摘要：在高壓電線(xiàn)運(yùn)輸電力過(guò)程中容易發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，存在安全隱患，因此，進(jìn)行電暈放電的檢測(cè)十分必要。利用日盲紫外鏡頭進(jìn)行電暈檢測(cè)是檢測(cè)手段之一。基于Zemax多重組態(tài)功能設(shè)計(jì)了一款大孔徑寬光譜變焦鏡頭，目的是配合變焦范圍為90 mm~165 mm變焦距紫外鏡頭應(yīng)用，可在電暈放電信號(hào)檢測(cè)時(shí)，全天候、快速準(zhǔn)確找出損壞線(xiàn)路的位置。該鏡頭采用4組元、近對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)型式，F(xiàn)數(shù)為1.4，可變焦范圍在30 mm~55 mm，工作光譜波段為400 nm~850 nm，空間頻率100 lp/mm處全視場(chǎng)MTF≥0.4，最大畸變≤±3 %，均采用標(biāo)準(zhǔn)球面設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總長(zhǎng)為110 mm，適用于0.847 cm（1/3英寸）CCD，能較好地矯正各類(lèi)像差，滿(mǎn)足各零件基本加工工藝要求。

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，人們對(duì)電的需求的日益增大。不管是日常生活，還是在一些重要場(chǎng)所，隨處都能看到各種電路設(shè)施，電力已經(jīng)成為世界不可或缺的能源之一。在電力輸送過(guò)程中，通常使用高壓線(xiàn)運(yùn)輸電力才能確保輸送到用戶(hù)的電壓不會(huì)太低。然而在高壓電線(xiàn)運(yùn)輸電力過(guò)程中，容易發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，存在安全隱患，一旦發(fā)現(xiàn)不夠及時(shí)，對(duì)民眾的生活及安全將造成重大威脅。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理電暈放電情況就十分必要。

用日盲紫外鏡頭進(jìn)行電暈放電檢測(cè)是目前較為可靠的檢測(cè)手段之一。目前市面上的紫外鏡頭多為固定焦距，觀察的范圍較小，在進(jìn)行電暈檢測(cè)過(guò)程中會(huì)造成視野盲區(qū)。本文設(shè)計(jì)了一款大孔徑寬光譜變焦鏡頭，成像質(zhì)量良好，可配合變焦范圍為90 mm～165 mm的變焦紫外鏡頭使用。利用變焦距日盲紫外鏡頭探測(cè)高壓電力設(shè)備或輸變電線(xiàn)產(chǎn)生的電火花，與可見(jiàn)光變焦距鏡頭匹配可捕捉電火花周邊的可見(jiàn)光影像，夜幕下啟用850 nm近紅外照明設(shè)備，實(shí)時(shí)將二者影像組合成像，達(dá)到精確確定電暈位置和強(qiáng)度并及時(shí)發(fā)出報(bào)警，為后續(xù)高壓電力設(shè)備維修提供可靠的依據(jù)。

1. 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的變焦鏡頭指標(biāo)如表1所示。采用0.847 cm （1/3 英寸）CCD圖像傳感器，感光面尺寸為4.8 mm×3.6 mm，像元大小為5 μm×5 μm；由奈奎斯特頻率（截止頻率）計(jì)算公式? = （1/2）N可得奈奎斯特頻率［3］為100 lp/mm，要求在100 lp/mm處調(diào)制傳遞函數(shù)MTF≥ 0.4；工作波段為400 nm～850 nm，夜間借助850 nm近紅外LED照明也能清楚拍攝，F(xiàn)數(shù)為1.4，大孔徑可確保陰天或夜晚不會(huì)因進(jìn)光量不足而引起成像昏暗不清；為了使拍攝出的圖像不會(huì)有明顯的變形，畸變應(yīng)控制在3%以?xún)?nèi)。

1.2 初始結(jié)構(gòu)選取和優(yōu)化設(shè)計(jì)

初始結(jié)構(gòu)的選取通常有兩種方法：一是基于薄透鏡的初級(jí)像差理論的PW計(jì)算法，該算法計(jì)算量較大且繁瑣；二是縮放法。本文選取第2種方法。

根據(jù)變焦比、焦距范圍、孔徑視場(chǎng)等設(shè)計(jì)指標(biāo)，從現(xiàn)有鏡頭中篩選出參數(shù)較為符合本文的鏡頭，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1.初始結(jié)構(gòu)2D圖

圖1中從左到右依次為：前固定組、變倍組、固定組、光闌、補(bǔ)償組、CCD。該初始結(jié)構(gòu)變焦范圍為60 mm～166 mm，F(xiàn)數(shù)為3.9，總長(zhǎng)為154 mm～164 mm，全視場(chǎng)角為12°，工作波段為可見(jiàn)光，中焦中心視場(chǎng)彌散斑半徑為46 μm，邊緣視場(chǎng)彌散斑半徑為57 μm。

本文設(shè)計(jì)要求變焦范圍為30 mm～55 mm，使用Zemax軟件將其焦距每隔5 mm劃分一組，可分為30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm共6組組態(tài)。為了矯正軸外像差，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。因此，將光闌放在中間位置，即在變倍組與固定組之間，使整個(gè)系統(tǒng)處于一種近似對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。初始結(jié)構(gòu)在變焦過(guò)程中光闌和像面位置都是變化的，再加上變倍組和補(bǔ)償組的移動(dòng)，變焦過(guò)程中有4個(gè)組元需要移動(dòng)、相互匹配，這會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)計(jì)和整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和成本較高。因此，在優(yōu)化過(guò)程中必須控制前固定組、固定組、光闌、像面位置這4個(gè)組元的位置在變焦過(guò)程中保持不變，且光學(xué)總長(zhǎng)不變，以保證成像位置穩(wěn)定。在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax中加入復(fù)合操作數(shù)TTHI、OPLT和DIFF，以控制6組組態(tài)在變焦過(guò)程中光學(xué)總長(zhǎng)不變，光闌到像面位置不變。

從工加工藝上考慮，負(fù)透鏡中心和正透鏡邊緣不能太薄，同時(shí)要求透鏡也不能太厚，太厚會(huì)使鏡頭模組變得笨重，不利于儀器的小型化；太薄則會(huì)使鏡片在加工或裝配過(guò)程中發(fā)生破裂或崩邊［7］。同時(shí)，為防止裝配以及變焦過(guò)程中各組鏡片之間由于加工誤差造成鏡片中心對(duì)頂現(xiàn)象，應(yīng)使各鏡片之間保留足夠空間，空氣間隙大于0.3 mm，移動(dòng)的透鏡組前后空氣間隔應(yīng)大于1 mm；系統(tǒng)后截距應(yīng)保留至少6 mm的空間。這些要求均可以用操作數(shù)CTGT、CTLT、ETGT、ETLT來(lái)控制。

優(yōu)化過(guò)程中，暫時(shí)不考慮成像質(zhì)量，而是將光譜范圍、焦距、孔徑、視場(chǎng)以及透鏡間空氣間隔這類(lèi)指標(biāo)作為硬性要求進(jìn)行初步優(yōu)化。查看原初始結(jié)構(gòu)光程差光扇圖，根據(jù)光扇圖顯示的像差情況采用RMS+光斑半徑+質(zhì)心的優(yōu)化方式。初步優(yōu)化后得到一個(gè)較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，然后再對(duì)成像質(zhì)量進(jìn)行進(jìn)一步分析與優(yōu)化。

通過(guò)點(diǎn)列圖、光線(xiàn)光扇圖和光程差光扇圖分析影響像質(zhì)的主要像差，查看系統(tǒng)賽德?tīng)栂禂?shù)，挑選對(duì)像差貢獻(xiàn)較大的表面，改變其半徑，加入對(duì)應(yīng)的像差操作數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)畸變未達(dá)能要求，需加入操作數(shù)DIMX進(jìn)行約束，將畸變控制在3%以?xún)?nèi)。強(qiáng)行加入像差操作數(shù)后勢(shì)必會(huì)對(duì)其他像差產(chǎn)生影響，此時(shí)需將各類(lèi)像差在設(shè)計(jì)指標(biāo)要求之內(nèi)進(jìn)行平衡，這是一個(gè)復(fù)雜且繁瑣的過(guò)程，需要進(jìn)行多次優(yōu)化與平衡。若像質(zhì)未到達(dá)要求，加入操作數(shù)MTFA控制中心視場(chǎng)，MTFT、MTFS控制邊緣視場(chǎng)可進(jìn)一步優(yōu)化。

對(duì)玻璃的選擇還需考慮其成本與穩(wěn)定性。阿貝數(shù)和折射率過(guò)高或過(guò)低的玻璃成本較高，且性能不穩(wěn)定［9］，因此需要通過(guò)MNIN、MXIN操作數(shù)將所選用玻璃的折射率控制在1.45～1.88，用MNAB、MXAB操作數(shù)將阿貝數(shù)控制在25～75。對(duì)于成像波段較寬的光學(xué)系統(tǒng)，使用全球面玻璃易存在色差。通常情況下，正透鏡產(chǎn)生負(fù)色差，負(fù)透鏡產(chǎn)生正色差，可以利用正負(fù)透鏡組合并加入對(duì)應(yīng)的像差操作數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其色差相互補(bǔ)償，首選雙膠合透鏡對(duì)色差進(jìn)行矯正。對(duì)于具有一定光焦度的雙膠合透鏡組，宜用2塊不同的正負(fù)透鏡組合消色差，且兩種玻璃的阿貝數(shù)之差盡可能大。若雙膠合透鏡組光焦度為正，正透鏡用低折射率、低色散的冕牌玻璃，負(fù)透鏡使用高折射率、高色散的火石玻璃；反之，透鏡組光焦度為負(fù)時(shí)，正透鏡用火石玻璃，負(fù)透鏡使用冕牌玻璃。基于以上理論，對(duì)玻璃材料進(jìn)行替換，并適當(dāng)改變曲率半徑。同時(shí)，為控制整個(gè)鏡頭的生產(chǎn)成本，均將玻璃替換為國(guó)產(chǎn)成都光明玻璃材料。通過(guò)逐漸改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行多次優(yōu)化后，得到一個(gè)與設(shè)計(jì)指標(biāo)較為接近的結(jié)果，但還不夠理想。

圖2. 最終設(shè)計(jì)結(jié)果2D結(jié)構(gòu)圖

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4. 結(jié)論

本文利用ZEMAX軟件，設(shè)計(jì)了一款F數(shù)為1.4，工作波段400 nm～850 nm的大孔徑寬光譜變焦監(jiān)控鏡頭。根據(jù)像差理論，通過(guò)多種方法調(diào)整結(jié)構(gòu)，多次優(yōu)化，使得該鏡頭各視場(chǎng)的MTF在100 lp/mm處均大于0.4，星點(diǎn)RMS均控制在4.5 μm以下，成像質(zhì)量較好，可全天候配合日盲紫外變焦鏡頭工作。公差分析結(jié)果表明，公差分配合理，工藝性良好，均采用國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)球面玻璃設(shè)計(jì)，生產(chǎn)成本低，有較好的應(yīng)用前景。

審核編輯 ：李倩