RU96958U1

RU96958U1 - DIFFERENT LIGHT PYROMETER

Info

Publication number: RU96958U1
Application number: RU2010123382/28U
Authority: RU
Inventors: Андрей Юрьевич Долганин; Раиса Николаевна Долганина; Галина Николаевна Шангина
Original assignee: Андрей Юрьевич Долганин; Раиса Николаевна Долганина; Галина Николаевна Шангина
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2010-08-20

Abstract

Пирометр, содержащий входной объектив, модулятор с чередующимися отражающими и прозрачными секторами, оптическую систему и приемник излучения с охладителем, отличающийся тем, что отражающие сектора модулятора выполнены в виде нанесенного на пластину многослойного интерференционного покрытия. A pyrometer containing an input lens, a modulator with alternating reflecting and transparent sectors, an optical system and a radiation receiver with a cooler, characterized in that the reflecting sectors of the modulator are made in the form of a multilayer interference coating deposited on a plate.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к устройствам для бесконтактного измерения температуры (пирометрам).The proposed utility model relates to instrumentation, in particular, to devices for non-contact temperature measurement (pyrometers).

Существенной проблемой, возникающей при создании пирометрической аппаратуры, особенно низкого температурного диапазона, является борьба с помехами, связанными, в первую очередь, с собственным тепловым излучением конструктивных элементов оптических систем. Существуют различные подходы к уменьшению данных помех. Известны образцы ИК-аппаратуры, использующие классические зеркальные схемы, в которых уменьшение световых помех, связанных с тепловым излучением элементов конструкции, достигается охлаждением всей оптической системы до низких температур (например, астрономическая ИК-аппаратура европейского спутника IRAS, использовавшая оптическую систему Кассегрена, охлажденную до криогенных температур).A significant problem arising in the creation of pyrometric equipment, especially in the low temperature range, is the fight against interference associated primarily with the intrinsic thermal radiation of the structural elements of optical systems. There are various approaches to reducing this interference. Samples of infrared equipment are known using classical mirror schemes in which the reduction of light noise associated with the thermal radiation of structural elements is achieved by cooling the entire optical system to low temperatures (for example, astronomical infrared equipment of the European IRAS satellite, which used the Cassegrain optical system, cooled to cryogenic temperatures).

Охлаждение всей оптической системы до низкой температуры и ее термостатирование при этой температуре требует наличия громоздкой и энергоемкой криогенной системы. Кроме этого, при глубоком охлаждении оптической системы возникают проблемы с сохранением оптического качества из-за неизбежных температурных деформаций.Cooling the entire optical system to a low temperature and its thermostating at this temperature requires a cumbersome and energy-intensive cryogenic system. In addition, with deep cooling of the optical system, problems arise with the preservation of optical quality due to inevitable temperature deformations.

Известно устройство измерения температуры объекта (см. патент №2220430, опубл. 27.12.2003 г.), где подавление влияния теплового фона осуществляется расположением части оптической схемы (от апертурной диафрагмы до фотоприемника) в охлаждаемой светозащитной трубке. Однако и здесь габариты охлаждающего устройства остаются достаточно большими, а светозащитная трубка требует дополнительной энергии охлаждения.A device for measuring the temperature of an object is known (see patent No. 2220430, published December 27, 2003), where the influence of the thermal background is suppressed by arranging a part of the optical circuit (from the aperture diaphragm to the photodetector) in a cooled light-protective tube. However, here the dimensions of the cooling device remain quite large, and the light-shielding tube requires additional cooling energy.

Известно наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому устройство для бесконтактного контроля температуры (пирометр), содержащее входной объектив, модулятор с чередующимися отражающими и прозрачными секторами, оптическую систему и приемник излучения с охладителем, в котором значительно снижены и габариты системы охлаждения (см. патент РФ №45698, опубл. 27.12.2005 г.). Устройство использует одноканальную схему с промежуточным изображением, где установлен модулятор с отражающими в сторону приемника (зеркальными) секторами. В момент времени, когда ход пучка лучей пересекает зеркальный сектор модулятора приемник излучения «видит» сам себя, а поскольку он охлаждается, то влияние теплового излучения окружающей среды минимизируется.Known for the closest in technical essence to the proposed device for non-contact temperature control (pyrometer), containing an input lens, a modulator with alternating reflective and transparent sectors, an optical system and a radiation receiver with a cooler, in which the dimensions of the cooling system are significantly reduced (see RF patent No. 45698, published on December 27, 2005). The device uses a single-channel circuit with an intermediate image, where a modulator is installed with sectors reflecting towards the receiver (mirror). At the time when the path of the beam of rays crosses the mirror sector of the modulator, the radiation receiver “sees” itself, and since it cools, the influence of thermal radiation from the environment is minimized.

Однако указанное устройство не решает задачу подавления рассеянного фона, получаемого от микронеоднородностей зеркальных лопастей модулятора, величина которого вносит существенные погрешности при измерении объектов, сравнимых по температуре с окружающей средой и, особенно, ниже.However, this device does not solve the problem of suppressing the scattered background obtained from microinhomogeneities of the mirror blades of the modulator, the value of which introduces significant errors in the measurement of objects comparable in temperature to the environment and, especially, lower.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является уменьшение влияния теплового фона, обусловленного излучением большей части элементов оптической системы (в том числе и отражающих секторов модулятора), обеспечение высокого температурного разрешения (при низких температурах измеряемого объекта относительно окружающей среды) при сохранении таких ее преимуществ, как простота и малые габариты.The technical result of the proposed utility model is to reduce the influence of the thermal background due to the radiation of most of the elements of the optical system (including the reflecting sectors of the modulator), providing high temperature resolution (at low temperatures of the measured object relative to the environment) while maintaining its advantages such as simplicity and small dimensions.

Технический результат достигается тем, что в пирометре, содержащем входной объектив, модулятор с чередующимися отражающими и прозрачными секторами, оптическую систему и приемник излучения с охладителем, отражающие сектора модулятора выполнены в виде нанесенного на пластину многослойного интерференционного покрытияThe technical result is achieved in that in a pyrometer containing an input lens, a modulator with alternating reflecting and transparent sectors, an optical system and a radiation receiver with a cooler, the reflecting sectors of the modulator are made in the form of a multilayer interference coating applied to the plate

Выполнение отражающих секторов модулятора в виде многослойного интерференционного покрытия обеспечивает высокое (до 100%) отражение излучения в апертурном угле оптической схемы и имеет низкое (до единиц процентов) отражение за пределами апертурного угла.The implementation of the reflecting sectors of the modulator in the form of a multilayer interference coating provides high (up to 100%) reflection of radiation in the aperture angle of the optical circuit and has a low (up to several percent) reflection outside the aperture angle.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема пирометрического устройства, на фиг.2 приведена спектральная зависимость коэффициента отражения для одного из вариантов интерференционного покрытия отражающего сектора.The essence of the utility model is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a schematic diagram of a pyrometric device, Fig. 2 shows the spectral dependence of the reflection coefficient for one of the variants of the interference coating of the reflecting sector.

Пирометр, определяющий температуру объекта измерения 1, содержит входной объектив 2, модулятор 3 с двигателем 7, оптическую систему 4, приемник излучения 5 с охладителем 6. Отражающие сектора модулятора 3, обращенные в сторону приемника 5, выполнены в виде нанесенного на пластину многослойного интерференционного покрытия, обеспечивающее высокий (до 100%) коэффициент отражения излучения в угле поля зрения приемника, и имеющее низкое (до единиц процентов) отражение за пределами этого угла.The pyrometer that determines the temperature of the measurement object 1 contains an input lens 2, a modulator 3 with an engine 7, an optical system 4, a radiation receiver 5 with a cooler 6. The reflecting sectors of the modulator 3, facing the receiver 5, are made in the form of a multilayer interference coating applied to the plate providing a high (up to 100%) reflection coefficient of radiation in the angle of the field of view of the receiver, and having a low (up to units of percent) reflection outside this angle.

Приемник излучения 5 может быть выполнен на основе материала CdHgTe и снабжен термоэлектрическим охладителем 12 и диафрагмой, ограничивающей поле зрения приемника излучения до угла 2β, равного угловой апертуре α светового пучка входящего в оптическую систему 4 и входной объектив 2.The radiation detector 5 can be made on the basis of CdHgTe material and is equipped with a thermoelectric cooler 12 and a diaphragm that limits the field of view of the radiation receiver to an angle of 2β equal to the angular aperture α of the light beam entering the optical system 4 and the input lens 2.

Устройство работает следующим образом. Излучение от объекта измерения 1 фокусируется объективом 2 в плоскость модулятора 3. Диск модулятора выполнен в виде пластины с прозрачными и отражающими секторами, обеспечивающими прерывание излучения от объекта, а его обращенная к приемнику излучения поверхность - отражающая. После модулятора излучение от объекта оптической системой 4 проецируется на чувствительную площадку приемника 5. Таким образом, на приемник в течение одного полупериода попадает излучение от объекта, а в течение следующего - приемник как бы "видит" сам себя. В первом случае на выходе приемника образуется сигнал, пропорциональный потоку излучения от объекта, а во втором - шум, пропорциональный температуре приемника излучения.The device operates as follows. The radiation from the measurement object 1 is focused by the lens 2 into the plane of the modulator 3. The modulator disk is made in the form of a plate with transparent and reflective sectors, providing interruption of radiation from the object, and its surface facing the radiation receiver is reflective. After the modulator, the radiation from the object by the optical system 4 is projected onto the sensitive area of the receiver 5. Thus, the radiation from the object arrives at the receiver within one half-cycle, and during the next half-time the receiver “sees” itself. In the first case, a signal is generated at the output of the receiver proportional to the radiation flux from the object, and in the second case, noise is proportional to the temperature of the radiation receiver.

Отражающий сектор выполнен в виде многослойного интерференционного покрытия, нанесенного на сапфировую подложку, и состоящего из ряда четвертьволновых по толщине чередующихся слоев с высоким (В) и низким (Н) показателями преломления. На фиг.2 приведена спектральная зависимость коэффициента отражения для варианта покрытия отражающего сектора, изготовленного из 15-ти слойного покрытия, состоящих из четвертьволновых слоев германия - Ge (коэффициент преломления n=4,0) и двуокиси кремния - SiO₂ (коэффициент преломления n=1,45). Там же для сравнения приведены относительная характеристика спектральной чувствительности приемника излучения и спектральная плотность излучения объекта с температурой Т=273 К в относительных единицах.The reflecting sector is made in the form of a multilayer interference coating deposited on a sapphire substrate, and consisting of a series of quarter-wave thick alternating layers with high (B) and low (H) refractive indices. Figure 2 shows the spectral dependence of the reflectance for the coating variant of the reflective sector, made of a 15-layer coating, consisting of quarter-wave layers of germanium - Ge (refractive index n = 4.0) and silicon dioxide - SiO ₂ (refractive index n = 1.45). The relative characteristics of the spectral sensitivity of the radiation receiver and the spectral radiation density of an object with a temperature of T = 273 K in relative units are also given there for comparison.

При падении лучей под углом центральная длина волны смещается к коротким длинам волн. Приближенное значение сдвига от центральной длины волны для угла θ определяется по формуле (Волф У., Смит У., Лего Р. Справочник по инфракрасной технике. / Ред. Волф У., Цисис Г. В 4-х томах./ Т.2. Проектирование оптических систем: Пер. с англ. - М.: Мир, 1998. - c.l04):When rays fall at an angle, the central wavelength shifts to short wavelengths. The approximate value of the shift from the central wavelength for the angle θ is determined by the formula (Wolf W., Smith W., Lego R. Handbook on infrared technology. / Ed. Wolf W., Csis G. In 4 volumes. / T.2 Optical systems design: Translated from English - M .: Mir, 1998. - c.l04):

где λ_θ - центральная длина волны при угле падения θ, λ₀ - центральная волна при нормальном падении, n - эффективный коэффициент преломления фильтра, θ - угол падения.where λ _θ is the central wavelength at the angle of incidence θ , λ ₀ is the central wave at normal incidence, n is the effective refractive index of the filter, θ is the angle of incidence.

Составим таблицу 1 для длин волн, рассчитанных для угла θ=90° по формуле (1) и соответствующих значений спектральной плотности излучения R_λ.We compose table 1 for wavelengths calculated for the angle θ = 90 ° according to formula (1) and the corresponding values of the spectral radiation density R _λ .

Таблица 1Table 1 λ₀, мкмλ ₀ , μm R_λ0, Вт·см^-2мкм (для Т_ос=300 К)R _λ0 , W · cm ^-2 microns (for T _OS = 300 K) R_λ0/R_λθ (для Т_ос=300 К)R _λ0 / R _λθ (for T = 300 K _oc) R_λ(0), Вт·см^-2мкм (для Т_ос=243 К)R _{λ (0)} , W · cm ^-2 microns (for T _OS = 243 K) R_λ0/R_λθ (для Т_ос=243 К)R _λ0 / R _λθ (for T = 243 K _oc) 4four 2,27·10^-4 2.27 · 10 ^-4 12,912.9 1,36·10^-5 1.36 · 10 ^-5 32,932.9 λ_θ, мкм (для n=1,5)λ _θ , μm (for n = 1.5) R_λθ, Вт·см^-2мкм (для Т=300 К)R _λθ , W · cm ^-2 μm (for T = 300 K) R_λ(α), Вт·см^-2мкм (для Т=243 К)R _{λ (α)} , W · cm ^-2 microns (for T = 243 K) 2,982.98 1,76·10^-5 1.76 · 10 ^-5 4,13·10^-7 4.13 · 10 ^-7

Видно, что, например, для эффективного коэффициента преломления n=1,5 величина сдвига центральной длины волны от нормального падения достигает 25%. При этом спектральная плотность излучения, зеркально отраженного от модулятора на приемник, уменьшается более, чем на порядок для температуры окружающей среды Т_ос=300 К и почти в 33 раза для Т_ос=243 К.It is seen that, for example, for the effective refractive index n = 1.5, the shift of the central wavelength from the normal incidence reaches 25%. In this case, the spectral density of the radiation specularly reflected from the modulator to the receiver decreases by more than an order of magnitude for the ambient temperature T _OS = 300 K and almost 33 times for T _OS = 243 K.

Таким образом, по сравнению с прототипом в предложенном пирометре обеспечивается высокое подавление излучения фона, в том числе рассеянного на неоднородностях модулятора, а, следовательно, высокое температурное разрешение (при низких температурах измеряемого объекта относительно окружающей среды) при сохранении таких его преимуществ, как простота и малые габариты.Thus, in comparison with the prototype, the proposed pyrometer provides high suppression of background radiation, including the modulator scattered by the inhomogeneities, and, therefore, high temperature resolution (at low temperatures of the measured object relative to the environment) while maintaining its advantages such as simplicity and small dimensions.

Claims

A pyrometer containing an input lens, a modulator with alternating reflecting and transparent sectors, an optical system and a radiation receiver with a cooler, characterized in that the reflecting sectors of the modulator are made in the form of a multilayer interference coating deposited on a plate.