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大孔径宽光谱变焦镜头规划

发布时间:2022-08-27 20:52:06 来源:环球体育注册

  :在高压电线运送电力进程中容易发生电晕放电现象,存在安全隐患,因而,进行电晕放电的检测十分必要。运用日盲紫外镜头进行电晕检测是检测手法之一。依据Zemax多重组态功能规划了一款大孔径宽光谱变焦镜头,意图是合作变焦规模为90 mm~165 mm变焦距紫外镜头运用,可在电晕放电信号检测时,全天候、快速准确找出损坏线组元、近对称结构型式,F数为1.4,可变焦规模在30 mm~55 mm,作业光谱波段为400 nm~850 nm,空间频率100 lp/mm处全视场MTF≥0.4,最大畸变≤±3 %,均选用规范球面规划,体系总长为110 mm,适用于0.847 cm(1/3英寸)CCD,能较好地纠正各类像差,满意各零件根本加工工艺要求。

  跟着社会的开展,科技的前进,人们对电的需求的日益增大。不管是日常日子,仍是在一些重要场所,到处都能看到各种电路设备,电力已经成为国际不可或缺的动力之一。在电力运送进程中,一般运用高压线运送电力才干确保运送到用户的电压不会太低。然而在高压电线运送电力进程中,容易发生电晕放电现象,存在安全隐患,一旦发现不行及时,对民众的日子及安全将形成严重要挟。因而,及时发现并处理电晕放电状况就十分必要。

  用日盲紫外镜头进行电晕放电检测是现在较为牢靠的检测手法之一。现在市面上的紫外镜头多为固定焦距,调查的规模较小,在进行电晕检测进程中会形成视界盲区。本文规划了一款大孔径宽光谱变焦镜头,成像质量杰出,可合作变焦规模为90 mm~165 mm的变焦紫外镜头运用。运用变焦距日盲紫外镜头勘探高压电力设备或输变电线发生的电火花,与可见光变焦距镜头匹配可捕捉电火花周边的可见光印象,暮色下启用850 nm近红外照明设备,实时将二者印象组合成像,抵达准确确认电晕方位和强度并及时宣布报警,为后续高压电力设备修理供给牢靠的依据。

  本文规划的变焦镜头目标如表1所示。选用0.847 cm (1/3 英寸)CCD图画传感器,感光面尺度为4.8 mm×3.6 mm,像元巨细为5 µm×5 µm;由奈奎斯特频率(截止频率)核算公式ƒ = (1/2)N可得奈奎斯特频率[3]为100 lp/mm,要求在100 lp/mm处调制传递函数MTF≥ 0.4;作业波段为400 nm~850 nm,夜间凭借850 nm近红外LED照明也能清楚拍照,F数为1.4,大孔径可确保阴天或夜晚不会因进光量缺乏而引起成像暗淡不清;为了使拍照出的图画不会有显着的变形,畸变应操控在3%以内。

  初始结构的选取一般有两种办法:一是依据薄透镜的初级像差理论的PW核算法,该算法核算量较大且繁琐;二是缩放法。本文选取第2种办法。

  依据变焦比、焦距规模、孔径视场等规划目标,从现有镜头中筛选出参数较为契合本文的镜头,其结构如图1所示。

  图1中从左到右依次为:前固定组、变倍组、固定组、光阑、补偿组、CCD。该初始结构变焦规模为60 mm~166 mm,F数为3.9,总长为154 mm~164 mm,全视场角为12°,作业波段为可见光,中焦中心视场弥散斑半径为46 µm,边际视场弥散斑半径为57 µm。

  本文规划要求变焦规模为30 mm~55 mm,运用Zemax软件将其焦距每隔5 mm区分一组,可分为30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm共6组组态。为了纠正轴外像差,规划进程中应尽或许选用对称结构。因而,将光阑放在中心方位,即在变倍组与固定组之间,使整个体系处于一种近似对称结构。初始结构在变焦进程中光阑和像面方位都是改动的,再加上变倍组和补偿组的移动,变焦进程中有4个组元需求移动、彼此匹配,这会导致机械规划和全体结构杂乱化和本钱较高。因而,在优化进程中有必要操控前固定组、固定组、光阑、像面方位这4个组元的方位在变焦进程中坚持不变,且光学总长不变,以确保成像方位安稳。在光学规划软件Zemax中参加复合操作数TTHI、OPLT和DIFF,以操控6组组态在变焦进程中光学总长不变,光阑到像面方位不变。

  从工加工艺上考虑,负透镜中心和正透镜边际不能太薄,一起要求透镜也不能太厚,太厚会使镜头模组变得粗笨,不利于仪器的小型化;太薄则会使镜片在加工或安装进程中发生决裂或崩边[7]。一起,为避免安装以及变焦进程中各组镜片之间因为加工差错形成镜片中心对顶现象,应使各镜片之间保存满足空间,空气空隙大于0.3 mm,移动的透镜组前后空气距离应大于1 mm;体系后截距应保存至少6 mm的空间。这些要求均能够用操作数CTGT、CTLT、ETGT、ETLT来操控。

  优化进程中,暂时不考虑成像质量,而是将光谱规模、焦距、孔径、视场以及透镜间空气距离这类目标作为硬性要求进行开始优化。检查原初始结构光程差光扇图,依据光扇图显现的像差状况选用RMS+光斑半径+质心的优化办法。开始优化后得到一个较为安稳的结构,然后再对成像质量进行进一步剖析与优化。

  经过点列图、光线光扇图和光程差光扇图剖析影响像质的首要像差,检查体系赛德尔系数,挑选对像差奉献较大的外表,改动其半径,参加对应的像差操作数进行优化。优化进程中发现畸变未达能要求,需参加操作数DIMX进行束缚,将畸变操控在3%以内。强行参加像差操作数后势必会对其他像差发生影响,此刻需将各类像差在规划目标要求之内进行平衡,这是一个杂乱且繁琐的进程,需求进行屡次优化与平衡。若像质未抵达要求,参加操作数MTFA操控中心视场,MTFT、MTFS操控边际视场可进一步优化。

  对玻璃的挑选还需考虑其本钱与安稳性。阿贝数和折射率过高或过低的玻璃本钱较高,且功能不安稳[9],因而需求经过MNIN、MXIN操作数将所选用玻璃的折射率操控在1.45~1.88,用MNAB、MXAB操作数将阿贝数操控在25~75。关于成像波段较宽的光学体系,运用全球面玻璃易存在色差。一般状况下,正透镜发生负色差,负透镜发生正色差,能够运用正负透镜组兼并参加对应的像差操作数进行优化,其色差彼此补偿,首选双胶合透镜对色差进行纠正。关于具有必定光焦度的双胶合透镜组,宜用2块不同的正负透镜组合消色差,且两种玻璃的阿贝数之差尽或许大。若双胶合透镜组光焦度为正,正透镜用低折射率、低色散的冕牌玻璃,负透镜运用高折射率、高色散的火石玻璃;反之,透镜组光焦度为负时,正透镜用火石玻璃,负透镜运用冕牌玻璃。依据以上理论,对玻璃资料进行替换,并恰当改动曲率半径。一起,为操控整个镜头的出产本钱,均将玻璃替换为国产成都光亮玻璃资料。经过逐步改动体系结构参数,进行屡次优化后,得到一个与规划目标较为挨近的成果,但还不行抱负。

  本文运用ZEMAX软件,规划了一款F数为1.4,作业波段400 nm~850 nm的大孔径宽光谱变焦监控镜头。依据像差理论,经过多种办法调整结构,屡次优化,使得该镜头各视场的MTF在100 lp/mm处均大于0.4,星点RMS均操控在4.5 µm以下,成像质量较好,可全天候合作日盲紫外变焦镜头作业。公役剖析成果表明,公役分合作理,工艺性杰出,均选用国产规范球面玻璃规划,出产本钱低,有较好的运用远景。

  鉴于篇幅,本文仅为节选(运用光学 第43卷 第x期 ),全文内容可阅览原文下载PDF文档。

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