高品质全景镜头的光学设计

李伟娜 联创电子有限公司

高品质全景镜头的光学设计

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随着社会的进步，光学事业的蓬勃发展，今天社会生活中需要记录与回忆，全景摄像头的需求越来越多。全景摄像头的光学设计的要求也越来越高。人们需要在平台上交流，想要更直观，捕获信息更全面，无论是远程会议还是旅游休闲等等，人们希望一键式的录入最完整的信息量，但在进行全面设计控制的过程中，依旧会面临很多问题。因此，为了能够从整体上得到良好的光学控制效果，需要对全景镜头的光学设计进行详细的评估与模拟分析。本文主要针对全景镜头的光学设计进行相应的分析，并提出了相应的优化措施和未来发展方向。

全景 光学设计 镜头

为了能够使得全景成像效果更加显著，在光学成像系统的设计上要尽力校正以往常规镜头没有的大像差问题，为了得到清晰的成像品质，光学和电子图像处理必须做到良好的配合，不浪费镜头的分辨率，让图像真实的还原镜头的品质，让人们最大化的捕捉生动的信息。

一个好的全景系统，需要一个好的光学设计基础，加上灵敏的芯片配合显像，以及完美的拼接算法，最后呈现给人们是一个完整的，真实的，高品质的记录信息。

1 全景镜头体系设计

1.1 拼接的原理

传感器镜头在进行全景的取景中起着至关重要的作用。现在全景类的镜头所配合的芯片很多像素已经达到1200万甚至以上。在成像的质量上，需要利用高质量的全景设计体系让整体镜头更加清晰。一般采用尺寸较大的芯片，CCD 或CMOS 均可，越来越多的厂商选用CMOS代替CCD,，常规要求最好大于1/3“靶面尺寸，CCD/CMOS面积越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越高。在芯片中截圆的方式进行光学设计以及图像处理，高品质的成像一般要求双芯片进行拼接处理成像。

同时就要求采用双镜头拼接成360度全景的方式进行电子图像处理，单颗镜头为了得到好的拼接效果，视场角度一般大于200度，相当于一颗鱼眼镜头。

1.2 光学设计的关键点

超大广角镜头，由于视场角度过大，必然引起较大的像差，常规的球面镜片很难校正，随着现代冷加工工艺的提高，非球面技术的日益成熟，往往采用玻璃模压非球面镜片或者塑料成型非球面技术，有效地校正各种轴上轴外像差。特别是F-THETA畸变的问题，周边视场的压缩比过小时会导致拼接无法有效进行，非球面的加入，可以有效的控制F-THETA的数值，达到最大的压缩比小于2：1，图像拼接时可以准确对准像素点，得到理想的拼接效果。玻璃非球面的选用，可以体现出玻璃的稳定性，有效提高解像品质，但成本较高， 塑料非球面的选用，可以有效减小整个系统的体积和重量，但化学稳定性不好，环境温度影响较为敏感，对光学设计要求更高，要进行细致的温度补偿分析与设计，加工工艺也比较复杂，但随着需求的增大，成本非常低。塑胶镜片随温度的变化，折射率变化非常大，为了有效的补偿折射率在不同温度下的变化量，必须要求设计人员采用多组正负光角度不同的镜片进行适当补偿，但塑胶非球面的数量也不宜使用过多，因为塑胶镜片的折射率太低，这就非常考验设计人员的设计能力了。

目前行业内的拼接图像往往有明显的拼接痕，为了解决这个问题，对于光学系统的要求就非常苛刻，既要有足够的像高余量，又要保证周边视场的相对照度要足够高。 本身这就是矛盾的指标，这就要求光学设计人员不断的去选型，平衡各个因素之间的关系。

2 全景镜头的发展趋势

由于全景的应用场合越来越广泛，对于小型化的要求也越来越明显，目前全景镜头多采用背靠背的方式，即两颗镜头头部朝两个相反方向放置，每一颗有自己的独立芯片，然后再将两个芯片固定，每一颗可以独立成像， 但这样会浪费一定的空间，体积比较大。更简化的方式是加入棱镜在光学系统中，有效的减少空间尺寸， 但同样棱镜的加入对于设计而言会带来新的设计难题，棱镜本身需要足够的空间来定位，对于装配的精度也有一定的要求。对于棱镜的入射出射角度都有明确的要求，它的放置位置选取需要设计师仔细斟酌与尝试。

另外玻璃棱镜的加工成本还是比较高的，节省整体空间的同时会增加直接成本。所以也可以考虑用塑胶棱镜进行代替。为了减小镜头的长度，未来非球面的应用会越来越多，玻璃非球面的加工工艺性面临严峻的考验，目前成熟的工艺主要掌握在日本几个知名大企业的手里，国内的技术还不稳定，并且很难大批量生产，所以价格一直居高不下，产能不足，加工精度也有待提升。如果未来非球面的加工水平可以和目前的冷加工一样，那光学设计的空间还有很大。

随着夜生活的丰富多彩，无论是安防监控领域还是夜间拍摄领域，都开始要求夜间的拍摄像质量， 对于全景镜头来说加入日夜共焦系统也会是一个发展方向和挑战，众所周知，做日夜共焦必然会影响白天的成像质量，评价日夜共焦系统的好坏就是要看平衡性，即可见光和红外光的最佳合焦点是否一致，好的设计可以尽可能的让两个焦点保持在同一个位置，而且保证不要牺牲过多的可见光像质。 为了能实现这样一个理想的状态，不仅仅是光学设计人员要坚持不懈地探索努力寻找出更合理的设计，也对新材料，新工艺提出了更高的要求。

[1]刘言;韩敏;居荣兵;康廉洁;朱佳巍;丁桂林。运动数码摄像机鱼眼镜头的设计与实例。来源：《激光与光电子学进展》2016年第08期