1。引言

全景環帶光學系統在虛擬現實的場景內容生成、自動駕駛領域的場景獲取檢測等有足夠想象的應用前景。

本文設計一個全景環帶光學系統，給出設計思路，簡要演示設計步驟，並提供最終的光學設計結果資料。

本文主要特點是透過分析全景環帶光學系統的特點，提出一種搭建初始結構的方法，並直接給出一個性能良好的全景環帶光學系統結構，可以作為實際設計中的設計起點，對全景環帶光學系統的設計具有參考價值。

2。光學引數

本全景環帶光學系統的引數如下：

焦 距：9。6mm；

系統F#：3。8；

波 長：0。486μm~0。656μm；

視 場：50°~100°。

如下圖所示，文獻中的全景環帶光學系統為校正系統色差，將第一片鏡頭設計改為三片式複雜膠合結構，並採用三種玻璃牌號，可以較好地校正色差，副作用是帶來加工和裝調的難度，所謂有所得有所失，具體應用中還是要根據實際情況確定最終的最佳化結果。

在本次的光學設計中，著重考慮光學元件的加工性與成本，第一片鏡頭採用一片且材料為PMMA，優點在於可以透過單點車快速加工成型進行系統原理驗證，亦可以在設計定型後透過注塑工藝批次生產，大幅降低費用。由於上述技術路線的選擇，還可以在第一片上使用非球面，增加光學像差的校正能力。

文獻中的全景環帶光學系統

3。光學設計

3。1 設計思路

顯而易見，圖中全景環帶光學系統是旋轉對稱的光學系統，因此在同軸設計的基礎上，透過視場角的改變，逐漸逼近到最終的設計結果。

由於第一片光學鏡片的結構是本系統的核心，因此首先簡化後面的光學部件為一理想透鏡，透過最佳化搭建出同軸結構；到達一個階段後，將理想透鏡複雜化為實際的透鏡組，並在此基礎上再最佳化，直至達到最終效果

逼近設計中，原則仍然是在前期儘可能少的使用要求，減低初始結構最佳化設計的難度。基於這個考慮，最佳化前期使用單色波長，所有光學材料採用同種光學材料不做最佳化。在初始結構基本得到後，在增加多波長，並透過玻璃替代最佳化色差。

下圖給出設計過程中的光學演變情況，供大家做參考。

在複雜化後組鏡頭的時候，前期選擇了一款類高斯鏡頭，像差校正效果一般，懶癌發作就取巧採用了和文獻中基本一致的後組鏡頭。

根據結構形式搭建第一片鏡片的同軸初始結構

最佳化調整入瞳位置和一次像面的中間位置過程結果

視場逐漸傾斜的過程

複雜化後面的鏡組

經過幾輪迭代最佳化後的前期光學結構

前期光學結構視場的情況

前期光學結構鏡標頭檔案資料

前期光學結構MTF的情況

360度全景環帶光學系統

360度全景環帶光學系統的光學引數

360度全景環帶光學系統的結構（非球面的引數沒有提供，有興趣的作為一個小作業設計試試，後面有需求再提供）

360度全景環帶光學系統視場分佈情況

360度全景環帶光學系統的MTF曲線

360度全景環帶光學系統的F-θ畸變曲線

360度全景環帶光學系統的校正後F-θ畸變曲線

幾個注意的知識點：

1。廣角鏡頭/魚眼鏡頭等，視場角超過90的情況下，畸變模型的問題需要知道，系統最後的設計階段，畸變採用的F-θ畸變模型，最佳化控制中畸變最佳化運算元也要改為DISC；

２。由於視場角大，在最佳化中要在光線追跡中進行光闌設定，具體參見本專欄中的文章《光瞳像差》；

2。非球面的選擇，第一片鏡片為關鍵，透過分析發現有一個面有兩次共用，設定為非球面效果較好，所以最終結果就採用了這種選擇。最佳化中其實沒有固定的方法，最穩妥的還是透過逐項最佳化後最終確定哪個面設為非球面效果最好；

3。如果感測器足夠大，全景環帶光學系統像面是一個環帶，後期需要透過演算法校正等方法得到全景圖片，是全景環帶成像的關鍵技術之一。

4。總結

綜上，透過最佳化迭代，得到一個360度全景環帶光學系統，實際應用中，根據需求，可以再最佳化調整，包括增減光學鏡片，縮減系統長度等，最終得到鏡頭產品還需要下面的步驟：

1。最佳化至技術引數滿足實際要求，光機系統協同設計；

2。考慮加工工藝和裝調工藝的具體要求並滿足；

3。公差分析，確保光學系統可以加工並裝調出來；

4。考慮環境溫度、強度等通用特性要求；

5。確定加工廠家後，套樣板，並最佳化確保像質滿足要求；

6。出圖加工、加工檢測、裝調檢測、六性方面的環境試驗等，通常情況下會有幾輪反覆調整；

7。最終技術狀態確定後，探索批次加工工藝，並試驗至速度和質量滿足要求，固化工藝和檢測方法；

8。技術狀態凍結，批生產，檢測，合格產品。

本文就到這裡，希望對大家能有所幫助。

作者：王慶豐

光學設計導論-知乎專欄

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