用于电晕检测的3.5倍连续变焦日盲紫外光学系统

摘要

用于电晕检测的3.5倍连续变焦日盲紫外光学系统属于紫外探测技术领域。现有技术变倍比较低。本发明其特征在于，前固定组由第一透镜担当，为二元衍射透镜；变倍组由第二透镜、第三透镜依次构成，依次为凸凹透镜、凹凸透镜；补偿组由第四透镜、第五透镜、第六透镜依次构成，依次为双凸透镜、双凹透镜、双凸透镜；后固定组由第七透镜担当，为凹凸透镜；透镜材料为氟化钙、熔融石英；第一透镜前镜面为二元衍射面；第三透镜的前镜面为非球面，其他镜面均为球面；所述光学系统工作波段为240～280nm，F数(f/d)为4，焦距为35～122.5mm，变倍比为3.5。本发明能够用于高压输电线状态检测，能够满足大视场搜索和小视场定位的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于电晕检测的3.5倍连续变焦日盲紫外光学系统，属于紫外探测技术领域。

背景技术

在高压输电线的日常维护中经常需要进行电晕放电检测，由于电晕中含有紫外辐射，紫外成像成为一种电晕放电光学检测方法。“日盲”紫外辐射是指波长范围为240～280nm的紫外辐射，在近地区这个波段的紫外辐射几乎完全被大气中的臭氧层吸收，所以利用该波段进行电晕检测时天空为暗背景，有利于信号探测。

所述电晕放电光学检测方法利用紫外光学系统及紫外光电探测器接收电晕放电产生的图像信号，经处理后与可见光图像叠加，由此确定电晕放电的位置和强度，为高压输电线状态检测提供依据，为预防火灾提供参考。与此有关的现有紫外光学系统有以下两种：

1、在已公开的长春光学精密机械与物理研究所一篇硕士学位论文“双光谱融合电晕检测系统设计”中，紫外光学系统由4片透镜构成，透镜材料为熔融石英，焦距160mm，视场角大于6°，通光孔径70mm，弥散斑小于0.14mm。但是，该紫外光学系统为定焦距镜头，而高压输电线电晕放电检测需要能够大视场搜索和小视场定位，定焦距镜头无法满足这一要求；再有，该紫外光学该系统的弥散斑过大，像质较差。

2、由刊载于《激光与光电子学进展》(51,102201(2014))中的一篇题为“‘日盲’紫外电晕检测变焦光学系统设计”的文献公开了一种变焦紫外光学系统，该光学系统由8片透镜组成，该方案能够满足大视场搜索和小视场定位的要求。但是，其透镜材料为方解石和氟化镁，这两种材料都是不常用的紫外光学材料，价格较高，不易加工；其中的方解石会产生双折射，难以成像，不适合作为透镜材料；另外，该光学系统的变倍比较低，仅为2倍。

发明内容

为了提高变焦紫外光学系统的变倍比，同时，降低造价，降低加工难度，改善像质，我们发明了一种用于电晕检测的3.5倍连续变焦日盲紫外光学系统。

本发明之用于电晕检测的3.5倍连续变焦日盲紫外光学系统如图1～3所示，前固定组1、变倍组2、补偿组3和后固定组4在光的传播方向上依次同轴排列，其特征在于，前固定组1由第一透镜担当，为二元衍射透镜；变倍组2由第二透镜、第三透镜依次构成，依次为凸凹透镜、凹凸透镜；补偿组3由第四透镜、第五透镜、第六透镜依次构成，依次为双凸透镜、双凹透镜、双凸透镜；后固定组4由第七透镜担当，为凹凸透镜；第一透镜、第二透镜、第四透镜和第六透镜的透镜材料为氟化钙，第三透镜、第五透镜和第七透镜的透镜材料为熔融石英；所述七片透镜每片透镜的前镜面、后镜面共十四个镜面的曲率半径依次是113.184、245.543、76.611、30.989、-10.800、-39.071、23.731、-34.817、-26.011、17.925、20.765、-20.588、-19.180、-64.727，所述七片透镜的厚度依次为7.651、11.671、19.205、5.766、2.000、16.124、2.000，上述数据单位为mm；第一透镜前镜面为二元衍射面，二次曲面系数k＝-1.076，高次非球面系数a₂、a₄、a₆、a₈依次为-4.962×10^-6、2.959×10^-8、5.248×10^-12、1.458×10^-16，衍射系数为-2.646×10⁴、-4.088×10⁴和5.406×10⁴；第三透镜的前镜面为非球面，二次曲面系数k＝-0.983，高次非球面系数a₂、a₄、a₆、a₈依次为0.031、-1.333×10^-6、-1.817×10^-9、-1.643×10^-12，其他镜面均为球面；所述光学系统工作波段为240～280nm，F数(f/d)为4，焦距为35～122.5mm，变倍比为3.5。

本发明之用于电晕检测的3.5倍连续变焦日盲紫外光学系统的工作过程如下所述，如图1～3所示，无穷远目标发射的紫外辐射经过前固定组1、变倍组2、补偿组3和后固定组4，在探测器像面5得到最后的像；通过变倍组2的移动进行变倍，并由补偿组3进行像面漂移补偿，通过前固定组1和后固定组4保持光学系统像面位置固定，筒长恒定。

本发明其技术效果在于，透镜材料选用常用的紫外光学材料氟化钙、熔融石英，相比于现有技术选用的方解石、氟化镁，材料价格降低，加工难度降低，不会产生双折射，易于成像；另外，该光学系统的变倍比为3.5，较现有技术有明显提高，使得该光学系统更适合大视场搜索和小视场定位之用，并且，在获得3.5变倍比的同时，保持较高的F数，确保紫外辐射信号的质量。

附图说明

图1～图3依次为本发明之紫外光学系统结构及焦距由122.5mm变为56mm、35mm成像示意图，图1同时作为摘要附图。

图4～图6依次为本发明之紫外光学系统在焦距为122.5mm、56mm、35mm时的衍射圈入能量图。

具体实施方式

本发明之用于电晕检测的3.5倍连续变焦日盲紫外光学系统的一个实例由表1给出。

表1

光学系统总长度为350mm。

第三透镜的前镜面由下式定义：

式中：z为沿光轴方向的轴向坐标，c为曲面顶点的曲率，k为二次曲面系数，r为垂直光轴方向的径向坐标，a₂、a₄、a₆、…为高次非球面系数；所述第三透镜的前镜面为偶次非球面。

所述十四个镜面之间存在十三个间隔，在光的传播方向上编排间隔序号；在该光学系统进行光学变焦时，第2、6和12间隔连续变化，其他间隔不变。例如：

该光学系统在122.5mm长焦工作状态下第2、6和12间隔见表2；

由该状态的衍射圈入能量图可知，如图4所示，在不同像高处，单个像元满格(24μm)圈入的能量均达到90％以上，满足光学系统设计对成像亮度的要求。

该光学系统在56mm中焦工作状态下第2、6和12间隔见表3；

由该状态的衍射圈入能量图可知，如图5所示，在不同像高处，单个像元满格(24μm)圈入的能量依然均达到90％以上，满足光学系统设计对成像亮度的要求。

该光学系统在35mm短焦工作状态下第2、6和12间隔见表4；

由该状态的衍射圈入能量图可知，如图6所示，在不同像高处，单个像元满格(24μm)圈入的能量同样均达到90％以上，满足光学系统设计对成像亮度的要求。

由本发明之紫外光学系统的Zemax点列图可知，不论以长焦、中焦、短焦哪种焦距成像，在像平面(IMA)上不同像高的点列(Spot Diagram)的均方根半径(RMS radius)均在微米量级上，见表5所示，最大也就是16.338μm，说明弥散斑非常小，相比于现有技术最大0.14mm的尺度，足以验证本发明之紫外光学系统的优良像质。

表5，像点均方根半径(RMS radius)，单位：μm。