CN111238449A - 一种适用于深海环境的全反射式水下相机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于深海环境的全反射式水下相机。该相机包括窗口玻璃、探测器壳体、探测器以及反射式光学系统；探测器壳体一端设有通光孔，另一端封闭，探测器壳体内沿着光的入射方向依次设有窗口玻璃以及探测器；反射式光学系统位于通光孔的前方，且固定安装于探测器壳体上；反射式光学系统上设有一个入光口以及至少一个反射镜，入光口和至少一个反射镜相对位置必须确保通过入光口的光束经至少一个反射镜反射后能依次经过通光孔、窗口玻璃最后被探测器接收；该相机避免了空气与水界面带来了高强度压差对反射式光学系统的影响，可以在深海环境中使用。
Description
技术领域
本发明涉及水下成像技术领域，特别是涉及一种适用于深海环境的全反射式水下相机。
背景技术
深海光学成像探测是一种以获取深海图像信息为目的的光、机、电、算相结合的技术。深海相机系统是深海光学成像探测系统的重要硬件组成部分，直接影响着图像的拍摄质量。
常规水下相机采用折射式光学系统形式，窗口玻璃位于系统最前端，直接面临深海海水和空气界面之间巨大的压强差，使得窗口玻璃的尺寸受到很大的限制，严重制约了常规水下相机的通光口径，导致相机分辨率不高。文献【1】--江传富,用于海空目标成像的水下超广角光学系统设计[J].光学与光电技术.2013,11(3):82-85以及文献【2】--袁婷,安志勇,肖作江,付锦江.水下专用成像物镜的设计[J].长春理工大学学报.2013,36(3):38-41.均提出采用球形玻璃窗口替代平板玻璃窗口，在一定程度上可以增加窗口玻璃的尺寸，但由于窗口玻璃仍在系统最前端，仍无法解决水下相机通光口径受限的问题。
目前，深海相机的通光口径通常＜200mm。因此，亟需设计在深海环境下使用的大口径光学相机，满足深海高分辨成像与高灵敏探测的需求，为深海矿产开发、深海资源勘测以及深海生物与化学活动探索等提供重要支撑。
发明内容
为了解决传统水下相机采用折射式的结构，窗口玻璃位于相机光学系统前端，系统存在空气和水的界面，在界面处会产生高强度的压力，导致相机口径受到限制，高强度压力使得相机无法在深海环境下使用的问题，本发明提供一种适用于深海环境的全反射式水下相机。
本发明的基本设计思路是：
本发明基于的光学系统采用反射入光的方式，并将光学系统整体置于水中，因而不存在空气和水的界面，可以承受高强度的水下压力，窗口玻璃位于探测器前端，相机口径可以较大，以满足相机高分辨率对口径的需求，使得水下相机在深海环境下实现高分辨探测。
本发明的技术解决方案如下：
一种适用于深海环境的全反射式水下相机，其特征在于：
包括窗口玻璃、探测器壳体、探测器以及反射式光学系统；
探测器壳体一端设有通光孔，另一端封闭，探测器壳体内沿着光的入射方向依次设有窗口玻璃以及探测器；
反射式光学系统位于通光孔的前方，且固定安装于探测器壳体上；反射式光学系统上设有一个入光口以及至少一个反射镜，入光口和至少一个反射镜相对位置必须确保通过入光口的光束经至少一个反射镜反射后能依次经过通光孔、窗口玻璃最后被探测器接收；所述反射镜为反射面为曲面。
进一步地，上述反射式光学系统包括支撑框、第一反射镜、第二反射镜以及第三反射镜；
支撑框固定安装在所述探测器壳体设有通光孔的一侧；
入光口开设在支撑框上；第一反射镜、第二反射镜以及第三反射镜均安装于支撑框上；光束从入光口进入依次经第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜反射后再通过通光孔、窗口玻璃后被探测器接收；所述第三反射镜的反射面为曲面。
进一步地，上述第一反射镜、第二反射镜的反射面为球面或二次曲面或非球面或自由曲面或平面。
进一步地，上述探测器壳体为前端盖、密封筒体以及后端盖；前端盖通过密封螺钉与密封筒体一端连接，后端盖通过密封螺钉与密封筒体连接；窗口玻璃、探测器均安装于密封筒体中；通光孔开设于前端盖上。
进一步地，上述前端盖和密封筒体连接处、后端盖和密封筒体连接处均设有O型密封圈进行密封。
进一步地，上述反射式光学系统的入光口口径大于等于200mm。
进一步地，上述反射式光学系统的反射镜材质为是金属材质或玻璃材质或晶体或复合材料。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明采用反射式光学系统，入光口设置在该反射式光学系统上且反射式光学系统的反射镜的反射面为曲面，可将光束全部聚焦反射进入探测器，当需要大口径的相机时，由于整个反射式光学系统均位于水中，首先避免了空气与水界面带来了高强度压差对反射式光学系统的影响，可以在深海环境中使用，同时，只需适当的增加窗口玻璃厚度即可满足要求。
2、本发明的反射式光学系统中设置多个反射镜，可使得整个反射式光学系统光学结构和机械结构更加合理，紧凑。
3、本发明采用反射式光学系统，可以尽可能确保窗口玻璃口径不变，从而使得整个探测器侧的尺寸结构不发生变化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记如下：
01-反射式光学系统、02-探测器壳体；
1-入光口，2-第一反射镜，3-第二反射镜，4-第三反射镜，5-反射镜支撑框，6-前端盖，7-窗口玻璃，8-密封筒体，9-后端盖，10-探测器、11-O型密封圈、12-通光孔。
具体实施方式：
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例提供了一种适用于深海环境的全反射式水下相机的具体结构，包括探测器壳体02、探测器10以及反射式光学系统01；
本实施例中反射式光学系统01包括第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4以及支撑框5；入光口1开设于支撑框5上(图中支撑框5的下边框上)，第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4均安装在支撑框5上；第一反射镜2设置在经入光口1进入的光束路径上(图中支撑框5的上边框上)，第二反射镜3设置在经第一反射镜2反射后的光束路径上(图中支撑框5的右下部边框上)；第三反射镜4设置在经第二反射镜3反射后的光束路径上(图中支撑框5的左边框上)；其中，第三反射镜4的反射镜的反射面必须为曲面(根据情况可选择球面或二次曲面或自由曲面)。第一反射镜2和第二反射镜3的反射镜的反射面根据情况可选择球面或二次曲面或自由曲面或平面。
探测器壳体02为前端盖6、密封筒体8以及后端盖9；前端盖6通过密封螺钉与密封筒体8一端连接，后端盖9通过密封螺钉与密封筒体8连接；窗口玻璃7、探测器10按照光束传输方向依次设置于密封筒体8中；前端盖6上开设有通光孔12。
支撑框5通过螺钉连接于前端盖6上，确保经第三反射镜4聚焦反射的光束能够经过通光孔12、窗口玻璃7后被探测器10接收。
另外，为了提高密封性，前端盖6和密封筒体8连接处、后端盖9和密封筒体9连接处以及窗口玻璃7与密封筒体8连接处均设有O型密封圈11进行密封。
本实施例中入光口1口径可大于等于200mm，当然也可小于200mm。本实施例中第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4的材质可采用金属材质或玻璃材质或晶体或复合材料。
该相机的具体实施原理如下：
光束由入光口1进入反射式光学系统后入射到第一反射镜2上，经由第一反射镜2反射到第二反射镜3，再由第二反射镜3反射到第三反射镜4，然后由第三反射镜4聚焦反射后进入窗口玻璃7，最后由窗口玻璃7透射后被探测器10接收，在整个过程中由于入光口1开设在反射式光学系统01一侧，反射式光学系统01整体位于水中，不存在空气和水的界面，可承受深海环境带来的巨大压强，窗口玻璃7直接安装于探测器壳体02内，为了增大相机口径，可以增加入光口1口径，由于第三反射镜4反射面为曲面，具有聚焦反射能力，因此窗口玻璃7的口径可不增加或适当增加，为了承受水下压差的影响，窗口玻璃7只需增加厚度即可。由此可见，本发明的相机能够实现深海环境下的大口径高分辨探测。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种适用于深海环境的全反射式水下相机，其特征在于：
包括窗口玻璃、探测器壳体、探测器以及反射式光学系统；
探测器壳体一端设有通光孔，另一端封闭，探测器壳体内沿着光的入射方向依次设有窗口玻璃以及探测器；
反射式光学系统位于通光孔的前方，且固定安装于探测器壳体上；反射式光学系统上设有一个入光口以及至少一个反射镜，入光口和至少一个反射镜相对位置必须确保通过入光口的光束经至少一个反射镜反射后能依次经过通光孔、窗口玻璃最后被探测器接收；所述反射镜为反射面为曲面。
2.根据权利要求1所述的适用于深海环境的全反射式水下相机，其特征在于：所述反射式光学系统包括支撑框、第一反射镜、第二反射镜以及第三反射镜；
支撑框固定安装在所述探测器壳体设有通光孔的一侧；
入光口开设在支撑框上；第一反射镜、第二反射镜以及第三反射镜均安装于支撑框上；光束从入光口进入依次经第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜反射后再通过通光孔、窗口玻璃后被探测器接收；所述第三反射镜的反射面为曲面。
3.根据权利要求2所述的适用于深海环境的全反射式水下相机，其特征在于：所述第一反射镜、第二反射镜的反射面为球面或二次曲面或自由曲面或平面。
4.根据权利要求3所述的适用于深海环境的全反射式水下相机，其特征在于：所述探测器壳体为前端盖、密封筒体以及后端盖；前端盖通过密封螺钉与密封筒体一端连接，后端盖通过密封螺钉与密封筒体连接；窗口玻璃、探测器均安装于密封筒体中；通光孔开设于前端盖上。
5.根据权利要求4所述的适用于深海环境的全反射式水下相机，其特征在于：前端盖和密封筒体连接处、后端盖和密封筒体连接处均设有O型密封圈进行密封。
6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的适用于深海环境的全反射式水下相机，其特征在于：所述反射式光学系统的入光口口径大于等于200mm。
7.根据权利要求1-5任一权利要求所述的适用于深海环境的全反射式水下相机，其特征在于：所述反射式光学系统的反射镜材质为是金属材质或玻璃材质或晶体或复合材料。
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| CN111751948A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-09 | 青岛科技大学 | 一种压力自平衡式深海仪器光学镜头封装结构 |
| CN111751948B (zh) * | 2020-06-30 | 2022-04-08 | 青岛科技大学 | 一种压力自平衡式深海仪器光学镜头封装结构 |
| CN113556449A (zh) * | 2021-06-23 | 2021-10-26 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种适用于深井环境的全反射式水下相机 |
| CN118330838A (zh) * | 2024-06-12 | 2024-07-12 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 全铝自由曲面离轴低温红外光学镜头及其装调方法 |
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