一种入瞳前置水下激光成像光学系统的制作方法

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1.本发明属于水下光学系统领域，具体涉及一种入瞳前置水下激光成像光学系统。

背景技术：

2.水下成像是水下光学和海洋光学学科的重要研究方向，是人类认识海洋、开发利用海洋和研究保护海洋的重要手段与工具，具有探测目标直观、成像分辨率高及信息含量高等优点。该技术已经被广泛用于水中目标侦察/探测/识别、水下考古、海洋资源勘探、生物研究等领域。研究表明，蓝绿激光处于水下的传输“窗口”，对海水的穿越能力很强。因此一般使用532nm左右波长的激光对成像空间进行人工照明，以此解决水下环境对成像光束的高损耗问题。
3.由于水体散射强烈，通常水下主动照明成像系统的照明窗口和成像窗口是分置的，例如美国spartz公司的seeray水下激光成像系统。一些共孔径的水下光学成像系统的研究也已开展，这类共孔径系统多采用开孔反射镜用于激光发射通过。为了避免开孔反射镜导致成像系统图像出现中心黑斑，成像系统的光瞳需要前置，并位于开孔反射镜处。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种入瞳前置水下激光成像光学系统，前置入瞳位于开孔反射镜处，同时设计时根据跨介质成像要求进行优化设计，成像质量良好，该系统可避免开孔反射镜对成像造成的干扰，可用于共孔径式的水下激光成像系统，具有良好的成像质量，在海洋资源勘探、水中目标侦察/探测/识别、水下考古等领域具有显著的经济效益。
5.为了达到上述目的，本发明所提供的技术方案如下：
6.一种入瞳前置水下激光成像光学系统，整个系统共十个透镜、一个保护窗口、一个可变光阑和一个窄带滤光片，从物方到像方依次包括保护窗口、前组、后组和窄带滤光片，其中：
7.保护窗口用于隔绝水介质和空气介质；前组包括前组第一透镜、前组第二透镜、前组第三透镜和前组第四透镜共四个透镜；后组包括后组第一透镜、后组第二透镜、后组第三透镜、后组第四透镜、后组第五透镜和后组第六透镜共六个透镜；最后一片为窄带滤光片，用于滤除工作波段之外的光。
8.无限远目标光束依次经过保护窗口、前组四个透镜会聚成像，再经过后组六个透镜成像在靶面上。
9.进一步的，保护窗口经过钢化处理，可耐水下高压，可隔绝水介质和空气介质。
10.进一步的，前组四个透镜采用“3+1”的结构形式，其中前三个透镜为正透镜，第四个透镜为高折射率材料的负透镜。后组共六个透镜，采用“3+3”的结构形式，后组第一透镜为一片凹面向物方的弯月形负透镜，后组第二透镜为弯月形正透镜，后组第三透镜为双凸正透镜，后组第四透镜为双凸正透镜，后组第五透镜为胶合负透镜，后组第六透镜为胶合负透镜。
11.进一步的，该光学系统工作波段为525～535nm。
12.进一步的，该光学系统镜头焦距为97mm，最小f数为2.5，可变光阑位于后组第三透镜和后组第四透镜之间，通过可变光阑实现变f数，提升镜头景深。
13.进一步的，入瞳位于前组第一透镜之前210mm处。
14.进一步的，可匹配靶面φ18mm选通相机，通过后组最后三个透镜进行调焦，可实现水下3m到无穷远距离成像，并且具有良好的成像质量
15.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
16.本发明的成像光学系统，入瞳位于前组第一透镜之前210mm处，根据跨介质成像要求进行优化设计，同时在系统最后增加滤光片滤除工作波段之外的光。可变光阑位于后组第三透镜与第四透镜之间，通过调节光阑孔径大小实现变f数，提升镜头景深。该系统可避免开孔反射镜对成像造成的干扰，通过后组最后三个透镜进行调焦，可实现水下3m到无穷远距离成像，可用于共孔径式的水下激光成像系统，具有良好的成像质量。
附图说明
17.图1为本发明的光学系统示意图；
18.图2为本发明透镜及透镜面示意图；
19.图3为本发明的光学系统二维图；
20.图4为本发明的光学系统50lp/mm时mtf图。
21.图中：1-保护窗口，2-前组第一透镜，3-前组第二透镜，4-前组第三透镜，5-前组第四透镜，6-后组第一透镜，7-前后组第二透镜，8-后组第三透镜，9-可变光阑，10-后组第四透镜，11-后组第五透镜，12-后组第六透镜，13-窄带滤光片。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
23.本发明公开了一种入瞳前置水下激光成像光学系统，采用二次成像的结构形式。该系统用于水下激光成像，工作波段为525～535nm。系统由保护窗口、前组四个透镜、后组六个透镜以及窄带滤光片组成，可变光阑位于后组第三透镜与第四透镜之间，入瞳位于前组第一透镜之前210mm处。系统后组第五透镜和后组第六透镜为胶合件，用于校正系统像差。本发明的光学系统焦距为97mm，最小f数为2.5，匹配靶面φ18mm选通相机，通过可变光阑可实现变f数，提升镜头景深，通过后组最后三个透镜进行调焦，可实现水下3m到无穷远距离成像，并且具有良好的成像质量。
24.如图1所示，本发明实施例的入瞳前置水下激光成像光学系统，焦距为97mm，最小f数为2.5，整个系统共十个透镜、一个保护窗口1、一个可变光阑9和一个窄带滤光片13，依次包括保护窗口1、前组、后组和窄带滤光片13。通过合理的材料搭配、光焦度分配以及胶合件的使用，完成了系统像差校正。
25.其中：保护窗口1用于隔绝水和镜头，左侧介质为水，右侧介质为空气；前组包括前
组第一透镜2、前组第二透镜3、前组第三透镜4、前组第四透镜5，后组包括后组第一透镜6、后组第二透镜7、后组第三透镜8、后组第四透镜10、后组第五透镜11、后组第六透镜12共六个透镜，最后一片为窄带滤光片13。
26.无限远目标光束依次经过保护窗口1、前组四个透镜会聚成像，再经过后组六个透镜和窄带滤光片13成像在靶面上。
27.本发明实施例后组第五透镜11、后组第六透镜12为胶合透镜，用于校正系统像差。入瞳位于前组第一透镜2之前210mm处，根据跨介质成像要求进行优化设计，同时在系统最后增加窄带滤光片13滤除工作波段之外的光。可变光阑9位于后组第三透镜8与第四透镜10之间，通过调节光阑9孔径大小实现变f数，提升镜头景深。该系统可避免开孔反射镜对成像造成的干扰，通过后组第四透镜10、后组第五透镜11和后组第六透镜12三个透镜进行调焦，可实现水下3m到无穷远距离成像，可用于共孔径式的水下激光成像系统，具有良好的成像质量。
28.图2为本发明透镜及透镜面示意图，进一步的，光学透镜材料均为常见的、性能优异、存量充裕的可见光玻璃材料。
29.前组四个透镜采用“3+1”的结构形式，其中前三个透镜为正透镜，第四个透镜为高折射率材料的负透镜。后组共六个透镜，采用“3+3”的结构形式，后组第一透镜为一片凹面向物方的弯月形负透镜，后组第二透镜为弯月形正透镜，后组第三透镜为双凸正透镜，后组第四透镜为双凸正透镜，后组第五透镜为胶合负透镜，后组第六透镜为胶合负透镜。
30.为了更详细说明，下面给出本发明实施例的光学系统结构的具体参数：表1为入瞳前置水下激光成像光学系统结构参数(透镜曲率半径、厚度、透镜间隔及材料)。
31.表1入瞳前置水下激光成像光学系统结构参数
[0032][0033][0034]
图3为本发明的光学系统水下无穷远目标成像二维图；图4为本发明的光学系统50lp/mm时mtf图。
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综上，本发明公开的一种入瞳前置水下激光成像光学系统，采用二次成像的结构形式。该系统用于水下激光成像，工作波段为525～535nm。系统由保护窗口、前组四个透镜、后组六个透镜以及窄带滤光片组成，可变光阑位于后组第三透镜与第四透镜之间，入瞳位
于前组第一透镜之前210mm处。本发明光学镜头焦距为97mm，最小f数为2.5，匹配靶面φ18mm选通相机，通过可变光阑可实现变f数，提升镜头景深，通过后组最后三个透镜进行调焦，可实现水下3m到无穷远距离成像，并且具有良好的成像质量，具有良好的应用前景，尤其适用于水下共孔径激光成像设备，可用于海洋资源勘探、水中目标侦察/探测/识别、水下考古等领域。
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需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
[0037]
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种入瞳前置水下激光成像光学系统，其特征在于，整个系统共十个透镜、一个保护窗口、一个可变光阑和一个滤光片，从物方到像方依次为保护窗口、前组、后组和滤光片；其中：保护窗口用于隔绝水；前组依次包括前组第一透镜、前组第二透镜、前组第三透镜和前组第四透镜共四个透镜；后组依次包括后组第一透镜、后组第二透镜、后组第三透镜、后组第四透镜、后组第五透镜和后组第六透镜共六个透镜；可变光阑位于后组第三透镜与第四透镜之间，通过调节光阑孔径大小实现变f数，提升镜头景深；滤光片为窄带滤光片；物方成像光束依次经过保护窗口、前组透镜后一次成像，再经过后组透镜和滤光片成像在靶面上。2.根据权利要求1所述的入瞳前置水下激光成像光学系统，其特征在于，前组四个透镜采用“3+1”的结构形式，其中前三个透镜为正透镜，第四个透镜为高折射率材料的负透镜。3.根据权利要求1所述的入瞳前置水下激光成像光学系统，其特征在于，后组六个透镜采用“3+3”的结构形式，其中后组第一透镜为一片凹面向物方的弯月形负透镜，后组第二透镜为弯月形正透镜，后组第三透镜为双凸正透镜，后组第四透镜为双凸正透镜，后组第五透镜为胶合负透镜，后组第六透镜为胶合负透镜，后组第五透镜和后组第六透镜为胶合件，用于校正系统像差。4.根据权利要求1所述的入瞳前置水下激光成像光学系统，其特征在于，该光学系统工作波段为525～535nm。5.根据权利要求1所述的入瞳前置水下激光成像光学系统，其特征在于，入瞳位于前组第一透镜之前210mm处。6.根据权利要求1所述的入瞳前置水下激光成像光学系统，其特征在于，通过后组最后三个透镜进行调焦，实现水下3m到无穷远距离成像。7.根据权利要求1所述的入瞳前置水下激光成像光学系统，其特征在于，该光学系统焦距为97mm，最小f数为2.5，匹配靶面为选通相机。8.根据权利要求1所述的入瞳前置水下激光成像光学系统，其特征在于，保护窗口经过钢化处理。

技术总结

本发明公开了一种入瞳前置水下激光成像光学系统，整个系统共十个透镜、一个保护窗口、一个可变光阑和一个滤光片，从物方到像方依次为保护窗口、前组、后组和滤光片；其中：保护窗口用于隔绝水；前组依次包括前组第一、第二、第三和第四透镜共四个透镜；后组依次包括后组第一、第二、第三、第四、第五和第六透镜共六个透镜；可变光阑位于后组第三与第四透镜之间，通过调节光阑孔径大小实现变F数，提升镜头景深；滤光片为窄带滤光片；物方成像光束依次经过保护窗口、前组透镜后一次成像，再经过后组透镜和滤光片成像在靶面上。本发明通过可变光阑可实现变F数，提升镜头景深，通过后组最后三个透镜进行调焦，可实现水下3m到无穷远距离成像。可实现水下3m到无穷远距离成像。可实现水下3m到无穷远距离成像。