李偉娜 聯(lián)創(chuàng)電子有限公司

高品質全景鏡頭的光學設計

李偉娜 聯(lián)創(chuàng)電子有限公司

隨著社會的進步，光學事業(yè)的蓬勃發(fā)展，今天社會生活中需要記錄與回憶，全景攝像頭的需求越來越多。全景攝像頭的光學設計的要求也越來越高。人們需要在平臺上交流，想要更直觀，捕獲信息更全面，無論是遠程會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，但在進行全面設計控制的過程中，依舊會面臨很多問題。因此，為了能夠從整體上得到良好的光學控制效果，需要對全景鏡頭的光學設計進行詳細的評估與模擬分析。本文主要針對全景鏡頭的光學設計進行相應的分析，并提出了相應的優(yōu)化措施和未來發(fā)展方向。

全景 光學設計 鏡頭

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

一個好的全景系統(tǒng)，需要一個好的光學設計基礎，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)給人們是一個完整的，真實的，高品質的記錄信息。

1 全景鏡頭體系設計

1.1 拼接的原理

傳感器鏡頭在進行全景的取景中起著至關重要的作用?，F(xiàn)在全景類的鏡頭所配合的芯片很多像素已經達到1200萬甚至以上。在成像的質量上，需要利用高質量的全景設計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行光學設計以及圖像處理，高品質的成像一般要求雙芯片進行拼接處理成像。

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

1.2 光學設計的關鍵點

超大廣角鏡頭，由于視場角度過大，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，有效地校正各種軸上軸外像差。特別是F-THETA畸變的問題，周邊視場的壓縮比過小時會導致拼接無法有效進行，非球面的加入，可以有效的控制F-THETA的數(shù)值，達到最大的壓縮比小于2：1，圖像拼接時可以準確對準像素點，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，但成本較高， 塑料非球面的選用，可以有效減小整個系統(tǒng)的體積和重量，但化學穩(wěn)定性不好，環(huán)境溫度影響較為敏感，對光學設計要求更高，要進行細致的溫度補償分析與設計，加工工藝也比較復雜，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，為了有效的補償折射率在不同溫度下的變化量，必須要求設計人員采用多組正負光角度不同的鏡片進行適當補償，但塑膠非球面的數(shù)量也不宜使用過多，因為塑膠鏡片的折射率太低，這就非?？简炘O計人員的設計能力了。

目前行業(yè)內的拼接圖像往往有明顯的拼接痕，為了解決這個問題，對于光學系統(tǒng)的要求就非常苛刻，既要有足夠的像高余量，又要保證周邊視場的相對照度要足夠高。 本身這就是矛盾的指標，這就要求光學設計人員不斷的去選型，平衡各個因素之間的關系。

2 全景鏡頭的發(fā)展趨勢

由于全景的應用場合越來越廣泛，對于小型化的要求也越來越明顯，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相反方向放置，每一顆有自己的獨立芯片，然后再將兩個芯片固定，每一顆可以獨立成像， 但這樣會浪費一定的空間，體積比較大。更簡化的方式是加入棱鏡在光學系統(tǒng)中，有效的減少空間尺寸， 但同樣棱鏡的加入對于設計而言會帶來新的設計難題，棱鏡本身需要足夠的空間來定位，對于裝配的精度也有一定的要求。對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計師仔細斟酌與嘗試。

另外玻璃棱鏡的加工成本還是比較高的，節(jié)省整體空間的同時會增加直接成本。所以也可以考慮用塑膠棱鏡進行代替。為了減小鏡頭的長度，未來非球面的應用會越來越多，玻璃非球面的加工工藝性面臨嚴峻的考驗，目前成熟的工藝主要掌握在日本幾個知名大企業(yè)的手里，國內的技術還不穩(wěn)定，并且很難大批量生產，所以價格一直居高不下，產能不足，加工精度也有待提升。如果未來非球面的加工水平可以和目前的冷加工一樣，那光學設計的空間還有很大。

隨著夜生活的豐富多彩，無論是安防監(jiān)控領域還是夜間拍攝領域，都開始要求夜間的拍攝像質量， 對于全景鏡頭來說加入日夜共焦系統(tǒng)也會是一個發(fā)展方向和挑戰(zhàn)，眾所周知，做日夜共焦必然會影響白天的成像質量，評價日夜共焦系統(tǒng)的好壞就是要看平衡性，即可見光和紅外光的最佳合焦點是否一致，好的設計可以盡可能的讓兩個焦點保持在同一個位置，而且保證不要犧牲過多的可見光像質。 為了能實現(xiàn)這樣一個理想的狀態(tài)，不僅僅是光學設計人員要堅持不懈地探索努力尋找出更合理的設計，也對新材料，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。運動數(shù)碼攝像機魚眼鏡頭的設計與實例。來源：《激光與光電子學進展》2016年第08期