CN107917767B - 一种通过荧光成像测量面温度场的方法 - Google Patents

一种通过荧光成像测量面温度场的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种通过荧光成像测量面温度场的方法，该方法包括(1)数码成像设备中各像素的温度传感函数的标定方法；以及(2)制备温度敏感荧光材料涂层、荧光成像、计算温度场的流程。具体步骤为：在不同温度下将温度敏感荧光材料激发出荧光，成数码像；确定数码像中各像素点R/G/B分量的强度比例与温度之间的关系，并将该关系作为被测面温度场中各对应像素点的温度传感函数；以相同成分的温度敏感荧光材料涂布于被测面；激发出荧光，成数码像；将数码像中各像素点R/G/B分量的强度比例代入各像素点的温度传感函数，得出各像素点的温度。本方法具有快速实时、空间分辨力高的优点。

Description

一种通过荧光成像测量面温度场的方法
技术领域
本发明涉及温度的光学测量技术领域，具体涉及一种通过荧光成像测量面温度场的方法。
背景技术
光测温度技术的典型优点包括免疫电磁干扰、可以无线远程测量等。
工程应用中光测温度技术采用的原理主要有光纤光栅透射或反射光的频移、斯托克斯/反斯托克斯拉曼谱线强度比、荧光寿命随温度猝灭而缩短等。利用荧光材料发光的温度敏感性作温度场分析的优点是较容易获得很高的空间分辨力，最小达到纳米级。
一种荧光法温度场测量技术--基于时间相关单光子计数的时域荧光寿命成像系统，它的每一个像素单元都集成一个时间数字转换(Time-to-Digital Converter,TDC)，所有像素点同时工作，从像素单元输出的数据中提取出荧光寿命，进而得到温度场分布(时域荧光寿命成像结构及寿命测试获取方法，中国201610578033.3)。这种方法的缺点是响应速度较慢、测量的实时性差。
本发明给出的荧光成像测量温度场的方法，拍摄被测物体表面上涂覆的荧光材料的真彩荧光像，通过荧光像中每个像素的红/绿/蓝(R/G/B)三种成分的强度比例与温度的关系来作温度传感，荧光像中的像素阵列对应于被测的面温度场。因为拍摄的每帧荧光像对应于拍摄当时的温度场，所以此方法兼具实时快速、空间分辨力高、免疫电磁干扰、可以无线远程测量的优点。
发明内容
本发明目的在于：提出一种通过荧光成像测量面温度场的方法，可以实时快速地对复杂曲面上的温度分布作高空间分辨力的光学无线远程测量。
本发明的一种通过荧光成像测量面温度场的方法包括数码成像设备中各像素的温度传感函数的标定方法以及制备温度敏感荧光材料涂层、荧光成像、计算温度场的流程，其特征在于方法步骤如下：
步骤一、根据温度敏感荧光材料的发光特性，选用合适的激发光激发出材料荧光；
步骤二、拍摄记录不同温度下荧光材料的荧光数码图像，确定数码像中各像素点R/G/B分量的强度比例与温度之间的关系，并将该关系作为被测面温度场中各对应像素点的温度传感函数；具体步骤如下：
步骤2-1.在一定温度范围内渐次设置改变荧光材料所处的环境温度；
步骤2-2.用数码图像拍摄装置记录步骤2-1所述各个温度下荧光材料在暗背景中的数码图像；
步骤2-3.读取步骤2-2所述数码图像中各像素点的R、G、B分量，计算分量R/G/B的强度比例；
步骤2-4.拟合得到各像素点的R/G/B分量强度比例与温度的关系函数；
步骤三、将所述温度敏感荧光材料涂覆于待测温度分布的物体表面形成温度敏感荧光材料涂层，用步骤一所用的激发光激发暗背景中的荧光材料，使用步骤二的数码图像拍摄装置记录温度敏感荧光材料涂层的荧光图像，计算出图像中各像素点的R/G/B分量强度比例，代入由步骤2-4所得到的各函数，得出各像素点对应被测物体表面各位置的温度，即以荧光成像方式实现物体表面温度场的测量。
本发明所使用的荧光材料对温度敏感，即荧光峰随温度变化发生频移及展宽、发光效率随温度升高而降低。荧光材料的种类包括但不限于稀土离子掺杂的发光材料、过渡金属离子掺杂的发光材料、半导体复合发光材料、有机荧光材料等。
本发明使用数码成像设备拍摄所述荧光材料在不同已知温度下的荧光数码图像获得温度传感函数，各像素点的温度传感函数即像素阵列中各像素点的R/G/B分量数值比例与温度的关系函数，是所述数码成像设备与所述荧光材料二者构成的温度传感系统的固有特性。
荧光成像测量的面温度场是平面或曲面的温度场，对应到所述待测温度分布的物体表面上所有能由所述数码成像设备成像的位置点。
所述的数码图像是真彩色格式，每个像素包含R、G、B三个分量，每帧图像的像素阵列对应其拍摄时刻的被测物体表面温度场。
本发明的本质是荧光强度比例对温度的依赖关系。随着温度升高，荧光材料的配位键伸长、晶体场强度下降，进而导致荧光谱峰或谱带发生频移及展宽，同时伴随着温度猝灭现象，即发光效率的降低。在被拍摄的真彩数码荧光图像中，当激发光不可见或未被拍摄时，荧光谱的频移及展宽反映为可见光区荧光里的红光成分R、绿光成分G、蓝光成分B三者中任二者的强度比例改变；当蓝光被用于作激发光时，发光效率的降低反映为数码图像记录的荧光里的红光成分R或绿光成分G与蓝光成分B的强度比例下降。
本发明的有益效果：本发明提供了一种通过荧光成像测量面温度场的方法，相比于荧光寿命法温度成像，其实时性较好、空间分辨力高。
附图说明
图1为本发明一种通过荧光成像测量面温度场的方法的测量系统示意图。1-数码成像设备；2-激发光源；3-温度敏感荧光材料涂层。
图2为通过拟合得到的数码图像拍摄装置的像素R/G强度比温度传感标定函数。
具体实施方式
本发明提供一种温度场的荧光成像测量方法，包括数码成像设备1中各像素的温度传感函数的标定方法以及制备温度敏感荧光材料涂层3、荧光成像、计算温度场的流程。方法的原理是利用荧光材料的温度敏感性，温度变化导致荧光谱的频移及展宽，反映为可见光区荧光里的红光成分R、绿光成分G、蓝光成分B中任二者的强度比例改变；并伴有发光效率变化，反映为荧光成分(红光成分R、绿光成分G)与激发光(蓝光成分B)的强度比例变化，用数码成像设备1的像素阵列记录面温度场中温度敏感荧光材料涂层3的荧光分布，每个像素点记录的R/G/B分量的强度比例关系反映了温度敏感荧光材料涂层3上对应的面温度场场点的温度。以某Ce3+掺杂荧光材料的荧光用于温度场测量为例，具体实施过程如下：
选择中心波长450nm的激光作为激发光源2，用一部高分辨相机作为数码成像设备1获取.raw格式的温度敏感荧光材料涂层3的荧光图像。
在一定温度范围内渐次设置改变大面积均匀分布的荧光材料所处的环境温度，拍摄记录不同温度下荧光材料在暗背景中的数码图像。
用可以处理数码图像的工具例如MATLAB，读取所得数码图像中各像素点的R、G、B分量强度值，计算红色分量R与绿色分量G的强度比例。拟合各像素点的R/G强度比例随温度变化的关系，得到各像素点的温度传感函数。各像素点的光谱响应近似相同，则它们具有近似相同的温度传感函数，如图2所示。
将相同成分的荧光材料涂覆于待测温度分布的物体表面，形成温度敏感荧光材料涂层3，用相同波长的激发光源2激发暗背景中的温度敏感荧光材料涂层3，用数码成像设备1记录温度敏感荧光材料涂层3的荧光图像，计算出图像中各像素点的R/G分量的强度比例，代入图2所示的温度传感函数，得出与各像素点对应的被测物体表面各场点位置的温度值，即物体表面温度场。
其它可以用于所述的荧光成像测量温度场的典型荧光材料还包括但不限于其它稀土掺杂荧光材料、过渡金属掺杂荧光材料、半导体发光材料和有机发光材料。
其它可以用于所述的荧光成像测量温度场的传感函数还可以是各像素点的R/B强度比例与温度关系、G/B强度比例与温度关系。

Claims (5)

1.一种通过荧光成像测量面温度场的方法，它包括数码成像设备中各像素的温度传感函数的标定方法以及制备温度敏感荧光材料涂层、荧光成像、计算温度场的流程，其特征在于方法步骤如下：
步骤一、根据温度敏感荧光材料的发光特性，选用合适的激发光激发出材料荧光；
步骤二、拍摄记录不同温度下荧光材料的荧光数码图像，确定数码像中各像素点R/G/B分量的强度比例与温度之间的关系，并将该关系作为被测面温度场中各对应像素点的温度传感函数；具体步骤如下：
步骤2-1.在一定温度范围内渐次设置改变荧光材料所处的环境温度；
步骤2-2.用数码图像拍摄装置记录步骤2-1所述各个温度下荧光材料在暗背景中的数码图像；
步骤2-3.读取步骤2-2所述数码图像中各像素点的R、G、B强度分量，计算分量R/G/B的数值比例；
步骤2-4.拟合得到各像素点的R/G/B分量强度比例与温度的关系函数；
步骤三、将所述温度敏感荧光材料涂覆于待测温度分布的物体表面形成温度敏感荧光材料涂层，用步骤一所用的激发光激发暗背景中的荧光材料，使用步骤二的数码图像拍摄装置记录温度敏感荧光材料涂层的荧光图像，计算出图像像素阵列中各像素点的R/G/B分量强度比例，代入由步骤2-4所得到的各函数，得出各像素点对应被测物体表面各位置的温度，即以荧光成像方式实现物体表面温度场的测量。
2.根据权利要求1所述的一种通过荧光成像测量面温度场的方法，其特征在于，所述的荧光材料对温度敏感，即荧光峰随温度变化发生频移及展宽、发光效率随温度升高而降低。
3.根据权利要求1所述的一种通过荧光成像测量面温度场的方法，其特征在于，所述数码成像设备中像素阵列各像素点的温度传感函数即所述的各像素点的R/G/B分量强度比例与温度的关系函数，是所述数码成像设备与所述荧光材料二者构成的系统的固有特性，通过拍摄所述荧光材料在不同温度下的荧光数码图像获得。
4.根据权利要求1所述的一种通过荧光成像测量面温度场的方法，其特征在于，荧光成像测量的面温度场是平面或曲面的温度场，对应到所述待测温度分布的物体表面上所有能由所述数码成像设备成像的位置点。
5.根据权利要求1所述的一种通过荧光成像测量面温度场的方法，其特征在于，所述的数码图像是真彩色格式，每个像素点包含R、G、B三个分量，每帧图像的像素阵列对应其拍摄时刻的被测物体表面温度场。
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