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[光学基础知识&概念] 鱼眼镜头设计的原理

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  • TA的每日心情
    奋斗
    2024-5-21 00:07
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    [LV.Master]伴坛终老

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    发表于 2016-2-24 09:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

           鱼眼镜头是一种超广角的特殊镜头,其视觉效果类似于鱼眼观察水面上的景物,我们知道,鱼的眼睛其实同人眼构造类似,但是人眼的水晶体是扁圆形的,因此可以看到更远处的东西,而鱼的眼睛水晶体是圆球形,因此虽然只能看到比较近的物体,却拥有更大的视角,也就是看得更加广阔,直说一鱼眼的水晶体弧度会如此高,主要就是为了应对水中光线的折射率问题,我们看杯子中的筷子会觉得筷子变弯了,这就是典型的折射。

          以上就是典型的水在光线中的折射关系,根据光路可逆的规律,也就是说,如果在水中看空气中的东西的话,同样会有折射现象存在,而鱼眼镜头的原理就是根据这个获得的,如果说鱼眼在水中的视角是150度,那么其到空气中的视角可能就要达到180度。而鱼眼镜头的思路就是来自于这种特点,当然其实同鱼眼观察水面以外物体的关系真的不大,只是体现的效果比较类似,毕竟这里不存在水的折射率,只是镜头设计者研究了鱼眼的结构,才搞出了有意思的鱼眼镜头。

    尼康8mm f/2.8圆形鱼眼镜头拍摄样片
           鱼眼镜头的设计中心思想就是,拥有更大的球面弧度(类似鱼眼的球形水晶体),成像平面离透镜更近(鱼眼的水晶体到视网膜距离很近)。
    鱼眼镜头视角可以接近或者超过180度,对于135画幅的相机来说,鱼眼镜头的焦段多在6-16mm之间,视角一般都在170度左右,
    由于视角超大,因此其桶形弯曲畸变非常大,因此画面周边的直线都会被弯曲,只有镜头中心部分的直线可以保持原来的状态。


          鱼眼镜头无论如何它的边缘线条都是要弯曲的,即使90度的鱼眼也是这样,这种畸变我们在很多广角镜头上都可以看到,而这就是明显的桶形畸变。同样的120度的鱼眼看起来弯曲的更加厉害一些了,而且被容纳进范围的景物更多;150度同样如此,而180度的鱼眼则可以把镜头周围180度范围内的所有物体都拍摄进去。
          从结构上来说,鱼眼镜头确实也是类似于鱼眼的结构,并且鱼眼镜头派生出两种类型,一种称为Circular Image Fisheye(圆形鱼眼),另外一种称为Full Frame Fisheye(全幅鱼眼)。圆形鱼眼是鱼眼镜头的鼻祖,其设计的视角基本在180度以上,因此画面中只能看到圆形部分,这种镜头一般拥有超大的前组镜片,且镜片弯曲度非常大(为了采集来自更多方向的光线),自然成本也极高,目前基本上已经很少有厂商继续生产圆形鱼眼镜头了,这主要还是出于成本的考虑。

    圆形鱼眼镜头拍摄的照片


    转化成360度环视照片
          鱼眼镜头的好处很多,由于视角大,其可以容纳的场景会更多,而且可以适应很多狭小空间的拍摄需求,并且随着数字化的普及,鱼眼镜头实现360度环视效果变得非常方便,而且这个往往也要比普通的接片更方便。

    圆形鱼眼镜头的成像效果
      

    尼康的9片5组圆形鱼眼镜头设计(镜头长度88mm)
           主流的圆形鱼眼镜头的生产厂商并不多,这里还是有必要提一下,尼康绝对是圆形鱼眼镜头生产的王者,1962年就提出了8mm鱼眼镜头的结构(9片5组),这款镜头直接奠定了尼康在这个领域的领导地位。




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  • TA的每日心情
    无聊
    2022-11-2 16:19
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    [LV.10]以坛为家III

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    发表于 2016-2-25 08:50 | 显示全部楼层
    赞赞赞~~~~~~~~~~尼康那个镜头,超级大
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  • TA的每日心情

    2024-5-18 11:31
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    发表于 2018-10-12 15:16 | 显示全部楼层
    谢谢分享,鱼眼镜头设计难度还是很大的  边缘市场像散场曲 很难控制
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  • TA的每日心情
    奋斗
    2022-7-27 16:32
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    [LV.8]以坛为家I

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    发表于 2021-6-22 14:30 | 显示全部楼层
    很好的介绍资料。

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  • TA的每日心情
    奋斗
    2024-5-20 09:51
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    [LV.9]以坛为家II

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    发表于 2021-7-5 09:48 | 显示全部楼层
    只介绍了圆形鱼眼,那全幅鱼眼又是什么样的,有没有相关资料?
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  • TA的每日心情
    无聊
    2024-3-25 11:57
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    [LV.7]常住居民III

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    发表于 2021-7-12 15:59 | 显示全部楼层
    请问下,可以在文章中提供下尼康这个鱼眼镜头的专利么?这样可能对大家理解有着更大的帮助,谢谢
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    发表于 2021-12-14 10:10 | 显示全部楼层
    学习中的菜鸟 发表于 2021-7-12 15:59
    请问下,可以在文章中提供下尼康这个鱼眼镜头的专利么?这样可能对大家理解有着更大的帮助,谢谢

    https://www.j-platpat.inpit.go.jp/  公开番号:[url=]2016-184136[/url]
    [url=]这里面有一个最新的鱼眼镜头专利[/url]
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  • TA的每日心情

    2024-5-13 12:13
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    [LV.8]以坛为家I

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    发表于 2021-12-15 09:45 | 显示全部楼层
    请问如果第一片镜头的第二个面D/R为1.974太弯了 操作数控制不了 应该怎么办呢
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  • TA的每日心情
    无聊
    2024-3-25 11:57
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    发表于 2023-8-7 10:07 | 显示全部楼层
    icecream 发表于 2021-12-14 10:10
    https://www.j-platpat.inpit.go.jp/  公开番号:2016-184136
    这里面有一个最新的鱼眼镜头 ...

    好的,非常感谢
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  • TA的每日心情
    奋斗
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    发表于 2023-8-8 15:33 | 显示全部楼层
    光学设计小学生 发表于 2021-12-15 09:45
    请问如果第一片镜头的第二个面D/R为1.974太弯了 操作数控制不了 应该怎么办呢

    D/R 接近2就是说明接近半球了,想要它远离半球,也就是说 2R>>D, 但是因为镜片大小问题,固定的 diff数不太好用,最好是用百分比来衡量两者之间的差距。
    又因为 D、R、矢高SAG之间存在数学关系: (D/2)^2=R^2-(R-SAG)^2。 当SAG越接近0,则 D越接近0;当SAG越接近R,则D越接近2R。所以可以以SAG/R作为衡量标准需要它小于一个给定值,比如说0.7。

    可以用以下操作数
    SAGY(取指定面的矢高),CVVA(取指定面的曲率),RECI(指定操作数的倒数,用来计算曲率半径),DIVI(求商),OPLT(指定操作数小于给定值)
    这一套来让指定面远离半球面。
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