專利名稱：一種水下成像鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種水下成像鏡頭技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及水下光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種水下成像鏡頭。
背景技術(shù)：
[0002]水下成像技術(shù)在海洋開(kāi)發(fā)與工程、水下科考等領(lǐng)域起著極其重要的作用。由于水 下成像鏡頭浸沒(méi)于水中使得地面上使用的光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單防水密封后用于水下成像會(huì) 遇到很多問(wèn)題，比如像質(zhì)惡化、視場(chǎng)損失等等。為了解決以上問(wèn)題，水下專用成像鏡頭應(yīng)運(yùn) 而生，這種鏡頭從設(shè)計(jì)之初就綜合考慮了水介質(zhì)的影響，因此像差可以校正到高質(zhì)量地面 鏡頭的水平。但是，水介質(zhì)對(duì)光的吸收和散射作用所引發(fā)的光能損失和背景干擾將導(dǎo)致水 下攝影的有效成像距離非常有限。此時(shí)增大水下攝影物鏡的視場(chǎng)和相對(duì)孔徑無(wú)疑具有重要 意義，因?yàn)橐晥?chǎng)的增加可以拓展鏡頭的有效觀測(cè)范圍，而相對(duì)孔徑的增大則有利于提高水 下光能的利用。發(fā)明內(nèi)容[0003]本實(shí)用新型提供一種專用于水下成像的大視場(chǎng)、大相對(duì)孔徑的成像鏡頭，其解決 了背景技術(shù)中，水下成像鏡頭由于水介質(zhì)對(duì)光的吸收和散射所引發(fā)的光能損失和背景干 擾，導(dǎo)致水下攝影的有效成像距離非常有限的問(wèn)題，[0004]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是[0005]—種水下成像鏡頭，包括設(shè)置于密封機(jī)構(gòu)內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)，其特殊之處在于所述光 學(xué)系統(tǒng)包括沿光路入射方向依次設(shè)置的水密封窗口、前透鏡組、光闌、后透鏡組及像面；[0006]所述前透鏡組包括沿光路入射方向依次設(shè)置的第一負(fù)彎月透鏡、雙凹透鏡、第一 正彎月透鏡和雙凸透鏡。[0007]上述后透鏡組依次設(shè)置有密接膠合透鏡、第二正彎月透鏡、第三正彎月透鏡、第四 正彎月透鏡、第二負(fù)彎月透鏡。[0008]上述水下成像鏡頭還包括調(diào)焦機(jī)構(gòu)，調(diào)焦機(jī)構(gòu)用于使前透鏡組、光闌和后透鏡組 整體沿光軸方向移動(dòng)。[0009]上述調(diào)焦機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、固定于步進(jìn)電機(jī)機(jī)軸上的電機(jī)齒輪、固定于主鏡筒 外側(cè)壁沿圓周方向的與電機(jī)齒輪相咬合的調(diào)焦輪以及限位機(jī)構(gòu)。[0010]上述后透鏡組具有正的光焦度。[0011]上述各透鏡之間以空氣為介質(zhì)。[0012]上述第一負(fù)彎月透鏡、雙凹透鏡、第二正彎月透鏡、第四正彎月透鏡、第二負(fù)彎月 透鏡的材料分別為L(zhǎng)AK3、LAF9、LAK11、LAK4和LAF8。[0013]沿光路入射方向，每相鄰的兩個(gè)透鏡之間的空氣間隔依次為4mm、7. 19mm、4. 96mm、 17. 72mm>29. 25mm、15. 16mm>0. 2mm>0. 16mm>2. 65mm 和 22. 9mm。[0014]上述前透鏡組的第一負(fù)彎月透鏡2彎向光闌。[0015]上述像面是CXD或者膠片。[0016]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是[0017](I)通過(guò)大量實(shí)試驗(yàn)，優(yōu)化玻璃組合和合理分配光焦度，采用11片玻璃，選用低色散高折射率的鑭系玻璃材料，能夠有效地校正球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸變、軸向色差和垂軸色差等像差，提高成像質(zhì)量。[0018](2)本實(shí)用新型提出了一種水下專用成像鏡頭，以物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的石英玻璃作水密殼窗，具有抗壓能力強(qiáng)、不易腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。[0019](3)采用本實(shí)用新型的光學(xué)系統(tǒng)可以達(dá)到以下指標(biāo)相對(duì)孔徑為1/1. 4，水下視場(chǎng)角66°，焦距為11. 76mm,后截距為22. 9mm,工作波段0· 48 O. 60 μ m,最大光學(xué)畸變?yōu)?5. 45%ο
[0020]圖1為水下專用成像鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖；[0021]圖2為水下專用成像鏡頭的光學(xué)傳遞函數(shù)；[0022]圖3為水密封和調(diào)焦機(jī)構(gòu)示意圖；[0023]其中1-水密封窗口 ；2_第一負(fù)彎月透鏡；3_雙凹透鏡；4_第一正彎月透鏡； 5-雙凸透鏡；6-光闌；7_密接膠合透鏡；8_第二正彎月透鏡；9_第三正彎月透鏡；10_第四正彎月透鏡；11_第二負(fù)彎月透鏡；12_像面；13_壓圈；14_主鏡筒；15_第一 O形圈；1 6_步進(jìn)電機(jī)；17_電機(jī)齒輪；18_調(diào)焦輪；19_電機(jī)座；20_調(diào)焦柱；21_限位螺釘；22_次鏡筒; 23-外殼；24_螺釘；25_第二 O形圈；26_橡膠墊圈。
具體實(shí)施方式
[0024]本實(shí)用新型所涉及的水下成像鏡頭是一種適用于水下微光成像的大視場(chǎng)、大相對(duì)孔徑光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)校正包括球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸變、軸向色差和垂軸色差等所有像差。[0025]如圖1所示，該水下成像鏡頭，沿光路入射方向依次設(shè)置有水密封窗口1、前透鏡組、光闌6、后透鏡組及像面12 ;該光學(xué)系統(tǒng)物方介質(zhì)為水，像方介質(zhì)為空氣。[0026]水下物方目標(biāo)發(fā)出的光線經(jīng)水密封窗口 I折射后，光線與光軸的角度加大。水密封窗口 I為平面玻璃；玻璃材料牌號(hào)為JGS1，密封方式是O形圈端面密封，其尺寸為 Φ58X9mm ;[0027]前透鏡組依次設(shè)置有第一負(fù)彎月透鏡2、雙凹透鏡3、第一正彎月透鏡4、雙凸透鏡 5四片鏡片；[0028]光闌6具有限制進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)光能量的作用，光經(jīng)過(guò)光闌6后對(duì)光線的口徑進(jìn)行限制，其口徑為Φ25. 4mm ；[0029]后透鏡組依次設(shè)置有密接膠合透鏡7、第二正彎月透鏡8、第三正彎月透鏡9、第四正彎月透鏡10、第二負(fù)彎月透鏡11五片間隔鏡片；該透鏡組將光學(xué)系統(tǒng)的主面后移，保證光學(xué)系統(tǒng)的后截距遠(yuǎn)大于焦距，以便于C 口或CS接口的C⑶相機(jī)能夠方便進(jìn)行對(duì)接；[0030]像面12為(XD或者膠片。[0031]本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)思想如下[0032]水下成像鏡頭都期望獲得一個(gè)大視場(chǎng)范圍，但獲得大視場(chǎng)的同時(shí)，軸外光束也產(chǎn)生了較大的入射角度，并且?guī)?lái)了很大的軸外像差，比如彗差、像散、場(chǎng)曲和畸變，如果前透鏡組的設(shè)計(jì)過(guò)于簡(jiǎn)單，將不利于對(duì)軸外像差的校正，因此需要將其適當(dāng)復(fù)雜化，經(jīng)過(guò)大量的設(shè)計(jì)實(shí)例比較，發(fā)現(xiàn)前透鏡組設(shè)計(jì)由第一負(fù)彎月透鏡2、雙凹透鏡3、第一正彎月透鏡4、雙凸透鏡5組合較為合適，其總光焦度@ =0. 01，由于前透鏡組中第一負(fù)彎月透鏡2、雙凹透鏡3、第一正彎月透鏡4的發(fā)散作用使得入射光線在前透鏡組內(nèi)的入射角度不斷地減小，再經(jīng)過(guò)雙凸透鏡5將光束的口徑進(jìn)行壓縮，使得前透鏡組產(chǎn)生的軸外像差得到較好的控制。[0033]為了避免邊緣視場(chǎng)的光線進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)時(shí)發(fā)生掠射，前透鏡組的第一負(fù)彎月透鏡 2彎向光闌6。[0034]光學(xué)系統(tǒng)的后透鏡組光線入射角度會(huì)由于前透鏡組的發(fā)散作用而大大減小，故后透鏡組所產(chǎn)生的軸外像差相對(duì)要小，它主要負(fù)擔(dān)了較大的相對(duì)孔徑，因而后透鏡組的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于較正軸上點(diǎn)球差及補(bǔ)償前透鏡組產(chǎn)生的軸外像差，光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑高達(dá) 1/1. 4的同時(shí)，對(duì)球差及彗差的校正造成了比較大的難度，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，透鏡組由五片鏡片組成，其總光焦度@=0. 028，光闌6位于后透鏡組的第一片鏡片之前。為了著重控制光學(xué)系統(tǒng)軸上點(diǎn)初級(jí)球差和高級(jí)球差，后透鏡組采用了多片正負(fù)分離設(shè)置的透鏡，并盡量選用低色散高折射率的鑭系玻璃材料，其中第一負(fù)彎月透鏡2、雙凹透鏡3、第二正彎月透鏡8、 第四正彎月透鏡1010和第二負(fù)彎月透鏡1111的材料分別為L(zhǎng)AK3、LAF9、LAKl1、LAK4和 LAF8，與此同時(shí)各單透鏡均做適當(dāng)?shù)膹澢约訌?qiáng)對(duì)球差的控制。[0035]一般比較純凈的海水對(duì)“藍(lán)綠”光(O. 48 O. 57 μ m)具有相對(duì)較高的透過(guò)率，由于 e光處于“藍(lán)綠”光的光譜范圍之內(nèi)，所以水下一般采用e光消單色像差，而色差的校正要根據(jù)鏡頭的使用環(huán)境、深度、照明并結(jié)合水對(duì)光的傳播特性進(jìn)行合理選擇，實(shí)用新型中 以O(shè). 48 和O. 60 μ m消色差。[0036]鏡頭的光學(xué)畸變代表了某視場(chǎng)主光線在像面12的高度與理想物高的偏離程度， 該像差的特點(diǎn)是不影響成像清晰度而且其大小只與視場(chǎng)有關(guān)。通常對(duì)于非測(cè)量用途的光學(xué)畸變要求不高，本實(shí)用新型所涉及的鏡頭最大光學(xué)畸變?yōu)?5. 45%，作為普通的成像鏡頭是可以接受的。[0037]經(jīng)多次試驗(yàn)計(jì)算，沿光路入射方向，每相鄰的兩個(gè)透鏡之間的空氣間隔依次為 4mm>7. 19mm>4. 96mm、17. 72mm>29. 25mm、15. 16mm>0. 2mm>0. 16mm>2. 65mm 和 22. 9mm 時(shí)，鏡頭具有較高的成像質(zhì)量。如圖2所示，奈圭斯特頻率N=421p/mm時(shí)，OcoMTF值達(dá)到0.65 ；O.707 ω時(shí)，子午場(chǎng)和弧矢場(chǎng)平均MTF值為O. 54 ;1 ω時(shí)，平均MTF值為O. 49。各視場(chǎng)特別是O. 707ω以內(nèi)的子午場(chǎng)和弧矢場(chǎng)MTF曲線基本一致，表明該鏡頭具有較高的成像質(zhì)量。[0038]基于上述結(jié)構(gòu)的成像鏡頭，可達(dá)到如下效果水下全視場(chǎng)角為66°，相對(duì)孔徑為 1/1. 4，焦距為11. 76mm，后截距為22. 9mm，工作波段0. 48 O. 60 μ m。[0039]防水密封對(duì)于水下成像鏡頭而言是一項(xiàng)基本的功能要求，水密封窗口 I與主鏡筒 14之間要密封，外殼23與主鏡筒14之間要密封。本實(shí)用新型采用如下方案進(jìn)行防水密封， 如附圖3，水密封窗口 I靠近水的一側(cè)為外側(cè)，水密封窗口 I的外側(cè)邊緣與主鏡筒14之間且設(shè)有壓圈13，壓圈13自身是可以通過(guò)扳手旋緊，當(dāng)旋緊壓圈13時(shí)，壓圈13對(duì)水密封窗口 I 產(chǎn)生壓力，該壓力導(dǎo)致水密封窗口 I與主鏡筒14之間的第一 O形圈15產(chǎn)生變形，并在密封槽內(nèi)填滿空隙起到防水的作用；為了防止水密封窗口 I在受壓時(shí)崩邊，在水密封窗口 I的外側(cè)邊緣設(shè)置有橡膠墊圈2626進(jìn)行保護(hù)。裝配時(shí)，將各個(gè)透鏡依次裝入次鏡筒22內(nèi)，主鏡筒14套接在次鏡筒22外圓并與次鏡筒22同軸。主鏡筒14與外殼23通過(guò)螺釘2424連接，連 接時(shí)還必須采取2次密封措施，即主鏡筒14和外殼2323之間設(shè)置有第二 O形圈2525，當(dāng)螺 釘2424擰緊時(shí)，使第二 O形圈2525在密封槽內(nèi)變形并填滿空隙從而起到密封作用。另外， 外殼2323通過(guò)水密封插頭與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。[0040]水下環(huán)境的改變，比如海水折射率、色散特性、目標(biāo)對(duì)比度的變化將會(huì)使鏡頭成像 質(zhì)量受到比較大的影響，因此水下成像光學(xué)系統(tǒng)需要還包括調(diào)焦機(jī)構(gòu)，用來(lái)消除由于環(huán)境 改變而導(dǎo)致的像質(zhì)惡化。由于水密封窗口 I與水直接接觸，因此調(diào)焦過(guò)程中應(yīng)保持水密封 窗口 I和像面1212不動(dòng)，利用調(diào)焦機(jī)構(gòu)帶動(dòng)前透鏡組、光闌6和后透鏡組整體沿光軸方向 移動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，基于該原理的調(diào)焦機(jī)構(gòu)很多，不限于本實(shí)用新型使用的調(diào)焦機(jī)構(gòu)，即該調(diào)焦 機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)16、固定于步進(jìn)電機(jī)16機(jī)軸上的電機(jī)齒輪17、固定于主鏡筒14外壁的 沿圓周方向的與電機(jī)齒輪17相咬合的調(diào)焦輪18以及限位機(jī)構(gòu)，限位機(jī)構(gòu)包括設(shè)置于調(diào)焦 輪18上的螺旋槽和圓槽、固定與次鏡筒22上的調(diào)焦柱20和固定于主鏡筒14上的限位螺 釘2421，調(diào)焦柱20與螺旋槽位置相對(duì)應(yīng)并能伸入螺旋槽內(nèi)，限位螺釘2421的位置與圓槽位 置相對(duì)應(yīng)并能伸入圓槽內(nèi)。主鏡筒14固定不動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)16通過(guò)電機(jī)齒輪17帶動(dòng)調(diào)焦輪 18轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋槽推動(dòng)調(diào)焦柱2020迫使次鏡筒22沿主鏡筒14外壁上軸向設(shè)置的直槽作直線 運(yùn)動(dòng)，調(diào)焦輪1818轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)被固定于主鏡筒14上的限位螺釘242121軸向限位，從而達(dá)到調(diào) 焦的目的，見(jiàn)附圖3。調(diào)焦過(guò)程中水密封窗口 I與第一負(fù)彎月透鏡2之間的距離會(huì)發(fā)生微小 變化，但由于水密封窗口 I本身沒(méi)有光焦度，因此調(diào)焦過(guò)程中鏡頭的焦距不會(huì)發(fā)生變化。
權(quán)利要求1.一種水下成像鏡頭，包括設(shè)置于密封機(jī)構(gòu)內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)系統(tǒng)包括沿光路入射方向依次設(shè)置的水密封窗口、前透鏡組、光闌、后透鏡組及像面；所述前透鏡組包括沿光路入射方向依次設(shè)置的第一負(fù)彎月透鏡、雙凹透鏡、第一正彎月透鏡和雙凸透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下成像鏡頭，其特征在于所述后透鏡組依次設(shè)置有密接膠合透鏡、第二正彎月透鏡、第三正彎月透鏡、第四正彎月透鏡、第二負(fù)彎月透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水下成像鏡頭，其特征在于水下成像鏡頭還包括調(diào)焦機(jī)構(gòu)，所述調(diào)焦機(jī)構(gòu)用于使前透鏡組、光闌和后透鏡組整體沿光軸方向移動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水下成像鏡頭，其特征在于所述調(diào)焦機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、固定于步進(jìn)電機(jī)機(jī)軸上的電機(jī)齒輪、固定于主鏡筒外側(cè)壁沿圓周方向的與電機(jī)齒輪相咬合的調(diào)焦輪以及限位機(jī)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水下成像鏡頭，其特征在于所述后透鏡組具有正的光焦度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下成像鏡頭，其特征在于各透鏡之間以空氣為介質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水下成像鏡頭，其特征在于第一負(fù)彎月透鏡、雙凹透鏡、第二正彎月透鏡、第四正彎月透鏡、第二負(fù)彎月透鏡的材料分別為L(zhǎng)AK3、LAF9、LAKl1、LAK4和 LAF8。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的水下成像鏡頭，其特征在于沿光路入射方向，每相鄰的兩個(gè)透鏡之間的空氣間隔依次為 4mm、7. 19mm、4. 96mm> 17. 72mm、29. 25mm> 15. 16mm、0. 2mm、0.16mm、2. 65mm 和 22. 9mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水下成像鏡頭，其特征在于前透鏡組的第一負(fù)彎月透鏡2 彎向光闌。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的水下成像鏡頭，其特征在于所述像面是CCD或者膠片。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種水下成像鏡頭，其解決了現(xiàn)有技術(shù)水下成像鏡頭由于水介質(zhì)對(duì)光的吸收和散射作用所引發(fā)的光能損失和背景干擾將導(dǎo)致水下攝影的有效成像距離非常有限的問(wèn)題。該水下成像鏡頭，包括設(shè)置于密封機(jī)構(gòu)內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)包括沿光路入射方向依次設(shè)置的水密封窗口、前透鏡組、光闌、后透鏡組及像面。通過(guò)大量實(shí)試驗(yàn)，優(yōu)化玻璃組合和合理分配光焦度，采用11片玻璃，選用低色散高折射率的鑭系玻璃材料，能夠有效地校正球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸變、軸向色差和垂軸色差等像差，提高成像質(zhì)量。
文檔編號(hào)G02B7/04GK202837650SQ20122046390
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者謝正茂, 何俊華, 韋明智 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所