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第 6 卷　第 5 期 1998 年 10 月 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 7 10068) 　　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 = 133, 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 6 　 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I 0 是某水层的光量, 传输了L 路程后的光量 I 为: I = I 0 e- L , 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值 自然对数 , 单位是 1m 。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 = + , 式中, 是吸收 系数, 是散射系数。一般情况下, 散射造成的衰减 占总衰减为 60 、吸收衰减 占40 。习惯上 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- 1 所传输的距离。 2 1　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