一种虚拟潜望镜的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种虚拟潜望镜，包括：镜头，适于设置在水下，用于接收来自水上目标物的光线，并将所述水上目标物成像在感光元件上；感光元件，用于将像信号转化为电信号，并输入至显示元件；显示元件，用于将所述电信号转化成图像输出；还包括光过滤件，设置在所述镜头和所述感光元件之间，用于将穿过所述镜头、却不反映所述水上目标物形态信息的干扰光线过滤去除；所述干扰光线为自空中经海面折射进入水中的光线被海水分子散射而产生的散射光线。本实用新型的虚拟潜望镜采用光过滤件将干扰光线过滤去除后，能够降低或消除干扰，提高成像对比度，进而提高虚拟潜望镜的成像质量。
【专利说明】
一种虚拟潜望镜
技术领域
[0001]本实用新型涉及观察设备技术领域，具体涉及一种从水下对水上目标物进行观察的虚拟潜望镜。
【背景技术】
[0002]虚拟潜望镜是水下运载平台(如潜艇、UUV、AUV、R0V、潜水装具等)对水面、空中目标物进行观察的主要设备。虚拟潜望镜在水下使用，其一般包括镜头、感光元件和显示元件，水上目标物发出的光线经过水的折射后，经过镜头，在感光元件上成像，并通过显示元件输出，从而供人们在水下对水上目标物进行观察。然而在实际应用中，现有技术中的虚拟潜望镜清晰度较差，本领域的技术人员曾进行多次技术攻关，均未找到良好的解决办法。
[0003]目前，在虚拟潜望镜技术领域，提高成像质量是核心技术问题。发明人经过长时间的反复研究发现，大气中的光线(包括水上目标物发出的)从水面入射后，一部分能够直接穿透水层，经镜头后在感光元件上成像，通过显示元件输出；另一部分则会在水分子的作用下散射，散射后的这部分光线经镜头后也会在感光元件上成像，并通过显示元件输出，然而这部分散射后的光线并没有携带水上目标物的信息，也就是说，这部分散射的光线在感光元件上所成的像并不反应水上目标物形态信息，因而对虚拟潜望镜的对比度造成了损害，并直接导致了虚拟潜望镜清晰度差的缺陷。
【实用新型内容】
[0004]因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的虚拟潜望镜成像清晰度差的技术缺陷，从而提供一种成像清晰度好的虚拟潜望镜。
[0005]为此，本实用新型提供一种虚拟潜望镜，包括:
[0006]镜头，适于设置在水下，用于接收来自水上目标物的光线，并将所述水上目标物成像在感光元件上；
[0007]感光元件，用于将像信号转化为电信号，并输入至显示元件；
[0008]显示元件，用于将所述电信号转化成图像输出；
[0009]还包括光过滤件，设置在所述镜头和所述感光元件之间，用于将穿过所述镜头、却不反映所述水上目标物形态信息的干扰光线过滤去除；
[0010]所述干扰光线为自空中经海面折射进入水中的光线被海水分子散射而产生的散射光线。
[0011 ]作为一种优选方案，所述光过滤件为偏振片，设置在所述镜头的焦平面上，所述偏振片具有中心，且所述偏振片至少具有一部分，其上任意一点的偏振化方向与该点与所述中心的连线方向平行;并且，所述偏振片的穿过所述中心的中心法线与所述镜头的光轴重入口 O
[0012]作为一种优选方案，所述偏振片的全部，其上任意一点的偏振化方向与该点与所述中心的连线方向平行。
[0013]作为一种优选方案，所述偏振片由以所述中心为顶点的若干个扇形子偏振片组合形成，且所述扇形子偏振片的偏振化方向与其圆心角的角平分线方向平行。
[0014]作为一种优选方案，所述偏振片由至少4个所述扇形子偏振片组合形成，且任意两个所述扇形子偏振片的圆心角角度相同。
[0015]作为一种优选方案，还包括用于驱动所述偏振片绕所述中心法线旋转的转动结构。
[0016]作为一种优选方案，所述转动结构驱动所述偏振片转动的角速度大于40转/秒。
[0017]本申请中，UUV指:UnmannedUnderwater Vehicle，无人水下航行器；AUV指:Autonomous Underwater Vehicle，自主式水下航行器；ROV指:Remote Operated Vehicle，遥控航行器。
[0018]本实用新型提供的虚拟潜望镜，具有以下优点:
[0019]1.本实用新型的虚拟潜望镜，在镜头和感光元件之间增加了光过滤件，用于将穿过镜头、却不反映水上目标物形态信息的干扰光线过滤去除，这部分干扰光线是指来自自空中经海面折射进入水中的光线被海水分子散射而产生的散射光线；由于这部分散射光线是对虚拟潜望镜对比度产生损害的光线，因而采用上述光过滤件将其过滤去除后，能够降低或消除上述损害，提高成像对比度，进而提高虚拟潜望镜的成像质量。
[0020]2.本实用新型的虚拟潜望镜，采用偏振片作为光过滤件，将其设置在镜头的焦平面上，设置偏振片至少具有一部分，其上任意一点的偏振化方向与该点与所述中心的连线方向平行;并且，偏振片的穿过上述中心的中心法线与镜头的光轴重合；
[0021 ]根据瑞利散射理论，分子散射后所形成的散射光属于部分偏振光，而这部分散射光具有垂直于入射光线与散射光线所形成平面的第一振动方向，和平行于该平面的第二振动方向，且第一振动方向占优势；
[0022]将镜头正对入射光线，使中心法线、镜头的光轴和入射光线重合，则上述偏振片的一部分，其偏振化方向与上述第一振动方向垂直，从而能够阻止该部分散射光线穿过，进而阻止其在感光元件上成像，从而提高成像质量；
[0023]根据海洋中辐射传输理论，自空中经海面折射进入水中的光线，在深度大于一定数值时(如40m)，沿竖直方向向下传播的光线占据优势，因而当将镜头水平放置，使竖直向下传播的光线垂直穿过镜头时，能够最大程度过滤干扰光线(由竖直向下传播的光线发生分子散射所产生的散射光线)，提高成像质量。
[0024]将偏振片设置在镜头的焦平面上，可以将具有相同性质的平行光聚集在偏振片上的同一点，进而集中过滤去除干扰光，进一步提高成像质量。
[0025]3.本实用新型的虚拟潜望镜，整个偏振片上任意一点的偏振化方向与该点与所述中心的连线方向平行，这样的偏振片能够最大程度过滤干扰光线，因而对于提高成像对比度，提高虚拟潜望镜的成像质量效果最好。
[0026]4.本实用新型的虚拟潜望镜，偏振片由以中心为顶点的若干个扇形子偏振片组合形成，且扇形子偏振片的偏振化方向与其圆心角的角平分线方向平行，这样的设置，能够在尽量使偏振片的偏振化方向与干扰光线的偏振方向垂直的情况下，降低制造难度，降低制造成本。更优选的，设置偏振片由至少4个扇形子偏振片组合形成，且任意两个扇形子偏振片的圆心角角度相同，能够使偏振片各部分均有过滤上述干扰光线的能力，以达到提高虚拟潜望镜成像对比度的目的。
[0027]5.本实用新型虚拟潜望镜，还包括用于驱动偏振片绕中心法线旋转的转动结构，当偏振片由多个子偏振片组合形成时，相邻的两个子偏振片之间具有接缝，在使用虚拟潜望镜观察水上目标物时，启动转动结构，使其驱动偏振片旋转，并控制角速度大于40转/秒，可以消除接缝位置不透光导致的透光不均匀的现象，有利于提高成像质量。
【附图说明】
[0028]为了更清楚地说明现有技术或本实用新型【具体实施方式】中的技术方案，下面对现有技术或【具体实施方式】描述中所使用的附图作简单介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1是实施例1中虚拟潜望镜的结构原理图。
[0030]图2是图1的立体结构图。
[0031 ]图3是图1中镜头、光过滤件和感光元件的相对位置关系图。
[0032]图4是图3中光过滤件的结构原理图。
[0033]附图标记:1-镜头，2-感光元件，3-显示元件，4-光过滤件，5-扇形子偏振片，6_中心法线，7-光轴。
【具体实施方式】
[0034]下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案进行描述，显然，下述的实施例不是本实用新型全部的实施例。基于本实用新型所描述的实施例，本领域普通技术人员在没有做出其他创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
[0035]需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0036]实施例1
[0037]本实施例提供一种虚拟潜望镜，如图1和图2所示，包括:镜头I，适于设置在水下，用于接收来自水上目标物的光线，并将所述水上目标物成像在感光元件2上;感光元件2，用于将像信号转化为电信号，并输入至显示元件3;显示元件3，用于将所述电信号转化成图像输出；还包括光过滤件4，设置在所述镜头I和所述感光元件2之间，用于将穿过所述镜头1、却不反映所述水上目标物形态信息的干扰光线过滤去除；其中，所述干扰光线为自空中经海面折射进入水中的光线被海水分子散射而产生的散射光线。
[0038]本实施例的虚拟潜望镜，在镜头I和感光元件2之间增加了光过滤件4，用于将穿过镜头1、却不反映水上目标物形态信息的干扰光线过滤去除，这部分干扰光线是指来自空中经海面折射进入水中的光线被海水分子散射而产生的散射光线；由于这部分散射光线是对虚拟潜望镜对比度产生损害的光线，因而采用上述光过滤件4将其过滤去除后，能够降低或消除上述损害，提高成像对比度，进而提高虚拟潜望镜的成像质量。
[0039]所述光过滤件4为偏振片，设置在所述镜头I的焦平面上，所述偏振片具有中心，且所述偏振片至少具有一部分，其上任意一点的偏振化方向与该点与所述中心的连线方向平行;并且，所述偏振片的穿过所述中心的中心法线6与所述镜头I的光轴7重合。[0040 ]根据瑞利散射理论，分子散射后所形成的散射光属于部分偏振光，而这部分散射光具有垂直于入射光线与散射光线所形成平面的第一振动方向，和平行于该平面的第二振动方向，且第一振动方向占优势。
[0041 ]将镜头I正对入射光线，使中心法线6、镜头I的光轴7和入射光线重合，则上述偏振片的一部分，其偏振化方向与上述第一振动方向垂直，从而能够阻止该部分散射光线穿过，进而阻止其在感光元件2上成像，从而提高成像质量。
[0042]根据海洋中辐射传输理论，自空中经海面折射进入水中的光线，在深度大于一定数值时(如40m)，沿竖直方向向下传播的光线占据优势，因而当将镜头I水平放置，使竖直向下传播的光线垂直穿过镜头I时，能够最大程度过滤干扰光线，提高成像质量。
[0043]将偏振片设置在镜头I的焦平面上，可以将具有相同性质的平行光聚集在偏振片上的同一点，进而集中过滤去除干扰光，进一步提高成像质量。
[0044]上述偏振片的部分可以根据实际需要设计为任意的形状，如环形、三角形、方形、扇形、不规则形等。
[0045]具体在本实施例中，如图3和图4所示，所述偏振片由以所述中心为顶点的若干个扇形子偏振片5组合形成，且所述扇形子偏振片5的偏振化方向与其圆心角的角平分线方向平行。
[0046]由于偏振片的偏振化方向大多是沿同一方向，在制造上述偏振片时，人们只需要从偏振化方向沿同一方向的偏振片上截取扇形子偏振片5，然后拼接即可得到本实施例的上述偏振片，因而本实施例中的偏振片能够在尽量使偏振片的偏振化方向与干扰光线的偏振方向垂直的情况下，降低制造难度，降低制造成本。更优选的，设置偏振片由至少4个(如5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、24个、36个、64个、128个等等)扇形子偏振片5组合形成，且任意两个扇形子偏振片5的圆心角角度相同，能够使偏振片各部分均有过滤上述干扰光线的能够，以达到提高虚拟潜望镜成像对比度的目的。
[0047]本实施例中，如图4所示，所述偏振片为圆形，然而本领域的技术人员可以根据需要，在实际应用中将其设置为所需的三角形、方形、多边形、椭圆形或不规则形，均是可以接受的，都能实现发明目的。
[0048]作为对本实施例的一种改进技术方案，还包括用于驱动所述偏振片绕所述中心法线旋转的转动结构。所述转动结构驱动所述偏振片转动的角速度为50转/秒。本领域的技术人员可以根据实际情况，设置转动结构驱动偏振片转动的角速度为40转/秒，60转/秒，70转/秒等，只要大于40转/秒均能实现发明目的。至于转动结构的具体形式，可采用现有技术中的多种实现方式，本实施例不再详细描述。
[0049]当偏振片由多个子偏振片组合形成时，相邻的两个子偏振片之间具有接缝，在使用虚拟潜望镜观察水上目标物时，启动转动结构，使其驱动偏振片旋转，并控制角速度大于40转/秒，可以消除接缝位置不透光导致的透光不均匀的现象，有利于提高成像质量。
[0050]实施例2
[0051]本实施例提供一种虚拟潜望镜，其是在实施例1基础上的改进，区别在于:参考图4所示，所述光过滤件4为偏振片，其上任意一点的偏振化方向与该点与所述中心的连线方向平行。这样的偏振片能够最大程度过滤去除干扰光线，对于提高成像对比度，提高虚拟潜望镜的成像质量效果更好。
[0052]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【主权项】
1.一种虚拟潜望镜，包括: 镜头(I)，适于设置在水下，用于接收来自水上目标物的光线，并将所述水上目标物成像在感光元件(2 )上； 感光元件(2)，用于将像信号转化为电信号，并输入至显示元件(3); 显示元件(3)，用于将所述电信号转化成图像输出； 其特征在于:还包括光过滤件(4)，设置在所述镜头(I)和所述感光元件(2)之间，用于将穿过所述镜头(I )、却不反映所述水上目标物形态信息的干扰光线过滤去除； 所述干扰光线为自空中经海面折射进入水中的光线被海水分子散射而产生的散射光线。2.根据权利要求1所述的虚拟潜望镜，其特征在于:所述光过滤件为偏振片，设置在所述镜头(I)的焦平面上，所述偏振片具有中心，且所述偏振片至少具有一部分，其上任意一点的偏振化方向与该点与所述中心的连线方向平行;并且，所述偏振片的穿过所述中心的中心法线(6)与所述镜头(I)的光轴(7)重合。3.根据权利要求2所述的虚拟潜望镜，其特征在于:所述偏振片的全部，其上任意一点的偏振化方向与该点与所述中心的连线方向平行。4.根据权利要求2所述的虚拟潜望镜，其特征在于:所述偏振片由以所述中心为顶点的若干个扇形子偏振片(5)组合形成，且所述扇形子偏振片(5)的偏振化方向与其圆心角的角平分线方向平行。5.根据权利要求4所述的虚拟潜望镜，其特征在于:所述偏振片由至少4个所述扇形子偏振片(5)组合形成，且任意两个所述扇形子偏振片(5)的圆心角角度相同。6.根据权利要求4所述的虚拟潜望镜，其特征在于:还包括用于驱动所述偏振片绕所述中心法线旋转的转动结构。7.根据权利要求6所述的虚拟潜望镜，其特征在于:所述转动结构驱动所述偏振片转动的角速度大于40转/秒。
【文档编号】G02B23/12GK205643847SQ201620167694
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月4日
【发明人】王光辉, 朱海, 郭正东, 蔡鹏 , 王超, 孙雅琴, 姜暖, 王旺
【申请人】中国人民解放军海军潜艇学院