大相对孔径紫外成像仪光学系统设计

崔穆涵，田志辉*，周　跃，章明朝，陈　雪，李佳起，易翔宇

(1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033; 2.长春国科精密光学技术有限公司，吉林 长春 130033)

1　引　言

当高压输电设备之间的场强增加至20～30 kV/cm时，周围小曲率半径的导电电极会由于空气电离从而产生电晕放电。电晕放电会导致高压输电设备表面烧蚀或腐蚀，毁坏输电线路甚至引发电力事故。此外，电晕放电时产生的高频脉冲电流中夹杂着大量高次谐波，会严重干扰正常的无线电通信[1-7]。因此，近年来电力行业的相关部门对于能够早期检测并准确定位电晕放电点的紫外成像仪愈发重视。据统计，未来十年我国计划建设及改进智能高压变电站超过7 000余座，对相关的配套电力检测设备需求将大大增加，由此可见紫外成像仪的市场应用前景广阔。

紫外成像仪可同时采集日盲紫外、可见双谱段图像，并通过二者视场的高度匹配判断故障点的位置。日盲紫外谱段位于240～280 nm的中紫外区，由于大气分子的散射作用以及地表臭氧的吸收作用，大部分该谱段辐射无法穿透臭氧层到达地表，因而称为日盲紫外。基于上述特性，当大气背景中出现包含日盲紫外谱段辐射的目标，如电晕放电点时，可利用背景与目标的高对比度对其进行探测[8-9]。紫外成像仪即利用上述特点实现了对电晕放电点的有效检测。

20世纪70年代末期，国外已对紫外谱段辐射特性展开研究，90年代末期，国外开始研制紫外成像仪，并逐步形成产品投放市场。典型的国外产品有南非国电 (ESKOM)与南非CSIR共同研发生产的CoroCAM系列紫外成像仪，美国电科院(EPRI)和以色列OFIL公司共同研发的DAYCOR系列，以及以色列OFIL独立自主研发的Super B紫外成像仪[10-12]。典型的国内产品有长春国科精密公司独立自主研发的CDH系列紫外成像仪。

论文重点针对上述产品中紫外光学系统的不足之处进行改进。紫外光学系统作为紫外成像仪的核心关键器件，直接决定了成像仪的光能利用率、通光口径及分辨率等光学参数，其性能优劣对于成像仪系统的性能表现至关重要。在以色列及南非公司产品中，紫外光学系统普遍采用施密特-卡塞格林系统[13]，虽然解决了由日盲紫外谱段的短波特性引起的色差问题，但中心视场存在遮挡，减小了整个光学系统的通光口径，一定程度上降低了系统的光能利用率，导致产品难以进行远距离作业。为使紫外成像仪在进行远距离工作时获得的辐射能量满足成像要求，需选择口径较大的镜片作为光学系统的主镜，这又大大不利于产品的小型化研制，限制了其在电力行业的大规模应用。此外，以Ofil公司的某台SuperB成像仪为例，其紫外可见光双光路对准精度标称为1 mrad，实际测试值则为5 mrad。由此推算，在20 m工作距离上，电晕放电位置显示值与实际值相差可达100 mm，容易造成对故障的定位偏差。长春国科的早期产品虽然有效解决了国外产品光能利用率不足的问题，但由于选择单一熔石英材质，对于色差的消除不够理想，且分辨率仅为5 lp/mm，不利于分辨相邻电力设备的故障损伤。针对上述问题，论文设计了一款大孔径消色差[14]紫外光学系统，利用熔石英及氟化钙两种材料[15]的不同色散特性，根据改进的双胶合透镜结构有效解决了目前大多数紫外成像仪存在的定位和指向精度不佳、色差较大、分辨率及光能利用率不足等问题。设计的紫外光学系统全视场全探测范围内点列图均方根直径<0.08 mm，分辨率为20 lp/mm，满足电力行业电晕探测需求，已计划装配于长春国科的二型紫外成像仪产品中。

2　光学系统参数的确定

紫外成像仪的通用技术指标如表1所示。系统所采用的紫外探测器尺寸18 mm，最小紫外光灵敏度为3×10-18W/cm2，由于电晕放电发出的紫外辐射极其微弱，需保证入射至探测器的辐通量≥10-17W方能满足系统成像要求。目标发出的紫外辐射经大气传输、紫外光学系统及滤光片后入射至紫外探测器，此时探测器所接收的辐射通量如式(1)所示：

(1)

式中，k为与探测角度相关的系数，D为紫外光学系统的通光口径，L为目标距光学系统第一个面的距离，τfilter为日盲紫外滤光片的透过率，τlens为紫外光学系统的透过率，τ(λ)L/1000为大气衰减系数。

表1　紫外成像仪通用技术指标

本系统中，日盲紫外滤光片的半宽度透过率约为0.2，紫外光学系统的整体透过率≥0.9，通过表1的通用技术指标可知，实际探测目标与成像之间的法向夹角很小，因此认为k=1。

将参数k=1，τfilter=0.2，τlens=0.9，探测器的最小紫外灵敏度3×10-18W/cm2及辐射通量需求1×10-17W代入式(1)，可以得到当紫外光学系统通光口径D≥48.512 mm时，满足紫外成像仪的成像需求。

紫外光学系统的焦距可通过式(2)计算得到：

(2)

式中，d为探测器尺寸，2ω为系统的光学视场角。计算得到紫外光学系统的设计焦距f≤171.73 mm即可，考虑近来电力部门实际应用紫外成像仪时，对于设备小型化的需求愈发迫切，选取f′≈100 mm。

紫外成像仪在实际工作时，可见光通道用于对被检目标的背景进行成像从而帮助定位故障点，因此需主要关注背景图像的细节信息；而紫外通道用于检测电晕放电的有无，因此无需关注目标放电点的细节信息，论文着重描述紫外通道光学系统的设计，因此只需关注目标放电能量的大小以及多目标间的分辨问题即可。通常意义上，认为可通过简单的图像处理算法识别两个目标点的前提条件是两目标放电点的80%弥散斑不重叠。紫外光学系统对目标点所成像的80%弥散斑半径r可由式(3)求得：

(3)

式中，Δθ为系统的通用技术指标角分辨率，f′为系统的设计焦距，可得r≤0.175 mm。

综上所述，紫外光学系统的优选技术指标如表2所示。

表2　紫外光学系统的优选设计指标

3　紫外光学系统设计

多数光学材料的光透过率随波长减小而降低，因此可用于紫外谱段的光学透镜材料很少，常见的仅氟化钙及熔石英两种材料。由于日盲紫外谱段的短波特性，单独的熔石英材料会给系统带来较大的色差；而单独的氟化钙材料则表现出较强的本征双折射，从而严重影响系统的分辨率。因此，选择熔石英与氟化钙共同作为紫外光学系统的原材料。同时，由于典型的消色差结构——双胶合透镜结构无法透射紫外谱段辐射，因此采用改进的分离式双胶合透镜结构消除系统色差。设计的大孔径高分辨率消色差紫外光学系统，最终设计结果如表3所示，系统结构如图1所示。

表3　紫外光学系统设计结果

图1　紫外光学系统结构图 Fig.1　Structure of ultraviolet optical system

4　紫外光学系统分析

4.1　紫外光学系统像质评价

通常情况下，紫外成像仪中的紫外光学系统主要起对目标辐射进行能量收集探测的作用，因此认为光学系统的能量集中度是评判其成像质量优劣的核心指标。在电力部门实际应用时，发现分辨率也应作为紫外成像仪的主要评价指标，原因在于，在远距离对输电线路进行巡检时，高分辨率紫外成像仪可有效判断相邻电力设备的损伤点，而不至于将两个或几个相邻损伤点混淆。因此论文采用点列图及传递函数曲线(MTF)共同作为紫外光学系统的评价标准。

图2为对焦3 m及无穷远时，各视场的成像点列图。图3为对焦3 m及无穷远时，各视场的传递函数，从图3中可以看出，系统各视场弥散斑的均方根直径在整个探测范围内均<0.08 mm，且光斑圆度好，定位和指向精度高，大大有助于操作人员确定电力设备损伤点的位置；系统的分辨率为20 lp/mm，满足设计需求，大大有助于操作人员在远距离作业时分辨相邻电力设备的损伤。

图2　点列图 Fig.2　Spot diagram

图3　传递函数曲线 Fig.3　 MTF curve

4.2　紫外光学系统公差

考虑实际的光学元件加工能力以及实验人员的装调水平，设定光学系统公差见表4，其中光学元件的折射率公差0.000 1，阿贝常数允许偏差0.1%。

表4　最终制定的紫外光学系统公差

采用蒙特卡罗统计模拟法对公差进行敏感度分析，结果如表5所示。分析表中结果得出结论，在表4的公差范围内，有90%的镜头均可满足设计需求。综上，紫外光学系统可根据表4中制定的公差范围进行加工和装调。最终加工装调完成的紫外光学系统实物如图4所示。

表5　公差分析结果

图4　紫外光学系统实物图 Fig.4　Ultraviolet optical system

5　结　论

本文分析了电晕放电探测的需求，提出了紫外成像仪中紫外光学系统的总体设计，利用熔石英及氟化钙两种材料的不同色散特性，选取上述两种材料组合，根据改进的分离式双胶合透镜结构设计了一款大孔径高分辨率的消色差紫外光学系统。在10°视场范围内，设计的紫外光学系统全探测范围内点列图均方根直径<0.08 mm，分辨率为20 lp/mm。有效解决了目前大多数紫外成像仪存在的定位和指向精度欠缺、色差较大、分辨率及光能利用率不足等问题，对于紫外成像仪在电力行业的推广及应用具有重大实际意义。

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