專利名稱：一種基于彩色ccd的多譜色輻射測溫裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)測溫技術(shù)，尤其涉及一種改進(jìn)的基于彩色CCD(Charge Coupled Device,電荷耦合器件)的多譜色輻射測溫裝置。
背景技術(shù)：
在石油化工、冶金、鋼鐵、水泥、玻璃等工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的高溫檢測領(lǐng)域，輻射測溫儀 器具有巨大的市場需求和廣闊的應(yīng)用空間。例如，冶金行業(yè)的高溫爐膛內(nèi)部溫度測量與控 制對于生產(chǎn)過程有著重要的作用。在這些典型的應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)的熱電偶接觸式測溫手段， 由于測量的局限性以及高成本的材料消耗，目前正在逐步被價(jià)格較低、性能穩(wěn)定、低消耗使 用、非接觸式的光學(xué)測溫設(shè)備所取代。光學(xué)測溫設(shè)備的應(yīng)用將成為高溫測量的主流趨勢，現(xiàn) 有技術(shù)已有的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀可概括如下 1.基于單個彩色CCD傳感器的光學(xué)測溫儀器，內(nèi)嵌的RGB彩色濾色陣列實(shí)現(xiàn)彩色 復(fù)現(xiàn)，提供了紅、綠、藍(lán)三個顏色通道。 1. 1直接利用三個顏色通道的波段響應(yīng)，結(jié)合特定的發(fā)射率模型，進(jìn)行溫度場的測 量計(jì)算(中國科學(xué)G輯，34(6) :639-647,2004)。應(yīng)用中的局限性主要是RGB濾色陣列三 個顏色通道的波段響應(yīng)是基于標(biāo)準(zhǔn)人眼的光譜三剌激值進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此光譜響應(yīng)特性是 固定不變的，從而會限制儀器測溫的應(yīng)用，而無法自主選擇合適的三個光譜波段或波長，以 實(shí)現(xiàn)溫度的優(yōu)化測量。 1. 2將三個通道的波段響應(yīng)測量近似地處理為單色響應(yīng)測量(中國電機(jī)工程學(xué) 報(bào)，20(1) :70-72,2000 ;儀器儀表學(xué)報(bào)，24 (6) :653-656， 2003)，即顏色三基色的中心波長 作為測量的三個有效波長，進(jìn)而利用比色測溫法，實(shí)現(xiàn)溫度場的計(jì)算。實(shí)際上有效波長并非 一個常量，隨著測量物體的輻射光譜分布不同而不同，這種有效波長的簡化處理方法，會給 溫度計(jì)算帶來誤差；其次，由于RGB濾色陣列是以彩色復(fù)現(xiàn)為目的，即便將波段測量簡化為 了波長測量，也無法從本質(zhì)上改變已固化的顏色通道的光譜響應(yīng)特性。 2.基于單個黑白CCD傳感器的光學(xué)測溫儀器，將2個具有不同單色波長的濾色片 交替放置于CCD前，測量物體在兩個波長下的相對輻射強(qiáng)度值，再根據(jù)比色法進(jìn)行溫度計(jì) 算(IEEE TRANSACT10NS0N INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT,51(5) :990-995，2002)。這 種方法應(yīng)用時，雖然可以較靈活的選擇所需要的波長，但需要在2個單色濾色片交替測量 的時間段內(nèi)物體溫度場保持穩(wěn)定，對于瞬態(tài)溫度場測量這種要求往往難以滿足，這是其應(yīng) 用的主要局限性。 概括而言，上述方法1利用了單個彩色CCD，可以同時獲得多通道的輻射光譜信息， 但只能實(shí)現(xiàn)固定光譜測量；而方法2采用了單個黑白CCD，通過濾色片可以較為靈活的選擇相 應(yīng)的光譜/波長，但由于多通道信息不能同時獲取，無法更好地應(yīng)用于瞬態(tài)溫度場測量。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于彩色CCD的多譜色輻射測溫裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)中基于單個黑白CCD或彩色CCD溫度場測量方法應(yīng)用的局限性。 為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案提出一種基于彩色CCD的多譜色輻射 測溫裝置，該裝置包括濾色片、光學(xué)鏡頭、彩色CCD面陣傳感器及數(shù)據(jù)采集分析單元， 所述濾色片，具有三個窄帶光譜透過率響應(yīng)特性，置于光學(xué)鏡頭前，以改變待測物 體光學(xué)成像的光譜分布； 所述光學(xué)鏡頭，將透過所述濾色片的待測物體輻射聚焦于彩色CCD面陣傳感器的 焦平面； 所述彩色CCD面陣傳感器，對所述光學(xué)鏡頭聚焦的待測物體輻射進(jìn)行成像，獲取 紅、綠、藍(lán)三路光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)； 所述數(shù)據(jù)采集分析單元，對所述三路光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并利用比色測溫法 進(jìn)行溫度場的計(jì)算。 上述的多譜色輻射測溫裝置中，所述待測物體為溫度范圍為1000K 3000K的具
有連續(xù)輻射特性的高溫物體。 上述的多譜色輻射測溫裝置中，所述彩色CCD面陣傳感器的波長響應(yīng)區(qū)間范圍為 380nm 780nm。 本實(shí)用新型的技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)溫度場測量，能夠獲取更為豐富的高溫物體溫度 信息；其在測量時利用了具有特定光譜分布濾色片的處理手段，可以較為靈活地改變彩色 CCD測量時固定的光譜響應(yīng)特性，同時獲取多路不同光譜的測量信號，以更好地滿足溫度優(yōu) 化測量等多方面的要求；該技術(shù)方案在測量時無需交替使用多個濾色片，可以更好地適用
于高溫瞬態(tài)溫度場測量；且技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)簡單，集成系統(tǒng)的成本不高、性能穩(wěn)定，在高溫檢 測等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域易于推廣應(yīng)用。

圖1為本實(shí)用新型基于彩色CCD的輻射溫度場測量裝置實(shí)施例圖； 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中濾色片的光譜透過率示意圖； 圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中光學(xué)鏡頭和彩色CCD合成的三通道光譜透過率示意 圖； 圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例中濾色片、光學(xué)鏡頭和彩色CCD合成的三通道光譜透過 率示意圖。
具體實(shí)施方式以下實(shí)施例用于說明本實(shí)用新型，但不用來限制本實(shí)用新型的范圍。 圖1為本實(shí)用新型基于彩色CCD的多譜色輻射測溫裝置實(shí)施例圖，如圖所示，本 實(shí)施例的裝置包括濾色片11、光學(xué)鏡頭12、彩色CCD面陣傳感器13及數(shù)據(jù)采集分析單元 14。其中，濾色片11具有三個窄帶光譜透過率響應(yīng)特性，其置于光學(xué)鏡頭前，用于改變待測 物體光學(xué)成像的光譜分布，所述的三個窄帶光譜透過率響應(yīng)可具有不同的單峰中心波長、 半寬度、峰值等。光學(xué)鏡頭12將透過濾色片11的待測物體輻射聚焦于彩色CCD面陣傳感 器13的焦平面，其可設(shè)計(jì)為定焦距或是變焦距的鏡頭。彩色CCD面陣傳感器13，對光學(xué)鏡 頭12聚焦的待測物體輻射進(jìn)行成像，獲取紅、綠、藍(lán)三路光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)，其波長響應(yīng)區(qū)間為入min A max (本實(shí)施例取一般值380nm 780nm)。數(shù)據(jù)采集分析單元14對三路光譜響應(yīng) 數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并利用比色測溫法進(jìn)行溫度場的計(jì)算。 上述實(shí)施例中，彩色CCD面陣傳感器13的三通道顏色光譜響應(yīng)，是以彩色復(fù)現(xiàn)為 目的，其具體函數(shù)形式設(shè)計(jì)以標(biāo)準(zhǔn)人眼顏色感知特性為基礎(chǔ)，不同廠家的彩色CCD傳感器， 由于技術(shù)工藝的差別，其顏色光譜響應(yīng)曲線會略有不同，所以彩色復(fù)現(xiàn)的效果也會略有不 同。在成像過程中，濾色片11的光譜響應(yīng)與彩色CCD面陣傳感器13的顏色光譜響應(yīng)綜合 作用，將獲得不同于原有彩色CCD顏色響應(yīng)的三通道數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)改變多通道測量光譜的 目的。彩色CCD面陣傳感器13輸出彩色圖像，其紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三個通道的量化數(shù) 值即代表了三個測量信號的大小，反映了三個不同光譜信號的相對輻射強(qiáng)度信息。而數(shù)據(jù) 采集分析單元14用于實(shí)現(xiàn)溫度場計(jì)算反演的比色測溫原理為本領(lǐng)域中一種常用的輻射測 溫原理，其是通過兩個不同光譜波段/波長測量信號的比值，消除發(fā)射率未知性、測量幾何 因素等影響，進(jìn)而求得溫度。 上述實(shí)施例提及的待測物體則是指溫度范圍在1000K 3000K之間的具有連續(xù)輻 射特性的高溫物體，其在CCD傳感器的波段響應(yīng)區(qū)間內(nèi)的自發(fā)輻射強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背景環(huán) 境反射輻射強(qiáng)度的干擾，使得CCD傳感器獲得的測量信號能夠直接定量反映高溫物體自發(fā) 輻射強(qiáng)度的大小。 繼續(xù)參考圖1所示，應(yīng)用上述本實(shí)用新型基于彩色CCD的多譜色輻射測溫裝置的 一個測量方法具體實(shí)施例如下所述。 1).高溫物體10的輻射通過濾色片11、光學(xué)鏡頭12，聚焦成像于彩色CCD面陣傳 感器13的焦平面上，彩色CCD面陣傳感器13輸出三路測量信號至數(shù)據(jù)采集分析單元14。 [OO27] 2).濾色片11的光譜透過率特性表現(xiàn)為在380nm 780nm波段范圍內(nèi)，濾色片 具有三個窄帶光譜透過率響應(yīng)，三個窄帶光譜透過率響應(yīng)可具有不同的單峰中心波長、半 寬度、峰值等。濾色片的光譜透過率函數(shù)用變量t (A)表示，在本實(shí)施例中，透過率函數(shù)的 三個窄帶單峰的中心波長分別取為470nm、560nm和640nm，半寬度5nm，峰值透過率70% ，如 圖2所示。 3).采用某一型號的光學(xué)鏡頭12和彩色CCD面陣傳感器13，光學(xué)成像時，兩者綜 合的三通道顏色光譜響應(yīng)函數(shù)為sK ( A ) 、 Se ( A ) 、 sB ( A )，該數(shù)據(jù)可由廠家提供，或者通過光 譜測量實(shí)驗(yàn)予以標(biāo)定；三通道顏色光譜響應(yīng)函數(shù)，也稱之為三通道光譜透過率，具體分布曲 線如圖3所示。 4).數(shù)據(jù)采集分析單元14對彩色CCD面陣傳感器13的圖像輸出信號進(jìn)行采集、傳 輸、處理，基于比色測溫原理實(shí)現(xiàn)溫度場的計(jì)算反演，具體過程如下 待測物體的輻射通過濾色片、光學(xué)鏡頭后，由彩色CCD面陣傳感器輸出的輻射測 量信號為
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其中，上角標(biāo)(i， j)表示傳感器成像焦平面上任一點(diǎn)的坐標(biāo)；V,J'、V)J'、Ve
分別
5表示所述彩色CCD面陣傳感器紅、綠、藍(lán)三個顏色通道的相對輻射強(qiáng)度輸出值；①i'J為所述
彩色CCD面陣傳感器測量的非光譜因子，與成像距離、角度、光電轉(zhuǎn)換系數(shù)以及棱鏡分光系 數(shù)等因素相關(guān)；t (A)為濾色片的光譜透過率函數(shù)(圖2) ;SK(A)、Se(A)、SB(A)為所述 光學(xué)鏡頭與彩色CCD面陣傳感器兩者綜合的三通道顏色光譜響應(yīng)函數(shù)(圖3) ;Ib,A (T"J)為 與物體相同溫度T" j下的黑體光譜功率分布函數(shù)；e A (T" J)為物體的光譜發(fā)射率函數(shù)； 由于濾色片的光譜透過率函數(shù)t (A)改變了原有的CCD三個顏色通道的信號 輸出，即原有的三通道顏色光譜響應(yīng)sjA)、 Se(A)、 sB(A)改變?yōu)樾碌娜ǖ拦庾V響應(yīng)
t (入)Sr(入)、t (入)Sg(入)、t (A)Sb(A)，如圉4所示。 令Fu = t (入)Sr(入)，F(xiàn)gj = t (入)Sg(入)，F(xiàn)u = t (入)Sb(入)，圉4所示的 新的三通道光譜響應(yīng)FK,pFe,pFej表現(xiàn)特性如下R通道光譜響應(yīng)為近似的單色響應(yīng)，中 心波長640nm ;G通道光譜響應(yīng)為近似的雙單色響應(yīng)的疊加，中心波長分別為470nm、560nm ; B通道光譜響應(yīng)為近似的單色響應(yīng)，中心波長470nm。因此，基于圖1 圖3，式(1)改寫為
<formula>formula see original document page 6</formula>比色測溫原理為一種常用的輻射測溫原理，假定實(shí)際物體在兩個波長或窄波段內(nèi) 的發(fā)射率相等，依據(jù)兩個波長/波段測量信號的比值，進(jìn)行溫度求解。當(dāng)兩個波長越接近， 則發(fā)射率相等的假定越合理。對于灰體而言，發(fā)射率相等的假定自動滿足。因此，對于具有
連續(xù)輻射的大多數(shù)高溫物體，有￡47。 (1^') (R)、藍(lán)(B)兩路信號進(jìn)行比值處理，可得
<formula>formula see original document page 6</formula>
(Ti'J)，任取式(4)的紅 式(5)中，消除了發(fā)射率、測量幾何量等諸多影響因素，依據(jù)式(5)，通過測量信號 的比值V'VV'j可以唯一確定溫度f'j。 綜上所述，本實(shí)用新型基于彩色CCD的輻射溫度場測量技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn) a、與現(xiàn)有技術(shù)的非成像單點(diǎn)輻射測溫方法相比，本實(shí)用新型將點(diǎn)測量擴(kuò)展到了二 維場測量，獲得了更為豐富的高溫物體溫度信息； b、與現(xiàn)有技術(shù)的單個彩色CCD成像式溫度場測量方法相比，本實(shí)用新型在測量時 利用了具有特定光譜分布濾色片的處理手段，可以較為靈活地改變彩色CCD測量時固定的 光譜響應(yīng)特性，同時獲取多路不同光譜的測量信號，以更好滿足溫度優(yōu)化測量等多方面的 要求； c、與現(xiàn)有技術(shù)中基于單個黑白CCD與單色濾色片的成像式溫度場測量方法相比， 本實(shí)用新型在測量時無需交替使用多個濾色片，可以更好地適用于高溫瞬態(tài)溫度場測量； d、本實(shí)用新型的技術(shù)方案以單個彩色CCD和濾色片為核心，實(shí)現(xiàn)較為簡單，在高 溫檢測等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域易于推廣應(yīng)用。 以上為本實(shí)用新型的最佳實(shí)施方式，依據(jù)本實(shí)用新型公開的內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員能夠顯而易見地想到一些雷同、替代方案，均應(yīng)落入本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求一種基于彩色CCD的多譜色輻射測溫裝置，其特征在于，該裝置包括濾色片、光學(xué)鏡頭、彩色CCD面陣傳感器及數(shù)據(jù)采集分析單元，所述濾色片，具有三個窄帶光譜透過率響應(yīng)特性，置于光學(xué)鏡頭前，以改變待測物體光學(xué)成像的光譜分布；所述光學(xué)鏡頭，將透過所述濾色片的待測物體輻射聚焦于彩色CCD面陣傳感器的焦平面；所述彩色CCD面陣傳感器，對所述光學(xué)鏡頭聚焦的待測物體輻射進(jìn)行成像，獲取紅、綠、藍(lán)三路光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)采集分析單元，對所述三路光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并利用比色測溫法進(jìn)行溫度場的計(jì)算。
2. 如權(quán)利要求1所述的多譜色輻射測溫裝置，其特征在于，所述待測物體為溫度范圍 為1000K 3000K的具有連續(xù)輻射特性的高溫物體。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的多譜色輻射測溫裝置，其特征在于，所述彩色CCD面陣傳感 器的波長響應(yīng)區(qū)間范圍為380nm 780nm。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于彩色CCD的多譜色輻射測溫裝置，包括濾色片，具有三個窄帶光譜透過率響應(yīng)特性，置于光學(xué)鏡頭前，以改變待測物體光學(xué)成像的光譜分布；光學(xué)鏡頭，將透過濾色片的待測物體輻射聚焦于彩色CCD面陣傳感器的焦平面；彩色CCD面陣傳感器，對光學(xué)鏡頭聚焦的待測物體輻射進(jìn)行成像，獲取紅、綠、藍(lán)三路光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集分析單元，對三路光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并利用比色測溫法進(jìn)行溫度場的計(jì)算。本實(shí)用新型的技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)溫度場測量，技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)簡單，集成系統(tǒng)性能穩(wěn)定，在高溫檢測等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域易于推廣應(yīng)用。
文檔編號G01J5/60GK201464052SQ20092010797
公開日2010年5月12日 申請日期2009年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月11日
發(fā)明者余景文, 程曉舫, 符泰然, 龔瑋 申請人:清華大學(xué)