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应用光学广角镜头-鱼眼镜头
鱼眼镜头
什么是鱼眼透镜
众所周知,鱼在水面附近可以凝视(眼球不用转动)感知水面之上近乎180°角空域的景物,故通常认为鱼具有2π的仰仰视视角。
人类通过模仿鱼眼的这种特性发明了鱼眼镜头,最初的尝试在1919年,R.W.Wood在一个装满水的容器上盖上一块玻璃板并构成一针孔摄像机,实现了超广角摄影。他用这种装置拍摄天空的云层,可形成近乎半球形空域。由于总要带一个水箱,非常不便。后来W.N.Bond改进了R.W.Wood的装置。他用一个半球型玻璃透镜取代了水箱。
鱼眼仰视的启示
鱼眼透镜的“进化”过程
上图a,b为Bond的作品,c,d,e为后人对他作品的修正。这些作品虽然是很伟大的努力,仍存在一些问题,首先,Bond利用单个平凸形后透镜成像,没有别的像差校正元件,成像质量不能令人满意,另外,他所使用的透镜不是一面凸面,一面凹面,这样无法消除场曲。又因为他没有消除像差,所以小孔必须做的很小,这样会造成照度非常低,照度低的光学仪器实际意义不大。
随着科技的发展,今天的鱼眼镜头已经非常完善!!!
2.鱼眼透镜的应用
鱼眼透镜在摄影,电影,气象,天文,测试,医疗,边防等都有广泛的应用
如下面彩图
鱼眼透镜拍摄的校园这个貌似是从一个大坑里往外看,具体是什么呢?????
这个很显然,可以看清很多人的面部
!!
3.鱼眼透镜原理简述
(1)基本光路原理非常简单,类似光的全反射和光路可逆原理。
sin I=n*sin I (空气折射率约为1.水折射率为n=1.3333)
则有ic=48.6°
即鱼眼的张角在50°左右,此时鱼在水面附近可以”凝视”(不用转动眼球)岸边物体。可以得出,此时鱼眼视场完全覆盖了水上近乎180°的范围。所以在岸边的我们即使是在鱼的背后都很难抓到鱼!!
(2)成像原理
鱼眼镜头的成像原理比较复杂,这里进行简述。鱼眼镜头的作用是模拟鱼类仰视水面的情况,其典型视场角是180°,还有的超过180°,220°甚至达到270°。这显然超过了一般应用光学的讨论范围。例如,当半视场角达90°时,按照应用光学的观点,这样的物点已不能成像。如果半视场角进一步加大,则实际主光线从光学系统斜右侧射来,破坏了物空间和像空间的约定。再者,应用光学只讨论平面物的成像,对于鱼眼镜头,物面是半球面,则要求把半球面成像为平面。
上述这2种情况都是要求平面与球面互为共轭面,因此,传统的高斯光学不再适用。为此,我们引入新的成像原理:“不相似”成像原理
众所周知,普通光学成像都要求物与像“相似”(这样才能叫成像吗~)校正像差也是为了追求象与物的进一步相似,于是有了β=y/y0 ( 横向放大率 )等等我们常用的公式。按照这个公式, 当物在无限远时
y`=f*tanw 此时按鱼眼镜头的需要,w=90°,tanw=∞ 则有像高为无穷大。这显然是不可能的,因此我们不再要求物象是一致的。即物象是不一致的,即“不相似”原理,在工程上,为了从高斯光学认为不能成像的角空域上获得信息,对物空间实行“变形压缩”是唯一可行的办法,从光学上,人为的引入“桶形”畸变来实现。从数学上,选择一些合理的成像公式,以取代应用光学中的一些公式。
(1)y0`=2*f*tan(w/2)
(2)y0`=f*w
(3)y0`=2*f*sin(w/2)
(4)y0`=f*sinw
说明:因为光学系统产生的畸变大小完全由主光线的行径决定,故畸变只造成图像的变形,使之不再与“物”相似,却不会使图像模糊。从数学角度上说,尽管有明显的形变,但从“物”空间到“像”空间,二者仍存在一一对应的“映射”关系。而且。只要上述成像公式确定,物象的一一对应关系也就确定下来,这样光路也就是可逆的。而且,一旦选定了理想的成像公式,鱼眼镜头产生的像就拥有明确的数学规律。我们可以从中获得信息。
4鱼眼透镜的基本结构特征
这是一个标准的鱼眼透镜的内部光路图
由于其不相似原则,其孔径光阑,入瞳出瞳都有变化,由于其原理非常复杂,暂不介绍。
下图是一个180°鱼眼镜头的计算结果,图中表示了孔径光阑及wi=0,wi=土45°和wi=土90°时的入瞳主光线。
5,实例
下图是美国一种用于10片格/70mm胶片的投影镜头光学系统。它把210°的角空域投影在直径为47mm的圆内,其光学性能为:f`=19.30 2w=210°D/f`=1/2
光学结构参数
曲率半径r 厚度d 直径Ψ 材料**
-3.989 0.38 (入瞳)
18.530
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