环形激光照明的水下成像装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种环形激光照明的水下成像装置。该装置包括光学窗口在内的外壳体、外壳体内由激光器、扩束镜、前透镜、后透镜和全反镜组成的照明光路装置；变焦镜头和摄像机组成的接收探测装置，以及电子控制模块，其特征是还包括一个位于变焦镜头之前的、与变焦镜头和摄像机同轴、且４５度放置的环状全反镜，又在扩束镜和前透镜之间设有一个使激光器发出的高斯光束变为环形光束的光束变换装置。本发明专利技术的成像质量高，可在浑浊水体较远距离情况下获得较为清晰的图像，而为水下探测作业提供一种新型的水下成像装置，对我国海洋探测具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水下成像
，具体涉及一种环形激光照明的水下成像装置。
技术介绍
水下成像在水下目标发现、海面材料探测及海洋地理工程中具有广泛而重要的应 用价值，正受到各国研究者的日益重视。对水下成像来说，后向散射是影响成像质量的一个 重要原因，对于混浊水体后向散射的影响就变得越加明显。在通常的水下成像技术中，采用 卤素灯作为照明光源，不但功耗大，而且成像效果受水体散射影响严重，在水体浑浊的情况 下成像效果很差。而激光亮度高、方向性好，是近年来较为关注的照明光源。一般激光照明 再结合距离选通、激光线扫描等技术手段，可有效减少后向散射的影响，然而距离选通方法 成本高、操作复杂，激光线扫描成像时间长，而且由于水体的晃动，图像之间需要进行有效 校正。
技术实现思路
本专利技术针对后向散射对水下成像的影响，采用环形激光作为水下成像装置的照明 光源，提供一种环形激光照明的水下成像装置，以弥补现有技术的不足。本专利技术采用环形激光作为照明光源，调节照明光源出射角和摄像机的视场角使之 匹配，摄像机视场角位于环形激光束以内。激光在水体传输过程中，与水体中的粒子发生散 射，由于激光为环形结构，且激光发散角不小于接收视场角，因此在摄像机接收视场内，不 会产生直接的后向散射，可很大程度上减少水体后向散射对水下成像的影响，同时激光传 播过程中，通过水体中粒子的散射，照亮环形激光束以内的区域。本专利技术包括包括光学窗口在内的外壳体、外壳体内的由激光器、扩束镜、前透镜、 后透镜和全反镜组成的照明光路装置；变焦镜头和摄像机组成的接收探测装置，以及电子 控制模块；其特征是还包括一个位于变焦镜头之前的、与变焦镜头和摄像机同轴、45度放 置的环状全反镜，且在扩束镜和前透镜之间设有一个使激光器发出的高斯光束变为环形光 束的光束变换装置。上述的光束变换装置由前玻璃圆锥体和后玻璃圆锥体构成，两玻璃圆锥体锥角在 60 120°之间，锥尖相对，固定在壳体内。平行的高斯光束入射到前玻璃圆锥体上，光束 向前玻璃圆锥体锥尖会聚，形成以锥尖为中心的锥形光束，然后入射到后玻璃圆锥体上折 射后变成环状平行光。本专利技术采用半导体绿光激光器，体积小、重量轻、效率高、工作稳定可靠，激光出射 功率500mW以上，功耗小于50W，与一般的照明灯动辄上百瓦相比，大大降低了功耗，更适于 水下使用，也优于一般的半导体泵浦固体激光器。上述的摄像机采用感光度小于0. ILux的彩色摄像机。该摄像机的接收视场角通 过电控变焦镜头调节，接收视场角须与激光出射角相匹配，其原则是小于等于激光出射发 散角。本专利技术通过简单的光束变换，避免了直接后向散射，克服了水下成像后向散射对 图像影响严重的问题，大大提高成像质量，可在混浊水体较远距离情况下获得较为清晰的 图像。装置成本低、使用方便，达到了实用化、小型化的目标。使用时可以由潜水员独立背 负或搭载于水下潜器有缆水下机器人(ROV)，水下自治式潜器(AUV)和船舶上，进行灵活机 动的水下探测，获得清晰目标图像，具有广阔的科研、军用和民用市场前景。附图说明图1本专利技术的总体结构示意图。图2本专利技术的光束变换装置结构及其光路原理示意图。其中1、外壳体；2、激光器；3、扩束镜；4、光束变换装置；5、前透镜；6、后透镜；7、 全反镜；8、环状全反镜；9、光学窗口 ；10、变焦镜头；11、摄像机；12、电子控制模块；13、前 玻璃圆锥体；14、后玻璃圆锥体；15、壳体。具体实施例方式如图1，本专利技术包括光学窗口 9在内的外壳体1、外壳体1内的由激光器2、扩束镜 3、前透镜5、后透镜6和全反镜7组成的照明光路装置，变焦镜头10和摄像机11组成的接 收探测装置，以及电子控制模块12，其特征是还包括一个位于变焦镜头10之前的、与变焦 镜头10和摄像机11同轴、且45度放置的环状全反镜8，又在扩束镜3和前透镜5之间设有 一个使激光器2发出的高斯光束变为环形光束的光束变换装置4。如图2所示，光束变换装置4由两个完全一样的玻璃圆锥体13、14构成，两玻璃圆 锥体13、14锥角在60 120°之间，锥尖相对并且嵌放固定在壳体15内。激光器2发出的 平行的高斯光束入射到前玻璃锥体13上，光束向前玻璃锥体13锥尖会聚，形成以锥尖为中 心的锥形光束，然后入射到后玻璃锥体14上折射后变成环状平行光。上述的激光器2发出的平行光照射到前透镜5上，汇聚于前透镜5的焦点处，激光 器2为半导体绿光激光器，激光出射功率500mW以上。前透镜5和后透镜6组成出射光发 散角变换装置，平行光照射到前透镜5上，汇聚于前透镜5的焦点处，通过改变后透镜6的 位置，使其在一倍焦距之间移动，即可实现激光发散角的调节。上述摄像机11采用低照度彩色摄像机，感光度小于0. ILux0接收视场角通过电 控变焦镜头10调节，接收视场角须与激光出射角相匹配，其原则是小于等于激光出射发散角。上述的环状全反镜8采用环形结构，与变焦镜头10和摄像机11同轴，45度放置， 通过环状全反镜8同时实现激光束的发射和水下图象的接收。环状全反镜8采用环形中空 结构，与变焦镜头10和摄像机11同轴，45度放置，通过环状全反镜8同时实现激光束的发 射和水下图象的接收。本专利技术的工作过程如下1)打开电源进行初始化，检查摄像机11和激光器2是否处于正常工作状态；2)调整摄像机11的变焦镜头10和后透镜6使之处于初始设定状态，此时摄像机 11镜头焦距最短，视场最大；3)通过岸上或甲板上监视器观察水下情况，在发现目标后，按照接收视场角小于或等于激光发散角的原则，依次调节摄像机变焦镜头10焦距和后透镜6位置，以获得最佳 图像。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环形激光照明的水下成像装置，包括光学窗口（９）在内的外壳体（１）、外壳体（１）内的由激光器（２）、扩束镜（３）、前透镜（５）、后透镜（６）和全反镜（７）组成的照明光路装置；变焦镜头（１０）和摄像机（１１）组成的接收探测装置，以及电子控制模块（１２），其特征是还包括一个位于变焦镜头（１０）之前的、与变焦镜头（１０）和摄像机（１１）同轴、４５度放置的环状全反镜（８），且在扩束镜（３）和前透镜（５）之间设有一个使激光器（２）发出的高斯光束变为环形光束的光束变换装置（４）。

【技术特征摘要】
1.一种环形激光照明的水下成像装置，包括光学窗口(9)在内的外壳体(1)、外壳体 ⑴内的由激光器(2)、扩束镜(3)、前透镜(5)、后透镜(6)和全反镜(7)组成的照明光路 装置；变焦镜头(10)和摄像机(11)组成的接收探测装置，以及电子控制模块(12)，其特征 是还包括一个位于变焦镜头(10)之前的、与变焦镜头(10)和摄像机(11)同轴、45度放置 的环状全反镜(8)，且在扩束镜(3)和前透镜(5)之间设有一个使激光器(2)发出的高斯光 束变为环形光束的光束变换...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭金家，刘智深，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：95[中国|青岛]