摘要：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2inch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9.5mm，相对孔径为1/1.8，视场角为°，像高为21mm，光学系统总长为90mm，最大口径为56mm，后工作距离为10.4mm。在分辨率46lp/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0.15mm，镜头有较好的成像质量。
关键词：光学设计；微光夜视；鱼眼镜头；场曲；畸变
1引言
鱼眼镜头是一种超广角镜头，其特点是焦距短、视场角大，在工程设计中，技术人员一般将视场角大于°的镜头称作鱼眼镜头，实际应用中，不仅有视角为°的鱼眼镜头，更有视角超过°甚至达到°的鱼眼镜头。近年来鱼眼镜头被广泛应用于汽车辅助驾驶、监控、工程测量和摄影等领域。
鱼眼镜头通常由前组和后组组成，前组为负光焦度透镜，后组为正光焦度透镜，光线经过前组透镜后，光线与光轴之间的夹角变小，后组透镜主要校正系统的像差。
当鱼眼镜头应用于汽车辅助驾驶时，需要镜头在无灯光、无月光的夜晚，照度为0.lux条件下进行拍摄，在夜间，晴朗的星光辐射亮度只有月光亮度的百分之一，夜天辐射光谱范围除可见光之外，还有大量的近红外区域的光辐射，而且无月光星空的近红外辐射急剧增加，甚至会大大超过可见光辐射。目前大部分的鱼眼镜头都只适用于可见光范围，波长不包含近红外区域，因此在夜间星光下拍摄图像时将损失能量信息，而且相对孔径较小，到达像面的光照度不足，无法满足在夜间低照度环境下进行拍摄的需求，镜头成像的像高也较小，不能与芯片大小为1inch或2inch的国产微光相机相匹配。
本文基于ZEMAX软件设计出了一款适用于可见光和近红外区域的，可以满足在夜间使用的大孔径鱼眼镜头，其像高为21mm，可以与2inch相机相匹配。
2设计指标
经鱼眼镜头拍摄的图像显示在显示器上，显示器的分辨率为×，要求的横向视场角为°，选择的国产微光相机芯片像素数为×，可以敏感的最低照度为10-4lux。根据比例计算得到摄像头的视场角为
2ω=（/）x°=°
保留一定的余量，镜头的视场角设计为°。微光相机单个像素大小为11μm×11μm，要求图像充满整个CCD，计算得全视场像高为21mm，根据单个像素大小计算得特征频率为
V=1/（2×11×10-3）≈46lp/mm
要求在全视场范围内，在特征频率处MTF值高于0.3。
3镜头的设计
3.1选取初始结构
本文设计的微光夜视鱼眼镜头是一种大相对孔径的，可以适应低照度环境下成像的光学系统，选用的相机为CS口，因此要求镜头的后工作距离较大，综合以上设计指标的要求，选择了一种后工作距离长的结构作为该鱼眼镜头的初始结构，图1所示为该鱼眼镜头的光路图。
镜头初始结构的视场角为°，F数为1/3，焦距大小为26mm，最大口径为Φ84mm，光学系统总长为mm，工作波长为F光、D光和C光，中心波长为D光。初始结构在半视场角90°时，光斑均方根半径（RMS）为.7μm，系统的像差较大，初始结构的波长范围没有包含近红外区域。
3.2设计优化
首先在ZEMAX软件中将初始结构的镜头参数进行更改，工作波长更改为0.μm、0.μm、0.μm和0.8μm，增加了近红外波长0.8μm，因为星光的波长在近红外波段占很大一部分，相对孔径更改为像空间F数1.8，视场角设置为4个，分别为0°、42°、60°和85°，然后对初始结构进行再优化，使其满足要求。具体优化过程如下：
1）将凸镜片的曲率半径、镜片之间的空气厚度设为优化变量，透镜厚度和凹透镜的曲率半径可以先不设置为变量。
2）在评价函数中，利用操作数MNCG、MXCG、MNEG对玻璃的最小、最大中心厚度及边缘最小厚度进行控制，保证透镜的可加工性。
利用操作数MNCA、MXCA和MNEA对镜片间的最小、最大中心空气厚度和最小边缘空气厚度进行控制，保证透镜之间隔圈厚度的可加工性及装调的方便性。TOTR和OPLT对镜头的光学总长进行控制，REAY对像高进行控制。
3）优化评价函数先采用RMS-SpotRadiusCentroid优化的方式进行初步优化，当像差较小后，再使用RMS-Wavefront-Centroid或者TVWavefront-Centroid波前差优化的方式进行优化。
4）初步优化后，将所有面的曲率半径设为变量，将第一面和第三面设为偶次非球面，利用非球面可以增大光学系统的相对孔径，减少透镜数量，缩小光学系统总长度。在有限空间尺寸的要求下，采用非球面更容易优化得到高质量的光学成像镜头。
5）在镜头最前面增加一个曲面窗口，两个面的曲率半径大小相同，均为正，曲率半径和镜头第一面的曲率半径基本相同，窗口材料为亚克力材料，平面窗口的的透过率曲线如图2所示，实测在波长~nm范围内，光谱透过率大于92%。亚克力材料有较好的抗盐雾、抗霉菌和抗砂尘性能。
窗口和第一片透镜之间的距离在方便安装更换的前提下尽量减小，此距离越小，在其他条件不变的情况下，窗口玻璃的尺寸就会越小。
6）在进行一系列的组合优化之后，查看各种像差和尺寸约束情况，根据要求和约束情况，适量修改目标值和权重的大小，再进行进一步的优化。同时在评价函数中输入组合控制操作符对高级像差进行控制。
7）使用ZEMAX软件中的锤化（HammerOptimization）对光学结构的玻璃种类设为Substitute，进行玻璃的优化替换，玻璃的替换将会起到关键性的作用，最终选择的玻璃品种尽量是光学性能优良、耐酸碱能力强，同时价格便宜，厂家常年有货的光学玻璃。
3.3设计结果与分析
经过一系列的优化设计，最终得到一款满足要求的微光夜视鱼眼镜头，图3所示为该鱼眼镜头的结构图，表1为优化后鱼眼镜头的设计参数。该物镜包含窗口透镜，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。光学系统有效焦距为9.5mm，F数为1/1.8，视场角为°，像高为21mm，系统总长度为90mm，最大口径为56mm，后工作距离为10.4mm，满足设备装调的需要。
本文设计的微光夜视鱼眼镜头具有大视场、大相对孔径、长后工作距离的特点，在镜片的结构优化中使用了非球面，可以有效地减小高级像差，提高系统的相对孔径，并在镜头前增加了曲面窗口透镜，窗口透镜选用PMMA材质，有较好的抗盐雾、抗霉菌和抗砂尘性能，方便擦拭和更换。该系统的全视场为°，相对孔径为1/1.8，最大场曲小于0.15mm，MTF值在空间频率46lp/mm处全视场范围内不低于0.36，全视场点列图RMS半径小于10μm，以及相对照度均在83%以上。各项性能指标说明此光学镜头具备在低照度环境下清晰成像的能力，本文的设计方法为后期低照度环境下大视场镜头的设计提供一定的参考。
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