[发明专利]用于单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头

摘要

本发明公开了一类用于单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头，包括二向异性鱼眼镜头的特性设计方案和等效原理光学结构方案，通过目的性营造二向异性鱼眼镜头的光学特性在弧矢和子午方向的差异化，可实现特定物-像映射关系。利用二向异性镜头构建单机位球幕放映/投影系统与使用传统鱼眼镜头相比至少可提高像素利用率或光能利用率50％以上。

主权项

一种用于单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头，其特征是，包括二向异性鱼眼镜头的特性设计方案和规律性等效原理光学结构设计方案；所述二向异性鱼眼镜头的特性设计方案，是指特别处理镜头技术指标和性能指标的过程及方法；其中：技术指标主要包括：非相似的成像规律、畸变调节系数、最大像高、视场、焦距、像面位置；性能指标包括：像素利用率；所述二向异性鱼眼镜头技术指标中的成像公式、畸变调节系数、最大像高的特征为：镜头所依据成像公式相同、畸变调节系数可相同也可不同，即在弧矢和子午两方向所依据成像公式相同，而成像公式中的畸变调节系数可以不同，在镜头的弧矢和子午两方向，均引入大畸变，镜头的像高、焦距、弧度制的工作视场及畸变调节系数满足下式：弧矢方向：y_sn＝‑k_sf′_s(ω_xnπ/360)，0.5＜k_s＜1子午方向：y_tn＝‑k_tf′_t(ω_ynπ/360)，0.5＜k_t＜1其中，y_sn为镜头弧矢方向在任意工作视场(ω_xn/2，0)处所对应的像高，最大像高y_s由采用的数字放映/投影机的芯片宽度尺寸a决定，最大值为y_s＝a/2，f′_s为镜头中包括球面透镜和弧矢向有效柱面透镜组的弧矢向焦距；y_tn为镜头子午方向在任意工作视场(0，ω_yn/2)处所对应的像高，最大像高y_t由所采用的数字放映/投影机的芯片高度尺寸b决定，理想值y_t＝b/2，f′_t为镜头中包括球面透镜和子午向有效柱面透镜的子午向焦距，若投影机芯片的边长a大于b，则保证镜头增大像素利用率的有效方式是尽量增大弧矢向全视场像高y_s，使y_s的数值更接近a/2，并使子午向全视场像高y_t趋近于b/2，即镜头弧矢方向的最大像高范围是：3b/4≤y_s≤a/2，即，y_s≥1.5y_t；而k_s和k_t分别是弧矢向和子午向的畸变调节系数，根据弧矢和子午向最大像高和最大视场，选取畸变调节系数，确定镜头两个方向的焦距值；畸变调节系数k_s和k_t可首选相等，但k_s和k_t略有差异会减小结构像差优化的难度，增加优化设计中像差控制的弹性；所述二向异性鱼眼镜头技术指标中的视场的特征为：工作视场和所对应的像点坐标采用二维坐标表述，像点坐标(y_sn，y_tn)对应工作视场(ω_xn/2，ω_yn/2)，如果设ω_x/2和ω_y/2分别为实际工程需要中ω_xn/2和ω_yn/2的最大值，则ω_x/2和ω_y/2是弧矢和子午向最大工作视场，ω_x/2和ω_y/2相等或近似相等，ω_x/2和ω_y/2的角度值由球幕的空间尺寸、镜头与球幕的相对位置关系决定，并分别对应y_s和y_t。本发明ω_x/2和ω_y/2的极限最大值可以达到100°，两方向最大全视场ω_x和ω_y最大可达200°；所述二向异性鱼眼镜头技术指标的焦距特征为，镜头在弧矢与子午方向具有不相等的极值焦距值，而其他任意方向焦距值均在两极值焦距区间内，即：f′_s＜f′_r＜f′_t；其中，f′_r、f′_s、f′_t分别为镜头在任意方向、弧矢方向、子午方向的焦距值,镜头各个任意方向均存在确定焦距值，该焦距值在弧矢和子午焦距值范围内连续；所述二向异性鱼眼镜头技术指标中像面位置的特征为：镜头光学后工作距除了要满足放映/投影机引擎工作需要的空间距离这一常规要求外，还需要镜头在弧矢和子午方向保持拥有相同像面位置，满足该要求的条件是镜头在弧矢和子午方向的焦距满足关系：f′_s＝f′_t‑d+d_s/n_s，其中，d是分别处于两个方向的所有有效透镜的等效透镜的主面间隔，d_s是弧矢方向所有有效透镜的等效透镜的光学厚度，n_s是弧矢方向所有有效透镜的等效透镜的折射率，该式同时也决定了镜头弧矢和子午方向光焦度分配及两方向等效透镜的主面间隔；所述二向异性鱼眼镜头性能指标中像素利用率，计算方法及其像素利用率为：二向异性鱼眼镜头在单机位球幕放映/投影系统中，那么该镜头将球幕逆映射到镜头的像面上，会形成一个椭圆边界的像域，该像域的面积为S_e＝πy_sy_t，而传统鱼眼镜头所成的球幕逆像是一个圆边界的像域，该像域的面积为根据成像公式和投影机芯片宽高比a/b以及前述y_s≥1.5y_t的条件，可得，二向异性鱼眼镜头相对传统鱼眼镜头来说，能把相同尺寸的球幕逆映射到数字放映/投影机芯片上的像域面积提高M＝S_e/S_c倍，即，a/b≥M≥1.5，反之亦然，二向异性鱼眼镜头把可投射到球幕上的投影机芯片上的像素数提高了M倍，即提高了像素利用率或光能利用率，二向异性鱼眼镜头的这种特性即前述映射关系的改变；保证镜头增大像素利用率的有效方式是尽量增大弧矢向全视场像高y_s，使y_s的数值更接近却永不大于a/2，并使子午向全视场像高y_t＝b/2，镜头弧矢方向的最大像高范围是：3b/4≤y_s≤a/2，也即，y_s≥1.5y_t；一般情况下，根据成像公式，增加弧矢最大像高，需要增大弧矢焦距，且和镜头视场相关联；所述二向异性鱼眼镜头的规律性等效原理光学结构设计方案，指本发明的规律性等效原理光学结构特征，二向异性鱼眼镜头光学结构内部既存在工作面为标准球面或平面的若干共轴球面透镜，还具有工作面为平面或双二次曲面的若干共轴双二次曲面透镜；所述若干的双二次曲面透镜为柱面透镜，所有柱面透镜分为弧矢柱面透镜组和子午柱面透镜组，每个柱面透镜组可为一片透镜或多片透镜，每一片透镜上至少有一个、最多两个柱面工作面，透镜相互之间存在大于等于零的光学间隔；所述二向异性鱼眼镜头距离球幕更近的一侧为前，距离放映机芯片更近的一侧为后，依据透镜类型特点，规律性等效原理光学结构，包括由前至后依次排列的第一透镜群(101)，为一片透镜，朝前的工作面为柱面，朝后的工作面为球面，为负焦度；第二透镜群(102)，为二至四片透镜，所有工作面全部为球面；第三透镜群(103)，为二至四片透镜，所有工作面均为柱面或平面；第四透镜群(104)，为二至四片透镜，所有工作面全部为球面；第五透镜群(105)，为一至二片透镜，至少有一个柱面工作面，其余为球面工作面；孔径光阑A；第六透镜群(106)，为三至八片透镜，所有工作面均为球面或平面，为正焦度；所述第一透镜群(101)和第三透镜群(103)中各柱面工作面的母线保持平行，构成弧矢柱面透镜组；第五透镜群(105)中的各柱面工作面的母线保持平行，构成子午柱面透镜组；第一、第三透镜群(101、103)中的柱面工作面的母线和第五透镜群(105)中的柱面工作面的母线相互垂直。