魚眼鏡頭光學系統的優化方法

牛智全++呂麗軍

摘要：

在魚眼鏡頭成像系統中，光線以很大的入射角打在前組透鏡表面時往往會造成嚴重的像差，為了壓縮超大視場角，提出應用非球面前組負彎月型透鏡來控制魚眼鏡頭系統的像差。基于光學前組具有平面對稱的成像特性，應用平面對稱光學系統像差理論發展的評價函數，對非球面系數及其他的系統結構參數進行優化設計。應用評價函數及Zemax光線追跡成像模擬對優化系統進行評估。研究表明，應用非球面組負彎月型透鏡能夠顯著地提高魚眼鏡頭的成像質量。

關鍵詞：

光學設計； 魚眼鏡頭； 平面對稱； 非球面； 像差

中圖分類號： TH 744文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.007

引言

魚眼鏡頭系統是一種超大視場角的光學成像系統，其視場角可以達到180°甚至270°，可以攝取普通鏡頭無法比擬的場景。魚眼鏡頭光學系統通常由壓縮視場角的前組負彎月型透鏡和后組物鏡組成，由于結構的復雜性，高質量的魚眼鏡頭設計和制造比較困難。賽德爾像差理論主要適用于軸對稱光學系統的像差分析，但對于魚眼鏡頭光學系統的超大視場物點成像，光線以很大入射角（可能大于80°）打在其前組負彎月型透鏡上，造成比較嚴重的像差。光線經前組光學系統成像后在子午和弧矢平面內的聚焦及波陣面參數可能完全不一致，成像具有平面對稱而不是軸對稱光學系統的特性，賽德爾像差不再適用于此類光學系統的成像分析。

目前，Lu等應用波像差的方法發展了普遍的平面對稱光學系統的像差理論[35]；并基于平面對稱光學系統像差理論發展了超大視場光學系統的優化設計方法[67]。本文在這些工作基礎上，針對魚眼鏡頭前組光學系統的成像特點，基于平面對稱光學系統像差理論，采用非球面前組光學系統設計，有效地抑制系統的像差，達到優化魚眼鏡頭成像的目的。

3結論

在光學系統中應用非球面可以改進光學成像質量，但如何有效地應用非球面控制系統的像差仍然是個有待研究的問題，畢竟非球面的運用會增加制造成本。本文針對魚眼鏡頭的結構特點，設計非球面前組光學透鏡來有效控制光學系統的像差，并應用平面對稱光學系統的像差理論來優化魚眼鏡頭系統的像

差。這個思路在目前研究魚眼鏡頭的文獻報道及專利中都沒有得到體現。數值分析結果證實了我們的優化方法是有效的。

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（編輯：程愛婕）