專利名稱：：高溫物體觀測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于高溫物體測(cè)試領(lǐng)域，特別涉及對(duì)高溫物體采用像增強(qiáng)CCD進(jìn)行觀測(cè)的方法。
背景技術(shù)：
：在一些工業(yè)生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)中，有時(shí)需要對(duì)高溫物體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)?，F(xiàn)有的觀測(cè)方法有直接目視或佩戴墨鏡、眼罩等來(lái)觀測(cè)；使用光學(xué)設(shè)備觀測(cè)；使用成像設(shè)備觀測(cè)。直接目視或佩戴墨鏡、眼罩觀測(cè)僅能區(qū)分高溫物體的大致輪廓，不能辨別更細(xì)節(jié)的信息。另外，長(zhǎng)時(shí)間直接目視會(huì)使人眼感到不適，佩戴墨鏡、眼罩會(huì)因無(wú)法看清不輻射可見(jiàn)光的物體而影響其他操作?，F(xiàn)在常使用光學(xué)設(shè)備和成像設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)。中國(guó)科學(xué)院上海精密機(jī)械研究所申報(bào)的發(fā)明專利《高溫物體觀測(cè)裝置》(公開(kāi)號(hào)1564049A)公開(kāi)了一種高溫物體觀測(cè)裝置，該裝置由兩個(gè)可調(diào)的偏振片和一個(gè)望遠(yuǎn)鏡組成，兩個(gè)偏振片相對(duì)位置可在090。連續(xù)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高溫物體所輻射電磁波050%透過(guò)率連續(xù)可調(diào)控制。該裝置只能觀測(cè)物體的外形輪廓，當(dāng)高溫物體外形較為復(fù)雜時(shí)就不能有效辨別高溫物體幾何形狀。美國(guó)專利(PatentNo:US6,859,285B1)OPTICALOBSERVATIONDEVICEANDMETHODFOROBSERVINGARTICLESATELEVATEDTEMPERATURES提出了一種高溫物體觀測(cè)方法和裝置。該裝置主要由以下幾部分組成輻射特定波長(zhǎng)電磁波的照明光源、CCD攝像機(jī)、截止濾波片。工作時(shí)，照明光源輻射的電磁波投射到高溫物體上，反射光透過(guò)截止濾波片后在CCD攝像機(jī)上成像。該裝置成像質(zhì)量較好，所拍攝的高溫物體圖像接近物體常溫下的圖像。由于光源所輻射出的電磁波僅有一小部分被利用，該方法存在照明光源功率較大、光線利用率低的缺陷。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)部分加工或?qū)嶒?yàn)中需要對(duì)具有較復(fù)雜外形的高溫物體幾何形狀進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)觀測(cè)的需要，克服以往各種觀測(cè)方法的不足，提出了一種使用低功率的照明光源照射高溫物體，在濾除高溫物體輻射的電磁波后，將高溫物體反射的照明光線在像增強(qiáng)CCD上成像并在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出舉的方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是其特征在于使用總功率達(dá)數(shù)百毫瓦或數(shù)瓦的照明光源照射高溫物體，高溫物體反射的照明電磁波和高溫物體輻射電磁波的混合電磁波被帶通濾波片過(guò)濾，僅有高溫物體反射的部分照明電磁波能夠被像增強(qiáng)CCD放大后成像；照明光源輻射電磁波的波長(zhǎng)和帶通濾波片的中心波長(zhǎng)是根據(jù)高溫物體的最高溫度來(lái)選擇的，帶通濾波片的中心波長(zhǎng)和照明光源輻射電磁波的波長(zhǎng)相匹配，保證照明光源輻射的電磁波能夠透過(guò)帶通濾波片；照明光源輻射電磁波的波長(zhǎng)和帶通濾波片的中心波長(zhǎng)根據(jù)以下步驟來(lái)確定1、測(cè)量高溫物體的最高溫度值T;2、初歩選擇照明光源輻射電磁波的波長(zhǎng)A，計(jì)算在波長(zhǎng)義上的輻出度光譜密度。高溫物體可近似看作黑體，其輻出度光譜密度隨波長(zhǎng)及溫度的變化規(guī)律為.-其中c,-2加2/z，c2=C/i/fc，義-波長(zhǎng)，r-物體的絕對(duì)溫度，e-自然對(duì)數(shù)的底數(shù)，q-普朗克定律第一常數(shù)，q-普朗克定律第二常數(shù)，A-普朗克量子常數(shù)，l玻耳茲曼常數(shù)，c-光速；3、計(jì)算在波長(zhǎng);i上輻射光線透過(guò)帶通濾波片后的光照度五(2)r-帶通濾波片峰值透射率，、-683流明/瓦，v(;i)4見(jiàn)見(jiàn)函數(shù)；當(dāng)高溫物體在波長(zhǎng)義。上輻射的電磁波通過(guò)帶通濾波片后的光照度￡。遠(yuǎn)小于像增強(qiáng)CCD的飽和光照度五'時(shí)，波長(zhǎng)義?？纱_定為照明光源輻射電磁波的波長(zhǎng)和帶通濾波片的中心波長(zhǎng)。調(diào)整照明光源的功率，使照明電磁波被高溫物體反射后再透過(guò)帶通濾波片的光照度A符合(3)五。-輻射光線透過(guò)帶通濾波片后的光照度，￡'-像增強(qiáng)CCD的飽和光照度。本發(fā)明的顯著效果是使用該方法可以在低功率照明光源照射下對(duì)高溫物體進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)到的高溫物體輪廓清晰，特別是在對(duì)較大體積的高溫物體進(jìn)行觀測(cè)時(shí)避免了工作場(chǎng)所被強(qiáng)光所照射。圖l一高溫物體測(cè)試系統(tǒng)示意圖，其中l(wèi)-高溫物體，2-輻射電磁波，3-照明光源，4-照明電磁波，5-像增強(qiáng)CCD，6-帶通濾波片，7-混合電磁波，8-計(jì)算機(jī)，9-數(shù)據(jù)傳輸線。圖2—黑體相對(duì)輻射能量隨波長(zhǎng)變化示意圖，圖中橫坐標(biāo)X表示波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)Y表示相對(duì)輻射能量；A-溫度為140(TC的黑體其輻射能量隨波長(zhǎng)變化曲線示意圖，B-溫度為80(TC的黑體其輻射能量隨波長(zhǎng)變化曲線示意圖，C-溫度為50(TC的黑體其輻射能量隨波長(zhǎng)變化曲線示意圖。圖3—像增強(qiáng)CCD光譜靈敏度隨波長(zhǎng)變化示意圖，圖中橫坐標(biāo)X1表示波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)Yl表示光譜靈敏度，其中D-像增強(qiáng)CCD光譜靈敏度隨波長(zhǎng)變化曲線。具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，高溫物體l向外輻射出電磁波，輻射電磁波2的波長(zhǎng)范圍很寬，其中只有一小部分在可見(jiàn)光區(qū)內(nèi)。不同溫度的物體所輻射的電磁波能量曲線不同，某一溫度的物體所輻射的能量隨波長(zhǎng)變化而變化。所述高溫物體可以是鋼、鐵、鋁合金等多種金屬。高溫物體輻射電磁波特性可用黑體輻射特性來(lái)近似，圖2是黑體相對(duì)輻射能量隨波長(zhǎng)變化示意圖。從圖2中可以看出，黑體溫度越高，所輻射能量的波峰越向短波長(zhǎng)方向偏移，在同一波長(zhǎng)上輻射出的能量也越強(qiáng)。在圖1中，照明光源3向高溫物體1輻射出照明電磁波4，照明電磁波4的波長(zhǎng)依高溫物體的溫度而定，當(dāng)物體溫度增高時(shí)使用能輻射較短波長(zhǎng)電磁波的光源。照明電磁波4被高溫物體反射后的電磁波和輻射電磁波2混合在一起得到混合電磁波7，混合電磁波7被帶通濾波片6濾波后在像增強(qiáng)CCD5上成像。帶通濾波片6的中心波長(zhǎng)應(yīng)與激光陣列或LED陣列輻射的電磁波波長(zhǎng)相匹配，保證照明光源3輻射的電磁波被高溫物體1反射后能夠透過(guò)帶通濾波片6。照明光源3除可以選擇激光陣列或LED陣列外，還可以選擇低功率氙燈和汞燈。像增強(qiáng)CCD5是像增強(qiáng)器與CCD耦合的微弱光攝像機(jī)，像增強(qiáng)器與CCD的耦合方式有兩種，即光學(xué)透鏡耦合與光纖錐體耦合，常用的是光纖錐體耦合?，F(xiàn)在已經(jīng)有第一代像增強(qiáng)器、第二代像增強(qiáng)器、第三代像增強(qiáng)器與CCD光纖耦合的微弱光攝像器件。圖3是一種像增強(qiáng)CCD5的光譜靈敏度曲線圖，從圖中可以看出像增強(qiáng)CCD5的光譜感應(yīng)范圍大約在300nm-920nm之間，如果使用背部照射減薄的CCD，感光波長(zhǎng)極限可達(dá)lOOnm。部分像增強(qiáng)CCD通過(guò)使用自控調(diào)節(jié)裝置和措施實(shí)現(xiàn)了很寬的動(dòng)態(tài)范圍，具有了全天候工作的能力，也就是既可在夜間無(wú)月星光下(景物照度l(T5lx)使用，又可在日光下(景物照度約105lx)工作，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)1011。像增強(qiáng)CCD的信噪比對(duì)成像質(zhì)量有較大影響，像增強(qiáng)CCD信噪比與圖像質(zhì)量:關(guān)系表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>對(duì)于使用第二代像增強(qiáng)器的像增強(qiáng)CCD其信噪比由下面公式計(jì)算:丄-像管光電陰極照度，S-CCD有效像素區(qū)面積，r-CCD積分時(shí)間，M-像管與光纖錐倍率因子，/7-光電陰極量子效率，^電子收集效率。將計(jì)算的照明光源3發(fā)射的電磁波被高溫物體1反射后進(jìn)入像增強(qiáng)CCD5的光照度代入上面公式，得到的信噪比要在30以上，以滿足成像質(zhì)量的要求。像增強(qiáng)CCD5與計(jì)算機(jī)8通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線9連接，像增強(qiáng)CCD5拍攝的圖像保存在計(jì)算機(jī)8中并在計(jì)算機(jī)8的屏幕上顯示出來(lái)。當(dāng)物體溫度很高時(shí)，為了防止進(jìn)入像增強(qiáng)CCD5的光照度過(guò)強(qiáng)可以在像增強(qiáng)CCD5前加裝上兩個(gè)線偏振片。通過(guò)調(diào)整兩個(gè)線偏振片的相對(duì)位置，使光線透過(guò)率在050%范圍內(nèi)變化。權(quán)利要求1、一種高溫物體觀測(cè)方法，其特征在于使用總功率達(dá)數(shù)百毫瓦或數(shù)瓦的照明光源(3)照射高溫物體(1)，高溫物體(1)反射的照明電磁波(4)和高溫物體輻射電磁波(2)的混合電磁波(7)被帶通濾波片(6)過(guò)濾，僅有高溫物體(1)反射的部分照明電磁波能夠被像增強(qiáng)CCD(5)放大后成像；照明光源(3)輻射電磁波的波長(zhǎng)和帶通濾波片(6)的中心波長(zhǎng)是根據(jù)高溫物體(1)的最高溫度來(lái)選擇的，帶通濾波片(6)的中心波長(zhǎng)和照明光源(3)輻射電磁波的波長(zhǎng)相匹配，保證照明光源(3)輻射的電磁波能夠透過(guò)帶通濾波片(6)；照明光源(3)輻射電磁波的波長(zhǎng)和帶通濾波片(6)的中心波長(zhǎng)根據(jù)以下步驟來(lái)確定1)測(cè)量高溫物體的最高溫度值T；2)初步選擇照明光源(3)輻射電磁波的波長(zhǎng)λ，計(jì)算在波長(zhǎng)λ上的輻出度光譜密度。高溫物體(1)可近似看作黑體，其輻出度光譜密度隨波長(zhǎng)及溫度的變化規(guī)律為2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫物體觀測(cè)方法，其采用的觀測(cè)系統(tǒng)包括照明光源(3)、帶通濾波片(6)、像增強(qiáng)CCD(5)和計(jì)算機(jī)(8);照明光源(3)和像增強(qiáng)CCD(5)分別安放于高溫物體兩邊的側(cè)上方，濾波片(6)通過(guò)螺紋或其它連接方法安裝在像增強(qiáng)CCD(5)的鏡頭前，計(jì)算機(jī)(8)與像增強(qiáng)CCD(5)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線(9)連接在一起。全文摘要本發(fā)明一種高溫物體觀測(cè)方法屬于高溫物體測(cè)試領(lǐng)域，特別涉及對(duì)高溫物體采用像增強(qiáng)CCD進(jìn)行觀測(cè)的方法。使用總功率達(dá)數(shù)百毫瓦或數(shù)瓦的照明光源照射高溫物體，高溫物體反射的照明電磁波和高溫物體的輻射電磁波的混合電磁波被帶通濾波片過(guò)濾，然后被像增強(qiáng)CCD放大后成像。照明光源輻射電磁波的波長(zhǎng)和帶通濾波片的中心波長(zhǎng)是根據(jù)高溫物體的最高溫度來(lái)選擇的，帶通濾波片的中心波長(zhǎng)和照明光源輻射電磁波的波長(zhǎng)相匹配，保證照明光源輻射的電磁波能夠透過(guò)帶通濾波片。使用該方法觀測(cè)到的高溫物體圖像清晰，適合需要對(duì)高溫物體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中。文檔編號(hào)G02B27/02GK101201456SQ20071015792公開(kāi)日2008年6月18日申請(qǐng)日期2007年11月1日優(yōu)先權(quán)日2007年11月1日發(fā)明者巍劉,孫玉文,寧王,王福吉,王邦國(guó),賈振元申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)