Design, analysis, and manufacturing of a glass-plastic hybrid minimalist aspheric panoramic annular lens

2024年6月，课题组博士研究生高少华、蒋奇等人的论文《Design, analysis, and manufacturing of a glass-plastic hybrid minimalist aspheric panoramic annular lens》发表于OLT期刊。

期刊介绍

Optics and Laser Technology是Elsevier旗下光学领域顶级期刊，属中科院物理大类二区Top SCI期刊，2022-2023年度影响因子5.0。该期刊在OPTICS领域JCR综合排名21/119，位列Q1。

论文主要图表

论文介绍

本文中，我们提出了一种仅4片非球面透镜构建的极简全景环带镜头架构设计方法。仅使用3种光学材料实现了360°×（35°~110°）的超大视场全景环带成像，单个镜头重量仅为8.5克。此外，我们提出了一种非球面全景环带镜头公差分析方法，可以合理评估全景环带镜头的环带与非环带光学工作面的面形误差。我们首次通过玻塑混合高精密制造技术实现了全景环带镜头的快速批量制造，推动了全景成像系统的应用与发展，尤其适用于小型无人机、微型机器人等空间和体积严格限制的场景感知领域。

传统全景环带镜头通常由7~11片透镜构成，中继透镜组中使用众多的透镜数来提供更多优化变量以校正全景环带镜头的大视场像差。这种使用无优化变量约束设计方案来优化设计全景环带镜头往往会造成优化变量冗余，因此使系统变得复杂造成重量与体积变大，透镜数众多且装配流程繁琐等缺点，不利于批量生产和在感知设备空间与重量严格限制场景下的应用。此外，由于全景环带镜头的头部透镜构造特殊，需要加工出异型结构进行增透膜与反射膜的镀膜，工艺较为复杂，因此通常采用传统的光学冷加工抛光方式进行透镜加工。尽管全景环带镜头具有较大视场的成像感知优势，但由于光学冷加工制造方式效率低，大量制造良率无法保证统一，因此无法实现批量应用。

为了解决上述问题，我们提出了一种用于全景成像的紧凑型高性能极简非球面全景环带透镜（ASPAL）和一种全景环带镜头非球面公差分析方法，并展示了应用玻塑混合技术快速制造ASPAL的过程，最终验证了制造的镜头成像性能。我们的设计、分析与制造框架解决了传统全景环带镜头的重量、体积和复杂系统的限制，为研发轻型、大视场、高性能的极简全景成像系统提供了富有前景的研究方向，为空间和重量受限的环境传感场景的应用铺平了道路。

本研究的创新点与优势包括以下4大特色：

1. 提出了一种仅使用4个透镜3种光学材料构建的360°×（35°~110°）超广角近衍射极限玻璃-塑料混合极简ASPAL。相对于传统PAL镜头的7~11片架构，透镜数大大减少。本研究提出的ASPAL解决了传统的各种全景成像系统为了追求高成像质量，由于镜头数量多而导致系统复杂、装配过程复杂、体积大、重量重的缺点。研究建立了全景环带镜头（PAL）的物理结构的光线追迹模型，可分析PAL的紧凑比来指导和约束PAL的优化过程。
2. 提出了一种用于ASPAL的非球面公差分析方法。通过构建Fringe-Zernike模型和Standard Zernike模型，模拟了非球面的不规则度，并根据面形矢高偏差准确地计算出光学工作表面的峰谷和均方根面形误差要求。这种公差分析方法解决了使用传统光学设计软件在分析和制造传统PAL时无法合理评估环形光学工作表面不规则度的问题。
3. 首次使用玻璃-塑料混合架构制造出仅8.5克的ASPAL。与传统的球面PAL相比，我们提出的ASPAL使视场增加了30°以上，透镜高度减少了68%，重量减少了80%，拓宽了在空间和体积受限的场景中的应用范围。高精密模压成型和注塑工艺适用于快速、大规模、低成本的生产。与传统的冷加工PAL相比，我们制造的ASPAL高精密模压PAL块和注塑中继透镜组加工技术可以大大加快透镜的生产速度，提高成像性能成品率，为全景成像系统的大规模应用带来了希望。
4. 与传统极简光学系统的计算成像感知方法相比，我们提出的ASPAL系统可以实现接近衍射极限的成像质量，而不需要额外的计算设备和功耗，降低了成本和系统体积。此外，我们的ASPAL可以获得比计算成像更真实的场景信息。

借助高精密玻璃模压和注塑成型非球面透镜制造技术，我们首次批量制造了 20 颗全景镜头，成像测试结果表明该镜头可以在 50 cm 的高度分辨 1.5 mm 宽度的刻度线，具有较好的成像质量。

本研究成果为极简小型化超广角的全景系统的设计、分析、制造提供了一种低成本和高质量的解决方案，极大地降低了全景成像体积重量、拓展了视场角，推动了全景成像系统的应用与发展，也为全景成像系统的大批量应用提供了一种富有潜力的高精密制造轻量化小型化大视场光学成像感知系统的设计、分析与制造方案，使得全景环带镜头可以批量应用在诸如小型化无人机、微型机器人等空间和重量严格限制的环境感知场景。

BibTeX

@article{gao2024design,
  title={Design, analysis, and manufacturing of a glass-plastic hybrid minimalist aspheric panoramic annular lens},
  author={Gao, Shaohua and Jiang, Qi and Liao, Yiqi and Qiu, Yi and Ying, Wanglei and Yang, Kailun and Wang, Kaiwei and Zhang, Benhao and Bai, Jian},
  journal={Optics \& Laser Technology},
  volume={177},
  pages={111119},
  year={2024},
  publisher={Elsevier}
}