一种井下摄像仪及其镜头玻璃的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油测井技术领域，特别涉及一种井下摄像仪及其镜头玻璃的设计方 法。
【背景技术】
[0002] 井下摄像仪是一种应用可见光摄像机查看油、气、水井的测试仪器，通过该仪器可 以直接观测被测井的套管破损、套管错断、井下落物、射孔质量、注水见效方向等情况。井下 摄像仪利用灯光照亮井下空间，灯光需要透过井下摄像仪照亮井筒；井下摄像仪利用摄像 头摄录井下的环境，捕捉井下图像，因此井下摄像仪的前部必须采用可透光的材料制成，通 常采用石英玻璃，由于石英玻璃的承压能力与金属材质有较大差别，因此需要对镜头玻璃 进行专门的设计；同时镜头玻璃的设计不光考虑承压问题，更重要的是在结构尺寸确定情 况下，满足耐压指标后是否会产生灯光污染的情况，也是设计时需要考虑的重要因素。但现 有的没有一种镜头玻璃的设计方法，使得设计后的镜头玻璃同时满足仪器耐压和光学隔离 的要求，从而使采用设计出的镜头玻璃的井下摄像仪能正常应用于油井井下摄像。
【发明内容】
[0003] 本发明实施例提供了一种井下摄像仪镜头玻璃的设计方法，使得设计后的镜头玻 璃同时满足仪器耐压和光学隔离的要求。该设计方法包括：
[0004] 将所述井下摄像仪的镜头玻璃和灯光玻璃设计为同一块玻璃：
[0005] 根据镜头玻璃的最大承压半径确定镜头玻璃的许用厚度；
[0006] 根据灯光的内径、镜头玻璃的许用厚度、空气的折射率、玻璃的折射率和水的折射 率，确定灯光的出射半径；
[0007] 将满足灯光的出射半径大于等于摄像头外径条件的镜头玻璃确定为井下摄像仪 的镜头玻璃。
[0008] 在一个实施例中，该设计方法还包括：
[0009] 当灯光的出射半径小于摄像头外径时，判断井下摄像仪的内径能否改变，若能改 变，确定改变后的摄像头外径、改变后的灯光的内径和改变后的镜头玻璃的最大承压半 径；
[0010] 根据改变后的镜头玻璃的最大承压半径确定镜头玻璃的许用厚度；
[0011] 根据改变后的灯光的内径、镜头玻璃的许用厚度、空气的折射率、玻璃的折射率和 水的折射率，确定灯光的出射半径；
[0012] 将满足灯光的出射半径大于等于摄像头外径条件的镜头玻璃确定为井下摄像仪 的镜头玻璃。
[0013] 在一个实施例中，该设计方法还包括：
[0014] 当井下摄像仪的内径不能改变时，判断灯光的内径和摄像头外径能否改变，若能 够改变，确定改变后的摄像头外径、改变后的灯光的内径和改变后的镜头玻璃的最大承压 半径；
[0015] 根据改变后的镜头玻璃的最大承压半径确定镜头玻璃的许用厚度；
[0016] 根据改变后的灯光的内径、镜头玻璃的许用厚度、空气的折射率、玻璃的折射率和 水的折射率，确定灯光的出射半径；
[0017] 将满足灯光的出射半径大于等于摄像头外径条件的镜头玻璃确定为井下摄像仪 的镜头玻璃。
[0018] 在一个实施例中，该设计方法还包括：
[0019] 当灯光的内径和摄像头外径均不能改变时，将所述井下摄像仪的摄像头玻璃和灯 光玻璃设计为不同块玻璃：
[0020] 根据镜头玻璃的最大承压半径确定镜头玻璃的许用厚度；
[0021] 根据灯光玻璃的最大承压半径确定灯光玻璃的许用厚度。
[0022] 在一个实施例中，所述根据镜头玻璃的最大承压半径确定镜头玻璃的许用厚度， 具体按照如下公式计筧：
[0023]
[0024] 其中，[0 ]为镜头玻璃的许用拉应力，MPa ;
[0025] t为镜头玻璃的许用厚度，mm;
[0026] qb为井下摄像仪受到的外部压力，MPa ;
[0027] a为镜头玻璃的最大承压半径，mm。
[0028] 在一个实施例中，所述根据灯光的内径、镜头玻璃的许用厚度、空气的折射率、玻 璃的折射率和水的折射率，确定灯光的出射半径，按照如下公式计算：
[0029]
[0030] 其中，&为光源入射半径；
[0031] R2为灯光的出射半径；
[0032] n2为玻璃的折射率；
[0033] n3为空气的折射率；
[0034] t为镜头玻璃的许用厚度。
[0035] 本发明实施例提供了一种井下摄像仪，该井下摄像仪的镜头玻璃同时满足仪器耐 压和光学隔离的要求。该井下摄像仪包括：
[0036] 所述井下摄像仪的镜头玻璃和灯光玻璃为同一块玻璃；
[0037] 所述井下摄像仪的镜头玻璃的许用厚度根据镜头玻璃的最大承压半径确定；
[0038] 所述井下摄像仪的镜头玻璃满足灯光的出射半径大于等于摄像头外径的条件；其 中，灯光的出射半径根据灯光的内径、镜头玻璃的许用厚度、空气的折射率、玻璃的折射率 和水的折射率确定。
[0039] 在一个实施例中，所述井下摄像仪的镜头玻璃的许用厚度按如下公式，根据镜头 玻璃的最大承压半径确定：
[0040]
[0041] 其中，[0 ]为镜头玻璃的许用拉应力，MPa ;
[0042] t为镜头玻璃的许用厚度，mm;
[0043] qb为井下摄像仪受到的外部压力，MPa ;
[0044] a为镜头玻璃的最大承压半径，mm。
[0045] 在一个实施例中，所述井下摄像仪的灯光的出射半径按如下公式，根据灯光的内 径、镜头玻璃的许用厚度、空气的折射率、玻璃的折射率和水的折射率确定：
[0046]
[0047] 其中，&为光源的入射半径；
[0048] R2为灯光的出射半径；
[0049] n2为玻璃的折射率；
[0050] n3为空气的折射率；
[0051] t为镜头玻璃的许用厚度。
[0052] 在本发明实施例中，通过给定的镜头玻璃的最大承压半径确定镜头玻璃的许用厚 度，当设计的镜头玻璃的厚度为许用厚度时，满足仪器的耐压要求；通过灯光的内径、镜头 玻璃的许用厚度、空气的折射率、玻璃的折射率和水的折射率，确定灯光的出射半径，当设 计的镜头玻璃满足灯光的出射半径大于等于摄像头外径时，满足光学隔离的要求。
【附图说明】
[0053] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明的限定。在附图中：
[0054] 图1是本发明实施例提供的一种井下摄像仪镜头玻璃的设计方法流程图；
[0055] 图2是本发明实施例提供的一种镜头玻璃的折射方式示意图；
[0056] 图3是本发明实施例提供的一种具体的井下摄像仪镜头玻璃的设计方法流程图；
[0057] 图4是本发明实施例提供的一种镜头前部的支撑结构示意图。
【具体实施方式】
[0058] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对 本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并 不作为对本发明的限定。
[0059] 在本发明实施例中，提供了一种井下摄像仪镜头玻璃的设计方法，如图1所示，该 方法包括：
[0060] 步骤101 :将所述井下摄像仪的镜头玻璃和灯光玻璃设计为同一块玻璃；
[0061] 步骤102 :根据镜头玻璃的最大承压半径确定镜头玻璃的许用厚度；
[0062] 步骤103 :根据灯光的内径、镜头玻璃的许用厚度、空气的折射率、玻璃的折射率 和水的折射率，确定灯光的出射半径；
[0063] 步骤104 :将满足灯光的出射半径大于等于摄像头外径条件的镜头玻璃确定为井 下摄像仪的镜头玻璃。
[0064] 具体实施时，首先根据井下摄像仪的外径、摄像头的尺寸、灯光电路的尺寸和处理 电路的尺寸设计出井下摄像仪的内径和镜头前部的支撑结构，根据井下摄像仪的内径确定 玻璃的最大外径；根据镜头前部的支撑结构确定镜头玻璃的最大承压半径；根据摄像头的 外形尺寸给出摄像头的外径，根据环状灯光设计给出灯光的内（直）径。
[0065] 由于镜头玻璃的密封结构较为复杂，一般选择摄像头和灯光同平面的镜头结构， 此时摄像头玻璃与灯光玻璃为同一块玻璃，然后进行玻璃的强度计算，根据镜头玻璃的最 大承压半径确定镜头玻璃的许用厚度，具体按照如下公式计算：
[0066]
⑴
[0067] 式⑴中，[0 ]为镜头玻璃的许用拉应力，MPa ;
[0068] t为镜头玻璃的许用厚度，mm;
[0069] qb为井下摄像仪受到的外部压力，MPa ;
[0070] a为镜头玻璃的最大承压半径，mm。
[0071] 然后进行光学计算，具体的，根据（环状）灯光的内（直）径、镜头玻璃的许用厚 度、空气、玻璃和水的折射率计算出灯光的出射半径。具体的，按照空气、玻璃和水三种介质 条件下的折射定律进行计算，折射方式如图2所示。
[0072] 由光的折射定律可知：
[0073] n3sin93= n 2sin9 2;
[0074] riiSin 9 := n 2sin 9 2；
[0075]
[0076] 其中，--水中的入射角；
[0077] 02--玻璃中的入射角；
[0078] 03--空气中的入射角；
[0079] ni--水的折射率，4/3;
[0080] n2一一玻璃的折射率，3/2;
[0081] n3--空气的折射率，1;
[0082] R:--光源入射半径；
[0083] R2一一光源出射半径，即灯光的出射半径；
[0084] LED光源从空气射向水中，因此当空气中的入射角03最大为90°时，折射角0 2 达到最大，此时根据光的折射定律公式推导可知：
[0087] 从而推导出灯光的出射半径的计算公式为：
[0085]
[0086]
[0088]
[0089] 设计时R1= ^，民为光源孔内半径（即灯光的内径），即光源入射半径的大小等于 灯光的内径。要求R2应大于R。，!?。为摄像头外半径。另：R。为光源孔外半径。
[0090] 最后，根据灯光的出射半径与给出的摄像头外径的大小关系，判断镜头玻璃的设 计合理性，即设计的镜头玻璃是否符合仪器耐压要求和光学隔离的要求。如果灯光的出射 半径大于等于摄像头外径时，镜头玻璃设计合理，