一種用於光學鏡面的紅外測溫裝置的製作方法

2024-01-19 03:14:15 2

本發明涉及紅外測溫技術領域，尤其涉及一種用於光學鏡面的紅外測溫裝置。

背景技術：

溫度是影響光學設備成像質量的關鍵因素之一，對像質的影響主要包括：光學鏡面與空氣的溫差起伏會在上方空氣中形成一層湍流，產生鏡面視寧度（mirror seeing）；光學鏡體溫度變化引起的熱變形和折射率變化，使反射或透射後的波面偏離了理想波面，產生熱致像差；溫度引起的光學元件其它性能參數的變化。研究並消除溫度對光學成像設備的影響，光學鏡體特別是光學鏡面的溫度精確測量是不可缺失的一環。目前光學鏡面溫度測量法有接觸測溫和間接測溫兩種，但兩者都有一定的局限性：接觸測溫通過在鏡面布置測溫探頭獲取溫度。實際熱環境中，鏡面溫度分布比較複雜，必須有足夠的測溫點數才能反映溫度分布。由於光學鏡面膜層和面形精度的超高要求，不能在鏡面布置很多測溫探頭。間接測溫是基於鏡面背部接觸測溫，通過數值計算間接反映鏡面溫度。鏡體的熱環境參數難以實測，包括鏡體與支撐結構的複雜熱傳導、複雜多變的對流和輻射換熱等，導致計算出的鏡面溫度不準確。

非接觸測溫不會影響鏡面膜層和面形，與接觸測溫相比有明顯的優勢。非接觸測溫技術種類繁多，主要包括適用於高溫物體的近紅外測溫、比色測溫、亮度測溫和多光譜輻射測溫等、基於形變測量的雷射幹涉測溫和全息幹涉測溫技術等。成像設備的光學鏡面的溫度多處於常溫範圍，適合常溫物體非接觸測溫儀器為中、長波紅外測溫設備。光學鏡面鍍有各種用於提高反射或透射能力的膜層，鏡面的紅外波段反射率高且熱發射率很小，周邊環境在鏡面有強烈的反射輻射，嚴重幹擾了測溫精度。目前紅外測溫技術可對漫發射體（朗伯體）進行精準測溫，對光學鏡面等高反射率表面的紅外測溫是不準確的。傳統中波、長波紅外測溫設備和測溫方法難以精準測量鏡面溫度的原因主要體現在以下三個方面：

1）光學鏡面自身熱輻射小於其反射的環境輻射。紅外波段反射率高的常溫鏡面，其自身熱輻射小於周邊環境甚至大氣下行輻射在鏡面的反射。傳統紅外測溫設備進行鏡面測溫時，紅外探測器接受的紅外輻射主要是反射的環境輻射而非鏡面自身熱輻射。

2）光學鏡面熱發射率低，常溫鏡面的自身熱輻射弱，部分超高反射率鏡面的自身熱輻射小於傳統紅外測溫設備標定的輻射測量下限。

3）傳統紅外測溫設備，只能收集與鏡面法線成小夾角的鏡面自身熱輻射，與法線呈小夾角的鏡面定向熱發射率較小，小於其大夾角定向熱發射率。紅外測溫儀收集的鏡面熱輻射只佔鏡面總熱輻射的一小部分。

為了提高紅外測溫的精度，德國國家計量院（PTB）的C.Monte、B.Gutschwager、J.Hollandt與全俄光學物理研究院（VNIIOFI）的S.P.Morozova聯合設計了一種具備高精度紅外測溫和發射率測量的設備，代表著目前紅外測溫的前沿水平。為了消除周邊環境的反射輻射幹擾，設備關鍵部分和光路都進行了液氮冷卻，光路和腔室處於真空環境。該設備造價極其昂貴且只能對放置於測量腔內的鏡面進行測溫，不可對測量運行狀態下的鏡面溫度。中國計量科學研究院研製的真空紅外溫度標準設備（VRTSF），於2015年研製成功。設備內部採用液氮製冷和真空設計，內置有傅立葉紅光光譜儀（BrukerVERTEX80V）。VRTSF代表著國內紅外輻射測量的前沿水平，但只能測量放置於其測量腔內的鏡面溫度，不滿足運行狀態下的鏡面測溫要求。光學鏡面等低發射率、高反射率物體表面一直被視為傳統紅外測溫領域中的盲區，目前公開文獻上尚未發現對運行狀態下常溫範圍的鏡面溫度進行精準測量的研究報導。

技術實現要素：

本發明克服了現有紅外測溫技術在鏡面測溫中的缺點，提供了一種高精度的用於光學鏡面的紅外測溫裝置。

為了解決傳統紅外測溫設備鏡面測溫時的問題，本發明是通過以下技術方案實現的：

一種用於光學鏡面的紅外測溫裝置，包括探測模塊、聚輻射透鏡、聚輻射罩殼和用於連接探測模塊及聚輻射罩殼的罩殼座；所述罩殼座包括連接固定於探測模塊端部的連接板，位於連接板一側、與連接板一體的連接座；所述聚輻射罩殼呈錐臺形，其直徑較小一端設置與連接座連接的環形部；所述聚輻射透鏡安裝於聚輻射罩殼內，所述罩殼座的中心具有與探測模塊的探頭形狀相應的通孔，探測模塊的探頭伸入連接座的通孔內；所述探頭的光線入射端與連接座內表面的底面平齊。

所述探測模塊為製冷型紅外熱像儀的探測模塊。

所述聚輻射透鏡為具有紅外輻射匯聚能力的單片透鏡或透鏡組；所述聚輻射透鏡通過透鏡定位環和壓圈安裝固定於聚輻射罩殼內；所述聚輻射透鏡表面鍍增透膜。

所述聚輻射罩殼、罩殼座、透鏡定位環和壓圈的材質為具有高導熱係數的金屬材質，聚輻射罩殼內側表面、連接座內表面的底面、透鏡定位環和壓圈表面均鍍有對紅外波段輻射反射率高的膜層。

所述透鏡定位環與聚輻射罩殼採用一體化設計加工。

所述壓圈、聚輻射罩殼與聚輻射透鏡三者形成的縫隙填充有導熱矽膠。

所述聚輻射罩殼和連接座的外側表面設有基於半導體控溫技術的控溫層。

本發明沒有傳統紅外測溫設備的光學成像鏡頭，測量時通過聚輻射罩殼反射收集鏡面輻射，通過聚輻射透鏡折射匯聚鏡面輻射。與現有技術相比，本發明具有如下優點：

（1）本發明可提高鏡面輻射收集能力。傳統紅外測溫設備收集視場內直接落在鏡頭的鏡面輻射，如圖7所示，設備收集視場中心處張角為ψ的鏡面輻射。傳統紅外測溫設備光路上添加聚輻射罩殼後，通過罩殼二次反射，可收集原中心處張角為θ的鏡面輻射，如圖8所示，θ大於ψ，收集的其它位置處鏡面輻射張角也有相似的增大。本發明在傳統紅外測溫設備基礎上，用聚輻射罩殼和聚輻射透鏡替換光學成像鏡頭，如圖1所示。本發明可收集經聚輻射罩殼內表面反射和透鏡折射匯聚進入探測器的更大張角的鏡面輻射。發明測量裝置利用透鏡的匯聚輻射能力，不考慮被測鏡面區域的溫度空間解析度，可選用匯聚輻射性好的短焦透鏡。由於透鏡和探頭之間有聚輻射罩殼，即使聚輻射透鏡的像差很大，透過透鏡後與光軸呈大夾角的鏡面輻射，亦可經反射進入探測器。本發明的鏡面輻射收集能力遠大於傳統紅外測溫設備。舉例說明，美國FLIR公司生產的F數為1的photo640機芯是一款短焦紅外熱像儀機芯，為photo系列機芯中收集被測物體表面輻射能力最強的型號之一。計算顯示，選用聚輻射鍺透鏡的F數為0.5、鍺透鏡在photo640工作波段的透過率為99%，聚輻射罩殼內表面膜層的紅外波段反射率為95%、聚輻射罩殼頂端的埠面與探頭光線入射端的距離等於photo640機芯最小聚焦距離時，測溫裝置的鏡面輻射收集能力約為photo640的16.1倍。

（2）本發明具有消除裝置自身熱輻射雜散光幹擾的能力。裝置測溫光路內的熱輻射雜散光主要來源於聚輻射罩殼內壁、連接座內表面的底面、透鏡定位環和壓圈，熱輻射雜散光可直接入射或經反射進入探測器並影響鏡面測溫。為減弱熱輻射雜散光，聚輻射罩殼內表面、連接座內表面的底面、定位環和壓圈鍍有對紅外波段輻射反射率高的膜層，膜層的熱發射率很低，膜層熱輻射小於原先的罩殼內表面、連接座內表面、定位環和壓圈表面的熱輻射。光學鏡面特別是反射式光學鏡面多鍍有金、銀、鋁等膜層，鏡面熱發射率和聚輻射罩殼等所鍍膜層的熱發射率相差不大，所鍍膜層表面的熱輻射不能忽略。為了消除膜層自身熱輻射幹擾，採用半導體控溫技術對聚輻射罩殼和連接座的外表面進行控溫。透鏡定位環、壓圈和聚輻射罩殼均為高導熱係數金屬材質，定位環與聚輻射罩殼採用一體化設計加工。壓圈、聚輻射罩殼、聚輻射透鏡之間的縫隙填充有導熱矽膠，以降低壓圈和聚輻射罩殼之間的接觸熱阻。聚輻射罩殼和連接座被控溫後，罩殼內表面膜層和定位環的溫度與控溫值基本相等且穩定不變，透鏡壓圈溫度也基本穩定，膜層的熱輻射強度和空間分布基本穩定。鍍增透膜後，鍺透鏡在探測模塊工作波段的透過率可達99%以上，鍺透鏡自身熱輻射級小，其熱輻射起伏變化極其微弱。測溫裝置探測器收集的熱輻射雜散光（包括膜層熱輻射和透鏡熱輻射）基本穩定不變，為一個常數，收集的鏡面輻射則隨鏡面溫度而變。一個常數、一個變數，讓本發明測溫裝置具有了消除熱輻射雜散光幹擾的能力。採用下述的測溫定標方法，可消除熱輻射雜散光對鏡面測溫的影響：

步驟1，測量裝置的樣鏡定標

圓柱體樣鏡的上表面與待測溫的光學鏡面鍍有一樣的膜層，樣鏡的厚度小於直徑的1/50，鏡肧材質為高導熱率金屬；樣鏡柱側面和底面設有高精準的溫度控制裝置，用於控制樣鏡溫度。溫度控制裝置具有合理的控溫範圍，控溫範圍覆蓋待測光學鏡面的溫度變化範圍；

樣鏡定標前，測量裝置的聚輻射罩殼和連接座的溫度控制層的控溫值為T_s，T_s可以自由設置，為了便於控溫，T_s可設置為待測光學鏡面的工作環境溫度均值；測量裝置的聚輻射罩殼和樣鏡鏡面之間距離設為恆定間距H_s，在保證無觸碰鏡面風險的前提下，H_s應儘可能小，例如小於罩殼開口面直徑的1/50；

樣鏡定標時，以固定的溫度變化量∆T調節樣鏡控溫值並記錄探測裝置對應的定標測量值；探測裝置的探測器為紅外焦平面陣列探測器，所述定標測量值為紅外焦平面陣列探測器各像元輸出值的平均值；建立基於樣鏡溫度和定標測量值的定標資料庫，資料庫中每個樣鏡溫度值T（i）對應一個定標測量值Y（i）；

步驟2：測量裝置測望遠鏡光學鏡面

選取光學鏡面的被測區域，測量裝置的聚輻射罩殼靠近該鏡面區域，間距為H_s；聚輻射罩殼和連接座的溫度控制為T_s；聚輻射罩殼和連接座恆溫後，測量裝置開始測量鏡面溫度，獲取測量值；根據測量值和定標資料庫，獲取對應的鏡面溫度值T（i）；測量值位於資料庫的兩個定標測量值之間時，利用線性插值方法獲取對應的溫度值。

（3）本發明消除了鏡面周邊的環境紅外輻射在鏡面的反射幹擾。其採用聚輻射罩殼貼近鏡面的測溫設計，可有效屏蔽環境熱輻射。測溫時，裝置的聚輻射罩殼貼近被測鏡面，在不觸碰鏡面的前提下，兩者之間的間隙應儘可能小，例如小於聚輻射罩殼頂端開口面直徑的1/50。絕大部分環境熱輻射被屏蔽在聚輻射罩殼之外，極小部分環境輻射通過聚輻射罩殼與鏡面之間的縫隙進入聚輻射罩殼，經多次反射後被聚輻射罩殼吸收。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為圖1中罩殼座的結構示意圖。

圖3為圖1中探測模塊的結構示意圖。

圖4為圖1中聚輻射罩殼的結構示意圖。

圖5為圖4中A部分的放大圖。

圖6為聚輻射罩殼的斷面示意圖，連接座的斷面圖與其相同。

圖7為傳統測溫設備收集鏡面輻射的原理示意圖。

圖8為傳統測溫設備加裝聚輻射罩殼後收集鏡面輻射的原理示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

圖1-6所示用於光學鏡面的紅外測溫裝置，包括探測模塊1、聚輻射透鏡3、聚輻射罩殼2和用於連接探測模塊1及聚輻射罩殼2的罩殼座4；所述罩殼座2包括連接固定於探測模塊1端部的連接板5，位於連接板5一側、與連接板5一體的連接座6；所述聚輻射罩殼2呈錐臺形，其直徑較小一端設置與連接座6連接的環形部8；所述聚輻射透鏡3安裝於聚輻射罩殼2內，所述罩殼座4的中心具有與探測模塊1的探頭7形狀相應的通孔，探測模塊1的探頭7伸入連接座的通孔內，所述探頭7的光線入射端11與連接座的內表面的底面平齊（連接座朝向聚輻射罩殼的一端稱為底面）。

所述探頭的外壁與連接座通孔的間隙不大於0.05㎜，避免連接座6通孔內表面的自身熱輻射進入探頭7內，幹擾鏡面紅外測溫。

所述探測模塊為製冷型紅外熱像儀的探測模塊。製冷型紅外測溫儀是一種成熟的工業產品，所述探測模塊1是指製冷型紅外測溫儀中扣除光學成像鏡頭的剩餘部分，主要由紅外探測器、控制電路、成像電路、讀出電路、制冷機等構成。

所述聚輻射透鏡為具有紅外輻射匯聚能力的單片透鏡或透鏡組，通過透鏡定位環12和壓圈13安裝於聚輻射罩殼內。

所述透鏡定位環和聚輻射罩殼採用一體化加工設計。

所述壓圈、聚輻射罩殼與聚輻射透鏡三者形成的縫隙填充有導熱矽膠。

所述聚輻射透鏡鍍增透膜以提高紅外輻射透過率。

所述紅外輻射的波段為探測模塊1的工作波段。

所述聚輻射罩殼、罩殼座材質和透鏡支撐結構為具有高導熱係數的金屬材質，聚輻射罩殼內側表面、連接座內表面的底面、透鏡定位環和壓圈均鍍有對紅外輻射反射率高的膜層10，如金膜，銀膜。

所述聚輻射罩殼和連接座的外側表面設有基於半導體控溫技術的控溫層9。根據聚輻射罩殼2和連接座4的外形尺寸定製半導體控溫層。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。