本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對(duì)近海平面及空中目標(biāo)成像的水下光學(xué)裝置。

背景技術(shù)：

水下對(duì)空中接近海平面或水下Snell窗口(Snell圓錐)邊緣附近的成像一直是研究的熱點(diǎn)。這是因?yàn)閷?duì)于海面觀測(cè)而言其主要目標(biāo)無(wú)論是水下還是水面，都是在接近水面區(qū)域。例如海平面上一艘40m高的游輪在460m外僅占5°視場(chǎng)，因此水下對(duì)?？漳繕?biāo)探測(cè)時(shí)海面附近幾度視場(chǎng)角更重要。

空中接近水平角度或水下Snell窗口邊緣附近的成像相對(duì)于垂直方向的成像更困難，常規(guī)的方法是采用廣角鏡頭或魚(yú)眼鏡頭覆蓋水平區(qū)域成像，但其邊緣圖像壓縮和畸變嚴(yán)重，且鏡頭焦距較短，只有幾毫米。另外由于Snell圓錐與垂直方向激活呈48.6°，從而使入射光束產(chǎn)生類棱鏡光譜效應(yīng)，就像光束穿過(guò)頂角為48.6°的棱鏡一樣，產(chǎn)生嚴(yán)重的色差，影響光學(xué)裝置的成像質(zhì)量。楔形棱鏡色差校正在近水平方向的水對(duì)空探測(cè)中非常必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供了一種對(duì)近海平面及空中目標(biāo)成像的水下光學(xué)裝置，實(shí)現(xiàn)了水下對(duì)?？沼绕涫墙咏Ｆ矫鎱^(qū)域目標(biāo)的清晰成像，提高了對(duì)近海平面方向目標(biāo)的探測(cè)效果，結(jié)構(gòu)緊湊，海底抗干擾能力強(qiáng)。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種對(duì)近海平面及空中目標(biāo)成像的水下光學(xué)裝置，包括依次設(shè)置的耐壓保護(hù)窗口、楔形鏡、第一透鏡組、反射鏡和第二透鏡組，耐壓保護(hù)窗口和楔形鏡沿O₁-O₂光路設(shè)置，光束沿O₁-O₂光路照射經(jīng)過(guò)楔形鏡折射后，形成O₂-O₃光路，第一透鏡組和反射鏡沿O₂-O₃光路設(shè)置，光束沿O₂-O₃光路照射經(jīng)過(guò)反射鏡反射后，形成O₃-O₄光路，第二透鏡組沿O₃-O₄光路設(shè)置，耐壓保護(hù)窗口設(shè)置于最外層，工作時(shí)與海水接觸，將楔形鏡、第一透鏡組、反射鏡和第二透鏡組與海水隔絕進(jìn)行保護(hù)。

按照上述技術(shù)方案，所述的水下光學(xué)裝置還包括濾光片和探測(cè)器，濾光片和探測(cè)器依次設(shè)置于第二透鏡組之后，沿O₃-O₄光路設(shè)置。

按照上述技術(shù)方案，O₁-O₂光路與垂直水平面的H-H’法線的夾角α為40°～60°，O₂-O₃光路與垂直水平面的H-H’法線的夾角β為51°～70°；可以對(duì)沿垂直海平面方向入射的30°～88°范圍的近海平面及空中目標(biāo)清晰成像。

按照上述技術(shù)方案，反射鏡和第二透鏡組之間設(shè)有可變光闌。

按照上述技術(shù)方案，所述可變光闌設(shè)置于水下光學(xué)裝置的孔徑光闌和視場(chǎng)光闌重合的位置。

按照上述技術(shù)方案，第一透鏡組包括沿O₂-O₃光路依次設(shè)置的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡；第二透鏡組包括沿O₃-O₄光路依次設(shè)置的第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡和第九透鏡。

按照上述技術(shù)方案，楔形鏡的材料為重火石玻璃。

按照上述技術(shù)方案，楔形鏡的楔形角度為10°～20°。

一種近海平面的水下潛望器，包括所述的水下光學(xué)裝置和殼體，水下光學(xué)裝置設(shè)置于殼體內(nèi)，沿殼體中心軸周向均勻分布。

按照上述技術(shù)方案，所述的水下光學(xué)裝置個(gè)數(shù)為5～7個(gè)。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1.通過(guò)海水本身、楔形鏡、第一透鏡組、反射鏡和第二透鏡組構(gòu)成的光學(xué)成像路線，形成折反式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了水下對(duì)?？沼绕涫墙咏Ｆ矫鎱^(qū)域目標(biāo)的清晰成像，將海面與透鏡之間的海水虛擬成一個(gè)楔形鏡，作為成像光學(xué)系統(tǒng)的一部分，海面以上的入射光束穿透海水產(chǎn)生了類棱鏡光譜色散效應(yīng)，采用等效的反向楔形棱鏡有效校正了海水冠狀色散，提高了對(duì)近海平面方向目標(biāo)的探測(cè)效果，所述的水下光學(xué)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，有效減小了整個(gè)裝置的外形尺寸，尤其適于潛水器具內(nèi)布置，有效的節(jié)約潛水器具內(nèi)有限的空間，無(wú)電子設(shè)備，海底抗干擾能力強(qiáng)。

2.水下光學(xué)裝置沿殼體中心軸周向均勻分布，可形成多孔徑凝視組合，實(shí)現(xiàn)360°周視?？漳繕?biāo)警戒探測(cè)，無(wú)需掃描，警戒時(shí)間短，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，提前采取規(guī)避措施，在?？漳繕?biāo)警戒探測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)近海平面及空中目標(biāo)成像的水下光學(xué)裝置的原理圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)近海平面及空中目標(biāo)成像的水下光學(xué)裝置的成像區(qū)域的示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中近海平面的水下潛望器的立面圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中近海平面的水下潛望器的剖視圖；

圖中，1-耐壓保護(hù)窗口，2-楔形鏡，3-第一透鏡，4-第二透鏡，5-第三透鏡，6-第四透鏡，7-反射鏡，8-可變光闌，9-第五透鏡，10-第六透鏡，11-第七透鏡，12-第八透鏡，13-第九透鏡，14-濾光片，15-探測(cè)器，16-殼體，17-海水，18-水平面，19-空中，20-空氣。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

參照?qǐng)D1～圖2所示，本發(fā)明提供的一個(gè)實(shí)施例中的對(duì)近海平面及空中目標(biāo)成像的水下光學(xué)裝置，包括依次設(shè)置的耐壓保護(hù)窗口1、楔形鏡2、第一透鏡組、反射鏡7和第二透鏡組，耐壓保護(hù)窗口1和楔形鏡2沿O₁-O₂光路設(shè)置，光束沿O₁-O₂光路照射經(jīng)過(guò)楔形鏡2折射后，形成O₂-O₃光路，第一透鏡組和反射鏡7沿O₂-O₃光路設(shè)置，光束沿O₂-O₃光路照射經(jīng)過(guò)反射鏡7反射后，形成O₃-O₄光路，第二透鏡組沿O₃-O₄光路設(shè)置，耐壓保護(hù)窗口1設(shè)置于最外層，工作時(shí)與海水接觸，將楔形鏡2、第一透鏡組、反射鏡7和第二透鏡組與海水隔絕進(jìn)行保護(hù)；通過(guò)海水本身、楔形鏡2、第一透鏡組、反射鏡7和第二透鏡組構(gòu)成的光學(xué)成像路線，形成折反式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了水下對(duì)?？沼绕涫墙咏Ｆ矫鎱^(qū)域目標(biāo)的清晰成像，將海面與透鏡之間的海水虛擬成一個(gè)楔形鏡2，作為成像光學(xué)系統(tǒng)的一部分，海面以上的入射光束穿透海水產(chǎn)生了類棱鏡光譜色散效應(yīng)，采用等效的反向楔形棱鏡有效校正了海水冠狀色散，提高了對(duì)近海平面方向目標(biāo)的探測(cè)效果，所述的水下光學(xué)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，有效減小了整個(gè)裝置的外形尺寸，尤其適于潛水器具內(nèi)布置，有效的節(jié)約潛水器具內(nèi)有限的空間，無(wú)需掃描，警戒時(shí)間短，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，無(wú)電子設(shè)備，海底抗干擾能力強(qiáng)。

進(jìn)一步地，所述的水下光學(xué)裝置還包括濾光片14和探測(cè)器15，濾光片14和探測(cè)器15依次設(shè)置于第二透鏡組之后，沿O₃-O₄光路設(shè)置。

進(jìn)一步地，O₁-O₂光路與垂直水平面的H-H’法線的夾角α為48.6°，O₂-O₃光路與垂直水平面的H-H’法線的夾角β為59.8°；可以對(duì)沿垂直海平面方向入射的30°～88°范圍的近海平面及空中目標(biāo)清晰成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)高低方向58°、方位360°的區(qū)域的水面及空中目標(biāo)清晰成像。

進(jìn)一步地，耐壓保護(hù)窗口1與殼體16密封連接，殼體16內(nèi)外密封隔絕。

進(jìn)一步地，殼體16為球冠形。

進(jìn)一步地，反射鏡7和第二透鏡組之間設(shè)有可變光闌8，相對(duì)孔徑在1/3～1/10范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；保證了反射鏡7口徑最小，通過(guò)可變光闌8變化可改變相對(duì)孔徑大小。

進(jìn)一步地，所述可變光闌8設(shè)置于所述的水下光學(xué)裝置的孔徑光闌和視場(chǎng)光闌重合的位置；通過(guò)改變光闌的孔徑可使整個(gè)光學(xué)裝置的相對(duì)孔徑可調(diào)，保證在不同天空背景條件下對(duì)目標(biāo)的探測(cè)效果。

進(jìn)一步地，第一透鏡組包括沿O₂-O₃光路依次設(shè)置的第一透鏡3、第二透鏡4、第三透鏡5和第四透鏡6；第二透鏡組包括沿O₃-O₄光路依次設(shè)置的第五透鏡9、第六透鏡10、第七透鏡11、第八透鏡12和第九透鏡13。

進(jìn)一步地，楔形鏡2的材料為重火石玻璃。

進(jìn)一步地，楔形鏡2的材料為高色散的重火石玻璃；有效校正了透過(guò)楔形海水產(chǎn)生的嚴(yán)重色差，即海水的冠狀色散。

進(jìn)一步地，楔形鏡2的楔形角度為14°。

如圖3～圖4所示，一種近海平面水下潛望器，包括所述的水下光學(xué)裝置和殼體16，水下光學(xué)裝置設(shè)置于殼體16內(nèi)，沿殼體16中心軸周向均勻分布；所述的水下光學(xué)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，保證了在有限的殼體16上布置多個(gè)，水下光學(xué)裝置沿殼體16中心軸周向均勻分布，可形成多孔徑凝視組合，實(shí)現(xiàn)360°周視?？漳繕?biāo)警戒探測(cè)，無(wú)需掃描，警戒時(shí)間短，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，提前采取規(guī)避措施，在海空目標(biāo)警戒探測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

進(jìn)一步地，所述的水下光學(xué)裝置個(gè)數(shù)為5～7個(gè)。

進(jìn)一步地，所述的水下光學(xué)裝置個(gè)數(shù)為6個(gè)，6個(gè)水下光學(xué)裝置均布于球冠狀殼體16上。

進(jìn)一步地，所述的水下光學(xué)裝置采用折反式結(jié)構(gòu)形式，工作波段為486.1nm～610nm，系統(tǒng)焦距為20.5mm，像面尺寸為16.64mm×14.2mm，在海平面上的視場(chǎng)角為58°(高低)×60°(方位)，其中高低方向的視場(chǎng)范圍為垂直海平面方向30°～88°；實(shí)現(xiàn)了水下對(duì)?？沼绕涫墙咏Ｆ矫鎱^(qū)域目標(biāo)的清晰成像。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的工作原理：

本水下光學(xué)裝置置于海水中時(shí)，海面與光學(xué)成像單元中的透鏡之間的海水虛擬成一個(gè)楔形鏡2，作為成像光學(xué)系統(tǒng)的一部分，海面以上的入射光束穿透海水產(chǎn)生了類棱鏡光譜色散效應(yīng)，采用等效的反向楔形棱鏡有效校正了海水冠狀色散，提高了對(duì)近海平面方向目標(biāo)的探測(cè)效果。采用六個(gè)完全相同的水下光學(xué)裝置可形成多孔徑凝視組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)海面半球空域，尤其是近掠海目標(biāo)的全景探測(cè)；因無(wú)需掃描，警戒時(shí)間短，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，提前采取規(guī)避措施，在?？漳繕?biāo)警戒探測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種對(duì)近海平面及空中目標(biāo)成像的水下光學(xué)裝置，包括依據(jù)光路傳輸依次安裝于O₁-O₂光軸上的耐壓保護(hù)窗口1和楔形鏡2；安裝于O₂-O₃光軸上的第一透鏡組和反射鏡7，其中第一透鏡組由第一透鏡3、第二透鏡4、第三透鏡5和第四透鏡6組成；安裝于O₃-O₄光軸上的可變光闌8、第二透鏡組、濾光片14和探測(cè)器15，其中第二透鏡組由第五透鏡9、第六透鏡六10、第七透鏡11、第八透鏡12和第九透鏡13組成。

所述的對(duì)近海平面及空中目標(biāo)成像的水下光學(xué)裝置，其光學(xué)系統(tǒng)采用折反式結(jié)構(gòu)形式，工作波段為486.1nm～610nm，系統(tǒng)焦距為20.5mm，相對(duì)孔徑在1/10～1/3范圍可調(diào)，像面尺寸為16.64mm×14.2mm，在海平面上的視場(chǎng)角為58°(高低)×60°(方位)，其中高低方向的視場(chǎng)范圍為垂直水平面方向30°～88°。

所述的對(duì)近海平面方向目標(biāo)成像的水下光學(xué)裝置，其光線由空氣折射進(jìn)入海水中所形成的Snell圓錐與垂直方向的夾角為48.6°，楔形海水水體對(duì)入射光線所產(chǎn)生的擴(kuò)散角度θ滿足

其中n₅₆₀是560nm光在海水中的折射率，為光譜的中心，n₆₁₀是610nm光在海水中的折射率，n_486.1是486.1nm光在海水中折射率。用于校正海水冠狀色散的楔形鏡2使用高色散的重火石玻璃，楔角度為14°，其產(chǎn)生的棱鏡光譜效應(yīng)等效于楔形海水水體對(duì)入射光線產(chǎn)生的角度擴(kuò)散。

所述的對(duì)近海平面及空中目標(biāo)成像的水下光學(xué)裝置，其光學(xué)裝置的O₁-O₂光軸與法線H-H’的夾角為48.6°，使海平面目標(biāo)可以在探測(cè)器中心清晰成像；楔形鏡2將從耐壓保護(hù)窗口1出射的光軸為O₁-O₂的光束相對(duì)法線H-H’偏轉(zhuǎn)到59.8°，形成O₂-O₃光軸的光束；反射鏡7置于透鏡組一后的光軸為O₂-O₃光路中，用于將從透鏡組一透射的光軸為O₂-O₃的光束成平行于H-H’法線光軸出射，形成光軸為O₃-O₄的光束，有效減小了整個(gè)裝置的外形尺寸，保證了可以在規(guī)定直徑的球冠上均布六個(gè)相同該裝置。

所述的安裝于O₃-O₄光軸上的可變光闌8處于光學(xué)裝置孔徑光闌和視場(chǎng)光闌重合的位置，通過(guò)改變光闌8孔徑可使光學(xué)裝置的相對(duì)孔徑可調(diào)，保證在不同天空背景條件下對(duì)目標(biāo)的探測(cè)效果。

所述的對(duì)近海平面及空中目標(biāo)成像的水下光學(xué)裝置，其反射鏡7置于O₃-O₄光軸上的光闌8前，保證了反射鏡7口徑最小。

所述的對(duì)近海平面及空中目標(biāo)成像的水下光學(xué)系統(tǒng)裝置，將六個(gè)完全相同的該光學(xué)裝置均布于規(guī)定直徑的球冠上，每個(gè)光學(xué)裝置與垂直水平面的法線夾角均為48.6°，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高低方向58°、方位360°的區(qū)域的水面及空中目標(biāo)清晰成像。

以下結(jié)合本發(fā)明技術(shù)方案對(duì)本發(fā)明的效果作說(shuō)明：

所述的光學(xué)裝置中耐壓窗口和楔形鏡2所在的O₁-O₂光軸相對(duì)法線H-H’傾斜48.6°，使近海平面目標(biāo)清晰成像在靶面中心，提高近海平面目標(biāo)的成像質(zhì)量；所述的楔形鏡2承擔(dān)校正楔形海水產(chǎn)生的冠狀色散任務(wù)，消除了楔形水體色散產(chǎn)生的類棱鏡光譜效應(yīng)，提高了近海面目標(biāo)的成像質(zhì)量；可變光闌8承擔(dān)調(diào)節(jié)光學(xué)裝置相對(duì)孔徑的任務(wù)，使光學(xué)裝置的相對(duì)孔徑在1/10～1/3范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，保證在不同天空背景條件下對(duì)目標(biāo)探測(cè)效果；反射鏡7承擔(dān)將從透鏡組一出射的沿O₂-O₃光軸傳輸?shù)墓馐坜D(zhuǎn)成平行于法線H-H’光軸光束的任務(wù)，有效減小了整個(gè)裝置的外形尺寸，保證了可以在規(guī)定直徑的球冠上均布六個(gè)相同水下光學(xué)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)全方位360°區(qū)域的海面及空中目標(biāo)清晰成像。

以上的僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來(lái)限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所作的等效變化，仍屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。