CN111897113A - 一种水下电影变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下电影变焦光学系统，解决现有水下变焦电影光学系统要么变倍比小、要么不具备电影成像功能的问题。该系统包括沿光轴依次设的窗口、前固定镜组一、第二胶合镜组、前固定镜组二、第三胶合镜组、补偿镜组、光阑、中间固定镜组、第十正透镜、后固定镜组和滤光片；前固定镜组一包括第一负透镜、第一胶合镜组和第二正透镜；前固定镜组二包括第四正透镜和第五正透镜；变倍镜组包括第六正透镜、第四负透镜和第五负透镜；中间固定镜组包括第八正透镜、第九正透镜和第七负透镜；后固定镜组包括第四胶合镜组、第九负透镜和第十二正透镜；变倍镜组、补偿镜组和像差稳定镜组沿光轴方向移动实现连续变焦；调焦镜组实现变焦过程的对焦和跟焦。

Description

一种水下电影变焦光学系统

技术领域

本发明涉及一种水下成像光学系统，具体涉及一种适用水下电影成像，且适配高分辨率图像传感器的水下电影变焦光学系统。

背景技术

近年来，水下电视电影、地质勘察、资源勘探、环境监测、摄影测量等产业都对水下电影变焦镜头的研制提出了迫切的需求。

区别于摄影变焦镜头，镜头的齐焦性能、跟焦性能和呼吸性能是电影变焦镜头的三个主要性能表现。针对同一物距，电影变焦镜头具有齐焦性要求，即电影变焦镜头变焦时，焦点一直保持，图像始终清晰；针对不同物距，电影镜头还具有跟焦性要求，即对不同物距，对焦过程精准可控，以最大程度保证跟焦的准确性；另外，对于电影制作来讲，画面内进行追焦或在不同主体之间移焦的手法很常见，而镜头对焦时，内部镜组的位移会导致光学焦距发生改变，产生呼吸效应，对电影构图产生较大影响，这就要求整个电影镜头具有尽可能好的抗呼吸性能。以上三个方面，在普通摄影变焦镜头中均无要求或做弱化处理即可，但这些均对电影镜头连续变焦光学系统设计提出了很高的要求。

此外，一般水下光学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介质时，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密封防水，将使成像物镜的视角变小(焦距增大)，放大率减小，色差和畸变明显增大，导致成像质量变坏、图像扭曲变形、清晰度降低；而采用普通成像透镜，外侧增加球面保护窗的方式，则会受光窗的限制，只能用于定焦或变倍比小的应用场合。

因此设计出具有小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)、大视场、高分辨率，且具有连续变焦功能的水下电影镜头学系统，难度较大；对于一些文献公开的水下连续变焦光学系统，要么变倍比小、要么不具备电影变焦镜头的功能。

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，长焦视场为36°，短焦视场为66°，变焦过程中光学系统相对孔径恒定为1/1.4，但不具备电影镜头的功能。

公开号为特開平05-188290的日本专利和公开号为CN108627961A、CN110109237A的中国专利，公开的多种水下变焦成像光学系统设计，皆针对常规摄影镜头设计，无法作为电镜变焦镜头使用。

公开号为特開2015-106025和特開2017-97205的日本专利，公开了两种水下镜头光学前置转换镜的设计，通过将该转换镜与相应具备连续变焦功能的电影镜头组合，即可构成水下电影变焦光学系统，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。

目前，主流水下光学成像设备供应商，如英国Kongsberg、OSIL、BowtechProductsLtd，美国DeepSeaPower&Light、InsitePacific、Sub-cimaging，丹麦RCUUndewaterSystemsApS等公司，可提供分辨率从标清、高清至4K水平的各类水下连续变焦成像设备，但均不具备电影成像的功能，无法满足水下电影成像的需求。

发明内容

为了解决现有水下变焦电影镜头光学系统，要么变倍比小、要么不具备电影成像功能的技术问题，本发明提供了一种水下电影变焦光学系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种水下电影变焦光学系统，其特殊之处在于：所述光学系统包括沿光线传播方向，从左至右依次设置的窗口、前固定镜组一、调焦镜组、前固定镜组二、变倍镜组、补偿镜组、光阑、中间固定镜组、像差稳定镜组、后固定镜组和滤光片，窗口的左侧为光学系统的物面，滤光片的右侧为光学系统的焦面；

所述前固定镜组一包括从左至右依次排列的第一负透镜、第一胶合镜组和第二正透镜，第一胶合镜组具有负光焦度；

所述调焦镜组包括具有正光焦度的第二胶合镜组；

所述前固定镜组二包括从左至右依次排列的第四正透镜和第五正透镜；

所述变倍镜组包括从左至右依次排列的第六正透镜、第四负透镜和第五负透镜；

所述补偿镜组包括具有负光焦度的第三胶合镜组；

所述中间固定镜组包括从左至右依次排列的第八正透镜、第九正透镜和第七负透镜；

所述像差稳定镜组包括第十正透镜；

所述后固定镜组包括从左至右依次排列的第四胶合镜组、第九负透镜和第十二正透镜，第四胶合镜组具有正光焦度；

所述光阑固定在第八正透镜的左侧；

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移动，实现连续变焦；调焦镜组可沿光轴方向前后移动，实现各焦距位置和变焦过程的对焦和跟焦。

进一步地，所述第一胶合镜组由从左至右依次排列的第二负透镜与第一正透镜胶合而成；

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七正透镜与第六负透镜胶合而成；

所述第四胶合镜组由从左至右依次排列的第十一正透镜和第八负透镜胶合而成。

进一步地，设所述第一正透镜对d线的阿贝数为vd1103，vd1103满足以下条件式：

vd1103<32；

设所述第一负透镜的焦距为f1101，前固定镜组一的焦距为f11，f1101和f11满足以下条件式：

0.68<|f11/f1101|<2。

进一步地，设所述调焦镜组的径向放大倍率为m10，m10满足以下条件式：

2<|m10|<2.5。

进一步地，设所述前固定镜组二的焦距为f9，由前固定镜组一、调焦镜组和前固定镜组二构成的物镜组焦距为fF，f9和fF满足以下条件式：

1.0<|fF/f9|<1.5。

进一步地，设所述第六正透镜对d线的阿贝数为vd801，vd801满足以下条件式：

vd801<34；

设所述变倍镜组的焦距为f8，水下电影变焦光学系统长焦端焦距为fL，fL、f8满足以下条件式：

2.6<|fL/f8|<5.5。

进一步地，设所述补偿镜组的焦距为f7，中间固定镜组的焦距为f5，像差稳定镜组的焦距为f4，fL分别与f7、f5、f4满足以下条件式：

0.9<|fL/f7|<1.3；

1.5<|fL/f5|<2.1；

1.9<|fL/f4|<2.8。

进一步地，设所述后固定镜组的径向放大倍率为m3，m3满足以下条件式：

1<|m3|<1.5。

进一步地，所述变倍镜组、补偿镜组和像差稳定镜组通过凸轮-套筒机构、凸轮-导轨机构或伺服-导轨机构在光轴方向前后直线移动；

所述滤光片与光学系统工作谱段相适配。

进一步地，定义靠近物面侧的表面为前表面，靠近焦面侧的表面为后表面；

所述第一负透镜的厚度为3.2mm，前表面的曲率半径为281.8mm，后表面的曲率半径为44.176mm；

所述第二负透镜的厚度为3mm，前表面的曲率半径为-70.99mm；

所述第一正透镜的厚度为9.4mm，其与第二负透镜胶合面的曲率半径为58.61mm，第一正透镜的后表面为平面；

所述第二正透镜的厚度为5.2mm，前表面的曲率半径为137.09mm，后表面为平面；

所述第三负透镜的厚度为3mm，前表面的曲率半径为146.4mm；

所述第三正透镜的厚度为12.24mm，其与第三负透镜胶合面的曲率半径为75.803mm，第三正透镜后表面的曲率半径为-66.76mm；

所述第四正透镜的厚度为6.8mm，前表面的曲率半径为128.77mm，后表面的曲率半径为-159.76mm；

所述第五正透镜的厚度为8.8mm，前表面的曲率半径为56.287mm，后表面的曲率半径为-186.74mm；

所述第六正透镜的厚度为3.6mm，前表面的曲率半径为70.47mm，后表面为平面；

所述第四负透镜的厚度为1.4mm，前表面的曲率半径为-107.23mm，后表面的曲率半径为24.59mm；

所述第五负透镜的厚度为1.4mm，前表面的曲率半径为-72.73mm，后表面的曲率半径为36.98mm；

所述第七正透镜的厚度为2.39mm，前表面的曲率半径为-29.41mm；

所述第六负透镜的厚度为1.2mm，其与第七正透镜胶合面的曲率半径为-25.66mm，第六负透镜后表面的曲率半径为-103.78mm；

所述第八正透镜的厚度为3.57mm，前表面的曲率半径为36.4mm，后表面的曲率半径为-91.03mm；

所述第九正透镜的厚度为3.1mm，前表面的曲率半径为25.64mm，后表面的曲率半径为62.99mm；

所述第七负透镜的厚度为1.4mm，前表面的曲率半径为-57.74mm，后表面的曲率半径为25.66mm；

所述第十正透镜的厚度为4.58mm，前表面的曲率半径为36.4mm，后表面的曲率半径为-19.33mm；

所述第十一正透镜的厚度为5.22mm，前表面的曲率半径为13.15mm；

所述第八负透镜的厚度为1.2mm，其与第十一正透镜胶合面的曲率半径为-24.21mm，第八负透镜后表面的曲率半径为24.21mm；

所述第九负透镜的厚度为1.5mm，前表面的曲率半径为94.67mm，后表面的曲率半径为16.82mm；

所述第十二正透镜的厚度为4.11mm，前表面的曲率半径为19.66mm，后表面的曲率半径为-33.03mm。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明光学系统适用于水下成像，具备电影变焦镜头功能，能在水下环境实现大于66度的成像视场，并在全焦段范围内实现4K超高清成像，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、本发明通过优化控制调焦镜组移动对系统光焦度的影响，保证在全焦段范围内对不同物距优良的对焦和跟焦性能，同时，实现整个水下电影变焦光学系统呼吸效应的优良控制。

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。

4、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，给采用不同类型的光阑留有足够空间，以保证光学系统相对孔径恒定不变、手动或自动变化，提高了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。

5、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，同时，可使各视场条件下像面照度分布更为均匀。

6、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，适用于各类水下电视电影、视频监控、资源开发等用途。

7、本发明焦面与后固定镜组之间设置滤光片，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。

附图说明

图1是本发明水下电影变焦光学系统光学结构图；

图2是本发明水下电影变焦光学系统短焦状态光路图；

图3是本发明水下电影变焦光学系统长焦状态光路图；

其中，附图标记如下：

1-焦面，2-滤光片，3-后固定镜组，301-第十一正透镜，302-第八负透镜，303-第九负透镜，304-第十二正透镜；4-像差稳定镜组，401-第十正透镜；5-中间固定镜组，501-第八正透镜，502-第九正透镜，503-第七负透镜，6-光阑；7-补偿镜组，701-第七正透镜，702-第六负透镜；8-变倍镜组，801-第六正透镜，802-第四负透镜，803-第五负透镜；9-前固定镜组二，901-第四正透镜，902-第五正透镜；10-调焦镜组，1001-第三负透镜，1002-第三正透镜；11-前固定镜组一，1101-第一负透镜，1102-第二负透镜，1103-第一正透镜，1104-第二正透镜，12-窗口，13-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，一种水下电影变焦光学系统，定义光线从左至右入射，该光学系统包括沿光轴方向从左向右依次同轴设置的窗口12、前固定镜组一11、调焦镜组10、前固定镜组二9、变倍镜组8、补偿镜组7、光阑6、中间固定镜组5、像差稳定镜组4、后固定镜组3和滤光片2，窗口12的左侧为光学系统的物面13，滤光片2的右侧为光学系统的焦面1；变倍镜组8与前固定镜组一11、调焦镜组10、前固定镜组二9、补偿镜组7、中间固定镜组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。

变倍镜组8、补偿镜组7和像差稳定镜组4通过驱动机构在在光学系统光轴方向同步前后直线移动(图1中左右方向)，实现连续变焦；驱动机构可为齿轮-导轨机构、凸轮-套筒机构或凸轮-导轨机构等其他类似驱动机构；同时调焦镜组10可沿光轴方向的前后移动，可实现全变焦范围对不同物距场景的对焦和跟焦；本发明光学系统在连续变焦过程中总长恒定。

本实施例前固定镜组一11、调焦镜组10和前固定镜组二9共同构成电影变焦光学系统的物镜组。

本实施例光学系统中各镜组如下：

1、前固定镜组一11

前固定镜组一11具有负光焦度，包括从左至右依次中心轴线同轴排列的第一负透镜1101、第一胶合镜组和第二正透镜1104组成，第一胶合镜组具有负光焦度；第一胶合镜组由从左至右依次排列的第二负透镜1102与第一正透镜1103胶合而成；在光学系统的最靠物面13侧，能够配置具有较短焦距且具有负光焦度的前固定镜组一11，有利于光学系统的大视场化；设第一负透镜1101的焦距为f1101，前固定镜组一11的焦距为f11，则f1101和f11满足条件：

0.68<|f11/f1101|<2；(1)

条件式(1)是规定前固定镜组一11中第一负透镜1101对整个工作谱段范围内，由物面13侧工作介质水和窗口12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畸变良好地进行校正的条件。通过由满足条件式(1)的光焦度形成前固定镜组一11中的第一负透镜1101，能够在全变倍范围对整个工作谱段范围，由物面13侧工作介质水和窗口12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畸变良好地进行校正，并保证光学系统的小型化。另外，条件式(1)中，若低于其下限，则对光学系统的小型化变得困难；若超出其上限，对光学系统的大视场化有利，但会引入大的像散，而使光学系统复杂化；

设第一正透镜1103对d线的阿贝数为vd1103，vd1103满足条件：

vd1103<32；(2)

条件式(2)是规定前固定镜组一11中第一正透镜1103对整个工作谱段范围内，由物面13侧工作介质水和窗口12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(2)的高色散材料形成前固定镜组一11中的第一正透镜1103，能够在全变倍范围对整个工作谱段范围，由物面13侧工作介质水和窗口12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(2)中，若超出其上限，则对由工作介质引入的色差校正变得困难。

2、调焦镜组10

调焦镜组10为单镜组结构，由第二胶合镜组构成；第二胶合镜组具有正光焦度，由从左至右依次排列且中心轴线同轴的第三负透镜1001与第三正透镜1002胶合而成；设调焦镜组10的径向放大倍率为m10，m10满足以下条件式：

2<|m10|<2.5；(3)

条件式(3)是对调焦镜组10的调焦能力进行限定的式子。通过满足该条件式(3)，能够保证光学系统迅速对焦和跟焦，并能够有效降低光学系统的呼吸效应。条件式(3)中，若超过其上限，则调焦镜组10的移动量减少，对焦速率提高，但会使得呼吸效应变得明显。另一方面，在条件式(3)中若低于其下限，对光学系统呼吸效应的控制有利，但会导致调整镜组的移动量增加，而降低对焦速率。

此外，调焦镜组10能有效压缩由大视场化变大的光束宽度，压缩调焦镜组10之后镜组各镜片的外形直径。

3、前固定镜组二9

前固定镜组二9为两片式结构，由从左至右依次排列的第四正透镜901和第五正透镜902组成；前固定镜组二9具有正光焦度(正折射力)，设前固定镜组二9的焦距为f9，由前固定镜组一11、调焦镜组10和前固定镜组二9构成的物镜组焦距为fF，则f9和fF满足条件：

1.0<|fF/f9|<1.5；(4)

条件式(4)是规定前固定镜组二光焦度大小的条件。通过由满足条件式(4)的光焦度形成的前固定镜组二9，能够在全变倍范围对整个工作谱段范围，由前固定镜组一11和调焦镜组10对跨全变倍区域的相对于整个工作谱段范围而残余的畸变良好地进行校正，并保证物镜组内各像差的单独校正。另外，条件式(4)中，若低于其下限，则不能对物镜组的彗差和像散进行良好地校正；若超出其上限，对光学系统的大视场化有利，但会引入大的场曲，而使光学系统所成图像发生变形。

4、变倍镜组8

变倍镜组8的光焦度为负，由从左至右依次固联排列的第六正透镜801、第四负透镜802和第五负透镜803组成；设变倍镜组8的焦距为f8，水下大视场连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，设第六正透镜801对d线的阿贝数为vd801，fL、f8和vd801满足以下条件式：

2.6<|fL/f8|<5.5；(5)

vd801<34；(6)

条件式(5)是对变倍镜组8焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式(5)，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(5)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(5)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，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(6)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式子。通过由满足条件式(6)的高色散材料形成变倍镜组8中的第六正透镜801，能够在全变倍范围对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(6)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。

5、补偿镜组7

补偿镜组7为单镜组结构，由第三胶合镜组构成，第三胶合镜组具有负光焦度；第三胶合镜组由从左至右依次排列的第七正透镜701与第六负透镜702胶合而成。设补偿镜组7的焦距为f7，fL和f7满足以下条件式：

0.9<|fL/f7|<1.3；(7)

条件式(7)是对与变倍镜组8相伴的补偿镜组7的焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式(7)，能够保证光学系统补偿镜组7运动平缓迅速，并能够更好地对变倍组运动过程产生的焦面偏移进行补偿。条件式(7)中若低于其下限，则补偿镜组7的移动量增加，补偿效率变差。另一方面，在条件式(7)中若高于其上限，对变倍镜组8的同轴性要求提高，装调工艺性变差，而成为问题。

补偿镜组7能够对自身镜组内(第七正透镜701与第六负透镜702)各透镜产生的色差进行独立校正。

6、中间固定镜组5

中间固定镜组5的光焦度为正，包括从左至右依次排列的第八正透镜501、第九正透镜502和第七负透镜503；设中间固定镜组5的焦距为f5，fL和f5满足以下条件式：

1.5<|fL/f5|<2.1；(8)

条件式(8)是对中间固定镜组5焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式(8)，能够压缩像差稳定镜组4和后固定镜组3的外径，并且可以有效缩短像差稳定镜组4的变焦行程，保证镜组运动平缓迅速。条件式(8)若低于其下限，则像差稳定镜组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(8)中若超过其上限，对光学系统的小型化有利，但将在短焦端引入过多畸变，使光学系统所成影像出现扭曲变形。

7、光阑6

光阑6可固定在第八正透镜501的左侧，光阑6为通光孔径可变光阑或者固定通光孔径光阑。

8、像差稳定镜组4

像差稳定镜组4为单片式结构，由第十正透镜401组成；设像差稳定镜组4的焦距为f4，fL和f4满足以下条件式：

1.9<|fL/f4|<2.8；(9)

条件式(9)是对与变倍镜组8和补偿镜组7相伴的像差稳定镜组4焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式(9)，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。在条件式(9)中若高于其上限，补偿组行程减小，对补偿效率的提升有利，但会在短焦端引入过多畸变，而使图像发生扭曲变形。另一方面，条件式(9)中，若低于其下限，则像差稳定镜组4的移动量增加，运动曲线中出现拐点而成为问题。

另外，像差稳定镜组4的其中一个表面采用非球面结构，进一步校正由变倍镜组8和补偿镜组7的运动相伴产生的球差和彗差。

9、后固定镜组3

后固定镜组3包括从左至右依次排列的第四胶合镜组、第九负透镜303和第十二正透镜304；第四胶合镜组由从左至右依次排列的第十一正透镜301和第八负透镜302胶合而成；设后固定镜组3的径向放大倍率为m3，则m3满足以下的条件式：

1<|m3|<1.5；(10)

条件式(10)，是对与光学系统后固定镜组光焦度范围进行限定的式子。通过满足该条件式(10)，能够维持后固定镜组3简单的光学结构，不致使整个后固定镜组3复杂化。条件式(10)中若低于其下限或超过其上限，均会导致后固定镜组3的复杂化，而使整个光学系统性能劣化。

本实施例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视场、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和图3所示，变倍镜组8、补偿镜组7和像差稳定镜组4在本实施例光学系统光轴方向按设定规律，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，光学系统的总长恒定；在从宽视场向窄视场变化时，变倍镜组8、补偿镜组7和像差稳定镜组4靠近像面方向一侧平移，如图2所示；在从窄视场向宽视场变化时，变倍镜组8、补偿镜组7和像差稳定镜组4向物面13方向一侧移动，如图3所示。

本实施例光学系统共八个镜组，从物面13到焦面1依次排列固联具有负光焦度的前固定镜组一11、具有正光焦度的调焦镜组10、具有正光焦度的前固定镜组二9、具有负光焦度的变倍镜组8、具有负光焦度的补偿镜组7、具有正光焦度的中间固定镜组5、具有正光焦度的像差稳定镜组4和具有正光焦度的后固定镜组3，在成像面配置CCD、CMOS等成像元件的受光面。

本实施例光学系统中，水下对角线视场角：(2ω)＝5.6°(长焦端)～62°(短焦端)；水下清晰成像范围：0.5m～INF；F/#＝2.8(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、表3和表4给出了本实施例所涉及的水下电影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本实施例光学系调焦可变面间隔数据

面间隔	物距无穷	物距0.5m
			D10	3.5	7.7
D13	6.4	2.2

表3本实施例光学系变焦可变面间隔数据

面间隔	f＝5.7	f＝64
			D17	2	54.51
D23	56.4	3.92
			D26	3.03	3
D33	8.96	2.5
			D35	4.46	10.92

表4本实施例光学系统的参数表

本发明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可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。

本实施例中，从前固定镜组一11靠近物面13一侧的面到像面的总长小于218mm，各透镜最大口径小于58mm，焦距范围5.7mm～64mm，变倍比为11，适配成像传感器不小于1/1.8”。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，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6可以采用可变光阑的设计方式，位在中间固定镜组5靠近物方侧固定位置，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，滤光片的选择与光学系统工作谱段相适配，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2，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)

1.一种水下电影变焦光学系统，其特征在于：所述光学系统包括沿光线传播方向，从左至右依次设置的窗口(12)、前固定镜组一(11)、调焦镜组(10)、前固定镜组二(9)、变倍镜组(8)、补偿镜组(7)、光阑(6)、中间固定镜组(5)、像差稳定镜组(4)、后固定镜组(3)和滤光片(2)，窗口(12)的左侧为光学系统的物面(13)，滤光片(2)的右侧为光学系统的焦面(1)；

所述前固定镜组一(11)包括从左至右依次排列的第一负透镜(1101)、第一胶合镜组和第二正透镜(1104)，第一胶合镜组具有负光焦度；

所述调焦镜组(10)包括具有正光焦度的第二胶合镜组；

所述前固定镜组二(9)包括从左至右依次排列的第四正透镜(901)和第五正透镜(902)；

所述变倍镜组(8)包括从左至右依次排列的第六正透镜(801)、第四负透镜(802)和第五负透镜(803)；

所述补偿镜组(7)包括具有负光焦度的第三胶合镜组；

所述中间固定镜组(5)包括从左至右依次排列的第八正透镜(501)、第九正透镜(502)和第七负透镜(503)；

所述像差稳定镜组(4)包括第十正透镜(401)；

所述后固定镜组(3)包括从左至右依次排列的第四胶合镜组、第九负透镜(303)和第十二正透镜(304)，第四胶合镜组具有正光焦度；

所述光阑(6)固定在第八正透镜(501)的左侧；

所述变倍镜组(8)、补偿镜组(7)和像差稳定镜组(4)可同步沿光轴方向前后移动，实现连续变焦；调焦镜组(10)可沿光轴方向前后移动，实现各焦距位置和变焦过程的对焦和跟焦。

2.根据权利要求1所述水下电影变焦光学系统，其特征在于：所述第一胶合镜组由从左至右依次排列的第二负透镜(1102)与第一正透镜(1103)胶合而成；

所述第二胶合镜组由从左至右依次排列的第三负透镜(1001)与第三正透镜(1002)胶合而成；

所述第三胶合镜组由从左至右依次排列的第七正透镜(701)与第六负透镜(702)胶合而成；

所述第四胶合镜组由从左至右依次排列的第十一正透镜(301)和第八负透镜(302)胶合而成。

3.根据权利要求2所述水下电影变焦光学系统，其特征在于：设所述第一正透镜(1103)对d线的阿贝数为vd1103，vd1103满足以下条件式：

vd1103<32；

设所述第一负透镜(1101)的焦距为f1101，前固定镜组一(11)的焦距为f11，f1101和f11满足以下条件式：

0.68<|f11/f1101|<2。

4.根据权利要求1或2或3所述水下电影变焦光学系统，其特征在于：设所述调焦镜组(10)的径向放大倍率为m10，m10满足以下条件式：

2<|m10|<2.5。

5.根据权利要求4所述水下电影变焦光学系统，其特征在于：设所述前固定镜组二(9)的焦距为f9，由前固定镜组一(11)、调焦镜组(10)和前固定镜组二(9)构成的物镜组焦距为fF，f9和fF满足以下条件式：

1.0<|fF/f9|<1.5。

6.根据权利要求5所述水下电影变焦光学系统，其特征在于：设所述第六正透镜(801)对d线的阿贝数为vd801，vd801满足以下条件式：

vd801<34；

设所述变倍镜组(8)的焦距为f8，水下电影变焦光学系统长焦端焦距为fL，fL、f8满足以下条件式：

2.6<|fL/f8|<5.5。

7.根据权利要求6所述水下电影变焦光学系统，其特征在于：设所述补偿镜组(7)的焦距为f7，中间固定镜组(5)的焦距为f5，像差稳定镜组(4)的焦距为f4，fL分别与f7、f5、f4满足以下条件式：

0.9<|fL/f7|<1.3；

1.5<|fL/f5|<2.1；

1.9<|fL/f4|<2.8。

8.根据权利要求7所述水下电影变焦光学系统，其特征在于：设所述后固定镜组(3)的径向放大倍率为m3，m3满足以下条件式：

1<|m3|<1.5。

9.根据权利要求1所述水下电影变焦光学系统，其特征在于：所述变倍镜组(8)、补偿镜组(7)和像差稳定镜组(4)通过凸轮-套筒机构、凸轮-导轨机构或伺服-导轨机构在光轴方向前后直线移动；

所述滤光片(2)与光学系统工作谱段相适配。

10.根据权利要求2所述水下电影变焦光学系统，其特征在于：定义靠近物面侧的表面为前表面，靠近焦面侧的表面为后表面；

所述第一负透镜(1101)的厚度为3.2mm，前表面的曲率半径为281.8mm，后表面的曲率半径为44.176mm；

所述第二负透镜(1102)的厚度为3mm，前表面的曲率半径为-70.99mm；

所述第一正透镜(1103)的厚度为9.4mm，其与第二负透镜(1102)胶合面的曲率半径为58.61mm，第一正透镜(1103)的后表面为平面；

所述第二正透镜(1104)的厚度为5.2mm，前表面的曲率半径为137.09mm，后表面为平面；

所述第三负透镜(1001)的厚度为3mm，前表面的曲率半径为146.4mm；

所述第三正透镜(1002)的厚度为12.24mm，其与第三负透镜(1001)胶合面的曲率半径为75.803mm，第三正透镜(1002)后表面的曲率半径为-66.76mm；

所述第四正透镜(901)的厚度为6.8mm，前表面的曲率半径为128.77mm，后表面的曲率半径为-159.76mm；

所述第五正透镜(902)的厚度为8.8mm，前表面的曲率半径为56.287mm，后表面的曲率半径为-186.74mm；

所述第六正透镜(801)的厚度为3.6mm，前表面的曲率半径为70.47mm，后表面为平面；

所述第四负透镜(802)的厚度为1.4mm，前表面的曲率半径为-107.23mm，后表面的曲率半径为24.59mm；

所述第五负透镜(803)的厚度为1.4mm，前表面的曲率半径为-72.73mm，后表面的曲率半径为36.98mm；

所述第七正透镜(701)的厚度为2.39mm，前表面的曲率半径为-29.41mm；

所述第六负透镜(702)的厚度为1.2mm，其与第七正透镜(701)胶合面的曲率半径为-25.66mm，第六负透镜(702)后表面的曲率半径为-103.78mm；

所述第八正透镜(501)的厚度为3.57mm，前表面的曲率半径为36.4mm，后表面的曲率半径为-91.03mm；

所述第九正透镜(502)的厚度为3.1mm，前表面的曲率半径为25.64mm，后表面的曲率半径为62.99mm；

所述第七负透镜(503)的厚度为1.4mm，前表面的曲率半径为-57.74mm，后表面的曲率半径为25.66mm；

所述第十正透镜(401)的厚度为4.58mm，前表面的曲率半径为36.4mm，后表面的曲率半径为-19.33mm；

所述第十一正透镜(301)的厚度为5.22mm，前表面的曲率半径为13.15mm；

所述第八负透镜(302)的厚度为1.2mm，其与第十一正透镜(301)胶合面的曲率半径为-24.21mm，第八负透镜(302)后表面的曲率半径为24.21mm；

所述第九负透镜(303)的厚度为1.5mm，前表面的曲率半径为94.67mm，后表面的曲率半径为16.82mm；

所述第十二正透镜(304)的厚度为4.11mm，前表面的曲率半径为19.66mm，后表面的曲率半径为-33.03mm。

Images