CN109668636B - 一种成像式光谱辐射接收和分光一体化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种成像式光谱辐射接收和分光一体化装置。该装置包括可见/红外分光镜、可见光分光镜、观瞄CCD相机、红外光纤接口、可见光纤接口、内部法兰和接收镜头，接收镜头包括可调光阑；可见光分光镜与可见/红外光分光镜上下平行，分别与水平面成45°，并镀有不同的膜，分别用于能量分光和波段分光；观瞄CCD相机位于可见光分光镜的正上方，支持在水平或竖直方向上的微调；红外光纤接口和可见光纤接口均支持在竖直方向上的微调。本发明的成像式光谱辐射接收和分光一体化装置通过可调光阑消除杂光，衰减辐射强度；通过观瞄CCD相机监测成像画面；并通过对可见光纤接口和红外光纤接口位置的微调，对准光路，提高检测精度。

Description

一种成像式光谱辐射接收和分光一体化装置
技术领域
本发明涉及对高温物体的多光谱辐射测温及成像对准技术领域，特别是涉及一种成像式光谱辐射接收和分光一体化装置。
背景技术
在高温物体测试中，传统的接触式测量方法由于材料的限制，在测量范围以及精确性等方面都存在着很大的局限性。常用的非接触式温度测量方法有红外测温法、比色测温法以及多光谱测温法。
红外测温法由于被测物体的复杂性，很难获得真实目标的发射率，从而影响了对未知发射率目标温度的测量。比色法测温，在物体处于高温状态时，容易受到各种离子谱及特征谱的影响，测温过程中，如果所选的波长恰有一个处在干扰谱段上，则测量误差就会明显偏大，使得测量失真。多光谱测温法是通过测量多个波段的物体辐射亮度相关信息，从中解算温度，无需辅助设备和附加信息，对被测对象也无特殊要求，所以特别适用于高温领域目标的真温测量。
因此，多光谱测温技术是当前测量高温物体真温的有效途径。而传统的多光谱测温皆是能量接收型，接收视场相对较大，在强辐射下接收探测器易达到饱和状态，同时接收的热辐射谱存在多视场效应，从而影响热辐射谱的解算精度；而且，传统的多光谱测温装置缺少精确的对准手段，使最终测得温度与目标点存在差异，测量精度低。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度的成像式光谱辐射接收和分光一体化装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种成像式光谱辐射接收和分光一体化装置，所述装置包括接收镜头和分光耦合系统；
所述接收镜头包括法兰盘和可调光阑，所述可调光阑用于消除杂光，衰减辐射强度；
所述分光耦合系统包括可见/红外分光镜、可见光分光镜、观瞄CCD相机、红外光纤接口、可见光纤接口和内部法兰；
所述接收镜头与所述分光耦合系统通过所述内部法兰和所述法兰盘连接；
所述可见/红外光分光镜上镀有第一膜并与水平面成45°，用于波段分光，将来自所述接收镜头的热辐射中的可见光进行反射，将红外光进行透射；
所述可见光分光镜与所述可见/红外光分光镜平行设置，并位于所述可见/红外光分光镜的正上方，接收来自所述可见/红外光分光镜反射的所述可见光，所述可见光分光镜上镀有第二膜，用于能量分光，将接收到的所述可见光的辐射能量一部分反射，另一部分透射；
所述观瞄CCD相机位于所述可见光分光镜的正上方，用于接收经所述可见光分光镜透射的所述可见光，在所述观瞄CCD相机的成像面进行成像，所述观瞄CCD相机的位置支持在水平或竖直方向上进行微调；
所述红外光纤接口位于所述可见/红外光分光镜的透射光线的光路上，支持在竖直方向上进行微调，用于接收经所述可见/红外光分光镜透射的所述红外光；与所述红外光纤接口连接有红外光纤，所述红外光经所述红外光纤接口在红外光纤端面成像；
所述可见光纤接口位于所述可见光分光镜的反射光线的光路上，支持在竖直方向上进行微调，用于接收经所述可见光分光镜反射的所述可见光；与所述可见光纤接口连接有可见光纤，所述可见光经所述可见光纤接口在可见光纤端面成像。
可选的，所述接收镜头为反远距定焦镜头。
可选的，所述接收镜头还包括主镜头和次镜头；
所述主镜头从前往后依次竖直设置有第一透镜压圈、第一透镜、隔圈和第二透镜；
所述次镜头从前往后依次竖直设置有第三透镜压圈和第三透镜；
所述主镜头和所述次镜头分别位于所述法兰盘的前后两端，并通过所述法兰盘衔接；
所述可调光阑位于所述第二透镜与第三透镜之间；
所述第一透镜压圈、所述第一透镜、所述隔圈、所述第二透镜、所述可调光阑、所述第三透镜压圈和所述第三透镜的中心轴线与所述接收镜头的光轴同轴。
可选的，所述接收镜头还包括镜筒套，套在所述主镜头的前端，使用时，摘下。
可选的，所述装置还包括红外光光谱仪与可见光光谱仪；
所述红外光光谱仪通过所述红外光纤与所述红外光纤接口连接，接收所述红外光在所述红外光纤端面所成的像；
所述可见光光谱仪通过所述可见光纤与所述可见光纤接口连接，接收所述可见光在所述可见光纤端面所成的像。
可选的，所述红外光光谱仪上设置有第一探测器和第一USB通信接口；
所述可见光光谱仪上设置有第二探测器和第二USB通信接口；
所述第一探测器与第二探测器分别用于将接收到的所述红外光在所述红外光纤端面所成的像与所述可见光在所述可见光纤端面所成的像分别转换成具有光谱信息的电信号，再分别由第一USB通信接口和第二USB通信接口输出。
可选的，所述装置还包括数据处理终端，通过所述第一USB通信接口与所述红外光光谱仪连接，通过所述第二USB通信接口与所述可见光光谱仪连接，分别接收所述第一USB通信接口、所述第二USB通信接口输出的所述光谱信息；
所述数据处理终端还与观瞄CCD相机连接。
可选的，所述数据处理终端上设置有数据处理软件，用于对所述光谱信息进行处理和分析，得到辐射源的温度信息。
可选的，镀有所述第一膜的所述可见/红外光分光镜对400nm-900nm波段的可见光进行反射，对900nm-1700nm波段的红外光进行透射。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明的成像式光谱辐射接收和分光一体化装置通过设置可调光阑消除杂光，衰减辐射强度，并通过可见光分光镜将一部分可见光能量透射到观瞄CCD相机，降低可见光的辐射能量，防止强辐射下的能量饱和，提高检测精度；
并且，本发明的装置设置有红外光纤和可见光纤，分别在红外光纤端面和可见光纤端面进行成像，即将纤芯直径作为视场，小视场避免了多温场效应，提高了热辐射谱的解算精度；
同时，通过观瞄CCD相机直观的监测成像画面，并进行水平或竖直方向上的微调，使成像画面更加清晰，以及对可见光纤接口和红外光纤接口在竖直方向上的微调，使可见光纤和红外光纤能够对准光路，从而提高检测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明成像式光谱辐射接收和分光一体化装置原理图；
图2为本发明成像式光谱辐射接收和分光一体化装置结构图；
图3为本发明接收镜头内部结构图；
图4为本发明分光耦合系统内部结构图；
附图标记说明：1收镜头，2分光耦合系统，3红外光光谱仪，4可见光光谱仪，5数据处理终端，1-1镜筒套，1-2主镜头，1-3第一透镜压圈，1-4第一透镜，1-5隔圈，1-6第二透镜，1-7可调光阑，1-8法兰盘，1-9第三透镜压圈，1-10次镜头，1-11第三透镜，2-1可见光分光镜，2-2可见/红外光分光镜，2-3观瞄CCD相机，2-4可见光纤接口，2-5红外光纤接口，2-6内部法兰。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种高精度的成像式光谱辐射接收和分光一体化装置。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的成像式光谱辐射接收和分光一体化装置原理图，图2为本发明成像式光谱辐射接收和分光一体化装置结构图，如图1及图2所示，本发明的成像式光谱辐射接收和分光一体化装置包括接收镜头1、分光耦合装置2、红外光光谱仪3、可见光光谱仪4和数据处理终端5。
图3为本发明的接收镜头内部结构图，如图3所示，所述接收镜头1为焦距3米的反远距定焦镜头，该成像镜头后截距大于焦距，为分光提供了足够的空间；所述接收镜头1包括法主镜头1-2、次镜头1-10、法兰盘1-8和可调光阑1-7；
所述主镜头1-2从前往后依次竖直设置有第一透镜压圈1-3、第一透镜1-4、隔圈和第二透镜1-6；所述次镜头1-10从前往后依次竖直设置有第三透镜压圈1-9和第三透镜1-11；所述主镜头1-2和所述次镜头1-10分别位于所述法兰盘1-8的前后两端，并通过所述法兰盘1-8衔接；
所述可调光阑1-7位于所述第二透镜1-6与所示第三透镜1-11之间，用于消除杂光，达到衰减辐射强度的效果，避免高辐射下，导致红外光光谱仪3或可见光光谱仪4易达到饱和状态；
所述第一透镜压圈1-3、所述第一透镜1-4、所述隔圈1-5、所述第二透镜1-6、所述可调光阑1-7、所述第三透镜压圈1-9和所述第三透镜1-11的中心轴线与所述接收镜头1的光轴同轴。
所述接收镜头1还包括镜筒套1-1，套在所述主镜头的前端，使用时，摘下。
图4为本发明分光耦合系统内部结构图，如图4所示，所述分光耦合系统2包括可见/红外分光镜2-2、可见光分光镜2-1、观瞄CCD相机2-3、红外光纤接口2-5、可见光纤接口2-4和内部法兰2-6；
所述接收镜头1与所述分光耦合系统2通过所述内部法兰2-6和所述法兰盘1-8连接，实现本发明的成像式光谱辐射接收和分光一体化装置的集成，便于携带及测量。
所述分光耦合系统2含有与水平面成45度的两平行面，分别用于固定可见/红外光分光镜2-2和可见光分光镜2-1，为了避免光谱缺失和光能损失，可见光分光镜2-1和可见/红外光分光镜2-2上镀有不同的膜。
在可见/红外光分光镜2-2上镀有带通膜，主要进行波段分光，使可见/红外光分光镜2-2对400nm-900nm波段的可见光进行反射，对900nm-1700nm波段的红外光进行透射；在可见光分光镜2-1上镀的膜主要进行能量分光，将接收到的辐射能量一部分反射进入可见光纤，一部分透射传至观瞄CCD相机2-3，实现对辐射信息最大限度的利用，同时也为观瞄CCD相机2-3衰减过强的辐射能量，起到对观瞄CCD相机2-3的保护作用。
所述观瞄CCD相机2-3位于所述可见光分光镜的正上方，用于接收经所述可见光分光镜2-1透射的可见光，在所述观瞄CCD相机2-3的成像面进行成像，所述观瞄CCD相机2-3的位置支持在水平或竖直方向上的微调；
所述红外光纤接口2-5位于所述可见/红外光分光镜2-2的透射光线的光路上，支持在竖直方向上进行微调，用于接收经所述可见/红外光分光镜2-2透射的红外光；与所述红外光纤接口2-5连接有红外光纤，所述红外光经所述红外光纤接口2-5在红外光纤端面成像；
所述可见光纤接口2-4位于所述可见光分光镜2-1的反射光线的光路上，支持在竖直方向上进行微调，用于接收经所述可见光分光镜2-1反射的可见光；与所述可见光纤接口2-4连接有可见光纤，所述可见光经所述可见光纤接口2-4在可见光纤端面成像。
即分光耦合系统2位于法兰盘1-8后侧，用于将接收的辐射分为三路，通过调整观瞄CCD相机2-3、红外光纤接口2-5和可见光纤接口2-4的位置保证光轴一致性；并且对于不同的辐射对象，还能够根据红外、可见波段的辐射现象进行对比，选择一个比较理想的波段进行处理，提高检测精度；同时满足多光谱测温算法中采集来自目标的多个光谱波段的辐射能量。
所述红外光光谱仪3通过所述红外光纤与所述红外光纤接口2-5连接，所述可见光光谱仪4通过所述可见光纤与所述可见光纤接口2-4连接，分别通过所述红外光纤和所述可见光纤将辐射分别导入所述红外光光谱仪3和所述可见光光谱仪4；
所述红外光光谱仪3上设置有第一探测器和第一USB通信接口；
所述可见光光谱仪4上设置有第二探测器和第二USB通信接口；
所述第一探测器与第二探测器用于分别将接收到的辐射转换成具有光谱信息的电信号，再分别由第一USB通信接口和第二USB通信接口输出(以光谱曲线形式输出)。
所述数据处理终端5，通过所述第一USB通信接口与所述红外光光谱仪3连接，通过所述第二USB通信接口与所述可见光光谱仪4连接，分别接收所述第一USB通信接口、所述第二USB通信接口输出的所述光谱信息；
所述数据处理终端5还与观瞄CCD相机2-3连接。
所述数据处理终端5上设置有数据处理软件，用于对所述光谱信息进行处理和分析，得到辐射源的温度信息。
即当物体温度升高或爆炸时，接收镜头1接收辐射信息，由可见/红外光分光镜2-2将可见与近红外波段分离,将红外辐射透射至红外光纤端面成像；将可见光反射至可见光分光镜2-1，由可见光分光镜2-1将大部分可见光再度反射至可见光光纤端面成像，两路光传输到对应的光谱仪，经过光谱仪自带的探测器转换成电信号后分别由对应的USB通讯接口送往数据处理终端，最后由数据处理软件对光谱信息进行处理和分析，得到辐射源的温度信息。剩余部分可见光经可见光分光镜2-1透射进入观瞄CCD相机2-3，呈现目标画面，观瞄CCD相机2-3与接收镜头1保持光轴一致性，使操作者可直观地瞄准目标，能够代替人眼寻找最佳聚焦位置，保证光纤耦合效率。
可见光经两次反射一部分进入可见光纤，一部分透射传至观瞄CCD相机，实现辐射信息最大限度的利用，同时也可以为CCD衰减过强的辐射，起到保护作用。
本发明的成像式光谱辐射接收和分光一体化装置将接收镜头的成像装置与光谱分光耦合系统集成于一体，实现多光谱测温的便携式集成化设计；
通过设置可见/红外光分光镜2-2和可见光分光镜2-1并分别镀第一膜和第二膜，完成对红外光和可见光的分光，以及实现采集来自目标的多个光谱波段的辐射能量的要求；
本发明的装置设置可调光阑1-7消除杂光，衰减辐射强度，并通过可见光分光镜2-1将一部分可见光能量透射到观瞄CCD相机2-3，降低可见光的辐射能量，防止强辐射下的能量饱和，提高检测精度；
并且，本发明的装置设置有红外光纤和可见光纤，分别在红外光纤端面和可见光纤端面进行成像，即将纤芯直径作为视场，小视场避免了多温场效应，提高了热辐射谱的解算精度；
同时，通过观瞄CCD相机2-3直观的监测成像画面，并进行水平或竖直方向上的微调，使成像画面更加清晰，以及对可见光纤接口2-4和红外光纤接口2-5在竖直方向上的微调，使可见光纤和红外光纤能够对准光路，从而提高检测精度。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种成像式光谱辐射接收和分光一体化装置，其特征在于，所述装置包括接收镜头和分光耦合系统；
所述接收镜头包括法兰盘和可调光阑，所述可调光阑用于消除杂光，衰减辐射强度；
所述分光耦合系统包括可见/红外分光镜、可见光分光镜、观瞄CCD相机、红外光纤接口、可见光纤接口和内部法兰；
所述接收镜头与所述分光耦合系统通过所述内部法兰和所述法兰盘连接；
所述可见/红外光分光镜上镀有第一膜并与水平面成45°，用于波段分光，将来自所述接收镜头的热辐射中的可见光进行反射，将红外光进行透射；
所述可见光分光镜与所述可见/红外光分光镜平行设置，并位于所述可见/红外光分光镜的正上方，接收来自所述可见/红外光分光镜反射的所述可见光，所述可见光分光镜上镀有第二膜，用于能量分光，将接收到的所述可见光的辐射能量一部分反射，另一部分透射；
所述观瞄CCD相机位于所述可见光分光镜的正上方，用于接收经所述可见光分光镜透射的所述可见光，在所述观瞄CCD相机的成像面进行成像，所述观瞄CCD相机的位置支持在水平或竖直方向上进行微调；
所述红外光纤接口位于所述可见/红外光分光镜的透射光线的光路上，支持在竖直方向上进行微调，用于接收经所述可见/红外光分光镜透射的所述红外光；与所述红外光纤接口连接有红外光纤，所述红外光经所述红外光纤接口在红外光纤端面成像；
所述可见光纤接口位于所述可见光分光镜的反射光线的光路上，支持在竖直方向上进行微调，用于接收经所述可见光分光镜反射的所述可见光；与所述可见光纤接口连接有可见光纤，所述可见光经所述可见光纤接口在可见光纤端面成像；
所述接收镜头为反远距定焦镜头；
所述接收镜头还包括主镜头和次镜头；
所述主镜头从前往后依次竖直设置有第一透镜压圈、第一透镜、隔圈和第二透镜；
所述次镜头从前往后依次竖直设置有第三透镜压圈和第三透镜；
所述主镜头和所述次镜头分别位于所述法兰盘的前后两端，并通过所述法兰盘衔接；
所述可调光阑位于所述第二透镜与所述第三透镜之间；
所述第一透镜压圈、所述第一透镜、所述隔圈、所述第二透镜、所述可调光阑、所述第三透镜压圈和所述第三透镜的中心轴线与所述接收镜头的光轴同轴。
2.根据权利要求1所述的一种成像式光谱辐射接收和分光一体化装置，其特征在于，所述接收镜头还包括镜筒套，套在所述主镜头的前端，使用时，摘下。
3.根据权利要求1所述的一种成像式光谱辐射接收和分光一体化装置，其特征在于，所述装置还包括红外光光谱仪与可见光光谱仪；
所述红外光光谱仪通过所述红外光纤与所述红外光纤接口连接，接收所述红外光在所述红外光纤端面所成的像；
所述可见光光谱仪通过所述可见光纤与所述可见光纤接口连接，接收所述可见光在所述可见光纤端面所成的像。
4.根据权利要求3所述的一种成像式光谱辐射接收和分光一体化装置，其特征在于，所述红外光光谱仪上设置有第一探测器和第一USB通信接口；
所述可见光光谱仪上设置有第二探测器和第二USB通信接口；
所述第一探测器与第二探测器分别用于将接收到的所述红外光在所述红外光纤端面所成的像与所述可见光在所述可见光纤端面所成的像分别转换成具有光谱信息的电信号，再分别由第一USB通信接口和第二USB通信接口输出。
5.根据权利要求4所述的一种成像式光谱辐射接收和分光一体化装置，其特征在于，所述装置还包括数据处理终端，通过所述第一USB通信接口与所述红外光光谱仪连接，通过所述第二USB通信接口与所述可见光光谱仪连接，分别接收所述第一USB通信接口、所述第二USB通信接口输出的所述光谱信息；
所述数据处理终端还与所述观瞄CCD相机连接。
6.根据权利要求5所述的一种成像式光谱辐射接收和分光一体化装置，其特征在于，所述数据处理终端上设置有数据处理软件，用于对所述光谱信息进行处理和分析，得到辐射源的温度信息。
7.根据权利要求1所述的一种成像式光谱辐射接收和分光一体化装置，其特征在于，镀有所述第一膜的所述可见/红外光分光镜对400nm-900nm波段的可见光进行反射，对900nm-1700nm波段的红外光进行透射。
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