大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的设计

    0 引言

    水下摄影技术诸如水下机器人视觉、水下电视是进行水下探测的基本手段,在国防、海洋开发与工程、水下考古等领域起着极其重要的作用并因此受到世界各国的广泛重视[1-3].由于摄影物镜物方水介质的影响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]中介绍几种地面使用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,因此像差可以校正到高质量地面镜头的水平.目前国内外公开报道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,水下全视场角低于40b,另外结构也较复杂,不但无法充分地利用水下光能,而且限制了观测范围的提高,很难满足目前深水微光摄影物镜对大视场、大相对孔径、小型化、轻量化的需求[5-7].本文分析了大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的关键因素,设计了一个相对孔径为1/1.4,水下全视场角66b,焦距11.85 mm的水下专用摄影物镜.该物镜基于反摄远结构,结构更简单,成像质量更好.由8片(不包括平板水密壳窗)采用普通玻璃材料的透镜构成并引入了一个高次非球面.

    1 光学系统关键点分析

    1.1 光能衰减

    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.水下不同深度的光照度可用下式来进行估算

I=I0e-k(K)•z(1)

    式中I为水下深度为z处的照度,I0为海面的光照度,z为水下的深度,k(K)为水衰减系数,它随波长K的变化而变化.一般纯净海水对/蓝绿0光(0.48~0.57Lm)具有相对较高的透过率,但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,水下光学系统的光谱适应范围一般也比较窄,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要借助于水下辅助照明.由于e光处于/蓝绿0光光谱范围之内,所以水下一般采用e光消单色像差,而色差的校正要根据镜头的使用环境、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向散射,前向散射会减小成像系统的作用距离,而后向散射则会降低成像的对比度使像面变得模糊不清[8].此外水的折射率、色散特性并不是常量,他们会随着深度、温度、盐度等环境因素的改变而变化,比如纯净水折射率为1.33 ,而一般海水的折射率为1.34,因此光学系统在设计过程中物方折射率的选择必须依据光学系统使用环境来确定.