CN117433639A - 基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温方法，包括：步骤1：根据测温范围精度需求，确定离散波段范围或光谱范围；步骤2：构建超色差超构透镜；步骤3：制备并按照光场成像原理封装超构透镜与图像传感芯片；步骤4：利用黑体炉对基于超构透镜的光场相机多光谱测温系统进行标定；步骤5：利用测温系统采集多光谱高温部件多光谱图像；步骤6：根据光场相机成像特性，对多光谱图像进行解耦；步骤7：利用解耦数据依次计算高温部件物点真实温度，获取高温部件二维真实温度场。本发明采用单镜头光学系统和超色差超构透镜阵列实现多光谱测温，光学系统简单，可解算二维真实温度场。

Description

基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温 方法

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，具体地，涉及一种基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温方法。

背景技术

目前，高温部件的测温方式可分为接触式测温与非接触式测温。其中，非接触式测温具有对被测物体无影响、动态响应好、输出信号较大、测量精度较高、测量的范围较宽等优点而备受关注，非接触式测温主要以辐射测温方法为主，包括亮度测温法、比色测温法以及多光谱辐射测温法等。

其中，多光谱测温方法通过测量多个波长(几个到几十个不等)的辐射亮度，根据发射率解算目标真温，在辐射测温领域应用较为广泛。传统多光谱高温计一般为点测量或者测量区域较小，难以能获得被测物表面整体二维温度场，无法避免被测物局部误差。在飞行器、涡轮机叶片以及其他高温部件表面温度测量时，为获得高温部件表面二维温度场，避免局部误差，更加清晰准确的评估高温部件整体工作状态，研究人员提出了基于面阵CCD(Charge-coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)测温的光学系统及其适用算法。

近些年，随着计算机视觉领域软硬件的飞速发展，国内外关于面阵CCD辐射测温方法的研究取得了较大进步。但是目前一块彩色感光芯片最多只能采集三个波段(RGB)的多光谱，若实现更多光谱图像采集需要采用相机阵列或者多路分光的方式，其光学采集系统仍会非常复杂，难以实用，构建适当的多光谱成像系统仍是困扰该领域的重要问题。同时，超表面的兴起也使得光学偏振、波长的调控可以更加灵活，光学系统高度集成化和微型化。

专利文献CN113758575A公开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、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。然而该专利无法完全解决上述存在的技术问题。

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基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温方法。

根据本发明提供的基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温方法，包括：

步骤1：根据测温范围精度需求，确定离散波段范围或光谱范围；

步骤2：构建超色差超构透镜；

步骤3：制备并按照光场成像原理封装超构透镜与图像传感芯片；

步骤4：利用黑体炉对基于超构透镜的光场相机多光谱测温系统进行标定；

步骤5：利用测温系统采集多光谱高温部件多光谱图像；

步骤6：根据光场相机成像特性，对多光谱图像进行解耦；

步骤7：利用解耦数据依次计算高温部件物点真实温度，获取高温部件二维真实温度场。

优选地，若超构透镜为偏振不敏感型，对于散焦型光场相机，主透镜后放置超构透镜阵列，主透镜前的高温物体平面与超构透镜的平面光学共轭，图像传感器位于超构透镜阵列的焦平面处；对于散焦型光场相机，超构透镜阵列的平面放置在主透镜成像面的前或后方位置，图像传感器的位置与主透镜的成像平面关于超构透镜光学共轭；若超构透镜为偏振敏感型，则在主透镜前或后方加上偏振片进行调制。

优选地，通过超构透镜将不同波长的光分别成像在图像传感器的不同位置，波段范围包含红外、近红外以及可见光范围，所分光的波长取离散的或者连续的，离散的波长数量选取3个或更多，连续的波长数量选取宽度范围为10纳米到数千个纳米，从而解耦出连续光谱中单个波长的强度，具有波长分辨率。

优选地，超构单元为周期性排布的亚波长尺寸的超构透镜的基本组成单元，超构单元由一层或多层基底或纳米柱/孔组成，纳米单元形状包括长方体、圆柱、U型、V型、狭缝几何结构，纳米柱的材料包括硅、氮化镓、氮化硅、二氧化钛和锗。

优选地，选取可见光作为波段设计的范围区间，通过仿真得到超构单元的光谱透射效率η_{R_L}，表达式为：

其中，Σ₀和Σ_i分别是超构单元的出射面和入射面；λ是工作波长；E_o和E_i分别是出射面和入射面的电场，A为校准系数；

通过扫描超构单元的尺寸，建立一个不同尺寸下对应的效率随波长变化的曲线图的数据库，得到每一个尺寸对应的曲线的峰值和半高宽。

优选地，实现超色差超构透镜功能所需要的超构单元排布方式为：

采用空间复用法，设计多个尺寸不同的超构单元去分别响应多个波长，最终将不同尺寸的超构单元交替周期排布成设计尺寸的单层或多层平面，组成超构透镜，在可见光波段设定m个工作波长，从数据库中对应选出每个的尺寸的超构单元，为保证m个超构单元在波长上串扰最小，m个超构单元的效率曲线之间的残差平方和满足：

其中，m是设定的工作波长数，n是仿真采样的波长数，η_j是响应第j个工作波长的超构单元的效率，λ_i是第i个工作波长；j、k为波长数中的序列号。

优选地，采用相位补偿法，设计多个尺寸不同的超构单元，每个超构单元排布时利用相位补偿，满足超构单元在排布位置处的每个波长的相位要求，超构单元提供相位差需满足：

根据几何相位原理，超构单元长方体柱的旋转的角度为阵列排布，表达式为：

其中，x和y是超构透镜表面的采样坐标，x_i和y_i是超构透镜的焦点横、纵坐标，f是焦距，λ_i是第i个工作波长。

优选地，根据光场相机成像特性，对多光谱图像进行解耦，通过光场系统拍摄的多光谱高温图像，标定每个波长的透射率和成像中心，光场相机多光谱图像的解耦方式采用光场相机多视角图像解耦的方式，实现同一物点不同波段下像点的对应确认，成像过程中保证被测部件的温度与超色差超构透镜对应，使得超构透镜多光谱光场相机响应满足预设信噪比。

优选地，依据多光谱辐射测温理论，当多光谱光场相机有n个波段时，第i个通道的输出信号强度V_i记为：

其中，A_λi为校准系数，其值为传感器灵敏系数、吸收系数以及第一辐射恒定常数的乘积；ε(λ_i,T)是目标真实温度T的光谱发射率；C₂为第二辐射常数；λ_i为第i个通道的工作波长；η_λi为第i个通道超构透镜的聚焦效率；T是目标的真实温度；i＝1,2,…,n；

采用黑体炉或钨丝灯对光场相机多光谱测温系统进行标定，当参考温度为T′时，第i个通道的输出信号强度V_i′为：

若则/>

优选地，在完成多光谱图像解耦后，单个物点真实温度解算过程为：

将(5)(6)两式相除取对数并整理得：

获取不同波段下的方程，通过解n个波段下的方程组，得到真实温度T，通过解算所有物点真实温度，得到高温部件二维真实温度场。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用光场相机实现高温部件多光谱辐射测温，利用单镜头光学系统实现多光谱测温，光学系统简单，简化了传统多光谱测温方法中的光学采集系统，结合了多光谱测温与面阵测温的优点，可解算二维真实温度场；同时，用超色差超构透镜阵列替换了传统的微透镜阵列以及主镜头前的滤波片阵列，使光学系统更加集成，对于推动多光谱辐射测温技术的发展具有一定的意义。

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本发明的基本流程图；

图2本发明涉及的某种超构单元结构示意图；

图3本发明的基于超构透镜阵列的光场相机多光谱测温系统工作原理示意图；

图4本发明中基于超构透镜阵列的光场相机多光谱图像示意图；

图5本发明中基于超构透镜阵列的光场多光谱图像解耦过程示意图。

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

本发明的基本操作流程如附图1所示，采用的多光谱光场相机成像系统基本构架如图3所示。

首先，选取Si材料作为超构单元中的长方体纳米柱材料，SiO₂作为衬底的材料，如图2所示，选取可见光作为波段设计的范围区间，通过FDTD仿真，得到超构单元对入射的右旋圆偏振光后，出射的左旋圆偏振光的偏振转换效率，定义为：

其中，Σ₀和Σ_i分别是超构单元的出射面和入射面，λ是监测波长，E_oL和E_iR分别是出射面的左旋圆偏振光电场和入射面的右旋圆偏振光电场。通过扫描超构单元的周期S、高度H、长度L和宽度W，建立一个不同尺寸下对应的偏振转换效率随波长变化的曲线图的数据库，找到每一个尺寸对应的曲线的峰值和半高宽。在可见光波段设定m个工作波长，从数据库中对应选出每个的尺寸的超构单元，满足尽可能小的半高宽，峰值分别位于设定的工作波长附近且峰值在50％以上。为了保证m个超构单元在波长上串扰最小，则m个超构单元的效率曲线之间的残差平方和需要满足：

其中，m是设定的工作波长数，n是仿真监测的波长数，η_j是响应第j个工作波长的超构单元的效率，λ_i是第i个监测波长。

再设计超构透镜的焦距和直径，算得超构透镜表面需提供的相位差为：

根据几何相位原理，超构单元长方体柱的旋转一定的角度并且阵列排布：

其中，x和y是超构透镜表面的采样坐标，x_i和y_i是超构透镜的焦点横、纵坐标，f是焦距，λ_i是第i个工作波长。m种尺寸的超构单元穿插交替阵列排布，如附图2所示，以实现单个超构透镜调控多波长的功能。

其次，将超构透镜将标准温度源(一般为黑体炉或者钨丝灯等)加热至适当高温T′(例如加热至1000K)，采用超色差超构透镜阵列调制后的光场相机(如附图2所示)对标准温度源进行成像，标定相机在不同波段λ_i下输出信号强度V_i′与标准温度T′之间对应关系(一般情况下则/>)：

其中，为校准系数，其值为传感器灵敏系数、吸收系数以及第一辐射恒定常数的乘积；ε(λ_i,T)是目标真实温度T的光谱发射率；/>为第i个通道超构透镜的聚焦效率；C₂为第二辐射常数；λ_i为第i个通道的有效波长；T′是为标准温度源的参考温度。

将该标准温度下的多光谱光场图像存为标定数据。

然后，使用标定后的多光谱光场相机对被测高温部件进行成像，其成像基本框架如附图2所示，采集高温部件光场多光谱图像，原始图像示意图如附图3所示，其中方框中为宏像素多光谱图像。

再次，根据光场相机多光谱成像过程及光场相机多视角图像解耦方法，解耦多光谱原始图像，在附图4中解耦像点S′的宏像素图像作为示例，如图4所示假设宏像素图像由4×4个像素组成，是一个16波段的二维多光谱图像，将按照从左到右从上到下的方式解耦为单个维度方向的多光谱图像。

最后，如图5，依据多光谱辐射测温理论及多光谱图像解耦过程，第i个通道的输出信号强度V_i可记为：

其中，为校准系数，其值为传感器灵敏系数、吸收系数以及第一辐射恒定常数的乘积；ε(λ_i,T)是目标真实温度T的光谱发射率；C₂为第二辐射常数；λ_i为第i个通道的有效波长；T是目标的真实温度。

在完成多光谱图像解耦后，单个物点真实温度解算过程为：

将(5)(6)式相除取对数并整理得：

对于不同波长可得类似于上式的方程，通过解16个波段下的方程所组成方程组便可解算真实温度T，逐个解算高温部件上物点真实温度，最后便可获得被测高温部件二维真实温度场。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

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)

1.一种基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温方法，其特征在于，包括：

步骤1：根据测温范围精度需求，确定离散波段范围或光谱范围；

步骤2：构建超色差超构透镜；

步骤3：制备并按照光场成像原理封装超构透镜与图像传感芯片；

步骤4：利用黑体炉对基于超构透镜的光场相机多光谱测温系统进行标定；

步骤5：利用测温系统采集多光谱高温部件多光谱图像；

步骤6：根据光场相机成像特性，对多光谱图像进行解耦；

步骤7：利用解耦数据依次计算高温部件物点真实温度，获取高温部件二维真实温度场。

2.根据权利要求1所述的基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温方法，其特征在于，若超构透镜为偏振不敏感型，对于散焦型光场相机，主透镜后放置超构透镜阵列，主透镜前的高温物体平面与超构透镜的平面光学共轭，图像传感器位于超构透镜阵列的焦平面处；对于散焦型光场相机，超构透镜阵列的平面放置在主透镜成像面的前或后方位置，图像传感器的位置与主透镜的成像平面关于超构透镜光学共轭；若超构透镜为偏振敏感型，则在主透镜前或后方加上偏振片进行调制。

3.根据权利要求2所述的基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温方法，其特征在于，通过超构透镜将不同波长的光分别成像在图像传感器的不同位置，波段范围包含红外、近红外以及可见光范围，所分光的波长取离散的或者连续的，离散的波长数量选取3个或更多，连续的波长数量选取宽度范围为10纳米到数千个纳米，从而解耦出连续光谱中单个波长的强度，具有波长分辨率。

4.根据权利要求3所述的基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温方法，其特征在于，超构单元为周期性排布的亚波长尺寸的超构透镜的基本组成单元，超构单元由一层或多层基底或纳米柱/孔组成，纳米单元形状包括长方体、圆柱、U型、V型、狭缝几何结构，纳米柱的材料包括硅、氮化镓、氮化硅、二氧化钛和锗。

5.根据权利要求4所述的基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温方法，其特征在于，选取可见光作为波段设计的范围区间，通过仿真得到超构单元的光谱透射效率η_{R_}，表达式为：

其中，Σ₀和Σ_i分别是超构单元的出射面和入射面；λ是工作波长；E_o和E_i分别是出射面和入射面的电场，A为校准系数；

通过扫描超构单元的尺寸，建立一个不同尺寸下对应的效率随波长变化的曲线图的数据库，得到每一个尺寸对应的曲线的峰值和半高宽。

6.根据权利要求5所述的基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温方法，其特征在于，实现超色差超构透镜功能所需要的超构单元排布方式为：

采用空间复用法，设计多个尺寸不同的超构单元去分别响应多个波长，最终将不同尺寸的超构单元交替周期排布成设计尺寸的单层或多层平面，组成超构透镜，在可见光波段设定m个工作波长，从数据库中对应选出每个的尺寸的超构单元，为保证m个超构单元在波长上串扰最小，m个超构单元的效率曲线之间的残差平方和满足：

其中，m是设定的工作波长数，n是仿真采样的波长数，η_j是响应第j个工作波长的超构单元的效率，λ_i是第i个工作波长；j、k为波长数中的序列号。

7.根据权利要求6所述的基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温方法，其特征在于，采用相位补偿法，设计多个尺寸不同的超构单元，每个超构单元排布时利用相位补偿，满足超构单元在排布位置处的每个波长的相位要求，超构单元提供相位差需满足：

根据几何相位原理，超构单元长方体柱的旋转的角度为阵列排布，表达式为：

其中，x和y是超构透镜表面的采样坐标，x_i和y_i是超构透镜的焦点横、纵坐标，f是焦距，λ_i是第i个工作波长。

8.根据权利要求1所述的基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温方法，其特征在于，根据光场相机成像特性，对多光谱图像进行解耦，通过光场系统拍摄的多光谱高温图像，标定每个波长的透射率和成像中心，光场相机多光谱图像的解耦方式采用光场相机多视角图像解耦的方式，实现同一物点不同波段下像点的对应确认，成像过程中保证被测部件的温度与超色差超构透镜对应，使得超构透镜多光谱光场相机响应满足预设信噪比。

9.根据权利要求1所述的基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温方法，其特征在于，依据多光谱辐射测温理论，当多光谱光场相机有n个波段时，第i个通道的输出信号强度V_i记为：

其中，为校准系数，其值为传感器灵敏系数、吸收系数以及第一辐射恒定常数的乘积；ε(λ_i,T)是目标真实温度T的光谱发射率；C₂为第二辐射常数；λ_i为第i个通道的工作波长；/>为第i个通道超构透镜的聚焦效率；T是目标的真实温度；i＝1,2,…,n；

采用黑体炉或钨丝灯对光场相机多光谱测温系统进行标定，当参考温度为T^′时，第i个通道的输出信号强度V_i ^′为：

若则/>

10.根据权利要求9所述的基于超色差超构透镜阵列的光场相机的高温部件多光谱测温方法，其特征在于，在完成多光谱图像解耦后，单个物点真实温度解算过程为：

将(5)(6)两式相除取对数并整理得：

获取不同波段下的方程，通过解n个波段下的方程组，得到真实温度T，通过解算所有物点真实温度，得到高温部件二维真实温度场。