專利名稱：紅外多光譜掃描熱象儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用可移動的光學元件對目標進行圓錐掃描的光學裝置，尤其是一種紅外多光譜的掃描熱象儀。
根據普朗克定律，任何高于絕對零度的物體，都向外發射紅外輻射，它在某一光譜區內的輻射量僅與光譜發射率和溫度有關，隨著物體溫度和發射率的差異將產生輻射量的差異。地面物體的紅外發射能量通過地物掃描光學系統，依次聚焦到紅外探測器上，經過電子線路系統放大和功能處理，進行圖象處理、顯示、存儲。紅外掃描成象實質揭示物體的溫度分布層次。隨著熱象儀應用領域和場所的不斷增加，為了及時準確、真實地顯示其測量結果，熱象儀正在逐步小型化、智能化。其掃描方式有應用45度掃描、擺動式掃描等，還有用無刷直流電機驅動八面反射棱鏡作水平方向掃描，用步進電機驅動往復擺動的反射平面鏡作垂直方向掃描。這種用兩個光學元件完成二維掃描任務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。
本實用新型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，穩定可靠，精度高，壽命長的紅外多光譜掃描熱象儀。
本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀，其光學系統包括掃描鏡，聚焦望遠系統，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，掃描鏡的法線與轉軸有一夾角，聚焦望遠系統設置在所述掃描鏡的光軸上，雙色鏡設置在所述聚焦望遠系統后的光路上，且該光路上雙色鏡前還設有參考黑體盤，在所述聚焦望遠系統后參考黑體盤前置入反射鏡和球面鏡，探測器為分別設在由所述雙色鏡限定光學波段的兩個通道上，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有可擺動的平面反射鏡，在可見光/近紅外波段通道中設置平面鏡和目鏡聚焦透鏡組，用于觀察目標位置。
本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀改進之處在于掃描鏡法線與轉軸的夾角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。
本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀的另一改進之處在于掃描鏡法線與轉軸的夾角α為3.5°。
本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀的又一改進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℃。
本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀的再一改進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有衰減濾光鏡，在8-12.5μm波段測溫范圍為50℃-3000℃。
本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀的還有一改進之處在于用無刷直流電機驅動平面掃描鏡的水平掃描和用步進電機驅動平面掃描鏡的垂直掃描。
本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀的光學系統另一方案其光學系統包括掃描鏡、聚焦望遠系統、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軸有一夾角，在所述掃描鏡的光軸上設置折光反射鏡，在其后的光路上設有聚焦望遠系統、45°反射鏡和參考黑體盤，雙色鏡設置在所述參考黑體盤后的光路上，探測器為分別設在由所述雙色鏡限定光學波段的兩個通道上，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有可擺動的平面反射鏡，在可見/近紅外波段通道中設置平面鏡和目鏡聚焦透鏡組，用于觀察目標位置。
本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀改進之處在于掃描鏡法線與轉軸的夾角α為0.5°-7°，且圓錐掃描的入射光軸與掃描鏡法線呈45°角。
本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀的另一改進之處在于掃描鏡法線與轉軸的夾角α為3.5°。
本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀的再一改進之處在于所述聚焦望遠系統采用卡塞格林望遠鏡。
本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀的又一改進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℃。
本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀的還有一改進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有衰減濾光鏡，在8-12.5μm波段測溫范圍為50℃-3000℃。
本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀的再有一改進之處在于用無刷直流電機驅動平面掃描鏡的水平掃描和用步進電機驅動平面掃描鏡的垂直掃描。
本實用新型的優點和積極效果在于掃描鏡采用一個平面鏡作圓錐掃描，減少了光學元件的數量，效率高達83.3％，且本系統為物方掃描，可以提高象質，采用雙色鏡，將光束分成兩個通道，實現多光譜成象。其光學系統為折反系統，其口徑可以做大，有發展潛力，因此，本實用新型具有體積小，重量輕，效率高的優點。它可用于醫學上，測出潛伏著的溫度變化，如早期癌癥等疑難病的發現，在工業上，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、鋼鐵設備和夜間渡船安全監視等用處。
圖1為本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀實現二維圓錐掃描裝置的結構示意圖；圖2為本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀第一實施例的光學系統示意圖；圖3為本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀第二實施例的光學系統示意圖；本實用新型的其他細節和特點通過閱讀
以下結合附圖詳加描述的實施例即可清楚明了。
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有一轉軸，所述轉軸與水平掃描電機6同軸，在所述轉軸上水平掃描電機6的后面設有主光柵3、次光柵5和動平衡環4，兩個光柵用于產生旋轉的光柵脈沖信號，從而控制計算機的圖象采集和處理；動平衡環4用于獲得穩定的旋轉，使圖象不產生歪斜和抖動。所述轉軸與平面掃描鏡1的法線N成α角，水平掃描電機6帶動平面掃描鏡1繞轉軸旋轉一周360°，此時掃描平面鏡1法線旋轉2α角，其掃描軌跡為近似圓的曲線，對目標掃描軌跡的關系式為tgθ=2tgω-tgα·cosω√2(1+tgα·sinω)]]>其中ω-掃描鏡轉角，θ-地物目標掃描角α-掃描鏡法線與掃描鏡轉軸的夾角，范圍為0.5°-7°。本實施例中3.5°。
目標掃描成象的空間為300°，只有60°無目標信號采樣點，因此，圓錐掃描的效率為83.3％。在所述水平掃描電機6的上部和下部分別設有垂直掃描電機7和基座2，垂直掃描電機7的轉軸設在基座2上與水平掃描電機6垂直連接。本紅外多光譜掃描熱象儀由掃描鏡1產生對目標水平X方向，垂直Y方向的二維掃描成象，驅動二維掃描的水平掃描電機6和垂直掃描電機7分別為無刷直流電機和步進電機。
如圖2所示，本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀光學系統的第一實施例，它包括掃描鏡1、由主鏡103和次鏡102組成的聚焦望遠系統、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的法線與轉軸有一夾角α，本實施例中α＝3.5°。并且入射光軸與掃描鏡法線的夾角為22.5度。所述聚焦望遠系統設置在掃描鏡1的光路上，該聚焦望遠系統采用牛頓望遠鏡，在其主鏡103處設有調焦機構，由掃描鏡1引入的目標光束經聚焦望遠系統調節后聚焦。在所述聚焦望遠系統之后的光路上設有參考黑體盤106和雙色鏡100，參考黑體盤106由電機107驅動旋轉，為縮短光路，在所述聚焦望遠系統后和參考黑體盤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，用于觀察目標位置。
在圖2所示的紅外多光譜掃描熱象儀光學系統中，在紅外波段通道上，聚焦透鏡109和紅外探測器108之間設有一衰減濾光鏡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，可以實現測溫范圍為50℃-3000℃。
如圖3所示，本實用新型紅外多光譜掃描熱象儀光學系統的第二實施例，它包括掃描鏡1、由主鏡304和次鏡303組成的聚焦望遠系統、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，其法線與轉軸有一夾角α，本實施例中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置一個折光反射鏡302，所述聚焦望遠系統為卡塞格林聚焦望遠系統，并設置在折光反射鏡302后，其主鏡304設有調焦機構，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，以平行光的形式發射到45°反射鏡305上，光束經45°反射鏡305反射，經一個由電機307驅動的參考黑體盤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置一平面反射鏡312和一目鏡聚焦透鏡組313，用于觀察目標位置。
在圖3所示的紅外多光譜掃描熱象儀光學系統中，在紅外波段通道上，聚焦透鏡309和紅外探測器310之間設有一衰減濾光鏡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，可以實現測溫范圍為50℃-3000℃。
一個光譜相當于一架照相機，揭示一種物質的本質，多個光譜相當于多架照相機，揭示多種物質的本質。因此，采用紅外多光譜掃描成象系統可以對目標物質屬性有更深入的揭示，實現多個波段掃描同步，空間同步，視場同步。本實用新型的功能和工作過程是通過觀察目鏡，對目標物體進行大致取景，來自目標物體的光束經掃描鏡掃描，聚焦望遠系統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輻射能量轉換為電信號。這樣可以表示目標物體的溫度分布層次，進而測量物體的故障點，其測溫范圍為-50℃-100℃或者50℃-3000℃。然后，所轉換的電信號經放大，功能處理，輸入至微處理器，它將模擬信號轉換為數字信號并按一幅圖象的記錄格式，形成數據文件，傳輸給計算機，進行圖象處理和存貯，最后在顯示器上顯示，供人們獲取信息，進行研究。
權利要求1.一種紅外多光譜掃描熱象儀，其光學系統包括掃描鏡(1)，聚焦望遠系統(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軸有一夾角，聚焦望遠系統(102、103)設置在所述掃描鏡的光軸上，雙色鏡(100)設置在所述聚焦望遠系統后的光路上，且該光路上雙色鏡(100)前還設有參考黑體盤(106)，在所述聚焦望遠系統后參考黑體盤前置入反射鏡(104)和球面鏡(105)，探測器為分別設在由所述雙色鏡限定光學波段的兩個通道上，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)之間的光路上設有可擺動的平面反射鏡(111)，在可見光/近紅外波段通道中設置平面鏡(112)和目鏡聚焦透鏡組(113)，用于觀察目標位置。
2.根據權利要求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.根據權利要求2所述的紅外多光譜掃描熱象儀，其特征在于掃描鏡(1)法線與轉軸的夾角α為3.5°。
4.根據權利要求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.根據權利要求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，其光學系統包括掃描鏡(1)，聚焦望遠系統(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軸有一夾角，在所述掃描鏡的光軸上設置折光反射鏡(302)，在其后的光路上設有聚焦望遠系統(304、303)、45°反射鏡(305)和參考黑體盤(106)，雙色鏡(308)設置在所述參考黑體盤(106)后的光路上，探測器為分別設在由所述雙色鏡限定光學波段的兩個通道上，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)之間的光路上設有可擺動的平面反射鏡(311)，在可見光/近紅外波段通道中設置平面鏡(308)和目鏡聚焦透鏡組(313)，用于觀察目標位置。
7.根據權利要求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.根據權利要求7所述的紅外多光譜掃描熱象儀，其特征在于掃描鏡(1)法線與轉軸的夾角α為3.5°。
9.根據權利要求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系統采用卡塞格林望遠鏡。
10.根據權利要求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.根據權利要求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)之間設有衰減濾光鏡(316)，在8-12.5μm波段測溫范圍為50℃-3000℃。
12.根據權利要求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驅動掃描鏡(1)的水平掃描和用步進電機驅動掃描鏡(1)的垂直掃描。
13.根據權利要求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驅動掃描鏡(1)的水平掃描和用步進電機驅動掃描鏡(1)的垂直掃描。
14.根據權利要求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驅動掃描鏡(1)的水平掃描和用步進電機驅動掃描鏡(1)的垂直掃描。
專利摘要一種紅外多光譜掃描熱象儀包括掃描鏡,聚焦望遠系統,雙色鏡,探測器等,其中掃描鏡為一平面鏡,其法線與轉軸有一夾角,在掃描鏡的光路上設有一聚焦聚焦望遠系統,在聚焦望遠系統之后的光軸上設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,其口徑可以做大,減少了光學元件,效率高達83.3%,物方掃描,可提高象質,采用雙色鏡將光束分成兩個通道,實現多光譜成象。
文檔編號G02B26/10GK2395290SQ9925513
公開日2000年9月6日 申請日期1999年11月30日 優先權日1999年11月30日
發明者王寶根, 郝景瑜 申請人:王寶根