专利名称：360度全景电视摄像镜头的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学镜头装置，适用于广场、大型仓库、商场、机场、交通管理等安防领域，也可用于电视会议、工厂生产线等需要对周界360度进行适时监控和观察的场合。
现有技术 为克服采用多架电视摄像机或用能360度高速旋转的快速球电视摄像机对周界360度进行全方位适时监控存在的高成本、难于适时全景取样等缺陷，提出了用单个超广角镜头摄像机辅与计算机图象处理进行全景拍摄的方案。现有的技术方案是把在CCD或CMOS摄像器件上所拍摄到的全景图像通过配套的计算机软件进行图像处理，在显示屏上展开成无失真(畸变得到校正)的平面全景图像。为了图像处理上的方便，通常的光学技术是使镜头的正前方的某一范围的光束在成像面不成像，即在摄像器件中间部分形成带“黑圆斑点”的“环形”的周界全景图案。现有的办法是利用同轴双反射镜对其正前方的景物能有拦光作用的原理实现形成“环形”的周界全景图，但这种办法整体结构大，主反射镜大多采用非球面，装校也不容易，制作成本较高，另一种办法是采用电子技术方法，通过特殊的电子扫描处理等专用摄像机，使摄像器件在需要形成“黑圆班”部位不扫描，也可以实现把超广角镜头全景图转变为“环形”的周界全景图。很显然这一方法，不能广泛用于常用的电视摄象机上。
发明内容
本发明的目的在于克服上述方法的不足，通过开发的小型化超广角和内置的副光路，把周界全景物和特制的分划板上“黑圆斑点”同时投射在摄像器件的表面，形成“环形”的周界全景图，方法易行，镜头适应性强，性价比高，小型化。
本发明方案发明装置是由视场达180°的超广角摄像镜头为主光路和内置副光路组成。
主光路由十片透镜组成。十片透镜的光学材料顺序为ZK9、ZK9、ZK9、ZF7、K9、QK3、ZF7、QK3、QK3和K9。外形依次为凸凹负透镜(1)、凸凹负透镜(2)、凸凹负透镜(3)、双凸正透镜(4)、平行平板(5)、双凸正透镜(6)、凸凹负透镜(7)、双凸正透镜(8)、凸凹正透镜(9)、平行平板(10)，其中第(5)片是带“黑圆斑点”的分划板，第(7)和第(8)片透镜构成胶合组。我们将主光路分成视场扩束部分和基本广角镜头部分。第(1)和第(2)片构成视场扩束部分，其合焦距和角放大率以f扩和β扩表示。第(3)至第(10)片组成基本广角镜头部分，其合焦距和物像放大率以f′基和M基表示。主光路的合焦距为f′，光学后截距以l′表示。
副光路是由靠近实际光栏附近的第(5)片分划板(该片可置于光栏前或后，其上的“黑圆斑点”按设计可置于前表面或后表面)和主光路的第(6)至第(10)片及小透镜(11)组成。小透镜(11)可与第(10)片胶合，也可以与第(9)片构成胶合组，“黑圆斑点”通过副光路投影成像在摄像器件的成像面上，副光路的合焦距和物像放大率以f′副和M副表示，其光学后截距以l′副表示。光学装置必须满足的条件如下 2.1＜f′基/f′＜2.8，0.4＜|M基|＜0.55； ……………(1) -22＜f′基/f′＜-1.8，2.1＜β扩＜3；……………(2) 1.9＜d4/f′＜2.2； …………………………………(3) 0.85＜(d8+d9+d10/n10+d11)/f′＜1.2；…………………(4) 1.58＜n1、n2、n3＜1.65，ν1、ν2、ν3＞60， ν7、ν8、ν9＞70；…………(5) d18＝d20+d21，l′副＝l′；…………………………(6) 0.8＜|M副|＜1.1 本发明的优点在于 与本发明的周界360度全景镜头适配的单独一架摄像机和配套的图像处理软件就能适时连续对周界360度的景物实施全方位监控。由于采用内置副光路，把分划板上的“黑圆斑点”投影到成像面的方案，简单有效地解决了使摄像器件上的周界360度全景图案“环形”化的要求，为计算机图象处理软件把全景图案展开成无失真的平面周界360度全景图提供方便。副光路的引入不影响主光路的光学结构选取，像差性能及外观。这样，可以单独对主光路进行优化设计。本发明提供的镜头，采用全球面结构和廉价的光学材料，开发了视场角度达180度，具有高分辨率、高清晰度性能和小型化的外型，同时其性价比较高，适应性更广。
图1是周界360度全景摄像的原理示意图。其中(a)中的A表示摄像镜头，B是摄像镜头成像面，α是“黑圆班”对应拦掉的物方视场角，一般在10°～20°之间。(b)是在摄像器件上形成的“环形”示意全景图。(c)是经计算机图像软件处理后展开的无失真全景平面示意图。
图2是本发明实例的全景摄像镜头的光学结构示意图。其中R表示各透镜表面的曲率半径，d为透镜的厚度或透镜间的空气间隔，l′为镜头的像方后截距。
图3为实例中主光路光学系统的各种像差、照度分布及MTF曲线图。球差和场曲曲线的横坐标单位均为mm；MTF曲线图的横坐标单位线对/mm，倍率色差的横坐标单位为微米，特性曲线的最大纵坐标单位为±20微米，相对照度透过率的横坐标为“度”，相对畸变的横坐标为“百分比”。
图4是本实例采用小镜片(11)与平行平板(10)胶合的副光路方案的MTF曲线图，MTF曲线图的横坐标单位线对/mm. 图5是本实例采用小镜片(11)与透镜(9)胶合的副光路方案的MTF曲线图。MTF曲线的横坐标单位线对/mm。
实施例 发明的光学装置是由十片透镜构成的主光路和内置的七片透镜(和主光路共用六片)构成的副光路组成，主光路透镜的外形依次是凸凹负透镜(1)、凸凹负透镜(2)、凸凹负透镜(3)、双凸正透镜(4)、平行平板(5)、双凸正透镜(6)、凸凹负透镜(7)、双凸正透镜(8)、凸凹正透镜(9)、和平行平板(10)。光栏设在第(5)与第(6)片之间，第(1)和第(2)片为视场扩束部分，其焦距和视场角放大率以f′扩和β扩表示；第(3)至第(10)片构成基本广角部分，以f′基和M基表示其焦距及物像放大率。主光路的合焦距为f′，其像方后截距为l’，副光路由由光栏附近的平行平板(5)的前表面为分划面，经主光路的第(6)至第(10)面及小透镜第(11)面把分划板的“黑圆斑点”投影到像面上，以f′副和l’副表示其焦距和像方后截距。光学装置必需满足的条件如下 2.1＜f′基/f′＜2.8，0.4＜|M基|＜0.55； ……………(1) -22＜f′基/f′＜-1.8，2.1＜β扩＜3； …………(2) 1.9＜d4/f′＜2.2；………………………………(3) 0.85＜(d8+d9+d10/n10+d11)/f′＜1.2；…………………(4) 1.58＜n1、n2、n3＜1.65， ν1、ν2、ν3＞60，ν7、ν8、ν9＞70； ……………(5) d18＝d20+d21，l′副＝l′；…………………………(6) 0.8＜|M副|＜1.1 设定上述必须满足的目的是 条件(1)设定的目的是保证基本广角镜头部分所承担的轴上光束的总偏角不会太大，以利于降低轴上光束的高级像差和增长主光路的像方后截距。同时也有利减少视场扩束部分的角放大率。
条件(2)的设定是与前设的基本广角镜头条件有关，限制它的大小有利于轴外像差的校正。
条件(3)的目的是为平衡增长像方截距又不影响像差校正完善而设定的。d4短，可增长像方截距，但相对也增大了轴上光束的偏角量，不利于象差的校正；反之，效果相反。
条件(4)设定的目的是使光栏尽量靠近光栏后一侧的光学组合的前焦点，使出瞳趋向远心，以减少轴上和轴外照度和分辨率分布的差异。
条件(5)设定的目的是校正轴上色球差和轴外的倍率色差。
条件(6)设定的目的是保证分划板上的“黑圆斑点”能准确成像在摄像器件的成像面上。
条件(7)设定的目的是为控制“黑圆斑点”的投影像在全景图案大小的比例，以利于降低主光路轴上光束拦光的比例，也有利于分划板“黑圆斑点”的制作。
本发明装置的主要特征是通过内置副光路把分划板上的“黑圆斑点”投影在成像面上，简单有效地解决了使摄像器件的周界360度全景图案“环形”化的要求，方便了计算机图象处理软件把全景图展开成无失真的平面周界全景图。它的引入不影响主光路光学结构的设计，像差性能及外观，使主光路可单独优化设计。本方案开发出的高分辨率、高性能、高性价比的视场180°的超广角镜头采用了全球面结构和廉价的光学材料。
表1是本发明的主光路实施例数据。
E.F.L＝1，FNO＝2.1，2ω＝90°，消色谱线d(F.C)， 表2是本发明实例的副光路方案(1)的数据 E.F.L＝1.589281，FNO＝1.4，M副＝-0.94658 物高；2η＝0.174289，消色谱线d(F.C) E.F.L＝f′副/f′ 表3是本发明实例的副光路方案(2)的数据 E.F.L＝1.019061，FNO＝1.5，M副＝-0.871070 物高；2η＝0.162797，消色谱线d(F.C) E.F.L＝f′副/f′。
权利要求
1.周界360度全景电视摄像镜头包括十片透镜的主光路和内置的六片副光路组成，十片主光路依次为凸凹负透镜(1)、凸凹负透镜(2)、凸凹负透镜(3)、双凸正透镜(4)、平行平板(5)、双凸正透镜(6)、凸凹负透镜(7)、双凸正透镜(8)、凸凹正透镜(9)、平行平板(10)，光栏设在第(4)和第(5)片之间，(1)和(2)片组成视场扩束部分，(3)至(10)片为基本广角部分，分别为f′扩、f′基，和β扩，M基表示其合焦距角放大率及物像放大率，主光路的合焦距为f′，象方截距为l’；副光路由(5)片分划板、(6)至(10)片及小透镜(11)组成，其合焦距、像方截距、物像放大率分别为f′副、l′副和M副，光学装置需满足的条件如下
2.1＜f′基/f′＜2.8，0.4＜|M基|＜0.55；……………(1)
-2.2＜f′基/f′＜-1.8，2.1＜β扩＜3；……………(2)
1.9＜d4/f′＜2.2；…………………………………(3)
0.85＜(d8+d9+d10/n10+d11)/f′＜1.2；…………………(4)
1.58＜n1、n2、n3＜1.65，ν1、ν2、3＞60，
ν7、ν8、ν9＞70；…………(5)
d18＝d20+d21，l′副＝l′；…………………………(6)
0.8＜|M副|＜1.1。
2.根据权利要求1所述的周界360度全景电视摄像镜头，其主要特征是通过内置副光路把分划板上的“黑圆斑点”投影到成像面上，在摄像器件形成“环形”的周界360度全景图，摄像镜头采用全球面结构和廉价的光学材料。
全文摘要
周界360度全景电视摄像镜头，适用于配套安防系统、电视会议、工厂生产线等领域的电视监控摄象机。本发明的特征在于在主光路内设置副光路。通过主光路成的全景图和副光路成的“黑圆斑点”像同时投射在摄像器件成像面上，形成“环形”周界全景图。主光路由(1)和(2)片的视场扩束部分与(3)至(10)的基本广角镜头部分组成。副光路由主光路的(5)至(10)片与小透镜(11)构成。主、副光路的焦距和角放大率、物像放大率分别用f′、f′扩、f′基、f′副，和β扩、M基、M副来表示。需满足条件2.1＜f′基/f′＜2.8，0.4＜|M基|＜0.55；-22＜f′基/f′＜-1.8，2.1＜β扩＜3；1.9＜d4/f′＜2.2；0.85＜(d8+d9+d10/n10+d11)/f′＜1.2；d18＝d20+d21，l′副＝l′；0.8＜|M副|＜1.1。
文档编号G02B9/64GK101210999SQ20061013537
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月26日 优先权日2006年12月26日
发明者赖爱光, 蔡长达, 潘镇安 申请人:福建省光电子技术重点实验室, 福州启光电子技术有限公司