高分辨率大視場DTI-CCD 成像物鏡的設計與實現*

馮 云，蕭華鵬，馬姝靚?

(1.桂林優利特電子集團有限公司，廣西 桂林 541004；2.廣西師范大學物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004)

1 引言

DTI-CCD 器件，是具有數列線陣的一種時間延遲積分CCD 器件，可直接將接收到的一維光信號轉換成時序的電信號輸出。它的結構就像一個長方形的面陣器件，行數為延遲積分的級數，列數為CCD 器件中一行的像元數。在相同的積分周期時，DTI-CCD 的靈敏度比普通CCD 高得多，是微光攝影領域的理想探測器件。

成像物鏡的功能是把物體通過成像物鏡成像于CCD 圖像傳感器的光敏面上，成像物鏡的分辨率應與CCD圖像傳感器的最小探測單元即像素尺寸相適配。根據DTI-CCD 的特點，分析得出與之適配的成像物鏡的設計要點如下：①有效的光敏面都比較大，如7500 像素的線陣CCD，其像敏單元尺寸最小為7μm×7μm，最大為14μm×200μm。②鏡頭常用3 倍左右的放大倍率。③考核線陣CCD 和DTI-CCD 成像物鏡的成像尺寸時，長×高=像敏區總長×0.3 倍敏區總長，并且也按照長×高=1×0.3 的比例設置矩形光闌。

2 系統設計

3.5×的高分辨率大視場DTI-CCD 成像物鏡，像敏區總長為57.344mm。在藍光LED 同軸光照明的條件下，設計要求：①β=—3.5×，物方分辨率≤2μm；②NA'=0.12；③工作距離W.D≥65mm；④相對畸變≤0.05%；⑤遠心。

用光組L1和L2構成雙遠心系統，根據β=—3.5×，光組L1和L2的焦距有f2'=3.5f1'的關系。成像光線在間距L 中為平行光，在L 中嵌入半反半透平板和光闌，大功率LED 燈的光線通過遠心科勒照明系統落射照亮物面，光學系統物面漫反射光線通過物鏡系統成像于DTI-CCD 的光敏面上。光闌位置設置于L 區域中，使整個系統成為遠心光路。

3 結構設計

通過光學設計CAD 軟件OSLO 6.3 設計計算光路，本鏡頭采用逆光路進行計算。把像敏區作為物方，原來的物方改為像方。設計結果如圖1 所示，鏡頭是一個9 片7 組元較為復雜的結構。系統長度L=461.378mm，f'=131.129mm，l'=66.605mm，y'=16.534mm，NA'=0.12，β=—0.2872（與要求的β=1/—3.5=—0.2857，相差＜1%）。光闌位于物鏡結構的“準”中心位置，有利于校正垂軸像差（彗差、畸變和垂軸色差等）。本鏡頭以F 光校正單色像差，譜帶半寬度為10nm，光學結構參數如圖2 所示。

圖1 雙遠心物鏡光學圖

圖2 光學結構參數

4 像質評價

根據幾何像質圖（圖3）和MTF 圖（圖4）和點擴散函數圖（圖5），可以較全面地評價本鏡頭的像質。可見，在0.707ω視場360lp/mm 時，分辨率σ=0.00278mm，MTF≥0.15。根據瑞利判斷的要點，波像差的最大值小于λ/4，可認為系統是完善的。而波像差≤λ/4 時，相對應的中心亮斑所占能量為≥68%以上，本鏡頭在全視場內反映出波像差≤λ/4。

圖3 幾何像質圖

圖4 MTF 圖

圖5 點擴散函數圖

由幾何像差數據（圖6）可見，三階場曲PTZ3=—0.001957，五階場曲PTZ5=0.000146，故平視場效果好。物鏡的相對畸變小，僅為0.2%。

圖6 幾何像差數據

彌散圓和中心亮斑所占能量，可以作為CCD 成像物鏡的評價指標。從點列圖（圖7）中可以看出，0ω、0.707ω視場彌散圓直徑分別為1.8μm 和2.744μm，彌散圓直徑小于1 至1.25 倍像素尺寸，完全達到目標參數要求，物鏡成像效果良好。

圖7 點列圖