CN106383400A - 一种水下专用摄影光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下专用摄影光学成像系统，从物侧到像侧依次设有：第一透镜，第二透镜，第三透镜，第四透镜，光阑，第五透镜，第六透镜，第七透镜，第八透镜；所述第一透镜和第六透镜的光焦度为负值，所述第四透镜、第五透镜和第八透镜的光焦度为正值；所述水下专用摄影光学成像系统满足如下表达式：0.05<|f1/f2|<0.5，4<|f3/f4|<5.5，1<|f5/f6|<2.5，0.02<|f7/f8|<1；其中f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7和f8是第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜的焦距。本发明意在提供一种体积小、重量轻、视场大、景深大、高像质、高分辨率的水下专用摄影光学成像系统。

Description

一种水下专用摄影光学成像系统

【技术领域】

本发明涉及一种水下专用摄影光学成像系统，适用于光学成像领域。

【背景技术】

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。而且，常见的水下摄影镜头基本是采用陆用摄影镜头加防水罩组成。这类镜头的弊端是视场角比陆用的视场角小，且成像质量较差，画面模糊。而目前，国内外公布的水下摄影镜头不具有大视场、大相对孔径的优点，水下全视场角小于86°，且结构较复杂，除无法充分利用水下光能外，也限制了成像范围的大小。

本发明即针对现有技术的不足而研究提出。

【发明内容】

本发明目的是克服了现有技术的不足，提供一种体积小、重量轻、视场大、景深大、高像质、高分辨率的水下专用摄影光学成像系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种水下专用摄影光学成像系统，从物侧到像侧依次设有：第一透镜，第二透镜，第三透镜，第四透镜，光阑，第五透镜，第六透镜，第七透镜，第八透镜；

所述第一透镜和第六透镜的光焦度为负值，所述第四透镜、第五透镜和第八透镜的光焦度为正值；

所述水下专用摄影光学成像系统满足如下表达式：

0.05<|f1/f2|<0.5，4<|f3/f4|<5.5，1<|f5/f6|<2.5，0.02<|f7/f8|<1；

其中f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7和f8是第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜的焦距。

如上所述的水下专用摄影光学成像系统，其特征在于所述第二透镜、第四透镜、第七透镜和第八透镜的前后两镜面至少有一面是非球面。

如上所述的水下专用摄影光学成像系统，其特征在于所述第五透镜和第六透镜胶合在一起形成透镜组。

如上所述的水下专用摄影光学成像系统，其特征在于所述水下专用摄影光学成像系统满足如下表达式：

(vd₂，vd₅，vd₇，vd₈)＞40；

0<(vd₁，vd₃，vd₄，vd₆)＜45；

其中vd₁、vd₂、vd₃、vd₄、vd₅、vd₆、vd₇和vd₈是第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜的色散系数。

如上所述的水下专用摄影光学成像系统，其特征在于所述水下专用摄影光学成像系统满足如下表达式：

30<vd₁<45，45<vd₂<60，20<vd₃<40，30<vd₄<45，45<vd₅<65，

20<vd₆<30，40<vd₇<50和65<vd₈<80。

如上所述的水下专用摄影光学成像系统，其特征在于所述第五透镜和第六透镜的色散系数满足：15<vd₅-vd₆<45。

如上所述的水下专用摄影光学成像系统，其特征在于所述水下专用摄影光学成像系统满足如下表达式：

1.7<nd₁<2.2，1.4<nd₂<2，1.6<nd₃<2，1.6<nd₄<2，1.55<nd₅<1.85，

1.7<nd₆<2，1.7<nd₇<1.9和1.45<nd₈<1.7；

其中nd₁、nd₂、nd₃、nd₄、nd₅、nd₆、nd₇和nd₈是第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜的材质折射率。

如上所述的水下专用摄影光学成像系统，其特征在于所述水下专用摄影光学成像系统满足如下表达式：

0.1＜EFL/TL＜0.25，0.1＜BFL/TL＜0.25；

0.01＜T2/TL＜0.06，0.01＜T3/TL＜0.24，0.5＜(T1+T2)/T5＜1.5；

T3/T2>0.15，0.3＜T4/T3＜1，1.2＜T5/T6＜2.5，0.4＜T7/T8＜0.5；

2＜A1/A7＜4，0.5＜A4/A6＜1.5；

其中EFL是所述水下专用摄影光学成像系统的有效焦距，BFL是所述水下专用摄影光学成像系统的后焦，TL是第一透镜1到像面的距离，T1至T8是第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜的镜片中心厚度，A1是第一透镜与第二透镜的间距，A4是第四透镜与第五透镜的间距，A6是第六透镜与第七透镜的间距，A7是第七透镜与第八透镜的间距。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1.本发明所述的水下专用摄影光学成像系统结构紧凑，采用非球面设计避免了全部球面镜片产生的球面像差和畸变等，实现了大视场、大景深、高像质、高分辨率、大孔径成像，适用于水下相机对人像、海底风景及海底浮游植物和动物等对象的拍摄；

2.本发明所述的水下专用摄影光学成像系统的结构及镜片排列方式可有效缩小镜组体积，解决大视场角、高画幅时畸变大的问题，能有效降低大角度光线在成像面的入射角度，并降低光学系统的敏感度，获得较高的解像力；

3.本发明所述的水下专用摄影光学成像系统成像均匀、亮度高、孔径大(光圈数达到F2.8)，光能利用率高；

4.本发明所述的水下专用摄影光学成像系统采用双胶合透镜组使得本系统成像颜色分明，色彩与像面还原性好；

5.本发明所述的水下专用摄影光学成像系统采用的非球面透镜有利于像差的校正，减小系统的色差与畸变，提高整个视场的像质，从而使得该光学成像系统的分辨率、透过率、色彩还原性均得到显著提升；

6.本发明所述的水下专用摄影光学成像系统可实现对轴外像差的有效控制，解决了大视场、高画幅下难以实现高分辨率和低畸变的难题，同时具有小型化和轻型化的结构和外形，且在总长小于37mm的情况下全视场可实现大于φ16mm的像高；

7.本发明所述的水下专用摄影光学成像系统能够达到高于20M(2000万像素)的分辨率，保证高清晰成像；

8.本发明所述的水下专用摄影光学成像系统的光学镜头对角线视场角度大于90°，其温度漂移范围在-40℃～80℃内，性能稳定且基本无需重新对焦；

9.本发明所述的水下专用摄影光学成像系统的TV畸变在全视场下小于9％，畸变控制在比较小的范围内，满足水下摄影相机对畸变的要求；

10.本发明所述的水下专用摄影光学成像系统可实现0.2m至20m不同物距的拍摄，拍摄范围较大，成像清晰，可选择的余地大。

【附图说明】

图1是本发明所述的水下专用摄影光学成像系统的示意图

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明：

如图1所示，本发明涉及的一种水下专用摄影光学成像系统，一种水下专用摄影光学成像系统，其特征在于：从物侧到像侧依次设有：第一透镜1，第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，光阑9，第五透镜5，第六透镜6，第七透镜7，第八透镜8；

所述第一透镜1和第六透镜6光焦度为负值，所述第四透镜4、第五透镜5和第八透镜8光焦度为正值；

所述水下专用摄影光学成像系统满足如下表达式：

0.05<|f1/f2|<0.5，4<|f3/f4|<5.5，1<|f5/f6|<2.5，0.02<|f7/f8|<1；

其中f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7和f8是第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和第八透镜8的焦距。所述第五透镜5和第六透镜6胶合在一起形成透镜组，使得本系统成像颜色分明，色彩与像面还原性好。

所述第二透镜2、第四透镜4、第七透镜7和第八透镜8的前后两镜面至少有一面是非球面。

所述的水下专用摄影光学成像系统，其特征在于所述水下专用摄影光学成像系统满足如下表达式：

(vd₂，vd₅，vd₇，vd₈)＞40；

0<(vd₁，vd₃，vd₄，vd₆)＜45；

其中vd₁、vd₂、vd₃、vd₄、vd₅、vd₆、vd₇和vd₈是第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和第八透镜8的色散系数。

另外，所述第一透镜1的材质折射率nd₁满足：1.7<nd₁<2.2，色散系数为vd₁，满足：30<vd₁<45；用于控制物侧光线入射角并降低成像畸变。

所述第二透镜2前后镜面至少有一面为椭圆形双曲线非球面，其材质折射率nd₂满足：1.4<nd₂<2，色散系数为vd₂，满足：45<vd₂<60；这样能很好地减小畸变并增大光线在像面上的入射高度，提高边缘视场的照度，提高系统的光学传递函数，从而提升像质。

所述第三透镜3材质折射率nd₃满足：1.6<nd₃<2，色散系数为vd₃，满足：20<vd₃<40；这样可以控制光线在各透镜之间的折射变化角度。

所述第四透镜4前后镜面至少有一面为扁圆形非球面，其材质采用折射率nd₄满足：1.6<nd₄<2，色散系数为vd₄，满足：30<vd₄<45；这样能很好地减小畸变并增大光线在像面上的入射高度，提高边缘视场的照度，提高系统的光学传递函数，从而提升像质。

所述第五透镜5及第六透镜6为双胶合结构，所述第五透镜5的折射率nd₅满足：1.55<nd₅<1.85，色散系数为vd₅，满足：45<vd₅<65；所述第六透镜6的折射率nd₆满足：1.7<nd₆<2，色散系数为vd₆，满足：20<vd₆<30；第五透镜5和第六透镜6的色散系数还满足：15<vd₅-vd₆<45；这样可以对轴向色差进行补偿。

所述第七透镜7前后镜面至少有一面为双曲线非球面，其材质折射率nd₇满足：1.7<nd₇<1.9，色散系数vd₇满足：40<vd₇<50；这样能很好地减小畸变并增大光线在像面上的入射高度，提高边缘视场的照度，提高系统的光学传递函数，从而提升像质。

所述第八透镜8前后镜面至少有一面为双曲线非球面，其材质折射率nd₈满足：1.45<nd₈<1.7，色散系数vd₈满足：65<vd₈<80；这样可以减小像面主光线入射角，减小成像像差。

所述第四透镜4和第五透镜5之间设有光阑9，可以直接利用光圈的开孔大小控制进光量，使得成像画面整体均匀、亮度高。

所述非球面表面形状满足如下表达式：

$Z={\mathrm{cy}}^2/\{1+\sqrt{\&lsqb;1-(1+k)c^2{y}^2\&rsqb;}\}+{\mathrm{\&alpha;}}_1{y}^2+{\mathrm{\&alpha;}}_2{y}^4+{\mathrm{\&alpha;}}_3{y}^6+{\mathrm{\&alpha;}}_4{y}^8+{\mathrm{\&alpha;}}_5{y}^{10}+{\mathrm{\&alpha;}}_6{y}^{12}+{\mathrm{\&alpha;}}_7{y}^{14}+{\mathrm{\&alpha;}}_8{y}^{16}$

在公式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k<-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k＝-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当-1<k<0时，透镜的面形曲线为椭圆，当k＝0时，透镜的面形曲线为圆形，当k>0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α₁至α₈分别表示各径向坐标所对应的系数，这样有利于像差的校正，减小系统的色差与畸变，提高整个视场的像质，从而使得该光学成像系统的分辨率、透过率、色彩还原性均得到显著提升。

所述水下专用摄影光学成像系统满足如下表达式：

0.1＜EFL/TL＜0.25，0.1＜BFL/TL＜0.25；

0.01＜T2/TL＜0.06，0.01＜T3/TL＜0.24，0.5＜(T1+T2)/T5＜1.5；

T3/T2>0.15，0.3＜T4/T3＜1，1.2＜T5/T6＜2.5，0.4＜T7/T8＜0.5；

2＜A1/A7＜4，0.5＜A4/A6＜1.5；

其中EFL是所述水下专用摄影光学成像系统的有效焦距，BFL是所述水下专用摄影光学成像系统的后焦，TL是第一透镜1到像面的距离，T1至T8是第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和第八透镜8的镜片中心厚度，A1是第一透镜1与第二透镜2的间距，A4是第四透镜4与第五透镜5的间距，A6是第六透镜6与第七透镜7的间距，A7是第七透镜7与第八透镜8的间距。

本发明所述的水下专用摄影光学成像系统采用球面与非球面结合，使得系统结构紧凑，避免了全部球面镜片产生的球面像差和畸变等，实现了大视场、大景深、高像质、高分辨率、大孔径成像，适用于水下相机对人像、海底风景及海底浮游植物和动物等对象的拍摄；而该镜片排列方式可有效缩小镜组体积，解决大视场角、高画幅时畸变大的问题，能有效降低大角度光线在成像面的入射角度，并降低光学系统的敏感度，获得较高的解像力；成像均匀、亮度高、孔径大(光圈数达到F2.8)，光能利用率高；还可实现对轴外像差的有效控制，解决了大视场、高画幅下难以实现高分辨率和低畸变的难题，同时具有小型化和轻型化的结构和外形，且在总长小于37mm的情况下全视场可实现大于φ16mm的像高；

本发明所述的光学成像系统在实际使用时能够达到高于20M(2000万像素)的分辨率，保证高清晰成像；光学镜头对角线视场角度大于90°，其温度漂移范围在-40℃～80℃内，性能稳定且基本无需重新对焦；TV畸变在全视场下小于9％，畸变控制在比较小的范围内，满足水下摄影相机对畸变的要求；还可实现0.2m至20m不同物距的拍摄，拍摄范围较大，成像清晰，可选择的余地大。

Claims (8)

1.一种水下专用摄影光学成像系统，其特征在于：从物侧到像侧依次设有：第一透镜(1)，第二透镜(2)，第三透镜(3)，第四透镜(4)，光阑(9)，第五透镜(5)，第六透镜(6)，第七透镜(7)，第八透镜(8)；

所述第一透镜(1)和第六透镜(6)的光焦度为负值，所述第四透镜(4)、第五透镜(5)和第八透镜(8)的光焦度为正值；

所述水下专用摄影光学成像系统满足如下表达式：

0.05<|f1/f2|<0.5，4<|f3/f4|<5.5，1<|f5/f6|<2.5，0.02<|f7/f8|<1；

其中f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7和f8是第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、第七透镜(7)和第八透镜(8)的焦距。

2.根据权利要求1所述的水下专用摄影光学成像系统，其特征在于所述第二透镜(2)、第四透镜(4)、第七透镜(7)和第八透镜(8)的前后两镜面至少有一面是非球面。

3.根据权利要求1所述的水下专用摄影光学成像系统，其特征在于所述第五透镜(5)和第六透镜(6)胶合在一起形成透镜组。

4.根据权利要求1所述的水下专用摄影光学成像系统，其特征在于所述水下专用摄影光学成像系统满足如下表达式：

(vd₂，vd₅，vd₇，vd₈)＞40；

0<(vd₁，vd₃，vd₄，vd₆)＜45；

其中vd₁、vd₂、vd₃、vd₄、vd₅、vd₆、vd₇和vd₈是第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、第七透镜(7)和第八透镜(8)的色散系数。

5.根据权利要求3所述的水下专用摄影光学成像系统，其特征在于所述水下专用摄影光学成像系统满足如下表达式：

30<vd₁<45，45<vd₂<60，20<vd₃<40，30<vd₄<45，45<vd₅<65，20<vd₆<30，40<vd₇<50和65<vd₈<80。

6.根据权利要求4所述的水下专用摄影光学成像系统，其特征在于所述第五透镜(5)和第六透镜(6)的色散系数满足：15<vd₅-vd₆<45。

7.根据权利要求5或6所述的水下专用摄影光学成像系统，其特征在于所述水下专用摄影光学成像系统满足如下表达式：

1.7<nd₁<2.2，1.4<nd₂<2，1.6<nd₃<2，1.6<nd₄<2，1.55<nd₅<1.85，1.7<nd₆<2，1.7<nd₇<1.9和1.45<nd₈<1.7；

其中nd₁、nd₂、nd₃、nd₄、nd₅、nd₆、nd₇和nd₈是第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、第七透镜(7)和第八透镜(8)的材质折射率。

8.根据权利要求1所述的水下专用摄影光学成像系统，其特征在于所述水下专用摄影光学成像系统满足如下表达式：

0.1＜EFL/TL＜0.25，0.1＜BFL/TL＜0.25；

0.01＜T2/TL＜0.06，0.01＜T3/TL＜0.24，0.5＜(T1+T2)/T5＜1.5；

T3/T2>0.15，0.3＜T4/T3＜1，1.2＜T5/T6＜2.5，0.4＜T7/T8＜0.5；

2＜A1/A7＜4，0.5＜A4/A6＜1.5；

其中EFL是所述水下专用摄影光学成像系统的有效焦距，BFL是所述水下专用摄影光学成像系统的后焦，TL是第一透镜(1)到像面的距离，T1至T8是第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、第七透镜(7)和第八透镜(8)的镜片中心厚度，A1是第一透镜(1)与第二透镜(2)的间距，A4是第四透镜(4)与第五透镜(5)的间距，A6是第六透镜(6)与第七透镜(7)的间距，A7是第七透镜(7)与第八透镜(8)的间距。