CN107272175A - 一种用于日盲紫外电晕探测的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于日盲紫外电晕探测的光学系统，包括：球面透镜，所述球面透镜具有第一通孔；与所述球面透镜同光轴的球面反射镜，所述球面反射镜的凹球面具有用于反射紫外光的反射膜；所述球面反射镜具有第二通孔；设置在所述光轴上的探测器像面，用于探测经过所述第二通孔出射的紫外光；与所述球面透镜同光轴的反射元件，所述反射元件具有用于反射可见光的反射平面以及用于反射紫外光的反射球面；入光侧入射的紫外光经过所述球面透镜后，经过所述球面反射镜的反射，再经过所述反射球面的反射，通过所述第二通孔入射所述探测器像面。本发明技术方案可以消除折射色差，并缩小系统长度，具有较好的成像质量。

Description

一种用于日盲紫外电晕探测的光学系统

技术领域

本发明涉及光学仪器技术领域，更具体的说，涉及一种用于日盲紫外电晕探测的光学系统。

背景技术

紫外成像技术在电晕探测方面有着广阔的应用。目前应用的紫外成像镜头多为纯折射式物镜，成像光路整体长度大于物镜焦距，不利于仪器的小型化；少部分小视场物镜采用类卡塞格林成像结构，该结构形式虽然可以通过光路折叠减小系统长度，但需要非球面主、次反射镜，另外，为了扩大视场，平衡轴外像差，还需在像面附近添加1-2片场镜，此种结构形式复杂，不利于加工装调和降低成本。

因此，如何涉及一种结构简单以及成像质量高的光学系统，是日盲紫外电晕探测技术领域亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种用于日盲紫外电晕探测的光学系统，该光学系统结构简单，成像质量高。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于日盲紫外电晕探测的光学系统，所述光学系统包括：

球面透镜，用于透过紫外光；所述球面透镜具有第一通孔，所述球面透镜的光轴通过所述第一通孔的中心；所述球面透镜的凹球面朝向入光侧；

与所述球面透镜同光轴的球面反射镜，所述球面反射镜的凹球面朝向所述球面透镜的凸球面，且所述球面反射镜的凹球面具有用于反射紫外光的反射膜；所述球面反射镜具有第二通孔，所述光轴通过所述第二通孔的中心；

设置在所述光轴上的探测器像面，用于探测经过所述第二通孔出射的紫外光；所述探测器像面位于所述球面反射镜的凸球面一侧；

与所述球面透镜同光轴的反射元件，所述反射元件具有用于反射可见光的反射平面以及用于反射紫外光的反射球面；所述反射球面位于所述第一通孔内，与所述球面透镜的凸球面具有相同曲率半径，且与所述球面透镜的凸球面重合；所述反射平面位于所述球面透镜的凹球面一侧，且与所述光轴具有预设倾角；

其中，入光侧入射的紫外光经过所述球面透镜后，经过所述球面反射镜的反射，再经过所述反射球面的反射，通过所述第二通孔入射所述探测器像面；入光侧入射的可见光经过所述反射平面反射至可见光相机。

优选的，在上述光学系统中，所述反射元件具有顶面、底面以及位于所述底面与所述顶面之间的侧面，所述侧面为圆柱侧面，所述顶面为所述反射球面，所述底面为所述反射平面。

优选的，在上述光学系统中，所述侧面与所述第一通孔侧壁通过胶体粘结固定。

优选的，在上述光学系统中，所述球面透镜为石英透镜或是CaF₂透镜。

优选的，在上述光学系统中，所述球面反射镜与所述探测器像面之间还具有滤光片，用于滤除预设波段光波。

优选的，在上述光学系统中，所述预设倾角为45°。

优选的，在上述光学系统中，所述光学系统的等效焦距为130mm，总长度小于70mm，全视场角为8°。

优选的，在上述光学系统中，在垂直于所述光轴的方向上，所述球面透镜的口径为72mm，第一通孔的直径为30mm；

在垂直于所述光轴的方向上，所述球面反射镜的口径为78mm，第二通孔的直径为25mm。

优选的，在上述光学系统中，所述光学系统的等效焦距为150mm，总长度小于60mm，全视场角为6.5°。

优选的，在上述光学系统中，在垂直于所述光轴的方向上，所述球面透镜的口径为60mm，第一通孔的直径为28mm；

在垂直于所述光轴的方向上，所述球面反射镜的口径为68mm，第二通孔的直径为23mm。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的用于日盲紫外电晕探测的光学系统包括：球面透镜，用于透过紫外光；所述球面透镜具有第一通孔，所述球面透镜的光轴通过所述第一通孔的中心；所述球面透镜的凹球面朝向入光侧；与所述球面透镜同光轴的球面反射镜，所述球面反射镜的凹球面朝向所述球面透镜的凸球面，且所述球面反射镜的凹球面具有用于反射紫外光的反射膜；所述球面反射镜具有第二通孔，所述光轴通过所述第二通孔的中心；设置在所述光轴上的探测器像面，用于探测经过所述第二通孔出射的紫外光；所述探测器像面位于所述球面反射镜的凸球面一侧；与所述球面透镜同光轴的反射元件，所述反射元件具有用于反射可见光的反射平面以及用于反射紫外光的反射球面；所述反射球面位于所述第一通孔内，与所述球面透镜的凸球面具有相同曲率半径，且与所述球面透镜的凸球面重合；所述反射平面位于所述球面透镜的凹球面一侧，且与所述光轴具有预设倾角；其中，入光侧入射的紫外光经过所述球面透镜后，经过所述球面反射镜的反射，再经过所述反射球面的反射，通过所述第二通孔入射所述探测器像面；入光侧入射的可见光经过所述反射平面反射至可见光相机。

可见，所述光学系统中，通过同光轴的球面透镜、球面反射镜以及反射元件使得入光侧紫外光的传输至探测器像面，不需要非球面主、次反射镜以及片场镜，结构简单，制作成本低。而且设置同光轴的球面透镜、球面反射镜以及反射元件，利用球面透镜的折射作用，球面反射镜以及反射元件的反射作用，可以在较短的距离内实现较大光程，相对于纯折射的现有探测系统，本发明技术方案有折射有反射，可以减小色差，并缩小系统长度，具有较好的成像质量，克服了纯折射的现有探测系统紫外波段色差难以校正、成像质量差的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于日盲紫外电晕探测的光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种用于日盲紫外电晕探测的光学系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种用于日盲紫外电晕探测的光学系统的结构示意图；

图4为图1所示光学系统的成像质量传递函数值(MTF)对应的曲线图；

图5为图2所示光学系统的成像质量传递函数值(MTF)对应的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种用于日盲紫外电晕探测的光学系统的结构示意图，所述光学系统包括：球面透镜1、球面反射镜2、反射元件3以及探测器像面4。

所述球面透镜1用于透过紫外光。所述球面透镜1具有第一通孔，所述球面透镜1的光轴5通过所述第一通孔的中心。所述球面透镜1的凹球面朝向入光侧。

所述球面反射镜2与所述球面透镜同光轴。所述球面反射镜2的凹球面朝向所述球面透镜1的凸球面，且所述球面反射镜2的凹球面具有用于反射紫外光的反射膜。所述球面反射镜1具有第二通孔，所述光轴5通过所述第二通孔的中心。所述第二通孔与所述第一通孔的中心正对设置，均位于光轴5上。

所述探测器像面4设置在所述光轴5上。所述探测器像面4用于探测经过所述第二通孔出射的紫外光。所述探测器像面4位于所述球面反射镜2的凸球面一侧。

所述反射元件3所述球面透镜1同光轴。所述反射元件3具有用于反射可见光的反射平面31以及用于反射紫外光的反射球面32。所述反射球面32位于所述第一通孔内，与所述球面透镜1的凸球面具有相同曲率半径，且与所述球面透镜1的凸球面重合。所述反射平面31位于所述球面透镜1的凹球面一侧，且与所述光轴5具有预设倾角。

其中，入光侧入射的紫外光经过所述球面透镜1后，经过所述球面反射镜2的反射，再经过所述反射球面32的反射，通过所述第二通孔入射所述探测器像面4。入光侧入射的可见光经过所述反射平面31反射至可见光相机。图1中未示出所述可见光相机。

所述球面透镜1、所述球面反射镜2以及所述反射球面32具有相同曲率半径，经过所述球面透镜1折射的紫外光，再经过所述球面反射镜2反射后，可以入射到所述反射球面32，进而通过所述反射球面32反射后，经过第二通孔出射，入射到所述探测器像面4。

可以根据设置所述预设倾角设置所述可见光相机的位置。如可以设置所述预设倾角为45°。这样，可见光沿着光轴5入射，则以垂直于光轴5的方向入射可见光相机。

本发明实施例中，入光侧，可见光入射所述反射元件3，在垂直于光轴5的方向上，可见光束为圆形截面；入光侧，紫外光入射所述球面透镜1，在垂直于光轴5的方向上，紫外光束为圆环形截面。可见光与紫外光时共光轴系统，可以保证光学系统具有较高的精度。可见光相机根据采集可见光获取的图像信息，可以与所述探测器像面4采集紫外光获取的图像信息进行图像复合，整体全面的反应光场信息。

所述反射元件3具有顶面、底面以及位于所述底面与所述顶面之间的侧面33，所述侧面33为圆柱侧面，所述顶面为所述反射球面32，所述底面为所述反射平面31。所述侧面33与所述第一通孔侧壁通过胶体粘结固定。

所述球面透镜1采用透紫外光材料制备。具体的，所述球面透镜1为石英透镜或是CaF₂透镜。

所述球面反射镜2与所述探测器像面4之间还具有滤光片，用于滤除预设波段光波。图1中未示出所述滤光片。滤光片用于滤除所述探测器像面4所采集的紫外波段之外的光波。

本发明实施例所述光学系统，可以用于光学波段240nm-280nm的紫外光的探测。该光学系统留有足够的后截距，即所述球面反射镜2与所述探测器像面4间距大于设定阈值，以便于滤光片的安装和更换。可以通过设置各个光学元件的尺寸设置所述光学系统的等效焦距、总长度以及全视场角等系统参数。

本发明实施例所述光学系统中，用于反射紫外光的反射膜为日盲紫外高反膜，日盲紫外高反膜可以为氧化物或者氟化物组成的多层干涉薄膜。

一种实施方式中，设置所述光学系统的等效焦距为130mm，总长度小于70mm，全视场角为8°(即与所述光轴5为中线的正负4°的全视场角)。此时，为了使得光学系统具有上述等效焦距、总长度以及全视场角的参数，可以设置所述球面透镜1的材料为康宁7980石英玻璃；在垂直于所述光轴5的方向上，所述球面透镜1的口径L11为72mm，第一通孔H11的直径为30mm；在垂直于所述光轴5的方向上，所述球面反射镜2的口径L21为78mm，第二通孔H21的直径为25mm。

相应的，反射元件3侧壁为圆柱体，圆柱直径为30mm，反射平面31的预设倾角为45°；通过反射元件3的反射平面31将可见光反射至可见光相机，用于紫外光与可见光的图像复合，其反射球面32将球面反射镜2反射后的紫外光反射成像到探测器像面4；可以提高紫外光的成像质量；反射元件3侧壁通过胶体粘结在第一通孔内。

该实施方式中，放电目标发出的紫外辐射由光学系统中球面透镜1接收，依次经过球面透镜1的凹球面和凸球面的折射，到达球面反射镜2的凹球面，经过球面反射镜2的凹球面反射到达反射元件3的反射球面32，经过反射元件3的反射球面32反射后，通过第二通孔成像到探测器像面4。在传播方向上，以上各个元件均是同轴排列，具有较好的光学稳定性，便于元件安装以及调试。该实施方式，具有较好的成像质量，克服了纯透射系统(即纯折射系统)紫外波段色差难以校正以及成像质量差的问题，通过使用反射元件可以克服纯折射系统导致的色差难以校正问题，提高成像质量。

另一种实施方式中，所述光学系统的结构如图2所示，图2为本发明实施例提供的另一种用于日盲紫外电晕探测的光学系统的结构示意图，图2所示实施方式中，设置所述光学系统的等效焦距为150mm，总长度小于60mm，全视场角为6.5°(即与所述光轴5为中线的正负3.25°的全视场角)。此时，为了使得光学系统具有上述等效焦距、总长度以及全视场角的参数，可以设置所述球面透镜1的材料为CaF₂；在垂直于所述光轴5的方向上，所述球面透镜1的口径L12为60mm，第一通孔的直径H12为28mm；在垂直于所述光轴5的方向上，所述球面反射镜2的口径L22为68mm，第二通孔H22的直径为23mm。

同样，相应的，反射元件3侧壁为圆柱体，圆柱直径为28mm，反射平面31的预设倾角为45°。通过反射元件3的反射平面31将可见光反射至可见光相机，用于紫外光与可见光的图像复合，其反射球面32将球面反射镜2反射后的紫外光反射成像到探测器像面4；可以提高紫外光的成像质量；反射元件3侧壁通过胶体粘结在第一通孔内。

同样，该实施方式中，放电目标发出的紫外辐射由光学系统中球面透镜1接收，依次经过球面透镜1的凹球面和凸球面的折射，到达球面反射镜2的凹球面，经过球面反射镜2的凹球面反射到达反射元件3的反射球面32，经过反射元件3的反射球面32反射后，通过第二通孔成像到探测器像面4。在传播方向上，以上各个元件均是同轴排列，具有较好的光学稳定性，便于元件安装以及调试。该实施方式，具有较好的成像质量，克服了纯透射系统(即纯折射系统)紫外波段色差难以校正以及成像质量差的问题，通过使用反射元件可以克服纯折射系统导致的色差难以校正问题，提高成像质量。

参考图3，图3为本发明实施例提供的又一种用于日盲紫外电晕探测的光学系统的结构示意图，图3所示实施方式中，在上述实施方式的基础上示出了滤光片6以及可见光相机7，以及入射可见光的传播光路。

参考图4，图4为图1所示光学系统的成像质量传递函数值(MTF)对应的曲线图。可见，图1所示实施方式具有较好的成像质量，克服了纯透射系统紫外波段色差难以校正、成像质量差的缺陷。

参考图5，图5为图2所示光学系统的成像质量传递函数值(MTF)对应的曲线图。可见，图2所示实施方式具有较好的成像质量，克服了纯透射系统紫外波段色差难以校正、成像质量差的缺陷。

本发明实施例所述光学系统，具有较大的口径，可以适用于电力部门的电晕放电检测。系统结构简单、仅需要一片球面透镜1、一片球面反射镜2以及一个反射元件3，加工和制造难度低、成像质量具有较高的传递函数(MTF)值，成像质量高，且光学系统的元件少，光能的利用率高，进一步提高成像质量。无需非球面的曲面光学元件，反射元件3的反射球面32、球面透镜1以及球面反射镜2较非球面元件，球面元件更易于制造、成本低、工艺性好。光学系统的全视场角可以大于6°，口径大于50mm，光圈数的F值小于3，成像质量高，拥有较强的光电探测能力，结构紧凑。

传统的紫外成像镜头采用纯折射式物镜，成像光路整体长度大于物镜焦距，不利于仪器的小型化，或是采用类卡塞格林成像结构，该结构形式虽然可以通过光路折叠减小系统长度，但需要非球面主、次反射镜，另外，为了扩大视场，平衡轴外像差，还需在像面附近添加1-2片场镜，此种结构形式复杂，不利于加工装调和降低成本。

相比于采用纯折射式物镜的传统的紫外成像镜头，本发明实施例所述光学系统利用所述球面透镜1的折射，所述球面反射镜2的反射，使得在较短的距离内实现较大的广成，具有较小的总长度，便于小型化设计。

相比于采用类卡塞格林成像结构的传统的紫外成像镜头，本发明实施例所述光学系统只需通过同光轴的球面透镜1、球面反射镜2以及反射元件3使得入光侧紫外光的传输至探测器像面4，不需要非球面主、次反射镜以及片场镜，结构简单，制作成本低，便于加工调试。且球面透镜1及球面反射镜2具有较好的汇聚光线作用，能够相互配合采集较大视场内的紫外光。而且设置同光轴的球面透镜1、球面反射镜2以及反射元件3，利用球面透镜1的折射作用，球面反射镜2以及反射元件3的反射作用，通过折射以及反射的同时作用，可以减小色差，并缩小系统长度，具有较好的成像质量。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于日盲紫外电晕探测的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：

球面透镜，用于透过紫外光；所述球面透镜具有第一通孔，所述球面透镜的光轴通过所述第一通孔的中心；所述球面透镜的凹球面朝向入光侧；

与所述球面透镜同光轴的球面反射镜，所述球面反射镜的凹球面朝向所述球面透镜的凸球面，且所述球面反射镜的凹球面具有用于反射紫外光的反射膜；所述球面反射镜具有第二通孔，所述光轴通过所述第二通孔的中心；

设置在所述光轴上的探测器像面，用于探测经过所述第二通孔出射的紫外光；所述探测器像面位于所述球面反射镜的凸球面一侧；

与所述球面透镜同光轴的反射元件，所述反射元件具有用于反射可见光的反射平面以及用于反射紫外光的反射球面；所述反射球面位于所述第一通孔内，与所述球面透镜的凸球面具有相同曲率半径，且与所述球面透镜的凸球面重合；所述反射平面位于所述球面透镜的凹球面一侧，且与所述光轴具有预设倾角；

其中，入光侧入射的紫外光经过所述球面透镜后，经过所述球面反射镜的反射，再经过所述反射球面的反射，通过所述第二通孔入射所述探测器像面；入光侧入射的可见光经过所述反射平面反射至可见光相机。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述反射元件具有顶面、底面以及位于所述底面与所述顶面之间的侧面，所述侧面为圆柱侧面，所述顶面为所述反射球面，所述底面为所述反射平面。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述侧面与所述第一通孔侧壁通过胶体粘结固定。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述球面透镜为石英透镜或是CaF₂透镜。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述球面反射镜与所述探测器像面之间还具有滤光片，用于滤除预设波段光波。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述预设倾角为45°。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的等效焦距为130mm，总长度小于70mm，全视场角为8°。

8.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，在垂直于所述光轴的方向上，所述球面透镜的口径为72mm，第一通孔的直径为30mm；

在垂直于所述光轴的方向上，所述球面反射镜的口径为78mm，第二通孔的直径为25mm。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的等效焦距为150mm，总长度小于60mm，全视场角为6.5°。

10.根据权利要求9所述的光学系统，其特征在于，在垂直于所述光轴的方向上，所述球面透镜的口径为60mm，第一通孔的直径为28mm；

在垂直于所述光轴的方向上，所述球面反射镜的口径为68mm，第二通孔的直径为23mm。