CN105372800B - 一种双光谱光学成像系统及成像设备 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于光学成像技术领域，提供了一种双光谱光学成像系统，包括自物方到像方依次共轴设置的主透镜、反射镜组、主反射镜、紫外滤光片及日盲紫外成像元件，主透镜和主反射镜的中间部位分别开设有第一通光孔和第二通光孔；主反射镜设有主反射面；反射镜组包括面向第一通光孔且与光轴成角度的第一反射面，及面向第二通光孔且垂直于光轴的第二反射面，在第一反射面的反射光路上设有可见光成像元件；第一反射面将穿过第一通光孔的光反射至可见光成像元件，第二反射面将主反射面反射来的光反射至日盲紫外成像元件。本发明通过日盲紫外和可见光双光谱成像可准确判断电晕放电的区域。系统结构紧凑，分辨率高，成像距离远，适合用于电晕放电的检测。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，尤其涉及一种双光谱光学成像系统及成像设备。
背景技术
电力设备电晕放电对国家电网有着非常大的危害。第一，电晕会造成线路的功率损失。据不完全统计，全国每年因电晕损耗的电能达20.5亿千瓦时以上。第二，电晕放电还能使空气发生化学反应，产生臭氧及氧化氮等产物，引起输电线路、电气设备的绝缘腐蚀和损坏。第三，在电晕放电过程中，会产生高频电磁波脉冲，这些脉冲正好位于无线电波段，会产生强烈的无线电干扰，对无线电通信、电视信号传输等造成不可忽视的影响。因此，电晕检测越来越受到电力系统和其他相关部门的重视。
电晕放电过程中辐射的光谱涵盖了紫外、可见和红外谱段。由于电晕辐射光谱能量弱，通常的可见和红外谱段的探测易受日光及背景光的干扰，无法实现准确的检测。进入大气的日光中，由于大气和大气中漂浮微粒的散射和吸收，波长为240～280nm间紫外光含量很少，近乎为零，这一特殊波段被称为日盲紫外波段。因此，采用日盲紫外波段进行检测，可以消除日光和其他背景光的干扰，从而获得清晰的紫外光图像，工作可靠、准确方便。
现有技术提出了若干种利用日盲紫外波段的特殊性拍摄到高压线路电晕放电的光学系统，获得了日盲紫外波段的图像，但只能观察到紫外的图像，图像中大部分背景是不可见的，所以在实际应用中，只能对电晕成像却无法准确判断电晕放电的区域，难以达到电晕检测的要求。另外，现有日盲紫外成像光学系统结构较为复杂，所使用的光学镜头较多，还有一些非球面镜头，加工难度较高，不易实施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双光谱光学成像系统，旨在对电晕放电及其位置进行高效率检测，并且简化系统结构，降低加工的难度和成本。
本发明是这样实现的，一种双光谱光学成像系统，包括自物方到像方依次共轴设置的主透镜、反射镜组、主反射镜、紫外滤光片及日盲紫外成像元件，所述主透镜和主反射镜的中间部位分别开设有第一通光孔和第二通光孔；所述主反射镜设有用于将来自主透镜的光进行反射的主反射面；所述反射镜组包括面向所述第一通光孔且与光轴成角度设置的第一反射面，以及面向所述第二通光孔且垂直于光轴的第二反射面，在所述第一反射面的反射光路上设有可见光成像元件；所述第一反射面将穿过所述第一通光孔的光反射至可见光成像元件，所述第二反射面将所述主反射面反射来的光反射至日盲紫外成像元件。
本发明的另一目的在于提供一种成像设备，包括所述的双光谱光学成像系统。
该双光谱光学成像系统可以对电晕放电同时进行日盲紫外成像和可见光成像，日盲紫外图像可以清晰的呈现电晕放电现象，可见光图像则可以清楚的显示电晕发生的背景环境，通过将两幅图像融合，可以使电晕放电及其所处环境在同一图像中清晰可见，进而准确快速的判断电晕发生的位置，适用于远距离非接触式电晕检测，为线路巡检人员的线路维护工作提供了较大帮助。而且，本系统所需器件数量少，结构简单紧凑，并且分辨率高，成本低且性能好，适合用于各种需要双光谱成像的设备中。
附图说明
图1是本发明实施例提供的双光谱光学成像系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的双光谱光学成像系统的反射镜组结构示意图；
图3是图2所示反射镜组的A-A向剖视图；
图4是本发明实施例提供的双光谱光学成像系统的光路图；
图5是本发明实施例提供的双光谱光学成像系统的成像光斑图；
图6是本发明实施例提供的双光谱光学成像系统的传递函数曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
本发明实施例提供一种双光谱光学成像系统，通过日盲紫外成像和可见光成像对目标(特别是电力设备电晕放电)成像，以对电晕放电等现象进行检测，并确定其位置。参考图1，该双光谱光学成像系统包括自物方到像方依次共轴设置的主透镜1、反射镜组2、主反射镜3、紫外滤光片4及日盲紫外成像元件5，以及设置在反射镜组2的一个反射光路上的可见光成像元件6。其中，主透镜1和主反射镜3的中间部位分别开设有第一通光孔11和第二通光孔31；反射镜组2包括面向第一通光孔11且与光轴L成角度设置的第一反射面S3，以及面向第二通光孔31且垂直于光轴的第二反射面S4，可见光成像元件6设置在第一反射面S3的反射光的传输路径上。主反射镜3设有用于将来自主透镜1的光反射到第二反射面S4的主反射面S5。
进一步参考图4，来自物方的光通过主透镜1后，分为两条光路传输，其中一部分经过主透镜1的实体部分穿过，并射向主反射镜3上，由主反射面S5反射至反射镜组2的第二反射面S4，再由第二反射面S4反射出去，穿过主反射镜3的第二通光孔31，经过紫外滤光片4滤除可见光和其他杂光，透过紫外光，该紫外光最终射向日盲紫外成像元件5中，获得日盲紫外图像。另一部分穿过主透镜1的第一通光孔11，被反射镜组2的第一反射面S3反射至可见光成像元件6，可见光成像元件6只对可见光感应，获得可见光图像。
通过上述光学器件搭建的双光谱光学成像系统可以对电晕放电同时进行日盲紫外成像和可见光成像，日盲紫外图像可以清晰的呈现电晕放电现象，可见光图像则可以清楚的显示电晕发生的背景环境，通过对两幅图像进行适当处理，或者直接采用可见光变焦相机作为可见光成像元件，通过对相机进行变焦，使得两路图像视场一致，图像大小一致，再利用图像处理软件将两幅图像融合，可以使电晕放电及其所处环境在同一图像中清晰可见，进而准确快速的判断电晕发生的位置。这样，当高压线路上某个位置出现电晕现象，通过本发明实施例的系统对其进行拍摄，就能看到高压线路上产生电晕的具体区域，对线路巡检人员的线路维护工作提供了非常大的帮助。而且，本系统所需器件数量少，结构简单紧凑，并且分辨率高，成本低且性能好，适用于远距离非接触式电晕检测。
在本发明实施例中，通常在主透镜1的物方设置窗口玻璃7，作为成像设备的入射窗，同时起到保护作用。另外，还可以在反射镜组2的第一反射面S3的反射光路上设置平面反射镜8，将来自第一反射面S3的可见光反射至可见光成像元件6。当然，平面反射镜8仅用于改变光路，为了满足系统结构等实际需求，还可以设置其他平面反射镜。并且，为了提高可见光的利用率，可以在平面反射镜8的表面镀金属膜，当入射角为45°时，对可见光的反射率达到95％以上。
进一步的，该主透镜1的入射面S1和出射面S2、反射镜组2的第二反射面S4以及主反射镜3的主反射面S5均为球面，第一反射面S3为平面。将各反射面设计为球面或平面，比非球面更为简单，容易加工，加工误差小，使得系统的检测精度和可靠性更高。
进一步参考图2和图3，反射镜组2可以由一个柱状的第一反射镜21和平凸型第二反射镜22胶合而成，其中，柱状的第一反射镜21的一端面即第一反射面S3，可与光轴成45°角，另一端面为球面形的第二反射面S4。在加工工艺可满足要求的情况下，该反射镜组2可以采用一块材料加工而成。
在本发明实施例中，紫外滤光片4优选设置于主反射镜3的背面并且覆盖第二通光孔31，其通过波段为240nm～280nm，截止深度小于10-5。
在本发明实施例中，日盲紫外成像元件5可采用日盲紫外ICCD，可以直接输出视频。可见光成像元件6优选采用可见光变焦相机，可进行18倍变焦，能够自动对焦，进而可以减少系统的镜头结构。另外，主透镜1可以采用石英玻璃，入射面S1和出射面S2对240～280nm波段的透过率可达到85％以上。反射镜组2可以采用K9玻璃加工而成，第一反射面S5对入射角为45°的400nm～700nm波段的反射率大于95％，当入射角为0°时，第二反射面S6对240nm～280nm波段的反射率大于85％。主反射镜2也可采用K9玻璃制作，当入射角为0°时，对240～280nm波段的反射率达到85％以上，主反射镜2除主反射面S5之外的部分可以做发黑处理。
在本实施例所述的成像原理的基础上，本实施例对该系统的各光学器件的结构参数进行详细说明，以下仅是一种可行的实施方式，不排除有其他合理选择。具体结合图1并参见下表：
表1.双光谱成像系统光学元件参数表
主透镜1和主反射镜3均开设有通光孔，参考图1，其顶点坐标分别是图中a点、b点、c点、d点的坐标，其他无通光孔元件的顶点坐标是元件表面与光轴的交点的坐标。另外，主透镜1的第一通光孔11的孔径为18mm，主反射镜3的第二通光孔31的孔径为16.9mm。系统的工作波段为紫外240～280nm，可见光400～700nm，视场角为±2°，日盲紫外光路的焦距为199.93mm，而可见光光路的焦距可调，成像距离为1米到无穷远，通光孔径为78mm。图5示出了双光谱成像系统的成像光斑图，当视场角为0°时，光斑半径为8.439μm，当视场角为±2°时，光斑半径为21.899μm；图6示出了该系统的光学传递函数曲线图，当在空间频率在40lp/mm(每毫米明暗线对数)时其调制传递函数MTF≥0.2。可见该系统成像精度及空间分辨率较高，成像效果好。
本发明提供的双光谱成像系统可实现清晰的日盲紫外成像和可见光成像，将两幅图像输出至监控设备并进行后期处理融合，可准确判断电晕放电的区域。而且该系统结构简单且紧凑，通光口径大，通光量高，分辨率高，成像距离远，适合用于检测电晕放电等成像设备中。当然，还可以用于其他需要进行日盲紫外光成像和可见光成像的领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种双光谱光学成像系统，其特征在于，包括自物方到像方依次共轴设置的主透镜、反射镜组、主反射镜、紫外滤光片及日盲紫外成像元件，所述主透镜和主反射镜的中间部位分别开设有第一通光孔和第二通光孔；所述主反射镜设有用于将来自主透镜的光进行反射的主反射面；所述反射镜组包括面向所述第一通光孔且与光轴成角度设置的第一反射面，以及面向所述第二通光孔且垂直于光轴的第二反射面，在所述第一反射面的反射光路上设有可见光成像元件；所述第一反射面将穿过所述第一通光孔的光反射至可见光成像元件，所述第二反射面将所述主反射面反射来的光反射至日盲紫外成像元件；所述紫外滤光片的通过波段为240nm～280nm，截止深度小于10-5，所述主透镜的入射面和出射面、所述第二反射面以及所述主反射面均为球面，所述第一反射面为平面，所述可见光成像元件采用可见光变焦相机，所述主反射镜除所述主反射面之外的部分做发黑处理。
2.如权利要求1所述的双光谱光学成像系统，其特征在于，还包括设置于所述主透镜物方的窗口玻璃。
3.如权利要求1所述的双光谱光学成像系统，其特征在于，在所述第一反射面的反射光路上还设有将来自第一反射面的可见光反射至可见光成像元件的平面反射镜。
4.如权利要求3所述的双光谱光学成像系统，其特征在于，所述平面反射镜镀有对可见光反射率达到95％以上的金属膜。
5.如权利要求1所述的双光谱光学成像系统，其特征在于，所述第一反射面与所述光轴成45°角。
6.如权利要求1所述的双光谱光学成像系统，其特征在于，所述反射镜组由柱状的第一反射镜和平凸型第二反射镜胶合而成，所述第一反射镜设有所述第一反射面，所述第二反射镜设有所述第二反射面。
7.如权利要求1所述的双光谱光学成像系统，其特征在于，所述主透镜的入射面和出射面的曲率半径分别为-53.31mm和-57.15mm；所述第二反射面的曲率半径为-156.53mm；所述主反射面的曲率半径为-200mm；所述主透镜的出射面和主反射镜的主反射面的顶点之间的距离为98.48mm；所述第二反射面和主反射面的顶点之间的距离为61.17mm。
8.一种成像设备，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的双光谱光学成像系统。
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