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1、第6卷第5期1998年10月光行天下论坛http://www.opticsky.cn水下成像镜头的光学设计孙传东李驰张建华陈良益(中国科学院西安光学精密机械研究所西安710068)摘要水下光学成像技术,如水下摄影、水下电视、水下激光距离选通成像系统等,是海洋研究与开发的得力工具,但由于水对光的散射和吸收等特殊的光学特性,以及使用环境的特殊性,使水下光学成像系统的设计和研制较陆上光学系统有更大的难度。本文指出了主要的技术关键,及设计与使用水下光学成像系统时需注意的问题,最后给出了水下电视光学成像系统设计研制的实例。关键词水下光学成像水
2、下摄影水下光学系统设计海洋光学1概述为了适应海洋开发、海洋基础研究、海洋地质勘察、水下武器试验、水下体育运动的研究和海洋资源勘探的需要,水下光学成像、摄影(电影摄影、照相摄影和电视摄影、摄像)技术已经成为探索海洋奥秘的基本方法。与此同时,随着影视事业的发展,水下光学成像、摄影也是科教、体育、新闻和艺术等影视作品的重要表现手段。但由于水介质的光学性质不同于空气,因此必需研制水下专用的光学系统,才能得到满意的成像质量。由于水具有与空气不同的折射率,n=1133,因此当光线从水介质射向空气时,会发生折射现象。水下成像时,目标位于水介质的物
3、空间中,而成像平面(CCD、胶片等)位于空气介质的像空间中,如果使用普通的摄影、摄像物镜,采用简单的透明平行平板玻璃密封防水,将不但使物镜的视角变小(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,图像变形和清晰度降低。为了克服上述缺陷,可以采用下列几种方法:玻璃半球防水密封窗、普通摄影物镜与远焦型附加镜组组合以及水接触专用摄影物镜。其中,玻璃半球防水密封窗的结构比较简单,能够改善由于水介质折射引起的一些缺陷,但不能完全校正,特别是使物镜的像面弯曲增大;远焦型附加镜组作为水下摄影的附件使用,既保持
4、了普通摄影物镜完整和使用性能,又满足了水下摄影的要求,但它很难满足水下大视场、大孔径的需要;水接触专用摄影物镜能够彻底校正像收稿日期:1998-02-20修稿日期:1998-06-08光行天下论坛http://www.opticsky.cn6差和消除水介质的影响,因而是一种比较理想的水下摄影光学系统。2水下光学问题的特殊性及水对光学成像的影响由于水对可见光的吸收和散射,使得光在水中传输时的能量按指数规律迅速地衰减。设I0-L是某水层的光量,传输了L路程后的光量I为:I=I0e,式中,L称衰减系数,表示光传输1m距离后光能量衰减的对数
5、值(自然对数),单位是1öm。光在水中的衰减是由水对光的吸收衰减和水中胶体粒子对光的散射所造成的,因此式中的L由两部分组成:L=A+B,式中,A是吸收系数,B是散射系数。一般情况下,散射造成的衰减占总衰减为60à、吸收衰减占40à。习惯上-1我们也常用衰减长度表示水质对光的衰减特性,它表示光量衰减到原来的e所传输的距离。211水对光的散射由于水中存在着悬浮的质点,造成了水对光的散射。水中散射有两种:纯水本身产生的散射和由悬浮粒子所引的散射,海水是由具有吸收本领和随机取向的不规则粒子所组成的复杂色散系统。散射光对影像的衬底产生极为有害
6、的影响,散射主要有前向散射和后向散射,前向散射是指光在水中传播时,遇到水中悬浮的颗粒,发生光向前各方向散射,造成光在传播方向的衰减,这对成像距离增加了困难,后向散射是指光在水中传播时,遇到水中悬浮颗粒,发生光向后各方向散射,造成图像的对比度下降,这对水下光学成像危害极大,使影像衬度成为水下光学成像严重的问题。随着成像距离的增大,画面反差降低,影像的细节模糊,影响成像质量,使摄取图像变得困难。212水对光的选择性吸收这也就是说,水对光的吸收在不同的光谱区域是不同的,水对光谱中的紫外和红外部分表现出强烈的吸收,纯净的水和清的大洋水在光谱
7、的蓝-绿区域透射比最大。但即使在这个蓝—绿窗口,水的吸收也足以使光的的强度每米衰减约百分之四。213水具有一定的不同于空气的折射率(nW=11339)由于水具有一定的不同于空气的折射率(nW=11339),因此,当光线从水介质射向空气(或其它介质)时会发生折射现象。水下成像时,被摄物体是处于水介质的物空间中,而成像系统处于密封壳体内的空气介质中,水下目标的成像光线在经过—玻璃壳窗—空气的界面时,会产生折射,从而给水下光学成像系统带来聚焦误差、视角误差、畸变和色差等不利因素(如图1所示):(1)聚焦误差:绝大多数的水下面成像系统的外壳
8、都有一个简单而且可靠的玻璃和光学塑料制成的平行平面壳窗,因为它具有结构简单和密封可靠的优点。光经过水—玻璃壳窗—空气的交界面时传播服从折射定律,其简单的关系由下式表示:nwsin5w=ngsin5g=nasin5a如果入射角小,可以用
