鱼眼镜头优势在于拥有极大的视场, 可以捕获更多信息。如今鱼眼镜头在安保安防、摄影、航空航天等方面得到广泛应用, 尤其在**和**中的地位不可替代。本文首先概括了鱼眼镜头的成像原理和发展历程, 分析了现代鱼眼镜头初始结构设计中的光线溢出以及与镜面无交点等常见的关键问题和已有的思路, 介绍了现代鱼眼镜头的应用和发展趋势, 最后讨论了鱼眼镜头目前发展中存在的一些设计瓶颈以及鱼眼镜头未来的发展方向。

将典型反远摄镜头设计方法与PWC法相结合, 从理论模型出发搭建初始结构, 借助光学设计软件ZEMAX辅助设计。得到一款工作波段436 nm、486 nm、546 nm、587 nm、656 nm, F#1.5, 全视场角160°, 光学总长18.5 mm, 可应用于车载后视系统的镜头, 比市场上现有产品指标有明显提升, 镜头高低温性能稳定、公差合理。结果表明将反远摄理想模型、PWC法及实际需求结合, 设计效果好, 镜头性价比高、性能优异, 为相关领域的镜头设计提供有益借鉴。

为了满足在夜晚低照度环境下对鱼眼镜头的需求, 利用ZEMAX光学软件设计出了一款适用于2 inch微光夜视相机的微光夜视鱼眼镜头。该结构包含窗口透镜, 共由7组10片透镜组成, 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。有效焦距为9.5 mm, 相对孔径为1/1.8, 视场角为170°, 像高为21 mm, 光学系统总长为90 mm, 最大口径为56 mm, 后工作距离为10.4 mm。在分辨率46 lp/mm处, 全视场范围内的MTF值均大于0.36, 全视场f-θ畸变量的绝对值小于30%, 场曲小于0.15 mm, 镜头有较好的成像质量。

应用非球面提高光学系统成像质量是镜头设计的常用手段。基于平面对称光学系统的波像差理论, 通过分析鱼眼镜头各光学面的波像差贡献, 将波像差贡献突出的光学面作为应用非球面的待选对象, 结合波像差随非球面系数的变化趋势, 确定应用非球面的光学面; 应用优化算法和基于光线点列图分布定义的评价函数优化鱼眼镜头系统。通过对一个鱼眼镜头实例进行非球面优化, 其点列图范围从全球面优化设计时的200 μm下降到100 μm, 其评价函数值下降1个数量级, 证明该方法能明显提高镜头的成像质量, 对如何有效应用非球面优化鱼眼镜头的光学系统具有借鉴意义。

提出了一种校正鱼眼镜头图像畸变的新方法。通过追迹光学系统的主光线，获得它在投影平面上的径向位置与它在像平面上位置之间的关系曲线；然后用傅立叶级数拟合该关系曲线；并求出该级数的逆函数，结果就可以根据畸变图像复原没有畸变的图像。用该方法数值模拟两个鱼眼镜头系统的图像畸变校正；并用其中一个鱼眼镜头(尼康16 mm/F2.8)拍摄的两张图像进行了畸变校正实验。结果表明，当设置投影平面和物平面重合时，恢复的图像相对于物体的残余径向高度误差非常小(小于0.25%)。实验证明了该方法是可行的。

在鱼眼镜头的设计过程中,设计者往往依赖设计经验选择专利作为初始结构,缺乏理论指导。在鱼眼镜头前光组结构和后光组的光焦度以及光学间隔的基础上,提出一种求解鱼眼镜头后光组曲率半径初始参数的方法。通过前、后光组球差和彗差的波像差平衡条件建立方程组,求解该方程组后得到后光组的各光学面曲率半径初值,并以曲率半径初值作为参考值,应用Zemax软件进一步优化,得到初始结构。研究表明,应用这种方法求解鱼眼镜头后光组的初始光学参数,能使优化算法在较短时间内搜索到最优的参数解。

为了设计一款可见光范围内的鱼眼镜头系统,先对前组进行了计算设计,利用两块负弯月形透镜作为前组,再进行总光路的初始计算,然后根据前后组视场和像差平衡设计后组,最终选用6块透镜作为后组初始镜头,利用ZEMAX光学设计软件,经过进一步优化设计,并利用两非球面,最终得到一款在可见光波段内,焦距为16.358 mm,全视场角为180°,F数为2.9的鱼眼镜头。设计结果表明,全视场镜头的最大场曲小于0.3 mm,全视场MTF值在空间频率30 lp/mm时基本上不低于0.3。该镜头由8块透镜和1块平行平板组成,其中两块透镜使用了非球面镜,此光学系统结构紧凑,镜片数量较少。