廣角鏡頭設計

特廣角鏡頭的預研報告產(chǎn)品所需要的監(jiān)控成像的專用特廣角鏡頭進展了預研，現(xiàn)將預研結果報告如下：一、問題的提出和技術要求依據(jù)介紹，在開發(fā)某玩耍設備時，其中需要用到攝像頭攝取圖象以便進展后續(xù)的圖象識別。依據(jù)他們的市場定位，期望攝像頭安裝的位置越低越好，同時保持效果不變。工作時所需要拍攝的圖象如下：提出的技術要求如下：1、被攝物整風光范圍尺寸：480x480mm；2、1/4英寸CMO，30萬像素；3、鏡頭離被攝物面的位置：480×480mm面的一側，離邊緣50mm以內，高度為250mm之內；41mm的細節(jié)；5、圖像校正畸變：無梯形失真，線性畸變小于5%對矩形網(wǎng)格成像無變形；65mm，離鏡頭近的物體與遠的物體成像清楚度無差異；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：本錢低廉，在大規(guī)模供貨時〔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，由于一般鏡頭視場角太小，同時由于鏡頭處在被攝面的邊緣會產(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準畫面中心，由于鏡頭光軸和被攝面不垂直，會產(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，但是由于整個光學系統(tǒng)失去了軸對稱，像差校正困3難，造成像面模糊，無法識別細節(jié)。3 用傳統(tǒng)的球面特廣角鏡頭成像由于非軸對稱的光學系統(tǒng)難于校正像差，所以只有承受軸對稱的光學系統(tǒng)的才能解決問題。所謂特廣角鏡頭，是指視場角超過90度的廣角鏡頭，在設計上有很大難度。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，是對稱設計的鏡頭，從光學理論可知構造對稱的鏡頭可以自動消退畸變。但是由于本鏡頭的焦距很小(1~2mm)，對稱設計的結果造成后截距很短(0.05mm)，裝配調整困難，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計分析依據(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塑料非球面透鏡。依據(jù)目前調查，國內這方面的技術已經(jīng)成熟。為了使所設計的光學系統(tǒng)的光軸能夠和被攝物面垂直，必需使視場擴大一倍，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前的負號代表系統(tǒng)成倒像。5設物象共軛距為D，D=250mm，依據(jù)幾何光學上焦距和放大倍率的關系：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,因此鏡頭的視場也格外大，視場角和焦距的關系是：tanw=y”/fw為鏡頭的半視場角，f是焦距，y是成像面的對角線的一半。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°總的視場角已經(jīng)到達140°，這說明本系統(tǒng)是一個特廣角的攝像光學系統(tǒng)。設計這樣的系統(tǒng)有多種方案，經(jīng)過預設計，作者認為：承受反遠攝系統(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，便利安裝調整，只能承受反遠攝系統(tǒng)的光學構造。反遠距系統(tǒng)的根本構造，承受負正透鏡分別的型式，負光焦度的透鏡組做為前組，CMOS面上，其大致的構造可表示如下：一般的反遠距系統(tǒng)的構造是比較簡單的，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。面的方程式為：61 1(11 1(1k)c2r2c為外表的曲率〔半徑所對應的，rkk小于–1，對于拋物線k為–1，對于橢圓k在–10之間，對于球面k0。Z為光軸方向的矢高。對于z而言，標準的二次曲面的最高次數(shù)為2。軸對稱多項式非球面可用球面〔或標準的二次曲面〕再附加高次的多項式來表示。偶次非球面只用徑向坐標的偶次冪來描述。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個參數(shù)，對校正像差就是多了八個自由度，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塑料非球面技術時，面形陡度是制造工藝成敗的關鍵。假設外表面形很陡，模具很難加工，注塑也很困難，如以下圖的構造，第一片用光學塑料非球面，由于外表面形太陡，以至無法加工成形。所以在設計時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的切線和光軸垂直線的夾角應當小于60度。73個高次非球面是必要的。承受本方案的理由是：為到達140度的特廣角視場和肯定的后截距為掌握本錢，必需在光學構造中承受塑料非球面，以削減透鏡的片數(shù)；在背投式電視光學鏡頭的設計中，本人對承受塑料非球面透鏡消退畸變，已經(jīng)有了成功的先例，這次通過細心設計，可以到達托付方提出的消退畸變的要求；國內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。估量結果：承受本方案能到達預定的技術要求，并能進展大量生產(chǎn)，滿足市場的需要。加工單位的查找：司，浙江舜宇集團，鳳凰光學集團，河南中光學集團，福建廈門玉晶光學公司〔臺資〕等等，他們的模具制造技術，鏡片注塑料技術都能到達本設計所需的要求。加工的周期及成功率：2-3萬元左右。模具