水下变焦镜头的设计

    引言

    空气介质中使用的普通照相机有时会被外加隔水视窗和防水罩沉入水下进行摄影或者科学研究。由于水具有一定的折射率,镜头的视场会变小,并且由于离焦现象使得形成的像会变模糊;虽然这种模糊的像有时可以接受,但是相比像质在空气中那种高清晰度来说还是有一定的差距。光线在水介质中传播时不仅会发生折射和散射等,而且水的折射率、色散率等受到水温、压力和水中含盐量的影响,因此,他们都是影响水下成像的重素。对于殊需求,研究和设计专用的水下镜头是很有必要的。

    1　水的传光特性

    水是人类赖以生存的最基本的无机物质,很早人类就研究了水的各种物理和化学性质。光在水中传播与其在空气中传播的特性具有较大的不同,主要表现在:

    1)光能衰减较大。拿普通手电筒来说,其光亮度在水中传播1 m时变为原来的10%,2 m时为原来的1%,3 m时为原来的0.1%等。导致光能损失的因素有2个:一是水对光的强烈吸收作用。研究表明,水几乎对所有波长的可见光都有不同程度的吸收,吸收长波光的能力更强,水下光传播的窄波段中心大约为532 nm;二是由于水分子和水中悬浮微粒对光有很强的散射作用。

    2)视场损失。光线从光疏介质射向光密介质,在临界角时发生全折射,根据Snell′s定律可计算出视场,发现它会变小。

    图1是一个玻璃平板隔水镜头的结构示意图。光线从上至下依次为穿过水、玻璃、空气,到达镜头。图1中:nw,ng,na分别表示光在水、玻璃、空气中的折射率;iw,rg,ig,ra分别表示光从水入射到玻璃的入射角、水到玻璃的折射角,玻璃到空气的入射角,玻璃出射到空气的折射角。根据Snell′s定律,有:

　　将上式相乘,得到:

    由于ig=rg,na=1,因此,从而得出。仅当ra,iw较小时,nw,iw=ra

    从上面导出结果可以看出:由于nw>1,所以iw<ra。根据,nw=1.34,ra=90°,计算得到iw=47.5°。这表明视场有所损失,在物方水中47.5°以外的景物经过光学系统后最终不能到达像方;视场损失与防水材料厚度等无关,这也说明成像透镜设计得无论多么简单或者复杂,均不能增大视场。视场范围示意图如图2所示。

    2　普通镜头水中使用时的像质分析

    为了分析镜头在水中使用时的像质变化情况,本文以三片式柯克定焦镜头为例予以说明。该镜头的基本参数为:焦距52 mm,视场2w=40°,在空气中使用时,其成像示意图和像质MTF如图3所示。