專利名稱：紅外多光譜掃描熱象儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用可移動的光學(xué)元件對目標(biāo)進(jìn)行圓錐掃描的光學(xué)裝置，尤其是一種紅外多光譜的掃描熱象儀。
根據(jù)普朗克定律，任何高于絕對零度的物體，都向外發(fā)射紅外輻射，它在某一光譜區(qū)內(nèi)的輻射量僅與光譜發(fā)射率和溫度有關(guān)，隨著物體溫度和發(fā)射率的差異將產(chǎn)生輻射量的差異。地面物體的紅外發(fā)射能量通過地物掃描光學(xué)系統(tǒng)，依次聚焦到紅外探測器上，經(jīng)過電子線路系統(tǒng)放大和功能處理，進(jìn)行圖象處理、顯示、存儲。紅外掃描成象實(shí)質(zhì)揭示物體的溫度分布層次。隨著熱象儀應(yīng)用領(lǐng)域和場所的不斷增加，為了及時準(zhǔn)確、真實(shí)地顯示其測量結(jié)果，熱象儀正在逐步小型化、智能化。其掃描方式有應(yīng)用45度掃描、擺動式掃描等，還有用無刷直流電機(jī)驅(qū)動八面反射棱鏡作水平方向掃描，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動往復(fù)擺動的反射平面鏡作垂直方向掃描。這種用兩個光學(xué)元件完成二維掃描任務(wù)勢必造成整體裝置體積增大，光路加長，重量大，能耗高，效率低等缺點(diǎn)。
本發(fā)明的目的是提供一種以一個平面鏡為掃描鏡，掃描方式為圓錐掃描，可接收熱紅外和可見/近紅外波段的光，并具有體積小，重量輕，效率高，穩(wěn)定可靠，精度高，壽命長的紅外多光譜掃描熱象儀。
本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀，其光學(xué)系統(tǒng)包括掃描鏡，聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)，雙色鏡，探測器。其中所述掃描鏡為一平面鏡，位于熱象儀的物方空間，掃描鏡的法線與轉(zhuǎn)軸有一夾角，聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)設(shè)置在所述掃描鏡的光軸上，雙色鏡設(shè)置在所述聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)后的光路上，且該光路上雙色鏡前還設(shè)有參考黑體盤，在所述聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)后參考黑體盤前置入反射鏡和球面鏡，探測器為分別設(shè)在由所述雙色鏡限定光學(xué)波段的兩個通道上，并在聚焦透鏡的焦平面上的熱紅外探測器和可見/近紅外探測器，在雙色鏡和聚焦透鏡之間的光路上設(shè)有可擺動的平面反射鏡，在可見光/近紅外波段通道中設(shè)置平面鏡和目鏡聚焦透鏡組，用于觀察目標(biāo)位置。
本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀改進(jìn)之處在于掃描鏡法線與轉(zhuǎn)軸的夾角α為0.5°-7°，且圓錐掃描的入射光軸與掃描鏡的法線之間呈22.5°角。
本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀的另一改進(jìn)之處在于掃描鏡法線與轉(zhuǎn)軸的夾角α為3.5°。
本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀的又一改進(jìn)之處在于所述雙色鏡為石英雙色鏡，在8-12.5μm波段測溫范圍為-50℃-100℃。
本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀的再一改進(jìn)之處在于在紅外波段通道中，在聚焦透鏡和紅外探測器之間設(shè)有衰減濾光鏡，在8-12.5μm波段測溫范圍為50℃-3000℃。
本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀的還有一改進(jìn)之處在于用無刷直流電機(jī)驅(qū)動平面掃描鏡的水平掃描和用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動平面掃描鏡的垂直掃描。
本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀的光學(xué)系統(tǒng)另一方案其光學(xué)系統(tǒng)包括掃描鏡、聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)、雙色鏡、探測器，其中掃描鏡為一平面鏡，位于熱象儀的物方空間，所述掃描鏡的法線與轉(zhuǎn)軸有一夾角，在所述掃描鏡的光軸上設(shè)置折光反射鏡，在其后的光路上設(shè)有聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)、45°反射鏡和參考黑體盤，雙色鏡設(shè)置在所述參考黑體盤后的光路上，探測器為分別設(shè)在由所述雙色鏡限定光學(xué)波段的兩個通道上，并在聚焦透鏡的焦平面上的熱紅外探測器和可見/近紅外探測器，在雙色鏡和聚焦透鏡之間的光路上設(shè)有可擺動的平面反射鏡，在可見/近紅外波段通道中設(shè)置平面鏡和目鏡聚焦透鏡組，用于觀察目標(biāo)位置。
本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀改進(jìn)之處在于掃描鏡法線與轉(zhuǎn)軸的夾角α為0.5°-7°，且圓錐掃描的入射光軸與掃描鏡法線呈45°角。
本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀的另一改進(jìn)之處在于掃描鏡法線與轉(zhuǎn)軸的夾角α為3.5°。
本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀的再一改進(jìn)之處在于所述聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)采用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡。
本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀的又一改進(jìn)之處在于所述雙色鏡為鍺雙色鏡，在8-12.5μm波段測溫范圍為-50℃-100℃。
本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀的還有一改進(jìn)之處在于在紅外波段通道中，在聚焦透鏡和紅外探測器之間設(shè)有衰減濾光鏡，在8-12.5μm波段測溫范圍為50℃-3000℃。
本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀的再有一改進(jìn)之處在于用無刷直流電機(jī)驅(qū)動平面掃描鏡的水平掃描和用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動平面掃描鏡的垂直掃描。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于掃描鏡采用一個平面鏡作圓錐掃描，減少了光學(xué)元件的數(shù)量，效率高達(dá)83.3％，且本系統(tǒng)為物方掃描，可以提高象質(zhì)，采用雙色鏡，將光束分成兩個通道，實(shí)現(xiàn)多光譜成象。其光學(xué)系統(tǒng)為折反系統(tǒng)，其口徑可以做大，有發(fā)展?jié)摿?，因此，本發(fā)明具有體積小，重量輕，效率高的優(yōu)點(diǎn)。它可用于醫(yī)學(xué)上，測出潛伏著的溫度變化，如早期癌癥等疑難病的發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)上，可以測出隱伏著的溫度變化，如50萬伏，22萬伏瓷瓶同高壓線接口的溫度異常變化，以及石化、鋼鐵設(shè)備和夜間渡船安全監(jiān)視等用處。


圖1為本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀實(shí)現(xiàn)二維圓錐掃描裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀第一實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)示意圖；圖3為本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀第二實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)示意圖；本發(fā)明的其他細(xì)節(jié)和特點(diǎn)通過閱讀下面結(jié)合附圖詳加描述的實(shí)施例即可清楚明了。
如圖1所示，紅外多光譜掃描熱象儀采用圓錐掃描方式，其中平面掃描鏡1有一轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸與水平掃描電機(jī)6同軸，在所述轉(zhuǎn)軸上水平掃描電機(jī)6的后面設(shè)有主光柵3、次光柵5和動平衡環(huán)4，兩個光柵用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的光柵脈沖信號，從而控制計(jì)算機(jī)的圖象采集和處理；動平衡環(huán)4用于獲得穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)，使圖象不產(chǎn)生歪斜和抖動。所述轉(zhuǎn)軸與平面掃描鏡1的法線N成α角，水平掃描電機(jī)6帶動平面掃描鏡1繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周360°，此時掃描平面鏡1法線旋轉(zhuǎn)2α角，其掃描軌跡為近似圓的曲線，對目標(biāo)掃描軌跡的關(guān)系式為tgθ=2tgω-tgα·cosω2(1+tgα·sinω)]]>其中ω-掃描鏡轉(zhuǎn)角，θ-地物目標(biāo)掃描角α-掃描鏡法線與掃描鏡轉(zhuǎn)軸的夾角，范圍為0.5°-7°。本實(shí)施例中3.5°。
目標(biāo)掃描成象的空間為300°，只有60°無目標(biāo)信號采樣點(diǎn)，因此，圓錐掃描的效率為83.3％。在所述水平掃描電機(jī)6的上部和下部分別設(shè)有垂直掃描電機(jī)7和基座2，垂直掃描電機(jī)7的轉(zhuǎn)軸設(shè)在基座2上與水平掃描電機(jī)6垂直連接。本紅外多光譜掃描熱象儀由掃描鏡1產(chǎn)生對目標(biāo)水平X方向，垂直Y方向的二維掃描成象，驅(qū)動二維掃描的水平掃描電機(jī)6和垂直掃描電機(jī)7分別為無刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。
如圖2所示，本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀光學(xué)系統(tǒng)的第一實(shí)施例，它包括掃描鏡1、由主鏡103和次鏡102組成的聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)、雙色鏡100、探測器108和115，其中掃描鏡1為一平面鏡，位于熱象儀的物方空間，所述掃描鏡1的法線與轉(zhuǎn)軸有一夾角α，本實(shí)施例中α=3.5°。并且入射光軸與掃描鏡法線的夾角為22.5度。所述聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)設(shè)置在掃描鏡1的光路上，該聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)采用牛頓望遠(yuǎn)鏡，在其主鏡103處設(shè)有調(diào)焦機(jī)構(gòu)，由掃描鏡1引入的目標(biāo)光束經(jīng)聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)后聚焦。在所述聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)之后的光路上設(shè)有參考黑體盤106和雙色鏡100，參考黑體盤106由電機(jī)107驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，為縮短光路，在所述聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)后和參考黑體盤106前置入反射鏡104和球面鏡105。所述雙色鏡100為石英雙色鏡，它將光束分成兩個通道，限定其光學(xué)波段，一個為8-12.5μm的紅外波段；一個為0.46-1.1μm可見/近紅外波段，所采用的雙色鏡100反射紅外光束，透過可見/近紅外光束，并且使兩波段的光束分別經(jīng)聚焦透鏡109，114聚焦在熱紅外探測器108和可見/近紅外探測器115上，并在雙色鏡100和聚焦透鏡114之間的光路上設(shè)有可擺動的平面反射鏡111。此時，由于紅外探測器需在低溫下工作，因此在8-12.5μm的紅外波段的測溫范圍為-50℃-100℃。在可見/近紅外波段通道中設(shè)置一平面鏡反射鏡112和一目鏡聚焦透鏡組113，用于觀察目標(biāo)位置。
在圖2所示的紅外多光譜掃描熱象儀光學(xué)系統(tǒng)中，在紅外波段通道上，聚焦透鏡109和紅外探測器108之間設(shè)有一衰減濾光鏡116，這樣可以滿足紅外探測器的工作溫度，提高了測溫范圍，在8-12.5μm波段，可以實(shí)現(xiàn)測溫范圍為50℃-3000℃。
如圖3所示，本發(fā)明紅外多光譜掃描熱象儀光學(xué)系統(tǒng)的第二實(shí)施例，它包括掃描鏡1、由主鏡304和次鏡303組成的聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)、雙色鏡308、探測器310和315，其中掃描鏡1為一平面鏡，位于熱象儀的物方空間，其法線與轉(zhuǎn)軸有一夾角α，本實(shí)施例中α=3.5°。并且入射光軸與掃描鏡法線的夾角為45°。在所述掃描鏡的光軸上設(shè)置一個折光反射鏡302，所述聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)為卡塞格林聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)，并設(shè)置在折光反射鏡302后，其主鏡304設(shè)有調(diào)焦機(jī)構(gòu)，會聚來自折光反射鏡302的平行光束，次鏡303反射所會聚的光束，以平行光的形式發(fā)射到45°反射鏡305上，光束經(jīng)45°反射鏡305反射，經(jīng)一個由電機(jī)307驅(qū)動的參考黑體盤106和雙色鏡308分成兩個通道，并且限定每個通道的波段，一個為8-12.5μm的紅外波段；一個為0.46-1.1μm可見/近紅外波段，所采用的雙色鏡308是鍺雙色鏡，它可以透過紅外光束，反射可見/近紅外光束，兩個通道的光束分別經(jīng)聚焦透鏡309和314聚焦在熱紅外探測器310和可見/近紅外探測器315上，并在雙色鏡308和聚焦透鏡314之間的光路上設(shè)有可擺動的平面反射鏡311。此時，由于紅外探測器需在低溫下工作，因此在8-12.5μm的紅外波段的測溫范圍為-50℃-100℃。在可見光波段通道中設(shè)置一平面反射鏡312和一目鏡聚焦透鏡組313，用于觀察目標(biāo)位置。
在圖3所示的紅外多光譜掃描熱象儀光學(xué)系統(tǒng)中，在紅外波段通道上，聚焦透鏡309和紅外探測器310之間設(shè)有一衰減濾光鏡316，這樣可以滿足紅外探測器的工作溫度，提高了測溫范圍，在8-12.5μm波段，可以實(shí)現(xiàn)測溫范圍為50℃-3000℃。
一個光譜相當(dāng)于一架照相機(jī)，揭示一種物質(zhì)的本質(zhì)，多個光譜相當(dāng)于多架照相機(jī)，揭示多種物質(zhì)的本質(zhì)。因此，采用紅外多光譜掃描成象系統(tǒng)可以對目標(biāo)物質(zhì)屬性有更深入的揭示，實(shí)現(xiàn)多個波段掃描同步，空間同步，視場同步。本發(fā)明的功能和工作過程是通過觀察目鏡，對目標(biāo)物體進(jìn)行大致取景，來自目標(biāo)物體的光束經(jīng)掃描鏡掃描，聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)聚焦在熱紅外探測器和可見/近紅外探測器上，熱紅外探測器和可見/近紅外探測器把所聚焦的目標(biāo)輻射能量轉(zhuǎn)換為電信號。這樣可以表示目標(biāo)物體的溫度分布層次，進(jìn)而測量物體的故障點(diǎn)，其測溫范圍為-50℃-100℃或者50℃-3000℃。然后，所轉(zhuǎn)換的電信號經(jīng)放大，功能處理，輸入至微處理器，它將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并按一幅圖象的記錄格式，形成數(shù)據(jù)文件，傳輸給計(jì)算機(jī)，進(jìn)行圖象處理和存貯，最后在顯示器上顯示，供人們獲取信息，進(jìn)行研究。
權(quán)利要求
1.一種紅外多光譜掃描熱象儀，其光學(xué)系統(tǒng)包括掃描鏡(1)，聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)(103、102)，雙色鏡(100)，探測器(108、115)，其特征在于掃描鏡(1)為一平面鏡，位于熱象儀的物方空間，所述掃描鏡的法線與轉(zhuǎn)軸有一夾角，聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)(102、103)設(shè)置在所述掃描鏡的光軸上，雙色鏡(100)設(shè)置在所述聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)后的光路上，且該光路上雙色鏡(100)前還設(shè)有參考黑體盤(106)，在所述聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)后參考黑體盤前置入反射鏡(104)和球面鏡(105)，探測器為分別設(shè)在由所述雙色鏡限定光學(xué)波段的兩個通道上，并在聚焦透鏡(109)和(114)的焦平面上的熱紅外探測器(108)和可見/近紅外探測器(115)，在雙色鏡(100)和聚焦透鏡(114)之間的光路上設(shè)有可擺動的平面反射鏡(111)，在可見光/近紅外波段通道中設(shè)置平面鏡(112)和目鏡聚焦透鏡組(113)，用于觀察目標(biāo)位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外多光譜掃描熱象儀，其特征在于掃描鏡(1)法線與轉(zhuǎn)軸的夾角α為0.5°-7°，且圓錐掃描的入射光軸與掃描鏡的法線之間呈22.5°角。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外多光譜掃描熱象儀，其特征在于掃描鏡(1)法線與轉(zhuǎn)軸的夾角α為3.5°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的紅外多光譜掃描熱象儀，其特征在于所述雙色鏡(100)為石英雙色鏡，在8-12.5μm波段測溫范圍為-50℃-100℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的紅外多光譜掃描熱象儀，其特征在于在紅外波段通道中，在聚焦透鏡(109)和紅外探測器(108)之間設(shè)有衰減濾光鏡(116)，在8-12.5μm波段測溫范圍為50℃-3000℃。
6.一種紅外多光譜掃描熱象儀，其光學(xué)系統(tǒng)包括掃描鏡(1)，聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)(304、303)，雙色鏡(308)，探測器(310、315)，其特征在于掃描鏡(1)為一平面鏡，位于熱象儀的物方空間，所述掃描鏡的法線與轉(zhuǎn)軸有一夾角，在所述掃描鏡的光軸上設(shè)置折光反射鏡(302)，在其后的光路上設(shè)有聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)(304、303)、45°反射鏡(305)和參考黑體盤(106)，雙色鏡(308)設(shè)置在所述參考黑體盤(106)后的光路上，探測器為分別設(shè)在由所述雙色鏡限定光學(xué)波段的兩個通道上，并在聚焦透鏡(309和314)的焦平面上的熱紅外探測器(310)和可見/近紅外探測器(315)，在雙色鏡(308)和聚焦透鏡(314)之間的光路上設(shè)有可擺動的平面反射鏡(311)，在可見光/近紅外波段通道中設(shè)置平面鏡(308)和目鏡聚焦透鏡組(313)，用于觀察目標(biāo)位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的紅外多光譜掃描熱象儀，其特征在于掃描鏡(1)法線與轉(zhuǎn)軸的夾角α為0.5°-7°，且圓錐掃描的入射光軸與掃描鏡法線呈45°角。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的紅外多光譜掃描熱象儀，其特征在于掃描鏡(1)法線與轉(zhuǎn)軸的夾角α為3.5°。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7或8所述的紅外多光譜掃描熱象儀，其特征在于所述聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)采用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的紅外多光譜掃描熱象儀，其特征在于所述雙色鏡(308)為鍺雙色鏡，在8-12.5μm波段測溫范圍為-50℃-100℃。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的紅外多光譜掃描熱象儀，其特征在于在紅外波段通道中，在聚焦透鏡(309)和紅外探測器(310)之間設(shè)有衰減濾光鏡(316)，在8-12.5μm波段測溫范圍為50℃-3000℃。
12.根據(jù)權(quán)利要求4所述的紅外多光譜掃描熱象儀，其特征在于用無刷直流電機(jī)驅(qū)動掃描鏡(1)的水平掃描和用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動掃描鏡(1)的垂直掃描。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的紅外多光譜掃描熱象儀，其特征在于用無刷直流電機(jī)驅(qū)動掃描鏡(1)的水平掃描和用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動掃描鏡(1)的垂直掃描。
14.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的紅外多光譜掃描熱象儀，其特征在于用無刷直流電機(jī)驅(qū)動掃描鏡(1)的水平掃描和用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動掃描鏡(1)的垂直掃描。
全文摘要
一種紅外多光譜掃描熱象儀包括掃描鏡,聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng),雙色鏡,探測器等,其中掃描鏡為一平面鏡,其法線與轉(zhuǎn)軸有一夾角,在掃描鏡的光路上設(shè)有一聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng),在聚焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)之后的光軸上設(shè)有參考黑體盤和雙色鏡,雙色鏡將光束分成三個波段兩個通道,并且分別經(jīng)透鏡聚焦在熱紅外探測器和可見/近紅外探測器上。本熱象儀為折反系統(tǒng),其口徑可以做大,減少了光學(xué)元件,效率高達(dá)83.3%,物方掃描,可提高象質(zhì),采用雙色鏡將光束分成兩個通道,實(shí)現(xiàn)多光譜成象。
文檔編號G01J3/36GK1298113SQ9912519
公開日2001年6月6日 申請日期1999年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月30日
發(fā)明者王寶根, 郝景瑜 申請人:王寶根