專利名稱：240°視場角超大孔徑魚眼鏡頭基礎結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明專利涉及一種最大可達240°視場角超大孔徑魚眼鏡頭基礎結 構，具體說就是，使用這種結構形式可以設計出最大240°視場角魚眼監(jiān) 控、放映、投影、照相、攝影、攝像鏡頭。該結構形式具有一定的通用性， 可滿足與膠片或其它光電藕荷器件(CCD、 CMOS等)的匹配使用,或用于 數字或模擬信號的投影；可用來進行全視場攝影或攝像；也可用于特殊環(huán)境(隧道或管道內壁)的探測和監(jiān)視；還可用于安防和軍事的全空域監(jiān)視。
技術背景魚眼鏡頭是所有光學鏡頭類別中非常特殊的一種，屬于fe鏡頭， 一般 用于120°到180°視場環(huán)境的拍攝和投影，成像原理為"非相似成像"，即 通過引入定量"畸變"，產生大反遠比，增加鏡頭視場。不同的應用領域， 魚眼鏡頭的結構參數和應用環(huán)境參數不同。上世紀七十年代，魚眼鏡頭在電 影行業(yè)首先出現，用來拍攝和放映35mm及70mm膠片的球幕(也稱穹幕) 電影，從而引發(fā)了魚眼鏡頭被廣泛使用的序幕。目前市場上的魚眼鏡頭包括攝影(攝像)、監(jiān)控和投影鏡頭，其視場角 都在180°左右，偶爾可見視場角200°以上鏡頭的相關報道，其鏡頭的相 對孔徑也都在D/f =1/2.8~1/5.6之間(D為鏡頭入瞳半徑、f'為焦距)， 未出現大孔徑同時兼大視場角魚眼鏡頭原因有三； 一是受具體使用要求限 制，二是受到設計難度和設計軟件的限制，三是即使偶爾發(fā)現超大視場角魚 眼鏡頭結構，其光學像差也得以很好的優(yōu)化和控制，且大都由于其結構工藝 性差而造成價格昂貴或無法量產，而不具有實用意義。隨著科學技術的飛速 發(fā)展、數字圖像處理技術的進步、對素材變形處理能力的提高、以及市場對 多樣化鏡頭需求的不斷出現，促進了對魚眼鏡頭設計開發(fā)和應用。同時，隨 著光學設計理論不斷取得重大突破，對視場角遠遠大于180°魚眼鏡頭的光 學結構像差控制和優(yōu)化也逐漸成為了可能。本發(fā)明在現代幾何光學像差理論 基礎上，通過設計軟件的輔助設計并結合人工數學插值分析方法而得以成功 研制，經過實際應用檢驗，效果良好、性能可靠。發(fā)明內容鑒于現有技術的狀況，本發(fā)明提供了一種240°視場角超大孔徑魚眼鏡頭 基礎結構,其具有在保障大孔徑的前提下，進一步相對簡化結構，提升魚眼鏡頭的視場角，并且通過合理的分配光焦度，使得結構幾何尺寸合理，易于 加工生產，具有很好的實用意義；同時，該結構具有大反遠比、解像能力高 的特點。為實現上述目的,本發(fā)明根據魚眼鏡頭光學設計理論，從經典光學結構 出發(fā)，通過大量的數據優(yōu)化和結構再造，成功設計了可滿足絕大多數應用環(huán) 境，其視場角最大口r達240° 、相對孔徑在D/f' =1/1.4~1/2.0的一種魚眼鏡 頭結構形式；本發(fā)明包括七個鏡組共十片透鏡組合而成；其中有三個透鏡 是雙膠合鏡組，和四個單鏡片；位于所述前端的兩個透鏡是負彎月型透鏡和 一個雙凹透鏡；位于中后部的透鏡是負彎月型透鏡；則位于中前部的雙膠合 鏡組是一個雙凸透鏡和負彎月透鏡膠合組成；位于中部的雙膠合鏡組是一個 負彎月透鏡和雙凸透鏡膠合組成；位于后部的雙膠合鏡組是一個雙凸透鏡和 負彎月透鏡膠合而成；位于最后膠合鏡組和之前的單鏡片之間是一個光欄。根據本發(fā)明的方案,該魚眼鏡頭七個鏡組的光焦度絕對值比依次為1: 3.6: 7.13: 2.26: 5.82: 2.86: 6.13。根據本發(fā)明的方案,所述光欄前各鏡組光焦度和為負，和光焦度和為正的后鏡的光焦度比的絕對值為1.55: 1;其后鏡曲率絕對值大的面為膠合面。根據本發(fā)明的方案,該魚眼鏡頭七個鏡組中十個鏡片材料依次采用冕系(或鋇冕系)、重冕系、重辱'系、重火石系、鑭辱,系、鑭冕系、鋇冕系、 重火石系、鋇冕系、重火石系玻璃。根據本發(fā)明的方案，該鏡頭基本結構可衍生出用于照相、攝像、監(jiān)控、投影、放映魚眼鏡頭其參數范圍為視場角180° 240° ;反遠比L' /f' =6 10;相對孔徑D/f' =1/1.4 1/16。根據本發(fā)明的方案,該魚眼鏡頭結構按比例縮放可適用全視場像高直徑范圍lmm 50mm的特定魚眼鏡頭。在本發(fā)明中，所涉及的兩個負彎月型透鏡，其凸面朝前； 一個雙凹透鏡，曲率絕對值大的面朝后； 一個負彎月型透鏡，凹面超前凸面超后，起減 小前置鏡片口徑、增加系統(tǒng)通光孔徑作用。三個雙膠合組則分別由雙凸透鏡 和負彎月型透鏡膠合而成，三膠合組中居中的膠合組負彎月型透鏡朝前，另 兩膠合組均為雙凸透鏡朝前。根據本發(fā)明的特點，在保證相對孔徑未減小(最大為D/f' =1/1.4)的前提下，具有六倍以上的反遠比并具有最大240°的全視場角?？梢酝ㄟ^對本發(fā)明基礎結構進行光學焦距縮放，并少許適當調整各主要像差的匹配關 系，完全可滿足不同應用環(huán)境的使用要求。該基礎結構適用色光波長范圍400腿 730謹。總之,本發(fā)明所具有的積極效果是運用本結構形式創(chuàng)造性地將由球面 組成(不含非球面)的魚眼鏡頭的視場角提升到240° ，并保持最大可達 F/1.4的通光孔徑且其它性能不降低。由于有超大的視場角、較大的相對孔 徑、超大的反遠比和優(yōu)良的像差匹配，可以在很多應用領域實現單鏡頭超視 角和近乎全空域、海域和地域的拍攝和監(jiān)視，也可以用于對近似全球的球幕 進行形變可控的影像等距離投影和放映，并保證畫面的清晰和亮麗。同時， 該結構緊湊，成功消除鏡片邊緣負厚度的弊端，非常易于加工，極具實用意 義。
圖l是本發(fā)明的結構圖；圖2本發(fā)明的光線追跡與參考圖。
具體實施方式
下面將結合附圖實施例，對本發(fā)明作進一步說明。由圖1所示的240°視場角基礎結構，是本實施例設計成的監(jiān)控鏡頭。 具有七個鏡組共十片透鏡組成；所述七個鏡組依次排列有透鏡1、透鏡2、 透鏡3、透鏡4、透鏡5、透鏡6、透鏡7;其中透鏡4、透鏡5和透鏡7 是雙膠合鏡組；透鏡1、透鏡2、透鏡3、透鏡6是單鏡片；在本實施例 中，所述透鏡1、透鏡2是負彎月型透鏡，凸面朝前，起加大視場角的作 用；透鏡3是雙凹透鏡，曲率絕對值大的面朝后；透鏡6是負彎月型透鏡， 凹面超前凸面超后，起減小前置鏡片口徑、增加系統(tǒng)通光孔徑作用；則雙膠合鏡組4包括雙凸透鏡4-1和負彎月透鏡4-2;雙膠合鏡組5包括負彎月透鏡5-1和雙凸透鏡5-2;雙膠合鏡組7包括雙凸透鏡7-1和負彎月透鏡7-2; 位于鏡組7中的透鏡7-1和鏡組6之間設置光欄A。在本實施例中，所述透 鏡1、透鏡2、透鏡3、透鏡4、透鏡5、透鏡6、透鏡7的光焦度絕對值比 依次為1: 3.6: 7.13: 2.26: 5.82: 2.86: 6.13。根據應用特點，所述光欄 (A)前組光焦度為負，和光焦度為正的后組的光焦度比的絕對值為1.55: 1;其中透鏡7-2曲率絕對值大的面為膠合面。所述透鏡(l)、透鏡(2)、透鏡 (3)、透鏡(4)、透鏡(5)、透鏡(6)、透鏡(7)依次釆用冕系(或鋇冕系)、重 冕系、重冕系、重火石系和鑭冕系(膠合)、鑭冕系和鋇冕系(膠合)、重 火石系、鋇冕系和重火石系(膠合)玻璃材料。在本實施例的應用中，該鏡 頭基本性能參數為視場角240° ;反遠比L' /f' =6.6;相對孔徑D/ f'=1/1.4 1/16,適應三分之一英寸CCD或CMOS器件的使用，光學后工作距 離為8.6mm，焦距為1.3mm,半像高為1.8mm。另外，該魚眼鏡頭結構可按比例縮放而適用其它尺寸的CCD或CMOS 器件，例如四分之一、二分之一、三分之二乃至一英寸，此時，焦距和像高 相應按同步縮放，鏡頭本身的幾何尺寸也相應按比例縮放。還有，如果與鏡頭匹配的是電影膠片或數字投影機的LCD、 DLP器 件，也要對鏡頭的像高進行調整，去滿足膠片或LCD、 DLP的畫面尺寸， 此時，半視場像高尺寸的范圍為6mm 25mm，同時注意調整鏡頭的后工作 距離，使之滿足機械安裝需要。此種用途的鏡頭的反遠比為7~8，比監(jiān)控或 照相用途的鏡頭反遠比略大。根據本發(fā)明設計而成的一款視場角240°用于1/3英寸靶面彩色CCD的 監(jiān)控魚眼鏡頭，該鏡頭基本參數如下焦距f' =1.3mm;相對孔徑D/f' =1/1.4;全視場角2 "=240° ;其光學后截距L' =8.6mm;鏡頭光學總 長度L=60.84mm;鏡頭最大鏡片口徑<D56mm。該結構的像差匹配優(yōu)良、 形式簡單，所有光學鏡片均為標準球面，所采用光學玻璃材料都是標準常用 材料，最大鏡片口徑和鏡片最小邊緣厚度都具有很好的工藝性。在此結構形 式基礎上經簡單性能參數的修正就可以用于不同的應用場合，包括拍攝模擬 和數字圖像、投影和放映球幕畫面、無盲點檢測和監(jiān)視重點區(qū)域。圖2給出了魚眼鏡頭基礎結構的光線追跡參考圖，本實施例是設計成的監(jiān)控魚眼鏡頭，適用于1/3英寸靶面彩色CCD,光圈范圍F/1.4-F/8;最邊緣 入射下光線和光軸夾角為60° 。
權利要求
1.一種具有240°視場角的魚眼鏡頭基本結構，其特征在于，魚眼鏡頭基本結構中具有七個鏡組共十片透鏡組成；所述七個鏡組依次排列有透鏡(1)、透鏡(2)、透鏡(3)、透鏡(4)、透鏡(5)、透鏡(6)、透鏡(7)；其中透鏡(4)、透鏡(5)和透鏡(7)是雙膠合鏡組；透鏡(1)、透鏡(2)、透鏡(3)、透鏡(6)是單鏡片；所述透鏡(1)、透鏡(2)是負彎月型透鏡；透鏡(3)是雙凹透鏡；透鏡(6)是負彎月型透鏡；則雙膠合鏡組(4)包括雙凸透鏡(4-1)和負彎月透鏡(4-2)；雙膠合鏡組(5)包括負彎月透鏡(5-1)和雙凸透鏡(5-2)；雙膠合鏡組(7)包括雙凸透鏡(7-1)和負彎月透鏡(7-2)；位于鏡組(7)中的透鏡(7-1)和鏡組(6)之間設置光欄(A)。
2、 按權利要求1所述的240°視場角的魚眼鏡頭基本結構，其特征在 于，所述透鏡(l)、透鏡(2)、透鏡(3)、透鏡(4)、透鏡(5)、透鏡(6)、透鏡(7) 的光焦度絕對值比依次為1: 3.6: 7.13: 2.26: 5.82: 2.86: 6.13。
3、 按權利要求1所述的240°視場角的魚眼鏡頭基本結構，其特征在 于，所述光欄(A)前鏡組光焦度為負，和光焦度為正的后組的光焦度比的 絕對值為1.55: 1。
4、 按權利要求1所述的240°視場角的魚眼鏡頭基本結構，其特征在 于，所述透鏡(l)、透鏡(2)、透鏡(3)、透鏡(4-l) 、 (4-2)、透鏡(5-l) 、 (5-2)、透鏡(6)、透鏡(7-l) 、 (7-2)依次采用冕系(或鋇冕系)、重冕系、重 冕系、重火石系、鑭冕系、鑭冕系、鋇冕系、重火石系、鋇冕系、重火石系 玻璃材料。
5、 按權利要求1所述的所述的240°視場角的魚眼鏡頭基本結構,其特 征在于，該鏡頭基本結構衍生出的照相、攝像、監(jiān)控、投影、放映魚眼鏡頭 其參數范圍為視場角180° ~ 240° ;反遠比L'/f' =6~10;相對孔徑D/f' =1/1.4 1/16。
6、 按權利要求1所述的240°視場角的魚眼鏡頭基本結構,其特征在 于，該魚眼鏡頭結構的結構參數按比例縮放而適用全視場像高直徑范圍 lmm 50mm的特定魚眼鏡頭。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種240°視場角的魚眼鏡頭基本結構，該魚眼鏡頭包括七個鏡組共十片透鏡組合而成。運用本結構形式創(chuàng)造性地將由球面組成(不含非球面)的魚眼鏡頭的視場角提升到240°，并保持最大可達F/1.4的通光孔徑且其它性能不降低。由于有超大的視場角、較大的相對孔徑、超大的反遠比和優(yōu)良的像差匹配，可以在很多應用領域實現單鏡頭超視角和近乎全空域、海域和地域的拍攝和監(jiān)視，也可以用于對近似全球的球幕進行形變可控的影像等距離投影和放映，并保證畫面的清晰和亮麗。同時，該結構緊湊，成功消除鏡片邊緣負厚度的弊端，非常易于加工，極具實用意義。
文檔編號G02B1/00GK101403816SQ200810079749
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月7日 優(yōu)先權日2008年11月7日
發(fā)明者琛 陳, 陳毅強 申請人:秦皇島視聽機械研究所