镜头设计原理

1、数码镜头设计原理 基础篇科学技术发展到今天，人类社会已迈入信息的时代，及时的扑捉处理信息变的越来越重要。随着市场的这一需要，光学也由原来目视的经典系统，转变为以数码信息处理为主的光电系统。CCD，CMOS已成为主要的光电信息传换的接收器件，由它对经典光学提出了新的课题，这就是“数码镜头设计原理”所要探讨的主要内容。在基础篇中，我们共按排了十章的内容：第一章 CCD与CMOS该章重点是CCD，CMOS的光电性能。由这些性能对镜头提出了各种光学要求。这是我们进行光学设计时的依据。第二章 分辨率数码镜头的接收器是CCD或CMOS，镜头的分辨率与CCD的分辨力间的定量关系，是本章重点，也是全书的重点。

2、此概念的建立，对公差计算，调焦计算，自动设计中像差与传函优化时步长控制，多重结构的分类控制起着举足轻重的作用。学好用活这一概念，是学好“数码镜头设计原理”的重中之重。第三章 视场由CCD尺寸和视场大小，决定了光学系统的尺寸，是外形设计的重要一环。第四章 光谱与亮度原先在网上的内容有了较大的补充。主要是光度学与色度学的论述。这是考虑到光电产品对亮度与色度的要求而加入的。现在有不少单位从事光学投影仪的研制，分色模的设计就要用到色度学的知识。资料给出了计算光电系彩色还原性的定量算式。第五章 显微系统在这理主要介绍了显微系统的物方景深，分辨率算式。提出了手动变焦时，光学系统连续变倍最简形式。给出了确定

3、变焦曲线时的简单思路，这是变焦的入门较材。第六章 望远系统提出了由主要景物与次要景物比列，确定数码镜头焦距的概念。重点强调了Zemax以透镜为基本单元的追迹功能，是进行光学系统整体性能分析的最有效的工具。在高及篇中，几乎贯穿了用此工具进行复杂问题的分析。第七章 照相系统照相镜头光学设计方面的资料是很多的，但涉及调校的内容确很少。为此全面的介绍了照相机多段调焦理论和定量计算方法。并对调焦定位检校的各个环节，在Zemax上搭建了仿真模拟系统，进行了检校过程的精度分析。第八章 光电系统由光学产品的信息化过程，使的光学与电路密不可分。如何把握好光点一体化产品的光点接合部的连接行能，建立起光电信息传换的

4、关系，已成为能否成功设计与把握光电产品的关键。镜头、CCD、显视屏、人眼它们各自独立，又相互制约，本章就以军用校靶镜的总体设计阐述了对光电产品各环节应如何去把握。第九章 孔阑在Zemax上应如何选择成像光束，才能真实评价镜头的成像质量。在测会仿真设计中，如和根据测得的镜头有效口径，在软件上自动查出像面照度的均匀性。如何合理选择光束来提高系统像质，这些都是光路设计中必需掌握的。第十章 镜头评价对不同用途的镜头，有不同的评价指标。我们在这理是价召数码镜头评价的共性问题。主要是分辨率分区性、频率性、多重结构多段性、照度均匀性、彩色环原性、还有工艺性等等。以上是数码镜头设计中的基础内容，学习要点是侧重

5、于物理概念的建立。目录第一章CCD与CMOS1第一节CCD基本工作原理11结构12原理13摄像器件3第二节CCD光电特性71转移效率和损耗率72时钟频率73光谱特性84光电特性85具体型号及光电特性9第三节CMOS基本工作原理91结构92工作原理9第四节CMOS与CCD光电特性比较10第二章 分辨率11第一节数码镜头分辨率与面阵CCD像素的匹配111数码镜头分辨率概念112CCD分辨率113数码镜头分辨率与CCD分辨力的匹配114 CCD上镜头分辨率的分区域要求135 CCD上不同频率下MTF要求136 CCD最小像素单元尺寸137工艺分辨率13第二节镜头分辨率匹配CCD实例15一、镜头的分辨

6、率15二、镜头的分辨率与CMOS匹配情况16第三节数码镜头分辨率与面阵CMOS像素的匹配171高像素引起像面抖动问题172电脑眼配CMOS的分辨率18第三章 视场19第一节CCD上可容纳下的物镜像方视场角191数码镜头视场角的定义192 CCD上可容纳下的物镜像方视场角19第二节CCD用照像镜头的分类201照像镜头分类的国家标准202 CCD用照像镜头的分类20第四章 光谱与亮度22第一节 感色问题221国家标准222光学系统显色性的计算293人眼的光谱特性314CCD的光谱特性325CCD照度响应的计算33第二节 颜色校正411镜头镀膜问题412滤色片413电路校色41第三节CCD与CMOS

7、滤色片421可见光与其它要求色光的CCD滤色片422CMOS滤色片42第五章 显微系统43第一节 一个连续变倍显微系统的要求43第二节 低倍总体设计431有效视放大率、物方数值孔径NA计算432理论分辨率计算433外形计算444物方景深计算44第三节 高倍时的总体设计461有效视放大率、物方数值孔径NA计算462理论分辨率计算473外形计算474物方景深计算47第四节连续变倍的考虑48第五节 实例491总体考虑492 PWC法理论55第六章 望远系统65第一节实例65第二节求解思路65第三节 外形尺寸计算66焦距计算662 Zemax外型尺寸确定时常用的方法683入瞳确定684理论传函计算69

8、5内调焦计算69第四节 变焦外形设计701 焦距分配702 凸轮曲线确定71一 前镜用专利72第七章 照相机76第一节调焦中的光学对准点与电路反转点76一 光学对准点与电路反转点概念76二 光学对准点计算77三 电路反转点计算78第二节 调校设备及校正方法分析83三显示器和计算计软件88第八章 光电系统90第一节 性能要求90第二节 系统原理图90第三节光学总体设计90一、入瞳计算90二、CCD摄像传感器分辨率及望远系统视放大率91三、摄像镜头分辨力92四、望远系统物方视场计算93五、显示器计算93第四节光路设计94一、消色差双光契设计94二、摄远物镜设计95三、目镜设计97四、光学系统计算9

9、8第九章 孔阑100第一节 实例中光束选择的问题100第二节Zemax的光线渐晕设定对话框中诸项意义101第三节 仿真设计中合理光线渐晕的确定101一、选择光线方案的确定101二、口径孔阑与视场孔阑重合的情况102三、口径孔阑与视场孔阑不重合的情况103第四节等效入瞳问题105一、等效入瞳概念105二、入瞳距为负时等效入瞳的入射光线105三、如何确定等效入瞳106四、设定等效入瞳的作用107第五节 调整各光线渐晕的原则107第六节 在仿真设计中合理光线的确的定108一、测绘结果108二、用选择合理光线校像差109第十章 镜头评价112第一节 镜头分辨率1121、镜头设计传函MTF域值的规定11

10、22、镜头设计达到的分辨率频数值1123、如何通过分辨率来判断镜头的成像质量1134、显微系统1145、望远与照像系统117第二节像面均匀性标准117第三节畸变标准117第四节工艺性问题118118第一章CCD与CMOS光电成像器件是现代光电产品中进行光电转换的核心器件，只有掌握好了它，才能把握好产品的各项光电特性。CCD是目前使用最广的光电成像器件，它是将光信号转成数字信号来实现光电转换的。第一节CCD基本工作原理1结构CCD单元与线阵列结构的示意图a)CCD单元b)CCD线阵列CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器，简称MOS（Metal-Oxide-Semicondu

11、ctor）结构。如果衬底接地，突然给金属极板加一个正的电压UG（栅极电压），则金属极板和衬底之间就会产生一个电场。这个电场就要迫使半导体表面部分的空穴离开表面入地，从而在表面附近形成一个带负电荷的耗尽区，这个耗尽区也称为表面势阱。表面势阱的深度，近似地与极板上所加的电压成正比（在形成反型层之前）。这时，电子在表面处的势能为EpqUs，其中的Us称为表面势，即半导体表面对于衬底的电势差。如果以某种方式（电注入或光注入）向势阱中注入电子，则这些电子将要聚集于表面附近，称为电荷包。2原理电荷包的储存因为每个CCD单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。但是，当有电荷包注入时，势阱深度将随之变浅，因为它

12、始终要保持极板上的正电荷总量恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总和。每个极板下的势阱中所能储存的最大信息电荷量Q为QCoxUGCox：单位面积氧化层的电容电荷包的转移CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。将线阵列各极板分为三组，然后分别加以相位不同的时钟脉冲驱动，这即是所谓的三相CCD。这时，由于同一时刻三相脉冲的电平不同，各极板下面所造成的势阱深度也就不同。从而电荷包就要沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地方流动。三相CCD的电荷包转移过程三相CCD的时钟波形刚好互相错开T/3周期，因此时钟电压波形每变化T/3周期，电荷包就要转移过一个极板，每变化一个周期，即转移过

13、三个极板。同理，除了有三相CCD外，还有二相的、四相的CCD。二相CCD的电荷包转移过程二相CCD的时钟波形对称，但氧化层（SiO2）厚度不均匀，从而极板下面的势阱也不均匀。因此电荷包也会沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地方流动。对于二相CCD，时钟电压波形每变化T/2，电荷包将转移过一个极板，每变化一个周期，则转移过二个极板。由此可见，CCD具有移位寄存器的功能。3摄像器件主要介绍CCD摄像器件。线阵列CCD摄像器件线阵列固体摄像器件基本结构简图对于线阵列CCD摄像器件来说，不论是三相的还是二相的，都有单侧传输和双侧传输两种结构形式。单侧传输的特点是结构简单，但电荷包转移所经过的极板数多

14、，传输效率低。双侧传输的特点是结构复杂一些，但电荷包转移所经过的极板数只是单侧传输的一半，所以损耗小，传输效率高。一般光敏元位数少的片子，多采用单侧传输结构，而位数多的片子，则多采用双侧传输结构。光电二极管阵列和CCD移位寄存器统一集成在一块半导体硅片上，分别由不同的脉冲驱动。设衬底为PSi，光电二极管阵列中各单元彼此被SiO2隔离开，排成一行，每个光电二极管即为一个像素。各光电二极管的光电变换作用和光生电荷的存储作用，与分立元件时的原理相同。如图中p（行扫描电压）为高电平时，各光电二极管为反偏置，光生的电子空穴对中的空穴被PN结的内电场推斥，通过衬底入地，而电子则积存于PN结的耗尽区中。在入

15、射光的持续照射下，内电场的分离作用也在持续地进行，从而即可得到光生电荷的积累。转移栅（x）由铝条或多晶硅构成，转移栅接低电平时，在它下面的衬底中将形成高势垒，使光电二极管阵列与CCD移位寄存器彼此隔离。转移栅接高电平时，它下面衬底中的势垒被拆除，成为光生电荷（电荷包）流入CCD的通道。这时，电荷包并行地流入CCD移位寄存器，接着，在驱动脉冲的作用下，电荷包按着它在CCD中的空间顺序，通过输出机构串行地转移出去。对于二相CCD，时钟电压波形，每变化T/2，电荷包将转移过一个极板，变化一个周期，则转移过二个极板。因为二相CCD是二个极板对应着一个光敏元，所以时钟波形变化一个周期，电荷包所转移过的空

16、间距离也是一个光敏元的中心距。对于三相CCD，时钟电压波形每变化T/3周期，电荷包就要转移过一个极板，每变化一个周期，即转移过三个极板，时钟电压波形变化一个周期，电荷包所转移过的空间距离，正好是一个光敏元的中心距。这就是线阵列固体摄像器件大致的工作过程。面阵列CCD摄像器件二维固体摄像器件中，电荷包转移情况与线阵列器件类似，只是它的形式较多。有的结构简单，但摄像质量不好，有的摄像质量好些，但驱动电路复杂，目前比较常用的形式是帧转移结构。光敏区是由光敏CCD阵列构成的，其作用是光电变换和在自扫描正程时间内进行光积分，暂存区是由遮光的CCD构成的，它的位数和光敏区一一对应，其作用是在自扫描逆程时间

17、内，迅速地将光敏区里整帧的电荷包转移到它里面暂存起来。然后，光敏区开始进行第二帧的光积分，而暂存区则利用这个时间，将电荷包一次一行地转移给CCD移位寄存器，变为串行信号输出。当CCD移位寄存器将其中的电荷包输出完了以后，暂存区里的电荷包再向下移动一行给CCD移位寄存器。当暂存区中的电荷包全部转移完毕后，再进行第二帧转移。二维固体摄像器件电荷包帧转移结构图电荷包的输出机构1）利用二极管的输出机构利用二极管的输出机构CCD电荷包输出机构的形式很多，其中最简单的是利用二极管的输出机构。图中，与123相连的电极称为栅极，与OG相连的电极称为输出栅，输出栅的右边就是输出二极管。输出栅和其它栅极一样，加正

18、电压时，它下面的半导体表面也产生势阱。它的势阱介于3的势阱和输出二极管耗尽区之间，能够把二者连通起来，因此可以通过改变OG上所加的电压来控制它下面的通道。例如，电荷包已由2转入3，当3下的势阱由深变浅的同时，OG下的势陇正好也比较深，这时3势阱中的电荷包就能够通过OG下的势阱流入输出二极管的耗尽区。因输出二极管是反偏置的，内部有很强的自建电场，因此电荷包一进入二极管的耗尽区，即可被迅速地拉走，成为输出回路的电子流。因此，在没有电荷包输出时，a点为高电平，而有电荷包输出时，因为电子流通过负载电阻要产生电压降，a点则为低电平，a点电压降低的程度正比于电荷包所携带的电量，所以这个电压变化即是输出信号

19、。2）选通积分型输出机构选通积分型输出机构图中，V1为复位管，R1为限流电阻，V2为输出管，R2为负载电阻，C为等效电容。电荷包输出前，要先给V1的栅极加一窄的复位脉冲R，这时，V1导通，C被充电到电源电压，V2管的源极S2的电压也跟随上升接近于电源电压。R变为低电平以后，V1截止，但V2在栅极电压的控制下仍为导通状态。当电荷包经过输出栅OG流过来时，C被放电，V2的源极电压也跟随下降，下降的程度则正比于电荷包所携带的电量，即构成输出信号。滤色原理如果把CCD解剖，你会发现CCD的结构就像三明治一样，第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色片”以及第三层“感光层”。你一定觉得很奇怪，为什么“镜

20、头”会直接做在CCD上呢？第一层“微型镜头”其实，这是一个英语翻译上的语误：“ON-CHIPMICROLENS”,它是1980年初，由SONY领先发展出来的技术。这是为了有效提升CCD的总像素，又要确保单一像素持续缩小以维持CCD的标准面积。因此，必须扩展单一像素的受光面积。但利用提高开口率（采光率）来增加受光面积，反而使画质变差了。所以，开口率只能提升到一定的极限，否则CCD将成为劣品。为改善这个问题，SONY率先在每一感光二极管上（单一像素）装置微小镜片。这个设计就像是帮CCD戴上眼镜一样，感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。如此一来，可以同时兼顾单一像素

21、的大小，又可在规格上提高开口率，使感光度大幅提升（如图3）。微型镜头第二层是“分色滤色片”CCD的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYG补色分色法。这两种方法各有优缺点。不过以产量来看，原色和补色CCD的产量比例约在2比1左右。原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的，补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感度，一般都可设定在800以上（如图4、图5、图

22、6、图7）。分色滤色片颜色合成1颜色合成2颜色合成3第三层：感光层CCD的第三层是“感光片”，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。第二节CCD光电特性1转移效率和损耗率电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移，不是立即的和全部的，而是有一个过程。为了描述电荷包转移的不完全性，引入转移效率的概念。在一定的时钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为Q0，转移到下一个势阱时电荷包的电量为Q1，则转移效率定义为=Q1/Q0表示残留于原势阱中的电量与原电量之比，故=1-如果线阵列CCD共有n个极板，则总效率为n。引起电荷包转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获和时

23、钟频率过高，所以表面沟道CCD在使用时，为了减少损耗，提高转移效率，常采用偏置电荷技术，即在接收信息电荷之前，就先给每个势阱都输入一定量的背景电荷，使表面态填满。这样，即使是零信息，势阱中也有一定量的电荷。因此，也称这种技术为“胖零（fatzero）”技术。另外，体内沟道CCD采取体内沟道的传输形式，有效避免了表面态俘获，提高了转移效率和速度。2时钟频率CCD是利用极板下半导体表面势阱的变化来储存和转移信息电荷的，所以它必须工作于非热平衡态。时钟频率过低，热生载流子就会混入到信息电荷包中去而引起失真，时钟频率过高，电荷包来不及完全转移，势阱形状就变了，这样，残留于原势阱中的电荷就必然多，损耗率

24、就必然大。因此，使用时，对时种频率的上、下限要有一个大致的估计。（a）时钟频率的下限f下f下决定于非平衡载流子的平均寿命，一般为毫秒量级。电荷包在相邻两电极之间的转移时间t，应小于，对于三相CCD，电荷包从前一个势阱转移到后一个势阱所需的时间为T/3，所以f下1/3对于二相CCD，f下1/2（b）时钟频率的上限f上f上决定于电荷包转移的损耗率，就是说，电荷包的转移要有足够的时间，电荷包转移所需的时间应使之小于所允许的值。时钟频率上限f上可作如下估算，设D为CCD势阱中电量因热扩散作用衰减的时间常数，与材料和极板的结构有关，一般为10-8s级。若使不大于要求的0值，则对于三相CCD有f上-1/(

25、3Dln0)对于二相CCD有f上-1/(2Dln0)3光谱特性现在固件摄像器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所以灵敏范围为0.41.15m左右，但光谱特性曲线不像单个硅光电二极管那么锐利，峰值波长为0.650.9m左右。CCD的光谱特性与光电特性曲线4光电特性饱和照度在低照度下，CCD的输出电压与照度有良好的线性关系。照度超过1001x以后，输出有饱和现像域值照度始CCD恰好能起反应的最低光照度为CCD的域值照度，常用CCD域值照度大致=0.020.5Lux(勒克斯)分辨率域值与频率明暗对比度（反衬度）：调制度：频率f的物像调制值：当f是包含整个空间频率时，T（f）称之为调制传第函数，

26、用MTF表示。CCD的MTF域值是：MTF=0.15CCD可分辨的MTF空间频率是：MTF=0.15的频数。5具体型号及光电特性CCD特性南京敏通网址：深圳敏通网址1：深圳敏通网址2：CCD驱动器件CCD摸拟前端驱动德州仪器公司：CCD区域图像驱动德州仪器公司：第三节CMOS基本工作原理1结构CMOS内部结构CMOS传感器周围的电子器件，如数字逻辑电路、时钟驱动器以及模/数转换器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS传感器的构造如同一个存储器，每个成像点包含一个光电二极管、一个电荷/电压转换单元、一个重新设置和选择晶体管，以及一个放大器，覆盖在整个传感器上的是金属互连器（计时应用和读取信号）

27、以及纵向排列的输出信号互连器，它可以通过简单的XY寻址技术读取信号。CMOS外部结构CMOS光电传感器的加工采用半导体厂家生产集成电路的流程，可以将数码相机的所有部件集成到一块芯片上，如光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换器、图像信号处理器及控制器等，都可集成到一块芯片上，还具有附加DRAM的优点。只需要一个芯片就可以实现数码相机的所有功能，因此采用CMOS芯片的光电图像转换系统的整体成本很低。2工作原理CMOS和CCD一样同在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没有什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带正

28、电）和P（带负电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点,这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现像。CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。举个例子，如果分辨率为300万像素，那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷，扫描的方法非常简单，就好像把水桶从一个人传给另一个人，并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此，CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大，采用这种方法可节省任何无效的传

29、输操作，所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低。这就是佳能的像素内电荷完全转送技术。第四节CMOS与CCD光电特性比较1价格的比较目前的市场情况来看，CCD占据高端市场，CMOS盘踞低端领地，两者还在中端区域角逐天下（目前CCD可作到130万像素，正向200万进军）。2技术的比较CCD与CMOS有如下四个方面的不同：2.1信息读取方式不同CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单。2

30、.2速度不同CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。2.3电源及耗电量不同CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS光电传感器只需使用一个电源，耗电量非常小，仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。2.4成像质量不同CCD电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感

31、元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。CMOS图像传感器具有省电，集成度高，图像处理速度快，低价位，红外灵敏度高等优势。第二章 分辨率第一节数码镜头分辨率与面阵CCD像素的匹配1数码镜头分辨率概念数码相机分辨率（鉴别率）定义为在像面处镜头在单位毫米上可鉴别的黑白线对数，如下图所示：图1分辨率与线宽的计算上算式有两个用途：1根据镜头对分辨率的设计要求，计算出检校仪分划板的要求由公式（1）可根据镜头的分辨率要求，解出

32、线宽d来。例如：图1中的分辨率是15线对/毫米，那么线宽=1/（2*15）=0.03333（毫米/每个线宽）。则分画板最小线宽应安此刻划。2在仿真设计中，根据检校仪上可分辨的线条宽度，提出设计镜头的分辨率要求只需将（1）式变换成分辨率用分划最小间隔表示的函数式进行计算，即可得到镜头设计时分辨率应达到值。注意：上两条都是对所涉计到的镜头，在其像方成像面上对分辨率的计算。如果所知数据不在成像面上，一定要转换计算到像面后，才能用（1）式处理。2CCD分辨率CCD的分辨率是用像素总数表示的。设在水平方向上CCD感光有效长度是M毫米，在垂直方向上CCD感光有效长度是N毫米。如果像素（最小感光单元称之为像

33、素）的尺寸是m2*n2，那么在水平方向上的像素总数=M/m2，在垂直方向上的像素总数=N/n2,最后可用下式算出CCD的整个感光面上的像素总数：3数码镜头分辨率与CCD分辨力的匹配在水平方向上数码镜头对线状分辨率图案的成像，其每个线宽恰好站用一个像素，我们就称在水平方向上选用的CCD与数码镜头在分辨率上是相配的；在垂直方向上也可同样理解之。这样定义保正了CCD在最少像素总数下，恰好能分辨清像的细节。可见这种定义是合理的。看图2，就可理解相配的含义，也可用以数码镜头对CCD像素总数要求的计算。图2 CCD像素总数计算（最小方格为一最小感光单元：8像素）由图2和（2）式可计算出图中CCD的像素总数

34、：1）、设CCD的M=1mm，N=1mm。镜头像方分辨力=15线对/毫米：由（1）式有：d=1/(2*镜头像方分辨力)=1/30=0.03333(毫米/每黑白线对)可见与该镜头相配的CCD最小感光单元像素尺寸m2*n2=0.03333*0.03333毫米由（2）式有：CCD像素总数=1/(0.03333)*1/(0.03333)=900像素2）、如果镜头分辨率是150线对/毫米，CCD感光面M=4.8mm，N=3.6mm。由（1）式有：d=1/(2*镜头像方分辨力)=1/300=0.003333(毫米/每黑白线对)由（2）式有：CCD像素总数=4.8/(0.003333)*3.6/(0.003

35、333)=1920000像素。这就是说分辨率是150线对/毫米的镜头，可配1/3英寸200万像素的CCD。由上面的计算可知，为使摄像头与CCD相配，需知道CCD的感光面尺寸，由“CCD应用技术”一书的168页表8-3有各种规格的CCD感光面尺寸如下表1表1CCD感光面尺寸1英寸2/3英寸1/2英寸1/3英寸1/4英寸12.8*9.68.8*6.66.4*4.84.8*3.63.6*2.7由表1就可查出各种规格的CCD感光面尺寸：M和N值。4 CCD上镜头分辨率的分区域要求在CCD上0.7视场的MTF=0.3时的频率定为该镜头的分辨率，CCD的选配也应以此为准。同时要求0.7视场内的分辨率都要比

36、它高。中心视场分辨率至少应是它的1.5倍。本来对最大视场的分辨率不应要求的，但考率像面分辨率整体性，最好不低于0.7视场的0.3倍。5 CCD上不同频率下MTF要求镜头的低分辨率决定了物体像轮廓的清析度，镜头的中分辨率决定了物体像的层次感（即在一定物空间内都较清楚），镜头的高分辨率决定了分遍物体像细节的能力。前面说说的数码镜头的分辨力是指最高分辨力。好的MTF曲线应接近一条倾斜的直线。6 CCD最小像素单元尺寸在上面我们计算了150线对/毫米分辨率的镜头，它可匹配200万像素的CCD。实际上由于最小感光单元受工艺水平的限制，一般情况下（指有较大规模经济情况下）是很难制出0.003尺寸的CCD来

37、，因此应根据工艺允许的CCD最小感光单元尺寸计算相配的镜头分辨率。现在市场上1/3英寸的CCD最多也只达到150万像素。为了给工艺加工和装配上留有余地，150万像素的CCD配200万像素的镜头还是合适的。我们测绘了南函的一个镜头，中心分辨率是600线对/毫米，0.7视场的是150线对/毫米。那么这个镜头与CCD相配其分辨率应算多少呢？这个问题可以这样考率：0.7视场以内是主要成像区，应以在此区间内镜头能达到的最低分辨率为准来评价该镜头的分辨率。注意：由于CCD分辨率的限制，光电系统对视场中心也只能达到150万像素的水平，反算镜头在视场中心的有效分辨率也只能达到120线对/毫米（估算）。这就是说

38、，中心视场镜头分辨率没有必要太高，太高了CCD也分辨不清。一般中心视场是0.7视场的1.5倍就可以了。这与胶片为接收器的情况是不同的（胶片的分辨率比镜头的分辨率高很多，不能过多牺牲中心视场的分辨率以获得提高0.7视常场的校正潜力）。由上面知道CCD的感光单元的最小尺寸受到工艺的限制，1/3英寸的CCD其真实分辨率（在最小像元间用软件插值的方法获得的高像素水平，并不能提高整个光电系统分辨物体细节的能力。这个道理与数码变焦不能提高系统分辨本领的道理是一样的。插值增加像素的作法有它一定的极积一面，当数码影像放大时，不会出现码赛克现像，图像图素间有光滑的过度，使像看起来揉合）只能到150万的水平，1/

39、3英寸的数码像机标榜200万以上的像素水平，多数是采用了软件插值，除非采用了昂贵的CCD芯片。为了获的更多的图像细节方面的信息，需增多CCD像元总数，只能通过增大CCD尺寸来达到。例如选1/2英寸或2/3英寸的CCD。7工艺分辨率工艺分辨率是指镜头加工完后可达到的分辨率，这个分辨率应是设计时，MTF=0.30时镜头设计所能达到的频数（由前第一章CCD与CMOS可知它们的MTF域值为=0.15，因此给的MTF工艺下降允许值是0.3-0.15=0.15这就是在Zemax中分配镜头公差时的依据）。问题是应给需设计的镜头以什么工艺分辨率才是合理的？给高了设计不出来（例如高于镜头的理论分辨率），低了满足

40、不了要求。下面就是在“第八章光电系统中”对此问题的探讨，可作为提出镜头设计时，对分辨率的指标要求。-（3）上式为对望远系统工艺分辨率角值（以秒为单位）设计要求算式。至于显微系统，照像系统的相应公式，及其工艺系数取值，可参考下面的选取方法（主要看镜片个数，及透镜的焦距长短，共轴性的要求等）。该公式的实质是根据分辨率要求，确定透镜的通光口镜；或依据口径要求，确定分辨率要求。在微光与夜视望远系统中，往往是先依据目标亮度算出口镜要求，再由上式算出工艺分辨率要求的。而在测量对准系统中，依据对准要求，提出工艺分辨率要求，再算出应使用的物镜口径值。当然，镜头分辨率不仅与镜头口径和加工精度有关，更和使用时对像

41、质的要求有关。因此全面的提出一个合理的分辨率要求，是镜头设计时的重要环节。第二节镜头分辨率匹配CCD实例下面是我给网友电脑眼镜头进行设计评价中关于分辨率部分的内容。6mm镜头综合质量情况一、镜头的分辨率1镜头设计传函MTF域值的规定镜头传函MTF域值指与其相配的接收器恰好分辨出分辨率线对的MTF值。数码镜头分辨率MTF值，应由接收器的域值决定。CCD，CMOS的MTF域值为0.15。考虑设计传函镜头加工完后的MTF会下降0.10.15，应此镜头的设计传函域值应定为0.32镜头设计达到的分辨率频数值镜头与其设计传函MTF域值对应的传函频率定为该镜头的分辨率。6mm镜头分辨率如下：你设计镜头的分辨

42、率是80lp/mm（此时0.7视场MTF=0.3）二、镜头的分辨率与CMOS匹配情况1镜头等效总相素的计算由于CMOS分辨率（也称分辨力）是由最小感光单元总数决定的。为了降低成本，应使镜头分辨率与CMOS分辨力相配。当镜头分辨率图像的线宽等于CMOS最小感光单元边长时，就称镜头分辨率与CMOS分辨力相配。但是镜头在使用中有景深，为了使镜头偏离照准面仍成像清楚，应使镜头分辨率略高于CMOS分辨力来使用，这样在偏离照准面的景深范围内，仍可清晰成像。同时注意，不能使镜头分辨率高出CMOS分辨力较多，否则会出现小像素干扰表现象。下面是镜头等效像素的计算：镜头分辨率与CMOS最小感光单元边长的换算式分辨

43、率线宽计算：镜头等效水平像素计算式镜头等效垂直像素总数计算式镜头等效总像素计算式镜头等平效总像素：mn=mxn2计算实例可见此镜头的等效像素总数是44万，即可配35万以下相素总数的CMOS(该镜头分辨率与低像素CMOS是相配的)。第三节数码镜头分辨率与面阵CMOS像素的匹配关于这个问题，在我与网友的邮件中曾涉及到，下面是这部分的内容：1高像素引起像面抖动问题我们最近一值在搞电脑眼的设计，查讯了许多资料，其中就有“高像素会引起对临近感光单元的串扰”的说法，那篇资料讲“在改进的CMOS电路上采取了措施，减少了小像素对临近感光单元的串扰”。至于什么现像，及为什么会产生干扰没讲。但我对这个问题进行了分

44、析，说明如下：在上图表示由于微小振动，使高像素图案由位置1走到位置2，最小感光单元中亮线少了1条，平均亮度变化就明显，宏观上出现了像的抖动现像。我们再看低像素的情况：由于镜头分辨率低，使在最小感光单元内只有一条亮线。当出现微小振动时，并不会使最小感光单元内亮线增加或减少，因此像是稳定的。如果电路上对最小感光单元亮度高频变化加以限制，就可稳定像的抖动。我想电路上的措施就应指此。2电脑眼配CMOS的分辨率现在电脑眼配的经济型CMOS的像素最高在30万左右，其驱动电路都没有对像面高频抖动进行抑制，因此分辨率太高的镜头输出的数字图像是不稳定的。一般来说，在三分之一英寸的CMOS上用的镜头，其分辨率不要

45、超出80lp/mm(等效40万相素，略高于经济型三分之一英寸CMOS的30万像素)。第三章 视场第一节CCD上可容纳下的物镜像方视场角1数码镜头视场角的定义到CCD感光面对角线顶点的数码镜头出射主光线倾角定义为数码镜头的像方视场角，其物方共轭角定义为数码镜头的物方视场角。2 CCD上可容纳下的物镜像方视场角在第二章中第二节的3里曾介绍过各种规格CCD的尺寸，如下：表2CCD感光面尺寸和对角线尺寸项目1英寸2/3英寸1/2英寸1/3英寸1/4英寸CCD的尺寸12.8*9.68.8*6.66.4*4.84.8*3.63.6*2.7对角线尺寸1611864.5有了CCD有校光接受面尺寸和数码镜头焦距

46、后，就可用（3）式计算数码镜头全视场角。由mathematica4算式有：（）出全视场角是：由上计算可知当焦距为mm，全视场角要求不大于度时（短焦广角的清况），所采用的是英寸的。上面介绍了数码镜头视场角与感光面尺寸的匹配问题，可作为镜头设计或选用的参考。有些情况下的镜头允许有一定畸变，例如：测量镜头和制板镜头要求小于1%，一般的照像镜头和望远镜头要求小于5%，电脑镜头和一般的监视镜头要求小于10%，车用后视镜和大厅监视镜头要求小于15%。而正镜头的畸变多数是负的，这样就使实际的成像高度比用（1）式确定的像高度L要小，为了达到CCD对角线对成像高的要求，数码镜头物方视场角在设计取实际值时，要取的

47、比（1）式算出的大些。具体大多少合适，应用（2）式确定：Tan(实际)=Tan()/(1+)（）式中：是镜头的畸变（正透镜多数是负畸变，注意应将符号一起代入）特别需指出的是：超广角的数码镜头，其出射主光线倾角可以很小，甚至才几度，入射主光线倾角有到60多度（全视场角到120多度）。这是超广角超口径数码镜头两组分离结构（前为负组，承单压缩视场角的作用，后为正组，承担光焦度和减小主光线倾角的作用）的光学特点所决定的，出射与入射角之间不存在畸变的概念，畸变应理解成：将系统理想化后，有畸变于无畸变像高对应主光线倾角正切比。第二节CCD用照像镜头的分类1照像镜头分类的国家标准根据国家照相机标准，镜头等级

48、与分辨率间关系见下表：下面是36mm镜头系列分辨率等级表镜头类别镜头级别视场中心边缘广角镜头f<38J04025JI3626JII3236JIII2812标准镜头f=3861J04120JI3618JII3214JIII2811远摄镜头61<f<135J03625JI3222JII2816JIII2512超远摄镜头f>135J03225JI2822JII2516JIII2212如果CCD镜头要达到36mm镜头系列同样的分辨效果，那么当CCD镜头的成像放大到36mm镜头系列成像尺寸时，应有相同的分辨率。现按上表中心最差的分辨率情况，来计算CCD镜头达到同等像质时的分辨率要

49、求：35mm镜头系列中心分辨率为22lp/mm时，其最小感光单元分辨率方向上线尺寸为： 1/（2*22）=0.02273mm，在CCD镜头像面上要达到同样成像质量（指像面放大到35mm镜头系列成像水平），则其最小像元线尺寸=0.02273*4.8/36=0.00303mm,对应镜头分辨率=1/2*0.00303=165lp/mm。2 CCD用照像镜头的分类CCD镜头的接受面尺寸设为M*N，对角线尺寸则为：L=SQR（M2+N2）,对物镜中心张角W=2*atgL/(2*f)。当CCD镜头的全视场角W与35mm镜头系列全视场角相等时，其拍摄的视场效果是一样的。我们称此时CCD镜头与135镜头相当。

50、已知135镜头接收器为胶片，其尺寸为：24*36，对角线尺寸为：l=SQR（242+362）=43.27，对物镜中心张角=2*atg（21.64/f）。下面列出最长用的1/3英寸CCD镜头与36mm镜头同视场下的焦距对应关系：镜头类型36mm镜头系列1/3英寸CCD镜头焦距范围视场角范围焦距范围视场角范围广角镜头F<382W>59.3°F<7.0272W>59.3°标准镜头F=38612W=59.3°39°F=7.02711.32W=59.3°39°远摄镜头F=611352W=39°18.2°

51、;F=11.3252W=39°18.2°超远摄镜头F>1352W<18.2°F>252W<18.2°根据镜头类别的定义，CCD镜头用于相机时焦距的系列值选择如下：广角：F6mm，标准：8mm，,10mm，12mm，摄远：F16mm第四章 光谱与亮度第一节 感色问题1国家标准下面是国标中关于照像镜头彩色还原性计算部分的摘抄：2光学系统显色性的计算（1）算式上面的资料说明了如何用三基色RGB来评价镜头的彩色还原性。但上面纯理论的介绍在实际中不便应用。三基色计算最实用的介绍在国防工业出版社1985年9月出版的“光学手册”50页。下面说明

52、其计算方法：上面这组公式是计算光谱曲线的色坐标，式中：-光源相对光谱辐射功率分布。-标准色度观察者的光谱三刺激值，当观查角度小于4°时，大于4°要查不同的表。可见上式用于计算人眼对观查到的光谱的颜色的色坐标。注意：必需用上式颜色的色坐标通过下面的计算得到RGB值，然后从色三角形或软件RGB色显示来得到人眼能感到的颜色。（2）实例下面是用上公式组编的程序对12层红膜进行工艺色观查时的程序，以及该程序的运行结果：这是计算膜层在镀各层时的RGB坐标的程序：这是根据镀制膜的各层产生的RGB色坐标文件，进行的色显示结果：（3）光学系统显色性计算设物体镜过光学系统透射到CCD上，再由电

53、路经过白平衡由显示屏显示，则该系统由光源调制的相对光谱能量算式如下：K1*K2*K3*K4*K5*K6*K7*S（）式中：K1-光源光谱能量分布K2-膜层透过率光谱能量分布K3-玻璃透过率光谱能量分布K4-CCD光谱敏感度分布K5-电路白平衡光谱修正分布K6-显示屏光谱显色分布K7-人眼光谱灵敏度曲线为了能更好的理解上式，其物理意义阐述如下：K1是光源光谱的辐射功率，后续的各K2*K3*。*K6值的连乘积可看作对光源光谱辐射的总透过率，S（）是光源对波长的光谱辐射密度，用它乘前面的积，就是光源在单位波长上到达人眼的光谱辐射功率。这就是物理意义。有了值，将其乘人眼的光谱三刺激值：、，就可以得到人

54、眼与色相关的光源光谱辐射对波长的密度。若将其乘光源某处的微小波长间隔，就得到波长片对应的人眼感受到的三刺激值对应的光源光谱辐射片，所有波长的光源光谱辐射片累加，在人眼就获得三刺激值相关的色坐标X，Y，Z。然后将其归一化得到决定颜色在色度三角形的色点的归化色坐标：X、Y、Z。同时可计算出在各类软件中显色语句必需有的RGB值。以上是色度学中显色理论的基本思路。3人眼的光谱特性人眼的光谱灵敏度就是上式中的K7，人眼对各色光的敏感度可见下表（以555nm的人眼灵敏度为1，人眼对其它色光敏感度与它相比得到的表）：4CCD的光谱特性在前面的第一章曾价召过CCD的光谱灵敏度曲线如下图。在图中可见其近红外透过率比人眼高较多。为了使光学系统的显色性与人眼接近，要在数码镜头后加CCD或CMOS红外滤光片，使通过滤光镜校色后的光学系统彩色还原性接近B：G：R=0：5：45CCD照度响应的计算CCD照度响应曲线在