RU2622239C1 - Device for non-contact measurement of the object temperature - Google Patents
Device for non-contact measurement of the object temperature Download PDFInfo
- Publication number
- RU2622239C1 RU2622239C1 RU2016119278A RU2016119278A RU2622239C1 RU 2622239 C1 RU2622239 C1 RU 2622239C1 RU 2016119278 A RU2016119278 A RU 2016119278A RU 2016119278 A RU2016119278 A RU 2016119278A RU 2622239 C1 RU2622239 C1 RU 2622239C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical system
- photodetector
- spectrum
- visible
- radiation
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 80
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 36
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 33
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims description 10
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 19
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 9
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 5
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 3
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 2
- 239000005387 chalcogenide glass Substances 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 2
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000012053 enzymatic serum creatinine assay Methods 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000008685 targeting Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/02—Constructional details
- G01J5/08—Optical arrangements
- G01J5/0806—Focusing or collimating elements, e.g. lenses or concave mirrors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/02—Constructional details
- G01J5/08—Optical arrangements
- G01J5/084—Adjustable or slidable
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для бесконтактного дистанционного измерения температуры объекта (участка объекта) по его излучению.The invention relates to measuring technique, and in particular to devices for non-contact remote measurement of the temperature of an object (site of an object) by its radiation.
Обычно такое устройство включает оптическую систему и датчик, выполненный на основе одного или нескольких ИК фотодетекторов, которые регистрируют тепловую энергию в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра электромагнитного излучения нагретого объекта, поэтому часто их называют ИК термометрами. Размер и положение анализируемой области (участка) на поверхности объекта определяется расстоянием до объекта и оптической системой устройства. Различают ИК термометры «дальнего действия» и ИК термометры «ближнего действия». Для первых объект считается расположенным на бесконечности, и измерения проводят практически в параллельных пучках, при этом изображение объекта не формируют, а фотодетектор помещают в точку фокуса оптической системы, где концентрируется все электромагнитное излучение объекта, попадающее в оптическую систему устройства. В ИК термометрах «ближнего действия», предназначенных для измерения на конечных расстояниях, используют перестраиваемые фокусирующие оптические системы для формирования изображения измеряемой области объекта в месте расположения фотодетектора. Последние позволяют измерять температуру небольших объектов/областей объекта на различных расстояниях и характеризуются коэффициентом визирования V, связывающим линейный размер области измерения на поверхности объекта с расстоянием до него. При этом положение и размер измеряемой области, то есть участка объекта, тепловое излучение с которого собирают фокусирующей оптической системой и впоследствии детектируют фотодетектором, существенным образом зависит от настройки оптической системы, так как регистрируемый фотодетектором сигнал Iфд прямо пропорционален площади В измеряемой области объекта:Typically, such a device includes an optical system and a sensor based on one or more infrared photodetectors that record thermal energy in the infrared (IR) range of the electromagnetic radiation spectrum of a heated object, therefore they are often called IR thermometers. The size and position of the analyzed region (area) on the surface of the object is determined by the distance to the object and the optical system of the device. Distinguish between IR thermometers "long-range" and IR thermometers "short-range". For the former, the object is considered to be located at infinity, and measurements are carried out practically in parallel beams, while the image of the object is not formed, and the photodetector is placed at the focal point of the optical system, where all the electromagnetic radiation of the object is concentrated, which falls into the optical system of the device. Adjustable focusing optical systems are used in short-range IR thermometers designed to measure at finite distances to form an image of the measured area of an object at the location of the photodetector. The latter allow you to measure the temperature of small objects / areas of the object at different distances and are characterized by a coefficient of sight V, linking the linear size of the measurement area on the surface of the object with the distance to it. In this case, the position and size of the measured region, i.e., the portion of the object, the thermal radiation from which is collected by the focusing optical system and subsequently detected by the photodetector, substantially depends on the settings of the optical system, since the signal I fd recorded by the photodetector is directly proportional to the area B of the measured region of the object:
где: ε - коэффициент излучательной способности измеряемого объекта, отн. ед.;where: ε is the emissivity coefficient of the measured object, rel. units;
τ - коэффициент прозрачности промежуточной среды (атмосферы) между фотодетектором и объектом измерения, отн. ед.;τ is the transparency coefficient of the intermediate medium (atmosphere) between the photodetector and the measurement object, rel. units;
R(λ,T) - спектральная плотность излучения абсолютно черного тела, определяемая формулой Планка, Вт/см2⋅мкм;R (λ, T) is the spectral radiation density of a completely black body, determined by the Planck formula, W / cm 2 ⋅ μm;
SI(λ) - спектральная характеристика чувствительности фотодетектора, А/Вт.S I (λ) is the spectral characteristic of the sensitivity of the photodetector, A / W.
Таким образом, применение фокусирующих оптических систем, предназначенных для визуализации области измерения на объекте в устройствах для бесконтактного дистанционного измерения температуры, обеспечивает не только удобство их использования, но и определяет точность и воспроизводимость результатов измерения температуры радиационными методами.Thus, the use of focusing optical systems designed to visualize the measurement area at the object in devices for non-contact remote temperature measurement provides not only the convenience of their use, but also determines the accuracy and reproducibility of the temperature measurement results by radiation methods.
Одним из наиболее простых технических решений устройства для бесконтактного измерения температуры, применяемого в коммерческих ИК термометрах, является использование параллаксной (внеосевой) системы наведения. Типичная схема такого устройства (см., например, заявка DE 202012102739, МПК F24H-009/20, G01J-005/02, G01J-005/08, опубликована 07.11.2013) содержит фотодетектор, фокусирующую оптическую систему для концентрации потока теплового излучения от измеряемого объекта и оптическую систему наведения на основе полупроводникового лазера с нерасходящимся пучком видимого глазом излучения, устанавливаемого на прицельной планке и формирующего «луч прицеливания».One of the simplest technical solutions for a non-contact temperature measurement device used in commercial IR thermometers is the use of a parallax (off-axis) guidance system. A typical circuit of such a device (see, for example, application DE 202012102739, IPC F24H-009/20, G01J-005/02, G01J-005/08, published November 7, 2013) contains a photo detector focusing the optical system to concentrate the heat flux from the measured object and the optical guidance system based on a semiconductor laser with a non-diverging beam of radiation visible to the eye, mounted on the aiming plate and forming a "targeting beam".
Основным недостатком известного устройства является то, что оптическая ось системы наведения не совпадает с оптической осью фокусирующей оптической системы концентрации потока теплового излучения объекта, что не позволяет получить достоверную информацию о размере измеряемой области. Особенно неудобно использовать такие устройства при проведении измерений на малоразмерных объектах.The main disadvantage of the known device is that the optical axis of the guidance system does not coincide with the optical axis of the focusing optical system of the concentration of the thermal radiation flux of the object, which does not allow to obtain reliable information about the size of the measured area. It is especially inconvenient to use such devices when conducting measurements on small objects.
Известно устройство для бесконтактного измерения температуры с беспараллаксной системой наведения (см. патент DE 3607679, МПК G01J 5/08; G02B13/14; G02B 23/12, опубликован 13.11.1986), которое содержит фотодетектор, фокусирующую оптическую систему для концентрации потока теплового излучения от измеряемого объекта (измерительную оптическую систему), включающую светоделительное устройство для отвода видимой части излучения объекта в окуляр для формирования и наблюдения изображения контролируемого объекта с перекрестием или точкой, совпадающей с центром области измерения. Вместо окуляра может быть использован луч полупроводникового лазера для указания точки пересечения оптической оси измерительной оптической системы с объектом.A device is known for non-contact temperature measurement with a non-parallax guidance system (see patent DE 3607679, IPC G01J 5/08; G02B13 / 14; G02B 23/12, published 11/13/1986), which contains a photodetector focusing an optical system to concentrate the flow of thermal radiation from the measured object (measuring optical system), including a beam splitter for diverting the visible part of the radiation of the object into the eyepiece for forming and observing an image of the controlled object with a crosshair or a point coinciding with the center of the region sti measurements. Instead of an eyepiece, a semiconductor laser beam can be used to indicate the point of intersection of the optical axis of the measuring optical system with the object.
Достоинством такого известного устройства является точное совпадение оптической оси системы наведения при соответствующей юстировке с оптической осью фокусирующей оптической системы. Недостатком известного устройства является то, что происходит визуализация только центра оптической оси, что не дает информации о реально измеряемой области объекта и что может привести к значительным методическим погрешностям в расчетах температуры объекта. Особенно большие погрешности возникают при исследовании объектов с неравномерным распределением температуры, объектов неправильной формы с линейными размерами, близкими к предельным, и/или измерении температуры на объектах, расположенных под углом к оптической оси ИК термометра.The advantage of such a known device is the exact coincidence of the optical axis of the guidance system with appropriate alignment with the optical axis of the focusing optical system. A disadvantage of the known device is that only the center of the optical axis is visualized, which does not provide information about the actually measured region of the object and that can lead to significant methodological errors in calculating the temperature of the object. Particularly large errors occur when examining objects with an uneven temperature distribution, objects of irregular shape with linear dimensions close to the limit, and / or measuring temperature at objects located at an angle to the optical axis of the IR thermometer.
Известно устройство для бесконтактного измерения температуры (см. патент ЕР 1176407, МПК G01J-005/08, G01J-005/08, опубликован 30.01.2002), включающее фотодетектор, ИК фокусирующую оптическую систему для концентрации потока теплового излучения от измеряемого объекта и систему наведения для визуализации области измерения, содержащую источник видимого излучения и кольцевую (фацетную) оптическую систему, расположенную по внешнему краю и соосную ИК оптической системе. Система наведения формирует «окружность прицеливания» в виде кольца вокруг оптической оси ИК термометра в любой точке по ходу лучей в плоскости, перпендикулярной вышеупомянутой оси. Изображение кольца ограничивает область, тепловое излучение с которой собирают ИК оптической системой, то есть область, на которой осуществляют измерение температуры объекта.A device is known for non-contact temperature measurement (see patent EP 1176407, IPC G01J-005/08, G01J-005/08, published January 30, 2002), including a photodetector, IR focusing optical system for concentrating the flow of thermal radiation from the measured object and the guidance system to visualize the measurement area, containing a source of visible radiation and a ring (facet) optical system located on the outer edge and coaxial to the IR optical system. The guidance system forms an “aiming circle” in the form of a ring around the optical axis of the IR thermometer at any point along the rays in a plane perpendicular to the aforementioned axis. The image of the ring limits the region with which thermal radiation is collected by the IR optical system, that is, the region in which the temperature of the object is measured.
Основными недостатками известного устройства является то обстоятельство, что формирование «окружности прицеливания» происходит независимо от ИК оптической схемы формирования изображения, что ограничивает использование известного технического решения ИК термометрами «дальнего действия», так как не предусматривает возможности изменения размеров «окружности прицеливания» в ИК термометрах с фокусирующей оптикой.The main disadvantages of the known device is the fact that the formation of the "aiming circle" is independent of the IR optical image forming circuit, which limits the use of the known technical solution by IR long-range thermometers, since it does not provide for the possibility of changing the dimensions of the "aiming circle" in IR thermometers with focusing optics.
Известно устройство для бесконтактного измерения температуры (см. заявка СА 2317734, МПК G01K 1/00, G01K 13/00, опубликована 18.03.199), содержащее фотодетектор, фокусирующую оптическую систему для концентрации потока теплового излучения от измеряемого объекта и систему наведения для визуализации области измерения, выполненную на основе полупроводникового лазера. Оптическая схема системы наведения содержит вращающееся зеркало, в результате отражения от которого лазерный луч описывает «окружность прицеливания», соответствующую размеру области измерения на исследуемом объекте. Основным недостатком известного устройства является наличие подвижных механических элементов, что усложняет его применимость в портативных устройствах и ограничивает использование ИК термометрами «дальнего действия», так как не предусматривает возможности изменения размеров «окружности прицеливания» в ИК термометрах с фокусирующей оптикой.A device for non-contact temperature measurement (see application CA 2317734, IPC
Известно устройство для бесконтактного измерения температуры (см. патент US 6234669, МПК G01J 5/02, G01J 5/08, опубликован 22.05.2001), содержащее фотодетектор, фокусирующую оптическую систему, полупрозрачное зеркало для ввода излучения от точечного источника видимого излучения, помещенного в область, оптически сопряженную с фотодетектором, и дифракционное светоделительное устройство (голограмму), формирующее несколько «лучей прицеливания» видимого излучения, расположенных вокруг оси фокусирующей оптической системы и идущих к ней под некоторым углом. Положение и наклон «лучей прицеливания» задает дифракционное устройство, рассчитанное для заданной конфигурации фокусирующей оптической системы датчика. При этом на объекте формируется область пересечения нескольких «лучей прицеливания», которая и определяет границы измеряемой области объекта.A device for non-contact temperature measurement (see patent US 6234669, IPC G01J 5/02, G01J 5/08, published May 22, 2001), comprising a photo detector, a focusing optical system, a translucent mirror for inputting radiation from a point source of visible radiation, placed in a region optically coupled to a photodetector and a diffraction beam splitting device (hologram), which forms several “aiming rays” of visible radiation located around the axis of the focusing optical system and going towards it at a certain angle. The position and inclination of the "aiming rays" sets the diffraction device, calculated for a given configuration of the focusing optical system of the sensor. At the same time, an intersection region of several “aiming rays” is formed on the object, which determines the boundaries of the measured region of the object.
Основными недостатками известного устройства являются невысокая яркость и четкость визуализированных границ измеряемой области из-за наличия интерференционных эффектов и малой эффективности дифракционного светоделительного устройства, необходимого для формирования нескольких «лучей прицеливания» от одного источника, а также необходимость замены дифракционного элемента при перефокусировке датчика.The main disadvantages of the known device are the low brightness and clarity of the visualized boundaries of the measured region due to the presence of interference effects and the low efficiency of the diffraction beam splitter necessary for the formation of several “aiming rays” from one source, as well as the need to replace the diffraction element when refocusing the sensor.
Известно устройство для бесконтактного измерения температуры (см. заявка ЕР 1176407, МПК G01J 5/08, опубликована 30.01.2002), содержащее фотодетектор, ИК оптическую систему, источник видимого излучения и кольцевую (фацетную) оптическую систему, расположенную по внешнему краю ИК оптической системы. Фацетная оптическая система формирует «окружность прицеливания» в виде изображения кольца вокруг оптической оси ИК оптической системы в любой точке по ходу лучей в плоскости, перпендикулярной вышеупомянутой оси. Изображение кольца ограничивает область, тепловое излучение с которой собирается ИК оптической системой, т.е. область измерения температуры объекта.A device for non-contact temperature measurement (see application EP 1176407, IPC
Основными недостатками известного устройства являются повышенные требования к мощности источника видимого излучения и ограничение использования данного технического решения ИК термометрами «дальнего действия», так как известное решение не предусматривает возможности изменения размеров «окружности прицеливания» в датчике для бесконтактного измерения температуры с фокусирующей оптикой. Это связано с расположением источника видимого излучения вне ИК оптической системы.The main disadvantages of the known device are the increased requirements for the power of the source of visible radiation and the restriction of the use of this technical solution by IR long-range thermometers, since the known solution does not provide for the possibility of changing the dimensions of the "aiming circle" in the sensor for non-contact temperature measurement with focusing optics. This is due to the location of the source of visible radiation outside the IR optical system.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является устройство для бесконтактного измерения температуры (см. заявка US 20060114966 A1, МПК G01J 5/00, G01J 5/08, опубликована 01.06.2006). Устройство-прототип содержит фотодетектор, фокусирующую оптическую систему и, по крайней мере, 2 независимых источника видимого излучения.The closest to the claimed invention in terms of essential features is a device for non-contact temperature measurement (see application US 20060114966 A1, IPC G01J 5/00, G01J 5/08, published 01.06.2006). The prototype device contains a photo detector, a focusing optical system and at least 2 independent sources of visible radiation.
Достоинством известного решения являются исключение неэффективных дифракционных и сложных вращающихся механических оптических элементов, снижение требований к мощности излучателей, а также отсутствие причин для возникновения интерференционных и спекл-эффектов. Недостатком известного устройства является необходимость дополнительной ручной или автоматической регулировки углового положения источников видимого излучения, формирующих «лучи прицеливания», при перефокусировке оптической системы датчика.The advantage of the known solution is the exclusion of ineffective diffraction and complex rotating mechanical optical elements, reduced power requirements for emitters, and the absence of reasons for the occurrence of interference and speckle effects. A disadvantage of the known device is the need for additional manual or automatic adjustment of the angular position of the sources of visible radiation that form the "aiming rays" when refocusing the optical system of the sensor.
Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства для бесконтактного измерения температуры, которое бы имело повышенную точность и воспроизводимость показаний при измерении температуры на поверхностях объектов сложной формы, на разных расстояниях (удалении) до объекта и/или при неравномерном распределении температуры по его поверхности.The present invention is the creation of such a device for non-contact temperature measurement, which would have increased accuracy and reproducibility of readings when measuring temperature on the surfaces of objects of complex shape, at different distances (removal) from the object and / or with an uneven distribution of temperature on its surface.
Задача решается тем, что устройство для бесконтактного измерения температуры содержит фокусирующую оптическую систему, фотодетектор, совмещенный с изображением измеряемой области объекта, по меньшей мере три полупроводниковых излучателя видимого диапазона спектра, расположенных вокруг оптической оси фокусирующей оптической системы. Новым в устройстве является то, что полупроводниковые излучатели видимого диапазона спектра расположены в месте расположения фотодетектора по границе изображения измеряемой области объекта.The problem is solved in that the device for non-contact temperature measurement contains a focusing optical system, a photo detector combined with an image of the measured area of the object, at least three semiconductor emitters of the visible spectrum, located around the optical axis of the focusing optical system. New in the device is that semiconductor emitters of the visible range of the spectrum are located at the location of the photodetector along the image boundary of the measured region of the object.
Фокусирующая оптическая система устройства может быть выполнена в виде одиночной линзы, прозрачной для инфракрасного и видимого диапазонов спектра излучения.The focusing optical system of the device can be made in the form of a single lens, transparent to the infrared and visible ranges of the radiation spectrum.
Фокусирующая оптическая система устройства может быть выполнена в виде совокупности сферического зеркала с центральным отверстием и плоского зеркала, оптически соединенных с объектом измерения, полупроводниковыми излучателями видимого диапазона спектра и с фотодетектором.The focusing optical system of the device can be made in the form of a combination of a spherical mirror with a central hole and a flat mirror optically connected to the measurement object, semiconductor emitters of the visible range of the spectrum and with a photodetector.
Фотодетектор устройства может содержать по меньшей мере два p-n-перехода, расположенных по ходу лучей излучения объекта, что позволяет проводить детектирование теплового излучения с одного и того же измеряемого участка объекта по меньшей мере в двух различных спектральных диапазонах. Это позволяет проводить измерения температуры объектов с неизвестными или изменяющимися значениями излучательной способности объекта и коэффициентом прозрачности промежуточной среды при условии, что они не зависят от упомянутых спектральных диапазонов.The photodetector of the device may contain at least two p-n junctions located along the rays of the radiation of the object, which allows the detection of thermal radiation from the same measured portion of the object in at least two different spectral ranges. This allows measurements of the temperature of objects with unknown or changing values of the emissivity of the object and the transparency coefficient of the intermediate medium, provided that they are independent of the mentioned spectral ranges.
Фотодетектор устройства может быть снабжен иммерсионной линзой, а полупроводниковые излучатели видимого диапазона спектра могут быть расположены по периметру указанной линзы.The photodetector of the device can be equipped with an immersion lens, and semiconductor emitters of the visible range of the spectrum can be located around the perimeter of the specified lens.
Фокусирующая оптическая система может дополнительно содержать диафрагму, установленную перед иммерсионной линзой фотодетектора и ограничивающую размер изображения области измерения на объекте, а полупроводниковые излучатели видимого диапазона спектра могут быть расположены на внутренней границе отверстия диафрагмы.The focusing optical system may further comprise a diaphragm mounted in front of the immersion lens of the photodetector and limiting the image size of the measurement region on the object, and semiconductor emitters of the visible range of the spectrum can be located on the inner boundary of the aperture opening.
Наличие по меньшей мере трех полупроводниковых излучателей видимого диапазона спектра, расположенных вокруг оси фокусирующей оптической системы устройства по границе изображения измеряемой области объекта (входной апертуры фотодетектора), обеспечивает то, что исходящие от них лучи проходят через общую фокусирующую оптическую схему в направлении, обратном потоку ИК излучения от объекта, и тем самым полностью повторяют ход лучей, формирующих изображение измеряемой области участка объекта в месте расположения фотоприемника. Таким образом, в плоскости объекта формируются изображения полупроводниковых источников видимого излучения по границе измеряемой области объекта, независимо от его профиля и настройки фокусирующей оптической системы устройства.The presence of at least three visible semiconductor emitters located around the axis of the focusing optical system of the device along the image boundary of the measured region of the object (the input aperture of the photodetector) ensures that the rays emanating from them pass through the common focusing optical circuit in the direction opposite to the IR flux radiation from the object, and thereby completely repeat the path of the rays forming the image of the measured region of the site of the object at the location of the photodetector. Thus, in the plane of the object, images of semiconductor sources of visible radiation are formed along the boundary of the measured region of the object, regardless of its profile and the settings of the focusing optical system of the device.
Использование линзы, прозрачной одновременно для ИК и видимого диапазонов спектра, например сапфировой линзы, обеспечивает возможность использования фокусирующей оптической системы одновременно для ИК и видимого диапазонов спектра.The use of a lens that is transparent at the same time for the IR and visible ranges of the spectrum, for example, a sapphire lens, makes it possible to use a focusing optical system for both the IR and visible ranges of the spectrum.
Использование зеркальных оптических элементов для концентрации потока теплового излучения от измеряемого объекта повышает точность согласования плоскостей изображения участка объекта в видимом и в ИК диапазонах спектра в силу отсутствия в них дисперсии, присущей ИК оптическим элементам, выполненным, например, из сапфира. Дисперсия не позволяет прецизионно сформировать изображения в двух спектральных областях в одной плоскости.The use of mirror optical elements for the concentration of the heat radiation flux from the measured object increases the accuracy of matching the image planes of the object’s area in the visible and IR spectral ranges due to the lack of dispersion inherent in IR optical elements made, for example, from sapphire. Dispersion does not allow the precise formation of images in two spectral regions in the same plane.
Наличие иммерсионной линзы на фотодетекторе обеспечивает увеличение его эффективности (детектирующей способности), поскольку уменьшается соотношение электрически активной и оптической площадей детектора. При изготовлении линзы из полупроводниковых материалов, таких как Ge, Si, GaAs, GaSb и др., или халькогенидных стекол также обеспечивается дополнительная защита от засветок в видимом диапазоне спектра. Кроме того, именно размер оптически активной поверхности иммерсионной линзы определяет размер входного зрачка фотодетектора, то есть размер детектируемого изображения измеряемой области объекта. Это позволяет расположить по его контуру заранее выбранное количество полупроводниковых излучателей, то есть тем самым увеличить точность и наглядность визуализации границ измеряемой области объекта. Использование фотодетектора с иммерсионной линзой позволяет использовать диафрагмы, ограничивающие размер изображения измеряемой области изображения объекта без перестройки фокусирующей оптической системы датчика. При этом предпочтительно, чтобы полупроводниковые излучатели видимого диапазона спектра были бы расположены на внутренней границе отверстия диафрагмы.The presence of an immersion lens on the photodetector provides an increase in its efficiency (detecting ability), since the ratio of the electrically active and optical areas of the detector decreases. In the manufacture of lenses from semiconductor materials, such as Ge, Si, GaAs, GaSb, etc., or chalcogenide glasses, additional protection against illumination in the visible range of the spectrum is also provided. In addition, it is the size of the optically active surface of the immersion lens that determines the size of the entrance pupil of the photodetector, that is, the size of the detected image of the measured area of the object. This allows you to arrange along its circuit a pre-selected number of semiconductor emitters, that is, thereby increasing the accuracy and clarity of visualizing the boundaries of the measured area of the object. The use of a photodetector with an immersion lens allows the use of apertures limiting the image size of the measured area of the image of the object without restructuring the focusing optical system of the sensor. In this case, it is preferable that the semiconductor emitters of the visible range of the spectrum are located on the inner boundary of the aperture opening.
В настоящем устройстве используется единая (общая) оптическая схема для формирования изображения измеряемого участка объекта в ИК области спектра на чувствительной поверхности фотодетектора и для формирования видимого изображения границ чувствительного элемента ИК фотодетектора на объекте (в направлении, обратном ходу ИК лучей от объекта к фотодетектору).This device uses a single (general) optical scheme to form an image of the measured part of the object in the IR region of the spectrum on the sensitive surface of the photodetector and to form a visible image of the boundaries of the sensitive element of the IR photodetector on the object (in the direction opposite to the direction of the infrared rays from the object to the photodetector).
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где:The inventive device is illustrated by drawings, where:
на фиг. 1 схематически изображен первый вариант воплощения устройства для бесконтактного измерения температуры;in FIG. 1 schematically shows a first embodiment of a device for non-contact temperature measurement;
на фиг. 2 схематически изображен второй вариант воплощения датчика для бесконтактного измерения температуры.in FIG. 2 schematically shows a second embodiment of a sensor for non-contact temperature measurement.
Первый вариант воплощения устройства для бесконтактного измерения температуры (см. фиг. 1) содержит фотодетектор 1, фокусирующую оптическую систему 2 в виде идеальной одиночной линзы с фокальными точками F и -F и полупроводниковые излучатели 3 видимого диапазона спектра излучения (для простоты изображения представлено только два полупроводниковых излучателя 3), расположенные вокруг оси Z фокусирующей оптической системы 2 в виде идеальной линзы, прозрачной для инфракрасного и видимого диапазонов спектра излучения, по границе изображения измеряемой области 4 объекта 5, совпадающей с оптически активной поверхностью (входной апертурой) 6 фотодетектора 1, расположенного в плоскости формирования изображения объекта 5. Сплошными линиями на фиг. 1 показан ход лучей от измеряемой области 4 объекта 5 через фокусирующую оптическую систему 2, участвующих в формировании «теплового изображения» объекта 5 в месте расположения входной апертуры 6 фотодетектора 1. Пунктирными линиями показан ход лучей от полупроводниковых излучателей 3 видимого диапазона спектра излучения до объекта 5 через фокусирующую оптическую систему 2, которая в этом направлении (обратном ходу ИК лучей от объекта 5 к фотодетектору 1) формирует изображения 7 полупроводниковых излучателей 3 видимого диапазона спектра излучения (для наглядности показан ход лучей только от одного излучателя 3) по границе измеряемой области 4 объекта 5. F и -F обозначены фокальные точки фокусирующей оптической системы 2.The first embodiment of the device for non-contact temperature measurement (see Fig. 1) contains a
Второй вариант воплощения устройства для бесконтактного измерения температуры (см. фиг. 2) содержит фотодетектор 1, перед оптически активной поверхностью которого расположена иммерсионная линза 8 и диафрагма 9, которая в данном случае является входной апертурой фотоприемника 1, фокусирующую оптическую систему 2, выполненную в данном варианте на сферическом зеркале 10 с центральным отверстием и плоском зеркале 11, и полупроводниковые излучатели 3 видимого диапазона спектра излучения, расположенные на границе отверстия диафрагмы 9. Сплошными линиями на фиг.2 показан ход лучей от измеряемой области 4 объекта 5 через фокусирующую оптическую систему 2, формирующую «тепловое изображение» в плоскости входной апертуры 6 фотодетектора 1. Пунктирными линиями показан ход лучей, идущих в обратном направлении, от полупроводниковых излучателей 3 до объекта 5, в плоскости которого формируются изображения 7 полупроводниковых излучателей 3 диапазона спектра излучения (для наглядности показан ход лучей только от одного излучателя 3) по границе измеряемой области 4 объекта 5. Фотодетектор 1 в составе устройства для бесконтактного измерения температуры может быть выполнен как на фотосопротивлениях, так и на фотодиодах, чувствительных в ИК области спектра, при этом он может иметь различную ширину и положение максимума его спектральной характеристики, в том числе может быть выполнен как мультиспектральный модуль с возрастающей по ходу входящих лучей граничной длиной волны фоточувствительности λn…>λ4>λ2>λ1. Полупроводниковые излучатели 3 видимого диапазона спектра, входящие в состав устройства и устанавливаемые в непосредственной близости от входного зрачка фотодетектора 1, могут быть выполнены в виде бескорпусных светодиодов различного спектрального состава, лежащего в видимой области спектра, например, имеющие длину волны 0.6 мкм.The second embodiment of the device for non-contact temperature measurement (see Fig. 2) contains a
Настоящее устройство для бесконтактного измерения температуры работает следующим образом. При включении электропитания полупроводниковые излучатели 3 видимого диапазона спектра в количестве N штук начинают светиться и формируют видимые «лучи наведения». При наведении устройства на объект 5 на его поверхности будет наблюдаться N видимых изображений 7 полупроводниковых излучателей 3. Изображения 7 формируются фокусирующей оптической системой 2, которая одновременно служит для формирования изображения измеряемой области 4 объекта 5 в месте расположения входной апертуры 6 фотодетектора 1. Детектируемый им поток ИК излучения преобразуется в измеряемый электрический сигнал тока или напряжения, характеристики которого используют для дальнейших вычислений температуры объекта 5 в соответствии с известными алгоритмами. В соответствии с фундаментальным принципом взаимообратимости хода лучей в оптических системах местоположение N видимых изображений 7 (по числу полупроводниковых излучателей 3) будет точно соответствовать границам области 4 измерения при условии, что упомянутые излучатели 3 установлены в непосредственной близости от границ оптически активной поверхности (входного зрачка) фотодетектора 6. Таким образом, расположение и степень фокусировки N видимых изображений 7 (по числу полупроводниковых излучателей 3) полностью отражает степень фокусировки устройства, размер и форму области 4 поверхности объекта 5, тепловой поток с которой регистрируют фотодетектором 1 и используют для вычисления значений температуры.This device for non-contact temperature measurement works as follows. When the power is turned on,
В ООО «ИоффеЛЕД» было изготовлено устройство для бесконтактного измерения температуры в соответствии с вариантом воплощения, представленном на фиг. 2. Фотодетектор был выполнен на основе ИК фотодиодной сэндвич-структуры с возрастающей по ходу входящих лучей граничной длиной волны фоточувствительности, лежащей в спектральной области 3-5 мкм. Фоточувствительная поверхность первого по ходу лучей фотодиода стыковалась с помощью халькогенидного стекла с иммерсионной линзой диаметром d1=3,5 мм, выполненной из кремния. В качестве полупроводниковых излучателей были использованы 6 выпускаемых промышленностью бескорпусных светодиодов (СД) красного свечения типа XQERED-0-R20-P20-CO-0001 (производитель CREE, www.cree.com/xlamp). Чипы светодиодов, имеющие линейный размер (квадрат) 1,6 мм (размер излучающей поверхности к ≈1×1 мм), были установлены на печатной плате, играющей роль диафрагмы, по периметру ее внутреннего кольца, диаметр которого был равен d2=2,5 мм. Указанная печатная плата устанавливалась перед иммерсионной линзой, тем самым ограничивая размер входного зрачка ИК фотодетектора и, соответственно, размер изображения области измерения на объекте. Фокусирующая оптическая система устройства была выполнена с использованием зеркальных элементов: сферическое зеркало со сквозным отверстием в центре имело диаметр D1=6 см при радиусе кривизны R=40 см (фокусное расстояние F=20 см), плоское зеркало имело диаметр D2=3 см. Последнее устанавливалось на расстоянии L≈11 см от зеркала таким образом, чтобы «сломать» ход оптических лучей и уменьшить габариты устройства. При указанных параметрах в плоскости, примерно совпадающей с задней поверхностью сферического зеркала, формировалось изображение объекта, установленного на оптической оси на расстоянии 200 см с коэффициентом уменьшения М≈9. При диаметре входного зрачка ИК детектора d2=2,5 мм датчик обеспечивал измерение температуры участка поверхности диаметром ≈2 см (коэффициент визирования датчика V≈100). В свою очередь, та же система зеркал формировала на поверхности объекта кольцо, состоящее из 6-ти изображений СД, расположенных по кольцу с внутренним диаметром порядка 2 см, соответствующим границе измеряемой области.At IoffeLED LLC, a device for non-contact temperature measurement was manufactured in accordance with the embodiment shown in FIG. 2. The photodetector was made on the basis of an infrared photodiode sandwich structure with an increasing photosensitivity boundary wavelength along the incoming rays lying in the spectral region of 3-5 μm. The photosensitive surface of the first photodiode along the rays was docked using chalcogenide glass with an immersion lens with a diameter of d1 = 3.5 mm made of silicon. As the semiconductor emitters, 6 red light emitting diodes (LEDs) of the red light type XQERED-0-R20-P20-CO-0001 (manufactured by CREE, www.cree.com/xlamp) manufactured by the industry were used. LED chips with a linear size (square) of 1.6 mm (the size of the emitting surface to ≈1 × 1 mm) were installed on a printed circuit board that plays the role of a diaphragm along the perimeter of its inner ring, the diameter of which was d2 = 2.5 mm The specified printed circuit board was installed in front of the immersion lens, thereby limiting the size of the entrance pupil of the IR photodetector and, accordingly, the size of the image of the measurement area on the object. The focusing optical system of the device was made using mirror elements: a spherical mirror with a through hole in the center had a diameter of D1 = 6 cm with a radius of curvature R = 40 cm (focal length F = 20 cm), a flat mirror had a diameter of D2 = 3 cm. It was installed at a distance of L≈11 cm from the mirror in such a way as to “break” the path of optical beams and reduce the dimensions of the device. With the indicated parameters, in the plane approximately coinciding with the rear surface of the spherical mirror, an image of an object mounted on the optical axis at a distance of 200 cm with a reduction coefficient of M≈9 was formed. With the diameter of the entrance pupil of the IR detector d2 = 2.5 mm, the sensor ensured the measurement of the temperature of the surface area with a diameter of ≈2 cm (sensor sight coefficient V≈100). In turn, the same system of mirrors formed a ring on the surface of the object, consisting of 6 SD images located along a ring with an inner diameter of the order of 2 cm corresponding to the boundary of the measured region.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016119278A RU2622239C1 (en) | 2016-05-18 | 2016-05-18 | Device for non-contact measurement of the object temperature |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016119278A RU2622239C1 (en) | 2016-05-18 | 2016-05-18 | Device for non-contact measurement of the object temperature |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2622239C1 true RU2622239C1 (en) | 2017-06-13 |
Family
ID=59068339
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016119278A RU2622239C1 (en) | 2016-05-18 | 2016-05-18 | Device for non-contact measurement of the object temperature |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2622239C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107560753A (en) * | 2017-09-28 | 2018-01-09 | 清华大学 | Vehicle axles single-point temperature measuring equipment and method based on visible ray and infrared multispectral |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE29807075U1 (en) * | 1998-04-21 | 1999-09-02 | Keller Gmbh | pyrometer |
| US6234669B1 (en) * | 1996-12-24 | 2001-05-22 | Raytek Gmbh | Device for measuring temperature without contact |
| US20060114966A1 (en) * | 2003-07-30 | 2006-06-01 | Optris Gmbh | Device for contact-free measurement of temperature |
| EP1176407B1 (en) * | 2000-07-27 | 2007-09-12 | Raytek GmbH | Device and method for infrared temperature measurement |
| RU139153U1 (en) * | 2013-12-06 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | POLYCHROMATIC PYROMETER |
-
2016
- 2016-05-18 RU RU2016119278A patent/RU2622239C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6234669B1 (en) * | 1996-12-24 | 2001-05-22 | Raytek Gmbh | Device for measuring temperature without contact |
| DE29807075U1 (en) * | 1998-04-21 | 1999-09-02 | Keller Gmbh | pyrometer |
| EP1176407B1 (en) * | 2000-07-27 | 2007-09-12 | Raytek GmbH | Device and method for infrared temperature measurement |
| US20060114966A1 (en) * | 2003-07-30 | 2006-06-01 | Optris Gmbh | Device for contact-free measurement of temperature |
| RU139153U1 (en) * | 2013-12-06 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | POLYCHROMATIC PYROMETER |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107560753A (en) * | 2017-09-28 | 2018-01-09 | 清华大学 | Vehicle axles single-point temperature measuring equipment and method based on visible ray and infrared multispectral |
| CN107560753B (en) * | 2017-09-28 | 2024-01-09 | 清华大学 | Vehicle wheel axle single-point temperature measuring device and method based on visible light and infrared multispectral |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102086006B1 (en) | Limiting Noise on Photodetectors Using Aperture | |
| JP6562647B2 (en) | Infrared thermometer and energy zone temperature measurement method | |
| JP2019052867A (en) | Survey device | |
| US7355178B2 (en) | Infrared thermometer with through-the-lens visible targeting system | |
| US11940263B2 (en) | Detector for determining a position of at least one object | |
| US7545492B2 (en) | Sighting device and additional device for measuring, working, and/or operating with or without contact | |
| US20210364610A1 (en) | A measurement head for determining a position of at least one object | |
| US2813203A (en) | Optical systems for radiation pyrometers | |
| US8675194B2 (en) | Apparatus for measuring the retroreflectance of materials | |
| JP2022534950A (en) | Active illumination system that changes the illumination wavelength according to the angle of view | |
| US10054490B2 (en) | Medical thermometer having an improved optics system | |
| RU2622239C1 (en) | Device for non-contact measurement of the object temperature | |
| JP5452245B2 (en) | Lightwave distance measuring device | |
| KR20210088631A (en) | Detector and method for determining the position of at least one object | |
| RU2531555C2 (en) | Autocollimation method of changing focal distance | |
| CN114930191A (en) | Laser measuring device and movable platform | |
| CN110926614A (en) | Self-reflection type infrared emissivity and temperature measuring device | |
| JP2012177560A (en) | Radiation thermometer | |
| KR102547513B1 (en) | Apparatus for Optical Inspection | |
| RU2046303C1 (en) | Optical pyrometer | |
| Yeh et al. | MIR lens back focal length measurement system by Newton's equation | |
| CN117629405A (en) | Spectrometer | |
| JPH04223239A (en) | Radiometer for low temperature | |
| RU2297116C1 (en) | Infrared centering mount for roentgen radiator | |
| RU2489744C1 (en) | Collimator |