CN110109237A - 一种水下大视场连续变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下大视场连续变焦光学系统，解决现有水下连续变焦光学系统，要么视场角小、要么变倍比小、要么系统体积大、要么系统结构复杂的问题。该系统包括沿光轴方向依次同轴设置的窗口、前固定镜组、变倍镜组、光阑、中间固定镜组、补偿镜组、像差稳定镜组、后固定镜组和滤光片；前固定镜组包括正光焦度的第一胶合镜组和第二正透镜；变倍镜组包括第二负透镜和负光焦度的第二胶合镜组；中间固定镜组包括第四正透镜和正光焦度的第三胶合镜组；补偿镜组包括第五负透镜和第六负透镜；像差稳定镜组包括第六正透镜；后固定镜组包括第七正透镜、第七负透镜和第八正透镜；变倍镜组、补偿镜组和像差稳定镜组可同步沿光轴方向前后直线移动。

Description

一种水下大视场连续变焦光学系统

技术领域

本发明涉及一种水下成像光学系统。特别涉及一种变倍比大、体积紧凑且适配高分辨率图像传感器的水下大视场连续变焦光学系统。

背景技术

近年来，适用于水下地质勘察、水下资源勘探、水下环境监测、水下摄影测量等应用需求的光学成像技术获得极大关注。但是，水介质的光学性质不同于空气，水对各谱段的光表现出强烈的吸收，且水中存在的悬浮质点会造成散射效应，降低所成目标影像的对比度。而且，一般水下成像系统通过光学窗口将位于水介质中的物空间和位于空气介质(或其他纯净气体介质)中的像空间隔开，光线从水介质进入空气时，会发生折射现象。此时，如果使用普通的成像物镜，采用简单的透明平行平板玻璃密封防水，将使成像物镜的视角变小(焦距增大)，放大率减小，像差也发生变化，其中色差和畸变明显增大，从而使成像质量变坏、图像扭曲变形、清晰度降低。因此设计出具有较小F数(F#即为光圈数，是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D)、较大视场、连续变焦功能的水下光学成像系统，难度较大；对于一些文献公开的水下连续变焦光学系统，要么视场角小、要么变倍比小、要么系统体积大、要么系统结构复杂。

2013年，刊载于中国期刊《激光与光电子进展》第9期的题为《深海探测变焦光学系统的设计》的文献报道了一种大相对孔径水下连续变焦光学系统，采用圆顶壳式水窗，针对8.8mm×6.6mm像面尺寸，长焦端全视场为36°，短焦端全视场为66°,有效焦距范围5.9～11.8mm，两倍变焦，变焦过程中光学系统相对孔径恒定为1/1.4，光学系统总长达245mm，不适合某些体积要求严格的应用要求。

2017年，公开号特開2017-97205的日本专利，公开了一种光学前置转换镜设计，通过将该转换镜与相应具备连续变焦功能的摄影镜头组合即可构成水下连续变焦光学系统，所述光学系统焦距范围为6.91mm～12.59mm，相对孔径为1/3.61～1/4.72，全视场为64.55°～101.22°。但通过前置转换镜的方式会压缩光学系统相对孔径，很难实现大变倍比。

2018年，公开号CN 108627961 A的中国专利，公开了一种大相对孔径水下变焦成像镜头的光学系统，该光学系统相对孔径为1.4，焦距范围为10mm～28mm，光学系统总长200mm，变倍比为2.8倍，实际工作状态分10mm、14mm和28mm三档切换，但是不能实现连续变焦功能；另外光阑位在变倍镜组内，随变倍镜组前后移动，为了保持变焦前后相对孔径一定，光阑通光孔径需随变倍镜组的移动实现大小变化，导致该系统的结构复杂。

发明内容

为了解决现有水下连续变焦光学系统，要么视场角小、要么变倍比小、要么系统体积大、要么系统结构复杂的问题。本发明提供了一种水下大视场连续变焦光学系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种水下大视场连续变焦光学系统，其特殊之处在于：包括沿光轴方向从左向右依次同轴设置的窗口、前固定镜组、变倍镜组、光阑、中间固定镜组、补偿镜组、像差稳定镜组、后固定镜组和滤光片，窗口的左侧为物面，滤光片的右侧为焦面；所述前固定镜组包括从左至右依次排列的第一胶合镜组和第二正透镜，所述第一胶合镜组具有正的光焦度；所述变倍镜组包括从左至右依次排列的第二负透镜和第二胶合镜组，所述第二胶合镜组具有负的光焦度；所述中间固定镜组包括从左至右依次排列的第四正透镜和第三胶合镜组，所述第三胶合镜组具有正的光焦度；所述补偿镜组包括从左至右依次排列的第五负透镜和第六负透镜；所述像差稳定镜组包括单片式第六正透镜；所述后固定镜组包括从左至右依次排列的第七正透镜、第七负透镜和第八正透镜；所述光阑固定在第四正透镜的左侧；所述变倍镜组、补偿镜组和像差稳定镜组可同步沿光轴方向前后直线移动，实现连续变焦。

进一步地，所述第一胶合镜组由从左至右依次排列的第一负透镜与第一正透镜胶合构成；所述第二胶合镜组由从左至右依次排列的第三负透镜与第三正透镜胶合而成；所述第三胶合镜组由从左至右依次排列的第五正透镜与第四负透镜胶合而成。

进一步地，所述第二正透镜对d线的阿贝数为vd903，vd903满足条件：

vd903<38。

进一步地，所述变倍镜组的焦距为f8，所述水下大视场连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，所述第三正透镜对d线的阿贝数为vd803，fL、f8和vd803满足条件式：

7.2<|fL/f8|<9.5；

Vd803<26。

进一步地，所述中间固定镜组的焦距为f6，所述第四正透镜对d线的阿贝数为vd601，fL、f6和vd601满足条件式：

4.7<|fL/f6|<5.4；

Vd601>80。

进一步地，所述补偿镜组的焦距为f5，所述第六负透镜对d线的阿贝数为vd502，fL、f5和vd502满足条件式：

5.8<|fL/f5|<7.2；

Vd502>60。

进一步地，所述后固定镜组中的第八正透镜的径向放大倍率为m303，m303满足条件：

0.5<|m303|<0.8。

进一步地，所述变倍镜组、补偿镜组和像差稳定镜组通过齿轮-导轨机构、凸轮-套筒机构或凸轮-导轨机构在光学系统的光轴方向前后直线移动。

进一步地，所述滤光片为红外截止滤光片或带通滤光片。

进一步地，所述光阑为固定通光孔径光阑或者通光孔径可变光阑。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明的光学系统适用于水下成像，能够实现连续变焦功能，在水下环境实现大于60度的成像视场，并在全变焦段范围内实现高清成像，可实现大于10倍的连续变倍功能；在焦距连续变化的过程中，所有焦距中心视场及边缘视场均具有较好的成像质量。

2、本发明的光学系统镜片总数数量少，具有较好的公差特性，各镜组所用光学材料均为常用光学玻璃材料，均具有较好的可获得性与可加工特性。

3、本发明光学系统的变倍镜组、补偿镜组和像差稳定镜组，按设计给定的运动规律连续运动，变焦形式为内变焦。在变焦过程中，各镜组始终在光轴上前后移动，变倍时光圈F数恒定不变，总长固定不变，质心变化较小，该系统体积小，结构紧凑。

4、本发明的焦面与后固定组之间设置滤光片，滤光片可根据工作需要进行更换，当光学系统需要工作于彩色成像条件时，切入红外截止滤光片，保证所成图像彩色信息均匀丰富；当光学系统需要工作于全色模式或其他谱段时，切入相应谱段的滤光片，此时，即可获得对应谱段的光学影像。

5、本发明光学系统光阑固定位于中间固定镜组靠近物方侧透镜的外侧，可采用不同类型的光阑留有足够空间，以保证水下大视场连续变焦光学系统相对孔径恒定不变、手动或自动变化，提高了本发明水下大视场连续变焦光学系统的模块化水平；另一方面，光阑经后续镜组成像于像面侧很远距离处，构成准像方远心光路，可保证整个像面具有均匀的相对照度分布。

6、本发明光学系统采用准像方远心的设计形式结合像差渐晕的设计方法，保证光学系统在各视场条件下均具有较好畸变特性的同时，亦可使各视场条件下像面照度分布更为均匀。

7、本发明光学系统通过适配不同厚度不同材料的窗口，可保证整个光学系统对水下环境的适应性，实现对不同深度水下环境的清晰成像，本发明适用于各类水下摄影、探测、监控、搜索等用途。

附图说明

图1为本发明实施例水下大视场连续变焦光学系统透镜结构的示意图；

图2为本发明实施例短焦状态光路图；

图3为本发明实施例中焦状态光路图；

图4为本发明实施例长焦状态光路图；

其中，附图标记如下：

1-焦面，2-滤光片，3-后固定镜组，301-第七正透镜,302-第七负透镜,303-第八正透镜,4-像差稳定镜组，401-第六正透镜,5-补偿镜组，501-第五负透镜,502-第六负透镜,6-中间固定镜组，601-第四正透镜，602-第五正透镜，603-第四负透镜，7-光阑，8-变倍镜组，801-第二负透镜，802-第三负透镜，803-第三正透镜，9-前固定镜组，901-第一负透镜，902-第一正透镜，903-第二正透镜，10-窗口，11-物面。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，一种水下大视场连续变焦光学系统，包括沿光轴方向从左向右依次同轴设置的窗口10、前固定镜组9、变倍镜组8、光阑7、中间固定镜组6、补偿镜组5、像差稳定镜组4、后固定镜组3和滤光片2，窗口10的左侧为物面11，滤光片2的右侧为焦面1，变倍镜组8与前固定镜组9、中间固定镜组6、补偿镜组5、像差稳定镜组4、后固定镜组3共同构成完整的成像系统，本发明在焦距变化的过程中系统总长不变。

在变焦过程中，变倍镜组8、补偿镜组5和像差稳定镜组4同步沿光轴方向按一定(特定)规律前后直线移动，即图1所示的左右方向移动，在从宽视场向窄视场变化时，变倍镜组8、补偿镜组5和像差稳定镜组4靠近像面方向一侧平移；在从窄视场向宽视场变化时，变倍镜组8、补偿镜组5和像差稳定镜组4向物面11方向一侧移动。

前固定镜组9包括自左向右中心轴线同轴排列的第一胶合镜组和第二正透镜903；第一胶合镜组具有正折射力，由第一负透镜901和第一正透镜902构成。在光学系统的最靠物面11侧，能够配置具有较长焦距且具有正折射力的前固定镜组9，有利于光学系统的小型化。

此外，设第二正透镜903对d线的阿贝数为vd903时，vd903满足以下条件式：

vd903<38；(1)

条件式(1)是规定前固定镜组9对整个工作谱段范围内，由物面11侧工作介质水和窗口引入的跨全变倍区域的相对于整个工作谱段范围而产生的色差良好地进行校正的条件。通过由满足条件式(1)的高色散材料形成前固定镜组9中的第二正透镜903，能够在全变倍范围对整个工作谱段范围，由物面11侧工作介质水和窗口引入的跨全变倍区域的相对于整个工作谱段范围而产生的色差良好地进行校正。另外，条件式(1)中，若超出其上限，则对由工作介质引入的色差的校正变得困难。

变倍镜组8包括自左向右中心轴线同轴排列的第二负透镜801和第二胶合镜组；第二胶合镜组具有负折射力，由第三负透镜802和第三正透镜803构成；设变倍镜组8的焦距为f8，设水下大视场连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，设第三正透镜803对d线的阿贝数为vd803，fL、f8和vd803满足以下条件式：

7.2<|fL/f8|<9.5；(2)

vd803<26；(3)

条件式(2)是对变倍镜组8的焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式(2)，能够保证光学系统变焦迅速，并能够实现光学系统的小型化。条件式(2)中若低于其下限，则变倍镜组8的移动量增加，因此光学系统的小型化变得困难。另一方面，在条件式(2)中若超过其上限，对光学系统小型化有利，但特别是短焦端中的彗差和像散的校正变得困难，光学性能劣化，导致成像质量变差。

条件式(3)是规定跨全变倍区域地对变倍镜组8相对于整个工作谱段区域的光产生的色像差良好地进行校正的条件的式子。通过由满足条件式(3)的高色散材料形成变倍镜组8中的第三正透镜803，能够在全变倍范围对相对于工作谱段范围的光而产生的色差良好地进行校正。另外，条件式(3)中，若低于它的下限，则轴上色差的校正变得困难，不能够对于整个工作谱段范围的光产生的色差充分地进行校正。

变倍镜组8能够有效压缩光线在后组镜片表面的入射角，降低后组镜片像差校正的难度。

中间固定镜组6包括自左向右中心轴线同轴排列的第四正透镜601和第三胶合镜组；第三胶合镜组具有正折射力，由第五正透镜602和第四负透镜603构成；设所述中间固定镜组6的焦距为f6，设所述第四正透镜601对d线的阿贝数为vd601，fL、f6和vd601满足以下条件式：

4.7<|fL/f6|<5.4；(4)

vd601>80；(5)

条件式(4)是对中间固定镜组6焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式(4)，能够压缩补偿镜组5和像差稳定镜组4的外径，并且可以有效缩短补偿镜组5和像差稳定镜组4的变焦行程，保证镜组运动平缓迅速。条件式(4)若低于其下限，则所述补偿镜组5和像差稳定镜组4的外径变大，光学系统的小型化变得困难。另一方面，在条件式(4)中若超过其上限，对光学系统的小型化有利，但将引入过多畸变，使光学系统所成影像出现扭曲变形。

条件式(5)是规定跨全变倍区域地对中间固定镜组6镜组内相对于整个工作谱段区域的光产生的色像差良好地进行校正的条件的式子。通过由满足条件式(5)的低色散材料形成中间固定镜组6中的第四正透镜601，能够对中间固定镜组6对相对于工作谱段范围的光而产生的色差良好地进行校正。另外，条件式(5)中，若低于它的下限，则中间固定镜组6内的色差的校正变得困难，导致后续镜组光学结构变得复杂。

此外，补偿镜组5包括自左向右中心轴线同轴排列的具有负折射力的第五负透镜501和第六负透镜502组成；设所述补偿镜组5的焦距为f5，设所述第六负透镜502对d线的阿贝数为vd502，所述fL、f5和vd502满足以下条件式：

5.8<|fL/f5|<7.2；(6)

vd502>60；(7)

条件式(6)是对与变倍组相伴的所述补偿镜组5的焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式(6)，能够保证光学系统补偿镜组5运动平缓迅速，并能够更好地对长焦端中的场曲进行校正。条件式(6)中若低于其下限，则所述补偿镜组5的移动量增加，光学系统的小型化变得困难。另一方面，在条件式(6)中若高于其上限，长焦端中场曲的校正变得困难，光学性能劣化，而成为问题。

条件式(7)与条件式(1)、条件式(3)、条件式(5)同样，是规定用于跨全变倍区域地对整个工作谱段区域的光而产生的色像差良好地进行校正的条件的式子。利用满足条件式(7)的低色散材料形成所述补偿镜组5的第六负透镜502，而对跨全变倍区域地在整个工作谱段范围内的光所产生的色差进一步良好地进行校正。另外，条件式(7)中若低于其下限，则所述补偿镜组5中的轴外色像差的校正变得困难。

所述补偿镜组5能够对组内各透镜产生的色差进行独立校正，并对变倍镜组8和中间固定镜组6引入的场曲和畸变进行部分补偿。

此外，像差稳定镜组4为单片式结构，由第六正透镜401组成，设所述像差稳定镜组4的焦距为f4，所述fL和f4满足以下条件式：

2.8<|fL/f4|<3.5；(8)

条件式(8)是对与变倍镜组5相伴的所述像差稳定镜组4的焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式(8)，能够对变焦过程，特别是能对短焦端中的畸变更好地进行校正。条件式(8)中若低于其下限，则所述像差稳定镜组4的移动量增加，运动曲线中出现拐点而成为问题。另一方面，在条件式(8)中若高于其上限，短焦端中畸变的校正变得困难。

后固定镜组3包括自左向右依次排列的第七正透镜301、第七负透镜302和第八正透镜303；后固定镜组3中的第八正透镜303为本发明连续变焦光学系统的调焦件，设与所述第八正透镜303的径向放大倍率为m303，则m303满足以下的条件式：

0.5<|m303|<0.8 (9)

条件式(9)，是对与实施例连续变焦光学系统的调焦件光焦度范围进行限定的式子。通过满足该条件式(9)，能够维持调焦件较短的调焦行程，并能够保证光学系统在不同使用条件下的适应性。条件式(9)中若低于其下限，则所述第八正透镜303的光焦度变小，调焦行程变大，因此光学系统的调焦补偿时间变长。另一方面，在条件式(9)中若超过其上限，对减小调焦件行程有利，但会导致长焦端中的场曲和像散的校正变得困难，光学性能劣化，而成为问题。

本实施例的变焦光学系统，通过同时满足或满足多个上述各条件，能够实现水下环境大变倍比、小型化、连续变焦、高清成像，并能够在全变倍区域对整个工作谱段范围的光产生的诸像差良好地进行校正，得到更优良的光学性能。

如图2至图4所示，变倍镜组8、补偿镜组5和像差稳定镜组4在本实施例水下大视场连续变焦光学系统光轴方向同步前后直线移动(图中左右方向移动)，实现连续变焦，在连续变焦过程中，水下大视场连续变焦光学系统的总长恒定。

本实施例光学系统共六个镜组，从物面11到焦面1依次排列固联具有正折射力的前固定镜组9、具有负折射力的变倍镜组8、具有正折射力的中间固定镜组6、具有负折射力的补偿镜组5、具有正折射力的像差稳定镜组4和具有正折射力的后固定镜组3，在成像面配置CCD、CMOS等成像元件的受光面。

本实施例的水下变焦光学系统中，水下对角线视场角：(2ω)＝6°(长焦端)～60°(短焦端)；水下清晰成像范围：0.5m～INF；F/#＝3.5，F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D，以下表1、表2和表3表示实施例所涉及的水下大视场连续变焦光学系统相关的各种数值。

表1本实施例光学系统各透镜的具体参数(单位：mm)

注：含*号的表面采用非球面结构。

表2本实施例光学系统可变面间隔数据

面间隔	f＝8	f＝40	f＝80
				D8	1.7	29.7	38.54
D13	39.44	11.42	2.6
				D19	1.53	9.94	19.32
D23	8.38	3.11	1.6
				D25	12	8.86	1

表3本实施例光学系统的参数表

条件	参数值
		vd903	35.2
|fL/f8|	7.54
		vd803	17.9
|fL/f6|	5.08
		vd601	81.5
|fL/f5|	6.4
		vd502	65.5
|fL/f6|	3.1
		|m303|	0.62

本实施例中，从前固定镜组9靠近物面11一侧的面到像面的总长小于132mm，各透镜最大口径小于50mm，焦距范围8mm～80mm，变倍比为10，适配成像传感器不小于2/3”。变倍过程中，系统总长恒定，F数固定不变，随焦距位置的变化连续变化，具有较小的体积、较轻的重量，且属于内变焦，变倍过程中质心变化不大。

本实施例中，光学系统光阑7可以采用可变光阑的设计方式，位在中间固定镜组6靠近像方侧固定位置，可以保证光学系统焦距或外界环境照度变化时，通过调节光圈大小，保证较好的成像对比度，扩宽成像组件的动态范围。

本实施例中，放置在焦面1前的滤光片2可更换。当光学系统需要工作于彩色成像条件时，切入红外截止滤光片，保证所成图像彩色信息均匀丰富；当光学系统需要工作于全色模式或其他谱段时，切入相应谱段的滤光片，此时，即可获得对应谱段的光学影像。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (10)

1.一种水下大视场连续变焦光学系统，其特征在于：包括沿光轴方向从左向右依次同轴设置的窗口(10)、前固定镜组(9)、变倍镜组(8)、光阑(7)、中间固定镜组(6)、补偿镜组(5)、像差稳定镜组(4)、后固定镜组(3)和滤光片(2)，窗口(10)的左侧为物面(11)，滤光片(2)的右侧为焦面(1)；

所述前固定镜组(9)包括从左至右依次排列的第一胶合镜组和第二正透镜(903)，所述第一胶合镜组具有正的光焦度；

所述变倍镜组(8)包括从左至右依次排列的第二负透镜(801)和第二胶合镜组，所述第二胶合镜组具有负的光焦度；

所述中间固定镜组(6)包括从左至右依次排列的第四正透镜(601)和第三胶合镜组，所述第三胶合镜组具有正的光焦度；

所述补偿镜组(5)包括从左至右依次排列的第五负透镜(501)和第六负透镜(502)；

所述像差稳定镜组(4)包括单片式第六正透镜(401)；

所述后固定镜组(3)包括从左至右依次排列的第七正透镜(301)、第七负透镜(302)和第八正透镜(303)；

所述光阑(7)固定在第四正透镜(601)的左侧；

所述变倍镜组(8)、补偿镜组(5)和像差稳定镜组(4)可同步沿光轴方向前后直线移动，实现连续变焦。

2.根据权利要求1所述的一种水下大视场连续变焦光学系统，其特征在于：所述第一胶合镜组由从左至右依次排列的第一负透镜(901)与第一正透镜(902)胶合构成；

所述第二胶合镜组由从左至右依次排列的第三负透镜(802)与第三正透镜(803)胶合而成；

所述第三胶合镜组由从左至右依次排列的第五正透镜(602)与第四负透镜(603)胶合而成。

3.根据权利要求1所述的一种水下大视场连续变焦光学系统，其特征在于：所述第二正透镜(903)对d线的阿贝数为vd903，vd903满足条件：

vd903<38。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种水下大视场连续变焦光学系统，其特征在于：所述变倍镜组(8)的焦距为f8，所述水下大视场连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，所述第三正透镜(803)对d线的阿贝数为vd803，fL、f8和vd803满足条件式：

7.2<|fL/f8|<9.5；

Vd803<26。

5.根据权利要求4所述的一种水下大视场连续变焦光学系统，其特征在于：所述中间固定镜组(6)的焦距为f6，所述第四正透镜(601)对d线的阿贝数为vd601，fL、f6和vd601满足条件式：

4.7<|fL/f6|<5.4；

Vd601>80。

6.根据权利要求5所述的一种水下大视场连续变焦光学系统，其特征在于：所述补偿镜组(5)的焦距为f5，所述第六负透镜(502)对d线的阿贝数为vd502，fL、f5和vd502满足条件式：

5.8<|fL/f5|<7.2；

Vd502>60。

7.根据权利要求6所述的一种水下大视场连续变焦光学系统，其特征在于：所述后固定镜组(3)中的第八正透镜(303)的径向放大倍率为m303，m303满足条件：

0.5<|m303|<0.8。

8.根据权利要求1所述的一种水下大视场连续变焦光学系统，其特征在于：所述变倍镜组(8)、补偿镜组(5)和像差稳定镜组(4)通过齿轮-导轨机构、凸轮-套筒机构或凸轮-导轨机构在光轴方向前后直线移动。

9.根据权利要求1所述的一种水下大视场连续变焦光学系统，其特征在于：所述滤光片(2)为红外截止滤光片或带通滤光片。

10.根据权利要求1所述的一种水下大视场连续变焦光学系统，其特征在于：所述光阑(7)为固定通光孔径光阑或者通光孔径可变光阑。