车载视摄像头-鱼眼镜头,分布位置大概如下图:
鱼眼镜头启示来源水中的鱼贴近水面仰望天空的情况,如图2,水中的鱼贴近水面观察时,视场角可达到180°左右,光学角度即全反射及光路可逆性。
图3-1为光的全反射原理图,表示光由光密介质水进入光疏介质空气中,由折射率公式:n*sinθ=n’sinθ’,当θ’=90°时,θ=arsin(1/n),θ称之临界角。
由光路可逆性,贴近水面入射的光线,将会以等于折射角的角度进入水面,如图3(b)。故鱼在贴近水面看,可以看到水面上方180°角空域的景物。
鱼眼的水下视觉系统如何转移到鱼眼镜头呢?如下过程:
前提是光的全反射及光路可逆性这两个基本的光学原理为支撑。
如图4-a可将鱼眼晶状体和光学介质当成一个光学结构整体,将晶状体前表面与水平面构成一个以水为介质的平凹透镜,若改成高折射率的材料替代水介质,构成一个光学透镜,则可能在水平上实现大范围成像的功能。如图4-b,为进一步扩大视场角,将平凸透镜的前表面改为凸面并且增大后曲面的曲率,保证光焦度的变化量不大,来构成一个弯月负透镜如图4-c。从该演化的结果可看出,鱼眼镜头的演化第一片多为类似抛物线形且外凸的负透镜。
根据上述的演化,鱼眼镜头第1透镜为负光焦度,也决定了鱼眼镜头光学系统必然具有反摄远型物镜结构,即前负后正。如图5反摄远型物镜基本架构。
特点是本身具有大量桶形畸变的反摄远架构系统,即前负后正的光焦度的架构,见图5-1前后镜组光焦度负正体现,及各自光焦度分配。通常鱼眼镜头前负透镜组的前表面向前凸出同第一镜片的第二面曲率要大于第一面,这样透镜大多呈现“帽子”形状,弯月帽型,主要作用使入射光线强度和视场角足够大。鱼眼镜头的第一透镜通常采用玻璃材质,且选择硬度高、易加工、化学稳定性强的材质,如CDGM的H-ZLAF50E,H-ZLAF50B,H-LAK52为不错的材料。本案例的鱼眼镜头参数如下:
鱼眼镜头设计注意点:
1、 参考搜寻光学参数接近的专利库,好的架构是事半功倍;
2、 设计中做单透镜分裂,使用多个透镜取代单透镜可增加设计自由度,同时多个透镜分担原有透镜的光焦度,光焦度减小,透镜曲率减小,使得入射光线角度减小,有利高级像差减少;
3、 第一个弯月负透镜尽量用高折射率的材料,在高折射率的加持下,光焦度大,偏折光线能力强,且不会通过弯曲镜片曲率来达到提升光焦度有利于镜片的偏心,倾斜公差的敏感度提升,同时高折材料有利于镜片口径及系统长度减小,如图10,鱼眼镜头首片弯月负透镜高折与低折的差异,导致口径相差3.2mm;
4、 正透镜尽量采用高折射率、低色散材料,基于光学原理,在已确定光焦度条件下,高折射率材料的引入可避免曲率加大,这样可减少高级像差的出现。