CN108761734A - 一种超广角水下微光成像镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及成像技术领域，尤其涉及一种超广角水下微光成像镜头，包括镜头外壳，所述镜头外壳内从物方到像方依次排列的光学玻璃包括：第一透镜，具有负光焦度的弯月形透镜；第二透镜，具有负光焦度的双凹型透镜；第三透镜，具有正光焦度的双凸型透镜；第四透镜，具有正光焦度的双凸型透镜；第五透镜，具有负光焦度的弯月形透镜；第六透镜，具有正光焦度的双凸型透镜；第七透镜，具有正光焦度的双凸型透镜；第八透镜，具有正光焦度的双凸型透镜；第九透镜，具有负光焦度的双凹型透镜；第五透镜与第六透镜胶合连接，第八透镜与第九透镜胶合连接；除第五透镜与第六透镜之间以及第八透镜与第九透镜之间外，其余相邻两个透镜之间以空气为介质。
Description
技术领域
本发明涉及成像技术领域，尤其涉及一种超广角水下微光成像镜头。
背景技术
水下成像技术在海洋开发与工程、水下科考等领域起着极其重要的作用。众所周知，人类正常下水深度在40米以内，少数技术潜水可以到达70米以上。全国拥有技术潜水资格的人员极为稀少，而目前我国的水下作业、海洋水下拍摄主要是依靠潜水员人工完成，下水深度和水下环境对潜水员水下作业质量都具有巨大的限制，不能满足需求。因此水下机器人就由此孕育而生。然而，目前用于水下摄影的设备并不是专业的水下成像镜头，而是在空气中使用的成像镜头。由于空气和水这两种介质性质完全不同，导致摄影设备在水下拍摄时成像质量出现大幅度下降。
其中水对光学成像的影响主要在以下几个方面：1、水体对不同频谱的光波的透过率不同，在一般水体中蓝绿波段的透过率最高；2、在一定深度时水中的光照度极低；3、水中的散射现象影响了成像的清晰度；4、在水中镜头的视场角会大幅度减小；5、在水中镜头的景深会小于一般镜头。
基于上述提出的水体对镜头成像的影响，因此目前需要一种超广角、大光圈、大靶面的水下微光成像镜头，以供水下机器人使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种超广角、大光圈、大靶面的水下微光成像镜头，以供水下机器人使用。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种超广角水下微光成像镜头，包括镜头外壳，所述镜头外壳内从物方到像方依次排列的光学玻璃包括：
第一透镜，其具有负光焦度的弯月形透镜；
第二透镜，其具有负光焦度的双凹型透镜；
第三透镜，其具有正光焦度的双凸型透镜；
第四透镜，其具有正光焦度的双凸型透镜；
第五透镜，其具有负光焦度的弯月形透镜；
第六透镜，其具有正光焦度的双凸型透镜；
第七透镜，其具有正光焦度的双凸型透镜；
第八透镜，其具有正光焦度的双凸型透镜；
第九透镜，其具有负光焦度的双凹型透镜；
其中，所述第五透镜与第六透镜胶合连接，所述第八透镜与第九透镜胶合连接；除所述第五透镜与第六透镜之间以及所述第八透镜与第九透镜之间外，其余相邻两个透镜之间以空气为介质。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种超广角水下微光成像镜头，通过选择合适玻璃材料组合，合理分配光学系统光焦度，调整各个镜片表面的光线偏折角，平衡各个部分光学像差，提高光学系统的性能参数。
附图说明
图1为本发明的一种超广角水下微光成像镜头的结构示意图；
图2为本发明的一种超广角水下微光成像镜头的光学传输函数图；
图3为本发明的一种超广角水下微光成像镜头的场曲和畸变图；
图4为本发明的一种超广角水下微光成像镜头的垂轴色差图；
标号说明：
1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜；6、第六透镜；7、第七透镜；8、第八透镜；9、第九透镜。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：通过选择合适玻璃材料组合，合理分配光学系统光焦度，调整各个镜片表面的光线偏折角，平衡各个部分光学像差，提高光学系统的性能参数。
请参照图1-4，本发明提供的一种超广角水下微光成像镜头，包括镜头外壳，所述镜头外壳内从物方到像方依次排列的光学玻璃包括：
第一透镜1，其具有负光焦度的弯月形透镜；
第二透镜2，其具有负光焦度的双凹型透镜；
第三透镜3，其具有正光焦度的双凸型透镜；
第四透镜4，其具有正光焦度的双凸型透镜；
第五透镜5，其具有负光焦度的弯月形透镜；
第六透镜6，其具有正光焦度的双凸型透镜；
第七透镜7，其具有正光焦度的双凸型透镜；
第八透镜8，其具有正光焦度的双凸型透镜；
第九透镜9，其具有负光焦度的双凹型透镜；
其中，所述第五透镜与第六透镜胶合连接，所述第八透镜与第九透镜胶合连接；除所述第五透镜与第六透镜之间以及所述第八透镜与第九透镜之间外，其余相邻两个透镜之间以空气为介质。
以下为光学系统中镜片参数：
| 透镜序号 | 焦距 | 折射率 | 阿贝数 |
| 1 | -10<f<-9 | 1.72<Nd1<1.83 | 42.7<Vd1<54.8 |
| 2 | -8.5<f<-7.5 | 1.67<Nd2<1.71 | 53.3<Vd2<56.2 |
| 3 | 17.8<f<18.9 | 1.62<Nd3<1.71 | 41.1<Vd3<53.2 |
| 4 | 18.9<f<20.1 | 1.85<Nd4<1.92 | 32.3<Vd4<37.1 |
| 5 | -46.2<f<-43.5 | 1.64<Nd5<1.76 | 25.2<Vd5<33.8 |
| 6 | -8.5<f<-7.5 | 1.48<Nd6<1.65 | 60.2<Vd6<81.7 |
| 7 | 18.3<f<19.5 | 1.8<Nd7<1.90 | 37.2<Vd7<46.7 |
| 8 | 28.5<f<30.8 | 1.62<Nd8<1.67 | 55.5<Vd8<63.5 |
| 9 | -33.8<f<-31.5 | 1.78<Nd9<1.87 | 20.8<Vd9<26.1 |
表1
上表1中的f表示焦距，Nd表示折射率，Vd表示阿贝数。第一透镜用透镜序号为1表示，第二透镜用透镜序号为2表示，以此类推。
在本实施例中，所述第一透镜的折射率为1.72<Nd1<1.83，阿贝数为42.7<Vd1<54.8，所述第一透镜朝向物面的一面为凸面透镜，所述第一透镜与第二透镜光连接的一面为凹面透镜；所述第二透镜的折射率为1.67<Nd2<1.71，阿贝数为53.3<Vd2<56.2，所述第二透镜与第一透镜光连接的一面为凹面透镜，所述第二透镜与第三透镜光连接的一面为凹面透镜；
上述的第一透镜和第二透镜采用高折射率的材料，承担了较大的负光焦度，增大轴外光线的入射角，也使大视场角的轴外光线经过前组镜片后，光线与光轴夹角快速减小，从而减小了后组镜组承担的轴外像差，有利于整个光学系统的像差平衡。
在本实施例中，所述第三透镜的折射率为1.62<Nd3<1.71，阿贝数为41.1<Vd3<53.2，所述第三透镜与第二透镜光连接的一面为凸面透镜，所述第三透镜与第四透镜光连接的一面为凸面透镜；所述第三透镜为厚透镜；所述第四透镜的折射率为1.85<Nd4<1.92，阿贝数为32.3<Vd4<37.1，所述第四透镜与第三透镜光连接的一面为凸面透镜，所述第四透镜与第五透镜光连接的一面为凸面透镜；所述第四透镜为厚透镜；
上述的第三透镜和第四透镜为双凸鼓型厚透镜，合理承担了前组较大的正光焦度，使得光学系统整体结构更为紧凑，光线在镜片上不会产生较大的偏折角，有利于减小高级像差的产生，有利于提高光学系统的相对孔径。
在本实施例中，所述第五透镜的折射率为1.64<Nd5<1.76，阿贝数为25.2<Vd5<33.8，所述第五透镜与第四透镜光连接的一面为凸面透镜，所述第五透镜与第六透镜光连接的一面为凹面透镜；所述第六透镜的折射率为1.48<Nd6<1.65，阿贝数为60.2<Vd6<81.7，所述第六透镜与第五透镜光连接的一面为凸面透镜，所述第六透镜与第七透镜光连接的一面为凸面透镜；
上述的第五透镜与第六透镜胶合，第五透镜为高折射率低色散的火石玻璃，第六透镜为ED玻璃，两种材料折射率高低搭配，极大校正了前面镜组产生的球差和色差，提高了成像的分辨率。
在本实施例中，所述第七透镜的折射率为1.8<Nd7<1.90，阿贝数为37.2<Vd7<46.7，所述第七透镜与第六透镜光连接的一面为凸面透镜，所述第七透镜与第八透镜光连接的一面为凸面透镜；
上述的第七透镜产生的正场曲平衡了前组产生的负场曲，同时镜片光焦度较小，不会产生太大的球差残余，有利于像差的校正。
在本实施例中，所述第八透镜的折射率为1.62<Nd8<1.67，阿贝数为55.5<Vd8<63.5，所述第八透镜与第七透镜光连接的一面为凸面透镜，所述第八透镜与第九透镜光连接的一面为凸面透镜；所述第九透镜的折射率为1.78<Nd9<1.87，阿贝数为20.8<Vd9<26.1，所述第九透镜与第八透镜光连接的一面为凹面透镜，所述第九透镜与朝向像面的一面为凹面透镜。
上述的第八透镜和第九透镜为胶合片，通过高低折射率和阿贝数的组合减小了色差同时产生较大的负像散平衡前面光学组元产生的正像散，提高成像的清晰度。
整个光学系统经过合理设计和玻璃材料的合理组合应用提高了工作的波段，满足了超广角和大光圈的使用需求，增大了镜头在水中成像的景深，使镜头能够满足水下摄影的需要，确保了在水下的成像质量。
在本发明实施案例中，该光学镜头的整体焦距值为EFL，光圈值为FNO，视场角为FOV，镜头总长TTL，并由物方侧开始，将各个镜面依次编号，第一透镜1的镜面为r1、r2，第二透镜2的镜面为r3、r4，第三透镜3的镜面为r5、r6，第四透镜4的镜面为r7、r8，第五透镜5的镜面为r9、r10，第六透镜6的镜面为r10、r11，第七透镜7的镜面为r12、r13，第八透镜8的镜面为r14、r15，第九透镜9的镜面为r15、r16。其中第五透镜5与第六透镜6的胶合面为r10，第八透镜8与第九透镜9的胶合面为r15。
本发明优选参数值(表2)
EFL＝2.9mm，FNO＝1.6，FOV＝180°(in air)/137°(in water)；
TTL＜35mm，像面直径＝8.5mm；
| 面序号 | 曲率半径R | 中心厚度D | 折射率Nd | 阿贝数Vd |
| r1 | 29.97 | 2.97 | 1.77 | 49.6 |
| r2 | 5.72 | 5.47 | ||
| r3 | -10.9 | 2.61 | 1.69 | 54.9 |
| r4 | 12.77 | 1.04 | ||
| r5 | 73.5 | 3.57 | 1.67 | 48.4 |
| r6 | -14.85 | 0.2 | ||
| r7 | 20.29 | 3.04 | 1.91 | 35.3 |
| r8 | -127.25 | 0.13 | ||
| r9 | 15.63 | 2.92 | 1.73 | 28.3 |
| r10 | 5.39 | 2.75 | 1.59 | 68.5 |
| r11 | -22.96 | 4.25 | ||
| r12 | 30.15 | 1.38 | 1.83 | 42.7 |
| r13 | 30.15 | 0.12 | ||
| r14 | 10.97 | 3 | 1.64 | 60.2 |
| r15 | -8.2 | 1.23 | 1.85 | 23.8 |
| r16 | -275.29 | 3.7 |
表2
根据上述表2可得优选参数值，所述第一透镜的折射率为1.77，阿贝数为49.6；所述第二透镜的折射率为1.69，阿贝数为54.9；所述第三透镜的折射率为1.67，阿贝数为48.4；所述第四透镜的折射率为1.91，阿贝数为35.3；所述第五透镜的折射率为1.73，阿贝数为28.3；所述第六透镜的折射率为1.59，阿贝数为68.5；所述第七透镜的折射率为1.83，阿贝数为42.7；所述第八透镜的折射率为1.64，阿贝数为60.2；所述第九透镜的折射率为1.85，阿贝数为23.8。
进一步的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜均同轴设置，便于光学计算、匹配等操作。
沿光路入射方向，每相邻的两个透镜之间的空气间隔依次为：第一透镜和第二透镜中心空气间隔为5.47mm；第二透镜和第三透镜中心空气间隔为1.05mm；第三透镜和第四透镜中心空气间隔为0.2mm；第四透镜和第五透镜中心空气间隔为0.13mm；第六透镜和第七透镜中心空气间隔为4.29mm；第七透镜和第八透镜中心空气间隔为0.12mm。
图2为超广角水下微光成像镜头的光学传递函数图，可表征镜头的分辨率；其中横坐标轴表示空间频率，单位为lp/mm，即每毫米可以分辨的黑白条纹对数，纵坐标轴表示传函数值，数值越大表示镜头分辨能力越好。不同线表示不同视场角的传递函数曲线。
图3为超广角水下微光成像镜头的场曲和畸变图；其中左图为镜头场曲图，表现镜头中不同工作波长成像的平整程度，反应镜头的成像质量。右图为镜头f-theta畸变图，表示镜头不同视场角下的畸变百分比，上图表示最大的f-theta畸变为12％。
图4为超广角水下微光成像镜头的垂轴色差图，可表征镜头的色彩校正能力。图中不同色光的聚焦点都在艾里斑附近，成像质量较好，无明显色差表现。
本发明提供的一种超广角水下微光成像镜头安装于水下机器人上，用于水下探测使用。
综上所述，本发明提供的一种超广角水下微光成像镜头，通过选择合适玻璃材料组合，合理分配光学系统光焦度，调整各个镜片表面的光线偏折角，平衡各个部分光学像差，提高光学系统的性能参数。在光学设计时通过对不同波段设置不同权重，在镜片材料上选择宽光谱透过率高的材料以保证光学系统在水下使用时对各个波段的光谱都有良好的透过率。通过对光学系统像差进行的合理校正使光学系统具有大光圈的特点，与星光级感光元件配合使用可以在光照度低的水下实现清晰成像。由于水介质的影响镜头在水下的视场角会大幅度减小，所以在设计时通过增大视场角，将全视场角设计为180°，保证了镜头在水下也能具有大广角的特点。并且通过景深优化技术使光学系统具有大景深的特点，保证了对水下不同远近的物体都有良好的成像效果。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种超广角水下微光成像镜头，其特征在于，包括镜头外壳，所述镜头外壳内从物方到像方依次排列的光学玻璃包括：
第一透镜，其具有负光焦度的弯月形透镜；
第二透镜，其具有负光焦度的双凹型透镜；
第三透镜，其具有正光焦度的双凸型透镜；
第四透镜，其具有正光焦度的双凸型透镜；
第五透镜，其具有负光焦度的弯月形透镜；
第六透镜，其具有正光焦度的双凸型透镜；
第七透镜，其具有正光焦度的双凸型透镜；
第八透镜，其具有正光焦度的双凸型透镜；
第九透镜，其具有负光焦度的双凹型透镜；
其中，所述第五透镜与第六透镜胶合连接，所述第八透镜与第九透镜胶合连接；除所述第五透镜与第六透镜之间以及所述第八透镜与第九透镜之间外，其余相邻两个透镜之间以空气为介质。
2.根据权利要求1所述的超广角水下微光成像镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜均同轴设置。
3.根据权利要求1所述的超广角水下微光成像镜头，其特征在于，所述第一透镜的折射率为1.72<Nd1<1.83，阿贝数为42.7<Vd1<54.8，所述第一透镜朝向物面的一面为凸面透镜，所述第一透镜与第二透镜光连接的一面为凹面透镜；
所述第二透镜的折射率为1.67<Nd2<1.71，阿贝数为53.3<Vd2<56.2，所述第二透镜与第一透镜光连接的一面为凹面透镜，所述第二透镜与第三透镜光连接的一面为凹面透镜；
所述第三透镜的折射率为1.62<Nd3<1.71，阿贝数为41.1<Vd3<53.2，所述第三透镜与第二透镜光连接的一面为凸面透镜，所述第三透镜与第四透镜光连接的一面为凸面透镜；所述第三透镜为厚透镜；
所述第四透镜的折射率为1.85<Nd4<1.92，阿贝数为32.3<Vd4<37.1，所述第四透镜与第三透镜光连接的一面为凸面透镜，所述第四透镜与第五透镜光连接的一面为凸面透镜；所述第四透镜为厚透镜；
所述第五透镜的折射率为1.64<Nd5<1.76，阿贝数为25.2<Vd5<33.8，所述第五透镜与第四透镜光连接的一面为凸面透镜，所述第五透镜与第六透镜光连接的一面为凹面透镜；
所述第六透镜的折射率为1.48<Nd6<1.65，阿贝数为60.2<Vd6<81.7，所述第六透镜与第五透镜光连接的一面为凸面透镜，所述第六透镜与第七透镜光连接的一面为凸面透镜；
所述第七透镜的折射率为1.8<Nd7<1.90，阿贝数为37.2<Vd7<46.7，所述第七透镜与第六透镜光连接的一面为凸面透镜，所述第七透镜与第八透镜光连接的一面为凸面透镜；
所述第八透镜的折射率为1.62<Nd8<1.67，阿贝数为55.5<Vd8<63.5，所述第八透镜与第七透镜光连接的一面为凸面透镜，所述第八透镜与第九透镜光连接的一面为凸面透镜；
所述第九透镜的折射率为1.78<Nd9<1.87，阿贝数为20.8<Vd9<26.1，所述第九透镜与第八透镜光连接的一面为凹面透镜，所述第九透镜与朝向像面的一面为凹面透镜。
4.根据权利要求3所述的超广角水下微光成像镜头，其特征在于，所述第一透镜的折射率为1.77，阿贝数为49.6；
所述第二透镜的折射率为1.69，阿贝数为54.9；
所述第三透镜的折射率为1.67，阿贝数为48.4；
所述第四透镜的折射率为1.91，阿贝数为35.3；
所述第五透镜的折射率为1.73，阿贝数为28.3；
所述第六透镜的折射率为1.59，阿贝数为68.5；
所述第七透镜的折射率为1.83，阿贝数为42.7；
所述第八透镜的折射率为1.64，阿贝数为60.2；
所述第九透镜的折射率为1.85，阿贝数为23.8。
5.根据权利要求3所述的超广角水下微光成像镜头，其特征在于，所述第五透镜为火石玻璃，所述第六透镜为ED玻璃。
6.根据权利要求1所述的超广角水下微光成像镜头，其特征在于，沿光路入射方向，每相邻的两个透镜之间的空气间隔依次为：第一透镜和第二透镜中心空气间隔为5.47mm；第二透镜和第三透镜中心空气间隔为1.05mm；第三透镜和第四透镜中心空气间隔为0.2mm；第四透镜和第五透镜中心空气间隔为0.13mm；第六透镜和第七透镜中心空气间隔为4.29mm；第七透镜和第八透镜中心空气间隔为0.12mm。
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