圆顶视图端口-压力下的最佳性能
见2018年10月号ROV的星球．
DSPL的6000米额定Apex SeaCam利用高压光学穹顶端口的设计优势，提供高质量的4K超高清图像。图片由Erin Henning提供，2018©伍兹霍尔海洋研究所
为水下应用创造清晰、高分辨率的成像需要克服一系列独特的挑战，特别是在使用rov的极端深度。至关重要的是，每一件设备的设计不仅要能承受远低于水面的高压，还要考虑到光与水相互作用的方式。
相机的视口(或镜头口)位于镜头前面，保护它不受深海环境的影响。有两种基本类型的视图端口:圆顶端口和平面端口。两者都用于水下相机外壳，能够承受高压。
平面视图端口在水下成像系统中更便宜，更容易实现。然而，对于需要高质量成像的应用——从海底基础设施检查到海洋研究——圆顶视图端口能够提供更广阔的视野，减少光学畸变，并比平面视图端口保持更高的分辨率限制。此外，圆顶视图端口的机械性能更适合高压环境，使其在整体系统性能方面具有优势。对于任何依赖高质量海底成像的作业来说，这些优势使得圆顶视图端口成为无价的投资。
折射限制通过水中平面端口的最大视场小于100°，而圆顶端口的视场没有折射限制。
水和阳光
光在水下的表现与在空气中的表现不同，这对任何在水下行业工作的人来说都不奇怪。水的折射率更高。这意味着当光线进入水中时，它的弯曲折射比在空气中传播时更强烈。光线弯曲的方向取决于它通过时与表面的相对角度。垂直于光学表面，光不发生折射。光线离垂直线越远，折射越明显。
一个镜头在空气中的视场是90°，在水中的平面端口后，它的视场将减少到大约64°，而一个圆顶端口在水中的视场将保持与在空气中的相同。
玻璃、陶瓷和其他用于视口的材料同样具有不同的折射率。在平面视图端口中，表面是一个平面。由于光线以不同的角度穿过视场，所以总会有一些折射，并进一步向边缘增加。结果是，相机的视野大大缩小，图像显得放大了。这也限制了平面端口的视场宽度，只能达到96°左右。
圆顶视图端口上的同心球面是水下广角成像的最佳选择。光线可以垂直穿过圆顶的表面，没有折射，消除了视野的上限。
圆顶视图端口还可以避免彩色条纹或色差，这是成像中的一个常见问题。当光发生折射时，就会分离成光谱。从水通过平面视口的组分颜色以不同的速度传播，当它们到达镜头时弯曲角度略有不同。这导致成像看起来有重叠的颜色，模糊和“鬼影””,当不同的颜色没有聚焦在同一点上时，就会产生与图片其余部分偏移的图像副本。
一个泡泡糖珊瑚拍摄在大约1600米深的帕姆利科峡谷，远离北卡罗来纳州海岸。图片由天普大学埃里克·科德斯提供，深度搜索(BOEM, USGS, NOAA OER)，阿尔文霍夫号，2018年，©伍兹霍尔海洋研究所。
帕姆利科峡谷拍摄的相同泡泡糖珊瑚的特写图像。图片由天普大学埃里克·科德斯提供，深度搜索(BOEM, USGS, NOAA OER)，阿尔文HOV, 2018，©伍兹霍尔海洋研究所。
圆顶视图端口的球形曲率允许光线穿过视场通过表面，在到达透镜的过程中没有偏转。结果是一个清晰的图像和鲜明的色彩。
在使用圆顶视图端口时，仍然有重大的设计挑战需要克服。从光学角度看，一个圆顶端口在相机镜头的前面形成一个“发散透镜”。这使焦平面向相机移动，使超出焦平面的物体看起来比实际更近。在某些情况下，摄像机镜头可以与穹顶的曲率中心对齐，在水中聚焦在更近的焦平面上。在其他情况下，特别是用变焦镜头，这是不可行的，需要一个二次校正光学推动焦平面在透镜的焦点限制内。尽管有这个和其他的实际问题，一个修正的圆顶端口是一个优越的光学解决方案，值得努力。
在压力下
相同半径和厚度的平面孔和圆顶孔的应力比较。拉伸应力出现在内表面中心区域的平孔处。注意，圆顶端口的梯度刻度是平面端口看到的应力范围的子集，它们仅限于压应力。
除了光学上的优势外，圆顶视图端口的固有力学特性更能承受远低于水面的极端压力。
根据力与物体相互作用的方式，物体将经历不同类型的应力。两种类型的应力是拉(拉伸)和压缩(挤压)。
在静水压力下，跨越圆形开口的平面观景口会经历局部的高压应力和高拉应力。另一方面，圆顶视图端口从中心向外均匀地抵抗压力，从而使压应力分布更均匀，而没有任何拉应力。
为什么这很重要?归根结底，某些材料比另一种材料更能承受一种压力。最适合用于高压光学接口的透明材料——玻璃、蓝宝石、陶瓷——是脆性材料，其特点是在压缩下具有优异的机械强度，在拉伸下强度较差。平面视口所承受的拉应力使其更容易在压力下破裂，从而危及整个成像系统。圆顶的纯压应力分布更加均匀，抗破裂能力更强。
水下机器人Jason部署了华盛顿大学应用物理实验室建造的最先进的浅剖面仪平台。该系泊装置通过光纤与OOI电缆阵列连接，实现了华盛顿大学岸上的实时双向通信和响应能力。图片由黛博拉·凯利提供，华盛顿大学，VISIONS’18 (NSF-OOI)， ROV杰森，2018年，©伍兹霍尔海洋研究所
Shallow Profiler平台安装了一个绞车仪表式剖面仪，每天9次在200米深的系泊平台和水面以下的水柱之间横切。自2015年以来，这三个剖面仪系泊点已经在太平洋东北部进行了27000多条剖面，以研究地球上生物生产力最强的一些水域的条件和环境。图片由黛博拉·凯利提供，华盛顿大学，VISIONS’18 (NSF-OOI)， ROV杰森，2018年，©伍兹霍尔海洋研究所
水下机器人Jason部署了华盛顿大学应用物理实验室建造的最先进的浅剖面仪平台。该系泊装置通过光纤与OOI电缆阵列连接，实现了华盛顿大学岸上的实时双向通信和响应能力。图片由黛博拉·凯利提供，华盛顿大学，VISIONS’18 (NSF-OOI)， ROV杰森，2018年，©伍兹霍尔海洋研究所
Shallow Profiler平台安装了一个绞车仪表式剖面仪，每天9次在200米深的系泊平台和水面以下的水柱之间横切。自2015年以来，这三个剖面仪系泊点已经在太平洋东北部进行了27000多条剖面，以研究地球上生物生产力最强的一些水域的条件和环境。图片由黛博拉·凯利提供，华盛顿大学，VISIONS’18 (NSF-OOI)， ROV杰森，2018年，©伍兹霍尔海洋研究所
测试的重要性
简单地使用圆顶并不是一个完整的解决方案;实际的问题，如热膨胀的差异，以及壳体和圆顶端口之间所谓的泊松比，会导致局部的拉应力积累，形成小裂缝，导致它们在正常使用时失效。
循环压力测试确188金宝慱亚洲体育保了观察口设计能够在水下数千米可靠工作。在循环试验中，材料被放置在一个腔室中，在此腔室中，材料以重复的间隔受到不同的压力。这种类型的测试加速了脆性材料的裂缝形成和扩展，并将显示设计是否能够承受海底设备在使用过程中所经历的极端环境条件。
结论:在深海应用中，圆顶视图端口比平面视图端口具有显著的优势。凭借优越的光学性能和更高的可靠性，即使是最苛刻的海底应用，球形端口也能提供持续高质量的成像。
DeepSea Power & Light (DSPL)在为海底行业设计光学解决方案方面拥有超过30年的经验。DSPL在其内部设施中严格测试其海底设备，测试条件与实际使用条件一致，确保从表面到深海海底的性能。
在美国南卡罗莱纳海岸布莱克岭2100米处的天然甲烷渗漏处，Apex海洋摄像机拍摄了贻贝床。图像由D. Fornari (WHOI)和E. Perrone (EP海洋学)提供的WHOI MISO-EPO GoPro 12MP相机拍摄，并通过深海电力与光圆顶端口和光学校正器拍摄。NSF为相机开发提供支持。©伍兹霍尔海洋研究所
在美国南卡罗莱纳海岸布莱克岭2100米处的天然甲烷渗漏处，Apex海洋摄像机拍摄了贻贝床。图像由D. Fornari (WHOI)和E. Perrone (EP海洋学)提供的WHOI MISO-EPO GoPro 12MP相机拍摄，并通过深海电力与光圆顶端口和光学校正器拍摄。NSF为相机开发提供支持。©伍兹霍尔海洋研究所