CN1904666A

CN1904666A - 一种棱镜三分光系统

Info

Publication number: CN1904666A
Application number: CN 200510012263
Authority: CN
Inventors: 刘石; 李志宏; 姜凡; 穆怀萍; 刘靖
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-01-31

Abstract

本发明一种棱镜三分光系统，其包括非偏振的半透半反分束镜、全反射棱镜及滤光片。该棱镜分光系统能够把一束光束分成三束，其中一束为全波长范围内的可见光束；另外两束为波长不同、光程相等的两束窄带光束，这两束波长单色光谱线易于调整波长及带宽、光利用率高。该分光系统可以应用于比色测温技术中，与工业窥镜或光纤等导光设备及CCD相机结合可实现对电站煤粉锅炉及内燃机等火焰温度的可视化实时测量及燃烧区域背景的同步显示。同时，本装置可用于采集完全同步的同一对象的图像过程，并以此为基础进行进一步研究工作的场合。

Description

一种棱镜三分光系统

技术领域

本发明涉及一种分光系统，特别是涉及一种用半透半反分束镜、全反棱镜及滤光片组成的三分光系统。

背景技术

煤/油燃烧的基本要求在于建立与保持稳定的燃烧火焰。燃烧不稳定，不仅会降低锅炉热效率，产生污染物和噪声，而且在极端情况下会引起炉膛灭火，处理不当就会诱发炉膛爆燃，造成事故。所以在炉内配备功能齐全、性能可靠的炉膛火焰监视系统十分必要。目前国内在锅炉上安装的火焰监测设备，一般只能对火焰的明灭进行监控，不能对燃烧工况的空间和时间参数做定量的测量，即使个别可以测量温度场，但其系统响应速度及分辩率均较低。

可视化比色法测温基本原理是通过分光光路系统，将被测目标所发出的光束分成两个或两个以上中心波长不同的光束，每个光束具有一定带宽并形成一幅自己的灰度图像，通过比较不同图像的亮度值可以得到待测温度。因此比色测温实现的关键在于利用分光系统把待测目标投射光束成功分离。

现有的火焰可视化测量系统有如下三种：

1、利用单个彩色CCD固有的红绿蓝三色特性，通过后期处理分光；

2、采用两个CCD相机，同时采集不同波长的辐射热图像；

3、采用单个CCD，利用相机前带滤光片的轮转盘交替采集不同波长下的辐射热图像。

这些方法存在的问题在于不能很好的实现燃烧背景的显示(如炉膛水冷壁、喷燃器的积灰结渣，喷燃器出口的煤粉分布情况等)，根据测量范围需要选择测量火焰的波长和带宽(如方法1)，设备结构复杂化(如方法2、3)，不同CCD的特性的影响增加(如方法2)，不能保证所采集到图像的大小完全一致(如方法2)及采集的不同步性(如方法3)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种把一束光束分成三束光束，实现了对一束光进行了水平分光和垂直分光。通过在其中两束光的光路中放置滤光片可得到波长不同、光程相等的两束带宽光束用于温度场的比色测温计算及另外一束光程相等的光束，用于目标图像的可视化观察。

本发明解决技术问题的方案为：

提供一种棱镜三分光系统，包括非偏振半透半反分束镜、全反棱镜、滤光片；其目标发出的光束经过两块半透半反分束镜后被分为三束光束，这三束光束分布于三维空间；其中，一束为全波长范围内的可见光束，投射到成像靶面，用于目标图像的可视化观察；另外两束为波长不同、光程相等的两束窄带光束，相互平行，它们同时投射到其后的同一CCD靶面上，用于温度场的比色测温计算。

所述的三分光系统，其所述三束光束分布于三维空间，其光路结构是：

在主光路上顺序设置两块非偏振半透半反分束镜，第二半透半反分束镜的右方设一第一全反射棱镜，第一全反射棱镜的反射面向后，三镜之间有一适当间隙；

第一半透半反分束镜的反射面竖直向上，其光路上设有第二全反射棱镜，第二全反射棱镜的反射面向右方，其射出的光路上设有第一菱形全反射棱镜，第一菱形全反射棱镜的反射面反射出的光路向右方延射；

第二半透半反分束镜的前方设有第三全反射棱镜，第一全反射棱镜后方设有第四全反射棱镜，第三、第四两个全反射棱镜的反射面都向右方，由第三、第四全反射棱镜的反射面反射出的两光路上，顺序设有第一滤光片、第二菱形全反射棱镜和第二滤光片、第三菱形全反射棱镜，两个菱形全反射棱镜的反射面都向右方。

所述的三分光系统，其所述由第三、第四全反射棱镜的反射面反射出的两光路上，分别设有第二菱形全反射棱镜和第三菱形全反射棱镜，两个菱形全反射棱镜的反射面都向右方，在第二、第三菱形全反射棱镜的反射面反射出的两光路上，分别设有第一滤光片和第二滤光片。

所述的三分光系统，其所述全反棱镜，或为全反射镜。

本发明的特点在于可以根据测量需要选取测量火焰的波长及带宽，可实现比色测温所需的不同波长下大小相同的目标图像及其完全同步采集。

本发明棱镜分光系统可以把目标投射光束分成三份，其中一份不加滤光片投射到成像靶面从而得到目标全波长的图象；另外两束光束通过滤光片得到相应波长的单色光，可由比色法测温原理来获得目标温度场；此外本分光系统所得到的两束单色光谱线波长及带宽易于调整、光程相等。

应用本发明的三分光系统，基于比色法的火焰监测装置能够实时定量测量火焰温度场分布，火焰的闪烁频率以及火焰几何形状与位置随时间的变化，并且可以据此进行实时故障诊断。运用本系统的火焰监测装置不但能够对于熄火现象及火焰对炉壁的冲刷进行监视和判断，而且还能对燃烧的品质和变化趋势作定量的测量，以便与适当的控制系统联用，实现对燃烧过程的合理调整和控制。运用本装置的火焰监测装置，可实现对燃烧区域多参数的实时测量及燃烧区域背景及火焰的同步显示，实现了运用一台CCD相机即可获得火焰电视的火焰显示及对温度场各项参数进行定量分析的同步进行，大大提高了火焰监测的应用价值。

利用本发明的分光系统，采用一台CCD相机即可同时实现对所观察区域的温度场定量分析及一般的火焰电视功能。

本发明的分光系统，同时适用于需要采集完全同步的同一对象的图像过程，并以此为基础进行进一步研究工作的场合。

附图说明

图1为本发明一种棱镜三分光系统的结构及原理示意图。

图2为本发明中半透半反分束镜、全反射棱镜、菱形全反射棱镜的剖面图。

具体实施方式

一种棱镜三分光系统，其包括：

——非偏振分光半透半反分束镜，两块非偏振分光半透半反分束镜可以把一束入射光束分成三束光束；——全反射棱镜，七块全反射棱镜在光路中按照要求排列，通过全反射棱镜位置的调节可以实现其中经过滤光片的两束光光程相等；——滤光片，滤光片置于光路中可以获得所需波长的光束。

本发明的分光过程为：目标发出的光束经过两块半透半反分束镜后被分为三束光束，这三束光束分两层布置；其中一束不经过滤光片而是经由全反射棱镜后按照所要求的方向、位置投射到成像靶面上；另外两束光束中分别设置有不同的滤光片，光束经过滤光片后变为相应波长的单色光；这两束光束分别经过不同光路中全反射棱镜组来调节滤光片及不同光路的影响，保证它们具有相等的光程，使它们同时投射到其后同一CCD靶面上时具有精确相同的图像，并没有任何重叠。

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。

见附图1，在主光路上顺序设置两块非偏振半透半反分束镜1、2，半透半反分束镜2的右方设一全反射棱镜5，全反射棱镜5的反射面向后，三镜之间有一适当间隙。

半透半反分束镜1的反射面竖直向上，其光路上设有全反射棱镜3，全反射棱镜3的反射面向右方，其射出的光路上设有菱形全反射棱镜7，菱形全反射棱镜7的反射面反射出的光路向右方延射。

半透半反分束镜2的前方设有全反射棱镜6，全反射棱镜5后方设有全反射棱镜4，两个全反射棱镜4、6的反射面都向右方，由全反射棱镜4、6的反射面反射出的两光路上顺序设有滤光片10、菱形全反射棱镜8和滤光片11、菱形全反射棱镜9，两个菱形全反射棱镜8、9的反射面都向右方。

在图1中，目标入射光束射入半透半反分束镜1，经过非偏振半透半反分束镜1被分为光强相等的两束光(图中A、B光束)，其中一束光束(A光束)方向沿原入射方向出射，另一束光束(B光束)垂直于原入射方向射出。A光束再射入半透半反分束镜2，经过非偏振半透半反分束镜2后又被分为光强相等的两束光(图中C、D光束)，光束C经过全反射棱镜5、4、8形成一光路，此光路中，于全反射棱镜4、菱形全反射棱镜8之间放置有滤光片10，则光束经过该滤光片10后变为相应波长的单色光；光束D经过全反射棱镜6、9形成一光路，此光路中，于全反射棱镜6、菱形全反射棱镜9之间放置有滤光片11，光束经过该滤光片11后变为相应波长的单色光。通过调整全反射棱镜4、5、6、8、9的位置可以调整两光路的光程保持相等。滤光片10、11也可以分别放置于菱形全反射棱镜8、9的后方(沿光束传播方向)光路上。半透半反分束镜1分出的B光束经过全反射棱镜3、菱形全反射棱镜7形成如图1中所示光路，此光束是目标发出的全波长光束。

例如目标入射光束为可见光束；滤光片10的中心波长为660nm，带宽为20nm；滤光片11的中心波长为700nm，带宽为20nm时，则此可见光束经过本棱镜三分光系统后，将得到波长范围分别为：C光束660±10nm，D光束700±10nm的两束光束，及一束光强为目标入射光束一半的可见光束，即B光束。

附图2给出了半透半反分束镜、全反射棱镜、菱形全反射棱镜等的剖面图。

本发明上述实施例仅用来说明本发明的技术方案，其不应限定本发明的保护范围，若对上述实施例中技术方案作出的等效变换，均应属于本发明保护的范围。

Claims

1、一种棱镜三分光系统包括非偏振半透半反分束镜、全反棱镜、滤光片；其特征在于：目标发出的光束经过两块半透半反分束镜后被分为三束光束，这三束光束分布于三维空间；其中，一束为全波长范围内的可见光束，投射到成像靶面，用于目标图像的可视化观察；另外两束为波长不同、光程相等的两束窄带光束，相互平行，它们同时投射到其后的同一CCD靶面上，用于温度场的比色测温计算。

2、如权利要求1所述的三分光系统，其特征在于：所述三束光束分布于三维空间，其光路结构是：

3、如权利要求2所述的三分光系统，其特征在于：所述由第三、第四全反射棱镜的反射面反射出的两光路上，分别设有第二菱形全反射棱镜和第三菱形全反射棱镜，两个菱形全反射棱镜的反射面都向右方，在第二、第三菱形全反射棱镜的反射面反射出的两光路上，分别设有第一滤光片和第二滤光片。

4、如权利要求1、2或3所述的三分光系统，其特征在于：所述全反棱镜，或为全反射镜。