用于单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头的制作方法与工艺

本发明涉及一种新形式的鱼眼镜头，尤其涉及一种用于单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头，该镜头结合数字放映/投影机针对球冠形和类似球冠形的银幕进行放映或投影，可用来构建以球幕为影像载体的放映/投影工程，如，球幕影院、球幕展览展示厅、天象科普厅、球幕查询及教学系统。属于物像非相似超广角光学成像技术在影视、影像领域的应用。

背景技术：
球幕电影或称球幕放映/投影系统，最早为上世纪八十年代传入我国，作为一种特种电影，以其新颖的形式、震撼的效果和强烈的临场融入感深得广大观众喜爱。早期的球幕放映/投影系统，均为单机位系统，如不考虑影院的其他标准附属设施，其最基本的构成为：采用一台高亮度胶片电影放映机，结合一只传统鱼眼镜头，将胶片上的影像信息展现在一个直径10米～30米球冠状的球面或近球面幕上，胶片上的影像信息通过装有鱼眼镜头的胶片摄影机实景拍摄获得，无论球幕如何放置，电影放映机始终处于球幕的球心或球心的附近，鱼眼镜头的光轴和球幕的对称轴重合或平行。进入二十一世纪，随着光学技术、制片技术、银幕制造技术、数字图像处理技术和计算机技术的进步，图形制作、融合拼接技术逐步出现并成熟，球幕放映/投影系统得到了飞速发展，相继出现了双、多机位的构成形式，但单机位的基本构成形式因其构成简单、成本低廉及后期维护的便利性仍然占据重要地位。数字时代的单机位基本构成形式中，胶片放映机由数字放映/投影机所替代，胶片由数字格式的视频文件所替代，片源制作过程中，视频文件即可以通过数字摄像机实景拍摄也可以通过计算机合成制作而获得。无论在胶片电影时代还是在数字电影时代，单机位球幕放映/投影系统中鱼眼镜头都充当着重要角色，放映过程和拍摄过程都不可或缺，如公开的中国发明专利申请号为201210502119.X《一种数字天象厅》、专利2013202620.4《一种基于鱼眼投影镜头的球幕投影系统》、专利号为201210290184.0《一种球幕/穹顶两用多媒体投影演示系统》等等。鱼眼镜头的使用决定了球幕放映/投影系统的基本构成和其中所涉及到的主要技术要素在一定程度存在相似性。而关于鱼眼镜头已公开的专利，如专利号为2012203724.7《鱼眼镜头》、201110431770.8《成像系统和鱼眼镜头》、200710185280.8《数字投影机整球型幕投影用超大视场角鱼眼镜头结构》、201010173497.9《一种用于数字投影机的五组六片式鱼眼镜头基础结构》、JP2005221955A《FISH-EYELENSANDPROJECTIONDISPLAYDEVICEUSINGIT》等等，都是描述的镜头光学结构上的部分差异和创新，而这些光学结构都是沿光轴旋转对称的，为了和本发明相区别，暂且称上述专利光学结构属于″轴对称结构″，称其光学特性为″各向同性″，即，在工作状态下，当镜头沿光轴旋转时，光学效果不发生改变，可称其为″传统鱼眼镜头″。在放映/投影过程中，球幕和投影机影像芯片二者通过放映镜头构成一定对应映射关系，该映射关系决定放映/投影过程的数字放映/投影机芯片的″像素利用率″，该″利用率″一般可用芯片面积的比值来近似体现，即，镜头所能投射到银幕上的芯片区域面积和芯片的完整面积的比值。完善而科学的映射关系是在保证上述″利用率″最大化的基础上，实现最佳的放映/投影效果。根据公开的所有的球幕放映/投影系统中，球幕均为或接近球冠状或是球冠的一部分，其正视图是完整园或圆缺。而众所周知，均匀排列″像素″的数字放映/投影机的影像芯片是长方形，且存在一定的长宽比，如，16∶9、4∶3、16∶10等，由于传统鱼眼镜头光学性能和结构的轴向旋转对称性，无法在球幕和数字放映/投影机的影像芯片之间建立完整的″物-像″满射，极限最佳情况也仅仅是将数字放映/投影机的影像芯片上的一小部分——以芯片的短边为直径相切芯片长边的内切圆内的像素，映射在球幕上，以长宽比16∶9的芯片为例，最大像素利用率仅仅可达到41％，像素利用率很低，换个说法，也就造成光能利用率低下。在光学工程领域为了方便描述镜头特性或方便分析与研究，都假定镜头内存在相互垂直且相交于镜头光轴的两个虚拟平面——弧矢平面和子午平面。在弧矢和子午平面内且垂直于光轴的方向称为弧矢方向和子午方向，相应地，偏离弧矢和子午方向的其他方向则称为任意方向。一般来讲，放映/投影镜头的光学性能由光学结构决定，光学结构主要由各种透镜、反射镜和各种光阑组成，根据透镜上光学工作面的类型特点，例如，标准球面、椭球面、抛物面、圆锥面、双二次曲面、偶次非球面、奇次非球面等，可对透镜进一步限定和命名，双二次曲面透镜通常用来构造子午和弧矢方向性能差异化的光学结构，以实现镜头各向异性的特殊性能，而柱面透镜是双二次曲面透镜中最简单的形式，且加工工艺较为成熟，通常被优先选用。在胶片电影时代，35mm遮幅式变形宽银幕电影以及70mm遮幅式变形宽银幕电影中，为了使标准拷贝得到正常播映，曾出现过″变形放映镜头″，使用时通常在电影放映机的标准电影放映镜头前加装一组无焦柱面附加镜来对单方向视场进行放大，继而造成镜头像高在子午和弧矢方向拉伸和压缩，该无焦柱面附加镜为望远镜式结构，属无焦系统，附加在镜头前面时不改变原镜头的焦距。由于所配接的标准镜头视场角一般在45°以内，所以附加镜的轴向长度和径向尺寸尚可接受，像差控制也相对容易。延续变形镜的设计理念，对于相同的视场角度值来说，倘若鱼眼镜头可以在子午和弧矢方向具有不同的像高，就可以营造一种映射关系，而最大限度适应数字投影/放映机芯片的尺寸，从而提高像素利用率。用于球幕放映/投影的鱼眼镜头，由于幕的形状旋转对称，就要求鱼眼镜头各个方向的边缘视场光线相对光轴来说具有相同的夹角，也称半视场角，这个夹角约80°甚至更大，那么，镜头全视场角就大于等于160°，如果按照望远镜工作原理，制作无焦柱面附加镜，既会造成柱面变形镜组径向尺寸变得太大而增加生产成本，也会造成附加镜头的总长度和总重量大大增加而丧失稳定性和可靠性，更为不利的是，面对如此大的视场角要求，柱面望远镜式变形附加镜的像差将很难进行良好校正。本申请人之前的公开号为CN103439859A，名称为《基于二向异性鱼眼镜头的环幕放映/投影系统单元》中，曾提出了用于环幕的二向异性鱼眼镜头的概念，并给出了设计方案。在环幕用二向异性鱼眼镜头中，子午和弧矢方向最大视场角不同，且存在较大差异；另外，在子午和弧矢方向，成像规律和成像公式不同，仅仅在一个方向存在大畸变。而对用于单机位球幕的二向异性鱼眼镜头来说，子午和弧矢方向应具有相同的最大工作视场角，在子午和弧矢方向成像规律相同或略有差异，两方向均存在大畸变。目前，尚无证据显示，有关用于单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头的研究和相关文献报道。为此，有必要对单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头的光学特性和光学结构特征进行开发和研究。

技术实现要素：
鉴于上述现状，本发明提供了一种用于单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头。在保障镜头能和特定的数字放映/投影机完美匹配的基本性能基础上，在所处系统的配置及应用环境不变的条件下，仅通过对镜头的特性设计和光学结构的创新，建立球幕和数字放映/投影机芯片之间差异化的映射关系，该差异化映射关系突出表现在镜头的弧矢和子午方向，以增大镜头对整个球幕逆映射所形成的像域面积，从而提高了单机位球幕放映/投影系统像素利用率或光能利用率。本发明的技术解决方案是：一种用于单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头，包括在子午方向、弧矢方向的光学指标存在差异的二向异性鱼眼镜头，该二向异性鱼眼镜头具有如下技术指标、性能指标和规律性等效原理光学结构特征；其中：技术指标主要包括：非相似的成像公式、畸变调节系数、最大像高、视场、焦距、像面位置；性能指标包括：像素利用率；所述二向异性鱼眼镜头技术指标中的成像公式、畸变调节系数、最大像高的特征为：镜头所依据成像公式相同、畸变调节系数可相同也可不同，即在弧矢和子午两方向所依据成像公式相同，而成像公式中的畸变调节系数可以不同，在镜头的弧矢和子午两方向，均引入大畸变，镜头的像高、焦距、弧度制的工作视场及畸变调节系数满足下式：弧矢方向：ysn＝-ksfs′(ωxnπ/360)，0.5＜ks＜1子午方向：ytn＝-ktft′(ωynπ/360)，0.5＜kt＜1其中，ysn为镜头弧矢方向在任意工作视场(ωxn/2，0)处所对应的像高，最大像高ys由采用的数字放映/投影机的芯片宽度尺寸a决定，最大值为ys＝a/2，fs′为镜头中包括球面透镜和弧矢向有效柱面透镜组的弧矢向焦距；ytn为镜头子午方向在任意工作视场(0，ωyn/2)处所对应的像高，最大像高yt由所采用的数字放映/投影机的芯片高度尺寸b决定，理想值yt＝b/2，ft′为镜头中包括球面透镜和子午向有效柱面透镜的子午向焦距，若投影机芯片的边长a大于b，保证镜头增大像素利用率的有效方式是尽量增大弧矢向全视场像高ys，使ys的数值更接近a/2，并使子午向全视场像高yt趋近于b/2，即镜头弧矢方向的最大像高范围是：3b/4≤ys≤a/2，即，ys≥1.5yt；而ks和kt分别是弧矢向和子午向的畸变调节系数，根据弧矢和子午向最大像高和最大视场，选取畸变调节系数，确定镜头两个方向的焦距值；畸变调节系数ks和kt可相等，但ks和kt略有差异会减小结构像差优化的难度，增加优化设计中像差控制的弹性；所述二向异性鱼眼镜头技术指标中的视场的特征为：其工作视场和所对应的像点坐标采用二维坐标表述，像点坐标(ysn，ytn)对应工作视场(ωxn/2，ωyn/2)，如果设ωx/2和ωy/2分别为实际工程需要中ωxn/2和ωyn/2的最大值，则ωx/2和ωy/2是弧矢和子午向最大工作视场，ωx/2和ωy/2相等或近似相等，ωx/2和ωy/2的角度值由球幕的空间尺寸、镜头与球幕的相对位置关系决定，并分别对应ys和yt，使ωx/2和ωy/2的极限最大值可以达到100°，两方向最大全视场ωx和ωy最大可达200°；所述二向异性鱼眼镜头技术指标的焦距特征为，镜头在弧矢与子午方向具有不相等的极值焦距值，而其他任意方向焦距值均在两极值焦距区间内，即：fs′＜fr′＜ft′；其中，fr′、fs′、ft′分别为镜头在不同于弧矢方向、子午方向的任意方向、弧矢方向、子午方向的焦距值，镜头各个任意方向均存在确定焦距值，该焦距值在弧矢和子午焦距值范围内连续；所述二向异性鱼眼镜头技术指标中像面位置的特征为：镜头光学后工作距除了要满足放映/投影机引擎工作需要的空间距离这一常规要求外，还需要镜头在弧矢和子午方向保持拥有相同像面位置，满足该要求的条件是镜头在弧矢和子午方向的焦距满足关系：fs′＝ft′-d+ds/ns，其中，d是分别处于两个方向的所有有效透镜的等效透镜的主面间隔，ds是弧矢方向所有有效透镜的等效透镜的光学厚度，ns是弧矢方向所有有效透镜的等效透镜的折射率，fs′＝ft′-d+ds/ns同时也决定了镜头弧矢和子午方向光焦度分配及两方向等效透镜的主面间隔；所述二向异性鱼眼镜头性能指标中像素利用率，其计算像素利用率的方法为：二向异性鱼眼镜头在单机位球幕放映/投影系统中，该镜头将球幕逆映射到镜头的像面上，会形成一个椭圆边界的像域，该像域的面积为Se＝πysyt，根据成像公式和投影机芯片宽高比a/b以及前述ys≥1.5yt的条件，能把相同尺寸的球幕逆映射到数字放映/投影机芯片上的像域面积提高M＝Se/Sc倍，即，a/b≥M≥1.5，反之亦然，二向异性鱼眼镜头把可投射到球幕上的投影机芯片上的像素数提高了M倍，即提高了像素利用率或光能利用率，二向异性鱼眼镜头的这种特性即前述映射关系的改变；保证镜头增大像素利用率的有效方式是尽量增大弧矢向全视场像高ys，使ys的数值更接近却永不大于a/2，并使子午向全视场像高yt＝b/2，镜头弧矢方向的最大像高范围是：3b/4≤ys≤a/2，也即，ys≥1.5yt；一般情况下，根据成像公式，增加弧矢最大像高，需要增大弧矢焦距，且和镜头视场相关联；所述二向异性鱼眼镜头的规律性等效原理光学结构设计方案，其规律性等效原理光学结构特征为：二向异性鱼眼镜头光学结构内部既存在工作面为标准球面或平面的若干共轴球面透镜，还具有工作面为平面或双二次曲面的若干共轴双二次曲面透镜；所述若干的双二次曲面透镜为柱面透镜，所有柱面透镜分为弧矢柱面透镜组和子午柱面透镜组，每个柱面透镜组可为一片透镜或多片透镜，每一片透镜上至少有一个、最多两个柱面工作面，透镜相互之间存在大于等于零的光学间隔；所述的二向异性鱼眼镜头距离球幕更近的一侧为前，距离放映机芯片更近的一侧为后，依据透镜类型特点，规律性等效原理光学结构，包括由前至后依次排列的第一透镜群，为一片透镜，朝前的工作面为柱面，朝后的工作面为球面，为负焦度；第二透镜群，为二至四片透镜，所有工作面全部为球面；第三透镜群，为二至四片透镜，所有工作面均为柱面或平面；第四透镜群，为二至四片透镜，所有工作面全部为球面；第五透镜群，为一至二片透镜，至少有一个柱面工作面，其余为球面工作面；孔径光阑A；第六透镜群，为三至八片透镜，所有工作面均为球面或平面，为正焦度；所述的第一透镜群和第三透镜群中各柱面工作面的母线保持平行，构成弧矢柱面透镜组；第五透镜群中的各柱面工作面的母线保持平行，构成子午柱面透镜组；第一、第三透镜群中的柱面工作面的母线和第五透镜群中的柱面工作面的母线相互垂直。本发明规律性等效原理光学结构特征，根据透镜群功能的特点，其中，第一透镜群，主要起增大角放大率和制造焦距差异化的作用；第二透镜群，主要起平衡视场相关像差和缩小第一透镜群通光口径的作用；第三透镜群，主要起制造焦距差异化作用；第四透镜群，主要起平衡光阑孔径相关像差作用；第五透镜群，主要起平衡孔径光阑慧差、保障弧矢和子午向具有相同的孔径光阑直径的作用；之后设置孔径光阑，用于限定镜头通光能力，孔径光阑没有特殊性；第六透镜群，主要起零和各种残余像差和调整光学后工作距的作用。本发明在规律性等效原理光学结构基础上，根据弧矢和子午向焦距值及焦距比的不同要求、根据镜头所匹配的不同技术类型的投影机的光引擎结构参数的不同情况、根据具体工程需要的不同指标和几何像差平衡要求确定和配置各个透镜群的具体透镜数量和结构参数，而形成具体的镜头光学结构。本发明二向异性鱼眼镜头采用了最常用的″等距投影″式非相似成像公式进行了原理说明，但是，本发明特性设计方案具备采用其他类型成像公式的潜力，例如，可采用鱼眼镜头光学理论体系中所谓的″等立体角投影″式、″体式投影″式、″正交投影″式成像公式，而所述的特性设计方案中所涉及到的步骤、方法、规律性等效原理光学结构不变。本发明满足对弧矢最大像高ys、子午最大像高yt之间的关系ys≥1.5yt，或当yt≤ys≤1.5yt时，所述的特性设计方案中所涉及到的步骤、方法、规律性等效原理光学结构不变。根据上述方案在针对任一工程的具体实施过程中，所涉及到的诸如光学材料的选取、结构参数的形成、像差优化与控制等一般化问题的处理方法，和设计传统鱼眼镜头的处理方法一致，并没有特殊性，均符合业内通行惯例。本发明的有益效果是：通过特性设计方案和基本光学结构方案，使鱼眼镜头产生各向差异化的渐变式焦距，在相同工作视场角度值条件下，实现了镜头弧矢和子午两方向的像高差异，形成了新的各向异性的映射规律，改变了传统鱼眼镜头的各向同性的映射关系；在单机位球幕放映投影系统中，通过使用该类镜头，可大幅度增加球幕逆映射到放映机芯片上的映射域面积，提高像素利用率或称光能利用率至少1.5倍；使得单机位球幕放映/投影系统方案的适应性更大，节能环保。附图说明图1中a、b图为本发明的规律性等效原理光学结构的沿子午方向和沿弧矢方向剖面视图；图2根据规律性等效原理光学结构图1，形成的一款具体光学结构，其中的a、b图分别为沿子午方向和沿弧矢方向剖面图；图3为图2中a、b图沿子午方向和沿弧矢方向剖面的光路路径图；图4为使用本发明与传统鱼眼镜头分别构建单机位球幕放映/投影系统时，放映/投影机芯片上的有效像素区域对比图；图5为图3所示镜头的传递函数曲线图。具体实施方式下面将结合附图实施例，对本发明作进一步说明。根据总体技术设计方案，用于单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头，在保障镜头能和特定的数字放映/投影机完美匹配的基本性能基础上，在所处系统的配置及应用环境不变的条件下，仅通过对镜头的特性设计和光学结构的创新，建立球幕和数字放映/投影机芯片之间差异化的映射关系，该差异化映射关系突出表现在镜头的弧矢和子午方向的差异化，以增大镜头对整个球幕逆映射所形成的像域面积，从而提高单机位球幕放映/投影系统像素利用率或光能利用率，实施过程分两个部分，包括二向异性鱼眼镜头的特性设计方案和规律性等效原理光学结构设计方案；其中：根据二向异性鱼眼镜头的特性设计方案，首先需确定镜头的技术指标和性能指标，技术指标主要包括：非相似的成像规律、畸变调节系数、两方向最大像高、两方向工作视场、焦距、像面位置等；性能指标主要包括像素利用率；根据二向异性鱼眼镜头技术指标确定方法，镜头两方向所依据成像公式相同、畸变调节系数可不同、最大像高不同，即在弧矢和子午两方向所依据成像公式相同，而成像公式中的畸变调节系数可以不同，在镜头的弧矢和子午两方向，均引入大畸变，镜头的像高、焦距、弧度制的工作视场角及畸变调节系数满足下式：弧矢方向：ysn＝-ksfs′(ωxnπ/360)，0.5＜ks＜1子午方向：ytn＝-ktft′(ωynπ/360)，0.5＜kt＜1其中，ysn为镜头弧矢方向在任意工作视场角(ωxn/2，0)处所对应的像高，最大像高ys由采用的数字放映/投影机的芯片宽度尺寸a决定，最大值为ys＝a/2，fs′为镜头中包括球面透镜和弧矢向有效柱面透镜组的弧矢向焦距；ytn为镜头子午方向在任意工作视场角(0，ωyn/2)处所对应的像高，最大像高yt由所采用的数字放映/投影机的芯片高度尺寸b决定，最大值为yt＝b/2，ft′为镜头中包括球面透镜和子午向有效柱面透镜的子午向焦距。保证镜头增大像素利用率的有效方式是尽量增大弧矢向全视场像高ys，使ys的数值更接近a/2，并始终保持子午向全视场像高取最大值b/2，则yt＝b/2，当ys＞yt时，就可以保证像素利用率大于传统鱼眼镜头，因为，传统鱼眼镜头子午和弧矢最大像高相等，本发明的光学特性设计方案中，弧矢向最大像高取值范围为3b/4≤ys≤a/2，弧矢和子午向最大像高的关系为ys≥1.5yt；ks和kt分别是弧矢向和子午向的畸变调节系数，其取值区间为0.5～1.0之间，可首选畸变调节系数ks和kt相等，并在该取值区间任意取值，但ks和kt略有差异会减小结构像差优化的难度，增加优化设计中像差控制的弹性，在像差优化阶段可以略作调整；所述镜头工作视场角和所对应的像点坐标采用二维坐标表述，像点坐标(ysn，ytn)对应工作视场角(ωxn/2，ωyn/2)，如果设ωx/2和ωy/2分别为实际工程需要中ωxn/2和ωyn/2的最大值，则ωx/2和ωy/2是弧矢和子午向最大工作视场值，则(ωx/2，0)对应(ys，0)；(0，ωy/2)对应(0，yt)；根据成像公式及弧矢和子午工作视场角、最大像高及畸变调节系数的情况以及任取的最大像高ys＝nyt的条件，1.5＜n＜a/b，则可以确定镜头弧矢和子午焦距值，ft′及fs′；二向异性鱼眼镜头在弧矢与子午方向具有极值焦距值，而其他任意方向焦距值均在两极值焦距区间内，即：fs′＜fr′＜ft′；其中，fr′、fs′、ft′分别为镜头在任意方向、弧矢方向、子午方向的焦距值；各方向焦距值的连续性和在一个取值区间的极值性，可以保障像域边界也在一个可控固定区间；所述镜头保持像面距或光学后工作距相同的条件、同时也决定镜头弧矢和子午方向光焦度分配的关系式是镜头在弧矢和子午方向的焦距满足关系：fs′＝ft′-d+ds/ns；其中，d是分别处于两个方向的所有有效透镜的等效透镜的主面间隔，ds是弧矢方向所有有效透镜的等效透镜的光学厚度，ns是弧矢方向所有有效透镜的等效透镜的折射率，该条件关系式将用来确定镜头弧矢和子午向的光焦度分配和确定间隔；根据二向异性鱼眼镜头性能指标中像素利用率的计算和提升策略，二向异性鱼眼镜头将球幕逆映射到镜头的像面上成椭圆边界的像域，该像域的面积为Se＝πysyt，而传统鱼眼镜头所成的球幕逆像是圆边界的像域，该像域的面积为Sc＝πyt2，根据式ys＝nyt的条件，1.5≤n≤a/b，可得，二向异性鱼眼镜头相对传统鱼眼镜头来说，能把相同尺寸的球幕逆映射到数字放映/投影机芯片上的像域面积提高M＝Se/Sc倍，即，M＝n，像素利用率得到提升，反之亦然，二向异性鱼眼镜头把可投射到球幕上的投影机芯片上的像素数提高了M倍，即提高了像素利用率或光能利用率，如有需要，也可通过重新调整弧矢方向的焦距和最大像高，来进一步提高像素利用率，但像素利用率提升的最大值受限数字放映/投影机芯片的宽高比a/b。确定了本实施例的技术指标和性能指标后，就可进一步根据规律性等效原理光学结构设计方案来构建二向异性鱼眼镜头光学结构，该二向异性鱼眼镜头的光学结构源于传统鱼眼镜头结构，但却具有不同于传统鱼眼镜头的特有光学结构特征。二向异性鱼眼镜头光学结构，和传统鱼眼镜头具有一定相关性，单独考察二向异性鱼眼镜头的子午或弧矢方向，其结构是传统鱼眼镜头结构的高度复杂化，二向异性鱼眼镜头结构在任意方向上都可认为是传统鱼眼镜头结构，所述的特有光学结构特征是指，在具有常规结构特点的共性基础上结构有明显不同，常规结构特点的共性基础包括：存在球面透镜和孔径光阑、孔径光阑前后存在前镜组和后镜组、所有镜组和孔径光阑均装在起支撑固定作用的金属或工程塑料制作的镜筒内、存在由金属或工程塑料制作的用以保证透镜或透镜组间隔的隔圈等零件，以上共性问题，在实施例中省略表述。本发明光学结构特征是：为了实现镜头的二向特性差异，二向异性鱼眼镜头光学结构内部除了具有若干标准的共轴球面透镜外，还具有工作面为双二次曲面的若干双二次曲面透镜，俗称轮胎镜，本实施例为降低成本并降低透镜加工和光学装调难度，最大化简化工艺，结构内采用最为简单的双二次曲面透镜，即柱面透镜。根据柱面透镜的柱面母线所处的弧矢和子午平面的不同来描述，所有柱面透镜分为弧矢柱面透镜组和子午柱面透镜组，每个柱面透镜组可以是一片透镜或几片透镜，每一片透镜上至少有一个、最多两个柱面工作面，透镜相互之间存在大于等于零的光学间隔，所有含有柱面工作面的柱面透镜中柱面工作面的中心母线平行者视为一组，即所有柱面工作面的中心母线均分别处于弧矢平面和子午平面内，且两组柱面透镜组的中心母线相互垂直，而且，所有柱面均处在镜头孔径光阑的相同一侧，即，处在距离球幕更近的那一侧。图1中给出了本发明的规律性等效原理光学结构图，其中的a图是沿子午方向的剖面图，b图是沿弧矢方向剖开的剖面图。本发明二向异性鱼眼镜头，采用规律性等效原理光学结构，用光学理论中″等效″的概念，采用单片等效透镜替代了透镜群，从两个方向描述了等效原理光学结构的特点，包括柱面工作面的分布情况。二向异性鱼眼镜头距离球幕更近的一侧为前，距离放映机芯片更近的一侧为后，则，规律性等效原理光学结构包括一个孔径光阑和从前至后依次排布的六个功能性透镜群，在孔径光阑前有五个透镜群，孔径光阑后有一个透镜群。所述的二向异性鱼眼镜头，包括由前至后依次排列的第一透镜群101、第二透镜群102、第三透镜群103、第四透镜群104、第五透镜群105、孔径光阑A和第六透镜群106。进一步将图1中各个等效透镜所等效的透镜群详细描述，每个透镜群的特征为：第一透镜群101为一片透镜，朝前的工作面为柱面，朝后的工作面为球面，为负焦度；第二透镜群102，为二至四片透镜，所有工作面全部为球面；第三透镜群103，为二至四片透镜，所有工作面均为柱面或平面；第四透镜群104，为二至四片透镜，所有工作面全部为球面；第五透镜群105，为一至二片透镜，至少有一个柱面工作面，其余为球面工作面；第六透镜群106，为三至八片透镜，所有工作面均为球面或平面，为正焦度；所述的第一透镜群101和第三透镜群103中各柱面工作面的母线保持平行，构成弧矢柱面透镜组；第五透镜群105中的各柱面工作面的母线保持平行，构成子午柱面透镜组；第一、第三透镜群101、103中的柱面工作面的母线和第五透镜群105中的柱面工作面的母线相互垂直。上述中，图1中的标识A是镜头孔径光阑，标识B是所采用的数字放映/投影机的光引擎中棱镜组的等效模拟平板，(B本不属于镜头结构，但光学计算和像差优化需考虑该模拟平板)，标识C是镜头的成像面，即数字投影放映机的芯片所处的位置；其中，第一透镜群101，主要起增大角放大率和制造焦距差异化的作用；第二透镜群102，主要起平衡视场相关像差和缩小第一透镜群通光口径的作用；第三透镜群103，主要起制造焦距差异化作用；第四透镜群104，主要起平衡光阑孔径A相关像差作用；第五透镜群105，主要起平衡孔径光阑A慧差和保障弧矢和子午向具有相同孔径光阑A直径的作用；之后设置的孔径光阑A，用于限定镜头通光能力，孔径光阑A没有特殊性，在孔径光阑A后为第六透镜群106，第六透镜群，主要起零和各种残余像差和调整光学后工作距的作用。本发明中，根据对弧矢和子午向焦距值及焦距比的不同要求、根据镜头所匹配的不同技术类型的投影机的光引擎结构参数的不同情况、根据具体工程需要的不同指标来确定和配置各个透镜群的具体透镜数量和组成形式；在充分考虑到消像差条件和像质要求的前提下，在设计传统鱼眼镜头结构和光学设计理论基础上，进一步将规律性等效原理光学结构图1中的各个透镜群复杂化、具体化，则可以构建满足某特定需要的镜头具体光学结构。为方便描述，以下通过设定一个特定工程需要来说明，设标准的单机位球幕放映/投影系统中，二向异性鱼眼镜头出瞳位于标准球幕的球心，镜头光轴和球幕对称轴重合，且球幕具有160°的球心角——经过球幕对称轴的平面和球幕边缘相交所得的两点分别与球心直线连接形成的夹角，系统采用3DMD类型具有1.38英寸芯片的主流高清数字放映机，芯片像素数为4096*2160。根据以上情况，可知镜头的弧矢和子午最大全视场角均为160°，那么，镜头设计时的最大弧矢和子午工作视场角就均为80°，也可知芯片的长和宽的尺寸约为31mm和16.35mm，还可知数字放映/投影机的引擎棱镜结构与参数，包括引擎棱镜材料与厚度，镜头后工作距的要求等；在此具体工程中yt＝b/2＝8.17mm，任意取ys＝1.52yt，即，ys＝12.42mm；保持畸变调节系数ks和kt相等，任取ks＝kt＝0.75，则根据成像公式和以上所给条件，可以确定镜头弧矢和子午焦距值，fs＝12.21mm，ft＝8.035mm；可得，相对传统鱼眼镜头，本具体应用中镜头的像素利用率提高了52％，而像素利用率提升的极限值为约90％；进一步根据焦距值和光阑前存在柱面透镜的已知情况，由式fs′＝ft′-d+ds/ns可确定弧矢和子午向的等效光焦度透镜之间的主面间隔，并以此保证镜头弧矢和子午方向具有相同像面位置；式fs′＜fr′＜ft′及各个任意方向均有确定焦距值，保证镜头各个方向均有解，也即保证各个任意视场的光线均能正常通过镜头光路；在充分考虑到消像差条件，在光学设计理论基础上，进一步将规律性等效原理光学结构图1中的各个透镜群复杂化、具体化，则可以构建满足需要的镜头具体光学结构，如图2；图2是根据本发明的规律性等效原理结构图1而形成的满足所设定具体工程使用的具体镜头光学结构图，其中a图为沿子午方向、b图为沿弧矢方向剖面视图，用来说明各个透镜群的组成情况。图2中仍就包含一个孔径光阑和六个透镜群，从前至后依次排列为：第一透镜群201，为一片透镜，朝前的工作面为柱面，朝后的工作面为球面，前后两方向均负焦度；第二透镜群202，为三片透镜，其上所有工作面全部为球面；第三透镜群203，为三片透镜，其上所有工作面均为柱面或平面；第四透镜群204，为四片透镜，其上所有工作面全部为球面；第五透镜群205，为一片透镜，其上的一个工作面为柱面且靠前，另一个工作面为球面；之后设置孔径光阑A2，孔径光阑A2没有特殊性，在孔径光阑A2后为第六透镜群206，第六透镜群206，为正焦度，为七片透镜，其上所有工作面均为球面或平面。其中的第一透镜群201和第三透镜群203中各柱面工作面的母线保持平行，构成弧矢柱面透镜组；而第五透镜群205中的柱面工作面的母线保持平行，构成子午柱面透镜组；第一、第三透镜群201、203中的柱面工作面的母线和第五透镜群205中的柱面工作面的母线相互垂直。第二透镜群202、第三透镜群203、第四透镜群204、第六透镜群206中的各透镜或独立或以胶合对的形式存在，取决于像差平衡的需要。第一透镜群201和第三透镜群203内的标识RI、R8、R9、R10、R11、R12为六个母线平行于弧矢面的柱面工作面，为加工简便，特将R10、R11处理为平面(平面也可认为是特殊柱面)，第五透镜群205内的标识R19为母线平行于子午面的柱面工作面，图中未标记的工作面均为标准球面。针对图2所示的镜头光学结构，建立数据文件，采用光学专业常用软件进行像差校正与平衡、结构优化、边界条件控制，并考虑到数字放映/投影机引擎棱镜的影响，得到符合要求的结构详细数据，见表1：表1实施例镜头光学结构详细数据(长度单位：mm，弧矢柱面指母线平行弧矢面，子午柱面为母线平行子午面)根据本发明，针对某特定工程而具体化的二向异性鱼眼镜头，其具体光学结构实现过程中所涉及到的如，光学材料的选取、结构参数的形成、像差优化与控制等等问题的细节处理方法和原则，和设计传统鱼眼镜头的处理方法和原则一样，并没有特殊性，均符合业内通行惯例。图3是经优化处理后的满足所设定具体工程需要的具体镜头光学结构的光路路径图，该图对应表1中数据，其中的a、b图分别是沿子午面、弧矢面剖开的剖面图。为图形简洁易读，a、b图中只分别给出了两个极端视场的光线路径，图中还给出了投影机引擎棱镜设定平板，但制作镜头时不包含对该设定平板的制作。见图4，针对相同应用环境，本实施例的二向异性鱼眼镜头和传统鱼眼镜头形成的像域对比。图中a图为传统鱼眼镜头形成的像域，b图为二向异性鱼眼镜头形成的像域，c图为数字放映/投影机的芯片DMD。可见b图二向异性鱼眼镜头所形成的像域面积明显大于a图传统鱼眼镜头的像域面积。图5是本实施例二向异性鱼眼镜头的传递函数曲线图。纵轴为尼奎斯特频率值，横轴为每毫米的线对数，表述了二向异性鱼眼镜头在各个二维视场的光学分辨率水平或解像能力，这些视场包含了弧矢、子午方向以及介于此两方向之间的任意方向的解像力。根据本发明的构思，通过一定简单变化还可形成其它多宗具体的二向异性鱼眼镜头光学结构，变化方式为光学设计常用手段，包括对某个透镜或透镜群的分裂处理、增加透镜数量、把某透镜的某个平面工作面变化成柱面或双二次曲面，把柱面工作面变化成更一般性的双二次曲面，把球面变化成更一般的双二次曲面；另外，二向异性鱼眼镜头结构，通过简单变化结合软件优化过程，可以作为传统鱼眼镜头结构使用，这些修改，包括把结构内的柱面工作面修改为平面或球面。本发明的二向异性鱼眼镜头也可用于对不完整球幕的放映与投影，不完整球幕是指该球幕不是完整球冠，而是球冠的一部分，其正视图为圆缺。针对不完整球幕的应用，仍需保证镜头出瞳位置处于球幕的球心处，但镜头光轴需偏离数字放映/投影机芯片的中心对称轴，镜头的子午向最大像高也应根据实际情况调整，而不再等于芯片宽度的一半，而要大于芯片宽度的一半，此时，像素利用率或光能利用率也可以得到大大提升。本发明二向异性鱼眼镜头还可以通过针对性改变，而用于球幕影片的拍摄，所做的改变是围绕常规性能匹配进行的，其中所涉及的设计理念和本发明应完全一致。本发明在规律性等效原理光学结构基础上，根据弧矢和子午向焦距值及焦距比的不同要求、根据镜头所匹配的不同技术类型的投影机的光引擎结构参数的不同情况、根据具体工程需要的不同指标和几何像差平衡要求确定和配置各个透镜群的具体透镜数量和结构参数，而形成具体的镜头光学结构。本发明二向异性鱼眼镜头采用了最常用的″等距投影″式非相似成像公式进行了原理说明及阐述，但是，本发明具备采用其他类型成像公式的潜力，例如，采用鱼眼镜头光学理论所称的″等立体角投影″式、″体式投影″式、″正交投影″式等成像公式，而技术方案中的主要步骤、主要方法、等效原理光学结构不变。本发明除针对弧矢最大像高ys、子午最大像高yt之间的关系ys≥1.5yt进行了原理说明及阐述之外，而当yt≤ys≤1.5yt时，技术方案中所涉及到的其他因素，即主要步骤、主要方法、等效原理光学结构不变，本发明也同样成立，只是此时，像素利用率提升幅度不大，使用价值要打折扣。