一种变焦鱼眼镜头系统及设计方法与流程

本发明涉及应用光学技术领域，尤其是涉及一种变焦鱼眼镜头系统及设计方法。

背景技术：

在光学系统凝视视角不大的情况下，通过机电结构和伺服控制使光轴在一定范围内按某种规律做二维旋转扫描，以增大信息感知的角空域。这也是工程上采用最多的扩充视角的方法。

为保证信息获取的实时性，采用多镜头做视场角拼接是扩大信息感知角空域的另一种实用技术，也是目前常用的方法。该技术采用了大视场、高分辨力的凝视成像传感器、先进的电子组件电路和信号处理技术，其突出优点就是视角覆盖空域内保证了信息获取的实时性。

旋转/步进扫描技术获取信息过程中，需要足够的时间，该技术主要缺点就是损失了信息获取的“实时性”。这种技术还受系统转动惯量、旋转扫描机构的框架角等因素限制，从而降低了其快速响应性能，该技术装置不能覆盖全空域而不留盲区，有信息丢失和漏警的缺点。

多镜头拼接技术只适用于扩展平面角，要用工程方法拼接成一个覆盖全空域的立体角是不实际的。该技术另一个缺点是带来体积、重量、功耗等方面的困难。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种变焦鱼眼镜头系统及设计方法，变焦鱼眼镜头系统就是模仿水下鱼的眼睛仰视水面之上半球空域的一类仿生系统，把鱼眼的这种功能通过设计成光学仪器的形式就成了变焦鱼眼镜头系统，它能满足人们以尽可能大的视野范围获取信息的目的。

在保持像面不变的情况下，通过改变系统中两个或两个以上的透镜组间隔，达到整个系统焦距改变的效果，实现系统在整个变焦过程中能够获得连续清晰的像。与固定焦距镜头不同，变焦镜头无需更换镜头，通过推拉或旋转变焦环即可实现变焦组之间距离的改变从而达到系统焦距的增加或减小。通过把镜头的焦距放大或缩小，在物体不改变位置的情况下物体的不同部位就可以清晰观察到。通过改变镜头的倍率，对物体的全局观察和局部精确检测就能实现，这些功能是单个定焦镜头所无法具备的。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种变焦鱼眼镜头系统，沿光轴方向，从物体端至成像端依次设有具有负光焦度的前透镜组和具有正光焦度的后透镜组，所述前透镜组由沿光轴方向，从物体端至成像端依次设置的负光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜、负光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜和负光焦度的第五透镜组成，所述后透镜组由沿光轴方向，从物体端至成像端依次设置的正光焦度的第六透镜、孔径光阑、负光焦度的第七透镜、正光焦度的第八透镜、正光焦度的第九透镜、负光焦度的第十透镜、正光焦度的第十一透镜、负光焦度的第十二透镜、正光焦度的第十三透镜和正光焦度的第十四透镜。

进一步地，所述第七透镜与第八透镜、第九透镜与第十透镜以及第十二透镜与第十三透镜均各自通过胶合的方式组成双胶合透镜。

进一步地，该镜头系统的短焦距为8mm，短焦距对应的视场角为180°，该镜头系统的中焦距为12mm，中焦距对应的视场角为120°，该镜头系统的长焦距为16mm，长焦距对应的视场角为90°。

进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜和第十四透镜采用的材料各自对应为：n-lasf44、n-lasf31a、n-psk57、sf6、n-lasf31、n-lasf31a、n-lasf31a、k3、n-fk5、n-lasf31a、tifn5、n-lasf40、n-pk52a、n-fk5。

进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜和第十四透镜各自对应的折射率为1.8042、1.8830、1.5924、1.8052、1.8807、1.8830、1.8830、1.5182、1.4875、1.8830、1.5936、1.8340、1.4970、1.4875。

本发明还提供一种基于所述的变焦鱼眼镜头系统的设计方法，该设计方法包括以下步骤：

步骤1：针对所述前透镜组初步设计确定每块负弯月型透镜的相关参数；

步骤2：依据所述前透镜组光学系统像方空间视场角以及像差分布情况来设计选择所述后透镜组的结构及参数，并组成所述变焦鱼眼镜头系统的初始结构；

步骤3：初步设计系统总光路并利用相关软件对初始结构进行进一步优化设计；

步骤4：对鱼眼镜头初始结构进行前组和后组的组元划分，利用相关软件对初始结构进行进一步优化设计并最终获得视场角在180°～90°范围变化、相应的系统焦距在8mm～16mm范围变化的变焦鱼眼镜头系统。

进一步地，所述的步骤1包括以下分步骤：

步骤11：以某一负弯月型透镜前后面曲率半径比值以及折射率作为自变量和参数，根据各类像差分布曲线，初步设计选定曲率半径比值以及折射率；

步骤12：针对最大视场光线，利用曲率半径比值以及折射率最终得到两块负弯月型透镜的参数。

进一步地，所述的步骤3和步骤4中的相关软件均采用zemax软件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本变焦鱼眼镜头系统经过先进行前组的初步设计，再由前组出射的视场角以及前后组像差平衡的关系初步计算设计后组系统，然后进行系统总光路的计算，最终组合成变焦鱼眼镜头初始结构，然后对鱼眼镜头初始结构进行前组和后组的组元划分，利用zemax软件对变焦鱼眼镜头系统进一步优化设计，最终获得视场角在180°～90°范围变化、相应的系统焦距在8mm～16mm范围变化的变焦鱼眼镜头系统。该变焦鱼眼镜头系统由14块球面透镜组成，有利于加工。通过基本像差分析图可知，该变焦鱼眼镜头成像质量能满足一般成像质量的要求。

(2)本变焦鱼眼镜头系统的焦距可以在8mm～16mm范围内进行调解，视场角在180°～90°范围内调节，能够对整个半球空域实时监测或摄影，通过mtf曲线可以看出，在所有焦距状态下，当空间频率50lp/mm时otf的数值均不低于0.48，本镜头系统成像质量较好，完全能满足的监测或摄影要求。

(3)本变焦鱼眼镜头系统通过前组像差与后足像差相互的平衡的方式，使得成像质量达到满足的要求，本发明变焦鱼眼镜头系统还可应用于国防和军事领域，在天文、摄影、球幕投影、管道检测、医疗内窥检查、气象监测、安全监视、工程测量以及微小智能系统等领域也得到了广泛的应用。

附图说明

图1为本发明变焦鱼眼镜头的前组和后组的组元划分图；

图2为本发明变焦鱼眼镜头系统各焦段的布局示意图，其中图2(a)为短焦(8mm)的布局示意图，图2(b)为中焦(12mm)的布局示意图，图2(c)为长焦(16mm)的布局示意图；

图3为本发明变焦鱼眼镜头系统各焦段的mtf曲线示意图，其中图3(a)为短焦(8mm)的mtf曲线示意图，图3(b)为中焦(12mm)的mtf曲线示意图，图3(c)为长焦(16mm)的mtf曲线示意图；

图4为本发明变焦鱼眼镜头系统各焦段的场曲与畸变曲线示意图，其中图4(a)为短焦(8mm)的场曲与畸变曲线示意图，图4(b)为中焦(12mm)的场曲与畸变曲线示意图，图4(c)为长焦(16mm)的场曲与畸变曲线示意图；

图5为本发明变焦鱼眼镜头系统的示意图；

图中，1为第一透镜，2为第二透镜，3为第三透镜，4为第四透镜，5为第五透镜，6为第六透镜，7为第七透镜，8为第八透镜，9为第九透镜，10为第十透镜，11为第十一透镜，12为第十二透镜，13为第十三透镜，14为第十四透镜，15为孔径光阑，100为像面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明的基本技术原理：

通常鱼眼镜头系统由压缩视场角的前组负弯月型透镜和常规光学系统的后组物镜组成，鱼眼镜头要以极大地视场和很高的相对孔径实现成像，必须以很大的相对截面传递极度倾斜的光束。定焦鱼眼镜头设计过程中，第一透镜就是一光焦度很大的组元，通常被称为“帽形透镜”，是鱼眼镜头系统中最重要的组元，主要起到压缩视场角到常规光学系统所能接受的角度的作用。其前组的负弯月型透镜结构已基本定型，前组的帽形透镜设计好之后，然后依据前组光学系统像方空间视场角以及像差分布情况来选择后组物镜的结构及参数，利用前后组光学系统互相制约，设计好鱼眼镜头的初始结构，然后进行变焦镜头的前组和后组的组元划分，通过变焦组之间距离的改变达到整个系统焦距改变的目的。

设计结果

根据上述设计过程，前组由5块透镜组成，后组由9块透镜组成，所有透镜都是球面，最终设计了一种可见光范围内的变焦鱼眼镜头系统。变焦鱼眼镜头系统像方空间f数为3.5。变焦鱼眼镜头的前组和后组的组元划分及光路布局示意图如图1和图5所示。短焦距8mm时视场角为180°，中焦距为12mm时视场角为120°，长焦距16mm时视场角为90°，如图2(a)～图2(c)所示。不同焦距状态时的mtf曲线如图3(a)～图3(c)所示。不同焦距状态时的场曲与畸变曲线如图4(a)～图4(c)所示。由图3、图4可见，全视场镜头的最大场曲小于0.13mm，全视场mtf值在空间频率50lp/mm时不低于0.48，本变焦鱼眼镜头系统的mtf指标能够满足一般实际成像的需要。

以上对应的附图中，图1中的frontzoomgroup表示变焦鱼眼镜头的前组，rearzoomgroup表示变焦鱼眼镜头的后组，图3(a)～图3(c)中的modulesoftheotf表示otf模值，spatialfrequencyincyclespermm表示空间频率：周期/mm，图4(a)～图4(c)中的fieldcurvature表示场曲，millimeters表示毫米，f-tan(theta)distortion表示f-tan(theta)畸变，percent表示百分比。

最终得到的变焦光学系统，沿光轴方向，从物体端至成像端依次设有具有负光焦度的前透镜组和具有正光焦度的后透镜组，前透镜组由沿光轴方向，从物体端至成像端依次设置的负光焦度的第一透镜1、负光焦度的第二透镜2、负光焦度的第三透镜3、正光焦度的第四透镜4和负光焦度的第五透镜5组成，后透镜组由沿光轴方向，从物体端至成像端依次设置的正光焦度的第六透镜6、孔径光阑15、负光焦度的第七透镜7、正光焦度的第八透镜8、正光焦度的第九透镜9、负光焦度的第十透镜10、正光焦度的第十一透镜11、负光焦度的第十二透镜12、正光焦度的第十三透镜13和正光焦度的第十四透镜14。

其中十四个透镜的材料具体分别为：n-lasf44、n-lasf31a、n-psk57、sf6、n-lasf31、n-lasf31a、n-lasf31a、k3、n-fk5、n-lasf31a、tifn5、n-lasf40、n-pk52a、n-fk5，各自对应的折射率为：1.8042、1.8830、1.5924、1.8052、1.8807、1.8830、1.8830、1.5182、1.4875、1.8830、1.5936、1.8340、1.4970、1.4875。

第七透镜7和第八透镜8通过胶合的方式组合成双胶合透镜。

第九透镜9和第十透镜10通过胶合的方式组合成双胶合透镜。

第十二透镜12和第十三透镜13通过胶合的方式组合成双胶合透镜。

该系统的镜头的视场角短焦距时为180°，短焦距为8mm，f数为3.5，总长度为163.963mm，可探测的波长范围为486nm-656nm，主波长为588nm。

该系统的镜头的视场角中焦距时为120°，中焦距为12mm，f数为3.5，总长度为163.963mm，可探测的波长范围为486nm-656nm，主波长为588nm。

该系统的镜头的视场角长焦距时为90°，长焦距为16mm，f数为3.5，总长度为170.153mm，可探测的波长范围为486nm-656nm，主波长为588nm。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。