超广角鱼眼镜头的原理、设计模型及应用发展

四、发展瓶颈及未来展望

4.1.设计方面

4.1.1 初始结构的设计

相较于一般的光学系统，鱼眼镜头的光学结构要复杂得多,因此对其初始结构的要求更高。但鱼眼镜头的设计大部分由商业公司完成，大学设计的较少，其参数均为商业机密,故被公开披露的系统类型、结构参数都很少,因而没有足够多的定型系统供分析借鉴，加大了设计难度。

4.1.2 边界条件与质量函数之间的矛盾

对于自动化光学设计来说,质量函数的优化必须被约束在由若干边界条件所规定的范围内。不过,边界条件越严格,则取得优化解的空间越小。因此,边界条件的约束与质量函数的优化是相互矛盾的。鱼眼镜头要实现成像，需要极大的视场和很高的相对孔径,因此必须以很大的相对截面传递极度倾斜的光束,这使得其光学系统必须包含若干个光焦度很大的组元。以第一透镜为例,由于它在最前面,口径最大,第二面又极度弯曲,故被称为“弯月形透镜”。“弯月形透镜”是鱼眼镜头光学系统中最重要的组元,因为它对鱼眼镜头设计的成败具有决定性的影响。实践表明,在质量函数的优化过程中,这一组元的变化趋势多是进一步增大其曲率半径;而光学工艺、装配工艺和机械强度等厚度类边界条件常与这种趋势形成尖锐矛盾。

此外,考虑到工程应用环境或成本因素,某些光学材料不宜被采用,因而材料类的边界约束被强化。与此同时,鱼眼镜头需要焦距很短而后工作距很长,这种要求常与像质函数的优化发生抵触。

4.1.3 优化中的“病态”处理

“病态”是光学系统自动化过程中出现的发散、震荡、慢收敛和无优化解现象的统称。鱼眼镜头自动优化中，“病态”现象十分频繁。用传统方法处理鱼眼镜头优化中的“病态”是远远不够的，可能导致“死循环”或接连不断的持续“病态”,使优化过程持久陷入困境。

4.2. 像差校正方面

（1）当目标图像尺寸大于鱼眼照片尺寸约4 倍以上，就存在明显的马赛克现象;（如图4-1）

图4-1鱼眼镜头拍摄的照片（左）和消除畸变后（右）

（2）当目标图像尺寸小于鱼眼图像照片尺寸时，目标图像上相邻的像素就对应鱼眼照片上距离比较大的两点，那么当系统实时运转时，就会出现目标图像的闪烁。

4.3. 展望

（1）作为新兴的光学镜头，鱼眼镜头还有很大的应用潜力未被挖掘，可以根据各种需要设计多种多样的鱼眼镜头。

（2）优化镜头组的设计，获得光学特性更加优良的镜头。

（3）提高畸变校正和图像增强技术。