本發明專利技術公開了一類用于單機位球幕放映/投影系統的二向異性魚眼鏡頭，包括二向異性魚眼鏡頭的特性設計方案和等效原理光學結構方案，通過目的性營造二向異性魚眼鏡頭的光學特性在弧矢和子午方向的差異化，可實現特定物-像映射關系。利用二向異性鏡頭構建單機位球幕放映/投影系統與使用傳統魚眼鏡頭相比至少可提高像素利用率或光能利用率50％以上。
【技術實現步驟摘要】
用于單機位球幕放映/投影系統的二向異性魚眼鏡頭
本專利技術涉及一種新形式的魚眼鏡頭，尤其涉及一種用于單機位球幕放映/投影系統的二向異性魚眼鏡頭，該鏡頭結合數字放映/投影機針對球冠形和類似球冠形的銀幕進行放映或投影，可用來構建以球幕為影像載體的放映/投影工程，如，球幕影院、球幕展覽展示廳、天象科普廳、球幕查詢及教學系統。屬于物像非相似超廣角光學成像技術在影視、影像領域的應用。
技術介紹
球幕電影或稱球幕放映/投影系統，最早為上世紀八十年代傳入我國，作為一種特種電影，以其新穎的形式、震撼的效果和強烈的臨場融入感深得廣大觀眾喜愛。早期的球幕放映/投影系統，均為單機位系統，如不考慮影院的其他標準附屬設施，其最基本的構成為：采用一臺高亮度膠片電影放映機，結合一只傳統魚眼鏡頭，將膠片上的影像信息展現在一個直徑10米～30米球冠狀的球面或近球面幕上，膠片上的影像信息通過裝有魚眼鏡頭的膠片攝影機實景拍攝獲得，無論球幕如何放置，電影放映機始終處于球幕的球心或球心的附近，魚眼鏡頭的光軸和球幕的對稱軸重合或平行。進入二十一世紀，隨著光學技術、制片技術、銀幕制造技術、數字圖像處理技術和計算機技術的進步，圖形制作、融合拼接技術逐步出現并成熟，球幕放映/投影系統得到了飛速發展，相繼出現了雙、多機位的構成形式，但單機位的基本構成形式因其構成簡單、成本低廉及后期維護的便利性仍然占據重要地位。數字時代的單機位基本構成形式中，膠片放映機由數字放映/投影機所替代，膠片由數字格式的視頻文件所替代，片源制作過程中，視頻文件即可以通過數字攝像機實景拍攝也可以通過計算機合成制作而獲得。無論在膠片電影時代還是在數字電影時代，單機位球幕放映/投影系統中魚眼鏡頭都充當著重要角色，放映過程和拍攝過程都不可或缺，如公開的中國專利技術專利申請號為201210502119.X《一種數字天象廳》、專利2013202620.4《一種基于魚眼投影鏡頭的球幕投影系統》、專利號為201210290184.0《一種球幕/穹頂兩用多媒體投影演示系統》等等。魚眼鏡頭的使用決定了球幕放映/投影系統的基本構成和其中所涉及到的主要技術要素在一定程度存在相似性。而關于魚眼鏡頭已公開的專利，如專利號為2012203724.7《魚眼鏡頭》、201110431770.8《成像系統和魚眼鏡頭》、200710185280.8《數字投影機整球型幕投影用超大視場角魚眼鏡頭結構》、201010173497.9《一種用于數字投影機的五組六片式魚眼鏡頭基礎結構》、JP2005221955A《FISH-EYELENSANDPROJECTIONDISPLAYDEVICEUSINGIT》等等，都是描述的鏡頭光學結構上的部分差異和創新，而這些光學結構都是沿光軸旋轉對稱的，為了和本專利技術相區別，暫且稱上述專利光學結構屬于″軸對稱結構″，稱其光學特性為″各向同性″，即，在工作狀態下，當鏡頭沿光軸旋轉時，光學效果不發生改變，可稱其為″傳統魚眼鏡頭″。在放映/投影過程中，球幕和投影機影像芯片二者通過放映鏡頭構成一定對應映射關系，該映射關系決定放映/投影過程的數字放映/投影機芯片的″像素利用率″，該″利用率″一般可用芯片面積的比值來近似體現，即，鏡頭所能投射到銀幕上的芯片區域面積和芯片的完整面積的比值。完善而科學的映射關系是在保證上述″利用率″最大化的基礎上，實現最佳的放映/投影效果。根據公開的所有的球幕放映/投影系統中，球幕均為或接近球冠狀或是球冠的一部分，其正視圖是完整園或圓缺。而眾所周知，均勻排列″像素″的數字放映/投影機的影像芯片是長方形，且存在一定的長寬比，如，16∶9、4∶3、16∶10等，由于傳統魚眼鏡頭光學性能和結構的軸向旋轉對稱性，無法在球幕和數字放映/投影機的影像芯片之間建立完整的″物-像″滿射，極限最佳情況也僅僅是將數字放映/投影機的影像芯片上的一小部分——以芯片的短邊為直徑相切芯片長邊的內切圓內的像素，映射在球幕上，以長寬比16∶9的芯片為例，最大像素利用率僅僅可達到41％，像素利用率很低，換個說法，也就造成光能利用率低下。在光學工程領域為了方便描述鏡頭特性或方便分析與研究，都假定鏡頭內存在相互垂直且相交于鏡頭光軸的兩個虛擬平面——弧矢平面和子午平面。在弧矢和子午平面內且垂直于光軸的方向稱為弧矢方向和子午方向，相應地，偏離弧矢和子午方向的其他方向則稱為任意方向。一般來講，放映/投影鏡頭的光學性能由光學結構決定，光學結構主要由各種透鏡、反射鏡和各種光闌組成，根據透鏡上光學工作面的類型特點，例如，標準球面、橢球面、拋物面、圓錐面、雙二次曲面、偶次非球面、奇次非球面等，可對透鏡進一步限定和命名，雙二次曲面透鏡通常用來構造子午和弧矢方向性能差異化的光學結構，以實現鏡頭各向異性的特殊性能，而柱面透鏡是雙二次曲面透鏡中最簡單的形式，且加工工藝較為成熟，通常被優先選用。在膠片電影時代，35mm遮幅式變形寬銀幕電影以及70mm遮幅式變形寬銀幕電影中，為了使標準拷貝得到正常播映，曾出現過″變形放映鏡頭″，使用時通常在電影放映機的標準電影放映鏡頭前加裝一組無焦柱面附加鏡來對單方向視場進行放大，繼而造成鏡頭像高在子午和弧矢方向拉伸和壓縮，該無焦柱面附加鏡為望遠鏡式結構，屬無焦系統，附加在鏡頭前面時不改變原鏡頭的焦距。由于所配接的標準鏡頭視場角一般在45°以內，所以附加鏡的軸向長度和徑向尺寸尚可接受，像差控制也相對容易。延續變形鏡的設計理念，對于相同的視場角度值來說，倘若魚眼鏡頭可以在子午和弧矢方向具有不同的像高，就可以營造一種映射關系，而最大限度適應數字投影/放映機芯片的尺寸，從而提高像素利用率。用于球幕放映/投影的魚眼鏡頭，由于幕的形狀旋轉對稱，就要求魚眼鏡頭各個方向的邊緣視場光線相對光軸來說具有相同的夾角，也稱半視場角，這個夾角約80°甚至更大，那么，鏡頭全視場角就大于等于160°，如果按照望遠鏡工作原理，制作無焦柱面附加鏡，既會造成柱面變形鏡組徑向尺寸變得太大而增加生產成本，也會造成附加鏡頭的總長度和總重量大大增加而喪失穩定性和可靠性，更為不利的是，面對如此大的視場角要求，柱面望遠鏡式變形附加鏡的像差將很難進行良好校正。本申請人之前的公開號為CN103439859A，名稱為《基于二向異性魚眼鏡頭的環幕放映/投影系統單元》中，曾提出了用于環幕的二向異性魚眼鏡頭的概念，并給出了設計方案。在環幕用二向異性魚眼鏡頭中，子午和弧矢方向最大視場角不同，且存在較大差異；另外，在子午和弧矢方向，成像規律和成像公式不同，僅僅在一個方向存在大畸變。而對用于單機位球幕的二向異性魚眼鏡頭來說，子午和弧矢方向應具有相同的最大工作視場角，在子午和弧矢方向成像規律相同或略有差異，兩方向均存在大畸變。目前，尚無證據顯示，有關用于單機位球幕放映/投影系統的二向異性魚眼鏡頭的研究和相關文獻報道。為此，有必要對單機位球幕放映/投影系統的二向異性魚眼鏡頭的光學特性和光學結構特征進行開發和研究。
技術實現思路
鑒于上述現狀，本專利技術提供了一種用于單機位球幕放映/投影系統的二向異性魚眼鏡頭。在保障鏡頭能和特定的數字放映/投影機完美匹配的基本性能基礎上，在所處系統的配置及應用環境不變的條件下，僅通過對鏡頭的特性設計和光學結構的創新，建立球幕和數字放映/投影機芯本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種用于單機位球幕放映/投影系統的二向異性魚眼鏡頭，其特征是，包括二向異性魚眼鏡頭的特性設計方案和規律性等效原理光學結構設計方案；所述二向異性魚眼鏡頭的特性設計方案，是指特別處理鏡頭技術指標和性能指標的過程及方法；其中：技術指標主要包括：非相似的成像規律、畸變調節系數、最大像高、視場、焦距、像面位置；性能指標包括：像素利用率；所述二向異性魚眼鏡頭技術指標中的成像公式、畸變調節系數、最大像高的特征為：鏡頭所依據成像公式相同、畸變調節系數可相同也可不同，即在弧矢和子午兩方向所依據成像公式相同，而成像公式中的畸變調節系數可以不同，在鏡頭的弧矢和子午兩方向，均引入大畸變，鏡頭的像高、焦距、弧度制的工作視場及畸變調節系數滿足下式：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為鏡頭弧矢方向在任意工作視場(ωxn/2，0)處所對應的像高，最大像高ys由采用的數字放映/投影機的芯片寬度尺寸a決定，最大值為ys＝a/2，f′s為鏡頭中包括球面透鏡和弧矢向有效柱面透鏡組的弧矢向焦距；ytn為鏡頭子午方向在任意工作視場(0，ωyn/2)處所對應的像高，最大像高yt由所采用的數字放映/投影機的芯片高度尺寸b決定，理想值yt＝b/2，f′t為鏡頭中包括球面透鏡和子午向有效柱面透鏡的子午向焦距，若投影機芯片的邊長a大于b，則保證鏡頭增大像素利用率的有效方式是盡量增大弧矢向全視場像高ys，使ys的數值更接近a/2，并使子午向全視場像高yt趨近于b/2，即鏡頭弧矢方向的最大像高范圍是：3b/4≤ys≤a/2，即，ys≥1.5yt；而ks和kt分別是弧矢向和子午向的畸變調節系數，根據弧矢和子午向最大像高和最大視場，選取畸變調節系數，確定鏡頭兩個方向的焦距值；畸變調節系數ks和kt可首選相等，但ks和kt略有差異會減小結構像差優化的難度，增加優化設計中像差控制的彈性；所述二向異性魚眼鏡頭技術指標中的視場的特征為：工作視場和所對應的像點坐標采用二維坐標表述，像點坐標(ysn，ytn)對應工作視場(ωxn/2，ωyn/2)，如果設ωx/2和ωy/2分別為實際工程需要中ωxn/2和ωyn/2的最大值，則ωx/2和ωy/2是弧矢和子午向最大工作視場，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間尺寸、鏡頭與球幕的相對位置關系決定，并分別對應ys和yt。本專利技術ωx/2和ωy/2的極限最大值可以達到100°，兩方向最大全視場ωx和ωy最大可達200°；所述二向異性魚眼鏡頭技術指標的焦距特征為，鏡頭在弧矢與子午方向具有不相等的極值焦距值，而其他任意方向焦距值均在兩極值焦距區間內，即：f′s＜f′r＜f′t；其中，f′r、f′s、f′t分別為鏡頭在任意方向、弧矢方向、子午方向的焦距值,鏡頭各個任意方向均存在確定焦距值，該焦距值在弧矢和子午焦距值范圍內連續；所述二向異性魚眼鏡頭技術指標中像面位置的特征為：鏡頭光學后工作距除了要滿足放映/投影機引擎工作需要的空間距離這一常規要求外，還需要鏡頭在弧矢和子午方向保持擁有相同像面位置，滿足該要求的條件是鏡頭在弧矢和子午方向的焦距滿足關系：f′s＝f′t?d+ds/ns，其中，d是分別處于兩個方向的所有有效透鏡的等效透鏡的主面間隔，ds是弧矢方向所有有效透鏡的等效透鏡的光學厚度，ns是弧矢方向所有有效透鏡的等效透鏡的折射率，該式同時也決定了鏡頭弧矢和子午方向光焦度分配及兩方向等效透鏡的主面間隔；所述二向異性魚眼鏡頭性能指標中像素利用率，計算方法及其像素利用率為：二向異性魚眼鏡頭在單機位球幕放映/投影系統中，那么該鏡頭將球幕逆映射到鏡頭的像面上，會形成一個橢圓邊界的像域，該像域的面積為Se＝πysyt，而傳統魚眼鏡頭所成的球幕逆像是一個圓邊界的像域，該像域的面積為根據成像公式和投影機芯片寬高比a/b以及前述ys≥1.5yt的條件，可得，二向異性魚眼鏡頭相對傳統魚眼鏡頭來說，能把相同尺寸的球幕逆映射到數字放映/投影機芯片上的像域面積提高M＝Se/Sc倍，即，a/b≥M≥1.5，反之亦然，二向異性魚眼鏡頭把可投射到球幕上的投影機芯片上的像素數提高了M倍，即提高了像素利用率或光能利用率，二向異性魚眼鏡頭的這種特性即前述映射關系的改變；保證鏡頭增大像素利用率的有效方式是盡量增大弧矢向全視場像高ys，使ys的數值更接近卻永不大于a/2，并使子午向全視場像高yt＝b/2，鏡頭弧矢方向的最大像高范圍是：3b/4≤ys≤a/2，也即，ys≥1.5yt；一般情況下，根據成像公式，增加弧矢最大像高，需要增大弧矢焦距，且和鏡頭視場相關聯；所述二向異性魚眼鏡頭的規律性等效原理光學結構設計方案，指本專利技術的規律性等效原理光學結構特征，二向異性...
【技術特征摘要】
1.一種用于單機位球幕放映/投影系統的二向異性魚眼鏡頭，其特征是，包括在子午方向、弧矢方向的光學指標存在差異的二向異性魚眼鏡頭，該二向異性魚眼鏡頭具有如下技術指標、性能指標和規律性等效原理光學結構特征；其中：技術指標主要包括：非相似的成像公式、畸變調節系數、最大像高、視場、焦距、像面位置；性能指標包括：像素利用率；所述二向異性魚眼鏡頭技術指標中的成像公式、畸變調節系數、最大像高的特征為：鏡頭所依據成像公式相同、畸變調節系數可相同也可不同，即在弧矢和子午兩方向所依據成像公式相同，而成像公式中的畸變調節系數不同，在鏡頭的弧矢和子午兩方向，均引入大畸變，鏡頭的像高、焦距、弧度制的工作視場及畸變調節系數滿足下式：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為鏡頭弧矢方向在任意工作視場(ωxn/2，0)處所對應的像高，最大像高ys由采用的數字放映/投影機的芯片寬度尺寸a決定，最大值為ys＝a/2，fs′為鏡頭中包括球面透鏡和弧矢向有效柱面透鏡組的弧矢向焦距；ytn為鏡頭子午方向在任意工作視場(0，ωyn/2)處所對應的像高，最大像高yt由所采用的數字放映/投影機的芯片高度尺寸b決定，理想值yt＝b/2，ft′為鏡頭中包括球面透鏡和子午向有效柱面透鏡的子午向焦距，若投影機芯片的邊長a大于b，則保證鏡頭增大像素利用率的有效方式是增大弧矢向全視場像高ys，使ys的數值更接近a/2，并使子午向全視場像高yt趨近于b/2，即鏡頭弧矢方向的最大像高范圍是：3b/4≤ys≤a/2，即，ys≥1.5yt；而ks和kt分別是弧矢向和子午向的畸變調節系數，根據弧矢和子午向最大像高和最大視場，選取畸變調節系數，確定鏡頭兩個方向的焦距值；畸變調節系數ks和kt相等，但ks和kt略有差異會減小結構像差優化的難度，增加優化設計中像差控制的彈性；所述二向異性魚眼鏡頭技術指標中的視場的特征為：工作視場和所對應的像點坐標采用二維坐標表述，像點坐標(ysn，ytn)對應工作視場(ωxn/2，ωyn/2)，如果設ωx/2和ωy/2分別為實際工程需要中ωxn/2和ωyn/2的最大值，則ωx/2和ωy/2是弧矢和子午向最大工作視場，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間尺寸、鏡頭與球幕的相對位置關系決定，并分別對應ys和yt，使ωx/2和ωy/2的極限最大值可以達到100°，兩方向最大全視場ωx和ωy最大可達200°；所述二向異性魚眼鏡頭技術指標的焦距特征為，鏡頭在弧矢與子午方向具有不相等的極值焦距值，而其他任意方向焦距值均在兩極值焦距區間內，即：fs′＜fr′＜ft′；其中，fr′、fs′、ft′分別為鏡頭在不同于弧矢方向、子午方向的任意方向、弧矢方向、子午方向的焦距值，鏡頭各個任意方向均存在確定焦距值，該焦距值在弧矢和子午焦距值范圍內連續；所述二向異性魚眼鏡頭技術指標中像面位置的特征為：鏡頭光學后工作距除了要滿足放映/投影機引擎工作需要的空間距離這一常規要求外，還需要鏡頭在弧矢和子午方向保持擁有相同像面位置，滿足該要求的條件是鏡頭在弧矢和子午方向的焦距滿足關系：fs′＝ft′-d+ds/ns，其中，d是分別處于兩個方向的所有有效透鏡的等效透鏡的...
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳琛，于國輝，宋濤，李維善，劉宵嬋，張禹，
申請(專利權)人：秦皇島視聽機械研究所，
類型：發明
國別省市：河北;13
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