浅谈光学设计在日盲紫外成像上应用

浅谈光学设计在日盲紫外成像上应用
1、日盲紫外成像技术
对于“日盲”紫外波段（220~280nm）的太阳光被大气层中的臭氧吸收，到达地面乃至低空区域的该波段太阳辐射几乎为零，利用该波段对目标进行成像探测，可以避免最大的自然光——太阳光的干扰，有利于目标的检测。

与传统红外成像技术相比，“日盲”紫外成像技术具有以下优点：１）“日盲”区背景干扰小，虚警率低；２）不需要人工致冷和扫描，设备大大简化，体积小，质量轻；３）具有极高的灵敏度和分辨率。

20世纪90年代末，美国、南非和以色列等国家的科学技术人员将紫外光的光学特性与光学透镜、数字信号芯片相结合，研制开发出用于日间检测电晕等微弱放电现象的紫外电晕检测仪，并将该技术推向警用应用市场，使“日盲”紫外成像技术在民用市场得以迅速普及和推广。

随着“日盲”紫外成像技术的不断发展，国外特别是美国对该技术相当重视，各大公司以紫外成像探测器为核心，开展了大量研究工作。

与国外先进水平相比，国内在“日盲”紫外成像探测器和高性能“日盲”紫外滤光片等方面的研制和生产上还存在较大的差距。

近几年，随着国内“日盲”紫外成像探测器、“日盲”紫外滤光片等关键技术的快速发展，“日盲”紫外成像技术在电力线路检测领域得到很大的应用。

美国的电晕检测采用高精度的美国的电晕检测采用高精度的图像重叠技术，双光学镜头高精度重合，国内博高采用普通CCD和紫外光学滤波镜，采用换玻璃镜片方式，把可见光成像图片和紫外图像进行重叠分析，两者都存在对光学系统要求高，成像时间长，不适合巡线动态检测。

普通紫外成像仪弥补灵敏度不足有2种方式: 1）经过芯片强化讯号，优点是增大了光斑，缺点是会在每个电晕图像下面形成黑黑影，电晕图像有失真感; 2）增加波长范围，采用夜间模式，优点是增强了紫外波能量，缺点是只能在夜间检测。

目前紫外电晕检测装置普遍将图像进行帧叠加来增强紫外线图像的可视强度，通过对视频信号的软硬件降噪技术来降低图像的噪声，需要计算机进行分析处理，电晕功耗大，体积大，不方便携带，且操作复杂，结构复杂，制造成本和维护成本高，价格昂贵，光子数无法动态输出，检测距离短，对图像处理要求高，要求高精度光学系统，难以满足机载巡检的要求强度。

紫外光学系统的好坏直接决定了整个成像系统的质量，又由于紫外光在大气传输中受到大气分子、气溶胶粒子强烈的散射和吸收作用，到达接收端的紫外光信号极其微弱，这对光学系统的性能提出了较高的要求。

2、日盲紫外光学系统的设计实例
日盲紫外成像探测仪利用电晕辐射光谱中含有日盲紫外光这一特点实现对电晕的早期成像探测。

20 世纪 90 年代末，国外已着手开展了日盲紫外成像探测仪的研制工作，而后逐步投放市场。

目前，具有代表性的产品主要有以色列Ofil公司的 SuperB，Luminar以及南非 UViRCO 公司的CoroCAM 系列等。

上述产品虽具有灵敏度高、定位准确、操作简单、功耗低等优点，但同时也存在着诸多缺点，紫外光学系统的结构即是存在的典型缺点之一。

紫外物镜作为日盲紫外成像探测仪的核心元器件，主要影响探测仪的通光口径、光能利用率、分辨率及视场等参数，其性能指标直接影响探测仪的性能。

Ofil及UViRCO 公司生产的紫外物镜普遍采用卡塞格林系统，中心视场存在遮拦，导致整个探测仪的
通光口径减小、光能利用率不足，这直接导致在探测仪远距离工作时为使入射至探测仪的光能量满足成像需求，通常要求较大的主镜口径。

在应用方面，这一缺陷大大不利于产品的小型化研制。

虽然日盲紫外光学成像技术在电晕探测领域十分有效，但是国内目前的紫外成像技术较之国外仍有较大差距，因此，设计一个性能较好的日盲紫外光学系统对电晕检测具有重要意义，国内不少学者在此方面进行着不断的研究，以期设计出更好的紫外光学系统。

以下为部分研究者所研究出的结果。

中国科学院上海技术物理研究所的张路飞等人设计了一套由单片双凸球面透镜、超半球固体浸没透镜和紫外探测器构成的紫外光学系统，该系统结构简单紧凑，有较大的能量汇聚比，提高了系统的探测能力。

该系统设计尽可能提高到达探测器光敏面的光子数。

物镜选择双凸单透镜作为一次聚光元件; 为解决大视场和小光敏面匹配的矛盾，提高能量汇聚比，采用二次聚光元件—固体浸没透镜。

为使探测器接收到目标发出的光能尽可能集中，把光敏面设计在光学系统焦点上。

浸没透镜是由一个单折射球面与平面构成的球冠体。

在光学系统中使用浸没透镜可以等效增加探测器的光敏面，获得较大的光学增益，为提高汇聚能力，该设计选择了浸没增益更大的超半球浸没透镜，在此基础上张路飞等人结合工程需求和上述设计选择计算出各种光学参数，并通过仿真进行优化，最后验证得出高光效紫外光学系统使仪器电晕检测能量提高了16倍。

国网浙江省电力公司检修分公司的董建新，袁晓辉，潘瑞龙等人，设计了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，有效提高了电晕探测系统的能量收集能力，为全日盲紫外成像探测仪的广泛应用提供了借鉴和实用参考。

该系统根据入射至紫外ICCD 的光通量、紫外带通滤光片的半宽度透过率、探测最小紫外光灵敏度、系统的尺寸空间和机械结构等指标计算出通光孔径、光学视场角、探测距离、系统焦距、工作波段、弥散斑半径等光学参数，选用熔石英作为透镜材料。

董建新，袁晓辉，潘瑞龙等人将系统的能量集中度视为评价光学系统成像质量的关键指标，并采用点列图作为系统的评价标准。

利用ZEMAX软件进行了仿真验证和公差分析，在6°的视场内，设计的紫外物镜在3m至无穷远的成像范围点列图均方根均小于0.14mm，满足紫外电晕检测的分辨率需求。

长春理工大学光电工程学院的张鸿佳等人基于电晕检测过程中要求紫外光学系统大视场搜索、小视场探测的需求，设计了“日盲”紫外机械补偿变焦光学系统，该系统具有结构简单、成本低等优点。

该系统采用机械补偿法，设计了工作波段为 0.24~0.28 μm 的日盲紫外变焦光学系统，其结构简单，像质优良，在截止频率为38lp/mm 处,在变焦范围内各视场的光学MTF均大于0.7，接近衍射极限，畸变小于 3%。

福建师范大学的徐苗，梁秀玲设计了一款中长焦透射式日盲紫外光学系统。

该紫外镜头由６片标准球面透镜构成，适用于２４０～２８０ｎｍ的日盲紫外波段。

根据材料的透过率和色散性，选取正透镜材料为ＣａＦ２，负透镜材料为熔石英。

系统的焦距为１６０ｍｍ，Ｆ数为３．５，靶面直径为１８ｍｍ，光学总长为１５４ｍｍ；各视场能量集中度在紫外ＣＣＤ接收面内均大于８５％，光学传递函数２０ｌｐ／ｍｍ处高于０．８，具有成像质量好、结构简单紧凑的特点。

目前紫外成像仪普遍存在定位和指向精度差、色差较大和光能利用率低等问题，而解决这些问题的办法除了不断提升紫外探测器件的探测质量外，对紫外光
学系统的优化设计也是非常重要的。

针对不同的问题以及电晕探测的应用需求，设计并优化相应的紫外光学系统具有重要意义。