红外双色测温光学系统误差分析.pdf

传感器与微系统（）年第卷第期：（）红外双色测温光学系统误差分析王昭君，丁国清，陈欣（上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器科学与工程系，上海）摘要：红外双色测温法由于具有不干扰温场、响应速度快等优点，被广泛应用在冶金、电力和电子等工业行业。目前红外双色测温系统采用的双通道光学系统中，采用光轴一致原则。基于双通道红外双色测温系统，分析了分色镜对主光路光轴的影响，结果表明：分色镜会使主光路光轴产生偏移，并影响成像效果。使用软件分别进行仿真验证和搭建光学平台进行实验验证，结果表明：分色镜会使主光路光轴偏移，且在探测器面积较小时，对光学系统产生的影响不可忽略。关键词：红外探测器温度测量；光学特性；光束偏转；误差分析；分色镜；辐射热中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；引言基于普朗克定律，红外测温技术通过被测物体的辐射能量与温度之间的关系测定温度值，因其具有热惯性小、灵敏度高、响应快、测量距离远、测温范围广、不会对温度场分布噪声影响、可实现实时观测和自动控制等优点。红外双色测温法还可以削弱发射率的影响，得到的结果更接近被测物体的真实温度，大幅提高测量准确度和抗干扰能力，能满足工业生产和试验现场较为恶劣的工作环境，。目前，针对红外测温误差补偿的问题，苏成志等人提出测量距离和测量角度的二元线性多变量综合误差温度补偿模型；等人研究了测量角度对红外测温的影收稿日期：基金项目：上海市科委科技创新基地项目（）响；，等人提出测量距离的补偿模型；等人研究了环境温度的影响。上述研究中，大多关注测量距离、发射率、环境温度、测量角度等因素对测量结果的影响，在一定程度上减少了红外测温系统的误差。红外测温误差补偿工作是提高进入红外光学系统的有效辐射能量和总辐射能量的比值。但辐射能量若不能全部被探测器接收，则测温精度降低。当前双通道红外双色测温系统的主光路设计中采用光轴一致的原则。本文通过研究发现，分色镜会对主光路的光轴产生影响，当探测器面积较小时，能量不能全部进入探测器，导致测温精度降低，所以，光轴设计是高精度双通道红外双色测温系统设计时不第期王昭君，等：红外双色测温光学系统误差分析可忽略的问题。本文基于红外双色测温系统，提出了一种红外双色测温光学系统的设计方法，使得红外双色测温光学系统的机械中心随光轴的偏移而变化，探测器可接收全部能量，提高了双色红外测温系统的测温精度，并提高了红外双色测温系统对测量距离和物体倾斜等因素的鲁棒性。基本原理普朗克定律凡是温度在绝对零度（）以上的物体都能够辐射电磁波。物体的电磁波的辐射强度和其自身的表面温度密切相关。根据普朗克定律，黑体的辐射功率（）与波长以及绝对温度之间的关系（）（）式中 ，；和分别为第一辐射常数和第二辐射常数。（）单位为，单位为，单位为。此定律是一切定量计量红外辐射的基础。红外双色测温法红外双色测温是根据个波段内的红外辐射能量的比值来确定目标物体的温度。假设选定的波长分别为和，窄波段的宽度分别为和，两波段的辐射出度分别为（），（）。双色测温仪的个通道相当于个单色测温仪，相应的路输出信号可以表示为（）（）（）（）（）（）则路信号的比值为（）（）（）（）已知路信号的比值，即可求解出被测物体温度。无量纲。根据式（），若探测器接收到的（），（）和进入红外双色测温光学系统的（），（）存在误差，则此时的能量比值将不再满足式（），则测温系统将会产生误差（）（）（）（）式中（）（），（）（），然而红外测温算法仍然按照式（）进行，因此会产生测量误差。为了保证测量精度，需要经过光学设计，将进入红外光学系统的（），（）可以全部被探测器接收，即必须保证（）（），（）（）。红外双色测温光学系统红外双色测温光学系统将被测物体的辐射能量聚集到探测器。红外双色测温光学系统按照检测方法可分为单通道和双通道两种。其中，通道是指探测器元件个数。根据有无调制盘双通道系统分为调制和非调制两种。因为非调制型双通道红外双色测温系统无调制盘及其控制电机等，结构简单，应用广泛。非调制型双通道红外双色测温光学系统如图所示，光束通过透镜聚焦到分色镜上，分色镜将光线分为个部分，一部分经分色镜透射、滤波片滤波最终由探测器吸收，另一部分经分色镜反射、滤波片滤波后由探测器吸收。待测物体孔径光阑透镜分色镜滤波片 2 探测器 2滤波片 1探测器 1图双通道红外双色测温光学系统 其中，孔径光阑决定目标辐射在探测器上的辐照度，若光学系统视场角保持不变，则当被测目标温度保持不变时，探测器接收到的能量也保持不变，探测器输出不变，即测温数值不变。此为红外测温光学系统设计的基础。透镜的作用是将外部光线进行聚焦。由于光学系统的孔径远大于探测器尺寸，所以需要增加透镜使得能量更加集中。分色镜是一种专用的镜片，能将入射光分离成反射光和透射光两部分。在入射角为或时，可以从光源中分离出特定的光谱，或者改变部分光谱的光路方向，常用于酶标仪器、荧光显微镜系统、光学仪器分束等系统中。滤波片包括吸收滤光片、干涉滤光片等。其中，干涉滤波片采用真空镀膜的方法，在玻璃的表面镀一层具有特定厚度的光学薄膜，利用干涉原理使特定光谱范围的光波透过。干涉滤波片可以分为带通滤波片、截止滤波片等。本文使用的滤波片为带通滤波片。光学系统的设计会影响最终测温结果。若光学系统不能将进入孔径光阑的全部能量聚焦于探测器上，则根据式（）所计算的测量结果会存在一定误差。因此，光学系统的设计也是红外双色测温的重要环节。而光学系统的目标是将进入孔径光阑的能量全部聚焦于探测器上，且尽可能居中，以充分利用探测器，并减小测温系统受测量距离，被测物体轻微倾斜等因素的影响。模型搭建本文基于非调制双通道红外双色测温原理，在软件中搭建了光学系统平台。光学系统平台搭建理想黑体辐射出射度是一个只与物体的温度和波长相关的函数，与方向无关。为模拟黑体，本文选择径向光传 感 器 与 微 系 统第卷源，并将最小角度设置为，最大角度设置为，选择点数为，并将各个方向上的设置为相同的数值，此时得到的即为漫发射的光源。本文基于一种实际产品进行仿真运算，选择使用平凸镜实现聚焦功能。其焦距为，直径，厚度，材质为普通玻璃。由于一般的玻璃材质对红外波段的透过率不高，所以一般需要进行镀膜操作，仿真设计中选择镀理想的 膜，使其透过率尽可能高。本文选择 和 作为测量波段。两者距离较近，在 时，黑体辐射能量存在一定差距，还可以避开各吸收分子的主要吸收波段。选择，则理想分色镜的分界波长为 ，其波段透过率和反射率如图所示。020406080100透过率/%1.11.21.31.41.51.61.7波长/m透过率反射率020406080100反射率/%图理想分色镜 由于实际光学系统采用黑色涂层材料进行挡光设置，所以本文将整个光学系统置于圆柱管中，并将其材料设置为，使其透过率近似为。实际光学系统中的孔径设置，在仿真设计时均采用环形面来实现，并将其材质改为，透过率近似为。成像结果整个光学系统与不包含光源的光学系统细节如图所示。遮光管孔径光阑分色镜滤波片 2探测器 2滤波片 1探测器 1平凸透镜视场光阑视场光阑图光学系统 当探测器直径为 时，为了保证充分利用探测器，但也要留有一定余量的原则，本文将光斑限定在探测器接收面积的 左右，此时反射光路和主光路的光斑情况如图所示。可以看出，反射光路没有经过分色镜，其光斑与探测器同轴，且是一个规则的圆形。而主光路由于经过分色镜，光轴发生了偏移，且当探测器面积较小时，进入孔径光阑的光束其中一部分被探测器边缘遮挡，光斑不再是完整的圆，导致有效能量不能全部被接收，产生测量误差。(b3)?探测器 2 偏移后光斑-0.700.7Y 坐标值-0.700.7Y 坐标值-0.700.7Y 坐标值-0.700.7-0.700.7-0.700.7X 坐标值X 坐标值X 坐标值(a1)?探测器 1 光斑(a2)?探测器 2 光斑(a3)?探测器 2 偏移后光斑(b1)?探测器 1 光斑(b2)?探测器 2 光斑-1.001.0Y 坐标值-1.001.0Y 坐标值-1.001.0Y 坐标值-1.001.0-1.001.0-1.001.0X 坐标值X 坐标值X 坐标值(a)?探测器直径为 1.4?mm(b)?探测器直径为 2?mm图探测器光斑 将主光路的探测器偏移 ，即可得到和反射光路一样的较理想的光斑，如图（）所示。当探测器直径为 时，主光路探测器接收到的能量（），（），（）。此时，。其中，、分别为探测器理论和实际接收的能量；、分别为探测器理论和实际接收的能量；、分别为路信号的理论和实际比值。实际值只有理论值的 。此时，不考虑其他误差的情况下，经过计算得到的温度值为 ，而理论值是，相对误差为 ，而整个系统的精度要求为 ，因此，此误差的存在大大增加了系统其他方面的设计难度。当探测器直径为 时，个光路的光斑及其分布情况如图（）所示，可以看到，此时由于探测器直径较大，光斑位置发生了偏移，但光斑仍是一个圆形，此时探测器实际接收到的能量与理论值相同。同样将主光路探测器偏移 后，即可得到较为理想的光斑，能量不变。实验验证本文设计并搭建了一种光学光斑验证平台，确认光斑形状与偏差。实验装置如图所示。其中，光源选择的是飞利浦红外反射灯，发射波段为 ，峰值波长为。匀光板是将灯丝发光转变为漫发射方式。光学系统中，透镜、分色镜和滤波片的透过率光谱如图（）所示。在探测器位置放置白纸，使其成实像，并使用红外摄像机将结果进行记录。所使用的红外摄像机为，支持红外模式，拍摄时选择 分辨率，并将放大倍数调至最大，即倍。最终拍摄结果如图所示。其中，尺子主要用来作为标准尺寸进行定量验证。将孔径和光斑的边界及其中心点第期王昭君，等：红外双色测温光学系统误差分析(a)?实验装置相机 光学系统 匀光板光源020406080100百分比/%1.01.31.6波长/m(b)?光学器件特性分色镜透射率透镜透过率分色镜反射率1.55?m 滤波片透过率1.20?m 滤波片透过率1.9图实验装置标注出来，与图像上拍摄的标准尺寸进行比较，其中一个网格为 。结果表明，二者中心相差 左右。(a)?红外光斑照片(b)?光斑和机械机构轮廓(c)?光斑中心偏移量图实验结果结论基于红外双色测温原理，分析了分色镜对主光路光轴的影响，经过仿真和实验验证均表明：分色镜会使主光路光轴产生偏移，使得探测器不能有效利用；且当探测器面积较小时，其边缘会遮挡部分光线，导致能量不能全部进入探测器接收区域，影响测量精度。本文提出了一种红外双色测温光学系统的设计方法，使得红外双色测温光学系统的机械中心随光轴的偏移而变化，探测器可接收全部能量，提高了双色红外测温系统的测温精度，并提高了红外双色测温系统对测量距离和物体倾斜等因素的鲁棒性。参考文献：葛泽勋，曹秒，安志勇基于距离补偿的红外测温系统设计长春理工大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，胡子峰，王昭君，金路，等非调制双色红外测温误差实时补偿方法研究光学仪器，（）：，（）：郑斌双色红外测温仪的设计与改进上海：上海交通大学，：，苏成志，晏春，王菲，等激光辐照下红外测温的误差补偿方法研究应用光学，（）：，（）：，：，田鹏飞基于辐射源尺寸效应的红外辐射温度计光学系统设计研究杭州：中国计量学院，：，：，（）：孔菲双色红外测温仪的设计与研究上海：上海交通大学，：，张建奇红外系统西安：西安电子科技大学出版社，唐晋发，顾培夫，刘旭，等现代光学薄膜技术杭州：浙江大学出版社，：莫然高精度红外测温系统设计成都：电子科技大学，：，作者简介：王昭君（），女，硕士，研究方向为红外测温技术。丁国清（），男，通讯作者，博士，副教授，主要研究领域为精密测量。