本發(fā)明涉及紅外測溫技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于光學(xué)鏡面的紅外測溫裝置。

背景技術(shù)：

溫度是影響光學(xué)設(shè)備成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，對像質(zhì)的影響主要包括：光學(xué)鏡面與空氣的溫差起伏會在上方空氣中形成一層湍流，產(chǎn)生鏡面視寧度（mirror seeing）；光學(xué)鏡體溫度變化引起的熱變形和折射率變化，使反射或透射后的波面偏離了理想波面，產(chǎn)生熱致像差；溫度引起的光學(xué)元件其它性能參數(shù)的變化。研究并消除溫度對光學(xué)成像設(shè)備的影響，光學(xué)鏡體特別是光學(xué)鏡面的溫度精確測量是不可缺失的一環(huán)。目前光學(xué)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(huán)境中，鏡面溫度分布比較復(fù)雜，必須有足夠的測溫點數(shù)才能反映溫度分布。由于光學(xué)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。間接測溫是基于鏡面背部接觸測溫，通過數(shù)值計算間接反映鏡面溫度。鏡體的熱環(huán)境參數(shù)難以實測，包括鏡體與支撐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜熱傳導(dǎo)、復(fù)雜多變的對流和輻射換熱等，導(dǎo)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(yōu)勢。非接觸測溫技術(shù)種類繁多，主要包括適用于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、基于形變測量的激光干涉測溫和全息干涉測溫技術(shù)等。成像設(shè)備的光學(xué)鏡面的溫度多處于常溫范圍，適合常溫物體非接觸測溫儀器為中、長波紅外測溫設(shè)備。光學(xué)鏡面鍍有各種用于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(fā)射率很小，周邊環(huán)境在鏡面有強烈的反射輻射，嚴重干擾了測溫精度。目前紅外測溫技術(shù)可對漫發(fā)射體（朗伯體）進行精準測溫，對光學(xué)鏡面等高反射率表面的紅外測溫是不準確的。傳統(tǒng)中波、長波紅外測溫設(shè)備和測溫方法難以精準測量鏡面溫度的原因主要體現(xiàn)在以下三個方面：

1）光學(xué)鏡面自身熱輻射小于其反射的環(huán)境輻射。紅外波段反射率高的常溫鏡面，其自身熱輻射小于周邊環(huán)境甚至大氣下行輻射在鏡面的反射。傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)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(huán)境輻射而非鏡面自身熱輻射。

2）光學(xué)鏡面熱發(fā)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于傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)備標(biāo)定的輻射測量下限。

3）傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)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(fā)射率較小，小于其大夾角定向熱發(fā)射率。紅外測溫儀收集的鏡面熱輻射只占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(xué)物理研究院（VNIIOFI）的S.P.Morozova聯(lián)合設(shè)計了一種具備高精度紅外測溫和發(fā)射率測量的設(shè)備，代表著目前紅外測溫的前沿水平。為了消除周邊環(huán)境的反射輻射干擾，設(shè)備關(guān)鍵部分和光路都進行了液氮冷卻，光路和腔室處于真空環(huán)境。該設(shè)備造價極其昂貴且只能對放置于測量腔內(nèi)的鏡面進行測溫，不可對測量運行狀態(tài)下的鏡面溫度。中國計量科學(xué)研究院研制的真空紅外溫度標(biāo)準設(shè)備（VRTSF），于2015年研制成功。設(shè)備內(nèi)部采用液氮制冷和真空設(shè)計，內(nèi)置有傅里葉紅光光譜儀（BrukerVERTEX80V）。VRTSF代表著國內(nèi)紅外輻射測量的前沿水平，但只能測量放置于其測量腔內(nèi)的鏡面溫度，不滿足運行狀態(tài)下的鏡面測溫要求。光學(xué)鏡面等低發(fā)射率、高反射率物體表面一直被視為傳統(tǒng)紅外測溫領(lǐng)域中的盲區(qū)，目前公開文獻上尚未發(fā)現(xiàn)對運行狀態(tài)下常溫范圍的鏡面溫度進行精準測量的研究報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服了現(xiàn)有紅外測溫技術(shù)在鏡面測溫中的缺點，提供了一種高精度的用于光學(xué)鏡面的紅外測溫裝置。

為了解決傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)備鏡面測溫時的問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種用于光學(xué)鏡面的紅外測溫裝置，包括探測模塊、聚輻射透鏡、聚輻射罩殼和用于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于探測模塊端部的連接板，位于連接板一側(cè)、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(shè)置與連接座連接的環(huán)形部；所述聚輻射透鏡安裝于聚輻射罩殼內(nèi)，所述罩殼座的中心具有與探測模塊的探頭形狀相應(yīng)的通孔，探測模塊的探頭伸入連接座的通孔內(nèi)；所述探頭的光線入射端與連接座內(nèi)表面的底面平齊。

所述探測模塊為制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(huán)和壓圈安裝固定于聚輻射罩殼內(nèi)；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(huán)和壓圈的材質(zhì)為具有高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬材質(zhì)，聚輻射罩殼內(nèi)側(cè)表面、連接座內(nèi)表面的底面、透鏡定位環(huán)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(huán)與聚輻射罩殼采用一體化設(shè)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(dǎo)熱硅膠。

所述聚輻射罩殼和連接座的外側(cè)表面設(shè)有基于半導(dǎo)體控溫技術(shù)的控溫層。

本發(fā)明沒有傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)備的光學(xué)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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

（1）本發(fā)明可提高鏡面輻射收集能力。傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)備收集視場內(nèi)直接落在鏡頭的鏡面輻射，如圖7所示，設(shè)備收集視場中心處張角為ψ的鏡面輻射。傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)備光路上添加聚輻射罩殼后，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大于ψ，收集的其它位置處鏡面輻射張角也有相似的增大。本發(fā)明在傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)備基礎(chǔ)上，用聚輻射罩殼和聚輻射透鏡替換光學(xué)成像鏡頭，如圖1所示。本發(fā)明可收集經(jīng)聚輻射罩殼內(nèi)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(fā)明測量裝置利用透鏡的匯聚輻射能力，不考慮被測鏡面區(qū)域的溫度空間分辨率，可選用匯聚輻射性好的短焦透鏡。由于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，透過透鏡后與光軸呈大夾角的鏡面輻射，亦可經(jīng)反射進入探測器。本發(fā)明的鏡面輻射收集能力遠大于傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)備。舉例說明，美國FLIR公司生產(chǎn)的F數(shù)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(shù)為0.5、鍺透鏡在photo640工作波段的透過率為99%，聚輻射罩殼內(nèi)表面膜層的紅外波段反射率為95%、聚輻射罩殼頂端的端口面與探頭光線入射端的距離等于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(fā)明具有消除裝置自身熱輻射雜散光干擾的能力。裝置測溫光路內(nèi)的熱輻射雜散光主要來源于聚輻射罩殼內(nèi)壁、連接座內(nèi)表面的底面、透鏡定位環(huán)和壓圈，熱輻射雜散光可直接入射或經(jīng)反射進入探測器并影響鏡面測溫。為減弱熱輻射雜散光，聚輻射罩殼內(nèi)表面、連接座內(nèi)表面的底面、定位環(huán)和壓圈鍍有對紅外波段輻射反射率高的膜層，膜層的熱發(fā)射率很低，膜層熱輻射小于原先的罩殼內(nèi)表面、連接座內(nèi)表面、定位環(huán)和壓圈表面的熱輻射。光學(xué)鏡面特別是反射式光學(xué)鏡面多鍍有金、銀、鋁等膜層，鏡面熱發(fā)射率和聚輻射罩殼等所鍍膜層的熱發(fā)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干擾，采用半導(dǎo)體控溫技術(shù)對聚輻射罩殼和連接座的外表面進行控溫。透鏡定位環(huán)、壓圈和聚輻射罩殼均為高導(dǎo)熱系數(shù)金屬材質(zhì)，定位環(huán)與聚輻射罩殼采用一體化設(shè)計加工。壓圈、聚輻射罩殼、聚輻射透鏡之間的縫隙填充有導(dǎo)熱硅膠，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后，罩殼內(nèi)表面膜層和定位環(huán)的溫度與控溫值基本相等且穩(wěn)定不變，透鏡壓圈溫度也基本穩(wěn)定，膜層的熱輻射強度和空間分布基本穩(wěn)定。鍍增透膜后，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(wěn)定不變，為一個常數(shù)，收集的鏡面輻射則隨鏡面溫度而變。一個常數(shù)、一個變數(shù)，讓本發(fā)明測溫裝置具有了消除熱輻射雜散光干擾的能力。采用下述的測溫定標(biāo)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(biāo)

圓柱體樣鏡的上表面與待測溫的光學(xué)鏡面鍍有一樣的膜層，樣鏡的厚度小于直徑的1/50，鏡肧材質(zhì)為高導(dǎo)熱率金屬；樣鏡柱側(cè)面和底面設(shè)有高精準的溫度控制裝置，用于控制樣鏡溫度。溫度控制裝置具有合理的控溫范圍，控溫范圍覆蓋待測光學(xué)鏡面的溫度變化范圍；

樣鏡定標(biāo)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(shè)置，為了便于控溫，T_s可設(shè)置為待測光學(xué)鏡面的工作環(huán)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(shè)為恒定間距H_s，在保證無觸碰鏡面風(fēng)險的前提下，H_s應(yīng)盡可能小，例如小于罩殼開口面直徑的1/50；

樣鏡定標(biāo)時，以固定的溫度變化量?T調(diào)節(jié)樣鏡控溫值并記錄探測裝置對應(yīng)的定標(biāo)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(biāo)測量值為紅外焦平面陣列探測器各像元輸出值的平均值；建立基于樣鏡溫度和定標(biāo)測量值的定標(biāo)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中每個樣鏡溫度值T（i）對應(yīng)一個定標(biāo)測量值Y（i）；

步驟2：測量裝置測望遠鏡光學(xué)鏡面

選取光學(xué)鏡面的被測區(qū)域，測量裝置的聚輻射罩殼靠近該鏡面區(qū)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恒溫后，測量裝置開始測量鏡面溫度，獲取測量值；根據(jù)測量值和定標(biāo)數(shù)據(jù)庫，獲取對應(yīng)的鏡面溫度值T（i）；測量值位于數(shù)據(jù)庫的兩個定標(biāo)測量值之間時，利用線性插值方法獲取對應(yīng)的溫度值。

（3）本發(fā)明消除了鏡面周邊的環(huán)境紅外輻射在鏡面的反射干擾。其采用聚輻射罩殼貼近鏡面的測溫設(shè)計，可有效屏蔽環(huán)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(yīng)盡可能小，例如小于聚輻射罩殼頂端開口面直徑的1/50。絕大部分環(huán)境熱輻射被屏蔽在聚輻射罩殼之外，極小部分環(huán)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(jīng)多次反射后被聚輻射罩殼吸收。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中罩殼座的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖1中探測模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為圖1中聚輻射罩殼的結(jié)構(gòu)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(tǒng)測溫設(shè)備收集鏡面輻射的原理示意圖。

圖8為傳統(tǒng)測溫設(shè)備加裝聚輻射罩殼后收集鏡面輻射的原理示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)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(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1-6所示用于光學(xué)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和用于連接探測模塊1及聚輻射罩殼2的罩殼座4；所述罩殼座2包括連接固定于探測模塊1端部的連接板5，位于連接板5一側(cè)、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(shè)置與連接座6連接的環(huán)形部8；所述聚輻射透鏡3安裝于聚輻射罩殼2內(nèi)，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(yīng)的通孔，探測模塊1的探頭7伸入連接座的通孔內(nèi)，所述探頭7的光線入射端11與連接座的內(nèi)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于0.05㎜，避免連接座6通孔內(nèi)表面的自身熱輻射進入探頭7內(nèi)，干擾鏡面紅外測溫。

所述探測模塊為制冷型紅外熱像儀的探測模塊。制冷型紅外測溫儀是一種成熟的工業(yè)產(chǎn)品，所述探測模塊1是指制冷型紅外測溫儀中扣除光學(xué)成像鏡頭的剩余部分，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(gòu)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(huán)12和壓圈13安裝于聚輻射罩殼內(nèi)。

所述透鏡定位環(huán)和聚輻射罩殼采用一體化加工設(shè)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(dǎo)熱硅膠。

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(zhì)和透鏡支撐結(jié)構(gòu)為具有高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬材質(zhì)，聚輻射罩殼內(nèi)側(cè)表面、連接座內(nèi)表面的底面、透鏡定位環(huán)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(cè)表面設(shè)有基于半導(dǎo)體控溫技術(shù)的控溫層9。根據(jù)聚輻射罩殼2和連接座4的外形尺寸定制半導(dǎo)體控溫層。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。