CN1200567C - 用于观察高温物体的光学观察装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开一种用于观察高温物体(2)的光学系统。该系统将电磁辐射(26)投射到该部件表面并检测经反射的部分。基于该应用照明的波长和/或调制，可在不受自发辐射干扰的情况下观测到该部件的表面特征(30)。

Description

用于观察高温物体的光学观察装置和方法

本申请要求享有1999年8月31日递交的序列号为60/151,565的临时申请的权利。

技术领域

本发明大体涉及用于光学地观察高温物体的方法和装置，包括具有明显的自发辐射的物体。

背景技术

在许多行业中，工人们仍是用不带保护的肉眼察看灼热、发光的物体。然而，直接暴露于红外线(IR)辐射可能会引起对工人的身体伤害。因此，在某些情况下，需佩戴光屏蔽罩来缓解辐射，从而对暴露于IR辐射的情况提供一些保护。然而，使用光屏蔽罩常常会限制工人的活动性。例如，佩戴光屏蔽罩可能会限制他们与其它并非炽高温物体，例如工具、控制器等的实际接触的能力。

一些传统的光学检测装置也被用于观察/检测高温物体。例如，所谓的“被动式方法”，或者与CRT管、电荷耦合装置(CCD)摄像机一起，或者与IR摄像机一起使用一信号收集器来接收来自该高温物体的自发辐射。该方法与使用人类视觉类似，其中，信号收集器实际上起到“眼睛”的作用。然而，该“被动式方法”常会产生一种称之为“空腔辐射器效应”的现象。该空腔辐射器效应由Plank于1900年提出，并于20世纪初得到了Einstein的证明，它会在所观察的物体的真实特性方面欺骗视觉观察者。具体地，基于该原则，一自身辐射的物体的凹面特征看上去似乎是接近完美的黑体；从而，可能会将他们误认为是具有凸特征。此外，该“照明”是自发的，因此常常会携带不需要的信息。通过该被动式方法收集的图象通常不适用于自动机视觉应用。

另一种现有技术的方法，即所谓的“主动式方法”利用外部光投射到该高温物体上。使用一摄像机来收集发自该高温物体的被反射的辐射和自发辐射。在该主动式方法中，所采用的思路是用非常强的外部辐射来压制该自发辐射。换句话说，该反射光在占优势的自发辐射的频谱范围内，但可基于其强度将其识别出来。该外部光可被设计为照亮所感兴趣的表面信息，例如轮廓或表面凹坑。该外部辐射可由不同的发光装置来提供，例如大功率灯或激光器。

然而，主动式方法具有几个问题。首先，可压制由1350摄氏度的物体发射的辐射的光源非常少。其次，自发辐射还具有一个问题：其降低了反射辐射的信号质量。除非使用很强的光源，否则，信噪比(外部光/自发光)通常很低。第三，这些外部光源在工作环境下可能是不合需要的，因为他们非常强。

也使用激光器作为光源来压制高温物体的自发辐射。激光器能发出极高的功率密度以降低该自发辐射的优势。例如，已使用基于铜的激光器(在550nm处辐射)来压制(温度大约在3000摄氏度的)激光焊接池的自发辐射，其辐射范围通常在从230nm到长红外线的范围内。

另一种现有技术使用弧焊接(温度大约在2500摄氏度)中的YAG激光器(1060nm)，其辐射频谱通常在从275nm至长IR的范围内。然而，使用该激光器会出现一些基本问题。当激光器发出高功率密度时，由该激光束照亮的区域很小。相应地，在使用激光器作为照明源的情况下，通常需要光栅扫描。此外，该高功率激光器造价昂贵，体积大且具有多种危险。而且，为操作一基于激光器的系统，必需使用光屏蔽罩或其它保护设备来保护使用者。

在被动式方法的视觉系统中，对红外检测器或摄像机的使用还会由于以下几个因素而受到限制。首先，IR检测器/摄像机的象素分辨率明显小于其CCD对应物的象素分辨率。其次，由于其波长的缘故，IR辐射无法象可见光那样被聚焦。第三，使用IR检测器/摄像机无法解决与照明相关的问题或前述的空腔辐射器效应。

曾经试图结合使用被动式和主动式方法，但这样仍不能解决空腔辐射器效应和自发辐射带来的问题。

过去，IR和可见光之间的差别在于解决与高温物体的强光有关的问题的焦点。该方法的构思很拙劣，因为高温物体既可辐射IR，也可辐射可见光。例如，钢在1200摄氏度辐射的波长为650nm，即，钢既可辐射红光，也可辐射IR光。而且，如果将自发辐射从该收集信号中除去，则由该自发辐射引起的噪声会影响系统收集有关该高温物体的详细、精确的信息的能力。该现有技术缺乏一种有效的装置，用于从所收集的一高温物体的信号中除去该自发辐射。最后，还应相信，现有技术中的设备没有一个是可以携带的。该事实限制了这些装置在某些应用中的使用。便携式装置可使得使用者既能够观看高温物体，又无需携带一定量的测量装置。现有技术中使用的外部光源的功率太强和/或太重，因而危险性较高且无法携带。总之，现有技术中的方法具有一定的限制。本发明克服了这些问题。

发明内容

一方面，本发明提供了一种一种光学系统，用于产生一物体表面的图象，所述的物体具有一特有的、与温度相关的、占优势的、自发的EMR频谱，包括：EMR源，用于向所述物体投射电磁辐射；EMR检测器，用于选择性的检测所述投射的EMR的一频谱成分，所述的成分由所述物体表面反射并引导到所述EMR检测器；气流控制器，其将空气以减小温度梯度的环绕所述的热物体的预选温度，提供给所述物体，以除去空气密度失真；及其中，所述投射的电磁辐射具有一波长，该波长被选择为物体温度和材料的一函数，所述投射EMR的所述反射成分[所]具有[的波长]不同于所述自发的、占优势的EMR频谱的所述波长，因此可基于波长将该反射成分和所述自发EMR区分开来，且其中所述光学系统还包括一与所述EMR检测器相关的干涉滤光器，所述干涉滤光器被配置成通过所述波长并阻止自发的EMR。

另一方面，本发明提供了一种成像一热物体的表面的方法，所述热物体具有一特有的、占优势的、自发的EMR频谱，所述方法包括有步骤：

(A)在成像期间定义该物体的一最高温度T；

(B)定义作为该物体的最高温度T和材料的一函数的一物体发射率ε(T，material)；

(C)根据R(λ，T，material)＝ε(T，material)·I(λ，T)，基于一黑体辐射函数I(λ，T)和物体发射率ε(T)获得自发电磁辐射频谱R(λ，T，material)：

I(λ，T)＝((2πc²h)/λ⁵)(1/(e^(hc/2κT)-1))

且其中，

П＝pi

C＝光速

h＝普朗克常数

λ＝波长

κ＝玻尔兹曼常数

ε＝试验获得的温度的发射率函数

(D)根据γ＝(η(λ_ill)/R(λ_cut-off，T))≥γ₀，选择一截止波长λ_cut-off，使得自发的电磁辐射频谱R(λ_cut-off，T)与外部照明光η(λ_ill)的信号强度比起来较小，

其中，

η(λ)＝波长λ处的外部照明光的强度

λ_ill＝用于外部照明的波长

γ＝外部照明光强度和自发光强度之间的信噪比

γ₀＝满足该应用的特定的信噪比限度；

(E)确定用于外部照明的最长可接受波长λ_ill；

(F)向该热物体投射具有小于或等于λ_ill的波长的光；及

(G)检测从该热物体发射的该投射光，从而成像该热物体。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2示出了本发明中使用的波长，以区别于自发辐射。

图3示出了摄像机和干涉滤光器的一种可能的组合。

图4示出了摄像机和干涉滤光器的另一种可能的组合。

图5示出了摄像机和干涉滤光器的又一种可能的组合。

图6示出了对所需波长的选择。

图7示出本发明中对截止滤波器的使用。

图8示出本发明中对FM功率调制的使用。

图9示出本发明中对FM机械调制的使用。

图10示出根据本发明的手持式装置。

图11为本发明的两个摄像机的实施例的示意图。

具体实施方式

现在参考图1，在本发明的一实施例中可以看到，目标20具有自发电磁辐射22。目标20典型地由一部件构成，例如碳钢部件，钛合金部件、玻璃部件或陶瓷部件。将会理解，在许多部件制作过程中，这些部件被加热至超过900摄氏度的温度。还会理解在这些高温处，这些部件会发射出足够量的辐射(即，占优势的自发EMR频谱)，其会掩盖对被加热部件的观察。

参见图1，所示光源24将电磁辐射26投射到部件20的表面。辐射26为应用照明。该应用照明26的一部分被部件20反射并因此被显示在图1中，作为反射照明28。将会注意到，自发辐射22的一部分(示为22′)和一些周围的辐射(未示出)与反射照明28一前一后走过同样的路径。

反射照明28(和自发辐射22′)照到反射器或检测器30上。通过区分反射照明28和自发辐射22′(和任何其它的噪音，例如周围辐射)，检测器30可观测到物体20，好象该部分是凉的(基本上没有自发辐射)，这一点将在以下详细描述。

在本发明的该实施例中，反射辐射28的波长被选择为使得检测器30可将其与占优势的自发辐射22′的波长区分开来。更具体地，参考图2，本发明提供可区别的应用照明波长的包络，作为该物体20的温度的函数。相应地，检测器30检测或探测反射照明28，其波长在该曲线下。可与该自发辐射区别开的反射照明28的较佳的最长波长(基于温度)如下表1所示：

温度(℃)	检测器30检测的最长可用波长(nm)
		＜800	700nm
800	680
		1000	645
1200	596
		1400	545
1600	596
		1800	441
2000	385

2200	338
		2400	283
2600	233
		3000	220
4000	185

上述波长是基于以下的假设得来的：假设物体20为一黑体辐射器且适用于所有的应用，因为在一特定波长、给定温度处由一实际表面所发出的谱辐射强度通常小于在同一波长和温度下的黑体发射的谱辐射强度。在本发明的一实施例中，选择可应用的照明波长λ2(箭头26)的处理可更精确地确定如下(Ozisik(1985)，热传输-基本途径，McGraw-Hill)：

1.定义最高的物体温度T。

2.确定物体发射率ε(T，material(材料))，其为物体温度和材料的函数。

3.基于以下黑体辐射函数和材料发射率ε(T)获得自发辐射谱：

(1)I(λ，T)＝((2πc²)/λ⁵)(1/(e^(hc/2κT)-1))其中，

П＝pi

C＝光速

h＝普朗克常数

λ＝波长

κ＝玻尔兹曼常数

ε＝试验获得的温度的发射率函数

上述一起可获得辐射谱如下：

(2)R(λ，T，material)＝ε(T，material)I(λ，T)

如果该材料为已知，等式(2)可简化为

(3)R(λ，T)＝ε(T)I(λ，T)

R(λ，T)通常可被绘制为图6所示的实线。为进一步简化，ε(T)通常可被看作一常数。

4.使用R(λ，T)，可找到截止波长λ_cut-off，使得R(λ_cut-off，T)与外部照明光η(λ_ill)的信号强度比起来足够小。注意，λ_ill通常小于λ_cut-off。

(4)γ＝(η(λ_ill)/R(λ_cut-off，T))≥γ₀

其中，

η(λ)＝波长λ处的外部照明光的强度

λ_ill＝用于外部照明的波长

γ＝外部照明光强度和自发光强度之间的信噪比

γ₀＝满足该应用的特定的信噪比限

η(λ)通常是该外部照明装置的函数。例如，如上所述，岩盐灯的n(λ)如图6所示。

因此，该投射(反射)EMR的最长的可接受的波长是，在该波长下，在处于观察中的高温物体的最高温度处，黑体的谱辐射率为5×10^-4W/cm²nm(即，功率(瓦)每单位面积每单位波长)。因此，在等式(1)中的I变为5×10^-4W/cm²。通过解出λ和T等于观察中的物体的最高温度的位置，可确定能够与自发辐射区别开来的一给定物体的最长可允许的波长。

当然，λ_ill的选择需满足探测检测器30的灵敏度谱。例如，CCD对图6中的范围敏感。λ_ill应是检测器30可检测到的波长。图6中的该λ₂适用于温度高达1500摄氏度的情况。

照明源24可采取多种形式，但必需能够产生包括所需的能够探测到的波长的照明。换句话说，如果需要645nm或更短的波长来区分反射辐射28和自发辐射22′，则照明源24必需包括645nm或更短的EMR。一个可接受的照明源24是岩盐灯，其发射的EMR基本在435nm、550nm和575nm。另一用于照明源24的较佳的“光”源是荧光灯和氙灯。

在激光照明器的情况下，由于该激光照明的相关特性，该激光器的波长应根据上述表1被设定为所需的波长。

这里可使用激光器作为一点照明源。检测器30可用于检测由激光器照亮的点处的信息。当与一导向组(direct set)，如一镜面组(mirror set)耦合时，激光器可用于产生一栅格扫描的图象。本发明中的激光器，通过使用某些光学仪器，例如光束扩展器，也可被用作区域照明源，这里，所述区域相对较小。

激光器还可与某些光学仪器一起使用用于结构化(structured)照明(环线、直线、单根线或多根线等)。根据本发明，该结构化照明可用于提取高温物体的轮廓。多个激光器可用于多个点、线或区域。

当然，从照明源24投射的EMR的强度(以及源24，目标22和检测器30之间的距离)必需使得在检测器30处具有足够的信号强度。

本专业技术人员会理解，本发明可与其它的照明方法结合使用，例如顺光照明，明视场或暗视场，及背面照明(传送照明)。该照明可被校准或散射，单色或彩色，被结构化或非结构化。可应用多种照明方案。

只要所有选择的波长都满足该标准，就有可能在一系统中由检测器30检测到反射照明28的多个波长。

本专业技术人员人员还会理解，附加的光学器件，例如，但不限于，透镜、反射镜、光纤、散射镜、准直镜、聚光镜、棱镜、管道镜、内窥镜和光导，可与实施例的设计结合使用。这些光学器件可与照明装置(照明辐射源和调制器)一道使用，用于将该照明发送到作为目标的高温物体上，用于照亮多个点，或点亮多个物体，或任何其它预定的照明设计。这些光纤还可与信号收集器一道使用，以接收来自该高温物体的辐射信号，例如，用于满足空间的限制或改变观察的角度。

现在转向检测器30，一较佳检测器为CCD检测器。CCD检测器通常对360nm-1000nm范围内的波长敏感。一些更新的成象检测器，例如蓝色加强的CCD芯片对175nm-1000nm范围内的波长敏感。

当然，检测器30必需能够检测所需的反射照明28的波长，较佳地，干涉滤光器32基本上阻挡了所有的自发辐射EMR(和不在所需的成象波长处的反射EMR)。

如图3所示，最好将干涉滤光器32置于检测器透镜34的前方，或如图4所示将其置于透镜34和成象检测器36之间。如图5所示，在成象检测器象素40之前，还可包括多个干涉滤光器38。本专业技术人员还可感觉到，图5中的装置可被改变为便于多个照明波长的使用。在该情况下，不同的干涉滤光器38，一些工作在一个波长，而另一些工作在另一波长，将会置于象素40的前方。使用该结构，不同的象素会对由不同的波长携带的信号敏感。有可能具有象素的集合，例如2×3或3×1，在其内每个象素配备有一不同的干涉滤光器。该分布类似于色彩CCD芯片的分布。还有可能将一种类型的干涉滤光器安装于成象检测器的一个区域内，同时另一类型的置于另一区域内。

还有可能的是，在不同的成象检测器前放置不同的干涉滤光器，以方便在一摄像机内对多个成象检测器所用的多个波长的使用。使用一棱镜将光辐射发送到所有的成象检测器上。该结构类似于3个芯片的CCD彩色摄像机的结构。

本专业技术人员还可获知截止滤波器，而非干涉滤光器在本申请中的应用。截止滤波器的传输曲线的截止波长必需在所需的波长。图7示出这一概念。在该结构下，可使用单个所需的波长或多个波长。在多个波长的情况下，将会把由所有选择的波长携带的信号看作一合成的信号。

高温物体成象中的失真来自于几个根源。上述途径解决了IR强光和空洞辐射器的失真影响。另一个任务是创造性地解决与“幻象”相关的失真，由局域的空气密度的不均匀性引起的光学闪光效应。当在炎热的夏季开车时通常会出现这种情况。马路表面似乎是浮动的和摆动的。该“幻象”效应影响了通过成象对高温物体的精确的测量。

本发明中，高温物体20周围的受控气流43降低了该高温物体周围的温度梯度以移去空气密度的失真。空气流43会处于预先选择的温度，使得该高温物体的温度分布不会受到该气流的负面影响。该气流的速度应高于大约0.01m/s，以避免局域的空气密度的不均匀性。

参考图1，在本发明的另一实施例中，提供有信号调制器42以将一可识别的“印记”置于应用照明26上。换句话说，在本发明的该实施例中，来自源24的EMR具有可识别的符号(不仅仅是波长)，其使被反射的EMR28可与自发射EMR22′区分开来。

图8示出该实施例的示意图。在该设计中，通过FM装置44对照明源24的功率进行了调制。该FM印记将驻留在由源24产生的照明辐射46上。通过成象装置30接收反射信号48，然后由FM解调器50基于该预设的FM频率对其进行解调(通过信号处理)，以除去非调制的辐射52，即自发辐射。可在硬件或软件内，或结合软件和硬件来进行该解调信号处理。频率调制可以是一连串的频率，使得应用(投射)辐射具有重复方波的特性，或可以是动态调制，产生频率变化的正弦波，该正弦波可被检测到并被解调为反射辐射。

使用机械门使该照明辐射脉冲化(PULSE)，使得调制也可机械地实现，如图9所示，或作为强电荷的正弦波。

实施该实施例的设计的装置可以是部分移动的或完全移动的。在一种情况下，该信号收集器是移动的，同时该发光装置和高温物体保持固定。在另一种情况下，该信号收集器和照明装置都是移动的，而高温物体是固定的。还有可能在该信号收集器和照明装置是固定或移动的同时，移动该高温物体。还有可能在一次应用中使用两个信号收集器或两个照明装置，其中一个是移动的，另一个是固定的。

在另一实施例中，本发明以手持式装置58的形式实施。现在参考图10，其示出具有突出灯62和干涉滤光器64的手持式摄像机60。可携式摄像机60可以是数字的或模拟的，被用作信号收集器。干涉滤光器64(最好在435nm)位于该透镜之前。外部突出灯62提供该应用照明并辐射出很强的强度(在该实施例中处于435nm)。灯62可被固定于便可携式摄像器60的表面或被分离以提供多个照明角度。可携式摄像机60可使用磁带、RAM或任何其它适用的数据存储装置，或可仅被用作一显示监视器的装置。该视频信号可被输出给TV，监视器或PC。手持式装置58可以由电池供电或可以通过AC电源来供电。根据本发明，该装置可被用于观察加热过程或物体，即，通过将所需的照明投射到一高温物体上并使用该可携式摄像机观看该图象(自发辐射已被滤除)。

在另一实施例中，可在一系统中使用多个信号收集器，例如，摄像机，来提供该高温物体的多个观察点。使用多个摄像机可便于立体声成象，该立体声成象提供该高温物体的三维图象。而且，可使用多个摄像机用于多个波长，每个摄像机解调由一个波长携带的信号。

参考图11，在另一实施例中，本发明可用于保护必需与高温物体相互接触的个人。具体地，在该设计中，两个摄像机70、72被用于捕捉该同样的视域，一个捕捉正常的图象74，其可以是彩色的或黑/白的，另一个使用光束分离器77和干涉滤光器79捕捉基于该发明的图象。在正常图象中，高温物体78在发光。可通过一装置来识别该发光物体78，该装置例如，但不限于可携式信号处理器82。识别该高温物体78后，可使用呈现为室温的图象(自76切取并贴进74)来替换该发光物体的正常图象。该合成图象将会被显示给需要观看视野内所有情况的观看者。显示器80可以是监视器，TV，或其它的显示装置，包括显示护目镜。为在该合成图象中识别出该高温物体，可将一指示器应用于该高温物体上，该指示器可以是，但并不限于红光闪光边界(red flashing boundary)。

例子

在一个实施例中，本发明的一个例子如下：

1.所述外部照明源为一岩盐灯。该岩盐辐射包括三个主要的波长，435nm、550nm和575nm。在该设计中，在435nm的辐射是最有用的波长，因为该辐射离高温物体的自发辐射最远。该高温物体必需在1800摄氏度或更高的温度，其自发辐射才能覆盖435nm，假设该高温物体近似为一黑体。

2.该外部辐射被投射到该高温物体上并与该高温物体的表面相互作用。自该金属岩盐灯的反射辐射(具有所有这三个不同的波长)，自该高温物体的自发辐射及其它任何存在的辐射均被混合在一起。

3.然后，该混合的辐射穿过一干涉滤光器，其工作频率在435nm。即，仅有波长为435nm的辐射可穿过该干涉滤光器。所有其它的辐射都将被阻挡。该干涉滤光器可被置于该透镜的前方，或成象检测器的前方。

4.在该435nm的情况下，仅有具有该预选波长的辐射可到达该成象检测器。

5.该高温物体将显示给成象检测器，即一CCD芯片，好像其处于室温。

6.然后该被解调的435nm的信号被转换为一电信号。

7.可由一CPU对该电信号进行处理，将其存储到一媒体中，显示在一监视器上，用于由人类来进行观测或任何其它方式的处理。

Claims (3)

1、一种光学系统，用于产生一物体表面的图象，所述的物体具有一特有的、与温度相关的、占优势的、自发的EMR频谱，包括：

EMR源，用于向所述物体投射电磁辐射；

EMR检测器，用于选择性的检测所述投射的EMR的一频谱成分，所述的成分由所述物体表面反射并引导到所述EMR检测器；

气流控制器，其将空气以减小温度梯度的环绕所述的热物体的预选温度，提供给所述物体，以除去空气密度失真；及

其中，所述投射的电磁辐射具有一波长，该波长被选择为物体温度和材料的一函数，所述投射EMR的所述反射成分具有不同于所述自发的、占优势的EMR频谱的所述波长，因此可基于波长将该反射成分和所述自发EMR区分开来，且其中所述光学系统还包括一与所述EMR检测器相关的干涉滤光器，所述干涉滤光器被配置成通过所述波长并阻止自发的EMR。

2、根据权利要求1所述的光学系统，还包括有与所述EMR源相关的频率调制器，用于对所述投射的EMR的频率进行调制，且还包括与所述EMR检测器相关的解调器。

3、一种成像一热物体的表面的方法，所述热物体具有一特有的、占优势的、自发的EMR频谱，所述方法包括有步骤：

(A)在成像期间定义该物体的一最高温度T；

(B)定义作为该物体的最高温度T和材料的一函数的一物体发射率ε(T，material)；

(C)根据R(λ，T，material)＝ε(T，material)·I(λ，T)，基于一黑体辐射函数I(λ，T)和物体发射率ε(T)获得自发电磁辐射频谱R(λ，T，material)：

I(λ，T)＝((2πc²h)/λ⁵)(1/(e^(hc/2κT)-1))

且其中，

∏＝pi

C＝光速

h＝普朗克常数

λ＝波长

κ＝玻尔兹曼常数

ε＝试验获得的温度的发射率函数

(D)根据γ＝(η(λ_ill)/R(λ_cut-off，T))≥γ₀，选择一截止波长λ_cut-off，使得自发的电磁辐射频谱R(λ_cut-off，T)与外部照明光η(λ_ill)的信号强度比起来较小，

其中，

η(λ)＝波长λ处的外部照明光的强度

λ_ill＝用于外部照明的波长

γ＝外部照明光强度和自发光强度之间的信噪比

γ₀＝满足该应用的特定的信噪比限度；

(E)确定用于外部照明的最长可接受波长λ_ill；

(F)向该热物体投射具有小于或等于λ_ill的波长的光；及

(G)检测从该热物体发射的该投射光，从而成像该热物体。

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