CN113866958A - 测温光学系统以及光学设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测温光学系统以及光学设备，测温光学系统包括透镜、分束镜、第一滤波片、第一探测器、第二滤波片以及第二探测器，被测物体辐射的光线沿入射光轴经透镜聚焦到分束镜上且一部分光线透射经过分束镜后发生偏移并通过第一滤波片后被第一探测器接收，另一部分光线经过分束镜反射后穿过第二滤波片后被第二探测器接收，其中，第一探测器的轴心布置在偏移后光线的光轴上，本发明在原有分束光学系统的基础上，将主光路探测器的位置进行偏移，使得光学系统的机械中心随光轴变化而变化进而使透射光路光斑的光学中心与透射光路的探测器的机械中心重合，既可以避免由于能量不能全部被探测器探测到所引起的误差，同时又可以有效的利用探测器。

Description

测温光学系统以及光学设备
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，具体地，涉及一种测温光学系统以及光学设备。
背景技术
红外测温技术是一种常见的温度测定技术，该技术采用非接触测温法，拥有不干扰温场、响应速度快等优点，满足了工业在线检测工作的需求。
现有的非调制双色红外测温光学系统均采用光轴一致的原则，但由于主光路光束经过分束镜，光轴会产生一定偏移，最终到达探测器的光斑与探测器中心存在偏差。当探测器面积较小时，会对主光路部分的光斑进行一定的遮挡，使得光斑变形，且主光路的能量并不能全部由探测器探测到，由此会产生较大的测量误差。当探测器面积足够大时，虽然能量不会发生变化，但是探测器不能得到充分利用。红外测温系统安装可能会产生偏移或倾斜，由此会引起测量误差。因此，现有非调制双色红外测温光学系统还存在缺陷，需要进一步待改进。
专利文献CN213067942U公开了一种双色红外测温仪，包括测温仪本体，测温仪本体内部设有红外测温的光学系统，主要包括视场光阑、透镜、分光镜、第一孔径光阑、第二孔径光阑、第一滤波片、第二滤波片等结构；测温仪本体内部还设有第一红外探测器、第二红外探测器，将光信号转变为电信号，但该设计增加孔径光阑，使得结构更加复杂。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种测温光学系统以及光学设备。
根据本发明提供的一种测温光学系统，包括透镜、分束镜、第一滤波片、第一探测器、第二滤波片以及第二探测器；
被测物体辐射的光线沿入射光轴经所述透镜聚焦到所述分束镜上且一部分所述光线透射经过所述分束镜后发生偏移并通过第一滤波片后被所述第一探测器接收，另一部分所述光线经过所述分束镜反射后穿过所述第二滤波片后被第二探测器接收；
其中，所述第一探测器的轴心布置在偏移后的所述光线的光轴上。
优选地，偏移后的所述光线的光轴的位置通过光学仿真软件获得。
优选地，透射光路经过第一滤波片后的光斑的大小小于第一探测器的有效接收面积。
优选地，反射光线经过第二滤波片的光斑大小小于第二探测器的有效接收面积。
优选地，所述透镜采用平凸透镜，所述分束镜采用红外二向分束镜，所述第一探测器、第二探测器均采用红外光电二极管。
优选地，辐射的光线为红外光、紫外光、可见光中的任一种。
优选地，所述透镜、分束镜、第一滤波片依次同轴间隔布置。
优选地，所述第一滤波片和第一探测器紧密贴合布置。
优选地，所述第二滤波片和第二探测器紧密贴合且同轴布置。
根据本发明提供的一种光学设备，包括安装壳体，所述安装壳体中包括分别用于安装透镜、分束镜、第一滤波片、第一探测器、第二滤波片、第二探测器的透镜安装点位、分束镜安装点位、第一滤波片安装点位、第一红外探测器安装点位、第二滤波片安装点位、第二红外探测器安装点位。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明在原有的分束光学系统的基础上，将主光路的探测器的位置进行一定的偏移，使得光学系统的机械中心随光轴变化而变化，使得透射光路的光斑的光学中心与透射光路的探测器的机械中心重合，既可以避免由于能量不能全部被探测器探测到所引起的误差，同时也可以有效的利用探测器。
2、本发明中光学系统最终光斑小于探测器有效接收面积，可以在一定程度上避免光学系统安装偏移或倾斜等引起的误差，能够保证成像范围的准确度，应用于非调制双色红外测温领域，可以有效提高测温精度。
3、本发明结构简单，通用性好。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例的非调制双色红外测温光学系统示意图；
图2为本发明实施例光线传输示意图；
图3为本发明实施例的红外测温光学系统的机械结构示意图；
图4为本发明实施例的最终光斑与红外探测器有效面积比值示意图。
图中示出：
被测物体101 透镜安装点位201
透镜102 分束镜安装点位202
分束镜103 第一滤波片安装点位203
第一滤波片104 第一红外探测器安装点位204
第一红外探测器105 第二滤波片安装点位205
第二滤波片106 第二红外探测器安装点位206
第二红外探测器107
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
本发明提供了一种测温光学系统，如图1、图2所示，包括透镜102、分束镜103、第一滤波片104、第一探测器105、第二滤波片106以及第二探测器107，被测物体101辐射的光线沿入射光轴经所述透镜102聚焦到所述分束镜103上且一部分所述光线透射经过所述分束镜103后发生偏移并通过第一滤波片104后被所述第一探测器105接收，另一部分所述光线经过所述分束镜103反射后穿过所述第二滤波片106后被第二探测器107接收，两路光信号各自经过转换和信号处理后做比值处理模拟目标温度变化，透镜102实现聚焦功能，分束镜103将光束按特定波长分为反射和透射两束光，第一滤波片104、第二滤波片106用于实现滤波作用，第一红外探测器105、第二红外探测器107实现测量工作，其中，所述第一探测器105的轴心布置在偏移后的所述光线的光轴上，使得落在第一探测器105上的光斑的中心位于第一探测器105的轴心上。本发明通过对光轴的优化设计，避免了由于分束镜103对光轴的偏移所引起的测量误差。
进一步地，本发明中辐射的光线适用于红外光、紫外光、可见光中的任一种。本发明中偏移后的所述光线的光轴的位置通过光学仿真软件获得，光学仿真软件优选采用Zamax软件，Zemax软件包括光学设计软件OpticStudio，OpticStudio是光学、照明以及激光系统设计软件，适用于航天工程、天文探测、自动化、生物医学研究、消费电子产品以及机器视觉领域。
需要注意的是，透射光路经过第一滤波片104后的光斑的大小小于第一探测器105的有效接收面积，反射光线经过第二滤波片106的光斑大小小于第二探测器107的有效接收面积。光学系统最终光斑小于探测器有效接收面积，可以在一定程度上避免光学系统安装偏移或倾斜等引起的误差对测量结果的影响。
在实际应用中，第一探测器105和第二探测器107的光斑与探测器有效接收面积的比值由光学系统的参数及应用场景决定，第一探测器105的中心与入射光轴存在的偏移量由光学系统的参数决定。
在具体的结构设计中，所述透镜102垂直于辐射的光线的光轴布置，所述分束镜103与辐射的光线的光轴形成夹角，夹角优选为45°，所述透镜102、分束镜103、第一滤波片104依次同轴间隔布置，所述第一滤波片104和第一探测器105紧密贴合布置，所述第二滤波片106和第二探测器107紧密贴合且同轴布置。
本发明还提供了一种光学设备，包括安装壳体，安装壳体中包括分别用于安装权利要求1至9中任一项的透镜102、分束镜103、第一滤波片104、第一探测器105、第二滤波片106、第二探测器107的透镜安装点位201、分束镜安装点位202、第一滤波片安装点位203、第一红外探测器安装点位204、第二滤波片安装点位205、第二红外探测器安装点位206。
本发明在原有的分束光学系统的基础上，将主光路的探测器的位置进行一定的偏移，使得光学系统的机械中心随光轴变化而变化。此高精度分束光学系统可以使得透射光路的光斑的光学中心与透射光路的探测器的机械中心重合，既可以避免由于能量不能全部被探测器探测到所引起的误差，同时也可以有效的利用探测器，本发明应用于非调制双色红外测温领域，可以有效提高精度。
需要说明的是，本发明实施例中的系统仅为以非调制双色红外测温装置为例的较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围：其中，光学系统可以为任何光谱系统，包括但不限于红外、紫外、可见光等光学系统；光学系统还包含任何需要进行光轴偏移的系统；进行偏移设计的器件不限于探测器；偏移量的计算不限于Zemax仿真，甚至不限于软件仿真，红外测温系统可参照本方案实施。
实施例2：
本实施例为实施例1的优选例。
本实施例中，本发明的透镜102采用平凸透镜，直径采用24mm,焦距选用75mm；本发明的分束镜103采用红外二向分束镜，直径采用35mm；第一探测器105、第二探测器107均采用红外光电二极管(PbSe)，红外测温系统的光路获得的能量由红外光电二极管进行光电转换，其所能探测的光斑规格选取为2.4mm*2.4mm。
本实施例中，将上述透镜102、分束镜103等光学器件的参数输入到光学仿真软件中，以Zamax为例，参数输入后，经计算可得第一红外探测器105的偏移量可以采用0.5mm；光学系统最终光斑可以为探测器有效接收面积的85％，如图4所示。
本实施例中，如图3所示，红外测温光学系统的各部分在光学设备中的安装位置为：
将透镜102安装于透镜安装点位201，将分束镜103安装于分束镜安装点位202,将第一滤波片104和第二滤波片106分别安装在第一滤波片安装点位203和第二滤波片安装点位205，第一红外探测器105贴紧第一滤波片104并偏移一定距离安装于第一红外探测器安装点位204，第二红外探测器107贴紧第二滤波片106同轴安装在第二红外探测器安装点位206即可。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种测温光学系统，其特征在于，包括透镜(102)、分束镜(103)、第一滤波片(104)、第一探测器(105)、第二滤波片(106)以及第二探测器(107)；
被测物体(101)辐射的光线沿入射光轴经所述透镜(102)聚焦到所述分束镜(103)上且一部分所述光线透射经过所述分束镜(103)后发生偏移并通过第一滤波片(104)后被所述第一探测器(105)接收，另一部分所述光线经过所述分束镜(103)反射后穿过所述第二滤波片(106)后被第二探测器(107)接收；
其中，所述第一探测器(105)的轴心布置在偏移后的所述光线的光轴上。
2.根据权利要求1所述的测温光学系统，其特征在于，偏移后的所述光线的光轴的位置通过光学仿真软件获得。
3.根据权利要求1所述的测温光学系统，其特征在于，透射光路经过第一滤波片(104)后的光斑的大小小于第一探测器(105)的有效接收面积。
4.根据权利要求3所述的测温光学系统，其特征在于，反射光线经过第二滤波片(106)的光斑大小小于第二探测器(107)的有效接收面积。
5.根据权利要求1所述的测温光学系统，其特征在于，所述透镜(102)采用平凸透镜，所述分束镜(103)采用红外二向分束镜，所述第一探测器(105)、第二探测器(107)均采用红外光电二极管。
6.根据权利要求1所述的测温光学系统，其特征在于，辐射的光线为红外光、紫外光、可见光中的任一种。
7.根据权利要求1所述的测温光学系统，其特征在于，所述透镜(102)、分束镜(103)、第一滤波片(104)依次同轴间隔布置。
8.根据权利要求1所述的测温光学系统，其特征在于，所述第一滤波片(104)和第一探测器(105)紧密贴合布置。
9.根据权利要求1所述的测温光学系统，其特征在于，所述第二滤波片(106)和第二探测器(107)紧密贴合且同轴布置。
10.一种光学设备，其特征在于，包括安装壳体，所述安装壳体中包括分别用于安装权利要求1至9中任一项所述的透镜(102)、分束镜(103)、第一滤波片(104)、第一探测器(105)、第二滤波片(106)、第二探测器(107)的透镜安装点位(201)、分束镜安装点位(202)、第一滤波片安装点位(203)、第一红外探测器安装点位(204)、第二滤波片安装点位(205)、第二红外探测器安装点位(206)。
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