广角镜头设计

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展了预研，现将预研结果报告如下：一、问题的提出和技术要求依据介绍，在开发某玩耍设备时，其中需要用到摄像头摄取图象以便进展后续的图象识别。依据他们的市场定位，期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、被摄物整风光范围尺寸：480x480mm；2、1/4英寸CMO，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；41mm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；65mm，离镜头近的物体与远的物体成像清楚度无差异；7、3-5〔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：本钱低廉，在大规模供货时〔每月10K以上，每只镜头成品〔包括全部镜1片及外壳〕10元人民币以下。二、解决问题的几种途径1. 用一般的摄像镜头用一般的摄像镜头拍摄画面的话，由于一般镜头视场角太小，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，如以下图所示：2 用倾斜CMOS成像面的方法消退畸变用一般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成像面的方法消退，如以下图所示：2用这样的方法，虽然能消退畸变，但是由于整个光学系统失去了轴对称，像差校正困3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，所以只有承受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，为了消退畸变，镜头往往需要十多片镜片组成〔如以下图法推广。另一种消退畸变的球面广角镜头，是对称设计的镜头，从光学理论可知构造对称的镜头可以自动消退畸变。但是由于本镜头的焦距很小(1~2mm)，对称设计的结果造成后截距很短(0.05mm)，装配调整困难，并且透镜的外表曲率半径很小，在1mm以下，4三、非球面特广角镜头的设计分析依据上述分析，本系统必需是一种型的非球面的特广角镜头。为了降低本钱可以使用光学塑料非球面透镜。依据目前调查，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够和被摄物面垂直，必需使视场扩大一倍，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，OA=480mm，Lens到O点的距离为250mm。1/4CMOS3.2x2.4mm左右，也就480x480mm3.2x2.4mm的CMOSm就是：m=-2.4/480=-0.005放大率m前的负号代表系统成倒像。5设物象共轭距为D，D=250mm，依据几何光学上焦距和放大倍率的关系：f=-Dm/〔m-1〕^2所以,镜头的焦距就是: f=250*0.005/1.005^2=1.238mm这样的焦距，是格外短的,因此镜头的视场也格外大，视场角和焦距的关系是：tanw=y”/fw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=2.741 w=70°2w=70°总的视场角已经到达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：承受反远摄系统为好。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，便利安装调整，只能承受反远摄系统的光学构造。反远距系统的根本构造，承受负正透镜分别的型式，负光焦度的透镜组做为前组，CMOS面上，其大致的构造可表示如下：一般的反远距系统的构造是比较简单的，至少在5-7片，为了降低本钱，需要将镜3-5片，这样就要承受非球面等最技术。面的方程式为：61 1(11 1(1k)c2r2c为外表的曲率〔半径所对应的，rkk小于–1，对于抛物线k为–1，对于椭圆k在–10之间，对于球面k0。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〕再附加高次的多项式来表示。偶次非球面只用径向坐标的偶次幂来描述。其外表的矢高由下式给出：1 1(11 1(1k)c2r2

1

2

3

r84

r106

r127

r148

r16α、α、αα、α、α、α、α八1 2 3 4 5 6 7 8个参数，对校正像差就是多了八个自由度，从而可以消退畸变等失真。但是非球面，尤其是高次非球面的加工是令人麻烦的问题。玻璃非球面的加工本钱格外在承受光学塑料非球面技术时，面形陡度是制造工艺成败的关键。假设外表面形很陡，模具很难加工，注塑也很困难，如以下图的构造，第一片用光学塑料非球面，由于外表面形太陡，以至无法加工成形。所以在设计时必需留意面形的加工工艺性。一般而言，非球面曲线上的任何一点的切线和光轴垂直线的夹角应当小于60度。73个高次非球面是必要的。承受本方案的理由是：为到达140度的特广角视场和肯定的后截距为掌握本钱，必需在光学构造中承受塑料非球面，以削减透镜的片数；在背投式电视光学镜头的设计中，本人对承受塑料非球面透镜消退畸变，已经有了成功的先例，这次通过细心设计，可以到达托付方提出的消退畸变的要求；国内非球面塑料透镜的加工工艺已经成熟，为承受本方案奠定了根底。估量结果：承受本方案能到达预定的技术要求，并能进展大量生产，满足市场的需要。加工单位的查找：司，浙江舜宇集团，凤凰光学集团，河南中光学集团，福建厦门玉晶光学公司〔台资〕等等，他们的模具制造技术，镜片注塑料技术都能到达本设计所需的要求。加工的周期及成功率：2-3万元左右。模具