用于单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
用于单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头
本专利技术涉及一种新形式的鱼眼镜头，尤其涉及一种用于单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头，该镜头结合数字放映/投影机针对球冠形和类似球冠形的银幕进行放映或投影，可用来构建以球幕为影像载体的放映/投影工程，如，球幕影院、球幕展览展示厅、天象科普厅、球幕查询及教学系统。属于物像非相似超广角光学成像技术在影视、影像领域的应用。
技术介绍
球幕电影或称球幕放映/投影系统，最早为上世纪八十年代传入我国，作为一种特种电影，以其新颖的形式、震撼的效果和强烈的临场融入感深得广大观众喜爱。早期的球幕放映/投影系统，均为单机位系统，如不考虑影院的其他标准附属设施，其最基本的构成为：采用一台高亮度胶片电影放映机，结合一只传统鱼眼镜头，将胶片上的影像信息展现在一个直径10米～30米球冠状的球面或近球面幕上，胶片上的影像信息通过装有鱼眼镜头的胶片摄影机实景拍摄获得，无论球幕如何放置，电影放映机始终处于球幕的球心或球心的附近，鱼眼镜头的光轴和球幕的对称轴重合或平行。进入二十一世纪，随着光学技术、制片技术、银幕制造技术、数字图像处理技术和计算机技术的进步，图形制作、融合拼接技术逐步出现并成熟，球幕放映/投影系统得到了飞速发展，相继出现了双、多机位的构成形式，但单机位的基本构成形式因其构成简单、成本低廉及后期维护的便利性仍然占据重要地位。数字时代的单机位基本构成形式中，胶片放映机由数字放映/投影机所替代，胶片由数字格式的视频文件所替代，片源制作过程中，视频文件即可以通过数字摄像机实景拍摄也可以通过计算机合成制作而获得。无论在胶片电影时代还是在数字电影时代，单机位球幕放映/投影系统中鱼眼镜头都充当着重要角色，放映过程和拍摄过程都不可或缺，如公开的中国专利技术专利申请号为201210502119.X《一种数字天象厅》、专利2013202620.4《一种基于鱼眼投影镜头的球幕投影系统》、专利号为201210290184.0《一种球幕/穹顶两用多媒体投影演示系统》等等。鱼眼镜头的使用决定了球幕放映/投影系统的基本构成和其中所涉及到的主要技术要素在一定程度存在相似性。而关于鱼眼镜头已公开的专利，如专利号为2012203724.7《鱼眼镜头》、201110431770.8《成像系统和鱼眼镜头》、200710185280.8《数字投影机整球型幕投影用超大视场角鱼眼镜头结构》、201010173497.9《一种用于数字投影机的五组六片式鱼眼镜头基础结构》、JP2005221955A《FISH-EYELENSANDPROJECTIONDISPLAYDEVICEUSINGIT》等等，都是描述的镜头光学结构上的部分差异和创新，而这些光学结构都是沿光轴旋转对称的，为了和本专利技术相区别，暂且称上述专利光学结构属于″轴对称结构″，称其光学特性为″各向同性″，即，在工作状态下，当镜头沿光轴旋转时，光学效果不发生改变，可称其为″传统鱼眼镜头″。在放映/投影过程中，球幕和投影机影像芯片二者通过放映镜头构成一定对应映射关系，该映射关系决定放映/投影过程的数字放映/投影机芯片的″像素利用率″，该″利用率″一般可用芯片面积的比值来近似体现，即，镜头所能投射到银幕上的芯片区域面积和芯片的完整面积的比值。完善而科学的映射关系是在保证上述″利用率″最大化的基础上，实现最佳的放映/投影效果。根据公开的所有的球幕放映/投影系统中，球幕均为或接近球冠状或是球冠的一部分，其正视图是完整园或圆缺。而众所周知，均匀排列″像素″的数字放映/投影机的影像芯片是长方形，且存在一定的长宽比，如，16∶9、4∶3、16∶10等，由于传统鱼眼镜头光学性能和结构的轴向旋转对称性，无法在球幕和数字放映/投影机的影像芯片之间建立完整的″物-像″满射，极限最佳情况也仅仅是将数字放映/投影机的影像芯片上的一小部分——以芯片的短边为直径相切芯片长边的内切圆内的像素，映射在球幕上，以长宽比16∶9的芯片为例，最大像素利用率仅仅可达到41％，像素利用率很低，换个说法，也就造成光能利用率低下。在光学工程领域为了方便描述镜头特性或方便分析与研究，都假定镜头内存在相互垂直且相交于镜头光轴的两个虚拟平面——弧矢平面和子午平面。在弧矢和子午平面内且垂直于光轴的方向称为弧矢方向和子午方向，相应地，偏离弧矢和子午方向的其他方向则称为任意方向。一般来讲，放映/投影镜头的光学性能由光学结构决定，光学结构主要由各种透镜、反射镜和各种光阑组成，根据透镜上光学工作面的类型特点，例如，标准球面、椭球面、抛物面、圆锥面、双二次曲面、偶次非球面、奇次非球面等，可对透镜进一步限定和命名，双二次曲面透镜通常用来构造子午和弧矢方向性能差异化的光学结构，以实现镜头各向异性的特殊性能，而柱面透镜是双二次曲面透镜中最简单的形式，且加工工艺较为成熟，通常被优先选用。在胶片电影时代，35mm遮幅式变形宽银幕电影以及70mm遮幅式变形宽银幕电影中，为了使标准拷贝得到正常播映，曾出现过″变形放映镜头″，使用时通常在电影放映机的标准电影放映镜头前加装一组无焦柱面附加镜来对单方向视场进行放大，继而造成镜头像高在子午和弧矢方向拉伸和压缩，该无焦柱面附加镜为望远镜式结构，属无焦系统，附加在镜头前面时不改变原镜头的焦距。由于所配接的标准镜头视场角一般在45°以内，所以附加镜的轴向长度和径向尺寸尚可接受，像差控制也相对容易。延续变形镜的设计理念，对于相同的视场角度值来说，倘若鱼眼镜头可以在子午和弧矢方向具有不同的像高，就可以营造一种映射关系，而最大限度适应数字投影/放映机芯片的尺寸，从而提高像素利用率。用于球幕放映/投影的鱼眼镜头，由于幕的形状旋转对称，就要求鱼眼镜头各个方向的边缘视场光线相对光轴来说具有相同的夹角，也称半视场角，这个夹角约80°甚至更大，那么，镜头全视场角就大于等于160°，如果按照望远镜工作原理，制作无焦柱面附加镜，既会造成柱面变形镜组径向尺寸变得太大而增加生产成本，也会造成附加镜头的总长度和总重量大大增加而丧失稳定性和可靠性，更为不利的是，面对如此大的视场角要求，柱面望远镜式变形附加镜的像差将很难进行良好校正。本申请人之前的公开号为CN103439859A，名称为《基于二向异性鱼眼镜头的环幕放映/投影系统单元》中，曾提出了用于环幕的二向异性鱼眼镜头的概念，并给出了设计方案。在环幕用二向异性鱼眼镜头中，子午和弧矢方向最大视场角不同，且存在较大差异；另外，在子午和弧矢方向，成像规律和成像公式不同，仅仅在一个方向存在大畸变。而对用于单机位球幕的二向异性鱼眼镜头来说，子午和弧矢方向应具有相同的最大工作视场角，在子午和弧矢方向成像规律相同或略有差异，两方向均存在大畸变。目前，尚无证据显示，有关用于单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头的研究和相关文献报道。为此，有必要对单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头的光学特性和光学结构特征进行开发和研究。
技术实现思路
鉴于上述现状，本专利技术提供了一种用于单机位球幕放映/投影系统的二向异性鱼眼镜头。在保障镜头能和特定的数字放映/投影机完美匹配的基本性能基础上，在所处系统的配置及应用环境不变的条件下，仅通过对镜头的特性设计和光学结构的创新，建立球幕和数字放映/投影机芯本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：ysn＝‑ksf′s(ωxnπ/360)，0.5＜ks＜1子午方向：ytn＝‑ktf′t(ωynπ/360)，0.5＜kt＜1其中，ysn为镜头弧矢方向在任意工作视场(ωxn/2，0)处所对应的像高，最大像高ys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ys＝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；ytn为镜头子午方向在任意工作视场(0，ωyn/2)处所对应的像高，最大像高yt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yt＝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ys，使ys的数值更接近a/2，并使子午向全视场像高yt趋近于b/2，即镜头弧矢方向的最大像高范围是：3b/4≤ys≤a/2，即，ys≥1.5yt；而ks和kt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ks和kt可首选相等，但ks和kt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(ysn，ytn)对应工作视场(ωxn/2，ωyn/2)，如果设ωx/2和ωy/2分别为实际工程需要中ωxn/2和ωyn/2的最大值，则ωx/2和ωy/2是弧矢和子午向最大工作视场，ωx/2和ωy/2相等或近似相等，ωx/2和ωy/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ys和yt。本专利技术ωx/2和ωy/2的极限最大值可以达到100°，两方向最大全视场ωx和ωy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+ds/ns，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，ds是弧矢方向所有有效透镜的等效透镜的光学厚度，ns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Se＝πysyt，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ys≥1.5yt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＝Se/Sc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ys，使ys的数值更接近却永不大于a/2，并使子午向全视场像高yt＝b/2，镜头弧矢方向的最大像高范围是：3b/4≤ys≤a/2，也即，ys≥1.5yt；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，指本专利技术的规律性等效原理光学结构特征，二向异性...

【技术特征摘要】
1.一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，包括在子午方向、弧矢方向的光学指标存在差异的二向异性鱼眼镜头，该二向异性鱼眼镜头具有如下技术指标、性能指标和规律性等效原理光学结构特征；其中：技术指标主要包括：非相似的成像公式、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：ysn＝-ksfs′(ωxnπ/360)，0.5＜ks＜1子午方向：ytn＝-ktft′(ωynπ/360)，0.5＜kt＜1其中，ysn为镜头弧矢方向在任意工作视场(ωxn/2，0)处所对应的像高，最大像高ys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ys＝a/2，fs′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；ytn为镜头子午方向在任意工作视场(0，ωyn/2)处所对应的像高，最大像高yt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yt＝b/2，ft′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增大弧矢向全视场像高ys，使ys的数值更接近a/2，并使子午向全视场像高yt趋近于b/2，即镜头弧矢方向的最大像高范围是：3b/4≤ys≤a/2，即，ys≥1.5yt；而ks和kt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ks和kt相等，但ks和kt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(ysn，ytn)对应工作视场(ωxn/2，ωyn/2)，如果设ωx/2和ωy/2分别为实际工程需要中ωxn/2和ωyn/2的最大值，则ωx/2和ωy/2是弧矢和子午向最大工作视场，ωx/2和ωy/2相等或近似相等，ωx/2和ωy/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ys和yt，使ωx/2和ωy/2的极限最大值可以达到100°，两方向最大全视场ωx和ωy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：fs′＜fr′＜ft′；其中，fr′、fs′、ft′分别为镜头在不同于弧矢方向、子午方向的任意方向、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：fs′＝ft′-d+ds/ns，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈琛，于国辉，宋涛，李维善，刘宵婵，张禹，
申请(专利权)人：秦皇岛视听机械研究所，
类型：发明
国别省市：河北;13