半径小于CCD 像元尺寸时，CCD 可以分辨点像。已知艾里斑半径公式:ε=1.22λF#，λ=0.88μm，令1.22×0.88×F# <4.65，得 F#<4.3，暂取F#=2.8。视场角为 2ω=2arctan（7.916/2/27) ≈16.7°。为了能够正确辨别出图像内的字符，根据经验，要求设计畸变小于 0.1%。调制传递函数(MTF)是所有光学系统性能判据中最全面的判据，特别是对于成像系统。调制传递函数表示由物经过镜头到像的调制度传递与空间频率的关系。空间频率是在像面上每毫米内黑白相间的线对数，以每毫米若干线对表示(1p/mm)。通常，MTF 值随空间频率的上升而下降。一个镜头的 MTF 值越大越好，MTF 曲线包围的面积越大越好，轴外点在子午方向和弧矢方向的 MTF 值越接近越好。由于本文采用的是 1/2 inch (1 inch =25.4 mm)CCD 传感器，像元尺寸4.65μm。要想使设计的镜头与该CCD相匹配,必须满足：CCD 像元尺寸×镜头的分辨率×2=1，即该镜头的分辨率必须达到 110 lp/mm。照相物镜普遍采用天塞和双高斯两种光学结构，前者主要用于中等孔径(D/ f′=1 …2.8);而后者则用于大孔径(D/ f′=1 …2)中等视场的照相物镜。松纳型物镜是在柯克三片式物镜的基础上发展起来的, 经适当选择玻璃可做出较大孔径、中等视场的结果以此结构为原始结构进行设计。
（1） 建立一个全视场角为 16.7°, F#=2.8, f′=27mm 的初始结构。首先在孔径类型中选择Entrance Pupil Diameter，Aperture Value输入9.6，如下图：
在Field Data里，选择“Angle”，输入0，5，9.35，如下图：
此时的成像质量较差，无法满足使用要求。而且所使用的四片透镜的光学材料都是稀土玻璃，虽然有高折射率、低色散的优点，但这些镧冕玻璃的价格比较贵，所以我们要继续更改设计方案，选择合适的玻璃的材料来降低成本，并优化透镜参数来提高成像质量。用普通玻璃替代镧冕玻璃，因为普通玻璃的折射率比较低，可以考虑替代用两片透镜来分解光焦度，并能减小透镜弯曲。
各个像差得到了很好的控制，轴上均方根弥散半径为 3.660μm ,0.5视场均方根弥散半径为4.404μm，全视场均方根弥散半径为7.851μm。
在弥散半径 4.65μm 范围内,弥散斑80%以上的能量集中在像元以内。
从上图中可以看到,全视场畸变小于0.1%,符合设计要求。
从上图可以看出，该镜头在所有视场的分辨率都大于110 lp/mm , 可以和选择的 CCD 相匹配。在 110 lp/mm 处所有视场的MTF 值均大于0.30。在 55 lp/mm 附近 ,镜头的大部分视场的 MTF 值都大于0.60 ,并且0.5以内视场的 MTF 值达到了0 .8 左右 , 全视场的子午和弧矢方向的 MTF 值也都达到了0.7左右。可见该镜头有良好的成像质量, 可以满足实际的使用要求。根据光学成像镜头的使用要求,采用松纳型作为初始结构，通过理论计算与ZEMAX的优化设计达到了技术指标。对成像镜头的像质分析表明，该设计是可行的。从两次优化后镜头的 MTF 曲线与点列图的对比中可以看到镜头的成像质量大大提高。材料替代后既方便了加工, 还减少了成本费用。设计的光学成像镜头全部采用常用玻璃，并且没有使用非球面，应用前景好。 |
