一种水下成像镜头制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水下光学成像
，特别是一种水下成像镜头。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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
技术介绍
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，本专利技术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。本专利技术的优点是·(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)本专利技术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)采用本专利技术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附图说明图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。具体实施例方式本专利技术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。本专利技术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，专利技术中以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，本专利技术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. 1本文档来自技高网...

【技术保护点】
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口、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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢正茂，何俊华，韦明智，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：