广角镜头设计

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1、特广角镜头的预研报告产品所需要的监控成像的专用特广角镜头进行了预研，现将预研结果报告如下：一、问题的提出和技术要求根据介绍，在开发某游戏设备时，其中需要用到摄像头摄取图象以便进行后续的图象识别。根据他们的市场定位，希望摄像头安装的位置越低越好，同时保持效果不变。工作时所需要拍摄的图象如下：提出的技术要求如下：1、被摄物整体面范围尺寸：480x480mm；2、图像传感器：1/4英寸（CMOS），30万像素；3、镜头离被摄物面的位置：480×480mm面的一侧，离边缘50mm以内，高度为250mm之内；4、图像清晰度：能分辨物面上

2、1mm的细节；5、图像校正畸变：无梯形失真，线性畸变小于5%对矩形网格成像无变形；6、景深大于5mm，离镜头近的物体与远的物体成像清晰度无差别；7、镜片个数：3-5片，（含玻璃和塑料两种透镜）外壳为塑料，安装方式为螺纹连接；8、成品单价：成本低廉，在大规模供货时（每月10K以上），每只镜头8成品（包括所有镜片及外壳）批发单价10元人民币以下。二、解决问题的几种途径1.用普通的摄像镜头用普通的摄像镜头拍摄画面的话，由于普通镜头视场角太小，同时由于镜头处在被摄面的边缘会产生很大的畸变，尤其是梯形畸变，如下图所示：2用倾斜CMOS成

3、像面的办法消除畸变用普通的摄像镜头对准画面中心，由于镜头光轴和被摄面不垂直，会产生很大的固有畸变，这样的畸变，可以用倾斜CMOS成像面的办法消除，如下图所示：88用这样的办法，虽然能消除畸变，但是由于整个光学系统失去了轴对称，像差校正困难，造成像面模糊，无法识别细节。3用传统的球面特广角镜头成像由于非轴对称的光学系统难于校正像差，所以只有采用轴对称的光学系统的才能解决问题。所谓特广角镜头，是指视场角超过90度的广角镜头，在设计上有很大难度。广角镜头的畸变很大，为了消除畸变，镜头往往需要十多片镜片组成（如下图），它的成本很高，无

4、法推广。另一种消除畸变的球面广角镜头，是对称设计的镜头，从光学理论可知结构对称的镜头可以自动消除畸变。但是由于本镜头的焦距很小(约为1~2mm)，对称设计的结果造成后截距很短(约在0.05mm)，装配调整困难，并且透镜的表面曲率半径很小，在1mm以下，这样小的半径在模具制造和注塑工艺上都十分困难，甚至无法加工，该方案的光学原理如下：8三、非球面特广角镜头的设计分析按照上述分析，本系统必须是一种新型的非球面的特广角镜头。为了降低成本可以使用光学塑料非球面透镜。根据目前调查，国内这方面的技术已经成熟。为了使所设计的光学系统的光轴能

5、够和被摄物面垂直，必须使视场扩大一倍，并且将成像的CMOS芯片偏轴放置，如下所示：图中O是镜头的光轴，OA是被摄面，已知OA=480mm，Lens到O点的距离为250mm。由于图像传感器是1/4英寸的CMOS芯片，而该芯片的尺寸3.2x2.4mm左右，也就是说需要将480x480mm物面成像在3.2x2.4mm的CMOS面上，所以该镜头的放大率m就是：m=-2.4/480=-0.005放大率m前的负号代表系统成倒像。8设物象共轭距为D，D=250mm，根据几何光学上焦距和放大倍率的关系：f=-Dm/（m-1）^2所以,镜头的焦

6、距就是:f=250*0.005/1.005^2=1.238mm这样的焦距，是非常短的,因此镜头的视场也非常大，视场角和焦距的关系是：tanw=y”/f这里w为镜头的半视场角，f是焦距，y是成像面的对角线的一半。Y=Sqr（2.4^2+2.4^2）=3.394所以tanw=y”/f=3.394/1.238=2.741w=70°2w=70°总的视场角已经达到140°，这说明本系统是一个特广角的摄像光学系统。设计这样的系统有多种方案，经过预设计，作者认为：采用反远摄系统为好。反远摄物镜也称为广角长工作距离物镜。普通的镜头，它的工作距

7、离短于焦距，约为0.6-0.8倍焦距左右，由于本系统的焦距很短，只有1.238mm，为了增加它的工作距离，方便安装调整，只能采用反远摄系统的光学结构。反远距系统的基本结构，采用负正透镜分离的型式，负光焦度的透镜组做为前组，正光焦度的透镜组做为后组，光线经前组发散后，被后组成像在CMOS面上，其大致的结构可表示如下：普通的反远距系统的结构是比较复杂的，至少在5-7片，为了降低成本，需要将镜片数目控制在3-5片，这样就要采用非球面等最新技术。非球面和球面最大的区别在于表面的形状。球面是最简单的二次曲面，标准的二次曲面的方程式为：8

8、其中，c为表面的曲率（半径所对应的），r是矢径方向的坐标，k为圆锥系数。对于双曲线k小于–1，对于抛物线k为–1，对于椭圆k在–1到0之间，对于球面k为0。Z为光轴方向的矢高。对于z而言，标准的二次曲面的最高次数为2。轴对称多项式非球面可用球面（或标准的二次曲面）再附加高次的