CN113758575A - 一种多光谱线温高温测量装置和方法 - Google Patents

一种多光谱线温高温测量装置和方法 Download PDF

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CN113758575A CN202111049257.2A CN202111049257A CN113758575A CN 113758575 A CN113758575 A CN 113758575A CN 202111049257 A CN202111049257 A CN 202111049257A CN 113758575 A CN113758575 A CN 113758575A
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Abstract

本发明提出一种多光谱线温高温测量装置和方法，属于多光谱测温技术领域。一种多光谱线温高温测量装置，包括透镜组、狭缝、正交柱状透镜组、倒置的扩束系统、组合分光棱镜、暗箱透镜、反射镜和线阵探测器阵列；被测物体发出混合热辐射光谱，经过透镜组进行光线的汇聚，汇聚后的光线通过狭缝发散经正交柱状透镜组、倒置的扩束系统和组合分光棱镜射入暗箱透镜，所述组合分光棱镜把不同类型的组合光进行分开，暗箱透镜将分开的光中具有同色的光汇聚，再通过反射镜将波长信息分量投射到探测器阵列上，获取待测物体的位置信息和光谱信息；使每个光斑的长宽都限制在了探测器的尺寸内。解决了分布式线温高温测量产生相差影响测量不精准的问题。

Description

一种多光谱线温高温测量装置和方法
技术领域
本申请涉及一种线温高温测量装置，尤其涉及一种多光谱线温高温测量装置和方法，属于多光谱测温技术领域。
背景技术
多波长辐射测温技术是高温目标测量的最有力工具之一。它是利用目标的多光谱辐射测量信息,经过数据处理得到目标真温和材料光谱发射率，因此获得每个光谱通道的精准的光谱波长值和光谱辐射信息是数据处理的关键所在。
目前，多光谱高温计仍局限于单点测温，如果仍采用这种光路测线温，则会产生畸变，从而影响探测器接受辐射能量。而分布式线温测量在工业应用中，如焊接、火箭发动机尾喷焰温度分布等领域也有大量的实际需求，为此需要研制多光谱线温高温计。线温高温计需要将被测目标的一条线上的所有辐射信息都需要一个光路精准的传递到探测器上。如果直接把测量单点的多光谱高温计进行多点组合，由于离轴部分的经物镜透镜组后，会产生由于被测点距离光轴大小远近不同而导致产生的严重的像差如畸变等(参照图6至-7)，与探测器阵列单元难以匹配。
为此，本发明提出了一种多光谱线温高温测量装置和方法，可以大大减少像差对测量的影响。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为解决现有技术中存在的分布式线温高温测量产生相差影响测量不精准的技术问题，本发明提供了一种多光谱线温高温测量装置，包括透镜组、狭缝、正交柱状透镜组、组合分光棱镜、暗箱透镜、反射镜和线阵探测器阵列；
所述透镜组、狭缝、正交柱状透镜组、组合分光棱镜、暗箱透镜、反射镜和线阵探测器阵列依次排列；
多光谱线温高温计光学路径为：被测物体发出混合热辐射光谱，经过透镜组进行光线的汇聚，汇聚后的光线通过狭缝发散经正交柱状透镜组和组合分光棱镜射入暗箱透镜，所述组合分光棱镜把不同类型的组合光进行分开，暗箱透镜将分开的光中具有同色的光汇聚，再通过反射镜将波长信息分量投射到探测器阵列上，从而获取被测物体的位置信息和光谱信息；
所述被线阵探测器阵列为多个。
优选的，还包括倒置的扩束系统，所述倒置的扩束系统设置在交柱状透镜组和组合分光棱镜之间的光路上，倒置的扩束系统将目标光束汇聚的更加紧密，可以减少辐射信息的损失。
优选的，所述透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜与所述第二透镜相对设置，通过调节所述第一透镜到第二透镜之间的距离调整光线的走向。
优选的，所述正交柱状透镜组包括第一圆柱棱镜和第二圆柱棱镜，所述第一圆柱棱镜和所述第二圆柱棱镜垂直设置，通过调节第一圆柱棱镜和所述第二圆柱棱镜之间的距离抵消分光棱镜和暗箱透镜引起的相差，使光斑的长度与探测器的长度一致。
优选的，所述组合分光棱镜包括第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜，所述第一棱镜的入射面为组合分光棱镜的入射面，所述第一棱镜的出射面与所述第二棱镜的入射面紧密连接在一起，所述第二棱镜的出射面与所述第三棱镜的入射面紧密连接在一起。
优选的，所述透镜组的焦距为210mm，所述正交柱状透镜组的焦距为30mm、所述暗箱透镜焦距为420mm；所述倒置的扩束系统的焦距为20mm。
优选的，所述透镜组与所述狭缝之间的距离为210mm；
所述狭缝与所述正交柱状透镜组之间的距离为40mm；
所述正交柱状透镜组与所述组合分光棱镜之间的光轴夹角为18.5°；
所述正交柱状透镜组与所述倒置的扩束系统之间的距离为50mm；
所述倒置的扩束系统与所述组合分光棱镜之间的距离是40mm；
所述组合分光棱镜与所述暗箱透镜之间的光轴夹角为20.7°；
所述暗箱透镜与所述反射镜之间的距离为70mm；
反射镜与所述线阵探测器阵列之间的距离为313mm。
优选的，将所述正交柱状透镜组替换成正交双圆柱组。
优选的，将所述正交柱状透镜组替换成单个半圆柱状透镜。
一种多光谱线温高温测量方法，将透镜组放置在被测物体处，使得被测物体发出混合热辐射光谱，经过透镜组汇聚光线后经狭缝发散，再经正交柱状透镜组抵消相差，经过倒置扩束系统汇聚提高光线的能量，减少辐射信息的损失，再经组合分光棱镜把不同类型的组合光进行分开，分开后的光射入暗箱透镜，暗箱透镜将分开的光中具有同色的光汇聚后通过反射镜将波长信息分量投射到探测器阵列上，从而获取待测物体的位置信息和光谱信息。
本发明的有益效果如下：本发明通过增加了透镜组，可以根据物距调节主物镜的焦距，使得成像更加清晰，又增添了正交柱状透镜组，使每个光斑的长宽都限制在了探测器的尺寸之内，并且更为理想地消除了像差，达到了更为理想的成像效果。再经过倒置的扩束系统，将目标光束汇聚得更加紧密，提高光线能量，使探测器能够更好的接收辐射能量信息。解决现有技术中存在的分布式线温高温测量产生相差影响测量不精准的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的装置结构示意图；
图2为本发明实施例所述光束经过透镜组成像示意图；
图3为本发明实施例所述正交柱状透镜组成像效果示意图；
图4为本发明实施例所述正交双圆柱状透镜组成像效果示意图；
图5为本发明实施例所述单个半圆柱状透镜组成像效果示意图；
图6为本发明实施例所述现有技术与本发明的效果对比示意图；其中那个(a)为存在畸变的传统高温计光路效果示意图；(b)为本发明无畸变的高温计光路效果示意图；
图7为本发明实施例所述现有技术中存在问题的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1、参照图1-图7说明本实施方式，本实施例的一种多光谱线温高温测量装置，包括透镜组L1、狭缝T、正交柱状透镜组L2、组合分光棱镜P、暗箱透镜L4、反射镜M和线阵探测器阵列A；
所述透镜组L1、狭缝T、正交柱状透镜组L2、组合分光棱镜P、暗箱透镜L4、反射镜M和线阵探测器阵列A依次排列；
多光谱线温高温计光学路径为：被测物体发出混合热辐射光谱，经过透镜组L1进行光线的汇聚，汇聚后的光线通过狭缝T发散经正交柱状透镜组L2和组合分光棱镜P射入暗箱透镜L4，所述组合分光棱镜P把不同类型的组合光进行分开，暗箱透镜L4将分开的光中具有同色的光汇聚，再通过反射镜M将波长信息分量投射到探测器阵列A上，从而获取待测物体的位置信息和光谱信息；
所述被线阵探测器阵列A为多个。
具体的，所述透镜组L1包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜为与所述第二透镜相对设置，通过调节所述第一透镜到第二透镜之间的距离调整光线的走向。所述透镜组L1的焦距为210mm，所述透镜组L1与所述狭缝T之间的距离为210mm；
具体的，所述第一透镜包括第一凸透镜和第二凸透镜；所述第二透镜为凹透镜，所述凹透镜设置在第一凸透镜和第二凸透镜中间位置；所述第一凸透镜与所述凹透镜之间的距离为5.51mm；所述凹透镜与所述第二凸透镜之间的距离为11mm；
具体的，透镜组L1设置在被测物体处，被测物体发出混合热辐射光谱摄入第一透镜经第二透镜射出，形成光线汇聚。
具体的，所述透镜组L1为正负组合透镜。
具体的，通过透镜组L1进行光线汇聚，可以减小远轴传输产生的色散和球差，对一定距离范围内的被测目标进行成像，通过调整各个透镜之间的距离，实现在范围内的任一距离处多个点尽可能的理想成像，使其与物面一一缩放对应。
具体的，汇聚后的光线通过狭缝T发散后摄入正交柱状透镜组L2。所述狭缝T与所述正交柱状透镜组L2之间的距离为40mm；
具体的，所述正交柱状透镜组L2包括第一圆柱棱镜和第二圆柱棱镜，所述第一圆柱棱镜和所述第二圆柱棱镜垂直设置，通过调节第一圆柱棱镜和所述第二圆柱棱镜之间的距离抵消分光棱镜P和暗箱透镜L4引起的相差，使光斑的长度与探测器的长度一致。所述正交柱状透镜组L2的焦距为30mm，所述正交柱状透镜组L2与所述组合分光棱镜P之间的光轴夹角为18.5°；
具体的，通过狭缝T发散后的光摄入第一圆柱棱镜经第二圆柱棱镜射出，互相垂直的圆柱棱镜起到了对光斑辐射的作用，通过调整第一圆柱棱镜和第二圆柱棱镜之间的距离等参数抵消由分光棱镜和暗箱透镜引起的像差，使得光斑的长度与探测器长度一致，从而达到将窄带光斑的各波长信息能被完整采集。
参照图3，图3所示的成像效果图由内向外，窄带条形光斑宽度分别为：0.4404mm，0.4139mm，0.3147mm，0.2330mm。光斑由0视场往外向大视场变化的时候，光斑的宽度具有越来越小的趋势，是因为选择像面的时候手动调整了一下，并不是0视场时的光斑成像最好，而是为了平衡大视场的光斑成像的宽度，改变了像面的位置。可以看到每个光斑的长宽都限制在了探测器的尺寸之内，长宽数据好，达到了很好的成像效果。
具体的，所述组合分光棱镜P包括第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜，所述第一棱镜的入射面为组合分光棱镜P的入射面，所述第一棱镜的出射面与所述第二棱镜的入射面紧密连接在一起，所述第二棱镜的出射面与所述第三棱镜的入射面紧密连接在一起。
具体的，正交柱状透镜组L2射出的光经组合分光棱镜P，组合分光棱镜P把射入的不同类型的组合光分开后射入暗香透镜L3；所述暗箱透镜L4焦距为420mm；所述组合分光棱镜P与所述暗箱透镜L4之间的光轴夹角为25°；
具体的，不同类型的组合光具体是指被测物体的热辐射散发出的光。
具体的，暗箱透镜L4将分开的光中具有同色的光汇聚，再通过反射镜M将波长信息分量投射到探测器阵列A上，从而获取待测物体的位置信息和光谱信息；所述暗箱透镜L4与所述反射镜M之间的距离为70mm；反射镜M与所述线阵探测器阵列A之间的距离为313mm。
具体的，将正交柱状透镜组L2替换成正交双圆柱组。
具体的，将正交柱状透镜组L2替换单个半圆柱状透镜。
具体的，正交柱状透镜组L2是整个装置光路结构的主物镜，它可以在预想的指定距离范围内调整焦距，方便该装置测量不同距离的目标，通常使用办法是调整物镜的结构(190mm-220mm)使其焦距和任一目标的距离相匹配，可根据缩小、放大、等大的成像目标进行改变焦距，使得最大程度上获得最清晰的成像效果。将物镜调整后使得目镜上可以清晰的看见与目标距离一致的十字叉，即完成调焦过程。
实施例2、参照图1说明本实施例，的一种多光谱线温高温测量装置，包括透镜组L1、狭缝T、正交柱状透镜组L2、组合分光棱镜P、暗箱透镜L4、反射镜M和线阵探测器阵列A；
所述透镜组L1、狭缝T、正交柱状透镜组L2、倒置的扩束系统L3、组合分光棱镜P、暗箱透镜L4、反射镜M和线阵探测器阵列A依次排列；
多光谱线温高温计光学路径为：被测物体发出混合热辐射光谱，经过透镜组L1进行光线的汇聚，汇聚后的光线通过狭缝T发散经正交柱状透镜组L2，正交柱状透镜组L2抵消相差，再经过倒置的扩束系统L3汇聚，提高光线的能量，减少辐射信息的损失；再经过组合分光棱镜P把不同类型的组合光分开后射入暗箱透镜L4，暗箱透镜L4将分开的光中具有同色的光汇聚，再通过反射镜M将波长信息分量投射到探测器阵列A上，从而获取待测物体的位置信息和光谱信息；
所述被线阵探测器阵列A为多个。
具体的，所述透镜组L1包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜与所述第二透镜相对设置，通过调节所述第一透镜到第二透镜之间的距离调整光线的走向。
所述正交柱状透镜组L12包括第一圆柱棱镜和第二圆柱棱镜，所述第一圆柱棱镜和所述第二圆柱棱镜垂直设置，通过调节第一圆柱棱镜和所述第二圆柱棱镜之间的距离抵消分光棱镜和暗箱透镜引起的相差，使光斑的长度与探测器的长度一致。
所述第一圆柱棱镜和第二圆柱棱镜之间的距离为11.5mm；
所述组合分光棱镜P包括第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜，所述第一棱镜的入射面为组合分光棱镜P的入射面，所述第一棱镜的出射面与所述第二棱镜的入射面紧密连接在一起，所述第二棱镜的出射面与所述第三棱镜的入射面紧密连接在一起。
所述倒置的扩束系统L13包括平凸型柱面镜和凹面透镜；所述平凸型柱面镜的入射面为倒置的扩束系统L13的入射面，所述平凸型柱面镜和凹面透镜平行设置，光线经过输入镜将入射的光束聚焦在虚焦点输出平行光，再透过凹面镜，实现对光束发散角的压缩，缩小光斑的尺寸。被接收的光束的直径如果越大，光斑的尺寸就越小。扩束系统倒置就是要完成将光束直径变小，压缩光束的空间发散角，获得更高的能量密度，使扩束后的光束满足系统的要求，传播某一种波长信息。从而是最终成像的光斑满足探测器的要求。
所述平凸型柱面镜和凹面透镜之间的距离为50mm；
所述透镜组的焦距为210mm，所述正交柱状透镜组的焦距为30mm、所述暗箱透镜焦距为420mm；所述倒置的扩束系统的焦距为20mm。
所述透镜组与所述狭缝之间的距离为210mm；
所述狭缝与所述正交柱状透镜组之间的距离为40mm；
所述正交柱状透镜组与所述组合分光棱镜之间的光轴夹角为18.5°；
所述正交柱状透镜组与所述倒置的扩束系统之间的距离为50mm；
所述倒置的扩束系统与所述组合分光棱镜之间的距离是40mm；
所述组合分光棱镜与所述暗箱透镜之间的光轴夹角为20.7°；
所述暗箱透镜与所述反射镜之间的距离为70mm；
反射镜与所述线阵探测器阵列之间的距离为313mm。
具体的，倒置的扩束系统L3，可以将被测目标的单根光束真宽或者分成多个光束，因为如果只有一根目标光束，各个波长的信息提取就会非常的麻烦或没有条理性，所以我们需要把这单束的目标光线分散，这种展宽或分散系统可以有多种方式，对于展宽而言，可以使用棱镜；而对于分散而言，我们可以使用光线束；或者在时间上将其分开让每一段时间内的目标光线是专门为了传播某一种波长信息。
对正交柱状透镜组L2的三种结构进行仿真实验：
实施例3、参照图1说明本实施例，本实施例的一种多光谱线温高温测量方法，将透镜组L1放置在被测物体处，使得被测物体发出混合热辐射光谱，经过透镜组L1汇聚光线后经狭缝T发散，再经正交柱状透镜组L2抵消相差，再经组合分光棱镜P把不同类型的组合光进行分开，分开后的光射入暗箱透镜L4，暗箱透镜L4将分开的光中具有同色的光汇聚后通过反射镜M将波长信息分量投射到探测器阵列A上，从而获取待测物体的位置信息和光谱信息。
参照图4说明正交双圆柱组仿真结果，从图中可以看出，对于小视场的成像结果是所需的条形窄带光斑，0视场的光斑宽度为0.022mm，最大视场处的光斑宽度为0.0092mm。
参照图5说明单个半圆柱状透镜仿真结果，从图可以看出，每个光点的成像的外形很好。通过关闭其他视场来观察某一个视场的光斑大小，由圆中心视角光斑沿直径向外视场光斑的宽度分别为0.003mm，0.0127mm，0.0512mm，0.1021mm。探测器宽度为0.9mm，所以光斑宽度远远小于探测器规定的宽度。
参照图3说明正交柱状透镜组L2仿真结果，从图中可以看出，光斑弯曲现象消失，并且通过调整正交柱状透镜之间的距离等参数抵消由分光棱镜和暗箱透镜引起的像差，使得光斑的长度与探测器长度一致，从而达到将窄带光斑的各波长信息能被完整采集。由内向外，窄带条形光斑宽度分别为：0.4404mm，0.4139mm，0.3147mm，0.2330mm。光斑由0视场往外向大视场变化的时候，改变了像面的位置，平衡大视场的光斑成像的宽度。可以看到每个光斑的长宽都限制在了探测器的尺寸之内，成像效果最好。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种多光谱线温高温测量装置，其特征在于，包括透镜组(L1)、狭缝(T)、正交柱状透镜组(L2)、组合分光棱镜(P)、暗箱透镜(L4)、反射镜(M)和线阵探测器阵列(A)；
所述透镜组(L1)、狭缝(T)、正交柱状透镜组(L2)、组合分光棱镜(P)、暗箱透镜(L4)、反射镜(M)和线阵探测器阵列(A)依次排列；
多光谱线温高温计光学路径为：被测物体发出混合热辐射光谱，经过透镜组(L1)进行光线的汇聚，汇聚后的光线通过狭缝(T)发散经正交柱状透镜组(L2)和组合分光棱镜(P)射入暗箱透镜(L4)，所述组合分光棱镜(P)把不同类型的组合光进行分开，暗箱透镜(L4)将分开的光中具有同色的光汇聚，再通过反射镜(M)将波长信息分量投射到探测器阵列(A)上，从而获取被测物体的位置信息和光谱信息；
所述被线阵探测器阵列(A)为多个。
2.根据权利要求1所述的一种多光谱线温高温测量装置，其特征在于，还包括倒置的扩束系统(L3)，所述倒置的扩束系统(L3)设置在交柱状透镜组(L2)和组合分光棱镜(P)之间的光路上，倒置的扩束系统(L3)将目标光束汇聚的更加紧密，可以减少辐射信息的损失。
3.根据权利要求2所述的一种多光谱线温高温测量装置，其特征在于，所述透镜组(L1)包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜与所述第二透镜相对设置，通过调节所述第一透镜到第二透镜之间的距离调整光线的走向。
4.根据权利要求3所述的一种多光谱线温高温测量装置，其特征在于，所述正交柱状透镜组(L2)包括第一圆柱棱镜和第二圆柱棱镜，所述第一圆柱棱镜和所述第二圆柱棱镜垂直设置，通过调节第一圆柱棱镜和所述第二圆柱棱镜之间的距离抵消分光棱镜(P)和暗箱透镜(L4)引起的相差，使光斑的长度与探测器的长度一致。
5.根据权利要求4所述的一种多光谱线温高温测量装置，其特征在于，所述组合分光棱镜(P)包括第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜，所述第一棱镜的入射面为组合分光棱镜(P)的入射面，所述第一棱镜的出射面与所述第二棱镜的入射面紧密连接在一起，所述第二棱镜的出射面与所述第三棱镜的入射面紧密连接在一起。
6.根据权利要求5所述的一种多光谱线温高温测量装置，其特征在于，所述透镜组(L1)的焦距为210mm，所述正交柱状透镜组(L2)的焦距为30mm、所述暗箱透镜(L4)焦距为420mm；所述倒置的扩束系统(L3)的焦距为20mm。
7.根据权利要求6所述的一种多光谱线温高温测量装置，其特征在于，所述透镜组(L1)与所述狭缝(T)之间的距离为210mm；
所述狭缝(T)与所述正交柱状透镜组(L2)之间的距离为40mm；
所述正交柱状透镜组(L2)与所述组合分光棱镜(P)之间的光轴夹角为18.5°；
所述正交柱状透镜组(L2)与所述倒置的扩束系统(L3)之间的距离为50mm；
所述倒置的扩束系统(L3)与所述组合分光棱镜(P)之间的距离是40mm；
所述组合分光棱镜(P)与所述暗箱透镜(L4)之间的光轴夹角为20.7°；
所述暗箱透镜(L4)与所述反射镜(M)之间的距离为70mm；
反射镜(M)与所述线阵探测器阵列(A)之间的距离为313mm。
8.根据权利要求7所述的一种多光谱线温高温测量装置，其特征在于，将所述正交柱状透镜组(L2)替换成正交双圆柱组。
9.根据权利要求8所述的一种多光谱线温高温测量装置，其特征在于，将所述正交柱状透镜组(L2)替换成单个半圆柱状透镜。
10.一种多光谱线温高温测量方法，其特征在于，将透镜组(L1)放置在被测物体处，使得被测物体发出混合热辐射光谱，经过透镜组(L1)汇聚光线后经狭缝(T)发散，再经正交柱状透镜组(L2)抵消相差，经过倒置的扩束系统(L3)汇聚提高光线的能量，减少辐射信息的损失，再经组合分光棱镜(P)把不同类型的组合光进行分开，分开后的光射入暗箱透镜(L4)，暗箱透镜(L4)将分开的光中具有同色的光汇聚后通过反射镜(M)将波长信息分量投射到探测器阵列(A)上，从而获取待测物体的位置信息和光谱信息。
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