高品質全景鏡頭的光學設計

李偉娜 聯創電子有限公司

高品質全景鏡頭的光學設計

李偉娜 聯創電子有限公司

隨著社會的進步，光學事業的蓬勃發展，今天社會生活中需要記錄與回憶，全景攝像頭的需求越來越多。全景攝像頭的光學設計的要求也越來越高。人們需要在平臺上交流，想要更直觀，捕獲信息更全面，無論是遠程會議還是旅游休閑等等，人們希望一鍵式的錄入最完整的信息量，但在進行全面設計控制的過程中，依舊會面臨很多問題。因此，為了能夠從整體上得到良好的光學控制效果，需要對全景鏡頭的光學設計進行詳細的評估與模擬分析。本文主要針對全景鏡頭的光學設計進行相應的分析，并提出了相應的優化措施和未來發展方向。

全景 光學設計 鏡頭

為了能夠使得全景成像效果更加顯著，在光學成像系統的設計上要盡力校正以往常規鏡頭沒有的大像差問題，為了得到清晰的成像品質，光學和電子圖像處理必須做到良好的配合，不浪費鏡頭的分辨率，讓圖像真實的還原鏡頭的品質，讓人們最大化的捕捉生動的信息。

一個好的全景系統，需要一個好的光學設計基礎，加上靈敏的芯片配合顯像，以及完美的拼接算法，最后呈現給人們是一個完整的，真實的，高品質的記錄信息。

1 全景鏡頭體系設計

1.1 拼接的原理

傳感器鏡頭在進行全景的取景中起著至關重要的作用。現在全景類的鏡頭所配合的芯片很多像素已經達到1200萬甚至以上。在成像的質量上，需要利用高質量的全景設計體系讓整體鏡頭更加清晰。一般采用尺寸較大的芯片，CCD 或CMOS 均可，越來越多的廠商選用CMOS代替CCD,，常規要求最好大于1/3“靶面尺寸，CCD/CMOS面積越大，捕獲的光子越多，感光性能越好，信噪比越高。在芯片中截圓的方式進行光學設計以及圖像處理，高品質的成像一般要求雙芯片進行拼接處理成像。

同時就要求采用雙鏡頭拼接成360度全景的方式進行電子圖像處理，單顆鏡頭為了得到好的拼接效果，視場角度一般大于200度，相當于一顆魚眼鏡頭。

1.2 光學設計的關鍵點

超大廣角鏡頭，由于視場角度過大，必然引起較大的像差，常規的球面鏡片很難校正，隨著現代冷加工工藝的提高，非球面技術的日益成熟，往往采用玻璃模壓非球面鏡片或者塑料成型非球面技術，有效地校正各種軸上軸外像差。特別是F-THETA畸變的問題，周邊視場的壓縮比過小時會導致拼接無法有效進行，非球面的加入，可以有效的控制F-THETA的數值，達到最大的壓縮比小于2：1，圖像拼接時可以準確對準像素點，得到理想的拼接效果。玻璃非球面的選用，可以體現出玻璃的穩定性，有效提高解像品質，但成本較高， 塑料非球面的選用，可以有效減小整個系統的體積和重量，但化學穩定性不好，環境溫度影響較為敏感，對光學設計要求更高，要進行細致的溫度補償分析與設計，加工工藝也比較復雜，但隨著需求的增大，成本非常低。塑膠鏡片隨溫度的變化，折射率變化非常大，為了有效的補償折射率在不同溫度下的變化量，必須要求設計人員采用多組正負光角度不同的鏡片進行適當補償，但塑膠非球面的數量也不宜使用過多，因為塑膠鏡片的折射率太低，這就非常考驗設計人員的設計能力了。

目前行業內的拼接圖像往往有明顯的拼接痕，為了解決這個問題，對于光學系統的要求就非常苛刻，既要有足夠的像高余量，又要保證周邊視場的相對照度要足夠高。 本身這就是矛盾的指標，這就要求光學設計人員不斷的去選型，平衡各個因素之間的關系。

2 全景鏡頭的發展趨勢

由于全景的應用場合越來越廣泛，對于小型化的要求也越來越明顯，目前全景鏡頭多采用背靠背的方式，即兩顆鏡頭頭部朝兩個相反方向放置，每一顆有自己的獨立芯片，然后再將兩個芯片固定，每一顆可以獨立成像， 但這樣會浪費一定的空間，體積比較大。更簡化的方式是加入棱鏡在光學系統中，有效的減少空間尺寸， 但同樣棱鏡的加入對于設計而言會帶來新的設計難題，棱鏡本身需要足夠的空間來定位，對于裝配的精度也有一定的要求。對于棱鏡的入射出射角度都有明確的要求，它的放置位置選取需要設計師仔細斟酌與嘗試。

另外玻璃棱鏡的加工成本還是比較高的，節省整體空間的同時會增加直接成本。所以也可以考慮用塑膠棱鏡進行代替。為了減小鏡頭的長度，未來非球面的應用會越來越多，玻璃非球面的加工工藝性面臨嚴峻的考驗，目前成熟的工藝主要掌握在日本幾個知名大企業的手里，國內的技術還不穩定，并且很難大批量生產，所以價格一直居高不下，產能不足，加工精度也有待提升。如果未來非球面的加工水平可以和目前的冷加工一樣，那光學設計的空間還有很大。

隨著夜生活的豐富多彩，無論是安防監控領域還是夜間拍攝領域，都開始要求夜間的拍攝像質量， 對于全景鏡頭來說加入日夜共焦系統也會是一個發展方向和挑戰，眾所周知，做日夜共焦必然會影響白天的成像質量，評價日夜共焦系統的好壞就是要看平衡性，即可見光和紅外光的最佳合焦點是否一致，好的設計可以盡可能的讓兩個焦點保持在同一個位置，而且保證不要犧牲過多的可見光像質。 為了能實現這樣一個理想的狀態，不僅僅是光學設計人員要堅持不懈地探索努力尋找出更合理的設計，也對新材料，新工藝提出了更高的要求。

[1]劉言;韓敏;居榮兵;康廉潔;朱佳巍;丁桂林。運動數碼攝像機魚眼鏡頭的設計與實例。來源：《激光與光電子學進展》2016年第08期