高品質(zhì)全景鏡頭的光學(xué)設(shè)計(jì)

李偉娜 聯(lián)創(chuàng)電子有限公司

高品質(zhì)全景鏡頭的光學(xué)設(shè)計(jì)

李偉娜 聯(lián)創(chuàng)電子有限公司

隨著社會(huì)的進(jìn)步，光學(xué)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，今天社會(huì)生活中需要記錄與回憶，全景攝像頭的需求越來(lái)越多。全景攝像頭的光學(xué)設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。人們需要在平臺(tái)上交流，想要更直觀，捕獲信息更全面，無(wú)論是遠(yuǎn)程會(huì)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(jìn)行全面設(shè)計(jì)控制的過(guò)程中，依舊會(huì)面臨很多問(wèn)題。因此，為了能夠從整體上得到良好的光學(xué)控制效果，需要對(duì)全景鏡頭的光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估與模擬分析。本文主要針對(duì)全景鏡頭的光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的分析，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施和未來(lái)發(fā)展方向。

全景 光學(xué)設(shè)計(jì) 鏡頭

為了能夠使得全景成像效果更加顯著，在光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上要盡力校正以往常規(guī)鏡頭沒(méi)有的大像差問(wèn)題，為了得到清晰的成像品質(zhì)，光學(xué)和電子圖像處理必須做到良好的配合，不浪費(fèi)鏡頭的分辨率，讓圖像真實(shí)的還原鏡頭的品質(zhì)，讓人們最大化的捕捉生動(dòng)的信息。

一個(gè)好的全景系統(tǒng)，需要一個(gè)好的光學(xué)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，加上靈敏的芯片配合顯像，以及完美的拼接算法，最后呈現(xiàn)給人們是一個(gè)完整的，真實(shí)的，高品質(zhì)的記錄信息。

1 全景鏡頭體系設(shè)計(jì)

1.1 拼接的原理

傳感器鏡頭在進(jìn)行全景的取景中起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)在全景類的鏡頭所配合的芯片很多像素已經(jīng)達(dá)到1200萬(wàn)甚至以上。在成像的質(zhì)量上，需要利用高質(zhì)量的全景設(shè)計(jì)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(lái)越多的廠商選用CMOS代替CCD,，常規(guī)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(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)以及圖像處理，高品質(zhì)的成像一般要求雙芯片進(jìn)行拼接處理成像。

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

1.2 光學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

超大廣角鏡頭，由于視場(chǎng)角度過(guò)大，必然引起較大的像差，常規(guī)的球面鏡片很難校正，隨著現(xiàn)代冷加工工藝的提高，非球面技術(shù)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(shù)，有效地校正各種軸上軸外像差。特別是F-THETA畸變的問(wèn)題，周邊視場(chǎng)的壓縮比過(guò)小時(shí)會(huì)導(dǎo)致拼接無(wú)法有效進(jìn)行，非球面的加入，可以有效的控制F-THETA的數(shù)值，達(dá)到最大的壓縮比小于2：1，圖像拼接時(shí)可以準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)像素點(diǎn)，得到理想的拼接效果。玻璃非球面的選用，可以體現(xiàn)出玻璃的穩(wěn)定性，有效提高解像品質(zhì)，但成本較高， 塑料非球面的選用，可以有效減小整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量，但化學(xué)穩(wěn)定性不好，環(huán)境溫度影響較為敏感，對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)要求更高，要進(jìn)行細(xì)致的溫度補(bǔ)償分析與設(shè)計(jì)，加工工藝也比較復(fù)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(bǔ)償折射率在不同溫度下的變化量，必須要求設(shè)計(jì)人員采用多組正負(fù)光角度不同的鏡片進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償，但塑膠非球面的數(shù)量也不宜使用過(guò)多，因?yàn)樗苣z鏡片的折射率太低，這就非常考驗(yàn)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)能力了。

目前行業(yè)內(nèi)的拼接圖像往往有明顯的拼接痕，為了解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)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(chǎng)的相對(duì)照度要足夠高。 本身這就是矛盾的指標(biāo)，這就要求光學(xué)設(shè)計(jì)人員不斷的去選型，平衡各個(gè)因素之間的關(guān)系。

2 全景鏡頭的發(fā)展趨勢(shì)

由于全景的應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越廣泛，對(duì)于小型化的要求也越來(lái)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(gè)相反方向放置，每一顆有自己的獨(dú)立芯片，然后再將兩個(gè)芯片固定，每一顆可以獨(dú)立成像， 但這樣會(huì)浪費(fèi)一定的空間，體積比較大。更簡(jiǎn)化的方式是加入棱鏡在光學(xué)系統(tǒng)中，有效的減少空間尺寸， 但同樣棱鏡的加入對(duì)于設(shè)計(jì)而言會(huì)帶來(lái)新的設(shè)計(jì)難題，棱鏡本身需要足夠的空間來(lái)定位，對(duì)于裝配的精度也有一定的要求。對(duì)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(shè)計(jì)師仔細(xì)斟酌與嘗試。

另外玻璃棱鏡的加工成本還是比較高的，節(jié)省整體空間的同時(shí)會(huì)增加直接成本。所以也可以考慮用塑膠棱鏡進(jìn)行代替。為了減小鏡頭的長(zhǎng)度，未來(lái)非球面的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，玻璃非球面的加工工藝性面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，目前成熟的工藝主要掌握在日本幾個(gè)知名大企業(yè)的手里，國(guó)內(nèi)的技術(shù)還不穩(wěn)定，并且很難大批量生產(chǎn)，所以價(jià)格一直居高不下，產(chǎn)能不足，加工精度也有待提升。如果未來(lái)非球面的加工水平可以和目前的冷加工一樣，那光學(xué)設(shè)計(jì)的空間還有很大。

隨著夜生活的豐富多彩，無(wú)論是安防監(jiān)控領(lǐng)域還是夜間拍攝領(lǐng)域，都開始要求夜間的拍攝像質(zhì)量， 對(duì)于全景鏡頭來(lái)說(shuō)加入日夜共焦系統(tǒng)也會(huì)是一個(gè)發(fā)展方向和挑戰(zhàn)，眾所周知，做日夜共焦必然會(huì)影響白天的成像質(zhì)量，評(píng)價(jià)日夜共焦系統(tǒng)的好壞就是要看平衡性，即可見(jiàn)光和紅外光的最佳合焦點(diǎn)是否一致，好的設(shè)計(jì)可以盡可能的讓兩個(gè)焦點(diǎn)保持在同一個(gè)位置，而且保證不要犧牲過(guò)多的可見(jiàn)光像質(zhì)。 為了能實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)理想的狀態(tài)，不僅僅是光學(xué)設(shè)計(jì)人員要堅(jiān)持不懈地探索努力尋找出更合理的設(shè)計(jì)，也對(duì)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(yùn)動(dòng)數(shù)碼攝像機(jī)魚眼鏡頭的設(shè)計(jì)與實(shí)例。來(lái)源：《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》2016年第08期