一款F數為1.4工作波段400nm～850nm的大孔徑寬光譜變焦監控鏡頭

摘要：在高壓電線運輸電力過程中容易發生電暈放電現象，存在安全隱患，因此，進行電暈放電的檢測十分必要。利用日盲紫外鏡頭進行電暈檢測是檢測手段之一?；赯emax多重組態功能設計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變焦距紫外鏡頭應用，可在電暈放電信號檢測時，全天候、快速準確找出損壞線路的位置。該鏡頭采用4組元、近對稱結構型式，F數為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MTF≥0.4，最大畸變≤±3 %，均采用標準球面設計，系統總長為110 mm，適用于0.847 cm（1/3英寸）CCD，能較好地矯正各類像差，滿足各零件基本加工工藝要求。

引言

隨著社會的發展，科技的進步，人們對電的需求的日益增大。不管是日常生活，還是在一些重要場所，隨處都能看到各種電路設施，電力已經成為世界不可或缺的能源之一。在電力輸送過程中，通常使用高壓線運輸電力才能確保輸送到用戶的電壓不會太低。然而在高壓電線運輸電力過程中，容易發生電暈放電現象，存在安全隱患，一旦發現不夠及時，對民眾的生活及安全將造成重大威脅。因此，及時發現并處理電暈放電情況就十分必要。

用日盲紫外鏡頭進行電暈放電檢測是目前較為可靠的檢測手段之一。目前市面上的紫外鏡頭多為固定焦距，觀察的范圍較小，在進行電暈檢測過程中會造成視野盲區。本文設計了一款大孔徑寬光譜變焦鏡頭，成像質量良好，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高壓電力設備或輸變電線產生的電火花，與可見光變焦距鏡頭匹配可捕捉電火花周邊的可見光影像，夜幕下啟用850 nm近紅外照明設備，實時將二者影像組合成像，達到精確確定電暈位置和強度并及時發出報警，為后續高壓電力設備維修提供可靠的依據。

1. 光學系統設計

1.1 設計指標

本文設計的變焦鏡頭指標如表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處調制傳遞函數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數為1.4，大孔徑可確保陰天或夜晚不會因進光量不足而引起成像昏暗不清；為了使拍攝出的圖像不會有明顯的變形，畸變應控制在3%以內。

1.2 初始結構選取和優化設計

初始結構的選取通常有兩種方法：一是基于薄透鏡的初級像差理論的PW計算法，該算法計算量較大且繁瑣；二是縮放法。本文選取第2種方法。

根據變焦比、焦距范圍、孔徑視場等設計指標，從現有鏡頭中篩選出參數較為符合本文的鏡頭，其結構如圖1所示。

圖1.初始結構2D圖

圖1中從左到右依次為：前固定組、變倍組、固定組、光闌、補償組、CCD。該初始結構變焦范圍為60 mm～166 mm，F數為3.9，總長為154 mm～164 mm，全視場角為12°，工作波段為可見光，中焦中心視場彌散斑半徑為46 μm，邊緣視場彌散斑半徑為57 μm。

本文設計要求變焦范圍為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。為了矯正軸外像差，設計過程中應盡可能采用對稱結構。因此，將光闌放在中間位置，即在變倍組與固定組之間，使整個系統處于一種近似對稱結構。初始結構在變焦過程中光闌和像面位置都是變化的，再加上變倍組和補償組的移動，變焦過程中有4個組元需要移動、相互匹配，這會導致機械設計和整體結構復雜化和成本較高。因此，在優化過程中必須控制前固定組、固定組、光闌、像面位置這4個組元的位置在變焦過程中保持不變，且光學總長不變，以保證成像位置穩定。在光學設計軟件Zemax中加入復合操作數TTHI、OPLT和DIFF，以控制6組組態在變焦過程中光學總長不變，光闌到像面位置不變。

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

優化過程中，暫時不考慮成像質量，而是將光譜范圍、焦距、孔徑、視場以及透鏡間空氣間隔這類指標作為硬性要求進行初步優化。查看原初始結構光程差光扇圖，根據光扇圖顯示的像差情況采用RMS+光斑半徑+質心的優化方式。初步優化后得到一個較為穩定的結構，然后再對成像質量進行進一步分析與優化。

通過點列圖、光線光扇圖和光程差光扇圖分析影響像質的主要像差，查看系統賽德爾系數，挑選對像差貢獻較大的表面，改變其半徑，加入對應的像差操作數進行優化。優化過程中發現畸變未達能要求，需加入操作數DIMX進行約束，將畸變控制在3%以內。強行加入像差操作數后勢必會對其他像差產生影響，此時需將各類像差在設計指標要求之內進行平衡，這是一個復雜且繁瑣的過程，需要進行多次優化與平衡。若像質未到達要求，加入操作數MTFA控制中心視場，MTFT、MTFS控制邊緣視場可進一步優化。

對玻璃的選擇還需考慮其成本與穩定性。阿貝數和折射率過高或過低的玻璃成本較高，且性能不穩定［9］，因此需要通過MNIN、MXIN操作數將所選用玻璃的折射率控制在1.45～1.88，用MNAB、MXAB操作數將阿貝數控制在25～75。對于成像波段較寬的光學系統，使用全球面玻璃易存在色差。通常情況下，正透鏡產生負色差，負透鏡產生正色差，可以利用正負透鏡組合并加入對應的像差操作數進行優化，其色差相互補償，首選雙膠合透鏡對色差進行矯正。對于具有一定光焦度的雙膠合透鏡組，宜用2塊不同的正負透鏡組合消色差，且兩種玻璃的阿貝數之差盡可能大。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，透鏡組光焦度為負時，正透鏡用火石玻璃，負透鏡使用冕牌玻璃?；谝陨侠碚?，對玻璃材料進行替換，并適當改變曲率半徑。同時，為控制整個鏡頭的生產成本，均將玻璃替換為國產成都光明玻璃材料。通過逐漸改變系統結構參數，進行多次優化后，得到一個與設計指標較為接近的結果，但還不夠理想。

圖2. 最終設計結果2D結構圖

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4. 結論

本文利用ZEMAX軟件，設計了一款F數為1.4，工作波段400 nm～850 nm的大孔徑寬光譜變焦監控鏡頭。根據像差理論，通過多種方法調整結構，多次優化，使得該鏡頭各視場的MTF在100 lp/mm處均大于0.4，星點RMS均控制在4.5 μm以下，成像質量較好，可全天候配合日盲紫外變焦鏡頭工作。公差分析結果表明，公差分配合理，工藝性良好，均采用國產標準球面玻璃設計，生產成本低，有較好的應用前景。

審核編輯 ：李倩