本發(fā)明涉及一種新形式的魚眼鏡頭，尤其涉及一種用于單機位球幕放映/投影系統(tǒng)的二向異性魚眼鏡頭，該鏡頭結合數(shù)字放映/投影機針對球冠形和類似球冠形的銀幕進行放映或投影，可用來構建以球幕為影像載體的放映/投影工程，如，球幕影院、球幕展覽展示廳、天象科普廳、球幕查詢及教學系統(tǒng)。屬于物像非相似超廣角光學成像技術在影視、影像領域的應用。

背景技術：
球幕電影或稱球幕放映/投影系統(tǒng)，最早為上世紀八十年代傳入我國，作為一種特種電影，以其新穎的形式、震撼的效果和強烈的臨場融入感深得廣大觀眾喜愛。早期的球幕放映/投影系統(tǒng)，均為單機位系統(tǒng)，如不考慮影院的其他標準附屬設施，其最基本的構成為：采用一臺高亮度膠片電影放映機，結合一只傳統(tǒng)魚眼鏡頭，將膠片上的影像信息展現(xiàn)在一個直徑10米～30米球冠狀的球面或近球面幕上，膠片上的影像信息通過裝有魚眼鏡頭的膠片攝影機實景拍攝獲得，無論球幕如何放置，電影放映機始終處于球幕的球心或球心的附近，魚眼鏡頭的光軸和球幕的對稱軸重合或平行。進入二十一世紀，隨著光學技術、制片技術、銀幕制造技術、數(shù)字圖像處理技術和計算機技術的進步，圖形制作、融合拼接技術逐步出現(xiàn)并成熟，球幕放映/投影系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了雙、多機位的構成形式，但單機位的基本構成形式因其構成簡單、成本低廉及后期維護的便利性仍然占據(jù)重要地位。數(shù)字時代的單機位基本構成形式中，膠片放映機由數(shù)字放映/投影機所替代，膠片由數(shù)字格式的視頻文件所替代，片源制作過程中，視頻文件即可以通過數(shù)字攝像機實景拍攝也可以通過計算機合成制作而獲得。無論在膠片電影時代還是在數(shù)字電影時代，單機位球幕放映/投影系統(tǒng)中魚眼鏡頭都充當著重要角色，放映過程和拍攝過程都不可或缺，如公開的中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?01210502119.X《一種數(shù)字天象廳》、專利2013202620.4《一種基于魚眼投影鏡頭的球幕投影系統(tǒng)》、專利號為201210290184.0《一種球幕/穹頂兩用多媒體投影演示系統(tǒng)》等等。魚眼鏡頭的使用決定了球幕放映/投影系統(tǒng)的基本構成和其中所涉及到的主要技術要素在一定程度存在相似性。而關于魚眼鏡頭已公開的專利，如專利號為2012203724.7《魚眼鏡頭》、201110431770.8《成像系統(tǒng)和魚眼鏡頭》、200710185280.8《數(shù)字投影機整球型幕投影用超大視場角魚眼鏡頭結構》、201010173497.9《一種用于數(shù)字投影機的五組六片式魚眼鏡頭基礎結構》、JP2005221955A《FISH-EYELENSANDPROJECTIONDISPLAYDEVICEUSINGIT》等等，都是描述的鏡頭光學結構上的部分差異和創(chuàng)新，而這些光學結構都是沿光軸旋轉(zhuǎn)對稱的，為了和本發(fā)明相區(qū)別，暫且稱上述專利光學結構屬于″軸對稱結構″，稱其光學特性為″各向同性″，即，在工作狀態(tài)下，當鏡頭沿光軸旋轉(zhuǎn)時，光學效果不發(fā)生改變，可稱其為″傳統(tǒng)魚眼鏡頭″。在放映/投影過程中，球幕和投影機影像芯片二者通過放映鏡頭構成一定對應映射關系，該映射關系決定放映/投影過程的數(shù)字放映/投影機芯片的″像素利用率″，該″利用率″一般可用芯片面積的比值來近似體現(xiàn)，即，鏡頭所能投射到銀幕上的芯片區(qū)域面積和芯片的完整面積的比值。完善而科學的映射關系是在保證上述″利用率″最大化的基礎上，實現(xiàn)最佳的放映/投影效果。根據(jù)公開的所有的球幕放映/投影系統(tǒng)中，球幕均為或接近球冠狀或是球冠的一部分，其正視圖是完整園或圓缺。而眾所周知，均勻排列″像素″的數(shù)字放映/投影機的影像芯片是長方形，且存在一定的長寬比，如，16∶9、4∶3、16∶10等，由于傳統(tǒng)魚眼鏡頭光學性能和結構的軸向旋轉(zhuǎn)對稱性，無法在球幕和數(shù)字放映/投影機的影像芯片之間建立完整的″物-像″滿射，極限最佳情況也僅僅是將數(shù)字放映/投影機的影像芯片上的一小部分——以芯片的短邊為直徑相切芯片長邊的內(nèi)切圓內(nèi)的像素，映射在球幕上，以長寬比16∶9的芯片為例，最大像素利用率僅僅可達到41％，像素利用率很低，換個說法，也就造成光能利用率低下。在光學工程領域為了方便描述鏡頭特性或方便分析與研究，都假定鏡頭內(nèi)存在相互垂直且相交于鏡頭光軸的兩個虛擬平面——弧矢平面和子午平面。在弧矢和子午平面內(nèi)且垂直于光軸的方向稱為弧矢方向和子午方向，相應地，偏離弧矢和子午方向的其他方向則稱為任意方向。一般來講，放映/投影鏡頭的光學性能由光學結構決定，光學結構主要由各種透鏡、反射鏡和各種光闌組成，根據(jù)透鏡上光學工作面的類型特點，例如，標準球面、橢球面、拋物面、圓錐面、雙二次曲面、偶次非球面、奇次非球面等，可對透鏡進一步限定和命名，雙二次曲面透鏡通常用來構造子午和弧矢方向性能差異化的光學結構，以實現(xiàn)鏡頭各向異性的特殊性能，而柱面透鏡是雙二次曲面透鏡中最簡單的形式，且加工工藝較為成熟，通常被優(yōu)先選用。在膠片電影時代，35mm遮幅式變形寬銀幕電影以及70mm遮幅式變形寬銀幕電影中，為了使標準拷貝得到正常播映，曾出現(xiàn)過″變形放映鏡頭″，使用時通常在電影放映機的標準電影放映鏡頭前加裝一組無焦柱面附加鏡來對單方向視場進行放大，繼而造成鏡頭像高在子午和弧矢方向拉伸和壓縮，該無焦柱面附加鏡為望遠鏡式結構，屬無焦系統(tǒng)，附加在鏡頭前面時不改變原鏡頭的焦距。由于所配接的標準鏡頭視場角一般在45°以內(nèi)，所以附加鏡的軸向長度和徑向尺寸尚可接受，像差控制也相對容易。延續(xù)變形鏡的設計理念，對于相同的視場角度值來說，倘若魚眼鏡頭可以在子午和弧矢方向具有不同的像高，就可以營造一種映射關系，而最大限度適應數(shù)字投影/放映機芯片的尺寸，從而提高像素利用率。用于球幕放映/投影的魚眼鏡頭，由于幕的形狀旋轉(zhuǎn)對稱，就要求魚眼鏡頭各個方向的邊緣視場光線相對光軸來說具有相同的夾角，也稱半視場角，這個夾角約80°甚至更大，那么，鏡頭全視場角就大于等于160°，如果按照望遠鏡工作原理，制作無焦柱面附加鏡，既會造成柱面變形鏡組徑向尺寸變得太大而增加生產(chǎn)成本，也會造成附加鏡頭的總長度和總重量大大增加而喪失穩(wěn)定性和可靠性，更為不利的是，面對如此大的視場角要求，柱面望遠鏡式變形附加鏡的像差將很難進行良好校正。本申請人之前的公開號為CN103439859A，名稱為《基于二向異性魚眼鏡頭的環(huán)幕放映/投影系統(tǒng)單元》中，曾提出了用于環(huán)幕的二向異性魚眼鏡頭的概念，并給出了設計方案。在環(huán)幕用二向異性魚眼鏡頭中，子午和弧矢方向最大視場角不同，且存在較大差異；另外，在子午和弧矢方向，成像規(guī)律和成像公式不同，僅僅在一個方向存在大畸變。而對用于單機位球幕的二向異性魚眼鏡頭來說，子午和弧矢方向應具有相同的最大工作視場角，在子午和弧矢方向成像規(guī)律相同或略有差異，兩方向均存在大畸變。目前，尚無證據(jù)顯示，有關用于單機位球幕放映/投影系統(tǒng)的二向異性魚眼鏡頭的研究和相關文獻報道。為此，有必要對單機位球幕放映/投影系統(tǒng)的二向異性魚眼鏡頭的光學特性和光學結構特征進行開發(fā)和研究。

技術實現(xiàn)要素：
鑒于上述現(xiàn)狀，本發(fā)明提供了一種用于單機位球幕放映/投影系統(tǒng)的二向異性魚眼鏡頭。在保障鏡頭能和特定的數(shù)字放映/投影機完美匹配的基本性能基礎上，在所處系統(tǒng)的配置及應用環(huán)境不變的條件下，僅通過對鏡頭的特性設計和光學結構的創(chuàng)新，建立球幕和數(shù)字放映/投影機芯片之間差異化的映射關系，該差異化映射關系突出表現(xiàn)在鏡頭的弧矢和子午方向，以增大鏡頭對整個球幕逆映射所形成的像域面積，從而提高了單機位球幕放映/投影系統(tǒng)像素利用率或光能利用率。本發(fā)明的技術解決方案是：一種用于單機位球幕放映/投影系統(tǒng)的二向異性魚眼鏡頭，包括在子午方向、弧矢方向的光學指標存在差異的二向異性魚眼鏡頭，該二向異性魚眼鏡頭具有如下技術指標、性能指標和規(guī)律性等效原理光學結構特征；其中：技術指標主要包括：非相似的成像公式、畸變調(diào)節(jié)系數(shù)、最大像高、視場、焦距、像面位置；性能指標包括：像素利用率；所述二向異性魚眼鏡頭技術指標中的成像公式、畸變調(diào)節(jié)系數(shù)、最大像高的特征為：鏡頭所依據(jù)成像公式相同、畸變調(diào)節(jié)系數(shù)可相同也可不同，即在弧矢和子午兩方向所依據(jù)成像公式相同，而成像公式中的畸變調(diào)節(jié)系數(shù)可以不同，在鏡頭的弧矢和子午兩方向，均引入大畸變，鏡頭的像高、焦距、弧度制的工作視場及畸變調(diào)節(jié)系數(shù)滿足下式：弧矢方向：ysn＝-ksfs′(ωxnπ/360)，0.5＜ks＜1子午方向：ytn＝-ktft′(ωynπ/360)，0.5＜kt＜1其中，ysn為鏡頭弧矢方向在任意工作視場(ωxn/2，0)處所對應的像高，最大像高ys由采用的數(shù)字放映/投影機的芯片寬度尺寸a決定，最大值為ys＝a/2，fs′為鏡頭中包括球面透鏡和弧矢向有效柱面透鏡組的弧矢向焦距；ytn為鏡頭子午方向在任意工作視場(0，ωyn/2)處所對應的像高，最大像高yt由所采用的數(shù)字放映/投影機的芯片高度尺寸b決定，理想值yt＝b/2，ft′為鏡頭中包括球面透鏡和子午向有效柱面透鏡的子午向焦距，若投影機芯片的邊長a大于b，保證鏡頭增大像素利用率的有效方式是盡量增大弧矢向全視場像高ys，使ys的數(shù)值更接近a/2，并使子午向全視場像高yt趨近于b/2，即鏡頭弧矢方向的最大像高范圍是：3b/4≤ys≤a/2，即，ys≥1.5yt；而ks和kt分別是弧矢向和子午向的畸變調(diào)節(jié)系數(shù)，根據(jù)弧矢和子午向最大像高和最大視場，選取畸變調(diào)節(jié)系數(shù)，確定鏡頭兩個方向的焦距值；畸變調(diào)節(jié)系數(shù)ks和kt可相等，但ks和kt略有差異會減小結構像差優(yōu)化的難度，增加優(yōu)化設計中像差控制的彈性；所述二向異性魚眼鏡頭技術指標中的視場的特征為：其工作視場和所對應的像點坐標采用二維坐標表述，像點坐標(ysn，ytn)對應工作視場(ωxn/2，ωyn/2)，如果設ωx/2和ωy/2分別為實際工程需要中ωxn/2和ωyn/2的最大值，則ωx/2和ωy/2是弧矢和子午向最大工作視場，ωx/2和ωy/2相等或近似相等，ωx/2和ωy/2的角度值由球幕的空間尺寸、鏡頭與球幕的相對位置關系決定，并分別對應ys和yt，使ωx/2和ωy/2的極限最大值可以達到100°，兩方向最大全視場ωx和ωy最大可達200°；所述二向異性魚眼鏡頭技術指標的焦距特征為，鏡頭在弧矢與子午方向具有不相等的極值焦距值，而其他任意方向焦距值均在兩極值焦距區(qū)間內(nèi)，即：fs′＜fr′＜ft′；其中，fr′、fs′、ft′分別為鏡頭在不同于弧矢方向、子午方向的任意方向、弧矢方向、子午方向的焦距值，鏡頭各個任意方向均存在確定焦距值，該焦距值在弧矢和子午焦距值范圍內(nèi)連續(xù)；所述二向異性魚眼鏡頭技術指標中像面位置的特征為：鏡頭光學后工作距除了要滿足放映/投影機引擎工作需要的空間距離這一常規(guī)要求外，還需要鏡頭在弧矢和子午方向保持擁有相同像面位置，滿足該要求的條件是鏡頭在弧矢和子午方向的焦距滿足關系：fs′＝ft′-d+ds/ns，其中，d是分別處于兩個方向的所有有效透鏡的等效透鏡的主面間隔，ds是弧矢方向所有有效透鏡的等效透鏡的光學厚度，ns是弧矢方向所有有效透鏡的等效透鏡的折射率，fs′＝ft′-d+ds/ns同時也決定了鏡頭弧矢和子午方向光焦度分配及兩方向等效透鏡的主面間隔；所述二向異性魚眼鏡頭性能指標中像素利用率，其計算像素利用率的方法為：二向異性魚眼鏡頭在單機位球幕放映/投影系統(tǒng)中，該鏡頭將球幕逆映射到鏡頭的像面上，會形成一個橢圓邊界的像域，該像域的面積為Se＝πysyt，根據(jù)成像公式和投影機芯片寬高比a/b以及前述ys≥1.5yt的條件，能把相同尺寸的球幕逆映射到數(shù)字放映/投影機芯片上的像域面積提高M＝Se/Sc倍，即，a/b≥M≥1.5，反之亦然，二向異性魚眼鏡頭把可投射到球幕上的投影機芯片上的像素數(shù)提高了M倍，即提高了像素利用率或光能利用率，二向異性魚眼鏡頭的這種特性即前述映射關系的改變；保證鏡頭增大像素利用率的有效方式是盡量增大弧矢向全視場像高ys，使ys的數(shù)值更接近卻永不大于a/2，并使子午向全視場像高yt＝b/2，鏡頭弧矢方向的最大像高范圍是：3b/4≤ys≤a/2，也即，ys≥1.5yt；一般情況下，根據(jù)成像公式，增加弧矢最大像高，需要增大弧矢焦距，且和鏡頭視場相關聯(lián)；所述二向異性魚眼鏡頭的規(guī)律性等效原理光學結構設計方案，其規(guī)律性等效原理光學結構特征為：二向異性魚眼鏡頭光學結構內(nèi)部既存在工作面為標準球面或平面的若干共軸球面透鏡，還具有工作面為平面或雙二次曲面的若干共軸雙二次曲面透鏡；所述若干的雙二次曲面透鏡為柱面透鏡，所有柱面透鏡分為弧矢柱面透鏡組和子午柱面透鏡組，每個柱面透鏡組可為一片透鏡或多片透鏡，每一片透鏡上至少有一個、最多兩個柱面工作面，透鏡相互之間存在大于等于零的光學間隔；所述的二向異性魚眼鏡頭距離球幕更近的一側為前，距離放映機芯片更近的一側為后，依據(jù)透鏡類型特點，規(guī)律性等效原理光學結構，包括由前至后依次排列的第一透鏡群，為一片透鏡，朝前的工作面為柱面，朝后的工作面為球面，為負焦度；第二透鏡群，為二至四片透鏡，所有工作面全部為球面；第三透鏡群，為二至四片透鏡，所有工作面均為柱面或平面；第四透鏡群，為二至四片透鏡，所有工作面全部為球面；第五透鏡群，為一至二片透鏡，至少有一個柱面工作面，其余為球面工作面；孔徑光闌A；第六透鏡群，為三至八片透鏡，所有工作面均為球面或平面，為正焦度；所述的第一透鏡群和第三透鏡群中各柱面工作面的母線保持平行，構成弧矢柱面透鏡組；第五透鏡群中的各柱面工作面的母線保持平行，構成子午柱面透鏡組；第一、第三透鏡群中的柱面工作面的母線和第五透鏡群中的柱面工作面的母線相互垂直。本發(fā)明規(guī)律性等效原理光學結構特征，根據(jù)透鏡群功能的特點，其中，第一透鏡群，主要起增大角放大率和制造焦距差異化的作用；第二透鏡群，主要起平衡視場相關像差和縮小第一透鏡群通光口徑的作用；第三透鏡群，主要起制造焦距差異化作用；第四透鏡群，主要起平衡光闌孔徑相關像差作用；第五透鏡群，主要起平衡孔徑光闌慧差、保障弧矢和子午向具有相同的孔徑光闌直徑的作用；之后設置孔徑光闌，用于限定鏡頭通光能力，孔徑光闌沒有特殊性；第六透鏡群，主要起零和各種殘余像差和調(diào)整光學后工作距的作用。本發(fā)明在規(guī)律性等效原理光學結構基礎上，根據(jù)弧矢和子午向焦距值及焦距比的不同要求、根據(jù)鏡頭所匹配的不同技術類型的投影機的光引擎結構參數(shù)的不同情況、根據(jù)具體工程需要的不同指標和幾何像差平衡要求確定和配置各個透鏡群的具體透鏡數(shù)量和結構參數(shù)，而形成具體的鏡頭光學結構。本發(fā)明二向異性魚眼鏡頭采用了最常用的″等距投影″式非相似成像公式進行了原理說明，但是，本發(fā)明特性設計方案具備采用其他類型成像公式的潛力，例如，可采用魚眼鏡頭光學理論體系中所謂的″等立體角投影″式、″體式投影″式、″正交投影″式成像公式，而所述的特性設計方案中所涉及到的步驟、方法、規(guī)律性等效原理光學結構不變。本發(fā)明滿足對弧矢最大像高ys、子午最大像高yt之間的關系ys≥1.5yt，或當yt≤ys≤1.5yt時，所述的特性設計方案中所涉及到的步驟、方法、規(guī)律性等效原理光學結構不變。根據(jù)上述方案在針對任一工程的具體實施過程中，所涉及到的諸如光學材料的選取、結構參數(shù)的形成、像差優(yōu)化與控制等一般化問題的處理方法，和設計傳統(tǒng)魚眼鏡頭的處理方法一致，并沒有特殊性，均符合業(yè)內(nèi)通行慣例。本發(fā)明的有益效果是：通過特性設計方案和基本光學結構方案，使魚眼鏡頭產(chǎn)生各向差異化的漸變式焦距，在相同工作視場角度值條件下，實現(xiàn)了鏡頭弧矢和子午兩方向的像高差異，形成了新的各向異性的映射規(guī)律，改變了傳統(tǒng)魚眼鏡頭的各向同性的映射關系；在單機位球幕放映投影系統(tǒng)中，通過使用該類鏡頭，可大幅度增加球幕逆映射到放映機芯片上的映射域面積，提高像素利用率或稱光能利用率至少1.5倍；使得單機位球幕放映/投影系統(tǒng)方案的適應性更大，節(jié)能環(huán)保。附圖說明圖1中a、b圖為本發(fā)明的規(guī)律性等效原理光學結構的沿子午方向和沿弧矢方向剖面視圖；圖2根據(jù)規(guī)律性等效原理光學結構圖1，形成的一款具體光學結構，其中的a、b圖分別為沿子午方向和沿弧矢方向剖面圖；圖3為圖2中a、b圖沿子午方向和沿弧矢方向剖面的光路路徑圖；圖4為使用本發(fā)明與傳統(tǒng)魚眼鏡頭分別構建單機位球幕放映/投影系統(tǒng)時，放映/投影機芯片上的有效像素區(qū)域?qū)Ρ葓D；圖5為圖3所示鏡頭的傳遞函數(shù)曲線圖。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。根據(jù)總體技術設計方案，用于單機位球幕放映/投影系統(tǒng)的二向異性魚眼鏡頭，在保障鏡頭能和特定的數(shù)字放映/投影機完美匹配的基本性能基礎上，在所處系統(tǒng)的配置及應用環(huán)境不變的條件下，僅通過對鏡頭的特性設計和光學結構的創(chuàng)新，建立球幕和數(shù)字放映/投影機芯片之間差異化的映射關系，該差異化映射關系突出表現(xiàn)在鏡頭的弧矢和子午方向的差異化，以增大鏡頭對整個球幕逆映射所形成的像域面積，從而提高單機位球幕放映/投影系統(tǒng)像素利用率或光能利用率，實施過程分兩個部分，包括二向異性魚眼鏡頭的特性設計方案和規(guī)律性等效原理光學結構設計方案；其中：根據(jù)二向異性魚眼鏡頭的特性設計方案，首先需確定鏡頭的技術指標和性能指標，技術指標主要包括：非相似的成像規(guī)律、畸變調(diào)節(jié)系數(shù)、兩方向最大像高、兩方向工作視場、焦距、像面位置等；性能指標主要包括像素利用率；根據(jù)二向異性魚眼鏡頭技術指標確定方法，鏡頭兩方向所依據(jù)成像公式相同、畸變調(diào)節(jié)系數(shù)可不同、最大像高不同，即在弧矢和子午兩方向所依據(jù)成像公式相同，而成像公式中的畸變調(diào)節(jié)系數(shù)可以不同，在鏡頭的弧矢和子午兩方向，均引入大畸變，鏡頭的像高、焦距、弧度制的工作視場角及畸變調(diào)節(jié)系數(shù)滿足下式：弧矢方向：ysn＝-ksfs′(ωxnπ/360)，0.5＜ks＜1子午方向：ytn＝-ktft′(ωynπ/360)，0.5＜kt＜1其中，ysn為鏡頭弧矢方向在任意工作視場角(ωxn/2，0)處所對應的像高，最大像高ys由采用的數(shù)字放映/投影機的芯片寬度尺寸a決定，最大值為ys＝a/2，fs′為鏡頭中包括球面透鏡和弧矢向有效柱面透鏡組的弧矢向焦距；ytn為鏡頭子午方向在任意工作視場角(0，ωyn/2)處所對應的像高，最大像高yt由所采用的數(shù)字放映/投影機的芯片高度尺寸b決定，最大值為yt＝b/2，ft′為鏡頭中包括球面透鏡和子午向有效柱面透鏡的子午向焦距。保證鏡頭增大像素利用率的有效方式是盡量增大弧矢向全視場像高ys，使ys的數(shù)值更接近a/2，并始終保持子午向全視場像高取最大值b/2，則yt＝b/2，當ys＞yt時，就可以保證像素利用率大于傳統(tǒng)魚眼鏡頭，因為，傳統(tǒng)魚眼鏡頭子午和弧矢最大像高相等，本發(fā)明的光學特性設計方案中，弧矢向最大像高取值范圍為3b/4≤ys≤a/2，弧矢和子午向最大像高的關系為ys≥1.5yt；ks和kt分別是弧矢向和子午向的畸變調(diào)節(jié)系數(shù)，其取值區(qū)間為0.5～1.0之間，可首選畸變調(diào)節(jié)系數(shù)ks和kt相等，并在該取值區(qū)間任意取值，但ks和kt略有差異會減小結構像差優(yōu)化的難度，增加優(yōu)化設計中像差控制的彈性，在像差優(yōu)化階段可以略作調(diào)整；所述鏡頭工作視場角和所對應的像點坐標采用二維坐標表述，像點坐標(ysn，ytn)對應工作視場角(ωxn/2，ωyn/2)，如果設ωx/2和ωy/2分別為實際工程需要中ωxn/2和ωyn/2的最大值，則ωx/2和ωy/2是弧矢和子午向最大工作視場值，則(ωx/2，0)對應(ys，0)；(0，ωy/2)對應(0，yt)；根據(jù)成像公式及弧矢和子午工作視場角、最大像高及畸變調(diào)節(jié)系數(shù)的情況以及任取的最大像高ys＝nyt的條件，1.5＜n＜a/b，則可以確定鏡頭弧矢和子午焦距值，ft′及fs′；二向異性魚眼鏡頭在弧矢與子午方向具有極值焦距值，而其他任意方向焦距值均在兩極值焦距區(qū)間內(nèi)，即：fs′＜fr′＜ft′；其中，fr′、fs′、ft′分別為鏡頭在任意方向、弧矢方向、子午方向的焦距值；各方向焦距值的連續(xù)性和在一個取值區(qū)間的極值性，可以保障像域邊界也在一個可控固定區(qū)間；所述鏡頭保持像面距或光學后工作距相同的條件、同時也決定鏡頭弧矢和子午方向光焦度分配的關系式是鏡頭在弧矢和子午方向的焦距滿足關系：fs′＝ft′-d+ds/ns；其中，d是分別處于兩個方向的所有有效透鏡的等效透鏡的主面間隔，ds是弧矢方向所有有效透鏡的等效透鏡的光學厚度，ns是弧矢方向所有有效透鏡的等效透鏡的折射率，該條件關系式將用來確定鏡頭弧矢和子午向的光焦度分配和確定間隔；根據(jù)二向異性魚眼鏡頭性能指標中像素利用率的計算和提升策略，二向異性魚眼鏡頭將球幕逆映射到鏡頭的像面上成橢圓邊界的像域，該像域的面積為Se＝πysyt，而傳統(tǒng)魚眼鏡頭所成的球幕逆像是圓邊界的像域，該像域的面積為Sc＝πyt2，根據(jù)式y(tǒng)s＝nyt的條件，1.5≤n≤a/b，可得，二向異性魚眼鏡頭相對傳統(tǒng)魚眼鏡頭來說，能把相同尺寸的球幕逆映射到數(shù)字放映/投影機芯片上的像域面積提高M＝Se/Sc倍，即，M＝n，像素利用率得到提升，反之亦然，二向異性魚眼鏡頭把可投射到球幕上的投影機芯片上的像素數(shù)提高了M倍，即提高了像素利用率或光能利用率，如有需要，也可通過重新調(diào)整弧矢方向的焦距和最大像高，來進一步提高像素利用率，但像素利用率提升的最大值受限數(shù)字放映/投影機芯片的寬高比a/b。確定了本實施例的技術指標和性能指標后，就可進一步根據(jù)規(guī)律性等效原理光學結構設計方案來構建二向異性魚眼鏡頭光學結構，該二向異性魚眼鏡頭的光學結構源于傳統(tǒng)魚眼鏡頭結構，但卻具有不同于傳統(tǒng)魚眼鏡頭的特有光學結構特征。二向異性魚眼鏡頭光學結構，和傳統(tǒng)魚眼鏡頭具有一定相關性，單獨考察二向異性魚眼鏡頭的子午或弧矢方向，其結構是傳統(tǒng)魚眼鏡頭結構的高度復雜化，二向異性魚眼鏡頭結構在任意方向上都可認為是傳統(tǒng)魚眼鏡頭結構，所述的特有光學結構特征是指，在具有常規(guī)結構特點的共性基礎上結構有明顯不同，常規(guī)結構特點的共性基礎包括：存在球面透鏡和孔徑光闌、孔徑光闌前后存在前鏡組和后鏡組、所有鏡組和孔徑光闌均裝在起支撐固定作用的金屬或工程塑料制作的鏡筒內(nèi)、存在由金屬或工程塑料制作的用以保證透鏡或透鏡組間隔的隔圈等零件，以上共性問題，在實施例中省略表述。本發(fā)明光學結構特征是：為了實現(xiàn)鏡頭的二向特性差異，二向異性魚眼鏡頭光學結構內(nèi)部除了具有若干標準的共軸球面透鏡外，還具有工作面為雙二次曲面的若干雙二次曲面透鏡，俗稱輪胎鏡，本實施例為降低成本并降低透鏡加工和光學裝調(diào)難度，最大化簡化工藝，結構內(nèi)采用最為簡單的雙二次曲面透鏡，即柱面透鏡。根據(jù)柱面透鏡的柱面母線所處的弧矢和子午平面的不同來描述，所有柱面透鏡分為弧矢柱面透鏡組和子午柱面透鏡組，每個柱面透鏡組可以是一片透鏡或幾片透鏡，每一片透鏡上至少有一個、最多兩個柱面工作面，透鏡相互之間存在大于等于零的光學間隔，所有含有柱面工作面的柱面透鏡中柱面工作面的中心母線平行者視為一組，即所有柱面工作面的中心母線均分別處于弧矢平面和子午平面內(nèi)，且兩組柱面透鏡組的中心母線相互垂直，而且，所有柱面均處在鏡頭孔徑光闌的相同一側，即，處在距離球幕更近的那一側。圖1中給出了本發(fā)明的規(guī)律性等效原理光學結構圖，其中的a圖是沿子午方向的剖面圖，b圖是沿弧矢方向剖開的剖面圖。本發(fā)明二向異性魚眼鏡頭，采用規(guī)律性等效原理光學結構，用光學理論中″等效″的概念，采用單片等效透鏡替代了透鏡群，從兩個方向描述了等效原理光學結構的特點，包括柱面工作面的分布情況。二向異性魚眼鏡頭距離球幕更近的一側為前，距離放映機芯片更近的一側為后，則，規(guī)律性等效原理光學結構包括一個孔徑光闌和從前至后依次排布的六個功能性透鏡群，在孔徑光闌前有五個透鏡群，孔徑光闌后有一個透鏡群。所述的二向異性魚眼鏡頭，包括由前至后依次排列的第一透鏡群101、第二透鏡群102、第三透鏡群103、第四透鏡群104、第五透鏡群105、孔徑光闌A和第六透鏡群106。進一步將圖1中各個等效透鏡所等效的透鏡群詳細描述，每個透鏡群的特征為：第一透鏡群101為一片透鏡，朝前的工作面為柱面，朝后的工作面為球面，為負焦度；第二透鏡群102，為二至四片透鏡，所有工作面全部為球面；第三透鏡群103，為二至四片透鏡，所有工作面均為柱面或平面；第四透鏡群104，為二至四片透鏡，所有工作面全部為球面；第五透鏡群105，為一至二片透鏡，至少有一個柱面工作面，其余為球面工作面；第六透鏡群106，為三至八片透鏡，所有工作面均為球面或平面，為正焦度；所述的第一透鏡群101和第三透鏡群103中各柱面工作面的母線保持平行，構成弧矢柱面透鏡組；第五透鏡群105中的各柱面工作面的母線保持平行，構成子午柱面透鏡組；第一、第三透鏡群101、103中的柱面工作面的母線和第五透鏡群105中的柱面工作面的母線相互垂直。上述中，圖1中的標識A是鏡頭孔徑光闌，標識B是所采用的數(shù)字放映/投影機的光引擎中棱鏡組的等效模擬平板，(B本不屬于鏡頭結構，但光學計算和像差優(yōu)化需考慮該模擬平板)，標識C是鏡頭的成像面，即數(shù)字投影放映機的芯片所處的位置；其中，第一透鏡群101，主要起增大角放大率和制造焦距差異化的作用；第二透鏡群102，主要起平衡視場相關像差和縮小第一透鏡群通光口徑的作用；第三透鏡群103，主要起制造焦距差異化作用；第四透鏡群104，主要起平衡光闌孔徑A相關像差作用；第五透鏡群105，主要起平衡孔徑光闌A慧差和保障弧矢和子午向具有相同孔徑光闌A直徑的作用；之后設置的孔徑光闌A，用于限定鏡頭通光能力，孔徑光闌A沒有特殊性，在孔徑光闌A后為第六透鏡群106，第六透鏡群，主要起零和各種殘余像差和調(diào)整光學后工作距的作用。本發(fā)明中，根據(jù)對弧矢和子午向焦距值及焦距比的不同要求、根據(jù)鏡頭所匹配的不同技術類型的投影機的光引擎結構參數(shù)的不同情況、根據(jù)具體工程需要的不同指標來確定和配置各個透鏡群的具體透鏡數(shù)量和組成形式；在充分考慮到消像差條件和像質(zhì)要求的前提下，在設計傳統(tǒng)魚眼鏡頭結構和光學設計理論基礎上，進一步將規(guī)律性等效原理光學結構圖1中的各個透鏡群復雜化、具體化，則可以構建滿足某特定需要的鏡頭具體光學結構。為方便描述，以下通過設定一個特定工程需要來說明，設標準的單機位球幕放映/投影系統(tǒng)中，二向異性魚眼鏡頭出瞳位于標準球幕的球心，鏡頭光軸和球幕對稱軸重合，且球幕具有160°的球心角——經(jīng)過球幕對稱軸的平面和球幕邊緣相交所得的兩點分別與球心直線連接形成的夾角，系統(tǒng)采用3DMD類型具有1.38英寸芯片的主流高清數(shù)字放映機，芯片像素數(shù)為4096*2160。根據(jù)以上情況，可知鏡頭的弧矢和子午最大全視場角均為160°，那么，鏡頭設計時的最大弧矢和子午工作視場角就均為80°，也可知芯片的長和寬的尺寸約為31mm和16.35mm，還可知數(shù)字放映/投影機的引擎棱鏡結構與參數(shù)，包括引擎棱鏡材料與厚度，鏡頭后工作距的要求等；在此具體工程中yt＝b/2＝8.17mm，任意取ys＝1.52yt，即，ys＝12.42mm；保持畸變調(diào)節(jié)系數(shù)ks和kt相等，任取ks＝kt＝0.75，則根據(jù)成像公式和以上所給條件，可以確定鏡頭弧矢和子午焦距值，fs＝12.21mm，ft＝8.035mm；可得，相對傳統(tǒng)魚眼鏡頭，本具體應用中鏡頭的像素利用率提高了52％，而像素利用率提升的極限值為約90％；進一步根據(jù)焦距值和光闌前存在柱面透鏡的已知情況，由式fs′＝ft′-d+ds/ns可確定弧矢和子午向的等效光焦度透鏡之間的主面間隔，并以此保證鏡頭弧矢和子午方向具有相同像面位置；式fs′＜fr′＜ft′及各個任意方向均有確定焦距值，保證鏡頭各個方向均有解，也即保證各個任意視場的光線均能正常通過鏡頭光路；在充分考慮到消像差條件，在光學設計理論基礎上，進一步將規(guī)律性等效原理光學結構圖1中的各個透鏡群復雜化、具體化，則可以構建滿足需要的鏡頭具體光學結構，如圖2；圖2是根據(jù)本發(fā)明的規(guī)律性等效原理結構圖1而形成的滿足所設定具體工程使用的具體鏡頭光學結構圖，其中a圖為沿子午方向、b圖為沿弧矢方向剖面視圖，用來說明各個透鏡群的組成情況。圖2中仍就包含一個孔徑光闌和六個透鏡群，從前至后依次排列為：第一透鏡群201，為一片透鏡，朝前的工作面為柱面，朝后的工作面為球面，前后兩方向均負焦度；第二透鏡群202，為三片透鏡，其上所有工作面全部為球面；第三透鏡群203，為三片透鏡，其上所有工作面均為柱面或平面；第四透鏡群204，為四片透鏡，其上所有工作面全部為球面；第五透鏡群205，為一片透鏡，其上的一個工作面為柱面且靠前，另一個工作面為球面；之后設置孔徑光闌A2，孔徑光闌A2沒有特殊性，在孔徑光闌A2后為第六透鏡群206，第六透鏡群206，為正焦度，為七片透鏡，其上所有工作面均為球面或平面。其中的第一透鏡群201和第三透鏡群203中各柱面工作面的母線保持平行，構成弧矢柱面透鏡組；而第五透鏡群205中的柱面工作面的母線保持平行，構成子午柱面透鏡組；第一、第三透鏡群201、203中的柱面工作面的母線和第五透鏡群205中的柱面工作面的母線相互垂直。第二透鏡群202、第三透鏡群203、第四透鏡群204、第六透鏡群206中的各透鏡或獨立或以膠合對的形式存在，取決于像差平衡的需要。第一透鏡群201和第三透鏡群203內(nèi)的標識RI、R8、R9、R10、R11、R12為六個母線平行于弧矢面的柱面工作面，為加工簡便，特將R10、R11處理為平面(平面也可認為是特殊柱面)，第五透鏡群205內(nèi)的標識R19為母線平行于子午面的柱面工作面，圖中未標記的工作面均為標準球面。針對圖2所示的鏡頭光學結構，建立數(shù)據(jù)文件，采用光學專業(yè)常用軟件進行像差校正與平衡、結構優(yōu)化、邊界條件控制，并考慮到數(shù)字放映/投影機引擎棱鏡的影響，得到符合要求的結構詳細數(shù)據(jù)，見表1：表1實施例鏡頭光學結構詳細數(shù)據(jù)(長度單位：mm，弧矢柱面指母線平行弧矢面，子午柱面為母線平行子午面)根據(jù)本發(fā)明，針對某特定工程而具體化的二向異性魚眼鏡頭，其具體光學結構實現(xiàn)過程中所涉及到的如，光學材料的選取、結構參數(shù)的形成、像差優(yōu)化與控制等等問題的細節(jié)處理方法和原則，和設計傳統(tǒng)魚眼鏡頭的處理方法和原則一樣，并沒有特殊性，均符合業(yè)內(nèi)通行慣例。圖3是經(jīng)優(yōu)化處理后的滿足所設定具體工程需要的具體鏡頭光學結構的光路路徑圖，該圖對應表1中數(shù)據(jù)，其中的a、b圖分別是沿子午面、弧矢面剖開的剖面圖。為圖形簡潔易讀，a、b圖中只分別給出了兩個極端視場的光線路徑，圖中還給出了投影機引擎棱鏡設定平板，但制作鏡頭時不包含對該設定平板的制作。見圖4，針對相同應用環(huán)境，本實施例的二向異性魚眼鏡頭和傳統(tǒng)魚眼鏡頭形成的像域?qū)Ρ?。圖中a圖為傳統(tǒng)魚眼鏡頭形成的像域，b圖為二向異性魚眼鏡頭形成的像域，c圖為數(shù)字放映/投影機的芯片DMD。可見b圖二向異性魚眼鏡頭所形成的像域面積明顯大于a圖傳統(tǒng)魚眼鏡頭的像域面積。圖5是本實施例二向異性魚眼鏡頭的傳遞函數(shù)曲線圖。縱軸為尼奎斯特頻率值，橫軸為每毫米的線對數(shù)，表述了二向異性魚眼鏡頭在各個二維視場的光學分辨率水平或解像能力，這些視場包含了弧矢、子午方向以及介于此兩方向之間的任意方向的解像力。根據(jù)本發(fā)明的構思，通過一定簡單變化還可形成其它多宗具體的二向異性魚眼鏡頭光學結構，變化方式為光學設計常用手段，包括對某個透鏡或透鏡群的分裂處理、增加透鏡數(shù)量、把某透鏡的某個平面工作面變化成柱面或雙二次曲面，把柱面工作面變化成更一般性的雙二次曲面，把球面變化成更一般的雙二次曲面；另外，二向異性魚眼鏡頭結構，通過簡單變化結合軟件優(yōu)化過程，可以作為傳統(tǒng)魚眼鏡頭結構使用，這些修改，包括把結構內(nèi)的柱面工作面修改為平面或球面。本發(fā)明的二向異性魚眼鏡頭也可用于對不完整球幕的放映與投影，不完整球幕是指該球幕不是完整球冠，而是球冠的一部分，其正視圖為圓缺。針對不完整球幕的應用，仍需保證鏡頭出瞳位置處于球幕的球心處，但鏡頭光軸需偏離數(shù)字放映/投影機芯片的中心對稱軸，鏡頭的子午向最大像高也應根據(jù)實際情況調(diào)整，而不再等于芯片寬度的一半，而要大于芯片寬度的一半，此時，像素利用率或光能利用率也可以得到大大提升。本發(fā)明二向異性魚眼鏡頭還可以通過針對性改變，而用于球幕影片的拍攝，所做的改變是圍繞常規(guī)性能匹配進行的，其中所涉及的設計理念和本發(fā)明應完全一致。本發(fā)明在規(guī)律性等效原理光學結構基礎上，根據(jù)弧矢和子午向焦距值及焦距比的不同要求、根據(jù)鏡頭所匹配的不同技術類型的投影機的光引擎結構參數(shù)的不同情況、根據(jù)具體工程需要的不同指標和幾何像差平衡要求確定和配置各個透鏡群的具體透鏡數(shù)量和結構參數(shù)，而形成具體的鏡頭光學結構。本發(fā)明二向異性魚眼鏡頭采用了最常用的″等距投影″式非相似成像公式進行了原理說明及闡述，但是，本發(fā)明具備采用其他類型成像公式的潛力，例如，采用魚眼鏡頭光學理論所稱的″等立體角投影″式、″體式投影″式、″正交投影″式等成像公式，而技術方案中的主要步驟、主要方法、等效原理光學結構不變。本發(fā)明除針對弧矢最大像高ys、子午最大像高yt之間的關系ys≥1.5yt進行了原理說明及闡述之外，而當yt≤ys≤1.5yt時，技術方案中所涉及到的其他因素，即主要步驟、主要方法、等效原理光學結構不變，本發(fā)明也同樣成立，只是此時，像素利用率提升幅度不大，使用價值要打折扣。