鱼眼镜头光学系统的优化方法

牛智全++吕丽军

摘要：

在鱼眼镜头成像系统中，光线以很大的入射角打在前组透镜表面时往往会造成严重的像差，为了压缩超大视场角，提出应用非球面前组负弯月型透镜来控制鱼眼镜头系统的像差。基于光学前组具有平面对称的成像特性，应用平面对称光学系统像差理论发展的评价函数，对非球面系数及其他的系统结构参数进行优化设计。应用评价函数及Zemax光线追迹成像模拟对优化系统进行评估。研究表明，应用非球面组负弯月型透镜能够显著地提高鱼眼镜头的成像质量。

关键词：

光学设计； 鱼眼镜头； 平面对称； 非球面； 像差

中图分类号： TH 744文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.007

引言

鱼眼镜头系统是一种超大视场角的光学成像系统，其视场角可以达到180°甚至270°，可以摄取普通镜头无法比拟的场景。鱼眼镜头光学系统通常由压缩视场角的前组负弯月型透镜和后组物镜组成，由于结构的复杂性，高质量的鱼眼镜头设计和制造比较困难。赛德尔像差理论主要适用于轴对称光学系统的像差分析，但对于鱼眼镜头光学系统的超大视场物点成像，光线以很大入射角（可能大于80°）打在其前组负弯月型透镜上，造成比较严重的像差。光线经前组光学系统成像后在子午和弧矢平面内的聚焦及波阵面参数可能完全不一致，成像具有平面对称而不是轴对称光学系统的特性，赛德尔像差不再适用于此类光学系统的成像分析。

目前，Lu等应用波像差的方法发展了普遍的平面对称光学系统的像差理论[35]；并基于平面对称光学系统像差理论发展了超大视场光学系统的优化设计方法[67]。本文在这些工作基础上，针对鱼眼镜头前组光学系统的成像特点，基于平面对称光学系统像差理论，采用非球面前组光学系统设计，有效地抑制系统的像差，达到优化鱼眼镜头成像的目的。

3结论

在光学系统中应用非球面可以改进光学成像质量，但如何有效地应用非球面控制系统的像差仍然是个有待研究的问题，毕竟非球面的运用会增加制造成本。本文针对鱼眼镜头的结构特点，设计非球面前组光学透镜来有效控制光学系统的像差，并应用平面对称光学系统的像差理论来优化鱼眼镜头系统的像

差。这个思路在目前研究鱼眼镜头的文献报道及专利中都没有得到体现。数值分析结果证实了我们的优化方法是有效的。

参考文献：

[1]王永仲.鱼眼镜头光学[M].北京：科学出版社，2006：222238.

[2]MOORE L B，HVISC A M，SASIAN J.Aberration fields of a combination of plane symmetric systems[J].Optics Express，2008，16（20）：1565515670.

[3]LU L J.Aberration theory of planesymmetric grating systems[J].Journal of Synchrotron Radiation，2008，15（4）：399410.

LU L J，DENG Z Y.Geometric characteristics of aberrations of planesymmetric optical systems[J].Applied Optics，2009，48（36）：69466960.

[5]LU L J，HU X Y，SHENG C Y.Optimization method for ultrawide angle and panoramic optical systems [J].Applied Optics，2012，51（17）：37763786.

[6]常欢，吕丽军，刘鑫，等.混入逃逸函数的遗传算法优化超大视场光学系统[J].光学仪器，2013，35（4）：2733.

[7]王泽民，吕丽军.混入逃逸函数的实数编码遗传算法优化光学系统[J].光子学报，2014，43（6）：0622001.

[8]MULLER R.Fish eye lens system：USA，4525038[P].19850625.

（编辑：程爱婕）