水下专用成像物镜的设计

Design for Special Underwater Photography Objective LensYUAN Ting ，AN Zhiyong ，XIAO Zuojiang ，Fu Jinjiang。

(1.School ofOpticalElectronicEngineering，ChangchunUniversityofScience andTechnology，Changchun130022；2.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033)Abstract：with the extensive use of underwater photography.objective lens with wide angle and large relative apertureis extremely urgent.Underwater imaging objective lens reported home and abroad does not yet have these features，SOin this paper，the characteristics of design for special tmderwater photography objective lens with wide angle and largerelative aperture have been analyzed.Using the ZEMAX software for analog optimization，the special underwater pho-tography objective lens with parallel watertight shell window are got.Its technical parameters are showed below：Rela-rive aperture of 1/1.6；Underwater full field 72。；The focal length of 8.96 ram；Spectral response range 436656 nm。

When spatial frequency is 461p/mm.ful field MTF is beer than O.3.When the radius of the circle is 10.8 gm.ener-gY concentration is 80% in this circle：the whole field distortion is less than 2%.All these parameters Can satisfy theneeds of the deep water shimmer photographic objective lens with wide angle and large relative aperture。

Key words：underwater imaging；wide angle；large relative aperture；optical design为了适应国防、海洋开发与水下考古等的需求，水下成像、摄影技术已经成为它们的基本方法。但由于水下成像摄影的物方介质是水，而地面上使用的光学系统物方介质是空气，使得地面上使用的光学系统经过简单防水密封后用于水下成像会导致很多其它问题比如像质恶化、图像变形、视场损失等，有时甚至会导致光学系统失效。为了解决这些可能产生的问题 ，人们设计了水下专用摄影物镜，这类镜头从设计之初就考虑了物方水介质的影响，从而可以控制水下成像系统的光学像差并加以校正。目前国内外公开报道的水下专用摄影物镜的相对孔径为1/2.0～1/2.8，水下全视城低于60。，不具备大相对孔径，大视场的特点。这类水下专用物镜不仅限制了成像光束还限制了观测范围的提高，很难满足目前对水下大物体的探测需求。因此本文分析了大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的关键因素，设计收稿日期 ：2012-10-18作者简介：袁婷 (1987-)，女，硕士研究生，E-mail：yuantingmm###tom.com。

通讯作者：安志勇 (1943-)，男，教授，博士生导师，E～mail：al-zhiyong###126.com。

第3-4期 袁婷，等：水下专用成像物镜的设计 39了-个水下全视城72。，相对孔径为 1/1.6，焦距为8.96mm的水下专用成像物镜。该物镜由9片(包括水密壳窗)透镜构成，结构简单，成像质量好。

1 水下成像系统的光学设计特点水下成像物镜工作环镜在水中，由于水下成像摄影的物方介质是水 ，而地面上使用的光学系统物方介质是空气，使得地面上使用的光学系统经过简单防水密封后用于水下成像会导致很多其它问题比如图像变形、像质恶化、视场损失等，有时甚至会导致光学系统失效。虽然有些地面使用的光学系统经改装后可以用于水下成像，但这并不能彻底地消除水介质对光学系统成像质量的影响〖虑到这-因素，人们很早就开始设计水下专用摄影物镜 ，这类镜头从设计之初就综合考虑了水介质的影响(前透镜直接与水接触)，从而控制系统像差并加以校正，以达到高质量地面镜头的水平。同时，水介质对光的吸收和散射作用会造成到达成像面的光能损失，这既会造成进入镜头成像的光能减少，还会缩短水下摄影的有效成像距离。当成像范围-定时，成像距离的缩短会造成视场的增加，因此同时增大水下摄影物镜的视惩相对孔径具有重要意义：视场的增加可以拓展镜头的有效观测范围，而相对孔径的增大则有利于提高水下光能的利用。从 目前国内外关于水下专用摄影物镜的公开报导来看，目前设计的水下专用摄影物镜的相对孔径-般在1/2.8～1/2.0之间，水下全视城低于60。，还不同时具备大视尝大相对孔径的特点，既没有充分利用水下光能，也限制了观测范围的提高。因此，设计同时具备大视场大相对孔径的水下专用摄影物镜具有重要的理论和实际意义。

2 物镜光学系统参数确定2.1 光学系统参数计算方法水下专用摄像物镜有三个主要的光学参数：相对孔径 D/厂 ，视城2 和焦距 厂 〖虑到水下光能衰减比较严重，要得到比较好的成像效果必须要保证目标及像面都有较高的照度。下式为水下成像情况下，像面照度式为：JEt：4B c D 式中：B为未衰减的光照度； ，为水的折射率；T为水路径衰减系数。当B、72 、T-定时，像面照度与(D/厂 ) 成正比。相对孔径越大则像面照度越高 ，同时在焦距-定的前提下 ，CCD探测器的信噪比也会随之提高。因此，对成像而言，提高摄影镜头的相对孔径是非常有利也是非常有必要的，但是 ，如果相对孔径达到 1/1.4、1/1.2甚至更高，则会给高级球差、高级色差的校正带来极大的难度，并导致结构更加复杂。当相对孔径确定之后则要进-步确定视城2 和焦距 厂 ～光学系统视为理想光学系统，水下光学系统物方介质为水，像方介质为空气，如图l所示。

， f图 1 光 学参数假设镜头物方最短成像距离为L，在该距离上要看清物高为2 y的目标，接收器件对角线长为2 y 。

则水下物方视城 2 为：2022arctan(Y/L) (1)接收器件对角线长y 为：Y ～nwf tan CO (21由上式可以得到镜头像方焦距 厂 为- (3)式中 为水的折射率。

2.2 CCD接收器选取在光学系统设计中，首先需根据光谱范围、分辨率大小等选择适当的接收器，然后根据具体要求设计与接收器相匹配的物镜。在水下成像系统中，考虑到水对不同波长的光的吸收特性，选取波长覆盖范围为436-656nm的探测器，这里选择尺寸为14.1×11.3mm的面阵CCD作为接收器 ，其光谱范围为430～656nm，单个像元大小为10.8gm，满足检测系统使用要求。由单个像元大猩计算出该CCD奎尼斯特频率为：2×CCD像元素大小 2×10.81xm2.3 技术要求及光学参数的确定 461p/mm根据项目，本文需要设计-个水下成像物镜，要