一种水下使用的前置增广角镜
技术领域
本实用新型涉及光学成像技术领域，应用于水下记录拍摄环境中，具体涉及一种用于与数码相机合用后，水下可提供更广的视角(field of view)，和提升光学成像质量(例如：降低色差，变形等光学问题)的前置增广角镜。且此前置增广角镜支持在水下做更换。
背景技术
便携式数码相机因为机身小巧、携带方便，性价比高，成为很多摄影爱好者的入门首选。近年来，随着电子技术和图像处理技术的飞速发展，便携式数码相机在对焦速度和影像质量上都有了质的飞跃，已经可以与专业的微单相机或单反相机相竞争。因此，将便携式数码相机带入水下摄影已成为很多水下摄影师的爱好。
使用便携数码相机水下摄影，通常是将其安装在专门的防水壳体内，避免与水或海水直接接触。防水壳体是塑胶或是铝合金制品，其强度足以抵抗水压；前端设置有保护镜头的镜筒。镜筒前端则设置有平玻璃窗口或半球形透明罩，二者通过密封圈密封。安装在防水壳内的相机和镜头透过平玻璃窗口或半球形透明罩、外界的水或海水，拍摄到水下的影像。
因为水对光的吸收作用，水下的光线会随着深度的增加而明显减弱；而且，在大自然中，水里亦有大量的微小杂质，能见度相对较低。利用自然光在水下拍摄时，只能在有限的深度内，通过拉近距离才可以拍到清晰的画面。通常，摄影师还会利用闪光灯或电筒等作为水下摄影的主要或辅助光源，同样因为上述原因，只有在较近距离，其光线才能照亮主体。因此，很多摄影师都会采用超大视角的镜头，近距离拍摄大的海底生物和鱼群等场景。而一般便携式数码相机最广角的变焦端视角只有75-84度，远远不能达到水下摄影师的要求。
另一方面，由于水或海水的光学特性，相机在水下成像时将会产生额外的色差等问题，即图像出现颜色失真和色彩条纹等。另外，因为水或海水的折射作用(折射率1.33～1.34)，相机镜头原本的视角通过防水壳体内的空气进入水中后，也会发生缩窄现象。比如，使用平玻璃窗口的镜筒与相机的组合视角约为原本视角的三分之二。另一种常用的方法是选用半球形透明罩镜筒，通过精密测算使其球心接近于镜头入射瞳孔位置；利用光从一种透明介质正向射入另一种透明介质时，前进方向一般不发生改变的原理，最大限度地恢复镜头本身的视角。
综上所述，使用现有的便携数码相机在水下拍摄时，普遍存在视角不够宽的问题；而且由于水或海水的光学特性，主体影像通过这种介质时，会存在比较大的色差问题，成像质量远低于在水上拍摄的照片。
为了解决水下拍摄视角不够宽和色差的问题，一种解决方案是在防水壳体的镜筒前端安装前置增广角镜，前置增广角镜内的镜片组件能够扩大视角和纠正色差。如图1所示，在一般情况下，现有前置增广角镜的第一片透镜(图1中最左侧的透镜)是一片厚度均匀的半球型透镜，材料可能是玻璃或塑胶。该半球形透镜，除了可隔绝外部的水或海水、及抵抗外部的水压外，对增加摄影视角并无作用。该设计主要依靠第二及第三片透镜，增加拍摄角度。而第三至第五片透镜，通过使用各自不同的光学材料，以纠正各种色差问题。
虽然现有的前置增广角镜具备扩大拍摄视角和纠正色差的能力，但产品的高度和重量较大，成本较高；而且，现有的水下前置增广角镜主要是适用于将相机镜头的广角端最大视角从75度扩宽到约130度。
近年来，随着便携式数码相机的发展，其最广角端的视角已从过去的75度增加至84度，便于拍摄更广阔的场景。由于现有的水下增广角镜是适合于对应75度的相机视角，当相机视角大于75度时，四个角落均会出现黑角现象。因此搭配现有的水下增广角镜，需要水下摄影师在每次使用时先手动变焦，调整相机变焦镜头的视角，使其缩小至消除黑角，非常繁琐和不便。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种水下使用的前置增广角镜，用于解决相机在水下拍摄时视角不够宽和色差的问题，同时用于解决现有前置增广角镜高度和重量较大、成本较高的问题，以及用于解决现有水下前置增广角镜适配视角达84度的相机操作繁琐等问题。
一种实施例中提供一种水下使用的前置增广角镜，包括：
外壳，所述外壳为筒状结构，所述外壳具有连接端，外壳的连接端设置有用于与相机防水壳旋转快拆连接的物理结构端口；
以及透镜组件，所述透镜组件包括依次同轴安装在所述外壳内的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜和第二透镜为负透镜，所述第三透镜和第四透镜为正透镜，所述第一透镜的有效口径范围为110-115mm，所述第二透镜的有效口径范围为80-85mm，所述第三透镜的有效口径范围为70-75mm，所述第四透镜的有效口径范围为57-62mm；所述第一透镜远离所述外壳的连接端，所述第四透镜靠近所述外壳的连接端，所述第一透镜和第四透镜分别与外壳密封连接，所述第一透镜、第四透镜和外壳围合成一个密封的容置腔，所述第二透镜和第三透镜位于所述容置腔内。
一种实施例中，所述第一透镜的入射面为凸面，出射面为凹面；所述第二透镜的入射面和出射面均为凹面，所述第三透镜的入射面和出射面均为凸面；所述第四透镜的入射面为凸面，出射面为凹面。
一种实施例中，所述第一透镜的阿贝数为62～66，所述第二透镜的阿贝数为25～35，所述第三透镜的阿贝数为44～48，所述第四透镜的阿贝数为24～28。
一种实施例中，所述第一透镜的折射率为1.4～1.6，所述第二透镜的折射率为1.8～2.0，所述第三透镜的折射率为1.5～1.7，所述第四透镜的折射率为1.7～1.9。
一种实施例中，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜中的表面附有宽带防反射涂层。
一种实施例中，所述外壳的内壁上设有径向延伸的环形座，所述第一透镜面向所述第二透镜的面包括中部的凹面和位于所述凹面四周的环形平面，所述第一透镜的环形平面安装在所述环形座上。
一种实施例中，所述外壳的容置腔扩展形成浮力腔，所述浮力腔在水下产生浮力以抵消前置增广角镜自身的重量。
一种实施例中，所述外壳的物理结构端口设有用于与快拆接口连接的卡扣装置。
一种实施例中，所述外壳的物理结构端口设有用于将水引入到所述第四透镜和相机防水壳体的平玻璃之间的进水通道。
依据上述实施例的水下使用的前置增广角镜，第一透镜采用负透镜结构，除了可以隔绝外部的水或海水、抵抗外部的水压外，亦配合其后的三片透镜成像，兼具增加拍摄视角、和纠正各种色差的作用。具有光学特性的第一透镜21兼具防水、纠正色差和扩大视角的作用，取代了现有技术中的两个透镜，减少了前置增广角镜光轴方向的长度，从而缩小了前置增广角镜的高度，同时缩减镜片数量也降低了重量和生产成本；另外，本前置增广角镜的四个透镜采用了特定范围内的有效口径，在水下能够实现将相机84度的视角扩宽至130度。从而使得本前置增广角镜适配最大视角为84度的相机时，不需要每次都要手动变焦，将相机的变焦镜头视角调窄至约75度，大大减少了使用时的额外操作。
附图说明
图1为现有技术中前置增广角镜的透镜的结构示意图；
图2为一种实施例中前置增广角镜使用状态下的轴向剖视图；
图3为一种实施例中前置增广角镜的拆装爆炸示意图；
图4为一种实施例中前置增广角镜的拆装爆炸示意图；
图5为一种实施例中透镜组件的光路图；
图6为Panasonic LX100II搭配半球形透明罩镜筒在水下影像并使用ImatestSFRplus分析的色差图；
图7为Panasonic LX100II搭配一种实施例中前置增广角镜在水下影像并使用Imatest SFRplus分析的色差图；
其中，100-前置增广角镜，200-快拆接口，300-相机，10-外壳，11-遮光罩，12-卡扣，13-容置腔，14-环形座，15-浮力腔，20-透镜组件，21-第一透镜，22-第二透镜，23-第三透镜，24-第四透镜，400-相机防水壳体，401-平玻璃。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。为了方便描述，本实施例中，将面向物方的一端为前端，面向成像方的一端为后端。
本实施例公开了一种水下使用的前置增广角镜，本前置增广角镜主要为潜水爱好者带入水里使用，尤其是在海里进行拍摄使用。本前置增广角镜可通过快拆接口安装在相机防水壳体镜筒的前端，相机位于相机防水壳体内，本前置增广角镜具有扩大视角和纠正绝差的作用，辅助陆地相机在水下拍摄出高质量的图像，同时本前置增广角镜具有高度小、重量小和成本低的优点。
本实施例涉及的一种水下使用的前置增广角镜，其光学设计适合最广角端视角达84度的便携式数码相机。因此，使用本产品时，即使相机的视角达到84度，也不需要每次都手动变焦，将相机的变焦镜头视角调窄至大约75度，大大减少了使用时的额外操作。
如图2所示，本实施例的前置增广角镜100主要包括外壳10和透镜组件20，外壳10由防水材料制成，例如由铝合金材质制成，外壳10为筒状结构，外壳10具有贯穿整体的通孔。外壳10的前端安装有遮光罩11，遮光罩11由四片梯形形状遮光片组成，用于消除反光和杂光，提高成像的清晰度与色彩还原。遮光罩11可通过卡接的方式安装在外壳10的前端，遮光罩11也可与外壳10为一体化结构。外壳10的后端为连接端，外壳10的连接端具有用于与快拆接口200(专利文献CN206710779U中的一种用于水下安装转换镜头的快拆接口装置)旋转快拆连接的物理结构端口，快拆接口200与相机防水壳体400的镜筒连接，相机300(如便携式数码相机)安装在相机防水壳体400内，相机300的镜头位于相机防水壳体400的镜筒内，外壳10通过快拆接口200能够实现与相机防水壳体400的快速拆装，方便水下更换使用。其中，快拆接口200与相机防水壳体400的镜筒也可为一体化结构。
如图3和图4所示，为了实现前置增广角镜100的快速拆装，外壳10的物理结构端口设有卡扣12，卡扣12具有三个，三个卡扣12均匀分布在外壳10的物理结构端口的外圆周上。三个卡扣12与快拆接口200上卡槽适配，外壳10通过旋转能实现与快拆接口200的快速拆装，快拆接口200通过螺纹与相机防水壳体400的镜筒连接。卡扣12的设置，使得本前置增广角镜100能够在水下与相机防水壳体400实现快速拆装，使用极为方便。
如图2所示，本实施例中，透镜组件20包括第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24，第一透镜21至第四透镜24依次安装在外壳10内，并且四个透镜对齐组装在同一条光轴上。第一透镜21位于前端，第四透镜24位于后端，即第一透镜21远离外壳10的连接端，第四透镜24靠近外壳10的连接端。其中，第一透镜21和第四透镜24分别与外壳10密封连接，第一透镜21和第四透镜24分别通过密封件与外壳10密封连接，例如第一透镜21和第四透镜24分别通过密封圈与外壳10实现密封连接，使得第一透镜21、第四透镜24和外壳10围合成一个密封的容置腔13，第二透镜22和第三透镜23位于该容置腔13内，容置腔13内设有相应的限位结构用于固定第二透镜22和第三透镜23，例如该限位结构为环形座或圆筒，图2中未示出该限位结构。
第一透镜21为弯月形的负透镜，第一透镜21的入射面为凸面，出射面为凹面，第一透镜21主要用于扩大视角。第二透镜22为负透镜，第二透镜22的入射面和出射面均为凹面，第二透镜22用于平滑光路，使转折较轻缓以免产生高级像差。第三透镜23为正透镜，第三透镜23的入射面和出射面为凸面，用于收束光线。第四透镜24为正透镜，第四透镜24的入射面为凸面，出射面为凹面，第四透镜24也为弯月形透镜，第四透镜24用于减小焦距、降低球差，并与第三透镜23配合增加系统数值孔径。
第一透镜21为一片大型的负透镜，前凸面球面半径80-85mm，后凹面球面半径50-55mm，中厚度为5-6mm，取代过往的第一及第二片镜片。其特殊设计的几何形状，除了可以隔绝外部的水或海水、抵抗外部的水压外，亦配合其后的三片透镜，兼具增加拍摄视角、和纠正各种色差的作用。相对过往的半球面设计，第一透镜21向前方凸出比较少，减少了产品的总体高度。具有光学特性的第一透镜21兼具防水、纠正色差和扩大视角的作用，取代了以前的两个透镜，减少了前置增广角镜100的高度(光轴方向的长度)，减轻了产品的重量及生产成本。
如图5所示，第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24组成具有纠正色差和扩大视角功能的透镜组件20。其中，第一透镜21的有效口径(直径)范围为110-115mm，第二透镜22的有效口径范围为80-85mm，第三透镜23的有效口径范围为70-75mm，第四透镜24的有效口径范围为57-62mm。第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24与相机300的光轴重合，形成广角物镜，可获得更大的光学视角，拍摄出更大的画面，使得本前置增广角镜100能够适配最大视角为84度的相机，并将相机的最广角端视角由84°扩宽至130°。
为了实现更好的扩宽视角和纠正色差的作用，第一透镜21选用阿贝数为62～66、折射率为1.4～1.6的冕牌玻璃；第二透镜22选用阿贝数为25～35、折射率为1.8～2.0的重镧火石玻璃，第二透镜22具有高折射率、色散大的特性；第三透镜23选用阿贝数为44～48、折射率为1.5～1.7的轻火石玻璃；第四透镜24选用阿贝数为24～28、折射率为1.7～1.9的重火石玻璃。
本实施例中，为了更好的固定第一透镜21，在外壳10的内壁设有径向延伸形成的环形座14，第一透镜21面向第二透镜22的面包括中部的凹面和位于凹面周围的环形平面，其中凹面为第一透镜21的出射面，环形平面为第一透镜21的固定安装面，第一透镜21的环形平面贴合安装在外壳10的环形座14上，并且第一透镜21通过O型圈与外壳10实现密封连接。环形座14和第一透镜21封堵住外壳10的前端，环形座14起到限位和隔水的作用。
本实施例中，外壳10的容置腔13沿着径向扩展形成浮力腔15，容置腔13和浮力腔15为一体化腔体，浮力腔15将增大整个前置增广角镜100在水中产生的浮力。优选的，浮力腔15具有预设大小的体积，使得前置增广角镜100在水里的浮力近似等于自身的重量，从而前置增广角镜100在水下不会增加摄影师的负担，拍摄更为稳定。具体的，由于淡水和海水的密度不同，前置增广角镜100也可分为淡水适用款和海水适用款，淡水适用款和海水适用款的浮力腔15的大小略有不同，使得淡水适用款和海水适用款分别在淡水和海水中的浮力都等于自身的重量；在实际体验中在淡水和海水中浮力相差并不明显，也可采用通用的外壳10。
本实施例中，在外壳10的物理结构端口上设有进水通道，该进水通道为缺口或通孔，进水通道用于将水引入到第四透镜24和相机防水壳体400前端镜筒内的平玻璃401之间。为此，本实施例的透镜组件20的光学特性将第四透镜24和平玻璃401之间的水考虑在内，透镜组件20同时消除第四透镜24和平玻璃401之间的水带来的色差和视角缩小。此结构使得前置增广角镜100与快拆接口200可在水下直接拆装更换，无需考虑两者的密封问题，极大方便了水下摄影时快速更换前置镜头。
本实施例中，在第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24的入射面和出射面上均镀有多层宽带防反射涂层，以减少反光问题，进而提高成像质量。一种实施例中，透镜组件20的四个透镜的光学参数如下表1所示：
表1
上述表格中，面序1至9依次分别为第一透镜21的入射面、出射面，第二透镜22的入射面、出射面，第三透镜23的入射面、出射面，第四透镜24的入射面、出射面，及相机防水壳体400镜筒前端的平玻璃401。面序1同一栏的厚度、折射率和阿贝数代表第一透镜21的光轴线上厚度、折射率和阿贝数；面序2同一栏的厚度代表第一透镜21和第二透镜22之间的光轴线上的间距；面序3同一栏的厚度、折射率和阿贝数代表第二透镜22的光轴线上厚度、折射率和阿贝数；面序4同一栏的厚度代表第二透镜22和第三透镜23之间的光轴线上的间距；面序5同一栏的厚度、折射率和阿贝数代表第三透镜23的光轴线上厚度、折射率和阿贝数；面序6同一栏的厚度代表第三透镜23和第四透镜24之间的光轴线上的间距；面序7同一栏的厚度、折射率和阿贝数代表第四透镜24的光轴线上厚度、折射率和阿贝数；面序8同一栏的厚度代表第四透镜24和相机防水壳体400镜筒前端的平玻璃401之间的光轴线上的间距；面序9同一栏的厚度、折射率和阿贝数代表相机防水壳体400镜筒的平玻璃401的光轴线上厚度、折射率和阿贝数。
本实施例提供的水下使用的前置增广角镜，由于在外壳10内安装有四个透镜，四个透镜中位于光学前端的两个为正透镜，位于光学后端的两个为负透镜，使得透镜组件20能够对水下拍摄时引起的色差进行纠正，提高了成像质量；另外，四个透镜形成广角物镜，扩大了光学视角，能够辅助相机300在水下拍摄更大范围的图像。采用上述光学参数的透镜组件20的前置增广角镜，与便携式数码相机在水下搭配时，最广角端视角由84°扩宽到130°。可见，本前置增广角镜能够扩宽相机的视场角，获得更大的拍摄画面。
图6为Panasonic LX100II搭配半球形透明罩镜筒在水下影像并使用ImatestSFRplus分析的色差图，组合视角约84度。
分析位置为左下角#4，CA(area)＝4.95pixels＝0.212％of center-ROI dist.
图7为Panasonic LX100II搭配一种实施例中前置增广角镜在水下影像并使用Imatest SFRplus分析的色差图，组合视角达130度。
分析位置为左下角#4，CA(area)＝0.388pixels＝0.03％of center-ROI dist.
CA(area):Chromatic aberration area in pixels.色差指标，代表色差通道从最高到最低区域所使用的像素值；数值越大，代表色差越严重。
CA(area)as a percentage of the distance from the image center to theROI.：另一个更好的色差指标，代表分析位置色差与影像中心到此位置距离的像素百分比。通常地，影像系统的色差从中心到边缘是成比例的增加。
计算公式：
CA(％)＝100％*CA(pixels)/(distance in pixels from the image center tothe ROI)
判断色差的严重程度，可参照imatest的公开标准，如下表:
Severity of chromatic aberration
以上相关内容，引用自http://www.imatest.com/docs/sfr_chromatic/。
我们可以看出，Panasonic LX100II与普通半球型透明罩搭配时，整体影像色差处于over 0.15范围，色差比较严重；100％模式下，非常明显。而Panasonic LX100II与本光学参数的透镜组件20搭配时，即便在视角扩宽到130度的情况下，整体影像色差仍然处于0-0.04范围,可以忽略；100％模式下，不可见。因此，本前置增广角镜能够消除水或海水带来的色差，且得到大视角下的高质量图像。
需要说明的是，本水下使用的前置增广角镜的适用范围包括但不限制于便携式数码相机，也适用于其他类型的数码相机，比如与微单或单反相机搭配特定视角的镜头在水下摄影时，也可以起到扩宽视角及消除色差的作用。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
