1、1特广角镜头的预研报告产品所需要的监控成像的专用特广角镜头进行了预研，现将预研结果报告如下：一、问题的提出和技术要求根据介绍，在开发某游戏设备时，其中需要用到摄像头摄取图象以便进行后续的图象识别。根据他们的市场定位，希望摄像头安装的位置越低越好，同时保持效果不变。工作时所需要拍摄的图象如下：提出的技术要求如下：1、 被摄物整体面范围尺寸：480x480mm；2、 图像传感器：1/4 英寸（ CMOS） ，30 万像素；3、 镜头离被摄物面的位置：480480mm 面的一侧，离边缘 50mm 以内，高度为 250mm之内；4、 图像清晰度：能分辨物面上 1mm 的细节；25、 图像校正畸变：无梯
2、形失真，线性畸变小于 5% 对矩形网格成像无变形；6、 景深大于 5mm，离镜头近的物体与远的物体成像清晰度无差别；7、 镜片个数：3-5 片， （含玻璃和塑料两种透镜）外壳为塑料，安装方式为螺纹连接；8、 成品单价：成本低廉，在大规模供货时（每月 10K 以上） ，每只镜头成品（包括所有镜片及外壳）批发单价 10 元人民币以下。二、 解决问题的几种途径1. 用普通的摄像镜头用普通的摄像镜头拍摄画面的话，由于普通镜头视场角太小，同时由于镜头处在被摄面的边缘会产生很大的畸变，尤其是梯形畸变，如下图所示：32 用倾斜 CMOS 成像面的办法消除畸变用普通的摄像镜头对准画面中心，由于镜头光轴和被摄面
3、不垂直，会产生很大的固有畸变，这样的畸变，可以用倾斜 CMOS 成像面的办法消除，如下图所示：4用这样的办法，虽然能消除畸变，但是由于整个光学系统失去了轴对称，像差校正困难，造成像面模糊，无法识别细节。3 用传统的球面特广角镜头成像由于非轴对称的光学系统难于校正像差，所以只有采用轴对称的光学系统的才能解决问题。所谓特广角镜头，是指视场角超过 90 度的广角镜头，在设计上有很大难度。广角镜头的畸变很大，为了消除畸变，镜头往往需要十多片镜片组成（如下图） ，它的成本很高，无法推广。5另一种消除畸变的球面广角镜头，是对称设计的镜头，从光学理论可知结构对称的镜头可以自动消除畸变。但是由于本镜头的焦距很
4、小 ( 约为 12mm )，对称设计的结果造成后截距很短 ( 约在 0.05mm )，装配调整困难，并且透镜的表面曲率半径很小，在 1mm 以下，这样小的半径在模具制造和注塑工艺上都十分困难，甚至无法加工，该方案的光学原理如下：三、 非球面特广角镜头的设计分析按照上述分析，本系统必须是一种新型的非球面的特广角镜头。为了降低成本可以使6用光学塑料非球面透镜。根据目前调查，国内这方面的技术已经成熟。为了使所设计的光学系统的光轴能够和被摄物面垂直，必须使视场扩大一倍，并且将成像的 CMOS 芯片偏轴放置，如下所示：图中 O 是镜头的光轴， OA 是被摄面，已知 OA=480mm，Lens 到 O 点
5、的距离为250mm。由于图像传感器是 1/4 英寸的 CMOS 芯片，而该芯片的尺寸 3.2x2.4mm 左右，也就是说需要将 480x480mm 物面成像在 3.2x2.4mm 的 CMOS 面上，所以该镜头的放大率 m 就是：m = -2.4/480= -0.005放大率 m 前的负号代表系统成倒像。设物象共轭距为 D，D=250mm，根据几何光学上焦距和放大倍率的关系：f= -Dm/（m-1 ）2所以,镜头的焦距就是: f=250*0.005/1.0052= 1.238mm这样的焦距，是非常短的, 因此镜头的视场也非常大，视场角和焦距的关系是：tan w=y”/f这里 w 为镜头的半视场
6、角， f 是焦距，y 是成像面的对角线的一半。Y = Sqr（2.42+2.42 ）=3.394所以 tan w=y”/f = 3.394/1.238=2.741 w =7072w =70总的视场角已经达到 140，这说明本系统是一个特广角的摄像光学系统。 设计这样的系统有多种方案，经过预设计，作者认为：采用反远摄系统为好。反远摄物镜也称为广角长工作距离物镜。普通的镜头，它的工作距离短于焦距，约为 0.6-0.8 倍焦距左右，由于本系统的焦距很短，只有 1.238mm，为了增加它的工作距离，方便安装调整，只能采用反远摄系统的光学结构。反远距系统的基本结构，采用负正透镜分离的型式，负光焦度的透镜
7、组做为前组，正光焦度的透镜组做为后组，光线经前组发散后，被后组成像在 CMOS 面上，其大致的结构可表示如下：普通的反远距系统的结构是比较复杂的，至少在 5-7 片，为了降低成本，需要将镜片数目控制在 3-5 片，这样就要采用非球面等最新技术。非球面和球面最大的区别在于表面的形状。球面是最简单的二次曲面，标准的二次曲面的方程式为： 2)1(rckz8其中，c 为表面的曲率（半径所对应的） ，r 是矢径方向的坐标， k 为圆锥系数。对于双曲线 k 小于1，对于抛物线 k 为1，对于椭圆 k 在1 到 0 之间，对于球面 k 为 0。Z 为光轴方向的矢高。对于 z 而言，标准的二次曲面的最高次数为
8、 2。轴对称多项式非球面可用球面（或标准的二次曲面）再附加高次的多项式来表示。偶次非球面只用径向坐标的偶次幂来描述。其表面的矢高由下式给出：可见，高次非球面比标准的二次曲面多了 1 、 2 、 3、 4 、 5 、 6 、 7 、 8 八个参数，对校正像差就是多了八个自由度，从而可以消除畸变等失真。但是非球面，尤其是高次非球面的加工是令人棘手的问题。玻璃非球面的加工成本十分昂贵，无法达到本项目的低成本的要求。可喜的是，光学塑料非球面技术目前已经比较成熟。在采用光学塑料非球面技术时，面形陡度是制造工艺成败的关键。如果表面面形很陡，模具很难加工，注塑也很困难，如下图的结构，第一片用光学塑料非球面，
9、由于表面面形太陡，以至无法加工成形。所以在设计时必须注意面形的加工工艺性。一般而言，非球面曲线上的任何一点的切线和光轴垂直线的夹角应该小于 60 度。为了在设计中控制面形陡度，有必要多采用几片镜片或多用几个非球面，对于本系168147126105846342122)1( rrrrrckz 9统而言，采用 3 个高次非球面是必要的。采用本方案的理由是：1为达到 140 度的特广角视场和一定的后截距，必须要采用特广角的光学结构形式；2为控制成本，必须在光学结构中采用塑料非球面，以减少透镜的片数；3在背投式电视光学镜头的设计中，本人对采用塑料非球面透镜消除畸变，已经有了成功的先例，这次通过精心设计，
10、可以达到委托方提出的消除畸变的要求；4国内非球面塑料透镜的加工工艺已经成熟，为采用本方案奠定了基础。预计结果：采用本方案能达到预定的技术要求，并能进行大量生产，满足市场的需要。加工单位的寻找：国内非球面塑料透镜的加工单位很多，如杭州照相机械研究所，杭州中新光学技术公司，浙江舜宇集团，凤凰光学集团，河南中光学集团，福建厦门玉晶光学公司（台资）等等，他们的模具制造技术，镜片注塑料技术都能达到本设计所需的要求。加工的周期及成功率：加工的关键在于非球面的模具制造，其中的型芯需要到境外加工，费用较大，因为具体单位的收费情况不同，每个型芯的加工价格在几千元左右。总的模具费用在 2-3 万元左右。模具的加工周期在两个月左右，试模和出样时间在一个月左右。按照常规出样以后，得修模 1-2 次，以达到要求。只要设计和工艺合理，成功的把握在 90%以上。设计步骤：1. 确定前后组元的光焦度分配；2. 确定前后组元的光学结构和所用的材料；3. 优化各个透镜的结构参数；4. 工艺审查；5交甲方审核。10
