水下微光摄影物镜的设计和研究

    引言

    伴随着高灵敏度感光器件的出现,水下微光摄影技术如水下微光电视得到了迅速的发展,成为目前进行水下探测获取水下目标图像的基本手段,在海洋开发工程、水下科考等领域起着极其重要的作用[1-3]。由于水下摄影物镜浸没于水中使得地面上使用的光学系统经过简单防水密封后用于水下成像会遇到很多问题,比如像质恶化、视场损失等等。文献[4]中介绍了几种地面使用的光学系统用于水下成像时的改装方法,但这并不能彻底地消除水介质对光学系统成像质量的影响。为了解决这一难题,人们设计了水下专用摄影物镜,这类镜头从设计之初就综合考虑了水介质的影响即前透镜直接与水接触,因此像差可以校正达到高质量地面镜头的水平。但是,水介质对光的吸收和散射作用所引发的光能损失和背景干扰将使水下摄影的有效成像距离非常有限。此时,增大水下摄影物镜的视场和相对孔径无疑具有重要意义,因为视场的增加可以拓展镜头的有效观测范围,而相对孔径的增大则有利于提高水下光能的利用。目前国内外公开报道[5-6]的水下专用摄影物镜不具备大视场、大相对孔径兼有的特点,其相对孔径一般在1/2.8～1/2.0之间,水下全视场角低于60°,不但无法充分利用水下光能,而且限制了观测范围的提高,很难满足目前深水微光摄影对大视场、大相对孔径的需求。因此,设计大视场大相对孔径兼具的水下微光摄影物镜具有重要的理论和实际意义。

    1　水下微光摄影系统的设计特点

    1.1　微光特性

    研究表明水对光的强烈吸收和散射使得光能在水中按指数规律迅速衰减[7]。水下不同深度的光照度可用下面的公式来进行估算:

I=I0e-k(K)z(1)

    式中:z为水下深度;I为水下深度z处的光照度;I0为海面的光照度;k(K)为水衰减系数,它随长K的变化而变化。一般比较纯净的海水对“蓝绿”光(0.48Lm～0.57Lm)具有较高的透过率,即便如此,水对光能的吸收也足以使光强每米衰减百分之四,相对而言,水对红外及紫外光的吸引则更为强烈。正因为如此,水下光学系统面临的首要问题是光能不足,这种微光成像使得光学系统的光谱范围一般比较窄,从这个意义上来说有利于光学系统色差的校正,但是当自然光在水中衰减到一定程度以至于无法成像时必需借助水下辅助照明。由于e光处于“蓝绿”光谱范围之内,所以水下一般采用环境、深度、照明并结合水对光的传播特性进行合理选择。除了水对光的吸收特性之外,水对光的另外一个重要特性是散射。水中的悬浮颗粒以及微生物对光的散射包括前向散射和后向散射。前向散射会减小成像系统的作用距离,后向散射则会降低成像的对比度,从而使像面变得模糊不清[8]。