鱼眼镜头的成像理论与优化设计（可编辑）.doc

鱼眼镜头的成像理论与优化设计
国防科学技术大学
博士学位论文
鱼眼镜头的成像理论与优化设计
姓名:戴建宁
申请学位级别:博士
专业:光学工程
指导教师:王永仲
19990101国防科学技术大学研究生院学位论文
摘要
鱼眼镜头是一种具有大相对孔径、大视场角和较长的后工作距离的反摄远
镜头,它的视场角可以达到甚至超过。,因此它能够将半球空域甚至超半
球空域的物体成象在有限的象平面上。这种镜头在科研、军事等许多领域有着
广泛的应用前景。
鱼眼镜头有不同于普通镜头的投影公式,以便能够对大视场角的物体成象。
选用这些公式实质上相当于人为地引入了负畸变,而负畸变的引入能够改善象
面照度的均匀性。鱼眼镜头具有很大的光阑球差和光阑彗差,可以运用光阑球
差的级数展开式来确定实际的主光线位置,运用在孔径光阑上度量渐晕的方法
来利用光阑彗差,增加轴外点进入镜头光束的宽度,以进一步改善象面照度的
均匀性。鱼眼镜头的优化涉及到非线性性、病态、光线溢出、光路追迹异常等
问题的处理。文章中采用了复合优化和最大因子技术来克服优化中的非线性
性,利用释放象差的方法来克服优化中的病态,并且通过视场缩放和切换受控
指标来克服光路追迹异常。文章最后给出了镜头优化的几个实例。
关键词: 鱼眼镜头光路追迹光学设计优化
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绪论
鱼眼镜头是一种特殊的光学镜头,其视场角接近、等于甚至大于。,它能
将半球空域甚至超半球空域的物体成象在象面的有限范围内。这种镜头引入了
很大的桶形畸变,由于这种畸变的引入,鱼眼镜头在理论、计算、设计上与一
般的光学镜头有显著的不同。
鱼眼镜头具有很大的光阑球差和光阑彗差。前者使得实际入瞳的位置与近轴
光学定义的入瞳位置有明显差异,后者使得实际入瞳的大小也发生了变化。入
瞳大小的改变和桶形畸变的引入都将对轴外点象面光照度产生影响。
鱼眼镜头的历史可以追溯到年。当时..用一盛满水的透明容
器,其上覆盖带针孔的屏,构成“针孔相机”,以拍摄超大视场角的景物;
年..用一个半球形玻璃透镜代替针孔相机拍摄整个天空的云层,
其表面覆盖着中心有一个小孔的屏,它的视场为一完整的半球,被称为“记录
云层的广角镜头”,可以用来在气象站获得云层观察的摄影记录;到了年
.在半球形玻璃透镜前方加了一个负弯月形透镜,这个负弯月形透镜具有凸
的外表面和深凹的内表面,使得系统的场曲又大大地减小,是现今的鱼眼镜头
等人在希尔天文
的雏形,称为希尔天文物镜;随后,,,
物镜的基础上,又设计出一些更为复杂的鱼眼镜头【。从年代起。鱼眼镜头
的结构形式得到了不断的改进,其共同的特点是前组为具有很大负光焦度的弯
月形透镜组,用以实现视场为。的光学性能,后组是复杂化的正透镜组,用
以提高相对孔径和校正象差。
鱼眼镜头最初用于天文摄影和气象观测。近二十年来,随着鱼眼镜头本身结
构的改进以及器件、计算机图象处理等相关技术的发展,它越来越受到人
们的重视。
鱼眼镜头视场角大,又引入了大量的桶形畸变,将它作为摄影镜头能够取得
一些特殊效果。这种摄影镜头覆盖面积大。轻便、价格低,能在很近的距离拍
摄很大的物体,应用在近景摄影浏量上;乍常方便。有人将它用于风景几何空
间、风景直觉空间和大型建筑物的拍照,然后根据像片与物方空间坐标的关
系,完成对实物的立面测绘。这样可以大大减少野外的控制工作量,能够用于
城市的建设规划上。
利用鱼眼镜头能够制作球幕放映系统放映电影。这种电影与宽银幕电影不
同,它的屏幕不是平面,而是一个半球面。当欣赏这个电影时,仿佛置身其
境,别具一番风味。由于这种放映镜头的研制成功,给传统的光学仪器提供了
新的设计方案,例如由多套独立放映系统构成的哑铃式天象仪,可以用一个球
幕的鱼眼放映镜头来代替,它的视场为。,有些电子天象仪的视场甚至能够
达至,放映效果十分理想。整个球幕的星图来自配置在鱼眼镜头焦平面附
近的电子显示屏上,它由计算机程序控制,可以连续变化,从而可以表演瞬时
的以及过去或未来的各种星象。
鱼眼镜头可以用在科学实验上。利用视场为。、大视场象差校正较好的
鱼眼镜头,对有限远物体成象,,例如裂
缝疵病等,显示在电视屏幕上,起检测作用。将鱼眼镜头固定在一个照
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相机上,中间利用一个自动调节机构使鱼眼镜头的象面与的光敏面匹配,
再利用计算机对象面进行处理,这样可以构成可动机器人多方向视觉导航系统
】。这种结构比用普通照相杌进行扫描的方式