CN103605204A - 平行低光损背光高温工业内窥镜 - Google Patents

Abstract

本发明属于仪表检测领域，提出一种平行低光损背光高温工业内窥镜，包括用于炉内取像的光学目镜、光源发光部件、光源驱动电路、通信电路、导像光纤束、导光结构、成像芯片、成像驱动电路、冷却系统和外壳；外壳包括圆管和方形外壳两部分，导光结构包括设置在光源发光部件后部的椭球形凹面镜、与光源发光部件相对的圆形凸透镜和导光光路，圆管的前端设置有光学目镜和背光孔，所述取像探头通过导像光纤束与成像芯片连接。本发明提供了一种全新的背光技术，将原有的光导纤维背光方式转变成平行光直接背光方式，简化了光路结构，提高了光能利用效率，增加了背光区域和亮度，并且消除了对背光光源约束，适用于多种光源，提高了设备的稳定性，降低了设备成本。

Description

平行低光损背光高温工业内窥镜

技术领域

本发明属于仪表检测领域，具体涉及一种用于观察高温炉炉内信息的内窥镜。

背景技术

近年冶炼工业快速发展，冶炼所需的工业窑炉的控制十分困难，究其原因是窑炉内部环境极其恶劣，具有高温（一般500℃～2500℃），高腐蚀性，高粉尘，密闭无光等特点，使得窑炉内部对于操作人员完全是一个黑匣子，无法实时获得窑炉内的运行信息。操作人员只能根据温度、压力、流量等间接测量数据推断出窑炉的运行状态，不能及时准确判断窑炉运行状况并采用恰当的控制手段控制窑炉，造成炉况波动和设备故障，给许多窑炉带来了巨大的经济损失。采用工业内窥镜，可以克服高温、无光、多尘的环境，实现近距离对炉内成像，使操作人员能清晰的观察炉内的运行状况和炉内各个设备的运行状态，避免事故的发生。

窑炉内取像内窥镜设备主要包括：无光源的工业内窥镜、无光源高温工业内窥镜、通过光纤导光背光的高温工业内窥镜。现逐一说明如下：

无光源的工业内窥镜：一般是采用前端电子镜直接成像，利用所测对象本身发出的光成像，再通过将数字图形信息通过电缆传导到外部的显示屏幕上显示。这种设备成像清晰，适合管道内部、机械部件内部等对象的成像。但是无法适应工业窑炉的高温环境，因为一般的电子器件工作温度都在100℃以下，所以这种内窥镜无法适用于窑炉高温的内部环境。

无光源高温工业内窥镜：通过安装前端的光学镜头实现炉内高温取像，再利用耐高温的光导纤维束将图像传导到炉外，利用数码成像设备进行成像。同时设备的外壳配有双螺纹结构的水冷通道和风冷通道从而保证设备的整体温度不过高。由于电子设备不在高温环境里工作并配合了散热的装置，这种内窥镜能够适用于在2500℃以下的环境里工作，适合于工业冶炼窑炉的内部图像信息采集。但是，由于许多窑炉内本身就是无光的，这就使得这种设备的使用范围大打折扣，在窑炉内部无光的环境不适合这种内窥镜的工作。

光纤导光背光的高温工业内窥镜：是在目前工业光源无法工作于高温环境的前提下，克服高温工业内窥镜在无光环境中使用的局限性而产生的设备。这种内窥镜就是通过后端的LED照明光源输出端输出的光线经石英光纤或玻璃光纤送至摄像机镜头的前端,确保了镜头前方具有较高的亮度,从而解决了炉内环境较暗的问题。解决了无光高温工业内窥镜的背光问题。但是，导光光纤成本相对比较高，光路复杂，故障率相对较高。更重要的是，由于导光光纤的直径较小，导光过程中光损严重，损耗接近35％；同时进入光导纤维束的光线要能够传输必须满足入射角度范围要求，这导致进入光导纤维束的光通量远小于光源产生的光通量，无法充分利用光源的发光效率；实际运用效果显示，光纤导光背光的高温工业内窥镜的背光的亮度不高，无法满足冶炼窑炉内高温工业内窥镜的背光需求。

专利公开号为CN202548434的实用新型专利提出一种多功能的工业内窥镜，其工作原理是通过置于探测管前端的电子数码摄像头直接采集被测对象的图像，然后再通过探测管和主体的连线，将数字图像信息传给设备主体，由主体上设置的显示屏显示出来，供工程师分析，并可以通过主体的存储设备将采集的信息进行保存。由于取像传感器置于设备的前端，无法适用于高温环境，不能用于冶炼窑炉的图像信息采集。

专利公开号为CN201000508的实用新型专利提出一种能耐超过1090℃高温的工业内窥镜，为了使设备耐受高温，其成像系统由物镜系统、中转系统和目镜系统组成。由于物镜系统是光学系统置于设备前端，能够耐受高温环境，再通过中转系统将图像信息传至设备低温的后端由目镜系统成像，这样实现了高温环境成像的目的。但对于内部无光的冶炼窑炉则无法使用。

公开号CN103293656发明专利和公开号CN202119975实用新型专利均是采用了自带光源背光且耐高温的工业内窥镜，其工作原理为：在设备内装有LED照明光源，LED照明光源的输出端连接有多个石英光纤或玻璃光纤；各石英光纤或玻璃光纤延伸至所述水冷外壳中,且各石英光纤或玻璃光纤的光线出射端均匀分布于镜头组件的前端外周，为前端的光学镜头的取像提供了足够背光亮度，从而解决了高温炉内环境较暗时的成像问题。但是实际使用中发现，这些设备存在如下缺点：首先，设备自带光源，必须为光源组件单独设计散热结构，增加了成本，降低了工业设备工作的稳定性；其次，这些设备一般采用光效高，体积少，发出的光线适合在光导纤维束中传播的LED发光源，但是由于LED光源发出光的穿透能力不强，造成在较多粉尘的环境里背光效果不如人意。再者，这些设备都是通过光导纤维束将光源发出的光导出到设备前端，由于光导纤维束在传送光线时的光损较大，达到35％左右，导致通过光导纤维束背光的背光亮度很难满足实际需求。最后，导光的光导纤维束成本高，光路设计复杂，不利于这些设备的推广应用。

发明内容

针对本领域存在的不足之处，本发明的目的在于为高温工业内窥镜的背光光源提供一种简单高效的散热途经，提高了光源的散热效率，节约了成本。

本发明的目的在于提供了一种全新的背光技术，将原有的光导纤维背光方式转变成平行光直接背光方式，大大提高了光能利用效率，增加了背光区域和亮度，简化了光路结构，并且消除了对背光光源的约束，适用于多种光源，提高了设备的稳定性，降低了设备成本。

本发明的目的在于设计了一种平行低光损背光高温工业内窥镜，以解决高温、密闭无光工业冶炼窑炉内部图像、视频信息采集难的难题。

实现本发明上述目的的技术方案为：

平行低光损背光高温工业内窥镜，包括用于炉内取像的光学目镜、光源发光部件、光源驱动电路、通信电路、导像光纤束、导光结构、成像芯片、成像驱动电路、冷却系统和外壳；

所述外壳包括圆管和方形外壳两部分，方形外壳连接在圆筒的尾部；

所述方形外壳内设置有光源驱动电路、用于驱动成像芯片的成像驱动电路和通信电路；

所述圆管的尾部设置有导光结构、光源发光部件、成像芯片；所述导光结构包括设置在光源发光部件后部的椭球形凹面镜、与光源发光部件相对的圆形凸透镜；

所述圆管的前端设置有光学目镜，所述光学目镜通过导像光纤束与成像芯片相连，所述成像芯片与成像驱动电路连接。

其中，所述光源发光部件选自卤素灯、LED灯、钠光灯、电弧灯、荧光灯、白炽灯中的一种。

其中，所述冷却系统包括水冷系统和风冷系统，冷却系统设置在外壳上，外壳的圆管部分为两层结构，在两层之间有双螺旋纹通道；水冷系统包括外壳的圆管上所设置的水管，其包括进水管和出水管，水管与所述双螺旋纹通道连通；风冷系统包括外壳的圆管上设置的进风口，与圆管内部连通。

整个圆筒长度为1－3米。

其中，所述圆管尾部还设置有与圆形凸透镜平行的多孔挡光板，位于与光源发光部件相对的一侧；所述圆管的前端设置有导光孔和目镜孔，所述多孔挡光板开有与导光孔和目镜孔相对的孔，多孔挡光板上的孔与前端对应的导光孔构成通过圆筒的中空的导光光路。

其中，所述导像光纤束外部由内到外依次包覆钨丝编织内皮、聚氨酯内层、钨丝编织外皮、聚氨酯外层和钢制单绞线管。

本发明所述的高温炉内窥镜是在工业设备内部取像中的应用。

所述应用，包括步骤：

1）将所述工业内窥镜安装在工业设备外壁上，圆管的前端设置在设备内，方形外壳位于设备外；

2）进水口和进风口分别通入水和用于风冷的气体并且使水循环流动，保证整个设备在工业冶炼窑炉内部的高温环境中正常工作；

3）启动光源驱动电路开始工作，光源发光部件发出光亮；光源发光部件产生的光线经过椭球形凹面镜和圆形凸透镜组成的平行光产生器后形成平行光，并打到多孔挡光板上；平行光在多孔挡光板的作用下形成多条导光光路，光线通过导光光路后由前端出光板导出打到被测对象上，完成背光功能；

4)启动成像驱动电路，光学目镜获得被测对象的光学图像，通过导像光纤束传来的光学图像在成像芯片和成像驱动电路的作用下形成被测对象的数字图像；

光学图像在前端导像光纤束的作用下，经过由钨丝编织内皮、聚氨酯内层、钨丝编织外皮、聚氨酯外层、钢制单绞线管多层组成的导像通道后被传输到成像芯片上；

5)被测对象的数字图像通过通信电路传给工业上位机，实现对被测对象的数字图像采集功能。

本发明中，由于水冷是双螺旋纹通道，所以用于水冷的水被循环利用。

用于风冷的气体通过设备前端的取像镜头孔和背光孔排出，这样利用风冷产生的气压对取像镜头和背光孔进行保护，起到防止结痂和堵塞的效果。

光源在本设备的安装分为两个部分，发光器件安装在圆管尾部，而光源的驱动电路安装在方形箱内。这种设计既方便光源的更换，又无须单独设计散热系统为光源散热，更加适合光源组件的模块化。

本发明的有益效果在于：

1、在冷却系统上，通过对设备内部结构的重新设计，将光源发光部件置于系统原有的冷却系统冷却范围之中，简化了设备结构，省去了为光源单独设计散热的工作，降低了成本，提高了设备的工作稳定性；

2、在背光光源方面，由于采用了全新的背光思想和全新的背光光路的设计使得本设备能够适用于多种背光光源，并且由于采用了光源的发光部件和驱动电路分开的结构设计，方便了光源的更换和模块化替换；

3、在背光思想方面，针对设备的直管外形，利用光的直线传播原理，创造性地使用平行光进行直接背光，从而使导光光路的设计极其简单，成本降低，稳定性提高；

4、在导光光路方面，通过结构极其简单又耐高温环境的光学部件构成了平行光产生器，再利用挡光板形成多光路背光；

5、在背光光效方面，由于实际的光线的传输是利用光的直线传播的特征，所以实际光路就是无障碍空间，这使得光在传输的途中无任何光效的损失，并且在光源发光部件产生光后在椭球形凹面镜的聚光作用下，绝大部分的光进入了导光光路，这就使得背光光效比起传统的方法有所提高；

6、在成像方面，利用耐高温的光学镜头在设备前端取其光学图像，再利用光导纤维束的导光特性，将光学图像导出到设备后端的低温区域，再通过成像芯片进行数码成像，从而实现了在高温环境中成像的目的；本发明提供了一种全新的背光技术，将原有的光导纤维背光方式转变成平行光直接背光方式，提高了光能利用效率，增加了背光区域和亮度，简化了光路结构，并且消除了对背光光源约束，适用于多种光源，提高了设备的稳定性，降低了设备成本。

附图说明

图1：本发明平行低光损背光高温工业内窥镜正面视图。

图2：本发明平行低光损背光高温工业内窥镜的成像组件结构图。

图3：本发明平行低光损背光高温工业内窥镜的导光结构和成像组件结构图。

图4为导光结构工作原理图。

图5为多孔挡光板正面视图。

图中，1为方形外壳，2为水管（包括进水管和出水管），3为进风口，4为圆管，5为圆管前端，6为成像芯片，7为导像光纤束，8为钢制单绞线管，9为聚氨酯外层，10为钨丝编织外皮，11为聚氨酯内层，12为钨丝编织内皮，13为光学目镜，14为光源发光部件，15为椭球形凹面镜，16为圆形凸透镜，17为多孔挡光板，18为导光光路，19为前端出光板，20为光源发光部件发出的光线，21为圆形凸透镜的焦点，22为平行光线，23为导光孔，24为目镜孔。

具体实施方式

现以以下最佳实施例来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

参见图1。平行低光损背光高温工业内窥镜，包括用于炉内取像的光学目镜13、光源发光部件14、光源驱动电路、通信电路、导像光纤束7、导光结构、成像驱动电路和外壳；外壳采用306钢铁制成，包括圆管4和方形外壳1两部分，方形外壳连接在圆筒的尾部；圆管长2米。

方形外壳1内设置有光源驱动电路、用于驱动成像芯片6的成像驱动电路和通信电路。

圆管的尾部设置有导光结构、光源发光部件14、成像芯片6；所述导光结构包括设置在光源发光部件后部的椭球形凹面镜15、与光源发光部件相对的圆形凸透镜16；成像芯片6采用CCD感光芯片；光源发光部件14为卤素灯。

圆管4的前端设置有光学目镜13，所述光学目镜13通过导像光纤束7与成像芯片6连接，成像芯片6与成像驱动电路连接。

其中，外壳的圆管部分为两层结构，在两层之间有双螺旋纹通道。

所述外壳的圆管4上设置有水管2其包括进水管和出水管，设置在同一位置，与双螺旋纹通道连通。

其中，所述外壳的圆管4上设置有进风口3，与圆管内部连通。

其中，所述圆管4内还设置有与圆形凸透镜平行的多孔挡光板17（见图3、图4、图5），位于与光源发光部件14相对的一侧；所述圆管4的前端设置有导光孔和目镜孔，所述多孔挡光板17相对的位置也开有与导光孔23和目镜孔24，多孔挡光板17上的导光孔23与前端对应导光孔构成通过圆筒4的中空的导光光路18。

平行光产生器和多孔档光板是本工业内窥镜导光结构的核心组件，其结构如图4所示。在图4中，平行光产生器是由椭球形凹面镜15、光源发光部件14、圆形凸透镜16组成。其工作原理为：首先将光源发光部件14置于椭球形凹面镜15的焦点处，这样由光源发光部件14发出的光20的大部分在椭球形凹面镜15的聚光作用下将汇聚于圆形凸透镜的焦点21，经过圆形凸透镜16焦点的光线经过圆形凸透镜16后必定会形成平行光22。多孔挡光板的结构如图4所示，主要是为了将成像芯片固定于图4中25所指的位置，同时通过图4中24所示的多个椭圆形导光孔导出光线并规定导光光路的形状和大小。

参见图2。导像光纤束7外部由内到外依次包覆钨丝编织内皮12、聚氨酯内层11、钨丝编织外皮10、聚氨酯外层9和钢制单绞线管8。

本实施例工业内窥镜的应用，包括步骤：

1）将平行低光损背光高温工业内窥镜安装在高温设备外壁上，圆管4的前端设置在设备内，方形外壳位于设备外；

2）水管2中的进水管和进风口3通入水和用于风冷的气体并且使水循环流动，保证整个设备在工业冶炼窑炉内部的高温环境中正常工作；

3）启动光源驱动电路开始工作，光源发光部件14发出光亮；光源发光部件产生的光线经过椭球形凹面镜15和圆形凸透镜16组成的平行光产生器后形成平行光，并打到多孔挡光板17上；平行光在多孔挡光板17的作用下形成多条导光光路18，光线通过导光光路18后由前端出光板19导出打到被测对象上，完成背光功能；

4)启动成像驱动电路，位于目镜孔的光学目镜13获得被测对象的光学图像，通过导像光纤束7传来的光学图像在成像芯片6和成像电路的作用下形成被测对象的数字图像；

光学图像在前端导像光纤束7的作用下，经过由钨丝编织内皮12、聚氨酯内层11、钨丝编织外皮10、聚氨酯外层9、钢制单绞线管8多层组成的导像通道后被传输到成像芯片6上；

5)被测对象的数字图像通过通信电路传给工业上位机，实现对被测对象的数字图像采集功能。

本实施例中，用于水冷的水被循环利用。

用于风冷的气体通过圆管前端的目镜孔和导光孔排出，这样利用风冷产生的气压对取像目镜和背光孔进行保护，起到防止结痂和堵塞的效果。

实施例2

内窥镜的结构同实施例1。

本实施例工业内窥镜的可应用于非高温工业设备取像，包括步骤：

1）将平行低光损背光高温工业内窥镜安装在工业设备外壁上，圆管4的前端设置在设备内，方形外壳1位于设备外；

2）启动光源驱动电路开始工作，光源发光部件14发出光亮；光源发光部件产生的光线经过椭球形凹面镜15和圆形凸透镜16组成的平行光产生器后形成平行光，并打到多孔挡光板17上；平行光在多孔档光板17的作用下形成多条导光光路18，光线通过导光光路18后由前端出光板19导出打到被测对象上，完成背光功能；

3)启动成像驱动电路，位于目镜孔的光学目镜13获得被测对象的光学图像，通过导像光纤束7传来的光学图像在成像芯片6和成像电路的作用下形成被测对象的数字图像；

4)被测对象的数字图像通过通信电路传给工业上位机，实现对被测对象的数字图像采集功能。

本技术领域内的一般技术人员应当认识到，上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对上述实施例的变换、变型都将落在本发明权利要求的范围内。

Claims (8)

1.平行低光损背光高温工业内窥镜，其特征在于，包括用于炉内取像的光学目镜(13)、光源发光部件（14）、光源驱动电路、通信电路、导像光纤束（7）、导光结构、成像芯片(6)、成像驱动电路、冷却系统和外壳；

所述外壳包括圆管（4）和方形外壳（1）两部分，方形外壳连接在圆管的尾部；

所述方形外壳（1）内设置有光源驱动电路、用于驱动成像芯片(6)的成像驱动电路和通信电路；

所述圆管（4）的尾部设置有导光结构、光源发光部件（14）、成像芯片(6)；所述导光结构包括设置在光源发光部件后部的椭球形凹面镜（15）、与光源发光部件相对的圆形凸透镜（16）；

所述圆管（4）的前端设置有光学目镜(13)，所述光学目镜(13)通过导像光纤束（7）与成像芯片(6)连接，所述成像芯片(6)与成像驱动电路相连；

其中，所述冷却系统包括水冷系统和风冷系统，冷却系统设置在外壳上，外壳的圆管部分为两层结构，在两层之间有双螺旋纹通道；水冷系统包括外壳的圆管（4）上所设置的水管（2），其包括进水管和出水管，水管（2）与所述双螺旋纹通道连通；风冷系统包括外壳的圆管（4）上设置的进风口（3），与圆管内部连通。

2.根据权利要求1所述的工业内窥镜，其特征在于，所述圆管尾部还设置有与圆形凸透镜平行的多孔挡光板（17），位于与光源发光部件（14）相对的一侧；所述圆管（4）的前端设置有导光孔和目镜孔，所述多孔挡光板（17）相对位置上也开有导光孔（23）和目镜孔（24），多孔挡光板（17）上的导光孔（23）与圆管（4）的前端的导光孔构成通过圆管（4）的中空的导光光路（18）。

3.根据权利要求1所述的工业内窥镜，其特征在于，所述光源发光部件（14）选自卤素灯、LED灯、钠光灯、电弧灯、荧光灯、白炽灯中的一种。

4.根据权利要求1所述的工业内窥镜，其特征在于，所述导像光纤束（7）外部由内到外依次包覆钨丝编织内皮（12）、聚氨酯内层（11）、钨丝编织外皮（10）、聚氨酯外层（9）和钢制单绞线管（8）。

5.权利要求1-4任一所述的工业内窥镜是在工业设备内部取像中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于如下步骤：

1）将所述工业内窥镜安装在工业设备外壁上，圆管（4）的前端设置在设备内，方形外壳位于设备外；

2）水管（2）和进风口（3）通入水和用于风冷的气体，并且使水循环流动；

3）启动光源驱动电路开始工作，光源发光部件（14）发出亮光；光源发光部件产生的光线经过椭球形凹面镜（15）和圆形凸透镜（6）组成的平行光产生器后形成平行光，并打到多孔挡光板（17）上；平行光在多孔挡光板（17）的作用下形成多条导光光路（18），平行光线通过导光光路（18）后由前端出光板（19）导出打到被测对象上，完成背光功能；

4)启动成像驱动电路，光学目镜（13）获得被测对象的光学图像，通过导像光纤束（7）传来的光学图像在成像芯片(6)和成像驱动电路的作用下形成被测对象的数字图像；

5)被测对象的数字图像通过通信电路传给工业上位机，实现对被测对象的数字图像采集功能。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，用于水冷的水被循环利用。

8.根据权利要求6或7所述的应用，其特征在于，用于风冷的气体通过设备前端的取像镜头孔和背光孔排出。

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