CN107167896A - 高清水下视频摄像镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高清水下视频摄像镜头，包括沿光线入射方向依次设置的第一镜片、第二镜片、光栏、第三镜片、第四镜片、第五镜片以及第六镜片，所述第一镜片为凸凹负透镜，所述第二镜片为凸凹正透镜，所述第三镜片为双凹负透镜，所述第四镜片为凹凸正透镜，所述第五镜片为凸凹正透镜，所述第六镜片为平板保护玻璃。该镜头采用使整个光学系统的入瞳位置和第一镜片第一面的球心相重合的方法，保证光束无偏折地进入水空间，不仅能适应不同水深、在不同水深均能达到高清的效果，而且光学结构简单、性价比高。

Description

高清水下视频摄像镜头

技术领域

本发明涉及光学镜头领域，特别涉及一种高清水下视频摄像镜头。

背景技术

随着水下视频摄影的技术突破，特别是高灵敏度、高清晰度摄像器件和适应水下摄影的高亮度的照明系统的突破，使得人类借助视频摄像设备能看到更清晰、距离更远、水底更深、观察时间更长的水下景物活动情况，推动了人类对海洋、江河湖泊等水下领域探索更大的兴趣。新的水下产业、水下安防、水下科研、水下资源勘探开发、水下娱乐运动等迅速兴起。

与陆上的大气环境不同，它的物方空间传播介质是折射率为1.334和1.34316的水或海水,因此陆上能用的视频摄像光学系统,在水下不一定可用。置于水下的摄像光学系统，所看到的景物比在大气中看的要大近4/3，能看到的景物距离仅为大气中的3/4。由于水对可见光的吸收和散射较强，光亮度迅速衰减(每米衰减约4％)，在阳光明媚的条件下，可视水平距离大约30m左右，同时很难看清水深20m的景物。在悬浮物较严重的水下，能看清的景物往往还不到2m。因此，水下摄影需要特殊的人工辅助照明，才能看得远、看得深。研究表明，由于水对光的吸收使景物在水下的色彩也发生很大的改变，在水深5m时红光消失，在10m时黄光消失，在20m后只剩下兰光，所以水下摄影的光谱中心在蓝绿光附近。总之，在水下的景物的对比度(反差)、色彩、立体感大不如在空气环境。作为较好的吸热体，温度对摄像系统影响较大，也需要给于考虑。此外，置于水下的物体还要承受比大气上更大的压力，实验表明每下沉1m，物体上受到的压力增加1个大气压。因此，设计的光学系统和外壳不仅要考虑水密的问题，还要考虑抗压问题。

目前水下视频摄像镜头常用的结构方案大致有两种：(一)、如图1所示，采用同心球壳透镜作为前置防护窗口。其中，序号a为海水，序号b为同心球壳防护窗口，序号c为后置物镜，序号d为入瞳，序号e为像面，d₁为同心球壳厚度，d₂为同心球壳到后置物镜间距，R₁为同心球壳外半径，R₂为同心球壳内半径，lp_后为后置物镜前端到入瞳中心的间距，R₂＝d₂+lp_后。它让后置的光学系统的出瞳位置处于同心球壳的球心。一方面能让光线沿径向射出，保证经球壳出射的光束无偏折的进入水空间；另一方面可产生一定的+S3和-S4(初级像场系数)，平衡物空间介质由空气改为水引起的较大的场曲和像散.。这种结构的缺点是同心球难加工而且加工效率低。(二)、如图2所示，采用在空气中设计好的后置镜头前加入一组倒置的伽利略望远镜。其中，序号f为海水，序号g为倒置伽利略望远系统，序号h为后置物镜，序号i为入瞳，序号j为像面。把在空气中设计好的后置镜头的视场扩大到和放在水介质一样。这样可以用前置的望远镜的参量来校正物空间介质由空气改为水引起的像差。这种结构的不足是片数增加。

此外，目前水下视频摄像镜头大多数是广角(有的做到超广角)、特大摄像器件、较大孔径的镜头，如美国专利：5579169，其f′＝12.3mm,2ω在170°-180°,D/f＝1；2.3,九片结构，光学总长大于130mm；我国也有单位开展这方面镜头的研制,基本上是中等视场、中等孔径，镜片数都在七片以上，光学系统长度不小于80mm，且上述镜头的清晰度均为标清。

发明内容

本发明的目的在于克服以上缺点，提供一种高清水下视频摄像镜头，该镜头采用使整个光学系统的入瞳位置和第一镜片第一面的球心相重合的方法，保证光束无偏折地进入水空间，不仅能适应不同水深、在不同水深均能达到高清的效果，而且光学结构简单、性价比高。

本发明是这样实现的：一种高清水下视频摄像镜头，其特征在于：包括沿光线入射方向依次设置的第一镜片、第二镜片、光栏、第三镜片、第四镜片、第五镜片以及第六镜片，所述第一镜片为凸凹负透镜，所述第二镜片为凸凹正透镜，所述第三镜片为双凹负透镜，所述第四镜片为凹凸正透镜，所述第五镜片为凸凹正透镜，所述第六镜片为平板保护玻璃，构成摄像镜头的各光学元件需满足以下条件：

lp₁＝R₁±0.2mm‥‥‥①

3<R₁/R₂<4.5‥‥‥②

-0.075<h₁/f′_前<-0.05‥‥‥③

7.8<R₁₀<9.5‥‥‥④

17.5<d₂<18.5‥‥‥⑤

4<d₁<6‥‥‥⑥

1.71<n₃<1.75，50<v₃<58‥‥‥⑦

1.75<n₈<1.78，50<v₈<57‥‥‥⑧

1.71<n₆<1.76，26.5<v₆<30‥‥‥⑨

其中，lp₁为第一镜片第一面到光学系统入瞳中心的距离，R₁、R₂、R₁₀分别为沿光线入射方向镜片第一面、第二面和第十面的半径，h₁为入瞳半孔径，f′_前为第一镜片的焦距，d₁为第一镜片的厚度，d₂为第一镜片和第二镜片之间的空气间隔，n₃、n₆、n₈分别为第二镜片、第三镜片和第四镜片的折射率，v₃、v₆、v₈分别为第二镜片、第三镜片和第四镜片的阿贝系数。

为了能实现镜头的小型化，构成摄像镜头的各光学元件需满足以下条件：

0.8<︱f′₃︱/f′<1.2‥‥‥⑩

其中，f′₃为第三镜片的焦距，f′₅为第五镜片的焦距，f′为整个光学系统的焦距。

为了避免摄像镜头受到腐蚀，所述高清水下视频摄像镜头还包括设置于第一镜片前端的前置平板玻璃，所述第一镜片和前置平板玻璃之间充满纯净水。

优选的，所述光栏为电动遥控可变光栏。

优选的，所述第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片以及第六镜片分别采用以下材料制成：H-K9L、H-LaK52、H-ZF4、H-LaK53A、H-LaK53A、H-K9L。

较之现有技术而言，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的高清水下视频摄像镜头，采用使整个光学系统的入瞳位置和第一镜片第一面的球心相重合的方法，保证光束无偏折地进入水空间，不仅能适应不同水深、在不同水深均能达到高清的效果，而且光学结构简单、性价比高；

(2)本发明提供的高清水下视频摄像镜头，第一镜片第二面的半径和厚度可作为参量和后置光学系统一起对像差进行校正，有利光学系统的成像质量进一步改善；

(3)本发明提供的高清水下视频摄像镜头，第一镜片前设有前置平板保护玻璃并在它和第一镜片之间充入纯净水，使原镜头第一面不直接与海水或脏水接触，不仅能延长使用寿命，而且它可以和后面的原镜头分开单独密封，维修时只需更换前置平板保护玻璃即可；

(4)本发明提供的高清水下视频摄像镜头，镜头总长不大于50mm，具有结构简单、小型化、维修方便、广角大孔径等优点。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步说明：

图1是现有技术采用同心球壳方案的原理示意图；

图2是现有技术采用加入倒置的伽利略望远镜方案的原理示意图；

图3是本发明高清水下视频摄像镜头实施例1的结构示意图；

图4是本发明高清水下视频摄像镜头实施例2的结构示意图；

图5是本发明镜头装置实施例1的主要几何像差曲线图。其中：MTF曲线图是0ω、0.5ω、0.7ω、1ω各视场的MTF曲线，横坐标的单位是线对/mm；球差、像散的横坐标的单位是mm；倍率色差的横坐标的单位是μm；特性曲线的最大的纵坐标的单位是±20μm；畸变的横坐标的单位是％；

图6是本发明镜头装置实施例2中0ω、0.5ω、0.7ω、1ω各视场的MTF曲线。MTF曲线图的横坐标的单位是线对/mm。

图中符号说明：1、第一镜片，2、第二镜片，3、第三镜片，4、第四镜片，5、第五镜片，6、第六镜片，7、光栏，0、海水，1′、前置平板玻璃，2′纯净水。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明内容进行详细说明：

如图3所示，为本发明提供的一种高清水下视频摄像镜头，其特征在于：包括沿光线入射方向依次设置的第一镜片1、第二镜片2、光栏7、第三镜片3、第四镜片4、第五镜片5以及第六镜片6，所述第一镜片1为凸凹负透镜，所述第二镜片2为凸凹正透镜，所述第三镜片3为双凹负透镜，所述第四镜片4为凹凸正透镜，所述第五镜片5为凸凹正透镜，所述第六镜片6为平板保护玻璃，构成摄像镜头的各光学元件需满足以下条件：

lp₁＝R₁±0.2mm‥‥‥①

3<R₁/R₂<4.5‥‥‥②

-0.075<h₁/f′_前<-0.05‥‥‥③

7.8<R₁₀<9.5‥‥‥④

17.5<d₂<18.5‥‥‥⑤

4<d₁<6‥‥‥⑥

1.71<n₃<1.75，50<v₃<58‥‥‥⑦

1.75<n₈<1.78，50<v₈<57‥‥‥⑧

1.71<n₆<1.76，26.5<v₆<30‥‥‥⑨

其中，lp₁为第一镜片1第一面到光学系统入瞳中心的距离，R₁、R₂、R₁₀分别为沿光线入射方向镜片第一面、第二面和第十面的半径，h₁为入瞳半孔径，f′_前为第一镜片1的焦距，d₁为第一镜片1的厚度，d₂为第一镜片1和第二镜片2之间的空气间隔，n₃、n₆、n₈分别为第二镜片2、第三镜片3和第四镜片4的折射率，v₃、v₆、v₈分别为第二镜片2、第三镜片3和第四镜片4的阿贝系数。

设置条件①的目的是，采用非同心球壳结构作水下电视镜头防护窗口，并使整个光学系统的入瞳位置和第一镜片1第一面的球心基本重合，达到经球壳出射的光束是沿径向射出，保证光束无偏折的进入水空间，该片的第2面的半径和厚度可以作为参量和后置光学系统一起对像差进行校正，有利光学系统的成像质量进一步改善。根据计算，给于它±0.2mm的公差有利于快速达到自动平衡像差的目标值，对进入水介质的偏折角度影响很小。

设置条件②的目的是，在第一镜片1采用不同心球壳透镜结构时，能让两球面产生一定量的-S4又不产生过大的+S3差值，有利于平衡物空间改为水介质后带来的像场弯曲和像散。

设置条件③的目的是，不让第一镜片1承担过大的轴上偏角，避免它产生高级轴上像差，有利于让它平衡物空间改为水介质后产生的轴外像差。

设置条件④的目的是，让它产生较大的+S1，以平衡第三镜片3前一面产生的﹣S1，也使正负高级球差得到平衡。

设置条件⑤的目的是，这一间隔起着使光学系统的入瞳能和R1重合的作用。计算表明，它越长越好，但不利于系统的小型化和后截距的拉大。

设置条件⑥的目的是，在第一镜片1能承受外面水压的前提下，尽量控制它的厚度，有利于控制第一面和入瞳位置重合和镜头的小型化。

设置条件⑦的目的是，降低可能产生的轴外高级像差，使光栏后的透镜只用初级像差，就能把光学系统的轴外像差平衡好。

设置条件⑧的目的是，降低正透镜产生的正高级轴上像差和增大它的第一面的半径，有利于加工。

设置条件⑨的目的是降低负透镜产生的负高级轴上像差和增大它的第一面的半径，有利于加工。

为了能实现镜头的小型化，构成摄像镜头的各光学元件需满足以下条件：

0.8<︱f′₃︱/f′<1.2‥‥‥⑩

其中，f′₃为第三镜片的焦距，f′₅为第五镜片的焦距，f′为整个光学系统的焦距。

设置条件⑩的目的是，通过控制它的焦距范围使之产生的负高级球差能在一定范围内并产生一定量的-S1、-C1，使后面的正透镜产生的正高级球差和-S1、-C1能与之平衡。

设置条件的目的是，让它产生的一定量的-S1、-C1的同时，不至于光学系统的后截距太短。

如图4所示，为了避免摄像镜头受到腐蚀，所述高清水下视频摄像镜头还包括设置于第一镜片1前端的前置平板玻璃1′，所述第一镜片1和前置平板玻璃1′之间充满纯净水。

优选的，所述光栏7为电动遥控可变光栏。

优选的，所述第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3、第四镜片4、第五镜片5以及第六镜片6分别采用以下材料制成：H-K9L、H-LaK52、H-ZF4、H-LaK53A、H-LaK53A、H-K9L。

实施例1

表1是图3所示的本发明镜头装置的光学结构数据。R₁、R₂‥‥R₁₂、R₁₃为透镜各面的半径；d₁、d₂‥‥d₁₂、d₁₃分别是各透镜的厚度或它们之间的空气间隔。其实际焦距f′＝5.765mm，相对孔径D/f′＝1:2,视场角2ω＝60°(像面大小Φ8mm)，物距L1取25m，光学总长Totr＝41.5mm，设计的光谱中心设在绿光(e光),e、F、d、c、g各谱线的权重取1、1、0.8、0.3、0.4。半径R和厚度d的单位均为mm。

图5是本发明镜头装置实施例1的主要几何像差曲线图。其中：MTF曲线图是0ω、0.5ω、0.7ω、1ω各视场的MTF曲线，横坐标的单位是线对/mm；球差、像散的横坐标的单位是mm；倍率色差的横坐标的单位是μm；特性曲线的最大的纵坐标的单位是±20μm；畸变的横坐标的单位是％。

表1：

实施例2：

实施例2与实施例1的区别在于：如图5所示，实施例2在实施例1的基础上，增加了前置平板玻璃8，并在第一镜片1和前置平板玻璃8之间充满纯净水。

表2是实施例2的光学结构数据。R_1’、R_2’、R₁、R₂‥‥R₁₂、R₁₃为透镜各面的半径；d_1’、d_2’、d₁、d₂‥‥d₁₂、d₁₃分别是各透镜的厚度或它们之间的空气间隔。其实际焦距f′＝5.78mm，相对孔径D/f′＝1:2,视场角2ω＝60°(像面大小Φ8mm)，物距L1取25m，光学总长Totr＝49.49mm，e、F、d、c、g各谱线的权重取1、1、0.8、0.3、0.4。半径R和厚度d的单位均为mm。

图6是本发明镜头装置实施例2中0ω、0.5ω、0.7ω、1ω各视场的MTF曲线。MTF曲线图的横坐标的单位是线对/mm。

表2：

上述具体实施方式只是对本发明的技术方案进行详细解释，本发明并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高清水下视频摄像镜头，其特征在于：包括沿光线入射方向依次设置的第一镜片(1)、第二镜片(2)、光栏(7)、第三镜片(3)、第四镜片(4)、第五镜片(5)以及第六镜片(6)，所述第一镜片(1)为凸凹负透镜，所述第二镜片(2)为凸凹正透镜，所述第三镜片(3)为双凹负透镜，所述第四镜片(4)为凹凸正透镜，所述第五镜片(5)为凸凹正透镜，所述第六镜片(6)为平板保护玻璃，构成摄像镜头的各光学元件需满足以下条件：

lp₁＝R₁±0.2mm ‥‥‥①

3<R₁/R₂<4.5 ‥‥‥②

-0.075<h₁/f′_前<-0.05 ‥‥‥③

7.8<R₁₀<9.5 ‥‥‥④

17.5<d₂<18.5 ‥‥‥⑤

4<d₁<6 ‥‥‥⑥

1.71<n₃<1.75，50<v₃<58 ‥‥‥⑦

1.75<n₈<1.78，50<v₈<57 ‥‥‥⑧

1.71<n₆<1.76，26.5<v₆<30 ‥‥‥⑨

其中，lp₁为第一镜片(1)第一面到光学系统入瞳中心的距离，R₁、R₂、R₁₀分别为沿光线入射方向镜片第一面、第二面和第十面的半径，h₁为入瞳半孔径，f′_前为第一镜片(1)的焦距，d₁为第一镜片(1)的厚度，d₂为第一镜片(1)和第二镜片(2)之间的空气间隔，n₃、n₆、n₈分别为第二镜片(2)、第三镜片(3)和第四镜片(4)的折射率，v₃、v₆、v₈分别为第二镜片(2)、第三镜片(3)和第四镜片(4)的阿贝系数。

2.根据权利要求1所述的高清水下视频摄像镜头，其特征在于：构成摄像镜头的各光学元件需满足以下条件：

0.8<︱f′₃︱/f′<1.2 ‥‥‥⑩

其中，f′₃为第三镜片的焦距，f′₅为第五镜片的焦距，f′为整个光学系统的焦距。

3.根据权利要求1所述的高清水下视频摄像镜头，其特征在于：所述高清水下视频摄像镜头还包括设置于第一镜片(1)前端的前置平板玻璃(1′)，所述第一镜片(1)和前置平板玻璃(1′)之间充满纯净水。

4.根据权利要求1所述的高清水下视频摄像镜头，其特征在于：所述光栏(7)为电动遥控可变光栏。

5.根据权利要求1所述的高清水下视频摄像镜头，其特征在于：所述第一镜片(1)、第二镜片(2)、第三镜片(3)、第四镜片(4)、第五镜片(5)以及第六镜片(6)分别采用以下材料制成：H-K9L、H-LaK52、H-ZF4、H-LaK53A、H-LaK53A、H-K9L。