[发明专利]广角物镜系统和照相机

说明书

技术领域

本发明涉及一种广角物镜系统及带有这种广角透镜系统的广角照相机系统。

背景技术

当今，机动车辆，特别商用车辆，越来越多地安装照相机以便监控车辆周围的区域。用于这种用途的全景照相机刚性地固定于车辆上，以使照相机必须包括宽的视域或广角视野。为此目的，通常安装具有价格较便宜的广角透镜系统的照相机。

这些广角物镜包括100°或100°以上的很宽的视场角。然而，这种大的视场角，即这种宽广的观察范围，必须以显示图像的外侧边缘中产生相当大的失真和降低的亮度为代价。“失真”或“图像失真”是指物体的边缘区域中的直线在产生的图像中显示为曲线。重要的是区别桶形失真和枕形失真。广角透镜系统通常显示桶形失真，即表示为正图(positive figure)。请看图3，其示出了正反图像失真的实例。图像失真可以表示为，其中y′表示在未失真情况下的图像的高度，而y表示带有像差的图像的高度。按一般规律，只考虑径向失真，即只考虑沿着径向距离的长度变化。在本申请中，失真的％值表示这种径向的图像失真。

在包括物镜特别是广角物镜之处，所产生的图像中出现许多误差或像差，它们被称为“七种赛德尔像差(Seidel Aberrations)”，参见赛德尔误差理论(Seidel Error Theory)。这七种赛德尔像差可组合成三组：

I)聚焦像差

a)球面像差(近轴光线与边际光线的差别)，

b)彗差(面状光(light patching)，带有成串的拖尾)，

c)像散(在多点形成焦线)；

II)位置像差

d)场曲(由图像接收器的曲面产生)，

e)失真(凸形或凹形轮廓或者桶形或枕形轮廓)，

III)色差

f)纵向色差

g)横向色差

物镜系统的各透镜具有各种性能参数，如玻璃的类型、由两个透镜表面的半径表示的曲率和透镜厚度。物镜系统中的多个透镜的设置结构特征在于一个透镜距另一个透镜的间距、光圈的位置和后焦点，即最后的透镜表面到记录图像的平面的距离。这些特征被称为参数或者自由度。理论上，可使用这些自由度中每一个来校正图像像差。与其相反，各自由度都参与形成所有图像像差。通过按照惯例使用光学软件，可以计算各单个透镜表面的、成比例的图像像差。

在下文中，将借助于一种相关实例来说明光学器件设计人员的工作方法。这个实例非常重要，因为它介绍了光学器件设计人员如何行动的构思并且它表明光学器件设计人员的创造性仍然是决定性的。可以利用最少八个自主系统参数来校正这七种像差。焦距也是这样一种参数。就原理而言，三合透镜即三透镜物镜足以进行这种校正。三合透镜通常由两个例如由冕玻璃制成的外侧会聚构件和一个例如由燧石玻璃制成的内侧发散构件组成。这种装置提供了六个半径和单个透镜之间的两个距离。首先，光学器件设计人员汇集光学系统参数如玻璃的类型、透镜的厚度、透镜之间的间距以及玻璃表面的曲率半径。我们具有六个透镜表面，现在可以确定各透镜表面对最终图像的总像差的影响达到什么程度。很简单，我们可以确定，在一种给定情况下，第一透镜的第二表面的半径产生球形像差和色像差，而第三透镜表面的半径产生彗差和像散。

光学器件设计人员现在必须对如何校正这些像差做出决定。他可设法改变第一透镜的曲率以便校正球面像差。然而，透镜的曲率也决定着焦距并且所述焦距不应改变。曲率的改变可减小球面像差但同时彗差将增大。设计人员也可以决定将校正分配在多个系统参数上以便改进误差敏感度。如果一个特定的参数对于校正特定像差是极具决定性的，那么在生产透镜系统期间，在所述参数超过容许的公差或余隙范围之外时，就会遇到麻烦。或者，也可以决定将该余隙规定得十分细微并且在透镜系统生产中不能观察到。

光学器件设计人员将会改变系统参数直至使剩下的光学像差足够小。在另外的步骤中，他将会试图同时利用不同的自由度校正各图像像差。于是，校正的任务可被分散在各个透镜表面上并且整个系统不再是不满意的。在特定限制内，光学器件设计人员可以指定玻璃类型和曲度，但是每种选定的组合产生另一个方面的总校正。如果三合透镜设置成接近于预定要求，则设计人员可以例如确定在图像边缘的像散几乎消失，而是看来似乎在内侧视野中起重要作用。在这一点上，我们遇到了新问题。不幸地，光学像差并非只有上述的七种赛德尔像差。将赛德尔像差标示为“第三阶图像像差”。逻辑上，存在更多的高阶像差。其中，最重要的是第五阶像差和第七阶像差。这些像差组通常只有当第一组、“第三阶”像差得到正确地校正时才会遇到。