CN110275098A - 紫外成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学成像技术领域，公开了紫外电晕成像仪，其中，一种是单通道紫外成像仪，另一种是双通道紫外成像仪。单通道紫外成像仪利用紫外照明灯对背景进行照明，利用日盲滤光片可以获得背景图像，例如高压设备，在有电晕时照明灯自动熄灭；在无照明时，日盲滤光片只对目标发出的紫外光成象，例如缺陷产生的电晕；由于是同一通道，不管距离远近，不管白天黑夜，两个图象都能严格的通过电路板点对点重叠，知道缺陷的确切位置；双通道紫外成像仪，紫外光和可见光共用一个宽谱物镜，不但体积小，而且视场一样大，没有视差，经图象融合板后可使电晕图像和背景图像完全一样大，既能分别观察，也能点对点动态对准，可以实现对紫外电晕的检测与定位。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及了紫外成像仪。
背景技术
紫外成像仪可用于显示电晕和绝缘设备融合的图像，将电晕定位并看清缺陷。如图1所示，目前的紫外成像仪大都在入射光中使用分束器或反射镜，再用两个物镜分别把紫外光目标成像到紫外ICCD上，把可见光背景成象在普通CCD上，这些紫外成像仪主要存在以下问题：
(1)分束器或反射镜体积不小，用两个物镜使系统体积更大；
(2)两个不同的物镜和探测器看的不是同一目标，因此，不但有视差,视场大小、放大率也不一样，要靠图像处理在某一距离达到点对点叠加，距离一变，图像就对不准，故不能作动态测量；
(3)由于焦距不一样，紫外和可见光两个通道不能同时用图像的锐度调焦和测距；
(4)电晕很亮，背景中的缺陷被掩盖，位置无法确定；晚上无光，拍不出背景作融合；
(5)现有的紫外成像仪的体积大，价格贵，测量不定量。
目前，申请号为200810046823.2的中国发明专利公开了基于紫外成像技术的特高压输电线路探测电晕的试验方法，它采用240～280nm波段工作的紫外成像仪，离被测物体20米拍摄，能有效的检测到样品的电晕，但是这种方法由于只提供紫外成像设备，只检测到放电，无背景作点对点融合，无法精确的定位放电位置，实用效果不大。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述缺点，提供了新的紫外成像仪，本发明的紫外成像仪包括两种，一种是单通道紫外成像仪，另一种是双通道紫外成像仪。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案解决上述缺点：
紫外成像仪，可以是单通道紫外成像仪，包括紫外照明灯、物镜、日盲滤光片、探测器和电路板，紫外照明灯设在物镜一侧以用于提供光源照射目标，目标反射的紫外光和可见光进入物镜，日盲滤光片设在物镜背离紫外照明灯的一侧，以用于过滤进入物镜后的可见光，探测器设在日盲滤光片后，用于对无照明时的电晕紫外光和有照明时的背景紫外光成像，电路板设在探测器后，用于将背景转换成背景图像和将电晕转换成电晕图像，以及对背景图像和电晕图像进行叠加或融合。
作为优选，紫外照明灯为采用原子级控制介面的GaN(氮化镓)与AlN(氮化铝)单层薄膜制造出来的波长在232～270nm日盲区的LED灯。本发明用只可以透过波长为240～280nm的紫外光的日盲滤光片将阳光全滤掉，只探测电晕的紫外光。但带中无阳光背景也看不到，因此，采用本发明的LED灯作照明就可透过日盲滤光片，获得紫外背景图像，不管白天或夜晚都可以对背景成象。
一旦发现电晕，该LED灯自动关闭，对电晕不产生干扰。因此，本发明的紫外成像仪生成的电晕图像和背景图像的两幅图像比例一样大，自动点对点对准，使该紫外成像仪更加小巧、廉价和实用。
作为优选，透过峰值在0.24-0.28μm日盲区的紫外透镜。
作为优选，探测器包括致冷背照sCMOS或紫外ICCD。
这种首次提供的单通道紫外成像仪把背景(例如，电缆和高压设备)和目标(即缺陷产生的电晕)通过同一物镜、同一日盲滤光片成象在同一探测器上，视场和图象的放大比例完全一样。因此，不需复杂的图象融合板，只用筒单的电路板就可严格的点对点自动融合，体积小，精度高，坚固可靠，防水耐用，价格低廉。
紫外成像仪，也可以是双通道紫外成像仪，包括物镜、分束器、日盲滤光片、可见光滤光片、第一探测器、第二探测器、图像融合板和显示屏；分束器设在物镜后，用于反紫外光透可见光；日盲滤光片设在分束器反射面，用于过滤可见光透过紫外光；第一探测器设在日盲滤光片后，用于电晕紫外光成像；可见光滤光片设在分束器的透射面，用于过滤紫外光透过可见光；第二探测器设在可见光滤光片后，用于可见光成像；图像融合板与第一探测器和第二探测器分别连接，图像融合板用于对图像进行处理和融合，得到点对点融合图像；显示屏与图像融合板连接，显示屏用于显示融合图像。
作为优选，日盲滤光片只透过波长为240～280nm的紫外光，日盲滤光片的带内透过率为18-22％，带外截止深度为OD(Optical Density)11-13。
作为优选，第一探测器和第二探测器包括致冷背照sCMOS或紫外ICCD，第一探测器的制冷背照sCMOS为致冷背照高分辨率紫外增强sCMOS，其中的高分辨率，例如2048×2018象元。sCMOS的量子效率在240～280nm的日盲区平均为78％，在380～780nm的可见区平均为80％，比紫外无响应的EMCCD(电子倍增CCD)和普通背照CMOS好，光学灵敏度达5×10-5Lux，它既可以用在紫外光通道，也可以用于可见光通道，与宽光谱物镜有良好配合。
由于致冷背照sCMOS的紫外灵敏度比紫外ICCD的10-6Lux略低，必要时可在致冷背照sCMOS前连接光电倍增管作单光子探测，使致冷背照sCMOS的紫外灵敏度比紫外ICCD还高。
作为优选，物镜为可透过波长为220～780nm的光的宽光谱物镜，物镜对波长为240～280nm的光的平均透过率为90-95％，物镜对波长为380～780nm的光的平均透过率70-75％，该物镜可以根据图像锐度自动聚焦和测距，将紫外和可见光通道同时成象,易于点对点实时融合。
作为优选，可见光滤光片可以透过波长为380～780nm的光，透过率为94-96％。
作为优选，图像融合板对图象作缩放处理并将目标和背景图像作点对点的融合，以确定电晕在背景上的位置。
双通道紫外成像仪没有照明灯，两个通道共用一个宽光谱物镜，紫外光和可见光进入同一物镜后，经350nm分束器分成等价的两路，形成可见光通道和紫外光通道。在紫外光通道中，紫外光经日盲滤光片在致冷背照sCMOS上将电晕成像；在可见光通道中，可见光经可见光滤片在高灵敏度sCMOS上将背景成像，由于可见光较强，可见光也可以在普通背照CMOS上成像。两个图像经图像融合板处理，作点对点叠加，实时融合，测量光脉冲数量、形状、强度，并与已知定标体对比，消除环境影响，测量出光脉冲强度，计算出电晕电流强度，作定量测量，以估算出缺陷的严重程度。
由于紫外和可见光两个通道共用一个物镜，无视差，视场一样，光程一样，探测器也一样，因此，不管目标远近或仪器是否移动，都可把二幅图像严格对准，紫外与可见光图像的叠加精度可<0.1mrd，将电晕在背景中精确定位。看透电晕和晚上背景成像可用532nm激光作照明。
此外，本发明的紫外成像仪还可以与电网、高铁、部队联建数据库，用深度学习和人工智能作出正确缺陷识别。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
本发明的单通道紫外成像仪首次利用紫外照明灯对背景进行照明，可以获得背景图像把它点对点的叠加在电晕图像上，将电晕精确定位，系统十分简单。
本发明的双通道紫外成像仪首次使用同时透紫外光和可见光的共用物镜，相同视场，消除视差，使电晕图像和背景图像的两幅图像一样大，可以实现自动点对点对准，可以实现对紫外电晕的检测与定位。
与目前使用分束器和两个物镜的紫外成像仪相比，本发明的紫外成像仪性能更优越，精度更高，体积更小，价格更便宜。
本发明的紫外成像仪可以达到紫外灵敏度<1×10-18W/cm2，电晕灵敏度<1PC@10m，图像叠加精度<0.1mrd，聚焦范围1m～∞，平均无故障时间>1万小时，技术就绪度>8级的技术效果，还具有按图像锐度自动聚焦和测距的功能。而用两个物镜无法达到该效果。
附图说明
图1是现有紫外成像仪的结构示意图。
图2是实施例1的结构示意图。
图3是实施例2的结构示意图。
图4是物镜的光谱透过率图。
图5是日盲滤光片的光谱透过率图。
图6是致冷背照sCMOS的光谱响应率图。
图7是实施例1-2在高压电力系统中的电晕探测图，其中(a)为可见背景图，(b)为融合图像图，(c)为紫外电晕图。
附图中各数字标号所指代的部位名称如下：1—物镜、2—日盲滤光片、3—探测器、4—紫外照明灯、5—分束器、6—可见光滤片、7—图像融合板、8—显示屏、9—背景、10—电晕、11—第一探测器、12—第二探测器、13—反射镜、14-背景图像、15-电晕图像、16—电路板。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
单通道紫外成像仪，如图2所示，包括紫外照明灯4、物镜1、日盲滤光片2和探测器3，紫外照明灯4设在物镜1前面一侧以用于提供光源去照射目标和背景，目标反射的紫外光和可见光进入物镜1，日盲滤光片2设在物镜1后面背离紫外照明灯的一侧，以用于过滤进入物镜1后的可见光，探测器3设在日盲滤光片2后面，用于对无照明时的电晕10紫外光和有照明时的背景9紫外光成像,电路板16设在探测器3后，用于将背景9转换成背景图像14和将电晕10转换成电晕图像15，以及对背景图14和电晕图像15进行叠加或融合，因它们都成象在同一探测器(3)上，比例一样。
日盲滤光片2只透过波长为240～280nm的紫外光，日盲滤光片2的带内平均透过率为18％，带外截止深度为OD 12。
物镜1为透过峰值在0.24-0.28μm日盲区的紫外透镜。
紫外照明灯4为采用原子级控制介面的GaN与AlN单层薄膜制造出来的波长为232～270nm日盲区的LED灯。
探测器3为紫外ICCD。
用紫外照明灯4作照明可以经日盲滤光片2对背景9成像，获得背景图像14；电晕10的紫外光进入物镜1经日盲滤光片2透过波长为240～280nm的紫外光后，在探测器3上对电晕10成像，得到电晕图像15。一旦发现电晕10，紫外照明灯4自动关闭，不会对电晕10产生干扰。
这种首次提供的单通道紫外成像仪把背景(例如电缆和高压设备)和目标(缺陷产生的电晕)通过同一物镜、同一日盲滤光片成象在同一探测器上，视场和图象的放大比例完全一样。因此，不需图象融合板就可严格的点对点融合，体积小，精度高，坚固可靠，防水耐用，价格低廉。
实施例2
双通道紫外成像仪，如图3所示，包括物镜1、分束器5、日盲滤光片2、可见光滤光片6、第一探测器11、第二探测器12、图像融合板7和显示屏8；分束器5设在物镜1后，用于反紫外光透可见光；日盲滤光片2设在分束器5的反射面，用于过滤可见光透过紫外光；第一探测器11设在日盲滤光片2后面，用于电晕紫外光成像；可见光滤光片6设在分束器5的透射面，用于过滤紫外光透过可见光；第二探测器12设在可见光滤光片6后面，用于可见光成像；图像融合板7与第一探测器11连接，图像融合板7与第二探测器12连接，图像融合板7用于对图像进行处理和融合，得到点对点融合图像；显示屏8与图像融合板7连接，显示屏8用于显示融合图像。
由图4可知，物镜1为可透过波长为220～780nm的光的宽光谱物镜，物镜1对波长为240～280nm的光的平均透过率为94-96％，物镜1对波长为380～780nm的光的平均透过率70-75％，该物镜1可以根据图像锐度自动聚焦和测距，将紫外和可见光通道同时成象，易于点对点实时融合。
由图5可知，日盲滤光片2只透过波长为240～280nm的紫外光，日盲滤光片2的带内平均透过率为18％，带外截止深度为OD 12。
第一探测器11为制冷背照sCMOS，具体为致冷背照高分辨率紫外增强sCMOS，其中的高分辨率为2048×2018象元。由图6可知，致冷背照sCMOS的量子效率在240～280nm的日盲区平均为78％，在380～780nm的可见区平均为80％，比紫外无响应的EMCCD(电子倍增CCD)和普通背照CMOS好，光学灵敏度达5×10-5Lux，它既可以用在紫外光通道，也可以用于可见光通道，与宽光谱物镜有良好配合。
由于致冷背照sCMOS的紫外灵敏度比紫外ICCD的10-6Lux略低，必要时可在致冷背照sCMOS前连接光电倍增管作单光子探测，使致冷背照sCMOS的紫外灵敏度比紫外ICCD还高。
第二探测器12为sCMOS，或在可见光很强时，第二探测器12为普通背照CMOS，第二探测器12与第一探测器11的尺寸一致。
可见光滤光片6可以透过波长为380～780nm的光，透过率为95％。
图像融合板7对图象作缩放处理并将目标和背景图像作点对点的融合，以确定电晕在背景上的位置。
由于两个通道共用一个物镜，不但体积小而且视场一样大，无视差，两路图象作简单缩放就可不管远近点对点实时融合，不会像现有双物镜系统无法远近对准和实时融合。
实施例3
将实施例2的紫外成像仪用于高压电力系统的电晕探测，结果如图4所示，其中(a)为可见背景图，(b)为融合图像图，(c)为紫外电晕图。
由图7可知，实施例2得到的紫外成像仪不仅可以看清电晕后面的缺陷，还可以使背景分别成像对电晕无干扰，背景和电晕可分别处理和显示，实现背景图像和电晕图像的点对点融合，实现对紫外信号电晕的检测与定位。
实施例1、2的紫外成像仪可以达到紫外灵敏度<1×10-18W/cm2，电晕灵敏度<1PC@10m，图像叠加精度<0.1mrd，聚焦范围1m～∞，平均无故障时间>1万小时，技术就绪度>8级的技术效果，还具有按图像锐度自动聚焦和测距功能。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (10)
1.紫外成像仪，其特征在于：包括紫外照明灯(4)、物镜(1)、日盲滤光片(2)、探测器(3)和电路板(16)；紫外照明灯(4)设在物镜(1)一侧以用于提供光源照射目标，目标反射的紫外光和可见光进入物镜(1)；日盲滤光片(2)设在物镜(1)背离紫外照明灯的一侧，以用于过滤进入物镜(1)后的可见光；探测器(3)设在日盲滤光片(2)后，用于对无照明时的电晕(10)紫外光和有照明时的背景(9)紫外光成像，电路板(16)设在探测器(3)后，用于将背景(9)转换成背景图像(14)和将电晕(10)转换成电晕图像(15)，以及对背景图像(14)和电晕图像(15)进行叠加或融合。
2.根据权利要求1所述的紫外成像仪，其特征在于：紫外照明灯(4)为采用原子级控制介面的GaN与AlN单层薄膜制造的波长在232～270nm日盲区的LED灯。
3.根据权利要求1所述的紫外成像仪，其特征在于：物镜(1)为透过峰值在0.24-0.28μm日盲区的紫外透镜。
4.根据权利要求1所述的紫外成像仪，其特征在于：探测器(3)包括致冷背照sCMOS或紫外ICCD。
5.紫外成像仪，其特征在于：包括物镜(1)、分束器(5)、日盲滤光片(2)、可见光滤光片(6)、第一探测器(11)、第二探测器(12)、图像融合板(7)和显示屏(8)；分束器(5)设在物镜(1)后，用于反紫外光透可见光；日盲滤光片(2)设在分束器(5)反射面，用于过滤可见光透过紫外光；第一探测器(11)设在日盲滤光片(2)后，用于电晕紫外光成像；可见光滤光片(6)设在分束器(5)的透射面，用于过滤紫外光透过可见光；第二探测器(12)设在可见光滤光片(6)后，用于可见光成像；图像融合板(7)与第一探测器(11)和第二探测器(12)分别连接，图像融合板(7)用于对图像进行处理和融合，得到点对点融合图像；显示屏(8)与图像融合板(7)连接，显示屏(8)用于显示融合图像。
6.根据权利要求1或5所述的紫外成像仪，其特征在于：日盲滤光片(2)只透过波长为240～280nm的紫外光，日盲滤光片(2)的带内透过率为18-22％，带外截止深度为OD11-13。
7.根据权利要求5所述的紫外成像仪，其特征在于：第一探测器(11)和第二探测器(12)包括致冷背照高分辨率sCMOS或紫外ICCD。
8.根据权利要求5所述的紫外成像仪，其特征在于：物镜(1)为可透过波长为220～780nm的光的宽光谱物镜，物镜(1)对波长为240～280nm的光的平均透过率为90-95％，物镜(1)对波长为380～780nm的光的平均透过率为70-75％。
9.根据权利要求5所述的紫外成像仪，其特征在于：可见光滤光片(6)可以透过波长为380～780nm的光，透过率为94-96％。
10.根据权利要求5所述的紫外成像仪，其特征在于：图像融合板(7)对图象作缩放处理并将目标和背景图像作点对点的融合，以确定电晕在背景上的位置。
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