CN107561717A - 一种基于分色分光的同轴光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分色分光的同轴光学系统，采用分裂单片镜片的方法进行紫外物镜的设计，包括：反射镜、日盲滤镜、可见光透镜、可见光成像、日盲滤镜、可见光透镜、可见光成像、紫外透镜，其中，所述反射镜为分光分色镜，所述紫外透镜具有紫外带通滤光片，所述紫外带通滤光片具有增强电荷耦合器件ICCD。本发明消除了中心视场遮拦，增大了紫外光通道的通光口径，有效提高了电晕探测系统的能量收集能力。

Description

一种基于分色分光的同轴光学系统

技术领域

本发明涉及高压电力设备检测技术领域，特别是指一种基于分色分光的同轴光学系统。

背景技术

电力系统中的高压电气设备长期工作在高电压和较恶劣的环境中，在长期的电、热、机械应力和环境因素作用下不可避免的会出现损伤与劣化等缺陷，在一定的条件下，上述缺陷可导致高压设备表面局部电场发生畸变，当电场强度达到约30kV/cm时可导致空气分子电离进而形成放电现象。高压电气设备的绝缘损伤是危害高压电力系统安全运行的重要因素，通过在线检测及早发现绝缘损伤才能及时地进行损伤部件的维修、替换，对于降低设备故障率，保证高压电力系统安全运行意义重大。

现有技术基于放电的过程中产生的脉冲电流、发声、发热和发光等征兆信号进行检测以发现设备缺陷，提高电力系统运行可靠性。但由于高压设备在早期劣化阶段的放电信号比较微弱，现有技术中存在下列明显缺陷：脉冲电流法属于接触式检测方法，往往需对被检测设备进行改造以安装电流传感器，监测系统的安装和维护工作量都较大；超声波检测法虽然也能检测到放电，但在现场复杂的干扰背景下，难以准确定位放电点；红外成像仪只能在设备发热的时候才能检测出放电，而早期放电阶段，放电并不会引起设备温度较明显的改变，且该方法受外部环境的影响较大。随着国网公司在高压电气设备监测的应用发展，光学成像探测成为了在线检测绝缘损伤的主要手段。与红外热成像相比，紫外成像方式可天然地避免自然界复杂背景的干扰，即使在强烈的日光条件下也可以准确地定位电晕的发生位置。更应值得注意的是：在绝缘损伤的早期通常就会伴随有电晕现象的产生，因此紫外成像方式可提供早期的故障诊断能力。因此，紫外成像检测仪在发达国家已广泛应用于高压线路的安全巡检。

但是，现有技术的紫外成像检测仪普遍采用卡塞格林系统的光学系统，其存在中心视场存在遮拦的技术问题，导致整个探测仪存在通光口径减小、光能利用率不足的技术问题，并且不利于产品的小型化研制。

因此，迫切需要结合电力业务部门的实际需求，提供一种基于分色分光的同轴光学系统，消除了中心视场遮拦，增大了紫外光通道的通光口径，具有能够有效提高了电晕探测系统的能量收集能力，降低全日盲紫外成像探测仪尺寸的技术效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于分色分光的同轴光学系统，解决现有的全日盲紫外成像探测仪存在中心视场存在遮拦的技术问题。

基于上述目的本发明提供的一种基于分色分光的同轴光学系统，包括：反射镜、日盲滤镜、紫外透镜，其中，所述反射镜为分光分色镜，用于将目标所发出的可见光和紫外光分开，实现紫外可见双路探测；其中所述紫外透镜的两面具有紫外带通滤光片和增强电荷耦合器件，所述增强电荷耦合器件的像面和后一紫外带通滤光片的像面重合。

其中，选用熔石英做为透镜材料。

其中，所述同轴光学系统通过机械调焦结构整体移动，实现对3m至无穷远的目标进行探测。

其中，所述增强电荷耦合器件的对角线大小为18mm。

其中，紫外透镜的通过口径为52mm。

其中，紫外透镜的焦距为160mm。

其中，紫外透镜的弥散斑半径r小于等于0.14mm。

其中，紫外透镜的工作波段为240-280nm。

其中，紫外透镜的光学视场角大于等于6°。

从上面所述可以看出，本发明提供的基于分色分光的同轴光学系统，能够解决现有的全日盲紫外成像探测仪存在中心视场存在遮拦的技术问题，并且满足紫外电晕检测的分辨率需求，可以满足紫外电晕探测的应用需求。

附图说明

图1为本发明实施例设备结构图；

图2为本发明实施例探测距离3m时，各个视场成像点列图

图3为本发明实施例探测距离无穷远时，各个视场成像点列图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

由于电晕放电发出的“日盲”紫外光能量较弱，为避免过多镜片导致能量的过度损耗同时节约系统成本，在设计时希望采用尽量少的镜片来满足系统需求，因此采用分裂单片镜片的方法进行紫外物镜的设计，如图1所示，本发明的基于分色分光的同轴光学系统，包括：反射镜1和2、日盲滤镜3、紫外透镜，其中，所述反射镜为分光分色镜，用于将目标所发出的可见光和紫外光分开，实现紫外可见双路探测；其中所述紫外透镜具有紫外带通滤光片4和5，以及增强电荷耦合器件ICCD6，所述增强电荷耦合器件6的像面和另一紫外带通滤光片5的像面重合。

考虑到实际工作时的探测环境，将所述增强电荷耦合器件ICCD的对角线设定为18mm，由于电晕放电发出的“日盲”紫外光极其微弱，为使入射至增强电荷耦合器件ICCD的光能量能满足成像需求，需保证入射至增强电荷耦合器件ICCD片后入射到紫外ICCD的辐射通量可以通过下面的公式进行计算：

式中，D为紫外透镜通光口径，L为目标到紫外透镜第一个面的距离，k是与探测角度相关的系数，τfilter和τlens和分别为滤光片和紫外透镜透过率，τ(λ)L/1000是大气衰减系数。

本实施例中，紫外带通滤光片的半宽度透过率约为0.21，所设计的紫外透镜整体透过率大于等于0.8，通过设计需求中视场角指标可以得知实际探测物体与探测仪之间法线夹角比较小，在计算时可以认为k＝1。

将参数k＝1，τfilter＝0.21，和τlens＝0.8代入上式可以得到：

将探测最小紫外光灵敏度3×10-18W/cm2，结合上面所提到的增强电荷耦合器件ICCD大小为：D≥50.215mm

为了保证成像质量，同时综合考虑系统的尺寸空间和机械结构，通过口径大小最终设计为52mm。

紫外透镜的焦距可以通过增强电荷耦合器件ICCD的尺寸和系统的光学视场角计算得到，如下式：

式中，d为ICCD对角线尺寸，2w’为系统光学视场角。

计算得到所需的紫外透镜焦距f’≤171.73mm，综合考虑，最终确定选取系统焦距为160mm。

在电晕检测系统中，可见光通道用于对探测背景进行成像，其成像通道希望尽可能保留背景图像的细节信息。而“日盲”紫外通道仅用于探测是否存在电晕放电现象，其图像特点为电晕放电区域呈斑点状且时域图像不具有特定的形貌信息，因此“日盲”紫外通道成像不关心物的细节信息，仅关心成像的光能量以及分辨能力。当两个电晕放电点所成像的80％弥散斑不发生重叠时，后续的图像处理系统可通过简单的图像处理算法将两物点分开。由系统的角分辨率需求及系统焦距可计算得到紫外透镜对点物所成像的80％弥散斑半径r需满足：

将设计的紫外透镜的焦距及角分辨率需求代入可以得到r小于等于0.14mm。

综上所述，所设计的紫外透镜技术指标如下：

其中，紫外透镜的通过口径为52mm。

其中，紫外透镜的焦距为160mm。

其中，紫外透镜的弥散斑半径r小于等于0.14mm。

其中，紫外透镜的工作波段为240-280nm。

其中，紫外透镜的光学视场角大于等于6°。

另外，考虑到光学材料的透过率大都随工作波长减小而降低，因此能够用于日盲紫外工作波段的透镜材料较少，常用的材料有熔石英和氟化钙。对于氟化钙材料，其价格比较昂贵且在240～280nm的工作波段范围内，氟化钙表现出较强的本征双折射，严重影响着系统的分辨率。由于实际工作波段较窄，色差较小，因此本发明的实施例中选用熔石英做为透镜材料。

通过实际测量，采用点列图做为系统的评价标准，图2和图3分别为探测距离3m和无穷远时，各个视场成像点列图。从图中可以看出，在整个探测范围内，系统的各个视场弥散斑的均方根半径均小于0.14mm，满足设计需求。

由上述实施例可以看出，本发明的基于分色分光的同轴光学系统，视场全探测范围内点列图均方根小于0.14mm，满足紫外电晕探测的分辨率需求，并且消除了中心视场遮拦，增大了紫外光通道的通光口径，有效提高了电晕探测系统的能量收集能力。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于分色分光的同轴光学系统，包括：反射镜、日盲滤镜、紫外透镜，其中，所述反射镜为分光分色镜，用于将目标所发出的可见光和紫外光分开，实现紫外可见双路探测；其中所述紫外透镜的两面具有紫外带通滤光片和增强电荷耦合器件，所述增强电荷耦合器件的像面和后一紫外带通滤光片的像面重合。

2.根据权利要求1所述的，其特征其中，选用熔石英做为透镜材料。

3.根据权利要求1所述的，其特征其中，选用氟化钙做为透镜材料。

4.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述同轴光学系统通过机械调焦结构整体移动，实现对3m至无穷远的目标进行探测。

5.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述紫外透镜的通过口径为52mm。

6.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述紫外透镜的焦距为160mm。

7.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述紫外透镜的弥散斑半径r小于等于0.14mm。

8.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述紫外透镜的工作波段为240-280nm。

9.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述紫外透镜的光学视场角大于等于6°。

10.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述增强电荷耦合器件的对角线大小为18mm。