CN101403816B - 240°视场角超大孔径鱼眼镜头基础结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种240°视场角的鱼眼镜头基本结构，该鱼眼镜头包括七个镜组共十片透镜组合而成。运用本结构形式创造性地将由球面组成(不含非球面)的鱼眼镜头的视场角提升到240°，并保持最大可达F/1.4的通光孔径且其它性能不降低。由于有超大的视场角、较大的相对孔径、超大的反远比和优良的像差匹配，可以在很多应用领域实现单镜头超视角和近乎全空域、海域和地域的拍摄和监视，也可以用于对近似全球的球幕进行形变可控的影像等距离投影和放映，并保证画面的清晰和亮丽。同时，该结构紧凑，成功消除镜片边缘负厚度的弊端，非常易于加工，极具实用意义。

Description

240°视场角超大孔径鱼眼镜头基础结构

技术领域

本发明专利涉及一种最大可达240°视场角超大孔径鱼眼镜头基础结构，具体说就是，使用这种结构形式可以设计出最大240°视场角鱼眼监控、放映、投影、照相、摄影、摄像镜头。该结构形式具有一定的通用性，可满足与胶片或其它光电藕荷器件(CCD、CMOS等)的匹配使用，或用于数字或模拟信号的投影；可用来进行全视场摄影或摄像；也可用于特殊环境(隧道或管道内壁)的探测和监视；还可用于安防和军事的全空域监视。

背景技术

鱼眼镜头是所有光学镜头类别中非常特殊的一种，属fθ镜头，一般用于120°到180°视场环境的拍摄和投影，成像原理为“非相似成像”，即通过引入定量“畸变”，产生大反远比，增加镜头视场。不同的应用领域，鱼眼镜头的结构参数和应用环境参数不同。上世纪七十年代，鱼眼镜头在电影行业首先出现，用来拍摄和放映35mm及70mm胶片的球幕(也称穹幕)电影，从而引发了鱼眼镜头被广泛使用的序幕。

目前市场上的鱼眼镜头包括摄影(摄像)、监控和投影镜头，其视场角都在180°左右，偶尔可见视场角200°以上镜头的相关报道，其镜头的相对孔径也都在D/f′＝1/2.8～1/5.6之间(D为镜头入瞳半径、f′为焦距)，未出现大孔径同时兼大视场角鱼眼镜头原因有三；一是受具体使用要求限制，二是受到设计难度和设计软件的限制，三是即使偶尔发现超大视场角鱼眼镜头结构，其光学像差也得以很好的优化和控制，且大都由于其结构工艺性差而造成价格昂贵或无法量产，而不具有实用意义。随着科学技术的飞速发展、数字图像处理技术的进步、对素材变形处理能力的提高、以及市场对多样化镜头需求的不断出现，促进了对鱼眼镜头设计开发和应用。同时，随着光学设计理论不断取得重大突破，对视场角远远大于180°鱼眼镜头的光学结构像差控制和优化也逐渐成为了可能。本发明在现代几何光学像差理论基础上，通过设计软件的辅助设计并结合人工数学插值分析方法而得以成功研制，经过实际应用检验，效果良好、性能可靠。

发明内容

鉴于现有技术的状况，本发明提供了一种240°视场角超大孔径鱼眼镜头基础结构，其具有在保障大孔径的前提下，进一步相对简化结构，提升鱼眼镜头的视场角，并且通过合理的分配光焦度，使得结构几何尺寸合理，易于加工生产，具有很好的实用意义；同时，该结构具有大反远比、解像能力高的特点。

为实现上述目的，本发明根据鱼眼镜头光学设计理论，从经典光学结构出发，通过大量的数据优化和结构再造，成功设计了可满足绝大多数应用环境，其视场角最大可达240°、相对孔径在D/f′＝1/1.4～1/2.0的一种鱼眼镜头结构形式。本发明的鱼眼镜头基本结构由七个镜组共十片透镜组成；所述七个镜组依次排列有第一镜组、第二镜组、第三镜组、第四镜组、第五镜组、第六镜组、第七镜组；其中：第四镜组包括双凸透镜和负弯月透镜、第五镜组包括负弯月透镜和双凸透镜、第七镜组包括双凸透镜和负弯月透镜是双胶合镜组；而第一镜组、第二镜组、第六镜组是负弯月型的单镜组；第三镜组是双凹型的单镜组；位于第一镜组中的双凸透镜和第六镜组之间设置光栏。

根据本发明的方案，所述第一镜组、第二镜组、第三镜组、第四镜组、第五镜组、第六镜组、第七镜组的光焦度绝对值比依次为1∶3.6∶7.13∶2.26∶5.82∶2.86∶6.13。

根据本发明的方案，所述光栏前镜组光焦度为负，和光焦度为正的后镜组的光焦度比的绝对值为1.55∶1；其后镜组曲率绝对值大的面为胶合面。

根据本发明的方案，所述第一镜组、第二镜组、第三镜组、第四镜组中的双凸透镜和负弯月透镜、第五镜组中的负弯月透镜和双凸透镜、第六镜组、第七镜组中的双凸透镜和负弯月透镜依次采用：冕系、钡冕系、重冕系、重冕系、重火石系、镧冕系、镧冕系、钡冕系、重火石系、钡冕系、重火石系玻璃材料。

根据本发明的方案，该镜头基本结构衍生出的照相、摄像、监控、投影、放映鱼眼镜头其参数范围为：视场角180°～240°；反远比L′/f′＝6～10；相对孔径D/f′＝1/1.4～1/16。

根据本发明的方案，该鱼眼镜头结构按比例缩放适用于全视场角像高直径在1mm～50mm范围的特定鱼眼镜头。

在本发明中，所涉及第一镜组、第二镜组是两个负弯月型透镜，其凸面朝前；第三镜组是一个双凹透镜，曲率绝对值大的面朝后；第六镜组是一个负弯月型透镜，凹面朝前，凸面朝后，起减小前置镜片口径、增加***通光孔径作用。三个双胶合镜组中的第四镜组包括双凸透镜和负弯月透镜、第五镜组包括负弯月透镜和双凸透镜、第七镜组包括双凸透镜和负弯月透镜则分别由双凸透镜和负弯月型透镜胶合而成；三个双胶合组中居中的胶合镜组负弯月型透镜朝前，另两胶合组均为双凸透镜朝前。

根据本发明的特点，在保证相对孔径未减小(最大为D/f′＝1/1.4)的前提下，具有六倍以上的反远比并具有最大240°的全视场角。可以通过对本发明基础结构进行光学焦距缩放，并少许适当调整各主要像差的匹配关系，完全可满足不同应用环境的使用要求。该基础结构适用色光波长范围400nm～730nm。

总之，本发明所具有的积极效果是：运用本结构形式创造性地将由球面组成(不含非球面)的鱼眼镜头的视场角提升到240°，并保持最大可达F/1.4的通光孔径且其它性能不降低。由于有超大的视场角、较大的相对孔径、超大的反远比和优良的像差匹配，可以在很多应用领域实现单镜头超视角和近乎全空域、海域和地域的拍摄和监视，也可以用于对近似全球的球幕进行形变可控的影像等距离投影和放映，并保证画面的清晰和亮丽。同时，该结构紧凑，成功消除镜片边缘负厚度的弊端，非常易于加工，极具实用意义。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是本发明的光线追迹与参考图。

具体实施方式

下面将结合附图实施例，对本发明作进一步说明。

根据图1所示的240°视场角的鱼眼镜头基础结构，是本实施例设计而成的监控镜头。具有七个镜组共十片透镜组成；所述七个镜组依次排列有第一镜组1、第二镜组2、第三镜组3、第四镜组4、第五镜组5、第六镜组6、第七镜组7；其中：第四镜组4、第五镜组5和第七镜组7是双胶合镜组；第一镜组1、第二镜组2、第三镜组3、第六镜组6是单镜组；在本实施例中，所述第一镜组1、第二镜组2是负弯月型透镜，凸面朝前，起加大视场角的作用；第三镜组3是双凹透镜，曲率绝对值大的面朝后；第六镜组6是负弯月型透镜，凹面朝前，凸面朝后，起减小前置镜片口径、增加***通光孔径作用；则双胶合镜组的第四镜组4中包括双凸透镜4-1和负弯月透镜4-2；双胶合镜组的第五镜组5中包括负弯月透镜5-1和双凸透镜5-2；双胶合镜组的第七镜组7中包括双凸透镜7-1和负弯月透镜7-2；位于第七镜组7中的透镜7-1和第六镜组6之间设置光栏A。在本实施例中，所述第一镜组1、第二镜组2、第三镜组3、第四镜组4、第五镜组5、第六镜组6、第七镜组7的光焦度绝对值比依次为1∶3.6∶7.13∶2.26∶5.82∶2.86∶6.13。根据应用特点，所述光栏A前组光焦度为负，和光焦度为正的后组的光焦度比的绝对值为1.55∶1；其中第七镜组7中的负弯月透镜7-2的曲率绝对值大的面为胶合面。所述第一镜组1、第二镜组2、第三镜组3、第四镜组4、第五镜组5、第六镜组6、第七镜组7依次采用：冕系、重冕系、重冕系、重火石系和镧冕系(胶合)、镧冕系和钡冕系(胶合)、重火石系、钡冕系和重火石系(胶合)玻璃材料。在本实施例的应用中，该镜头基本性能参数为：视场角240°；反远比L′/f′＝6.6；相对孔径D/f′＝1/1.4～1/16，适应三分之一英寸CCD或CMOS器件的使用，光学后工作距离为8.6mm，焦距为1.3mm，半像高为1.8mm。

另外，该鱼眼镜头结构可按比例缩放而适用其它尺寸的CCD或CMOS器件，例如四分之一、二分之一、三分之二乃至一英寸，此时，焦距和像高相应按同步缩放，镜头本身的几何尺寸也相应按比例缩放。

还有，如果与镜头匹配的是电影胶片或数字投影机的LCD、CMOS器件，也要对镜头的像高进行调整，去满足胶片或LCD、CMOS的画面尺寸，此时，半视场像高尺寸的范围为6mm～25mm，同时注意调整镜头的后工作距离，使之满足机械安装需要。此种用途的镜头的反远比为7～8，比监控或照相用途的镜头反远比略大。

根据本发明设计而成的一款视场角240°用于1/3英寸靶面彩色CCD的监控鱼眼镜头，该镜头基本参数如下：焦距f′＝1.3mm；相对孔径：D/f′＝1/1.4；全视场角：2ω＝240°；其光学后截距：L′＝8.6mm；镜头光学总长度：L＝60.84mm；镜头最大镜片口径Φ56mm。该结构的像差匹配优良、形式简单，所有光学镜片均为标准球面，所采用光学玻璃材料都是标准常用材料，最大镜片口径和镜片最小边缘厚度都具有很好的工艺性。在此结构形式基础上经简单性能参数的修正就可以用于不同的应用场合，包括拍摄模拟和数字图像、投影和放映球幕画面、无盲点检测和监视重点区域。

图2给出了鱼眼镜头基础结构的光线追迹参考图，本实施例是设计成的监控鱼眼镜头，适用于1/3英寸靶面彩色CCD，光圈范围F/1.4-F/8；最边缘入射下光线和光轴夹角为60°。

Claims (4)

1.一种具有240°视场角的鱼眼镜头基本结构，其特征在于，鱼眼镜头基本结构由七个镜组共十片透镜组成；所述七个镜组依次排列有第一镜组(1)、第二镜组(2)、第三镜组(3)、第四镜组(4)、第五镜组(5)、第六镜组(6)、第七镜组(7)；其中：第四镜组(4)包括双凸透镜(4-1)和负弯月透镜(4-2)、第五镜组(5)包括负弯月透镜(5-1)和双凸透镜(5-2)、第七镜组7包括双凸透镜(7-1)和负弯月透镜(7-2)是双胶合镜组；而第一镜组(1)、第二镜组(2)、第六镜组(6)是负弯月型的单镜组；第三镜组(3)是双凹型的单镜组；位于第一镜组(7)中的双凸透镜(7-1)和第六镜组(6)之间设置光栏A；所述第一镜组(1)、第二镜组(2)、第三镜组(3)、第四镜组(4)、第五镜组(5)、第六镜组(6)、第七镜组(7)的光焦度绝对值比依次为1∶3.6∶7.13∶2.26∶5.82∶2.86∶6.13；所述光栏(A)前镜组光焦度为负，和光焦度为正的后镜组的光焦度比的绝对值为1.55∶1。

2.按权利要求1所述的240°视场角的鱼眼镜头基本结构，其特征在于，所述第一镜组(1)、第二镜组(2)、第三镜组(3)、第四镜组(4)中的双凸透镜(4-1)和负弯月透镜(4-2)、第五镜组(5)中的负弯月透镜(5-1)和双凸透镜(5-2)、第六镜组(6)、第七镜组(7)中的双凸透镜(7-1)和负弯月透镜(7-2)依次采用：冕系或钡冕系、重冕系、重冕系、重火石系、镧冕系、镧冕系、钡冕系、重火石系、钡冕系、重火石系玻璃材料。

3.按权利要求1所述的240°视场角的鱼眼镜头基本结构，其特征在于，该镜头基本结构衍生出的照相、摄像、监控、投影、放映鱼眼镜头其参数范围为：视场角180°～240°；反远比L′/f′＝6～10；相对孔径D/f′＝1/1.4～1/16。

4.按权利要求1所述的240°视场角的鱼眼镜头基本结构，其特征在于，该鱼眼镜头结构按比例缩放适用于全视场角像高直径在1mm～50mm范围的特定鱼眼镜头。

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