超广角鱼眼镜头的原理、设计模型及应用发展

由于鱼眼前表面的曲率半径很大，如若将鱼眼外凸的前表面和眼前的水看成整体当作负透镜，该透镜将会有绝对值很大的负光焦度。借鉴仿生学原理，鱼眼镜头是其领域的一大突破，人类借鉴鱼类仰视水面之上半球空域的视觉原理，使用光学工程技术设计出鱼眼镜头，并用其成像，获得半球甚至超半球空域的场景图像。为使入射光线强度足够大，前置透镜的前表面改进为凸面并且相应增大后曲面的曲率，保证原有光焦度不变，以形成弯月形的透镜。如图1-3

图1-3弯月形透镜

弯月形透镜是作为第一个镜头，在其后面增加一定数量的透镜后组成透镜组，以确保第一透镜能良好聚焦。鱼眼镜头的普遍结构特征为：透镜前组光焦度为负，后组光焦度为正，以加大同焦距不同类型镜头的后工作距离。鱼眼镜头具有广角、短焦的特点。图1-4为鱼眼镜头基本结构系统简化图。

图1-4鱼眼镜头基本结构系统简化图

1.2.鱼眼镜头成像畸变理论

在传统光学原理中，受到高斯原理成像视角限制，能成像的空间大小极为有限。但是在我们讨论的鱼眼镜头中，为了突破成像的局限性，鱼眼镜头引入畸变，在直径空间上进行压缩，以实现广角成像。

图1-5相似成像与非相似成像对比示意图

普通光学系统一般遵循物像相似且致力于完善这种相似性。但是鱼眼镜头不满足针孔成像原理，是非相似成像的一种。对于鱼眼透镜成像公式，应满足视图范围中的图像字段定义域连续，以作为一个鱼眼透镜投影函数。

1.3.鱼眼视觉系统模型

鱼眼镜头成像重点之一就是能够正确描述三维立体空间里的目标点在成像平面上的像点，并且能够准确建立对应关系，要完成这一目标需要建立视觉成像模型并分析规律。鱼眼镜头多采用等距定理设计，图1-6为空间任意一点经鱼眼镜头折射后成像系统模拟图。

图1-6鱼眼镜头系统模拟图