廣角鏡頭設(shè)計(jì)

1、特廣角鏡頭的預(yù)研報(bào)告產(chǎn)品所需要的監(jiān)控成像的專用特廣角鏡頭進(jìn)行了預(yù)研，現(xiàn)將預(yù)研結(jié)果報(bào)告如下：一、問(wèn)題的提出和技術(shù)要求根據(jù)介紹，在開(kāi)發(fā)某游戲設(shè)備時(shí)，其中需要用到攝像頭攝取圖象以便進(jìn)行后續(xù)的圖象識(shí)別。根據(jù)他們的市場(chǎng)定位，希望攝像頭安裝的位置越低越好，同時(shí)保持效果不變。工作時(shí)所需要拍攝的圖象如下：提出的技術(shù)要求如下：1、 被攝物整體面范圍尺寸：480x480mm；2、 圖像傳感器：1/4英寸（CMOS），30萬(wàn)像素；3、 鏡頭離被攝物面的位置：480×480mm面的一側(cè)，離邊緣50mm以內(nèi)，高度為250mm之內(nèi)；4、 圖像清晰度：能分辨物面上1mm的細(xì)節(jié)；5、 圖像校正畸變：無(wú)梯形失真，線性

2、畸變小于5% 對(duì)矩形網(wǎng)格成像無(wú)變形；6、 景深大于5mm，離鏡頭近的物體與遠(yuǎn)的物體成像清晰度無(wú)差別；7、 鏡片個(gè)數(shù)：3-5片，（含玻璃和塑料兩種透鏡）外殼為塑料，安裝方式為螺紋連接；8、 成品單價(jià)：成本低廉，在大規(guī)模供貨時(shí)（每月10K以上），每只鏡頭成品（包括所有鏡片及外殼）批發(fā)單價(jià)10元人民幣以下。二、 解決問(wèn)題的幾種途徑 1. 用普通的攝像鏡頭用普通的攝像鏡頭拍攝畫面的話，由于普通鏡頭視場(chǎng)角太小，同時(shí)由于鏡頭處在被攝面的邊緣會(huì)產(chǎn)生很大的畸變，尤其是梯形畸變，如下圖所示：2 用傾斜CMOS成像面的辦法消除畸變用普通的攝像鏡頭對(duì)準(zhǔn)畫面中心，由于鏡頭光軸和被攝面不垂直，會(huì)產(chǎn)生很大的固有畸變，這樣

3、的畸變，可以用傾斜CMOS成像面的辦法消除，如下圖所示：用這樣的辦法，雖然能消除畸變，但是由于整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)失去了軸對(duì)稱，像差校正困難，造成像面模糊，無(wú)法識(shí)別細(xì)節(jié)。3 用傳統(tǒng)的球面特廣角鏡頭成像由于非軸對(duì)稱的光學(xué)系統(tǒng)難于校正像差，所以只有采用軸對(duì)稱的光學(xué)系統(tǒng)的才能解決問(wèn)題。所謂特廣角鏡頭，是指視場(chǎng)角超過(guò)90度的廣角鏡頭，在設(shè)計(jì)上有很大難度。廣角鏡頭的畸變很大，為了消除畸變，鏡頭往往需要十多片鏡片組成（如下圖），它的成本很高，無(wú)法推廣。另一種消除畸變的球面廣角鏡頭，是對(duì)稱設(shè)計(jì)的鏡頭，從光學(xué)理論可知結(jié)構(gòu)對(duì)稱的鏡頭可以自動(dòng)消除畸變。但是由于本鏡頭的焦距很小 ( 約為12mm )，對(duì)稱設(shè)計(jì)的結(jié)果造成后截

4、距很短 ( 約在0.05mm )，裝配調(diào)整困難，并且透鏡的表面曲率半徑很小，在1mm以下，這樣小的半徑在模具制造和注塑工藝上都十分困難，甚至無(wú)法加工，該方案的光學(xué)原理如下：三、 非球面特廣角鏡頭的設(shè)計(jì)分析按照上述分析，本系統(tǒng)必須是一種新型的非球面的特廣角鏡頭。為了降低成本可以使用光學(xué)塑料非球面透鏡。根據(jù)目前調(diào)查，國(guó)內(nèi)這方面的技術(shù)已經(jīng)成熟。為了使所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)的光軸能夠和被攝物面垂直，必須使視場(chǎng)擴(kuò)大一倍，并且將成像的CMOS芯片偏軸放置，如下所示： 圖中O是鏡頭的光軸，OA 是被攝面，已知 OA=480mm，Lens 到O點(diǎn)的距離為250mm。由于圖像傳感器是1/4英寸的CMOS芯片，而該芯片

5、的尺寸3.2x2.4mm左右，也就是說(shuō)需要將480x480mm物面成像在3.2x2.4mm的CMOS面上，所以該鏡頭的放大率m就是： m = -2.4/480= -0.005放大率m前的負(fù)號(hào)代表系統(tǒng)成倒像。設(shè)物象共軛距為D，D=250mm，根據(jù)幾何光學(xué)上焦距和放大倍率的關(guān)系：f= -Dm/（m-1）2所以,鏡頭的焦距就是: f=250*0.005/1.0052= 1.238mm這樣的焦距，是非常短的, 因此鏡頭的視場(chǎng)也非常大，視場(chǎng)角和焦距的關(guān)系是： tan w=y”/f這里w為鏡頭的半視場(chǎng)角，f是焦距，y是成像面的對(duì)角線的一半。Y = Sqr（2.42+2.42）=3.394所以 tan w=

6、y”/f = 3.394/1.238=2.741 w =70°2w =70°總的視場(chǎng)角已經(jīng)達(dá)到140°，這說(shuō)明本系統(tǒng)是一個(gè)特廣角的攝像光學(xué)系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)有多種方案，經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)計(jì)，作者認(rèn)為：采用反遠(yuǎn)攝系統(tǒng)為好。反遠(yuǎn)攝物鏡也稱為廣角長(zhǎng)工作距離物鏡。普通的鏡頭，它的工作距離短于焦距，約為0.6-0.8倍焦距左右，由于本系統(tǒng)的焦距很短，只有1.238mm，為了增加它的工作距離，方便安裝調(diào)整，只能采用反遠(yuǎn)攝系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)。 反遠(yuǎn)距系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，采用負(fù)正透鏡分離的型式，負(fù)光焦度的透鏡組做為前組，正光焦度的透鏡組做為后組，光線經(jīng)前組發(fā)散后，被后組成像在CMOS面上，其大

7、致的結(jié)構(gòu)可表示如下： 普通的反遠(yuǎn)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的，至少在5-7片，為了降低成本，需要將鏡片數(shù)目控制在3-5片，這樣就要采用非球面等最新技術(shù)。非球面和球面最大的區(qū)別在于表面的形狀。球面是最簡(jiǎn)單的二次曲面，標(biāo)準(zhǔn)的二次曲面的方程式為：其中，c為表面的曲率（半徑所對(duì)應(yīng)的），r是矢徑方向的坐標(biāo)，k為圓錐系數(shù)。對(duì)于雙曲線k小于1，對(duì)于拋物線k為1，對(duì)于橢圓k在1到0之間，對(duì)于球面k為0。Z為光軸方向的矢高。對(duì)于z而言，標(biāo)準(zhǔn)的二次曲面的最高次數(shù)為2。軸對(duì)稱多項(xiàng)式非球面可用球面（或標(biāo)準(zhǔn)的二次曲面）再附加高次的多項(xiàng)式來(lái)表示。偶次非球面只用徑向坐標(biāo)的偶次冪來(lái)描述。其表面的矢高由下式給出：可見(jiàn)，高次非球面比

8、標(biāo)準(zhǔn)的二次曲面多了1 、2 、3、4 、5 、6 、7 、8 八個(gè)參數(shù)，對(duì)校正像差就是多了八個(gè)自由度，從而可以消除畸變等失真。但是非球面，尤其是高次非球面的加工是令人棘手的問(wèn)題。玻璃非球面的加工成本十分昂貴，無(wú)法達(dá)到本項(xiàng)目的低成本的要求?？上驳氖牵鈱W(xué)塑料非球面技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟。在采用光學(xué)塑料非球面技術(shù)時(shí)，面形陡度是制造工藝成敗的關(guān)鍵。如果表面面形很陡，模具很難加工，注塑也很困難，如下圖的結(jié)構(gòu)，第一片用光學(xué)塑料非球面，由于表面面形太陡，以至無(wú)法加工成形。所以在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意面形的加工工藝性。一般而言，非球面曲線上的任何一點(diǎn)的切線和光軸垂直線的夾角應(yīng)該小于60度。為了在設(shè)計(jì)中控制面形陡度，有

9、必要多采用幾片鏡片或多用幾個(gè)非球面，對(duì)于本系統(tǒng)而言，采用3個(gè)高次非球面是必要的。采用本方案的理由是：1 為達(dá)到140度的特廣角視場(chǎng)和一定的后截距，必須要采用特廣角的光學(xué)結(jié)構(gòu)形式；2 為控制成本，必須在光學(xué)結(jié)構(gòu)中采用塑料非球面，以減少透鏡的片數(shù)；3 在背投式電視光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)中，本人對(duì)采用塑料非球面透鏡消除畸變，已經(jīng)有了成功的先例，這次通過(guò)精心設(shè)計(jì)，可以達(dá)到委托方提出的消除畸變的要求；4 國(guó)內(nèi)非球面塑料透鏡的加工工藝已經(jīng)成熟，為采用本方案奠定了基礎(chǔ)。預(yù)計(jì)結(jié)果：采用本方案能達(dá)到預(yù)定的技術(shù)要求，并能進(jìn)行大量生產(chǎn)，滿足市場(chǎng)的需要。加工單位的尋找：國(guó)內(nèi)非球面塑料透鏡的加工單位很多，如杭州照相機(jī)械研究所，杭州中新光學(xué)技術(shù)公司，浙江舜宇集團(tuán)，鳳凰光學(xué)集團(tuán)，河南中光學(xué)集團(tuán)，福建廈門玉晶光學(xué)公司（臺(tái)資）等等，他們的模具制造技術(shù)，鏡片注塑料技術(shù)都能達(dá)到本設(shè)計(jì)所需的要求。加工的周期及成功率：加工的關(guān)鍵在于非球面的模具制造，其中的型芯需要到境外加工，費(fèi)用較大，因?yàn)榫唧w單位的收費(fèi)情況不同，每個(gè)型芯的加工價(jià)格在幾千元左右?？偟哪＞哔M(fèi)用在2-3萬(wàn)元左