专利名称：一种水下成像镜头的制作方法
技术领域：
本发明涉及水下光学成像技术领域，特别是一种水下成像镜头。
背景技术：
水下成像技术在海洋开发与工程、水下科考等领域起着极其重要的作用。由于水下成像镜头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。为了解决以上问题，水下专用成像镜头应运而生，这种镜头从设计之初就综合考虑了水介质的影响，因此像差可以校正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导致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，因为视场的増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。
发明内容
本发明提供一种专用于水下成像的大视场、大相对孔径的成像镜头，其解决了背景技术中，水下成像镜头由于水介质对光的吸收和散射所引发的光能损失和背景干扰，导致水下摄影的有效成像距离非常有限的问题，本发明所采用的技术方案是—种水下成像镜头，包括设置于密封机构内的光学系统，其特殊之处在于所述光学系统包括沿光路入射方向依次设置的水密封窗ロ、前透镜组、光阑、后透镜组及像面；所述前透镜组包括沿光路入射方向依次设置的第一负弯月透镜、双凹透镜、第一正弯月透镜和双凸透镜。上述后透镜组依次设置有密接胶合透镜、第二正弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、第二负弯月透镜。上述水下成像镜头还包括调焦机构，调焦机构用于使前透镜组、光阑和后透镜组整体沿光轴方向移动。上述调焦机构包括步进电机、固定于步进电机机轴上的电机齿轮、固定于主镜筒外侧壁沿圆周方向的与电机齿轮相咬合的调焦轮以及限位机构。上述后透镜组具有正的光焦度。上述各透镜之间以空气为介质。上述第一负弯月透镜、双凹透镜、第二正弯月透镜、第四正弯月透镜、第二负弯月透镜的材料分别为LAK3、LAF9、LAK11、LAK4和LAF8。沿光路入射方向，姆相邻的两个透镜之间的空气间_依次为4mm、7. 19mm、4. 96mm、
17.72mm>29. 25mm、15. 16mm>0. 2mm>0. 16mm>2. 65mm 和 22. 9mm。上述前透镜组的第一负弯月透镜2弯向光阑。上述像面是CXD或者胶片。
本发明的优点是
·
(I)通过大量实试验，优化玻璃组合和合理分配光焦度，采用11片玻璃，选用低色散高折射率的镧系玻璃材料，能够有效地校正球差、彗差、像散、场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差等像差，提高成像质量。(2)本发明提出了一种水下专用成像镜头，以物理、化学性质稳定的石英玻璃作水密壳窗，具有抗压能力强、不易腐蚀的优点。(3)采用本发明的光学系统可以达到以下指标相对孔径为1/1. 4，水下视场角66 °，焦距为11. 76mm,后截距为22. 9mm,工作波段0· 48 O. 60 μ m,最大光学畸变为-5. 45%ο
图I为水下专用成像镜头的光学结构图；图2为水下专用成像镜头的光学传递函数；图3为水密封和调焦机构示意图；其中1-水密封窗ロ ；2_第一负弯月透镜；3_双凹透镜；4_第一正弯月透镜；5-双凸透镜；6_光阑；7_密接胶合透镜；8_第二正弯月透镜；9_第三正弯月透镜；10_第四正弯月透镜；11_第二负弯月透镜；12_像面；13_压圈；14_主镜筒；15_第一 O形圈；16_步进电机；17_电机齿轮；18_调焦轮；19_电机座；20_调焦柱；21_限位螺钉；22_次镜筒;23-外壳；24_螺钉；25_第二 O形圈；26_橡胶垫圏。
具体实施例方式本发明所涉及的水下成像镜头是一种适用于水下微光成像的大视场、大相对孔径光学系统，同时校正包括球差、彗差、像散、场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差等所有像差。如图I所示，该水下成像镜头，沿光路入射方向依次设置有水密封窗ロ I、前透镜组、光阑6、后透镜组及像面12 ;该光学系统物方介质为水，像方介质为空气。水下物方目标发出的光线经水密封窗ロ I折射后，光线与光轴的角度加大。水密封窗ロ I为平面玻璃；玻璃材料牌号为JGS1，密封方式是O形圈端面密封，其尺寸为Φ58X9mm ;前透镜组依次设置有第一负弯月透镜2、双凹透镜3、第一正弯月透镜4、双凸透镜5四片镜片；光阑6具有限制进入光学系统光能量的作用，光经过光阑6后对光线的口径进行限制，其口径为Φ25. 4mm ；后透镜组依次设置有密接胶合透镜7、第二正弯月透镜8、第三正弯月透镜9、第四正弯月透镜10、第二负弯月透镜11五片间隔镜片；该透镜组将光学系统的主面后移，保证光学系统的后截距远大于焦距，以便于C ロ或CS接ロ的CXD相机能够方便进行对接；像面12为(XD或者胶片。本发明的设计思想如下水下成像镜头都期望获得ー个大视场范围，但获得大视场的同时，轴外光束也产生了较大的入射角度，并且带来了很大的轴外像差，比如彗差、像散、场曲和畸变，如果前透镜组的设计过于简单，将不利于对轴外像差的校正，因此需要将其适当复杂化，经过大量的设计实例比较，发现前透镜组设计由第一负弯月透镜2、双凹透镜3、第一正弯月透镜4、双凸透镜5组合较为合适，其总光焦度A=O Ol由于前透镜组中第一负弯月透镜2、双凹透镜3、第一正弯月透镜4的发散作用使得入射光线在前透镜组内的入射角度不断地减小，再经过双凸透镜5将光束的口径进行压缩，使得前透镜组产生的轴外像差得到较好的控制。为了避免边缘视场的光线进入光学系统时发生掠射，前透镜组的第一负弯月透镜2弯向光阑6。光学系统的后透镜组光线入射角度会由于前透镜组的发散作用而大大减小，故后透镜组所产生的轴外像差相对要小，它主要负担了较大的相对孔径，因而后透镜组的设计重点在于较正轴上点球差及补偿前透镜组产生的轴外像差，光学系统的相对孔径高达1/1. 4的同时，对球差及彗差的校正造成了比较大的难度，经过优化后，透镜组由五片镜片组成，其总光焦度めニO. 028，光阑6位于后透镜组的第一片镜片之前。为了着重控制光学系统轴上点初级球差和高级球差，后透镜组采用了多片正负分离设置的透镜，并尽量选用低色散高折射率的镧系玻璃材料，其中第一负弯月透镜2、双凹透镜3、第二正弯月透镜8、第四正弯月透镜1010和第二负弯月透镜1111的材料分别为LAK3、LAF9、LAKlI、LAK4和LAF8，与此同时各单透镜均做适当的弯曲以加强对球差的控制。一般比较纯净的海水对“蓝绿”光(O. 48 O. 57 μ m)具有相对较高的透过率，由于e光处于“蓝绿”光的光谱范围之内，所以水下一般采用e光消単色像差，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，发明中以O. 48和O. 60 μ m消色差。镜头的光学畸变代表了某视场主光线在像面12的高度与理想物高的偏离程度，该像差的特点是不影响成像清晰度而且其大小只与视场有关。通常对于非測量用途的光学畸变要求不高，本发明所涉及的镜头最大光学畸变为-5. 45%，作为普通的成像镜头是可以接受的。经多次试验计算，沿光路入射方向，每相邻的两个透镜之间的空气间隔依次为4mm>7. 19mm>4. 96mm、17. 72mm>29. 25mm、15. 16mm>0. 2mm>0. 16mm>2. 65mm 和 22. 9mm 时，镜头具有较高的成像质量。如图2所示，奈圭斯特频率N=421p/mm吋，OcoMTF值达到0.65 ；
O.707 ω时，子午场和弧矢场平均MTF值为O. 54 ;1 ω时，平均MTF值为O. 49。各视场特别是O. 707ω以内的子午场和弧矢场MTF曲线基本一致，表明该镜头具有较高的成像质量。基于上述结构的成像镜头，可达到如下效果水下全视场角为66°，相对孔径为1/1. 4，焦距为11. 76mm，后截距为22. 9mm，工作波段0. 48 O. 60 μ m。防水密封对于水下成像镜头而言是ー项基本的功能要求，水密封窗ロ I与主镜筒14之间要密封，外壳23与主镜筒14之间要密封。本发明采用如下方案进行防水密封，如附图3,水密封窗ロ I靠近水的ー侧为外侧,水密封窗ロ I的外侧边缘与主镜筒14之间且设有压圈13，压圈13自身是可以通过扳手旋紧，当旋紧压圈13时，压圈13对水密封窗ロ I产生压力，该压カ导致水密封窗ロ I与主镜筒14之间的第一 O形圈15产生变形，并在密封槽内填满空隙起到防水的作用；为了防止水密封窗ロ I在受压时崩边，在水密封窗ロ I的外侧边缘设置有橡胶垫圈2626进行保护。装配时，将各个透镜依次装入次镜筒22内，主镜筒14套接在次镜筒22外圆并与次镜筒22同轴。主镜筒14与外壳23通过螺钉2424连接，连接时还必须采取2次密封措施，即主镜筒14和外壳2323之间设置有第二 O形圈2525，当螺钉2424拧紧时，使第二 O形圈2525在密封槽内变形并填满空隙从而起到密封作用。另外，外壳2323通过水密封插头与外部进行数据交換。水下环境的改变，比如海水折射率、色散特性、目标对比度的变化将会使镜头成像质量受到比较大的影响，因此水下成像光学系统需要还包括调焦机构，用来消除由于环境改变而导致的像质恶化。由于水密封窗ロ I与水直接接触，因此调焦过程中应保持水密封窗ロ I和像面1212不动，利用调焦机构带动前透镜组、光阑6和后透镜组整体沿光轴方向移动实现调焦，基于该原理的调焦机构很多，不限于本发明使用的调焦机构，即该调焦机构包括步进电机16、固定于步进电机16机轴上的电机齿轮17、固定于主镜筒14外壁的沿圆周方向的与电机齿轮17相咬合的调焦轮18以及限位机构，限位机构包括设置于调焦轮18上的螺旋槽和圆槽、固定与次镜筒22上的调焦柱20和固定于主镜筒14上的限位螺钉2421，调焦柱20与螺旋槽位置相对应并能伸入螺旋槽内，限位螺钉2421的位置与圆槽位置相对应并能伸入圆槽内。主镜筒14固定不动，步进电机16通过电机齿轮17带动调焦轮18转动，螺旋槽推动调焦柱2020迫使次镜筒22沿主镜筒14外壁上轴向设置的直槽作直线运动，调焦轮1818转动时被固定于主镜筒14上的限位螺钉242121轴向限位，从而达到调焦的目的，见附图3。调焦过程中水密封窗ロ I与第一负弯月透镜2之间的距离会发生微小变化，但由于水密封窗ロ I本身没有光焦度，因此调焦过程中镜头的焦距不会发生变化。
权利要求
1.一种水下成像镜头，包括设置于密封机构内的光学系统，其特征在于所述光学系统包括沿光路入射方向依次设置的水密封窗ロ、前透镜组、光阑、后透镜组及像面； 所述前透镜组包括沿光路入射方向依次设置的第一负弯月透镜、双凹透镜、第一正弯月透镜和双凸透镜。
2.根据权利要求I所述的水下成像镜头，其特征在于所述后透镜组依次设置有密接胶合透镜、第二正弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、第二负弯月透镜。
3.根据权利要求I或2所述的水下成像镜头，其特征在于水下成像镜头还包括调焦机构，所述调焦机构用于使前透镜组、光阑和后透镜组整体沿光轴方向移动。
4.根据权利要求3所述的水下成像镜头，其特征在于所述调焦机构包括步进电机、固定于步进电机机轴上的电机齿轮、固定于主镜筒外侧壁沿圆周方向的与电机齿轮相咬合的调焦轮以及限位机构。
5.根据权利要求4所述的水下成像镜头，其特征在于所述后透镜组具有正的光焦度。
6.根据权利要求5所述的水下成像镜头，其特征在于各透镜之间以空气为介质。
7.根据权利要求6所述的水下成像镜头，其特征在于第一负弯月透镜、双凹透镜、第ニ正弯月透镜、第四正弯月透镜、第二负弯月透镜的材料分别为LAK3、LAF9、LAKlI、LAK4和LAF8。
8.根据权利要求7所述的水下成像镜头，其特征在于沿光路入射方向，每相邻的两个透镜之间的空气间隔依次为 4mm、7. 19mm、4. 96mm> 17. 72mm、29. 25mm> 15. 16mm、0. 2mm、0. 16mm、2. 65mm 和 22. 9mm。
9.根据权利要求8所述的水下成像镜头，其特征在于前透镜组的第一负弯月透镜2弯向光阑。
10.根据权利要求9所述的水下成像镜头，其特征在于所述像面是CCD或者胶片。
全文摘要
本发明涉及一种水下成像镜头，其解决了现有技术水下成像镜头由于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导致水下摄影的有效成像距离非常有限的问题。该水下成像镜头，包括设置于密封机构内的光学系统，光学系统包括沿光路入射方向依次设置的水密封窗口、前透镜组、光阑、后透镜组及像面。通过大量实试验，优化玻璃组合和合理分配光焦度，采用11片玻璃，选用低色散高折射率的镧系玻璃材料，能够有效地校正球差、彗差、像散、场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差等像差，提高成像质量。
文档编号G02B7/02GK102914847SQ20121033624
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月12日 优先权日2012年9月12日
发明者谢正茂, 何俊华, 韦明智 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所