摘 要：水路兩棲潛水車是未來汽車發(fā)展的方向之一，是汽車技術(shù)進一步向高端應(yīng)用拓展的技術(shù)補充。針對水路兩棲潛水車對水下行駛過程超高清視頻記錄的需求，基于應(yīng)用光學(xué)基本理論和Zemax光學(xué)設(shè)計軟件，完成了以半球罩玻璃為視窗的小型水下定焦監(jiān)控物鏡設(shè)計，以適配微光監(jiān)控相機。該系統(tǒng)光學(xué)總長度為58 mm，水下對角線視場角64゜；當(dāng)奎奈斯特頻率為120 lp/mm時，系統(tǒng)的MTF均大于0.3，畸變?yōu)?%。該鏡頭結(jié)構(gòu)簡單緊湊，成像質(zhì)量高，同樣適用于其他水下運動平臺。

關(guān)鍵詞：水陸兩棲潛水車水下光學(xué)鏡頭光機結(jié)構(gòu)設(shè)計視頻監(jiān)控

中圖分類號：TB852.1

Research ona Small-Sized Monitoring Objective Lens for Amphibious Submarine Vehicles

LIU Yutong

University of Sanya， Sanya， Hainan Province， 572000 China

Abstract：A amphibious underwater vehicleis one of the directions for the future development of automobiles and a technological supplement for the further development of automotive technology to high-end application. In order to meet the demandof amphibious underwater vehicles for the ultra-high definition video recording of their underwater driving， based on the basic theory of applied optics and Zemax optical design software， a small-sized underwater fixed-focus monitoring objective lens with hemispherical cover glass as the window is designed to adapt to a low-light monitoring camera. The total optical length of the system is 58mm， and its underwater diagonal field of view is 64゜. When Quineste frequency is 120lp/mm， the MTF of the system is greater than 0.3， and its distortion is 6%. This lens has a simple and compact structure and high imaging quality， and it is also suitable for other underwater motion platforms.

Key Words：Amphibious submersible vehicle; Underwater optical len; Optical-mechanical structure design; Video surveillance

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，水陸兩棲潛水車逐漸走入人們的視野，并大大刺激了汽車在高端定制、水下探險等方面的需求。水下攝影技術(shù)是進行水下探險的基本手段。由于介質(zhì)的改變，將空氣中的光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過簡單防水密封后放在水下，會遇到像質(zhì)惡化、視場角損失等問題。對此，孫傳東等人[1]介紹了幾種改裝方法，但并不能徹底地消除上述影響。為了解決這一難題，人們設(shè)計了水下專用攝影物鏡，這類鏡頭從設(shè)計之初就綜合考慮了水介質(zhì)的影響，但視場角較小、體積較大，不能很好地集成在有限空間內(nèi)。例如：孫傳東設(shè)計的水下攝像鏡頭視場角僅為40°；翟學(xué)鋒[2]設(shè)計的水下鏡頭最大視場角僅為30°，總長達到了110 mm。與國外Deepsea公司、Kongsberg公司等水下商用相機產(chǎn)品差距較大。國內(nèi)多家單位均致力于水下成像裝備開發(fā)，但相關(guān)產(chǎn)品均采用直接封裝普通相機的技術(shù)手段，且用平板玻璃作為耐壓窗口，這就導(dǎo)致了水下相機視場角較空氣中視場角大幅減小，同時也未考慮海水引入的光學(xué)像差。同時，目前常見的國內(nèi)外水下相機體積均比較大，不適合集成到水棲兩用汽車中[3-5]。

針對上述問題，本文基于Zemax完成了一種小型化水下物鏡設(shè)計，明確了設(shè)計指標，結(jié)合光學(xué)設(shè)計和光機結(jié)構(gòu)設(shè)計，闡述了一種水下小型監(jiān)控物鏡的設(shè)計方法。

1 光在水中的傳播特性

水下光學(xué)鏡頭的成像質(zhì)量受到兩方面因素的影響：一是水體的吸收散射；二是工作介質(zhì)、光學(xué)窗口改變引入的像差。

根據(jù)比爾-朗伯定律，光在衰減介質(zhì)水中傳播距離z時，其輻照度的指數(shù)衰減特性如下：

Iz=I0e-kz（1）

式（1）中：k是總衰減系數(shù)，為散射衰減系數(shù)s和吸收衰減系數(shù)a之和。不同水域水體的衰減并不相同，一般情況下港口、近海、湖泊、河流水體的懸浮粒子濃度較高，對光的衰減很大[6-9]，對水下相機的成像分辨率有大幅惡化。

與在空氣中的相機不同，水下相機的工作介質(zhì)由空氣變?yōu)樗?，其折射率發(fā)生較大變化，利用Schott公式計算折射率，并通過最小二乘法擬合得到純凈水和海水色散系數(shù)可得出如下折射率表[10]（見表1）。

通常情況下，將空氣中的相機封裝在平板玻璃的水密耐壓艙后，其水下成像質(zhì)量并不會明顯惡化，但會使水下視場角大幅降低。采用球罩玻璃封裝會保證較大水下視場角，但是會引入十分明顯的畸變。水下相機的成像分辨率與光學(xué)鏡頭和圖像傳感器像元數(shù)量、大小有關(guān)[11]。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，單個圖像傳感器的細節(jié)分辨能力為，

〖MTF〗_detect （u_i）=（sin?（π〖?d〗_pixel?u_i））/（π〖?d〗_pixel?u_i ）（2）

式（2）中：dpixel為像元尺寸；ui為空間頻率；圖像傳感器截止頻率為1/（2dpixel）。整個相機的成像分辨率為：

1/N=1/Nlens+1/Ndetect （3）

式（3）中：Nlens表示光學(xué)鏡頭分辨率， Ndetect為圖像傳感器分辨率，單位均為lp/mm。

2水下物鏡的設(shè)計

2.1 設(shè)計指標

水陸兩棲潛水車往往在近岸十米以淺的水域進行下潛，受人為因素影響，該處水域浮游植物、礦物質(zhì)等懸浮粒子濃度較高，水中能見度較小，導(dǎo)致光在水中傳輸時面臨巨大的吸收和散射。為了較清晰成像，需要采用高靈敏度CMOS成像傳感器，型號為1/8英寸的SONY IMX334，分辨率為3840×2160，對角線尺寸為 8.86 mm，單個像元尺寸為2 μm，鏡頭的具體設(shè)計指標如表2所示。

2.2光學(xué)設(shè)計

考慮到水下視場角和水陸兩棲潛水車的行駛環(huán)境，選用耐高溫、耐高壓、耐腐蝕，莫氏硬度為9的人造藍寶石玻璃作為前端水密耐壓窗口。藍寶石相比其他玻璃材料，在具有200～5 500 nm的光譜透過性能外，經(jīng)常被用于各類裝備的保護視窗，可以有效避免陸地行駛時的沙塵和水下懸浮顆粒對鏡頭的磨損。

鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

所設(shè)計的為定焦光學(xué)鏡頭，其中圖2（a）中第1個鏡片為內(nèi)徑62 mm的人造藍寶石窗口，人造藍寶石按照250 MPa的屈服強度核算，可以承受水下10 m工作深度的水壓；該窗口與水陸兩棲潛水車外殼集成為一體，采用低成本NBR70的丁腈密封圈進行密封，丁腈橡膠是由丙烯腈與丁二烯單體聚合而成的共聚物，耐磨性較高，耐熱性較好。

為了降低生產(chǎn)制造成本，所有鏡片均為球面鏡。第2、3、4、5、6材料依次為ZPK2A、LAK10、F4、LAF53、ZK10L，第7片為ZF7LA和ZPK1A的雙膠合透鏡，第8片為ZPK2A，第9片為材質(zhì)K9玻璃的保護視窗。保護視場角與后焦面，即圖像傳感器的距離為6 mm。具體設(shè)計結(jié)果如表3所示。

如前文所述，光學(xué)傳遞函數(shù)是一個空間不變線性系統(tǒng)的成像性質(zhì)，可用物、像平面上不同頻率的余弦分布的振幅比和相位差來表示。在Zemax光學(xué)設(shè)計中，用傳遞函數(shù)曲線的高頻部分表征設(shè)計結(jié)果的細節(jié)分辨能力。圖3為光學(xué)鏡頭的傳遞函數(shù)，如圖所示該鏡頭的各位置奎奈斯特頻率120 lp/mm均大于0.3，且各視場角曲線重合度較高，可確保成像質(zhì)量均勻。圖4為鏡頭場曲和畸變設(shè)計結(jié)果，可見光學(xué)鏡頭的畸變控制在6%左右，該畸變?nèi)搜圯^難分辨。

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計結(jié)果滿足清晰成像要求。不包含人造藍寶石玻璃，該光學(xué)鏡頭總長58 mm，對角線視場角64°，滿足設(shè)計指標。

2.3 光機結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖5為鏡頭的光機結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果。光學(xué)鏡頭機械結(jié)構(gòu)總長60.2 mm，最大直徑Ф31 mm。機械結(jié)構(gòu)材料為6061鋁合金，表面進行黑色啞光陽極氧化，膜層均勻色澤一致，氧化膜厚度不大于0.02 mm，且進行封閉處理。每個鏡片或鏡組設(shè)計了單獨鏡座，為了盡可能使鏡頭輕量化，部分透鏡用細牙螺紋壓圈壓緊，余下的通過環(huán)氧樹脂粘合劑膠粘。為了適應(yīng)透鏡光學(xué)定心后及參與楔形角，壓圈的螺紋與鏡座的螺紋配合適當(dāng)放松。

為避免水陸兩棲潛水車行駛過程中振動對鏡片的應(yīng)力損傷，在光機界面類型選取方面，盡量采用面接觸和相切界面，以減小玻璃和金屬界面間的接觸應(yīng)力。其中，采用面接觸的明顯優(yōu)點是，倒角和斜邊的位置公差和方向公差都可以放寬，降低設(shè)計難度。

3 結(jié)語

水下視頻攝錄及監(jiān)控可以為潛水車的水下行駛提供豐富水下畫面，大大提高駕駛體驗。本文完成了一款小型水下監(jiān)控物鏡的光學(xué)設(shè)計和光機結(jié)構(gòu)設(shè)計，在保證水下光學(xué)成像效果的同時，大大降低鏡頭的總體質(zhì)量和體積，為水陸兩棲汽車的水下監(jiān)控應(yīng)用提供技術(shù)支撐。該研究成果在水下安全監(jiān)測、海洋牧場、深?？瓶嫉阮I(lǐng)域同樣具有一定應(yīng)用前景。

參考文獻

孫傳東，李馳，張建華，等.水下成像鏡頭的光學(xué)設(shè)計[J].光學(xué)精密工程，1998（5）：7-13.

翟學(xué)鋒，董曉娜，王國富，等.水下變焦鏡頭的設(shè)計[J].應(yīng)用光學(xué)，2007（4）：416-420.

馬海寬，曹煊，褚東志，等.應(yīng)用于海洋監(jiān)測的水下變焦鏡頭設(shè)計[J].激光與光電子學(xué)進展，2017，54（10）：68-73.

王雪峰，顏昌翔，王曉東，等.大視場角高分辨率深海探測變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].激光與光電子學(xué)進展，2023，60（7）：68-74.

曲銳，楊建峰，曹劍中，等.水下大視場角連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].紅外與激光工程，2021，50（7）：233-239.

Jarrett W， Avramov-Zamurovic S， Esposito J ，et al.Machine Learning-Based Underwater Communication System Using Light Carrying Orbital Angular Momentum[J].2022 Conference on Lasers and Electro-Optics （CLEO）， 2022：1-2.

孔美巍. 水下無線光通信系統(tǒng)的設(shè)計與實驗研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2018.

L Collister-Brian，C Zimmerman-Richard，J Hill-Victoria，et al.Polarized lidar and ocean particles：insights from a mesoscale coccolithophore bloom[J].Applied optics，2020，59（15）： 4650-4662.

林宏.海洋懸浮粒子的米氏散射特性及布里淵散射特性研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

Milton Laikin. Lens Design， Fourth Edition[M]. America：CRC Press，2016.

丁喆.水下光學(xué)成像質(zhì)量退化機理研究[D].西安：中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所），2022..