專利名稱：：高溫物體觀測方法
技術領域：
：本發明屬于高溫物體測試領域，特別涉及對高溫物體采用像增強CCD進行觀測的方法。
背景技術：
：在一些工業生產或實驗中，有時需要對高溫物體進行長時間觀測。現有的觀測方法有直接目視或佩戴墨鏡、眼罩等來觀測；使用光學設備觀測；使用成像設備觀測。直接目視或佩戴墨鏡、眼罩觀測僅能區分高溫物體的大致輪廓，不能辨別更細節的信息。另外，長時間直接目視會使人眼感到不適，佩戴墨鏡、眼罩會因無法看清不輻射可見光的物體而影響其他操作。現在常使用光學設備和成像設備進行觀測。中國科學院上海精密機械研究所申報的發明專利《高溫物體觀測裝置》(公開號1564049A)公開了一種高溫物體觀測裝置，該裝置由兩個可調的偏振片和一個望遠鏡組成，兩個偏振片相對位置可在090。連續可調，實現了對高溫物體所輻射電磁波050%透過率連續可調控制。該裝置只能觀測物體的外形輪廓，當高溫物體外形較為復雜時就不能有效辨別高溫物體幾何形狀。美國專利(PatentNo:US6,859,285B1)OPTICALOBSERVATIONDEVICEANDMETHODFOROBSERVINGARTICLESATELEVATEDTEMPERATURES提出了一種高溫物體觀測方法和裝置。該裝置主要由以下幾部分組成輻射特定波長電磁波的照明光源、CCD攝像機、截止濾波片。工作時，照明光源輻射的電磁波投射到高溫物體上，反射光透過截止濾波片后在CCD攝像機上成像。該裝置成像質量較好，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。
發明內容本發明主要解決的技術問題是針對部分加工或實驗中需要對具有較復雜外形的高溫物體幾何形狀進行長時間實時觀測的需要，克服以往各種觀測方法的不足，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CCD上成像并在計算機屏幕上顯示出舉的方法。本發明所采用的技術方案是其特征在于使用總功率達數百毫瓦或數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濾，僅有高溫物體反射的部分照明電磁波能夠被像增強CCD放大后成像；照明光源輻射電磁波的波長和帶通濾波片的中心波長是根據高溫物體的最高溫度來選擇的，帶通濾波片的中心波長和照明光源輻射電磁波的波長相匹配，保證照明光源輻射的電磁波能夠透過帶通濾波片；照明光源輻射電磁波的波長和帶通濾波片的中心波長根據以下步驟來確定1、測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A，計算在波長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及溫度的變化規律為.-其中c,-2加2/z，c2=C/i/fc，義-波長，r-物體的絕對溫度，e-自然對數的底數，q-普朗克定律第一常數，q-普朗克定律第二常數，A-普朗克量子常數，l玻耳茲曼常數，c-光速；3、計算在波長;i上輻射光線透過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見見函數；當高溫物體在波長義。上輻射的電磁波通過帶通濾波片后的光照度￡。遠小于像增強CCD的飽和光照度五'時，波長義。可確定為照明光源輻射電磁波的波長和帶通濾波片的中心波長。調整照明光源的功率，使照明電磁波被高溫物體反射后再透過帶通濾波片的光照度A符合(3)五。-輻射光線透過帶通濾波片后的光照度，￡'-像增強CCD的飽和光照度。本發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高溫物體進行觀測，觀測到的高溫物體輪廓清晰，特別是在對較大體積的高溫物體進行觀測時避免了工作場所被強光所照射。圖l一高溫物體測試系統示意圖，其中l-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CCD，6-帶通濾波片，7-混合電磁波，8-計算機，9-數據傳輸線。圖2—黑體相對輻射能量隨波長變化示意圖，圖中橫坐標X表示波長，縱坐標Y表示相對輻射能量；A-溫度為140(TC的黑體其輻射能量隨波長變化曲線示意圖，B-溫度為80(TC的黑體其輻射能量隨波長變化曲線示意圖，C-溫度為50(TC的黑體其輻射能量隨波長變化曲線示意圖。圖3—像增強CCD光譜靈敏度隨波長變化示意圖，圖中橫坐標X1表示波長，縱坐標Yl表示光譜靈敏度，其中D-像增強CCD光譜靈敏度隨波長變化曲線。具體實施例方式結合附圖詳細說明本發明的具體實施例方式參照圖1，高溫物體l向外輻射出電磁波，輻射電磁波2的波長范圍很寬，其中只有一小部分在可見光區內。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近似，圖2是黑體相對輻射能量隨波長變化示意圖。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方向偏移，在同一波長上輻射出的能量也越強。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的波長依高溫物體的溫度而定，當物體溫度增高時使用能輻射較短波長電磁波的光源。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CCD5上成像。帶通濾波片6的中心波長應與激光陣列或LED陣列輻射的電磁波波長相匹配，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CCD5是像增強器與CCD耦合的微弱光攝像機，像增強器與CCD的耦合方式有兩種，即光學透鏡耦合與光纖錐體耦合，常用的是光纖錐體耦合。現在已經有第一代像增強器、第二代像增強器、第三代像增強器與CCD光纖耦合的微弱光攝像器件。圖3是一種像增強CCD5的光譜靈敏度曲線圖，從圖中可以看出像增強CCD5的光譜感應范圍大約在300nm-920nm之間，如果使用背部照射減薄的CCD，感光波長極限可達lOOnm。部分像增強CCD通過使用自控調節裝置和措施實現了很寬的動態范圍，具有了全天候工作的能力，也就是既可在夜間無月星光下(景物照度l(T5lx)使用，又可在日光下(景物照度約105lx)工作，動態范圍達1011。像增強CCD的信噪比對成像質量有較大影響，像增強CCD信噪比與圖像質量:關系表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>對于使用第二代像增強器的像增強CCD其信噪比由下面公式計算:丄-像管光電陰極照度，S-CCD有效像素區面積，r-CCD積分時間，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。將計算的照明光源3發射的電磁波被高溫物體1反射后進入像增強CCD5的光照度代入上面公式，得到的信噪比要在30以上，以滿足成像質量的要求。像增強CCD5與計算機8通過數據傳輸線9連接，像增強CCD5拍攝的圖像保存在計算機8中并在計算機8的屏幕上顯示出來。當物體溫度很高時，為了防止進入像增強CCD5的光照度過強可以在像增強CCD5前加裝上兩個線偏振片。通過調整兩個線偏振片的相對位置，使光線透過率在050%范圍內變化。權利要求1、一種高溫物體觀測方法，其特征在于使用總功率達數百毫瓦或數瓦的照明光源(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)過濾，僅有高溫物體(1)反射的部分照明電磁波能夠被像增強CCD(5)放大后成像；照明光源(3)輻射電磁波的波長和帶通濾波片(6)的中心波長是根據高溫物體(1)的最高溫度來選擇的，帶通濾波片(6)的中心波長和照明光源(3)輻射電磁波的波長相匹配，保證照明光源(3)輻射的電磁波能夠透過帶通濾波片(6)；照明光源(3)輻射電磁波的波長和帶通濾波片(6)的中心波長根據以下步驟來確定1)測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λ，計算在波長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及溫度的變化規律為2、根據權利要求1所述的高溫物體觀測方法，其采用的觀測系統包括照明光源(3)、帶通濾波片(6)、像增強CCD(5)和計算機(8);照明光源(3)和像增強CCD(5)分別安放于高溫物體兩邊的側上方，濾波片(6)通過螺紋或其它連接方法安裝在像增強CCD(5)的鏡頭前，計算機(8)與像增強CCD(5)通過數據傳輸線(9)連接在一起。全文摘要本發明一種高溫物體觀測方法屬于高溫物體測試領域，特別涉及對高溫物體采用像增強CCD進行觀測的方法。使用總功率達數百毫瓦或數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濾，然后被像增強CCD放大后成像。照明光源輻射電磁波的波長和帶通濾波片的中心波長是根據高溫物體的最高溫度來選擇的，帶通濾波片的中心波長和照明光源輻射電磁波的波長相匹配，保證照明光源輻射的電磁波能夠透過帶通濾波片。使用該方法觀測到的高溫物體圖像清晰，適合需要對高溫物體進行長時間觀測的工業生產和實驗中。文檔編號G02B27/02GK101201456SQ20071015792公開日2008年6月18日申請日期2007年11月1日優先權日2007年11月1日發明者巍劉,孫玉文,寧王,王福吉,王邦國,賈振元申請人:大連理工大學