CN101201456A - 高温物体观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高温物体观测方法属于高温物体测试领域，特别涉及对高温物体采用像增强CCD进行观测的方法。使用总功率达数百毫瓦或数瓦的照明光源照射高温物体，高温物体反射的照明电磁波和高温物体的辐射电磁波的混合电磁波被带通滤波片过滤，然后被像增强CCD放大后成像。照明光源辐射电磁波的波长和带通滤波片的中心波长是根据高温物体的最高温度来选择的，带通滤波片的中心波长和照明光源辐射电磁波的波长相匹配，保证照明光源辐射的电磁波能够透过带通滤波片。使用该方法观测到的高温物体图像清晰，适合需要对高温物体进行长时间观测的工业生产和实验中。

Description

高温物体观测方法

技术领域

本发明属于高温物体测试领域，特别涉及对高温物体采用像增强CCD进行观测的方法。

背景技术

在一些工业生产或实验中，有时需要对高温物体进行长时间观测。现有的观测方法有：直接目视或佩戴墨镜、眼罩等来观测；使用光学设备观测；使用成像设备观测。直接目视或佩戴墨镜、眼罩观测仅能区分高温物体的大致轮廓，不能辨别更细节的信息。另外，长时间直接目视会使人眼感到不适，佩戴墨镜、眼罩会因无法看清不辐射可见光的物体而影响其他操作。现在常使用光学设备和成像设备进行观测。

中国科学院上海精密机械研究所申报的发明专利《高温物体观测装置》(公开号1564049A)公开了一种高温物体观测装置，该装置由两个可调的偏振片和一个望远镜组成，两个偏振片相对位置可在0～90°连续可调，实现了对高温物体所辐射电磁波0～50％透过率连续可调控制。该装置只能观测物体的外形轮廓，当高温物体外形较为复杂时就不能有效辨别高温物体几何形状。

美国专利(Patent No：US6,859,285B1)OPTICAL OBSERVATIONDEVICE AND METHOD FOR OBSERVING ARTICLES AT ELEVATEDTEMPERATURES提出了一种高温物体观测方法和装置。该装置主要由以下几部分组成：辐射特定波长电磁波的照明光源、CCD摄像机、截止滤波片。工作时，照明光源辐射的电磁波投射到高温物体上，反射光透过截止滤波片后在CCD摄像机上成像。该装置成像质量较好，所拍摄的高温物体图像接近物体常温下的图像。由于光源所辐射出的电磁波仅有一小部分被利用，该方法存在照明光源功率较大、光线利用率低的缺陷。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是针对部分加工或实验中需要对具有较复杂外形的高温物体几何形状进行长时间实时观测的需要，克服以往各种观测方法的不足，提出了一种使用低功率的照明光源照射高温物体，在滤除高温物体辐射的电磁波后，将高温物体反射的照明光线在像增强CCD上成像并在计算机屏幕上显示出来的方法。

本发明所采用的技术方案是：其特征在于使用总功率达数百毫瓦或数瓦的照明光源照射高温物体，高温物体反射的照明电磁波和高温物体辐射电磁波的混合电磁波被带通滤波片过滤，仅有高温物体反射的部分照明电磁波能够被像增强CCD放大后成像；照明光源辐射电磁波的波长和带通滤波片的中心波长是根据高温物体的最高温度来选择的，带通滤波片的中心波长和照明光源辐射电磁波的波长相匹配，保证照明光源辐射的电磁波能够透过带通滤波片；照明光源辐射电磁波的波长和带通滤波片的中心波长根据以下步骤来确定：

1、测量高温物体的最高温度值T；

2、初步选择照明光源辐射电磁波的波长λ，计算在波长λ上的辐出度光谱密度。高温物体可近似看作黑体，其辐出度光谱密度随波长及温度的变化规律为：

$W_{b,\mathrm{\λ}}=c_1\frac{{\mathrm{\λ}}^{-5}}{e^{c_2/\mathrm{\λT}}-1}---\left(1\right)$

其中：c₁＝2πc²h，c₂＝ch/k，λ-波长，T-物体的绝对温度，e-自然对数的底数，c₁-普朗克定律第一常数，c₂-普朗克定律第二常数，h-普朗克量子常数，k-玻耳兹曼常数，c-光速；

3、计算在波长λ上辐射光线透过带通滤波片后的光照度：

E＝Tk_mv(λ)w_b，λ    (2)

T-带通滤波片峰值透射率，k_m-683流明/瓦，v(λ)-视见函数；

当高温物体在波长λ₀上辐射的电磁波通过带通滤波片后的光照度E₀远小于像增强CCD的饱和光照度E′时，波长λ₀可确定为照明光源辐射电磁波的波长和带通滤波片的中心波长。调整照明光源的功率，使照明电磁波被高温物体反射后再透过带通滤波片的光照度E₁符合：

E₀＜E₁＜E′    (3)

E₀-辐射光线透过带通滤波片后的光照度，E′-像增强CCD的饱和光照度。

本发明的显著效果是使用该方法可以在低功率照明光源照射下对高温物体进行观测，观测到的高温物体轮廓清晰，特别是在对较大体积的高温物体进行观测时避免了工作场所被强光所照射。

附图说明

图1-高温物体测试系统示意图，其中：1-高温物体，2-辐射电磁波，3-照明光源，4-照明电磁波，5-像增强CCD，6-带通滤波片，7-混合电磁波，8-计算机，9-数据传输线。

图2-黑体相对辐射能量随波长变化示意图，图中：横坐标X表示波长，纵坐标Y表示相对辐射能量；A-温度为1400℃的黑体其辐射能量随波长变化曲线示意图，B-温度为800℃的黑体其辐射能量随波长变化曲线示意图，C-温度为500℃的黑体其辐射能量随波长变化曲线示意图。

图3-像增强CCD光谱灵敏度随波长变化示意图，图中：横坐标X1表示波长，纵坐标Y1表示光谱灵敏度，其中D-像增强CCD光谱灵敏度随波长变化曲线。

具体实施方式

结合附图详细说明本发明的具体实施方式：参照图1，高温物体1向外辐射出电磁波，辐射电磁波2的波长范围很宽，其中只有一小部分在可见光区内。不同温度的物体所辐射的电磁波能量曲线不同，某一温度的物体所辐射的能量随波长变化而变化。所述高温物体可以是钢、铁、铝合金等多种金属。高温物体辐射电磁波特性可用黑体辐射特性来近似，图2是黑体相对辐射能量随波长变化示意图。从图2中可以看出，黑体温度越高，所辐射能量的波峰越向短波长方向偏移，在同一波长上辐射出的能量也越强。

在图1中，照明光源3向高温物体1辐射出照明电磁波4，照明电磁波4的波长依高温物体的温度而定，当物体温度增高时使用能辐射较短波长电磁波的光源。照明电磁波4被高温物体反射后的电磁波和辐射电磁波2混合在一起得到混合电磁波7，混合电磁波7被带通滤波片6滤波后在像增强CCD5上成像。带通滤波片6的中心波长应与激光阵列或LED阵列辐射的电磁波波长相匹配，保证照明光源3辐射的电磁波被高温物体1反射后能够透过带通滤波片6。照明光源3除可以选择激光阵列或LED阵列外，还可以选择低功率氙灯和汞灯。像增强CCD5是像增强器与CCD耦合的微弱光摄像机，像增强器与CCD的耦合方式有两种，即光学透镜耦合与光纤锥体耦合，常用的是光纤锥体耦合。现在已经有第一代像增强器、第二代像增强器、第三代像增强器与CCD光纤耦合的微弱光摄像器件。图3是一种像增强CCD5的光谱灵敏度曲线图，从图中可以看出像增强CCD5的光谱感应范围大约在300nm-920nm之间，如果使用背部照射减薄的CCD，感光波长极限可达100nm。部分像增强CCD通过使用自控调节装置和措施实现了很宽的动态范围，具有了全天候工作的能力，也就是既可在夜间无月星光下(景物照度10^-5lx)使用，又可在日光下(景物照度约10⁵lx)工作，动态范围达10¹⁰∶1。

像增强CCD的信噪比对成像质量有较大影响，像增强CCD信噪比与图像质量关系表：

质量等级	信号噪声比(S/N)(dB)	对图像清晰度的影响
			1	60	完全看不到噪声干扰
2	50	稍微能看到一点干扰
			3	40	能看清噪声和干扰但对图像清晰度几乎无影响
4	30	对图像有影响
			5	20	对图像质量影响较大

对于使用第二代像增强器的像增强CCD其信噪比由下面公式计算：

$\mathrm{SNR}\≈\frac{{\left(\mathrm{LS\τ}{M}^2\mathrm{\η\γ}\right)}^{1/2}}{1+V}$

L-像管光电阴极照度，S-CCD有效像素区面积，τ-CCD积分时间，M-像管与光纤锥倍率因子，η-光电阴极量子效率，γ-电子收集效率。

将计算的照明光源3发射的电磁波被高温物体1反射后进入像增强CCD5的光照度代入上面公式，得到的信噪比要在30以上，以满足成像质量的要求。

像增强CCD5与计算机8通过数据传输线9连接，像增强CCD5拍摄的图像保存在计算机8中并在计算机8的屏幕上显示出来。

当物体温度很高时，为了防止进入像增强CCD5的光照度过强可以在像增强CCD5前加装上两个线偏振片。通过调整两个线偏振片的相对位置，使光线透过率在0～50％范围内变化。

Claims (2)

1.一种高温物体观测方法，其特征在于使用总功率达数百毫瓦或数瓦的照明光源(3)照射高温物体(1)，高温物体(1)反射的照明电磁波(4)和高温物体辐射电磁波(2)的混合电磁波(7)被带通滤波片(6)过滤，仅有高温物体(1)反射的部分照明电磁波能够被像增强CCD(5)放大后成像；照明光源(3)辐射电磁波的波长和带通滤波片(6)的中心波长是根据高温物体(1)的最高温度来选择的，带通滤波片(6)的中心波长和照明光源(3)辐射电磁波的波长相匹配，保证照明光源(3)辐射的电磁波能够透过带通滤波片(6)；照明光源(3)辐射电磁波的波长和带通滤波片(6)的中心波长根据以下步骤来确定：

1)测量高温物体的最高温度值T；

2)初步选择照明光源(3)辐射电磁波的波长λ，计算在波长λ上的辐出度光谱密度。高温物体(1)可近似看作黑体，其辐出度光谱密度随波长及温度的变化规律为：

$W_{b,\mathrm{\λ}}=c_1\frac{{\mathrm{\λ}}^{-5}}{e^{c_2/\mathrm{\λT}}-1}$

其中：c₁＝2πc²h，c₂＝ch/k

λ-波长，T-物体的绝对温度，e-自然对数的底数，

c₁-普朗克定律第一常数，c₂-普朗克定律第二常数，h-普朗克量子常数，k-玻耳兹曼常数，c-光速；

3)计算在波长λ上辐射光线(2)透过带通滤波片(6)后的光照度：

E＝Tk_mv(λ)w_b，λ

T-带通滤波片峰值透射率，k_m-683流明/瓦，v(λ)-视见函数；当高温物体(1)在波长λ₀上辐射的电磁波通过带通滤波片(6)后的光照度E₀远小于像增强CCD(5)的饱和光照度E′时，波长λ₀可确定为照明光源(3)发射电磁波的波长和带通滤波片(6)的中心波长。调整照明光源(3)的功率，使照明电磁波(4)被高温物体(1)反射后透过带通滤波片(6)的光照度E₁符合：

E₀＜E₁＜E′

E₀-辐射光线透过带通滤波片后的光照度，E′-像增强CCD的饱和光照度。

2.根据权利要求1所述的高温物体观测方法，其采用的观测系统包括：照明光源(3)、带通滤波片(6)、像增强CCD(5)和计算机(8)；照明光源(3)和像增强CCD(5)分别安放于高温物体两边的侧上方，滤波片(6)通过螺纹或其它连接方法安装在像增强CCD(5)的镜头前，计算机(8)与像增强CCD(5)通过数据传输线(9)连接在一起。

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