CN1298113A - 红外多光谱扫描热象仪 - Google Patents

Abstract

一种红外多光谱扫描热象仪包括扫描镜,聚焦望远系统,双色镜,探测器等,其中扫描镜为一平面镜,其法线与转轴有一夹角,在扫描镜的光路上设有一聚焦望远系统,在聚焦望远系统之后的光轴上设有参考黑体盘和双色镜,双色镜将光束分成三个波段两个通道,并且分别经透镜聚焦在热红外探测器和可见/近红外探测器上。本热象仪为折反系统,其口径可以做大,减少了光学元件,效率高达83.3%,物方扫描,可提高象质,采用双色镜将光束分成两个通道,实现多光谱成象。

Description

红外多光谱扫描热象仪

本发明涉及一种利用可移动的光学元件对目标进行圆锥扫描的光学装置，尤其是一种红外多光谱的扫描热象仪。

根据普朗克定律，任何高于绝对零度的物体，都向外发射红外辐射，它在某一光谱区内的辐射量仅与光谱发射率和温度有关，随着物体温度和发射率的差异将产生辐射量的差异。地面物体的红外发射能量通过地物扫描光学系统，依次聚焦到红外探测器上，经过电子线路系统放大和功能处理，进行图象处理、显示、存储。红外扫描成象实质揭示物体的温度分布层次。随着热象仪应用领域和场所的不断增加，为了及时准确、真实地显示其测量结果，热象仪正在逐步小型化、智能化。其扫描方式有应用45度扫描、摆动式扫描等，还有用无刷直流电机驱动八面反射棱镜作水平方向扫描，用步进电机驱动往复摆动的反射平面镜作垂直方向扫描。这种用两个光学元件完成二维扫描任务势必造成整体装置体积增大，光路加长，重量大，能耗高，效率低等缺点。

本发明的目的是提供一种以一个平面镜为扫描镜，扫描方式为圆锥扫描，可接收热红外和可见/近红外波段的光，并具有体积小，重量轻，效率高，稳定可靠，精度高，寿命长的红外多光谱扫描热象仪。

本发明红外多光谱扫描热象仪，其光学系统包括扫描镜，聚焦望远系统，双色镜，探测器。其中所述扫描镜为一平面镜，位于热象仪的物方空间，扫描镜的法线与转轴有一夹角，聚焦望远系统设置在所述扫描镜的光轴上，双色镜设置在所述聚焦望远系统后的光路上，且该光路上双色镜前还设有参考黑体盘，在所述聚焦望远系统后参考黑体盘前置入反射镜和球面镜，探测器为分别设在由所述双色镜限定光学波段的两个通道上，并在聚焦透镜的焦平面上的热红外探测器和可见/近红外探测器，在双色镜和聚焦透镜之间的光路上设有可摆动的平面反射镜，在可见光/近红外波段通道中设置平面镜和目镜聚焦透镜组，用于观察目标位置。

本发明红外多光谱扫描热象仪改进之处在于扫描镜法线与转轴的夹角α为0.5°-7°，且圆锥扫描的入射光轴与扫描镜的法线之间呈22.5°角。

本发明红外多光谱扫描热象仪的另一改进之处在于扫描镜法线与转轴的夹角α为3.5°。

本发明红外多光谱扫描热象仪的又一改进之处在于所述双色镜为石英双色镜，在8-12.5μm波段测温范围为-50℃-100℃。

本发明红外多光谱扫描热象仪的再一改进之处在于在红外波段通道中，在聚焦透镜和红外探测器之间设有衰减滤光镜，在8-12.5μm波段测温范围为50℃-3000℃。

本发明红外多光谱扫描热象仪的还有一改进之处在于用无刷直流电机驱动平面扫描镜的水平扫描和用步进电机驱动平面扫描镜的垂直扫描。

本发明红外多光谱扫描热象仪的光学系统另一方案其光学系统包括扫描镜、聚焦望远系统、双色镜、探测器，其中扫描镜为一平面镜，位于热象仪的物方空间，所述扫描镜的法线与转轴有一夹角，在所述扫描镜的光轴上设置折光反射镜，在其后的光路上设有聚焦望远系统、45°反射镜和参考黑体盘，双色镜设置在所述参考黑体盘后的光路上，探测器为分别设在由所述双色镜限定光学波段的两个通道上，并在聚焦透镜的焦平面上的热红外探测器和可见/近红外探测器，在双色镜和聚焦透镜之间的光路上设有可摆动的平面反射镜，在可见/近红外波段通道中设置平面镜和目镜聚焦透镜组，用于观察目标位置。

本发明红外多光谱扫描热象仪改进之处在于扫描镜法线与转轴的夹角α为0.5°-7°，且圆锥扫描的入射光轴与扫描镜法线呈45°角。

本发明红外多光谱扫描热象仪的另一改进之处在于扫描镜法线与转轴的夹角α为3.5°。

本发明红外多光谱扫描热象仪的再一改进之处在于所述聚焦望远系统采用卡塞格林望远镜。

本发明红外多光谱扫描热象仪的又一改进之处在于所述双色镜为锗双色镜，在8-12.5μm波段测温范围为-50℃-100℃。

本发明红外多光谱扫描热象仪的还有一改进之处在于在红外波段通道中，在聚焦透镜和红外探测器之间设有衰减滤光镜，在8-12.5μm波段测温范围为50℃-3000℃。

本发明红外多光谱扫描热象仪的再有一改进之处在于用无刷直流电机驱动平面扫描镜的水平扫描和用步进电机驱动平面扫描镜的垂直扫描。

本发明的优点和积极效果在于扫描镜采用一个平面镜作圆锥扫描，减少了光学元件的数量，效率高达83.3％，且本系统为物方扫描，可以提高象质，采用双色镜，将光束分成两个通道，实现多光谱成象。其光学系统为折反系统，其口径可以做大，有发展潜力，因此，本发明具有体积小，重量轻，效率高的优点。它可用于医学上，测出潜伏着的温度变化，如早期癌症等疑难病的发现，在工业上，可以测出隐伏着的温度变化，如50万伏，22万伏瓷瓶同高压线接口的温度异常变化，以及石化、钢铁设备和夜间渡船安全监视等用处。

图1为本发明红外多光谱扫描热象仪实现二维圆锥扫描装置的结构示意图；

图2为本发明红外多光谱扫描热象仪第一实施例的光学系统示意图；

图3为本发明红外多光谱扫描热象仪第二实施例的光学系统示意图；

本发明的其他细节和特点通过阅读下面结合附图详加描述的实施例即可清楚明了。

如图1所示，红外多光谱扫描热象仪采用圆锥扫描方式，其中平面扫描镜1有一转轴，所述转轴与水平扫描电机6同轴，在所述转轴上水平扫描电机6的后面设有主光栅3、次光栅5和动平衡环4，两个光栅用于产生旋转的光栅脉冲信号，从而控制计算机的图象采集和处理；动平衡环4用于获得稳定的旋转，使图象不产生歪斜和抖动。所述转轴与平面扫描镜1的法线N成α角，水平扫描电机6带动平面扫描镜1绕转轴旋转一周360°，此时扫描平面镜1法线旋转2α角，其扫描轨迹为近似圆的曲线，对目标扫描轨迹的关系式为： $\mathrm{tg\θ}=\frac{2\mathrm{tg\ω}-\mathrm{tg\α}\·\cos \mathrm{\ω}}{\sqrt{2}(1+\mathrm{tg\α}\·\sin \mathrm{\ω})}$

其中：ω-扫描镜转角，θ-地物目标扫描角

      α-扫描镜法线与扫描镜转轴的夹角，范围为0.5°-7°。本实施例中3.5°。

目标扫描成象的空间为300°，只有60°无目标信号采样点，因此，圆锥扫描的效率为83.3％。在所述水平扫描电机6的上部和下部分别设有垂直扫描电机7和基座2，垂直扫描电机7的转轴设在基座2上与水平扫描电机6垂直连接。本红外多光谱扫描热象仪由扫描镜1产生对目标水平X方向，垂直Y方向的二维扫描成象，驱动二维扫描的水平扫描电机6和垂直扫描电机7分别为无刷直流电机和步进电机。

如图2所示，本发明红外多光谱扫描热象仪光学系统的第一实施例，它包括扫描镜1、由主镜103和次镜102组成的聚焦望远系统、双色镜100、探测器108和115，其中扫描镜1为一平面镜，位于热象仪的物方空间，所述扫描镜1的法线与转轴有一夹角α，本实施例中α=3.5°。并且入射光轴与扫描镜法线的夹角为22.5度。所述聚焦望远系统设置在扫描镜1的光路上，该聚焦望远系统采用牛顿望远镜，在其主镜103处设有调焦机构，由扫描镜1引入的目标光束经聚焦望远系统调节后聚焦。在所述聚焦望远系统之后的光路上设有参考黑体盘106和双色镜100，参考黑体盘106由电机107驱动旋转，为缩短光路，在所述聚焦望远系统后和参考黑体盘106前置入反射镜104和球面镜105。所述双色镜100为石英双色镜，它将光束分成两个通道，限定其光学波段，一个为8-12.5μm的红外波段；一个为0.46-1.1μm可见/近红外波段，所采用的双色镜100反射红外光束，透过可见/近红外光束，并且使两波段的光束分别经聚焦透镜109，114聚焦在热红外探测器108和可见/近红外探测器115上，并在双色镜100和聚焦透镜114之间的光路上设有可摆动的平面反射镜111。此时，由于红外探测器需在低温下工作，因此在8-12.5μm的红外波段的测温范围为-50℃-100℃。在可见/近红外波段通道中设置一平面镜反射镜112和一目镜聚焦透镜组113，用于观察目标位置。

在图2所示的红外多光谱扫描热象仪光学系统中，在红外波段通道上，聚焦透镜109和红外探测器108之间设有一衰减滤光镜116，这样可以满足红外探测器的工作温度，提高了测温范围，在8-12.5μm波段，可以实现测温范围为50℃-3000℃。

如图3所示，本发明红外多光谱扫描热象仪光学系统的第二实施例，它包括扫描镜1、由主镜304和次镜303组成的聚焦望远系统、双色镜308、探测器310和315，其中扫描镜1为一平面镜，位于热象仪的物方空间，其法线与转轴有一夹角α，本实施例中α=3.5°。并且入射光轴与扫描镜法线的夹角为45°。在所述扫描镜的光轴上设置一个折光反射镜302，所述聚焦望远系统为卡塞格林聚焦望远系统，并设置在折光反射镜302后，其主镜304设有调焦机构，会聚来自折光反射镜302的平行光束，次镜303反射所会聚的光束，以平行光的形式发射到45°反射镜305上，光束经45°反射镜305反射，经一个由电机307驱动的参考黑体盘106和双色镜308分成两个通道，并且限定每个通道的波段，一个为8-12.5μm的红外波段；一个为0.46-1.1μm可见/近红外波段，所采用的双色镜308是锗双色镜，它可以透过红外光束，反射可见/近红外光束，两个通道的光束分别经聚焦透镜309和314聚焦在热红外探测器310和可见/近红外探测器315上，并在双色镜308和聚焦透镜314之间的光路上设有可摆动的平面反射镜311。此时，由于红外探测器需在低温下工作，因此在8-12.5μm的红外波段的测温范围为-50℃-100℃。在可见光波段通道中设置一平面反射镜312和一目镜聚焦透镜组313，用于观察目标位置。

在图3所示的红外多光谱扫描热象仪光学系统中，在红外波段通道上，聚焦透镜309和红外探测器310之间设有一衰减滤光镜316，这样可以满足红外探测器的工作温度，提高了测温范围，在8-12.5μm波段，可以实现测温范围为50℃-3000℃。

一个光谱相当于一架照相机，揭示一种物质的本质，多个光谱相当于多架照相机，揭示多种物质的本质。因此，采用红外多光谱扫描成象系统可以对目标物质属性有更深入的揭示，实现多个波段扫描同步，空间同步，视场同步。本发明的功能和工作过程是通过观察目镜，对目标物体进行大致取景，来自目标物体的光束经扫描镜扫描，聚焦望远系统聚焦在热红外探测器和可见/近红外探测器上，热红外探测器和可见/近红外探测器把所聚焦的目标辐射能量转换为电信号。这样可以表示目标物体的温度分布层次，进而测量物体的故障点，其测温范围为-50℃-100℃或者50℃-3000℃。然后，所转换的电信号经放大，功能处理，输入至微处理器，它将模拟信号转换为数字信号并按一幅图象的记录格式，形成数据文件，传输给计算机，进行图象处理和存贮，最后在显示器上显示，供人们获取信息，进行研究。

Claims (14)

1、一种红外多光谱扫描热象仪，其光学系统包括扫描镜(1)，聚焦望远系统(103、102)，双色镜(100)，探测器(108、115)，其特征在于扫描镜(1)为一平面镜，位于热象仪的物方空间，所述扫描镜的法线与转轴有一夹角，聚焦望远系统(102、103)设置在所述扫描镜的光轴上，双色镜(100)设置在所述聚焦望远系统后的光路上，且该光路上双色镜(100)前还设有参考黑体盘(106)，在所述聚焦望远系统后参考黑体盘前置入反射镜(104)和球面镜(105)，探测器为分别设在由所述双色镜限定光学波段的两个通道上，并在聚焦透镜(109)和(114)的焦平面上的热红外探测器(108)和可见/近红外探测器(115)，在双色镜(100)和聚焦透镜(114)之间的光路上设有可摆动的平面反射镜(111)，在可见光/近红外波段通道中设置平面镜(112)和目镜聚焦透镜组(113)，用于观察目标位置。

2、根据权利要求1所述的红外多光谱扫描热象仪，其特征在于扫描镜(1)法线与转轴的夹角α为0.5°-7°，且圆锥扫描的入射光轴与扫描镜的法线之间呈22.5°角。

3、根据权利要求2所述的红外多光谱扫描热象仪，其特征在于扫描镜(1)法线与转轴的夹角α为3.5°。

4、根据权利要求1或2或3所述的红外多光谱扫描热象仪，其特征在于所述双色镜(100)为石英双色镜，在8-12.5μm波段测温范围为-50℃-100℃。

5、根据权利要求1或2或3所述的红外多光谱扫描热象仪，其特征在于在红外波段通道中，在聚焦透镜(109)和红外探测器(108)之间设有衰减滤光镜(116)，在8-12.5μm波段测温范围为50℃-3000℃。

6、一种红外多光谱扫描热象仪，其光学系统包括扫描镜(1)，聚焦望远系统(304、303)，双色镜(308)，探测器(310、315)，其特征在于扫描镜(1)为一平面镜，位于热象仪的物方空间，所述扫描镜的法线与转轴有一夹角，在所述扫描镜的光轴上设置折光反射镜(302)，在其后的光路上设有聚焦望远系统(304、303)、45°反射镜(305)和参考黑体盘(106)，双色镜(308)设置在所述参考黑体盘(106)后的光路上，探测器为分别设在由所述双色镜限定光学波段的两个通道上，并在聚焦透镜(309和314)的焦平面上的热红外探测器(310)和可见/近红外探测器(315)，在双色镜(308)和聚焦透镜(314)之间的光路上设有可摆动的平面反射镜(311)，在可见光/近红外波段通道中设置平面镜(308)和目镜聚焦透镜组(313)，用于观察目标位置。

7、根据权利要求6所述的红外多光谱扫描热象仪，其特征在于扫描镜(1)法线与转轴的夹角α为0.5°-7°，且圆锥扫描的入射光轴与扫描镜法线呈45°角。

8、根据权利要求7所述的红外多光谱扫描热象仪，其特征在于扫描镜(1)法线与转轴的夹角α为3.5°。

9、根据权利要求6或7或8所述的红外多光谱扫描热象仪，其特征在于所述聚焦望远系统采用卡塞格林望远镜。

10、根据权利要求9所述的红外多光谱扫描热象仪，其特征在于所述双色镜(308)为锗双色镜，在8-12.5μm波段测温范围为-50℃-100℃。

11、根据权利要求9所述的红外多光谱扫描热象仪，其特征在于在红外波段通道中，在聚焦透镜(309)和红外探测器(310)之间设有衰减滤光镜(316)，在8-12.5μm波段测温范围为50℃-3000℃。

12、根据权利要求4所述的红外多光谱扫描热象仪，其特征在于用无刷直流电机驱动扫描镜(1)的水平扫描和用步进电机驱动扫描镜(1)的垂直扫描。

13、根据权利要求5所述的红外多光谱扫描热象仪，其特征在于用无刷直流电机驱动扫描镜(1)的水平扫描和用步进电机驱动扫描镜(1)的垂直扫描。

14、根据权利要求10或11所述的红外多光谱扫描热象仪，其特征在于用无刷直流电机驱动扫描镜(1)的水平扫描和用步进电机驱动扫描镜(1)的垂直扫描。

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