如今，鱼眼镜头在摄影、天气监测、监控和检测等多种应用中已经十分普遍，这主要归功于鱼眼镜头的独特特性。那么，鱼眼镜头到底是什么？鱼眼镜头的结构是什么？鱼眼镜头有哪些优缺点？在本文中，我们将讨论上述关于鱼眼镜头的问题及更多内容。
首先，鱼眼镜头是一种超广角镜头，具有极大的视场，并可生成宽幅全景或半球图像。鱼眼镜头旨在实现镜头的最大拍摄角度，其前组镜片直径较小并向前突出，非常类似鱼的眼睛，因此得名“鱼眼镜头”。因此，鱼眼镜头所拍摄的影像与人眼看到的真实场景存在较大差异。
鱼眼镜头的最初设计目的是帮助气象学家进行天气探测和诊断。随着时间的推移，其应用逐渐扩展。凭借提供超大视野和显著景深的优势，鱼眼镜头在摄影、热成像、天文观测等领域表现出色，并得到广泛应用。
因此，无论您是光学专业人士还是业余爱好者，深入了解鱼眼镜头都是非常值得的。在煦和光电（Shalom EO）的这篇博客中，我们将深入探讨鱼眼镜头的相关内容，包括：
1. 焦距：圆形鱼眼镜头的焦距通常在8mm至10mm之间；全画幅鱼眼镜头的焦距在15mm至16mm之间。
2. 视角：鱼眼镜头在最大广角下可达到180°视场。
3. 映射：常用映射函数包括等距映射、等面积映射、正射映射和立体映射。
4. 图像畸变：鱼眼镜头拍摄的图像会出现桶形畸变。照片中央部分向外凸出，形成曲面图像。这是因为离轴距离越远，镜头放大倍率越大。
5. 景深：由于极广角特性，鱼眼镜头具有较大的景深。
广角镜头、鱼眼镜头和超广角镜头都具有比普通镜头更大的视场和更短的焦距。
常规广角镜头的焦距通常大于25mm，视场小于90度。而鱼眼镜头和超广角镜头具有超过90°甚至超过180°的超广视场，焦距非常短，在16-25mm或小于16mm之间。
焦距和视场之间没有明确界限来区分 超广角镜头和鱼眼镜头。
一般而言，鱼眼镜头与超广角镜头有两大区别。第一，鱼眼镜头的前组镜片突出，类似鱼眼；第二，鱼眼镜头不追求生成直线图像，而是用于最大化视野范围，图像具有强烈曲线特性和明显桶形畸变，需要软件校正（靠近图像边缘的部分相对于中心被压缩，直线会更倾斜）。相比之下，超广角镜头提供更接近真实的画面比例。
优点：
1. 全景视野，覆盖广
鱼眼镜头可提供宽广视野，一个镜头即可覆盖多个普通镜头的区域。其特性使鱼眼镜头能够全面覆盖，而无需担心有遗漏角落。这也节省成本，因为用户无需购买多组镜头，同时减少了忽略区域的风险。例如，在大型开放空间如停车场、仓库或宽通道零售店中，鱼眼镜头可以全方位监控，无盲区。
2. 节省成本，设计更紧凑轻便
一个鱼眼镜头模块可覆盖多个普通镜头的视野，从而降低设备成本，并减少维护麻烦。因为只需安装一个鱼眼镜头而非多组普通镜头即可覆盖整个区域，这也意味着更紧凑、轻便的设计，这在某些场景中非常重要。例如，如果镜头需要集成在无人机上，轻量小巧的鱼眼镜头比多组笨重镜头更适用。
缺点：
1. 畸变问题
由于视角极宽，鱼眼镜头存在严重畸变。鱼眼镜头的畸变虽然带来更广覆盖范围，但会导致图像边缘变形。不过，通过校正技术，可在实时或回放时修正畸变。
2. 像素密度低，细节不清晰
鱼眼监控镜头需覆盖宽区域，每像素覆盖范围大，因此每像素捕捉的细节较少。
总结：鱼眼镜头有其独特优缺点。购买前需谨慎考虑多个因素。当用户追求极大视野时，鱼眼镜头非常适用；但对图像与现实相似性要求高时，不推荐使用。
根据成像在传感器上的投影方式，鱼眼镜头可分为三类：圆形鱼眼镜头、对角鱼眼镜头（全画幅鱼眼镜头）和裁切圆鱼眼镜头。
圆形鱼眼镜头提供传感器宽度上的180°视场，将整个半球空间投影到传感器上，传感器边缘呈现黑色。
对角鱼眼镜头或全画幅鱼眼镜头提供传感器对角线上的180°视场（垂直和水平视场小于180°），成像圆超出传感器范围。
裁切圆鱼眼镜头（又称人像鱼眼镜头）优化为相机格式宽度使用，顶部和底部成像被裁切，中心区域正常，角落呈现黑色（黑色面积比圆形鱼眼镜头小）。
下图清楚展示了三类鱼眼镜头的差异：
图1. 三种类型的鱼眼镜头
鱼眼镜头的设计灵感与成像原理
鱼眼镜头如何成像？为什么鱼眼镜头的视角比普通镜头更广？普通镜头与鱼眼镜头有何区别？
鱼眼镜头发明初期，科学家从鱼类的视觉获得设计灵感。鱼眼镜头的最初概念是模拟鱼类在水下的上方视野。
1906年，美国物理学家 Robert W. Wood 创造了“鱼眼”一词。 他在论文中详细描述了实验：他在一个装满水的桶中安装相机，从底部向上拍摄，以模拟鱼类在水下观察上方半球视野的方式。
普通镜头可以简化为针孔相机模型。在该模型中，光沿直线传播，成像与物体相似。透视变换下，直线仍为直线，曲线仍为曲线，两直线交点保持不变等。
镜头的作用是将物体空间转化为图像空间（即光学空间坐标化的场景成分）。成像平面可视为截取图像空间的一片平面以形成图像。
然而，针孔相机模型存在局限——光线沿直线传播，难以捕捉边缘物体。如下图，红色箭头长度相同，但靠近镜头边缘时成像长度变长。相机传感器大小有限，普通镜头无法覆盖边缘物体。如果要达到180°视场，成像平面需无限大，这是不可能的。
图2. 针孔成像模型
鱼眼镜头的基本原理是使光线的出射角小于入射角，将宽视角的空间投影到有限成像平面上。类似于鱼在水下观察上方。当鱼接近水面，观察水面上方场景时，视野可达到180°。
当入射光从空气进入水中时，由于水的折射率大于空气，光线向法线折射。靠近水面的光线入射角等于折射角。由此可理解，鱼接近水面时可看到水面上方180°范围的场景。
图3. 鱼眼镜头成像模型
鱼眼镜头的晶状体（此处 lens 指鱼眼的生物结构）及光学介质可整体视为光学结构。镜头前表面与水平水面形成平凹透镜，水为光传播介质。如果将水替换为高折射率光学材料，并形成光学镜头，即可实现广视角。
为进一步扩大视角，平凹透镜前表面改为凸面，同时增大后表面曲率，保证光学功率变化不大，从而形成双凹透镜演变为凹凸透镜。这就是最初鱼眼镜头前组镜头的演变过程，初期镜头均为负透镜，类似抛物线状，突出较多。
图4. 鱼眼镜头的发展演变
鱼眼镜头的结构：
鱼眼镜头属于倒置远摄镜头，因其大视角和短焦距。鱼眼镜头前组常含若干负焦距镜片，用于将整个半球的光线汇聚到光圈处。后组镜片则需正焦距以平衡整个镜头模组的总光学功率。
图5. 鱼眼镜头结构
鱼眼镜头的畸变校正（鱼眼投影）：
畸变意味着图像与现实缺乏相似性。鱼眼镜头成像极度畸变，需要基于不同投影模型和映射函数的专用软件进行校正。
鱼眼镜头由多片镜片组成，成像过程中光线被不同程度折射，并投影到有限尺寸成像平面上。
鱼眼投影模型：由于鱼眼镜头的多组镜片结构，其折射关系分析较为复杂，如下图所示，引入球面投影模型说明折射关系。该模型将鱼眼相机成像过程分为两步：
图6. 鱼眼投影
步骤1. 将三维空间点投影到一个虚拟单位球上，球心与相机坐标系原点重合。
步骤2. 将单位球上的点投影到成像平面。根据不同投影函数，投影模型可进一步分为下表。（没有单一鱼眼投影，而是一类被各镜头厂商称为鱼眼的投影变换，如等面积角投影、等距鱼眼投影等。较少见的是传统球面投影映射到圆形图像，如正射或立体投影。）
鱼眼投影模型
映射函数
特性
立体投影
r=2f tanθ
直线交点角度在投影后保持不变
等距投影
r=fθ
物体成像中心与图像中心距离与入射角成正比
等面积角投影
r=2f sinθ
变换前后物体所占立体角保持不变
正射投影
r=f sinθ
投影畸变最大，最大视场不超过180°
注：映射函数中，f为鱼眼镜头焦距；θ为真实世界某点与光轴之间的夹角（从图像中心穿过镜头中心）；r为该点在胶片或传感器上的径向位置。
以下是不同鱼眼投影的详细说明：
1. 立体投影
相较于其他鱼眼投影，立体投影畸变最小。球面物体上的微小表面元素在投影后仍为小圆。因此，立体鱼眼投影在成像小物体上保持高相似性。但这种高相似性导致成像视野较小。
2. 等距投影
等距鱼眼镜头是迄今最常见的鱼眼镜头类型，尤其适用于映射为等矩形图像。又称“tru-theta”或“f-theta”，即常说的完美鱼眼映射。其优点在于镜头边缘和中心每角度像素数相同，计算相对简单。
3. 等面积投影
等面积投影保证每像素在场景中占据相同立体角，无论在镜头中心还是边缘。
4. 正射投影
正射投影径向与切向放大率不同。视场为90°时，径向放大率为0，即半球边缘成像为直线。正射投影提供较大桶形畸变，有利于视场扩展，同时提高图像亮度均匀性，但实际应用较少。
图7. 鱼眼投影模型的映射函数
近年来，鱼眼镜头在广角成像、监控、全景模拟、穹顶投影等领域应用激增。相较其他镜头，鱼眼镜头可提供极广视角，但需校正图像畸变。总体上，鱼眼镜头优势多于劣势，因此被广泛采用。
鱼眼镜头可用于构建激光探测系统，实现广角激光探测。传统激光探测系统包括法布里-珀罗干涉仪或迈克耳孙干涉仪。前者需扫描机制，无法检测激光脉冲；后者视场小，结构复杂。使用鱼眼镜头的广角激光探测系统无需扫描机制，可同时探测激光波长和入射方向。
鱼眼镜头也是监控摄像机的理想选择。例如，热成像鱼眼镜头可实现全景监控，即使在光照不足情况下也可扩展视野。
鱼眼镜头可用于三维重建和虚拟浏览。使用180°以上鱼眼镜头拍摄前后场景照片，可建立三维模型，用户可从任意角度观察。利用无人机搭载鱼眼镜头获取视频数据，再将视频转为时间顺序的全景图像序列，可建立虚拟地理环境模型。该技术可用于消防、林业等监控。
利用鱼眼镜头对高斯光束的衍射转换，可获得平顶聚焦精细激光束。该激光束可用于高精度激光加工和医疗等领域。
杭州煦和光电提供 库存及定制 LWIR（长波红外）鱼眼镜头和超广角镜头，用于热成像摄像机。
与普通鱼眼镜头和超广角镜头通过捕捉可见光（波长400-700nm）成像不同，LWIR鱼眼镜头和超广角镜头通过捕捉物体发出的LWIR热辐射成像。任何温度高于绝对零度（-273°C）的物体都会发出红外辐射，长波红外定义为8-12微米范围。(点击了解LWIR热成像镜头)。LWIR鱼眼镜头和超广角镜头将场景中的8-12微米红外辐射聚焦到红外探测器上，成像反映物体热分布。在单色热像仪中，温度越高，热辐射越强，图像越亮；温度低则呈深色（彩色热像仪中，热点用暖色，冷点用冷色）。
LWIR鱼眼镜头和超广角镜头使用对8-12微米辐射透明的光学材料和涂层。与可见光版本相比，LWIR镜头基于物体热量成像，不受光照条件影响，即使在夜间或光照差环境下也能拍摄，且可捕捉人眼不可见的细节。这在监控和安全应用中非常有用，例如消防中可用于探测火源热信号，即使烟雾、黑暗或低能见度环境下也可观察。
与MWIR鱼眼/超广角镜头相比，LWIR镜头适用于室温环境，价格更实惠。但LWIR受大气水汽、二氧化碳等分子吸收影响，热源探测灵敏度低于中波红外镜头。(点击查看LWIR与MWIR热成像详细对比)
与SWIR镜头相比，SWIR镜头材料成本更低，但对可见光依赖更高，因为SWIR镜头成像依赖反射阳光或热物体辐射。
这是杭州煦和光电的LWIR鱼眼镜头模块示例。
杭州煦和光电是工业领先的LWIR鱼眼镜头和超广角镜头供应商。凭借专业工程背景，我们提供优化设计的智能镜头，兼具高性价比。鱼眼镜头和超广角镜头具有广视角、高接近衍射极限的分辨率、紧凑结构，兼容多种探测器尺寸，提供手动对焦或固定焦距版本。利用二次成像技术的小型针孔超广角和鱼眼镜头模块适合紧凑隐蔽设计（如晶体生长、金属冶炼炉温度监控、安全监控）。提供全画幅（矩形）鱼眼镜头，180°对角视场。
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