CN106444020B - 一种对近海平面及空中目标成像的水下光学装置 - Google Patents

一种对近海平面及空中目标成像的水下光学装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对近海平面及空中目标成像的水下光学装置，包括依次设置的耐压保护窗口、楔形镜、第一透镜组、反射镜和第二透镜组，耐压保护窗口和楔形镜沿O1‑O2光路设置，光束沿O1‑O2光路照射经过楔形镜折射后，形成O2‑O3光路，第一透镜组和反射镜沿O2‑O3光路设置，光束沿O2‑O3光路照射经过反射镜反射后，形成O3‑O4光路，第二透镜组沿O3‑O4光路设置，耐压保护窗口设置于最外层，工作时与海水接触，将楔形镜、第一透镜组、反射镜和第二透镜组与海水隔绝进行保护。实现了水下对海空尤其是接近海平面区域目标的清晰成像，提高了对近海平面方向目标的探测效果，结构紧凑，海底抗干扰能力强。

Description

一种对近海平面及空中目标成像的水下光学装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种对近海平面及空中目标成像的水下光学装置。
背景技术
水下对空中接近海平面或水下Snell窗口(Snell圆锥)边缘附近的成像一直是研究的热点。这是因为对于海面观测而言其主要目标无论是水下还是水面，都是在接近水面区域。例如海平面上一艘40m高的游轮在460m外仅占5°视场，因此水下对海空目标探测时海面附近几度视场角更重要。
空中接近水平角度或水下Snell窗口边缘附近的成像相对于垂直方向的成像更困难，常规的方法是采用广角镜头或鱼眼镜头覆盖水平区域成像，但其边缘图像压缩和畸变严重，且镜头焦距较短，只有几毫米。另外由于Snell圆锥与垂直方向激活呈48.6°，从而使入射光束产生类棱镜光谱效应，就像光束穿过顶角为48.6°的棱镜一样，产生严重的色差，影响光学装置的成像质量。楔形棱镜色差校正在近水平方向的水对空探测中非常必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种对近海平面及空中目标成像的水下光学装置，实现了水下对海空尤其是接近海平面区域目标的清晰成像，提高了对近海平面方向目标的探测效果，结构紧凑，海底抗干扰能力强。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种对近海平面及空中目标成像的水下光学装置，包括依次设置的耐压保护窗口、楔形镜、第一透镜组、反射镜和第二透镜组，耐压保护窗口和楔形镜沿O1-O2光路设置，光束沿O1-O2光路照射经过楔形镜折射后，形成O2-O3光路，第一透镜组和反射镜沿O2-O3光路设置，光束沿O2-O3光路照射经过反射镜反射后，形成O3-O4光路，第二透镜组沿O3-O4光路设置，耐压保护窗口设置于最外层，工作时与海水接触，将楔形镜、第一透镜组、反射镜和第二透镜组与海水隔绝进行保护。
按照上述技术方案，所述的水下光学装置还包括滤光片和探测器，滤光片和探测器依次设置于第二透镜组之后，沿O3-O4光路设置。
按照上述技术方案，O1-O2光路与垂直水平面的H-H’法线的夹角α为40°～60°，O2-O3光路与垂直水平面的H-H’法线的夹角β为51°～70°；可以对沿垂直海平面方向入射的30°～88°范围的近海平面及空中目标清晰成像。
按照上述技术方案，反射镜和第二透镜组之间设有可变光阑。
按照上述技术方案，所述可变光阑设置于水下光学装置的孔径光阑和视场光阑重合的位置。
按照上述技术方案，第一透镜组包括沿O2-O3光路依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第二透镜组包括沿O3-O4光路依次设置的第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜。
按照上述技术方案，楔形镜的材料为重火石玻璃。
按照上述技术方案，楔形镜的楔形角度为10°～20°。
一种近海平面的水下潜望器，包括所述的水下光学装置和壳体，水下光学装置设置于壳体内，沿壳体中心轴周向均匀分布。
按照上述技术方案，所述的水下光学装置个数为5～7个。
本发明具有以下有益效果：
1.通过海水本身、楔形镜、第一透镜组、反射镜和第二透镜组构成的光学成像路线，形成折反式结构，实现了水下对海空尤其是接近海平面区域目标的清晰成像，将海面与透镜之间的海水虚拟成一个楔形镜，作为成像光学系统的一部分，海面以上的入射光束穿透海水产生了类棱镜光谱色散效应，采用等效的反向楔形棱镜有效校正了海水冠状色散，提高了对近海平面方向目标的探测效果，所述的水下光学装置结构紧凑，有效减小了整个装置的外形尺寸，尤其适于潜水器具内布置，有效的节约潜水器具内有限的空间，无电子设备，海底抗干扰能力强。
2.水下光学装置沿壳体中心轴周向均匀分布，可形成多孔径凝视组合，实现360°周视海空目标警戒探测，无需扫描，警戒时间短，能及时发现目标，提前采取规避措施，在海空目标警戒探测领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例中对近海平面及空中目标成像的水下光学装置的原理图；
图2是本发明实施例中对近海平面及空中目标成像的水下光学装置的成像区域的示意图；
图3是本发明实施例中近海平面的水下潜望器的立面图；
图4是本发明实施例中近海平面的水下潜望器的剖视图；
图中，1-耐压保护窗口，2-楔形镜，3-第一透镜，4-第二透镜，5-第三透镜，6-第四透镜，7-反射镜，8-可变光阑，9-第五透镜，10-第六透镜，11-第七透镜，12-第八透镜，13-第九透镜，14-滤光片，15-探测器，16-壳体，17-海水，18-水平面，19-空中，20-空气。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图2所示，本发明提供的一个实施例中的对近海平面及空中目标成像的水下光学装置，包括依次设置的耐压保护窗口1、楔形镜2、第一透镜组、反射镜7和第二透镜组，耐压保护窗口1和楔形镜2沿O1-O2光路设置，光束沿O1-O2光路照射经过楔形镜2折射后，形成O2-O3光路，第一透镜组和反射镜7沿O2-O3光路设置，光束沿O2-O3光路照射经过反射镜7反射后，形成O3-O4光路，第二透镜组沿O3-O4光路设置，耐压保护窗口1设置于最外层，工作时与海水接触，将楔形镜2、第一透镜组、反射镜7和第二透镜组与海水隔绝进行保护；通过海水本身、楔形镜2、第一透镜组、反射镜7和第二透镜组构成的光学成像路线，形成折反式结构，实现了水下对海空尤其是接近海平面区域目标的清晰成像，将海面与透镜之间的海水虚拟成一个楔形镜2，作为成像光学系统的一部分，海面以上的入射光束穿透海水产生了类棱镜光谱色散效应，采用等效的反向楔形棱镜有效校正了海水冠状色散，提高了对近海平面方向目标的探测效果，所述的水下光学装置结构紧凑，有效减小了整个装置的外形尺寸，尤其适于潜水器具内布置，有效的节约潜水器具内有限的空间，无需扫描，警戒时间短，能及时发现目标，无电子设备，海底抗干扰能力强。
进一步地，所述的水下光学装置还包括滤光片14和探测器15，滤光片14和探测器15依次设置于第二透镜组之后，沿O3-O4光路设置。
进一步地，O1-O2光路与垂直水平面的H-H’法线的夹角α为48.6°，O2-O3光路与垂直水平面的H-H’法线的夹角β为59.8°；可以对沿垂直海平面方向入射的30°～88°范围的近海平面及空中目标清晰成像，实现对高低方向58°、方位360°的区域的水面及空中目标清晰成像。
进一步地，耐压保护窗口1与壳体16密封连接，壳体16内外密封隔绝。
进一步地，壳体16为球冠形。
进一步地，反射镜7和第二透镜组之间设有可变光阑8，相对孔径在1/3～1/10范围内连续可调；保证了反射镜7口径最小，通过可变光阑8变化可改变相对孔径大小。
进一步地，所述可变光阑8设置于所述的水下光学装置的孔径光阑和视场光阑重合的位置；通过改变光阑的孔径可使整个光学装置的相对孔径可调，保证在不同天空背景条件下对目标的探测效果。
进一步地，第一透镜组包括沿O2-O3光路依次设置的第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5和第四透镜6；第二透镜组包括沿O3-O4光路依次设置的第五透镜9、第六透镜10、第七透镜11、第八透镜12和第九透镜13。
进一步地，楔形镜2的材料为重火石玻璃。
进一步地，楔形镜2的材料为高色散的重火石玻璃；有效校正了透过楔形海水产生的严重色差，即海水的冠状色散。
进一步地，楔形镜2的楔形角度为14°。
如图3～图4所示，一种近海平面水下潜望器，包括所述的水下光学装置和壳体16，水下光学装置设置于壳体16内，沿壳体16中心轴周向均匀分布；所述的水下光学装置结构紧凑，保证了在有限的壳体16上布置多个，水下光学装置沿壳体16中心轴周向均匀分布，可形成多孔径凝视组合，实现360°周视海空目标警戒探测，无需扫描，警戒时间短，能及时发现目标，提前采取规避措施，在海空目标警戒探测领域具有广阔的应用前景。
进一步地，所述的水下光学装置个数为5～7个。
进一步地，所述的水下光学装置个数为6个，6个水下光学装置均布于球冠状壳体16上。
进一步地，所述的水下光学装置采用折反式结构形式，工作波段为486.1nm～610nm，系统焦距为20.5mm，像面尺寸为16.64mm×14.2mm，在海平面上的视场角为58°(高低)×60°(方位)，其中高低方向的视场范围为垂直海平面方向30°～88°；实现了水下对海空尤其是接近海平面区域目标的清晰成像。
本发明的一个实施例中，本发明的工作原理：
本水下光学装置置于海水中时，海面与光学成像单元中的透镜之间的海水虚拟成一个楔形镜2，作为成像光学系统的一部分，海面以上的入射光束穿透海水产生了类棱镜光谱色散效应，采用等效的反向楔形棱镜有效校正了海水冠状色散，提高了对近海平面方向目标的探测效果。采用六个完全相同的水下光学装置可形成多孔径凝视组合，实现对海面半球空域，尤其是近掠海目标的全景探测；因无需扫描，警戒时间短，能及时发现目标，提前采取规避措施，在海空目标警戒探测领域具有广阔的应用前景。
本发明的技术方案是：
一种对近海平面及空中目标成像的水下光学装置，包括依据光路传输依次安装于O1-O2光轴上的耐压保护窗口1和楔形镜2；安装于O2-O3光轴上的第一透镜组和反射镜7，其中第一透镜组由第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5和第四透镜6组成；安装于O3-O4光轴上的可变光阑8、第二透镜组、滤光片14和探测器15，其中第二透镜组由第五透镜9、第六透镜六10、第七透镜11、第八透镜12和第九透镜13组成。
所述的对近海平面及空中目标成像的水下光学装置，其光学系统采用折反式结构形式，工作波段为486.1nm～610nm，系统焦距为20.5mm，相对孔径在1/10～1/3范围可调，像面尺寸为16.64mm×14.2mm，在海平面上的视场角为58°(高低)×60°(方位)，其中高低方向的视场范围为垂直水平面方向30°～88°。
所述的对近海平面方向目标成像的水下光学装置，其光线由空气折射进入海水中所形成的Snell圆锥与垂直方向的夹角为48.6°，楔形海水水体对入射光线所产生的扩散角度θ满足
其中n560是560nm光在海水中的折射率，为光谱的中心，n610是610nm光在海水中的折射率，n486.1是486.1nm光在海水中折射率。用于校正海水冠状色散的楔形镜2使用高色散的重火石玻璃，楔角度为14°，其产生的棱镜光谱效应等效于楔形海水水体对入射光线产生的角度扩散。
所述的对近海平面及空中目标成像的水下光学装置，其光学装置的O1-O2光轴与法线H-H’的夹角为48.6°，使海平面目标可以在探测器中心清晰成像；楔形镜2将从耐压保护窗口1出射的光轴为O1-O2的光束相对法线H-H’偏转到59.8°，形成O2-O3光轴的光束；反射镜7置于透镜组一后的光轴为O2-O3光路中，用于将从透镜组一透射的光轴为O2-O3的光束成平行于H-H’法线光轴出射，形成光轴为O3-O4的光束，有效减小了整个装置的外形尺寸，保证了可以在规定直径的球冠上均布六个相同该装置。
所述的安装于O3-O4光轴上的可变光阑8处于光学装置孔径光阑和视场光阑重合的位置，通过改变光阑8孔径可使光学装置的相对孔径可调，保证在不同天空背景条件下对目标的探测效果。
所述的对近海平面及空中目标成像的水下光学装置，其反射镜7置于O3-O4光轴上的光阑8前，保证了反射镜7口径最小。
所述的对近海平面及空中目标成像的水下光学系统装置，将六个完全相同的该光学装置均布于规定直径的球冠上，每个光学装置与垂直水平面的法线夹角均为48.6°，可实现对高低方向58°、方位360°的区域的水面及空中目标清晰成像。
以下结合本发明技术方案对本发明的效果作说明：
所述的光学装置中耐压窗口和楔形镜2所在的O1-O2光轴相对法线H-H’倾斜48.6°，使近海平面目标清晰成像在靶面中心，提高近海平面目标的成像质量；所述的楔形镜2承担校正楔形海水产生的冠状色散任务，消除了楔形水体色散产生的类棱镜光谱效应，提高了近海面目标的成像质量；可变光阑8承担调节光学装置相对孔径的任务，使光学装置的相对孔径在1/10～1/3范围内连续可调，保证在不同天空背景条件下对目标探测效果；反射镜7承担将从透镜组一出射的沿O2-O3光轴传输的光束折转成平行于法线H-H’光轴光束的任务，有效减小了整个装置的外形尺寸，保证了可以在规定直径的球冠上均布六个相同水下光学装置，实现对全方位360°区域的海面及空中目标清晰成像。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种对近海平面及空中目标成像的水下光学装置，其特征在于，包括依次设置的耐压保护窗口、楔形镜、第一透镜组、反射镜和第二透镜组，耐压保护窗口和楔形镜沿O1-O2光路设置，光束沿O1-O2光路照射经过楔形镜折射后，形成O2-O3光路，第一透镜组和反射镜沿O2-O3光路设置，光束沿O2-O3光路照射经过反射镜反射后，形成O3-O4光路，第二透镜组沿O3-O4光路设置，耐压保护窗口设置于最外层，工作时与海水接触，将楔形镜、第一透镜组、反射镜和第二透镜组与海水隔绝进行保护；
O1-O2光路与垂直水平面的H-H’法线的夹角α为40°～60°，O2-O3光路与垂直水平面的H-H’法线的夹角β为51°～70°。
2.根据权利要求1所述的对近海平面及空中目标成像的水下光学装置，其特征在于，所述的水下光学装置还包括滤光片和探测器，滤光片和探测器依次设置于第二透镜组之后，沿光路O3-O4设置。
3.根据权利要求1所述的对近海平面及空中目标成像的水下光学装置，其特征在于，反射镜和第二透镜组之间设有可变光阑。
4.根据权利要求3 所述的对近海平面及空中目标成像的水下光学装置，其特征在于，所述可变光阑设置于水下光学装置的孔径光阑和视场光阑重合的位置。
5.根据权利要求1所述的对近海平面及空中目标成像的水下光学装置，其特征在于，第一透镜组包括沿O2-O3光路依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第二透镜组包括沿O3-O4光路依次设置的第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜。
6.根据权利要求1所述的对近海平面及空中目标成像的水下光学装置，其特征在于，楔形镜的材料为重火石玻璃。
7.根据权利要求1所述的对近海平面及空中目标成像的水下光学装置，其特征在于，楔形镜的楔形角度为10°～20°。
8.一种近海平面的水下潜望器，其特征在于，包括权利要求1所述的水下光学装置和壳体，水下光学装置设置于壳体内，沿壳体中心轴周向均匀分布。
9.根据权利要求8所述的近海平面的水下潜望器，其特征在于，所述的水下光学装置个数为5～7个。
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