鱼眼镜头的光学系统设计

    鱼眼镜头［1］，也叫全景镜头，是一种极端的广角镜头，为使镜头达到最大的摄影视角，这种摄影镜头的前镜片直径且呈抛物状向镜头前部凸出，与鱼的眼睛颇为相似，“鱼眼镜头”因此得名． 鱼眼镜头属于超广角镜头中的一种特殊镜头，它的视角力求达到或超出人眼所能看到的范围．

    鱼眼镜头主要用于制作基于现实场景的全景图像，广泛用于娱乐、房地产、博物馆、学校等机构的宣传及展示项目，亦可见于谷歌地图的街景功能．

    目前，高质量的鱼眼镜头主要是国外的品牌，价格都非常昂贵; 而价格低廉的国内同类产品质量又往往较差，难以满足消费者的需求． 所以对民用鱼眼镜头的设计研究一直都是光学设计领域的热点之一［2 －4］．

    本文设计了全视场角为 172°的可见光波段的鱼眼镜头，讨论了鱼眼镜头光学系统各种像差曲线和光学传递函数．

    1 结构与原理

    鱼眼镜头的结构一般是由 8 ～ 11 片镜片组成，常见的有: 7 组 8 片式结构 ( 即第 1 片与第2 片都是负透镜，后组由5 组6 片共同构成一个正光组，在光阑附近设有内置滤光镜) ，8 组10 片式结构 ( 即前1、2、3 组都是凹透镜，第 4 组是弯月型凸透镜，第 4 组之后为滤光镜，之后为第 5 组凸透镜，再之后便是双胶合透镜组 6 和 7，最后就是第 8 组凸透镜) ，如图 1 所示 ( 从左至右依次为 1 ～ 8组透镜) ．

    鱼眼镜头前端第 1 片透镜的前表面向前鼓出，第 1 片透镜的前顶点超过镜筒，好像鼓起的金鱼眼． 由光的折射规律［5］可知，光线在传播过程中，在两种媒质界面处要折射，当光由光疏介质到光密介质时，由空气到水，则折射角 r 必小于入射角 i ( 如图 2所示) ． 因此，当光线掠入射 ( i = 90°) 时，折射光线也必定折向水中． 如果水中有鱼，折射光线可达到鱼眼中，也就是说水中鱼可以看到空气中 180°范围内的物体，即水中鱼在空气中视场角2ω = 180°． 鱼眼镜头有跟鱼眼相似的形状又有与鱼眼相似的作用，故而得名．

    2 光学系统设计

     在设计过程中，既要考虑到好的成像质量，又要考虑光学系统的结构不能太复杂，体积要小． 文中设计了一个 8 组 11 片的鱼眼镜头光学系统．

    2. 1 设计指标

    设计一个焦距为 10 mm，F 数为 2. 8，系统总长约为 80 mm 的鱼眼镜头光学系统．

    光谱范围为 486 ～ 656 nm，中心波长 587 nm，CCD 像元尺寸12 μm × 12 μm，像素数为 1 280 × 1 024． 表 1 给出了系统设计指标．

    2. 2 设计结果与像差分析

    与图 1 所示的传统的鱼眼镜头相比，设计的系统少了一个滤光镜、多了一组双胶合透镜 ( 2 片镜子) ，所以最终设计出的系统为11 片式结构． 设计的波段是在可见光波段，中心波长587 nm，波长范围是从 486 nm 的蓝光到 656 nm 的红光，不需要考虑使用滤光镜，多了一组胶合透镜的原因是为了更好地平衡像差，得到好的像质． 对于复杂的光学系统，镜片往往较多，较少的镜片数不足以得到好的效果，但是较多的镜片，却增加加工和装调的难度，这需要考虑一个平衡的问题，一般鱼眼镜头 10 多片镜片是可以接受的．