广角镜头设计分析.pdf

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） ，每只镜头成品（包括所有镜 2 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： 3 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 4 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 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 12mm )，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： 5 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。 6 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 ,镜头的焦距就是: f=250*0.005/1.0052= 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： tan w=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（2.42+2.42 ）=3.394 所以tan w=y” /f = 3.394/1.238=2.741 w =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： 7 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。其表面的矢高由下式给出： 可见， 高次非球面比标准的二次曲面多了1 、2 、3、 4 、5 、6 、7 、8 八 个参数，对校正像差就是多了八个自由度，从而可以消除畸变等失真。 但是非球面，尤其是高次非球面的加工是令人棘手的问题。玻璃非球面的加工成本十分 昂贵， 无法达到本项目的低成本的要求。可喜的是， 光学塑料非球面技术目前已经比较成熟。 在采用光学塑料非球面技术时，面形陡度是制造工艺成败的关键。如果表面面形很陡，模具 很难加工，注塑也很困难，如下图的结构，第一片用光学塑料非球面，由于表面面形太陡， 以至无法加工成形。所以在设计时必须注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该小于60 度。 16 8 14 7 12 6 10 5 8 4 6 3 4 2 2 1 22 2 )1 (11 rrrrrrrr rck cr z 22 2 )1(11rck cr z 8 为了在设计中控制面形陡度，有必要多采用几片镜片或多用几个非球面，对于本系统 而言，采用3 个高次非球面是必要的。 采用本方案的理由是： 1为达到140 度的特广角视场和一定的后截距，必须要采用特广角的光学结构形式； 2为控制成本，必须在光学结构中采用塑料非球面，以减少透镜的片数； 3在背投式电视光学镜头的设计中，本人对采用塑料非球面透镜消除畸变，已经有 了成功的先例，这次通过精心设计，可以达到委托方提出的消除畸变的要求； 4国内非球面塑料透镜的加工工艺已经成熟，为采用本方案奠定了基础。 预计结果： 采用本方案能达到预定的技术要求，并能进行大量生产，满足市场的需要。 加工单位的寻找： 国内非球面塑料透镜的加工单位很多，如杭州照相机械研究所，杭州中新光学技术公 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达到本设计所需的要求。 加工的周期及成功率： 加工的关键在于非球面的模具制造，其中的型芯需要到境外加工，费用较大， 因为具 体单位的收费情况不同，每个型芯的加工价格在几千元左右。总的模具费用在2-3 万元左右。 模具的加工周期在两个月左右，试模和出样时间在一个月左右。按照常规出样以后，得修模 1-2 次，以达到要求。只要设计和工艺合理，成功的把握在90%以上。 设计步骤： 1.确定前后组元的光焦度分配； 2.确定前后组元的光学结构和所用的材料； 3.优化各个透镜的结构参数； 4.工艺审查； 5交甲方审核。