鑽石舞台

引言

全景魚眼光學系統是一種視場角達到或超過180°的光學系統。隨着千萬像素高清芯片的發展和圖像畸變處理算法的成熟，全景魚眼光學系統及全景相機的市場化應用越來越多，如運動相機、安防監控、全景地圖、智能駕駛輔助泊車等[1-4]。作為全景應用的視覺輸入端，全景魚眼成像光學系統的成像質量直接決定着全景應用的有效像素、視場範圍、圖像處理和算法拼接等關鍵特性。有效像素是評價光學系統成像質量的關鍵技術指標，它綜合了不同視場下像素數量占比及畸變軟件校正的圖像壓縮率，反映的是圖像的清晰度和對目標細節的分辨能力。傳統全景魚眼光學系統的成像區域通常設計成略小於芯片垂直方向尺寸的圓形，有效像素僅為成像圓的面積，存在有效像素少和芯片有效像素利用率低的缺點。基於自由曲面設計的全景魚眼光學系統，採用自由曲面將X、Y 2個方向不同焦距融合到一個光學系統中，根據芯片的長寬比（如16∶9或4∶3）分別設計X向和Y向不同像高，可實現成像區域為橢圓，在相同的芯片尺寸下，可以使更多的有效像素用於成像顯示，提高圖像清晰度和芯片的有效像素利用率。基於以上優點，採用自由曲面設計的全景魚眼光學系統成為光學成像領域重要的研究課題。

1.光學系統結構及設計指標

常用的光學鏡片有玻璃球面、塑料非球面和玻璃非球面3種。玻璃球面具有冷加工簡單，成本低等優點，但因為球面像差校正較為困難，通常需要多枚組合才能較好地消像差。塑料非球面具有注塑成型簡單、易批量生產，可根據設計需要加工成不同類型的自由曲面等優點，缺點是耐氣候性較差，僅能滿足普通電子消費類產品應用。玻璃非球面因需要高溫模壓成型，生產效率低、成本高，且受模壓工藝影響，其自由曲面類型較少。根據上述光學鏡片的優缺點，本文採用玻璃球面加塑料非球面的混合式結構進行光學設計。

芯片採用1/2.33″ CMOS（互補金屬氧化物半導體），像素為4 384×3 288 pixels，像元尺寸為1.4 μm×1.4 μm，光學系統主要指標如表1所示。

2.光學系統設計

2.1結構型式的選擇

普通光學系統成像準則為「相似」成像，而魚眼鏡頭是將半球形的物面成像為平面，不能實現「相似」成像，只能採用「非相似」成像。根據「非相似」成像，魚眼鏡頭的成像關係一般有以下幾種：

式中：y′為理想像高度；f為光學系統有效焦距；θ為物方半視場角。（1）式為「正射影（orthographic projection）」，正射影中徑向和切線方向的放大率不同，可以提供更大的桶形畸變量，有利於視場角擴大，同時畫面相對照度的分布也會更均勻。（2）式為「等距離射影（equidistant projection）」，等距射影成像能使大視場範圍的場景均勻分布成像，保證中心視場和周邊視場的像素密度比較接近，本文採用等距離射影方式。（3）式為「立體射影（stereographic projection）」，立體射影成像能使邊緣視場的像擴大，使得邊緣視場的像素密度比中心視場高，具有更多的像素數量。（4）式為「等立體角射影（equisolid angle projection）」，等立體角射影成像表達的是像面上的面與物方上的立體角之間是正比關係，物方上相同大小的立體角在像面上投影成同樣的面積大小。畸變模型的物像關係示意圖如圖1所示。

圖3.不同表面類型示意圖

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本文僅為節選（應用光學 第43卷 第3期）

轉自：光行天下