超短焦全景鱼眼镜头的研究与设计
淮南市人事局-散步读后感
第39卷第2期
光电工程
、,01.39.NO.2
2012年2月<
br>Opto-E1ecn.onicEngineering
Feb.2012
文章编号:
l
003—50l
x(20
1
2)02_0048一05
超短焦全景
鱼眼镜头的研究与设计
陈圣聪,林峰
(福建师范大学物理与光电信息科技学院;医学光电科学与
技术教育部重点实验室,福州350007)
摘要:着重分析了超短焦鱼眼镜头焦距与分辨率的关系,表
明了像面尺寸一定的前提下焦距越短,全景展开的环
景边缘分辨率越高。基于以上理念,依据超短焦全景
镜头设计思路,设计了一款焦距像高比<0.35,水平视场角
=3600,垂直视场角≥1800的全
景鱼眼镜头。设计结果表明:在空间频率为200
lp/姗处的MTF值大于O.4,接近
衍射
极限;在垂直半视场角45。一90。的环景边缘区域拥有大于75%的像素空间,使得环景展开后仍然具有较高
的
分辨率,从而代替多台不同方位的高解摄像机,实现高清全景监控.
关键词:光学设计;鱼眼
镜头;像素空间;分辨率
中图分类号:TN942.2文献标志码:A‘doi:10.3969巧.i
ssn.1003.50lX.2012.02.OlO
Research
and
De
sign
of
Super
Short—focusPanoramic
Fis
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Lens
CHEN
SheⅡg-cong,LINFeng
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desi髓;fiSh—eye
le吣;pixelsp扯e;托
sollnion
0
引
言
随着科技的发展和社会的进步,对于信息的需求越来
越多,准确度也越来越高了。普通人双眼正常视
角大约为水平900、垂直70。,而超短焦全景鱼眼镜
头可以同时显示比人眼视角大得多范围的视场,实现对
水平视角3600,垂直视角1800的环景宽视
野场景实现高分辨率的环景展开,可以完全无盲区的实施摄像。
在现代光电信息技术行业中占据重要的地
位,并且在三维重建、虚拟现实、运动检测、军事领域、机器人
视觉系统、安全监控系统、精密工业监测
、多媒体技术、艺术摄影、交通记录等领域具有强烈的需求和广
泛的市场。
、
鱼眼镜头
影像的特点IlJ:径向方向也就是垂直方向,隐含物体的高度信息,每圈的切向方向也就是水
平方向,
隐含物体的左右信息;中心处的影像疏而大,外圈的影像密而小。因此,压缩中心图像的像素空
间,为环
景图像提供更多的像素空间,提高环景展开边缘的成像质量,增大边缘的信息量,减小被压缩量,
收稿日
期:20ll—船一22,收到修改稿日期:20ll—Il—19
作者简介:陈圣聪(1987一).
男(汉族),福建泉州人.硕士研究生,主要研究工作是光学设计、机械设计.E恤iI:ch∞sh锄gc啷5
19@163.伽.
http://www。gdgc.ac.cn
万方数据
<
br>第39卷第2期
陈圣聪等:超短焦全景鱼眼镜头的研究与设计
49
成为全景鱼眼
镜头的设计关键。通过推导鱼眼镜头焦距与空间角分辨率的关系,得出结论:在像面尺寸保
持一定的前提
下,焦距越短,环景展开的边缘角分辨率越高,成像质量越好。
富士能研发了世界上第一台用于5百万像
素的CCD摄像机的全景鱼眼镜头,型号为FEl85C046HA.1,
名誉焦距为1.4
=
1.43/4=O.357
I姗,F1.4,l/2寸CCD,实际焦距为1.43
mm,焦距
像高比达到0-3575(焦距/半像高
5)。本文设计了一款焦距为1.247mm,焦距像高比为0
.3493(焦距/半像高=1.247/3.57=0.349
3),
水平视场角=3600
,垂直视场角≥1800的全景鱼眼镜头,该系统由8片7组镜头组成。较小的焦距像高比,
使得镜头在
半视角<45。的成像中央区域占据较小的像素空间,而被高度压缩的450一900边缘成像区域拥有
更多的像素空间,这也是环景展开的重点区域,使得其在环景展开后仍然具有较高的分辨率。同时给出了
设计结果:在空间频率为200lp/rmn处的MTF值大于0.4,并且接近衍射极限,环景展开后的边缘角
分辨
率达到了0.021
8珊【Il/o,实现高分辨率的全景摄像,具有很高的市场价值。<
br>1
鱼眼镜头焦距与空间角分辨率的关系
根据鱼眼镜头的“非相似”成像思想,全面分析新
的物像映射关系,研究焦距与角分辨率的关系:
“等距投影”成像¨1时,成像关系为
/=/’
・国
将式(1)微分得
妙’=厂’・d∞
则空间角分辨率为
(2)
(
1)
1.1空间角分辨率的研究
2—王=,’(mlIl/m∞
仍。:些:厂,(嗍棚
)
仍I
d∞
(3)
‘‘等立体角投影’’成像‘21时,成像关系为
y’=2・厂’・sin(国/2)(4)
将式(4)微分得
砂’=厂’・cos@/2)・d
棚
则空间角分辨率为
(5)
纯:=凳=/’.cos(等)(I删md)’
d
C"
Z
(6)
“等体视投影”成像睇1时,成像关系为
y’=2・,’・t蚰
(∞/2)
将式(7)微分得
.
(7)
班嘉%
cOs‘l∞/Zl<
br>(8)
则空间角分辨率为
舻鬈=畜‰(删rad)
纯,2盂2忑彘面‘删刚)<
br>“正交投影”成像瞄1时,成像关系为
(9)
y’=,’・sin∞
将式(10
)微分得
(10)
哇y’=厂’・cos彩・d∞
则空间角分辨率为
(11)
吼.=罢生=厂’.cos∞(删md)
http://www.gdgc.ac.cn
.(12)
由式(3)、(6)、(9)、(12)可以得出。在等像高、最大视场角一定的前提下,
空间角分辨率纪与焦距厂’成
万方数据
50
光电工程
2012
年2月
正比关系:厂’越小,识越小,意味着视场中心的成像区域压缩得越多,边缘的成像区域压缩得越
少,从中
心到周围保持均等的成像分布,因此成像质量越好。
1.2环景边缘角分辨率的研究<
br>假设一鱼眼成像系统的像素间距为凤,像面尺寸为矽2JIl(其中JIl表示像高大小),视场角达到1
80。。采
用“等距投影’’成像,成像关系满足:y’=厂’.国,当考虑到F.Ⅱleta畸变‘3
。41时,实际像高满足:
),’=,’・国・(1+缸)
式中:瓯砒为F—theta畸变,
设七=l+屯。当q=兀/2时,则:
y’I=厂’・{・七l
从而可以计算与像高y:相距两
个像素间距(即2ps)的视场角%
y:一2・ps=厂’・魄・岛
解得:
(13)<
br>(14)
(15)
I因此,环景边缘角分辨率可以表示为
;
将式(17
)对,’求微分得:
?
识=尝=格=弓糯
d纯=而嚣‰∥
.
%2—々
i一
厂’・芸・墨一2-p。
(16)
’刈7,
(18)
由式(18
)可知,16・p;・七:>o恒成立,表明识在,’的定义域内是单调递增的。在像面尺寸保持一定的
前提下,半视场角选取的是7c/2附近的环景区域,焦距厂’越小,识越小,意味着环景边缘空间角分辨率越<
br>高,环景边缘成像质量越好。
2超短焦全景鱼眼镜头的设计
2.1设计方法
鱼眼
镜头的后工作距离比具有同样焦距的不同类型
,
镜头大得多,同时也比自身的焦距值大。在进行
光学系
统设计时,采用反远距光学结构p剖,如图l所示。透镜
组I的光焦度为负,透镜组II
的光焦度为正。这种结构
使像方主面向系统的后面移动,保证了焦距很短的系统
达到足够的后工
作距离,使《>厂’。正负透镜组的间隔
越大,像方主面向后移动的距离就越大,系统的后工作
距离也会越长16J。轴外光线经过第1组负透镜的发散之
后,使得通过第1I组透镜光线倾角明显变小
,使其承担
较小的视场,有利于后续组元的像差校正,而相应的负
透镜组承担较大的视场。但是
轴上光线经过负透镜组发
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图l反远距型光学结构图
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散之后,使得后续组元拥有更大的孔径。此外,光学系统视场边
缘照度与视场中心的照度按cos4∥衰减I¨,
对于大视场光学系统来说,边缘光照度降低会很严重。
因此引入大的桶形畸变量,能够减小像方半视场角∞’
值,从而保证了边缘照度缓慢下降,提高了像面照
度的均匀性p1。
对于超短焦全景镜头,为获得正常水平的后截距,其妒’/厂,(后截距/焦距)反远
比必须达到4以上,远
远大干常规的反远距镜头(<1.5)。我们拟采用光焦度负正两组元方式来实现
其超长反远比,前组前两片为很
http://www。9dgc.ac.cn
万方数据
第j9卷第2期陈圣聪等:超短焦全景鱼眼镜头的研究与设计
大负光焦度的拱形弯月透
镜,后组为一组正光焦度镜组。
2.2设计指标
根据鱼眼图像全景展开实际应用的成像要求,设
计一
款焦距小于1.3
Im,F数为2.25的光学系统,表1给出了
系统的具体设计
指标。其中设计所用的sensor是由Micron
公司所生产的,采用l/2.5一inch(4:
3),有效像面尺寸为:5.70
mm(H)×4.28
mm(v),有效像素为:2
592(H)×l944(V),
像元尺寸为:2.2“m×2.2
pm。
3设计结果
图2为通过跹m觚光学设计软件优化设计得到的鱼眼
镜头,该系统的外形结构图给出了每个镜片
0.5
mm的压
边余量。系统由8片7组镜头组成,采用反远距结构。系
统的焦距为1
.247mm,总长为34.56
mm,后工作距为3.3
mm,是焦距的2.65倍。所有镜
片都采用球面设计,所选
玻璃都来源于成都光明的玻璃库,其中玻璃材料从第一片
到最后一片依
次为:
ZLAF3、H-LAFl0L、H—zF62,
H-zF52A、ZKl、H-ZF5
2A、H-LAFlOL、H-LAFl0L。冕
牌玻璃与火石玻璃的搭配是有利于校正像型圳。
4像质评价D"
图3为系统的调制传递函数曲线。在空间频率为200
lp/mm处,调制传
递函数MTF值大于0.4,且接近于衍射
极限,说明该鱼眼系统在全视场范围内已具有较好的成像质量。
图4为系统的相对照度曲线。由图可知,像面边缘处
的照度为中心照度的80%以上
,表明系统像面照度的均匀
性良好。
图5为系统的F.theta畸变图。系统的F-thet
a畸变控
制在2%以内,提高了环景展开边缘的角分辨率,保证较
高的成像质量。
图4
相对照度图
Fig.4
ReI砒ivejIluminBtion
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w.gdgc.ac.cn
万方数据
表l光学设计参数
TabIcl
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par枷ct吣
Design
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图2系统的外形结构图
Fig.2
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图3系统的调制传递函数曲线
Fig.3
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MTF
cu
Ⅳ镐ofn峙system
图5F.theta畸变图
Fig.5
F・thetadistoni∞
52
光电工程2012年2月
5结论
本
文通过理论推导,证实了在像面尺寸一定的前提下,焦距越短,全景展开的环景空间角分辨率越高,
成像
质量越好。同时对超短焦反远距光学结构设计技术的深入研究,设计了一款焦距为1.247唧,焦距像
高比达到O.349,水平视场角=3600,垂直视场角≥180。的全景鱼眼镜头,在实现1800全景成像
的同时,避
免了普通鱼眼镜头对边缘视场的过度压缩。结果表明:所设计的全景鱼眼镜头的空间频率为2
00lp/mm处
的MTF值大于0.4,具有结构简单,分辨率高,实现半垂直视场角450一900
的环景边缘区域的空间角分辨
率都高于0.02
1
8删[Il/度,后工作距离大,像
面均匀性好,具有广阔的应用前景。
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