论文专利复现1-微光夜视鱼眼镜头的研究与设计-（上）原文阅读与分析

 参考文献：[1]高秋娟,徐云辉,姜华,狄世超,贺永喜.微光夜视鱼眼镜头的研究与设计[J].光学与光电技术,2021,19(04):80-85.DOI:10.19519/j.cnki.1672-3392.2021.04.012.

结构要求：

1、 工作波长为 0.587 μm、0.656μm、0.486 μm 和 0.8 μm（近红外对应星光）

2、 ENPD = 56 mm

3、 像空间 F 数 1.8

4、 后工作距离为 10.4 mm

5、 有效焦距EFFL = 9.5mm

6、 2=170° 视场角设置 为 4 个，分别为 0°、42°、60°和 85°

7、 系统总长TOTR = 90mm

成像质量要求：

1、在分辨率46lp/mm处，全视场范围内的MTF值均大于0.36，

2、全视场f-theta畸变量的绝对值小于30%

基本结构：

鱼眼镜头通常由前组和后组组成，前组为负光焦度透镜，后组为正光焦度透镜(反射远，具有大后工作距离，经典的有单反相机)，光线经过前组透镜后，光线与光轴之间的夹角变小，后组透镜主要校正系统的像差

1.应用背景：夜晚低照度大视场汽车驾驶

鱼眼镜头是一种超广角镜头，其特点是焦距短、视场角大，在工程设计中，技术人员一般将视场角大于 140°的镜头称作鱼眼镜头，

当鱼眼镜头应用于汽车辅助驾驶时，需要镜头在无灯光、无月光的夜晚，照度为 0.001 lux 条件下进行拍摄，在夜间，晴朗的星光辐射亮度只有月光亮度的百分之一，夜天辐射光谱范围除可见光之外，还有大量的近红外区域的光辐射，而且无月光星空的近红外辐射急剧增加，甚至会大大超过可见光辐射。目前大部分的鱼眼镜头都只适用于可见光范围，波长不包含近红外区域，因此在夜间星光下拍摄图像时将损失能量信息，而且相对孔径较小，到达像面的光照度不足，无法满足在夜间低照度环境下进行拍摄的需求，镜头成像的像高也较小，不能与芯片大小为1 inch 或 2 inch 的国产微光相机相匹配。

因此，本文基于 ZEMAX 软件设计出了一款适用于可见光和近红外区域的，可以满足在夜间使用的大孔径鱼眼镜头，其像高为 21 mm，可以与 2inch 相机相匹配

2.设计指标(视场角与特征频率)

2.1视场角(受芯片与显示器分辨率与横向视场角影响)

经鱼眼镜头拍摄的图像显示在显示器上，显示器的分辨率为1920×1280，要求的横向视场角为150°，选择的国产微光相机芯片像素数为2048×2048，可以敏感的最低照度为10-4lux。根据比例计算得到摄像头的视场角为

(因为要求的是横向视场角，所以取显示器横向分辨率1920)

保留一定余量，取视场角设计为170°。

2.2 MTF特征频率(受像素影响)

微光相机单个像素大小为11μm×11μm，要求图像充满整个CCD，计算得全视场像高为21mm(存疑，像素数疑取1920对应像高21.208mm而不是2048对应像高22.528mm？)，根据单个像素大小计算得特征频率(奈奎特频率1/(2*pixel size)，光学系统截止频率为1/(lambda*F))为：

人眼分辨极限对比度为0.15，但是一半要求0.3，所以在特征频率(45.45lp/mm)处的MTF>0.3

其他指标：本文设计的微光夜视鱼眼镜头是一种大相对孔径的，可以适应低照度环境下成像的光学系统，选用的相机为 CS 口，因此要求镜头的后工作距离较大

3.镜头设计

3.1 初始结构选择(在这，不以原文的初始结构进行设计，而以文章优化后的初始结构进行设计)

综合以上设计指标的要求，选择了一种后工作距离长的结构作为该鱼眼镜头的初始结构，图 1 所示为该鱼眼镜头的光路图。

原初始结构光学特性参数:

1、镜头初始结构的视场角为180°，

2、F数为1/3，

3、焦距大小为26mm，

4、最大口径为Φ84mm，

5、光学系统总长为145mm，

6、工作波长为F光、D光和C光，中心波长为D光。(无近红外)

成像质量：

初始结构在半视场角90°时，光斑均方根半径（RMS）为166.7μm，系统的像差较大

3.2 设计优化(原文对其初始结构的优化步骤，有借鉴意义)

基本设置(波长、相对孔径、视场角设置)：首先在 ZEMAX 软件中将初始结构的镜头参数进行更改，

1、工作波长更改为 0.587 μm、0.656μm、0.486 μm 和 0.8 μm，增加了近红外波长 0.8μm，因为星光的波长在近红外波段占很大一部分，

2、相对孔径更改为像空间 F 数 1.8，

3、视场角设置为 4 个，分别为 0°、42°、60°和 85°，

然后对初始结构进行再优化，使其满足要求。具体优化过程如下：

1）设置自由量(先设置凸透镜的)——将凸镜片的曲率半径、镜片之间的空气厚度设为优化变量，透镜厚度和凹透镜的曲率半径可以先不设置为变量。

2）控制厚度与间隔保证加工性与装配——在评价函数中，利用操作数MNCG、MXCG、MNEG对玻璃的最小、最大中心厚度及边缘最小厚度进行控制，保证透镜的可加工性。利用操作数MNCA、MXCA和MNEA对镜片间的最小、最大中心空气厚度和最小边缘空气厚度进行控制，保证透镜之间隔圈厚度的可加工性及装调的方便性。TOTR和OPLT对镜头的光学总长进行控制，REAY对像高进行控制。

3）优化(先点列图再波前差)——优化评价函数先采用RMS-SpotRadiusCentroid优化的方式进行初步优化，当像差较小后，再使用RMS-Wavefront-Centroid(或者PTVWavefront-Centroid)波前差优化的方式进行优化。

4）增加变量与非球面——初步优化后，将所有面的曲率半径设为变量，将第一面和第三面设为偶次非球面，利用非球面可以增大光学系统的相对孔径，减少透镜数量，缩小光学系统总长度。在有限空间尺寸的要求下，采用非球面更容易优化得到高质量的光学成像镜头［8-10］。

5）增加曲面窗口用做光学系统保护头——在镜头最前面增加一个曲面窗口，两个面的曲率半径大小相同，均为正，曲率半径和镜头第一面的曲率半径基本相同，窗口材料为亚克力材料，平面窗口的的透过率曲线如图2所示，实测在波长400~800nm范围内，光谱透过率大于92%。亚克力材料有较好的抗盐雾、抗霉菌和抗砂尘性能。窗口和第一片透镜之间的距离在方便安装更换的前提下尽量减小，此距离越小，在其他条件不变的情况下，窗口玻璃的尺寸就会越小。

6）分析与再优化并用操作数控制高级像差——在进行一系列的组合优化之后，查看各种像差和尺寸约束情况，根据要求和约束情况，适量修改目标值和权重的大小，再进行进一步的优化。同时在评价函数中输入组合控制操作符对高级像差进行控制

7）玻璃替换(锤玻璃)选择价格低、性能好的——使用ZEMAX软件中的锤化（HammerOptimization）对光学结构的玻璃种类设为Substitute，进行玻璃的优化替换，玻璃的替换将会起到关键性的作用，最终选择的玻璃品种尽量是光学性能优良、耐酸碱能力强，同时价格便宜，厂家常年有货的光学玻璃

3.3 设计结果与分析

经过一系列的优化设计，最终得到一款满足要求的微光夜视鱼眼镜头，图3所示为该鱼眼镜头的结构图，表1为优化后鱼眼镜头的设计参数。

3.3.1设计结果

OS组成：该物镜包含窗口透镜，共由7组10片透镜组成

OS材料：其中除窗口外，其余全部为光学玻璃，而且选用的玻璃材料均为常用、性能良好、价格便宜的牌号。

OS结构：

1、 工作波长为 0.587 μm、0.656μm、0.486 μm 和 0.8 μm（近红外对应星光）

2、 最大口径ENPD = 56 mm

3、 像空间 F 数 1.8

4、 后工作距离为 10.4 mm

5、 有效焦距EFFL = 9.5mm

6、 2=170° 视场角设置 为 4 个，分别为 0°、42°、60°和 85°

7、 系统总长TOTR = 90mm

8、 像高为21mm，

3.3.2性能分析(MTF、点列图、场曲与畸变、相对照度)

下面根据该设计的各个性能分析图来分析其设计的合理性。

1、MTF分析：图 4 所示为该设计的 MTF 曲线，横坐标表示空间频率，单位为 lp/mm（线对/毫米），纵坐标表示 MTF 值的大小。从图中可以看到在镜头的分辨率 46 lp/mm 处，该鱼眼镜头

在各个视场上的 MTF 值。中心视场的 MTF 值大于 0.40，0.5 视场子午和弧矢方向的 MTF 值均大于 0.51，0.707 视场子午和弧矢方向的 MTF 值均大于 0.45，全视场子午和弧矢方向的 MTF 值均大于 0.36。从而得出各个视场的 MTF 值均大于 0.36，可以拍摄得到清晰的图像，而且曲线走向相对集中，表明各个视场的成像质量一致。

2、点列图分析：在光线点列图中，参照选取主光线，得到了不同视场角的光线在像平面上的光线分布图，如图5所示，视场角为0°、42°、60°和85°时的RMS半径分别为8.120μm、7.643μm、8.400μm和8.246μm，小于一个像素11μm的大小(存疑，要求不应该是RMS<1/2像素吗)，满足成像质量要求。

3、场曲与畸变分析：图6所示为该鱼眼镜头的场曲、畸变曲线，畸变选择“F-Theta”畸变，显示选择“Percent”，左侧场曲图中横坐标表示场曲的大小，纵坐标表示视场角的大小，右侧畸变曲线中，横坐标表示畸变量的大小，以百分数形式表示，纵坐标表示视场角的大小。从图5可以看到，该鱼眼镜头在整个视场内在子午方向和弧矢方向的均场曲小于0.15mm，f-θ畸变量小于30%，可以满足成像质量的要求。

4、相对照度分析：相对照度是鱼眼镜头设计的重要参数，图7所示为该鱼眼镜头的相对照度曲线，横坐标表示视场角的大小，纵坐标表示相对照度的大小。环境照度大小为0.001lx，从图中可以看出，系统全视场内的相对照度均优于83%，表明整个像面内的照度比较均匀，不会出现边缘明显比中心暗的情况（渐晕较小？），像面照度能够满足成像质量的要求。