1.引言
全景環帶光學系統在虛擬實境的場景內容生成、自動駕駛領域的場景獲取檢測等有足夠想象的應用前景。
本文設計乙個全景環帶光學系統，給出設計思路，簡要演示設計步驟，並提供最終的光學設計結果資料。
本文主要特點是通過分析全景環帶光學系統的特點，提出一種搭建初始結構的方法，並直接給出乙個效能良好的全景環帶光學系統結構，可以作為實際設計中的設計起點，對全景環帶光學系統的設計具有參考價值。
2.光學引數
本全景環帶光學系統的引數如下：
如下圖所示，文獻中的全景環帶光學系統為校正系統色差，將第一片鏡頭設計改為三片式複雜膠合結構，並採用三種玻璃牌號，可以較好地校正色差，***是帶來加工和裝調的難度，所謂有所得有所失，具體應用中還是要根據實際情況確定最終的優化結果。
在本次的光學設計中，著重考慮光學元件的加工性與成本，第一片鏡頭採用一片且材料為pmma，優點在於可以通過單點車快速加工成型進行系統原理驗證，亦可以在設計定型後通過注塑工藝批量生產，大幅降低費用。由於上述技術路線的選擇，還可以在第一片上使用非球面，增加光學像差的校正能力。
文獻中的全景環帶光學系統
3.光學設計
3.1 設計思路
顯而易見，圖中全景環帶光學系統是旋轉對稱的光學系統，因此在同軸設計的基礎上，通過視場角的改變，逐漸逼近到最終的設計結果。
由於第一片光學鏡片的結構是本系統的核心，因此首先簡化後面的光學部件為一理想透鏡，透過優化搭建出同軸結構；到達乙個階段後，將理想透鏡複雜化為實際的透鏡組，並在此基礎上再優化，直至達到最終效果
逼近設計中，原則仍然是在前期盡可能少的使用要求，減低初始結構優化設計的難度。基於這個考慮，優化前期使用單色波長，所有光學材料採用同種光學材料不做優化。在初始結構基本得到後，在增加多波長，並通過玻璃替代優化色差。
在複雜化後組鏡頭的時候，前期選擇了一款類高斯鏡頭，像差校正效果一般，懶癌發作就取巧採用了和文獻中基本一致的後組鏡頭。
根據結構形式搭建第一片鏡片的同軸初始結構
優化調整入瞳位置和一次像面的中間位置過程結果
視場逐漸傾斜的過程
複雜化後面的鏡組
經過幾輪迭代優化後的前期光學結構
前期光學結構視場的情況
前期光學結構鏡頭檔案資料
前期光學結構mtf的情況
360度全景環帶光學系統
360度全景環帶光學系統的光學引數
360度全景環帶光學系統的結構（非球面的引數沒有提供，有興趣的作為乙個小作業設計試試，後面有需求再提供）
360度全景環帶光學系統視場分布情況
360度全景環帶光學系統的mtf曲線
360度全景環帶光學系統的f-θ畸變曲線
360度全景環帶光學系統的校正後f-θ畸變曲線
幾個注意的知識點：
1.廣角鏡頭/魚眼鏡頭等，視場角超過90的情況下，畸變模型的問題需要知道，系統最後的設計階段，畸變採用的f-θ畸變模型，優化控制中畸變優化運算元也要改為disc；
２.由於視場角大，在優化中要在光線追跡中進行光闌設定，具體參見本專欄中的文章《光瞳像差》；
2.非球面的選擇，第一片鏡片為關鍵，通過分析發現有乙個面有兩次共用，設定為非球面效果較好，所以最終結果就採用了這種選擇。優化中其實沒有固定的方法，最穩妥的還是通過逐項優化後最終確定哪個面設為非球面效果最好；
3.如果感測器足夠大，全景環帶光學系統像面是乙個環帶，後期需要通過演算法校正等方法得到全景，是全景環帶成像的關鍵技術之一。
4.總結
綜上，通過優化迭代，得到乙個360度全景環帶光學系統，實際應用中，根據需求，可以再優化調整，包括增減光學鏡片，縮減系統長度等，最終得到鏡頭產品還需要下面的步驟：
1.優化至技術引數滿足實際要求，光機系統協同設計；
2.考慮加工工藝和裝調工藝的具體要求並滿足；
3.公差分析，確保光學系統可以加工並裝調出來；
4.考慮環境溫度、強度等通用特性要求；
5.確定加工廠家後，套樣板，並優化確保像質滿足要求；
6.出圖加工、加工檢測、裝調檢測、六性方面的環境試驗等，通常情況下會有幾輪反覆調整；
7.最終技術狀態確定後，探索批量加工工藝，並試驗至速度和質量滿足要求，固化工藝和檢測方法；
8.技術狀態凍結，批生產，檢測，合格產品。
光學設計導論-知乎專欄
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