廣角鏡頭設(shè)計(jì)

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)展了預(yù)研，現(xiàn)將預(yù)研結(jié)果報(bào)告如下：一、問題的提出和技術(shù)要求依據(jù)介紹，在開發(fā)某玩耍設(shè)備時(shí)，其中需要用到攝像頭攝取圖象以便進(jìn)展后續(xù)的圖象識(shí)別。依據(jù)他們的市場(chǎng)定位，期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、被攝物整風(fēng)光范圍尺寸：480x480mm；2、1/4英寸CMO，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)；41mm的細(xì)節(jié)；5、圖像校正畸變：無(wú)梯形失真，線性畸變小于5%對(duì)矩形網(wǎng)格成像無(wú)變形；65mm，離鏡頭近的物體與遠(yuǎn)的物體成像清楚度無(wú)差異；7、3-5〔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)：本錢低廉，在大規(guī)模供貨時(shí)〔每月10K以上，每只鏡頭成品〔包括全部鏡1片及外殼〕10元人民幣以下。二、解決問題的幾種途徑1. 用一般的攝像鏡頭用一般的攝像鏡頭拍攝畫面的話，由于一般鏡頭視場(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，如以下圖所示：2 用傾斜CMOS成像面的方法消退畸變用一般的攝像鏡頭對(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，這樣的畸變，可以用傾斜CMOS成像面的方法消退，如以下圖所示：2用這樣的方法，雖然能消退畸變，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3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，所以只有承受軸對(duì)稱的光學(xué)系統(tǒng)的才能解決問題。所謂特廣角鏡頭，是指視場(chǎng)角超過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，為了消退畸變，鏡頭往往需要十多片鏡片組成〔如以下圖法推廣。另一種消退畸變的球面廣角鏡頭，是對(duì)稱設(shè)計(jì)的鏡頭，從光學(xué)理論可知構(gòu)造對(duì)稱的鏡頭可以自動(dòng)消退畸變。但是由于本鏡頭的焦距很小(1~2mm)，對(duì)稱設(shè)計(jì)的結(jié)果造成后截距很短(0.05mm)，裝配調(diào)整困難，并且透鏡的外表曲率半徑很小，在1mm以下，4三、非球面特廣角鏡頭的設(shè)計(jì)分析依據(jù)上述分析，本系統(tǒng)必需是一種型的非球面的特廣角鏡頭。為了降低本錢可以使用光學(xué)塑料非球面透鏡。依據(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，必需使視場(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，OA=480mm，Lens到O點(diǎn)的距離為250mm。1/4CMOS3.2x2.4mm左右，也就480x480mm3.2x2.4mm的CMOSm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。5設(shè)物象共軛距為D，D=250mm，依據(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*0.005/1.005^2=1.238mm這樣的焦距，是格外短的,因此鏡頭的視場(chǎng)也格外大，視場(chǎng)角和焦距的關(guān)系是：tanw=y”/fw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〔2.4^2+2.4^2〕=3.394所以tanw=y”/f=3.394/1.238=2.741 w=70°2w=70°總的視場(chǎng)角已經(jīng)到達(dá)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)過預(yù)設(shè)計(jì)，作者認(rèn)為：承受反遠(yuǎn)攝系統(tǒng)為好。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，便利安裝調(diào)整，只能承受反遠(yuǎn)攝系統(tǒng)的光學(xué)構(gòu)造。反遠(yuǎn)距系統(tǒng)的根本構(gòu)造，承受負(fù)正透鏡分別的型式，負(fù)光焦度的透鏡組做為前組，CMOS面上，其大致的構(gòu)造可表示如下：一般的反遠(yuǎn)距系統(tǒng)的構(gòu)造是比較簡(jiǎn)單的，至少在5-7片，為了降低本錢，需要將鏡3-5片，這樣就要承受非球面等最技術(shù)。面的方程式為：61 1(11 1(1k)c2r2c為外表的曲率〔半徑所對(duì)應(yīng)的，rkk小于–1，對(duì)于拋物線k為–1，對(duì)于橢圓k在–10之間，對(duì)于球面k0。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。其外表的矢高由下式給出：1 1(11 1(1k)c2r2

1

2

3

r84

r106

r127

r148

r16α、α、αα、α、α、α、α八1 2 3 4 5 6 7 8個(gè)參數(shù)，對(duì)校正像差就是多了八個(gè)自由度，從而可以消退畸變等失真。但是非球面，尤其是高次非球面的加工是令人麻煩的問題。玻璃非球面的加工本錢格外在承受光學(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。假設(shè)外表面形很陡，模具很難加工，注塑也很困難，如以下圖的構(gòu)造，第一片用光學(xué)塑料非球面，由于外表面形太陡，以至無(wú)法加工成形。所以在設(shè)計(jì)時(shí)必需留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)當(dāng)小于60度。73個(gè)高次非球面是必要的。承受本方案的理由是：為到達(dá)140度的特廣角視場(chǎng)和肯定的后截距為掌握本錢，必需在光學(xué)構(gòu)造中承受塑料非球面，以削減透鏡的片數(shù)；在背投式電視光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)中，本人對(duì)承受塑料非球面透鏡消退畸變，已經(jīng)有了成功的先例，這次通過細(xì)心設(shè)計(jì)，可以到達(dá)托付方提出的消退畸變的要求；國(guó)內(nèi)非球面塑料透鏡的加工工藝已經(jīng)成熟，為承受本方案奠定了根底。估量結(jié)果：承受本方案能到達(dá)預(yù)定的技術(shù)要求，并能進(jìn)展大量生產(chǎn)，滿足市場(chǎng)的需要。加工單位的查找：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)都能到達(dá)本設(shè)計(jì)所需的要求。加工的周期及成功率：2-3萬(wàn)元左右。模具