一种用于光学镜面的红外测温装置的制作方法

本发明涉及红外测温技术领域，尤其涉及一种用于光学镜面的红外测温装置。

背景技术：

温度是影响光学设备成像质量的关键因素之一，对像质的影响主要包括：光学镜面与空气的温差起伏会在上方空气中形成一层湍流，产生镜面视宁度（mirror seeing）；光学镜体温度变化引起的热变形和折射率变化，使反射或透射后的波面偏离了理想波面，产生热致像差；温度引起的光学元件其它性能参数的变化。研究并消除温度对光学成像设备的影响，光学镜体特别是光学镜面的温度精确测量是不可缺失的一环。目前光学镜面温度测量法有接触测温和间接测温两种，但两者都有一定的局限性：接触测温通过在镜面布置测温探头获取温度。实际热环境中，镜面温度分布比较复杂，必须有足够的测温点数才能反映温度分布。由于光学镜面膜层和面形精度的超高要求，不能在镜面布置很多测温探头。间接测温是基于镜面背部接触测温，通过数值计算间接反映镜面温度。镜体的热环境参数难以实测，包括镜体与支撑结构的复杂热传导、复杂多变的对流和辐射换热等，导致计算出的镜面温度不准确。

非接触测温不会影响镜面膜层和面形，与接触测温相比有明显的优势。非接触测温技术种类繁多，主要包括适用于高温物体的近红外测温、比色测温、亮度测温和多光谱辐射测温等、基于形变测量的激光干涉测温和全息干涉测温技术等。成像设备的光学镜面的温度多处于常温范围，适合常温物体非接触测温仪器为中、长波红外测温设备。光学镜面镀有各种用于提高反射或透射能力的膜层，镜面的红外波段反射率高且热发射率很小，周边环境在镜面有强烈的反射辐射，严重干扰了测温精度。目前红外测温技术可对漫发射体（朗伯体）进行精准测温，对光学镜面等高反射率表面的红外测温是不准确的。传统中波、长波红外测温设备和测温方法难以精准测量镜面温度的原因主要体现在以下三个方面：

1）光学镜面自身热辐射小于其反射的环境辐射。红外波段反射率高的常温镜面，其自身热辐射小于周边环境甚至大气下行辐射在镜面的反射。传统红外测温设备进行镜面测温时，红外探测器接受的红外辐射主要是反射的环境辐射而非镜面自身热辐射。

2）光学镜面热发射率低，常温镜面的自身热辐射弱，部分超高反射率镜面的自身热辐射小于传统红外测温设备标定的辐射测量下限。

3）传统红外测温设备，只能收集与镜面法线成小夹角的镜面自身热辐射，与法线呈小夹角的镜面定向热发射率较小，小于其大夹角定向热发射率。红外测温仪收集的镜面热辐射只占镜面总热辐射的一小部分。

为了提高红外测温的精度，德国国家计量院（PTB）的C.Monte、B.Gutschwager、J.Hollandt与全俄光学物理研究院（VNIIOFI）的S.P.Morozova联合设计了一种具备高精度红外测温和发射率测量的设备，代表着目前红外测温的前沿水平。为了消除周边环境的反射辐射干扰，设备关键部分和光路都进行了液氮冷却，光路和腔室处于真空环境。该设备造价极其昂贵且只能对放置于测量腔内的镜面进行测温，不可对测量运行状态下的镜面温度。中国计量科学研究院研制的真空红外温度标准设备（VRTSF），于2015年研制成功。设备内部采用液氮制冷和真空设计，内置有傅里叶红光光谱仪（BrukerVERTEX80V）。VRTSF代表着国内红外辐射测量的前沿水平，但只能测量放置于其测量腔内的镜面温度，不满足运行状态下的镜面测温要求。光学镜面等低发射率、高反射率物体表面一直被视为传统红外测温领域中的盲区，目前公开文献上尚未发现对运行状态下常温范围的镜面温度进行精准测量的研究报道。

技术实现要素：

本发明克服了现有红外测温技术在镜面测温中的缺点，提供了一种高精度的用于光学镜面的红外测温装置。

为了解决传统红外测温设备镜面测温时的问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于光学镜面的红外测温装置，包括探测模块、聚辐射透镜、聚辐射罩壳和用于连接探测模块及聚辐射罩壳的罩壳座；所述罩壳座包括连接固定于探测模块端部的连接板，位于连接板一侧、与连接板一体的连接座；所述聚辐射罩壳呈锥台形，其直径较小一端设置与连接座连接的环形部；所述聚辐射透镜安装于聚辐射罩壳内，所述罩壳座的中心具有与探测模块的探头形状相应的通孔，探测模块的探头伸入连接座的通孔内；所述探头的光线入射端与连接座内表面的底面平齐。

所述探测模块为制冷型红外热像仪的探测模块。

所述聚辐射透镜为具有红外辐射汇聚能力的单片透镜或透镜组；所述聚辐射透镜通过透镜定位环和压圈安装固定于聚辐射罩壳内；所述聚辐射透镜表面镀增透膜。

所述聚辐射罩壳、罩壳座、透镜定位环和压圈的材质为具有高导热系数的金属材质，聚辐射罩壳内侧表面、连接座内表面的底面、透镜定位环和压圈表面均镀有对红外波段辐射反射率高的膜层。

所述透镜定位环与聚辐射罩壳采用一体化设计加工。

所述压圈、聚辐射罩壳与聚辐射透镜三者形成的缝隙填充有导热硅胶。

所述聚辐射罩壳和连接座的外侧表面设有基于半导体控温技术的控温层。

本发明没有传统红外测温设备的光学成像镜头，测量时通过聚辐射罩壳反射收集镜面辐射，通过聚辐射透镜折射汇聚镜面辐射。与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明可提高镜面辐射收集能力。传统红外测温设备收集视场内直接落在镜头的镜面辐射，如图7所示，设备收集视场中心处张角为ψ的镜面辐射。传统红外测温设备光路上添加聚辐射罩壳后，通过罩壳二次反射，可收集原中心处张角为θ的镜面辐射，如图8所示，θ大于ψ，收集的其它位置处镜面辐射张角也有相似的增大。本发明在传统红外测温设备基础上，用聚辐射罩壳和聚辐射透镜替换光学成像镜头，如图1所示。本发明可收集经聚辐射罩壳内表面反射和透镜折射汇聚进入探测器的更大张角的镜面辐射。发明测量装置利用透镜的汇聚辐射能力，不考虑被测镜面区域的温度空间分辨率，可选用汇聚辐射性好的短焦透镜。由于透镜和探头之间有聚辐射罩壳，即使聚辐射透镜的像差很大，透过透镜后与光轴呈大夹角的镜面辐射，亦可经反射进入探测器。本发明的镜面辐射收集能力远大于传统红外测温设备。举例说明，美国FLIR公司生产的F数为1的photo640机芯是一款短焦红外热像仪机芯，为photo系列机芯中收集被测物体表面辐射能力最强的型号之一。计算显示，选用聚辐射锗透镜的F数为0.5、锗透镜在photo640工作波段的透过率为99%，聚辐射罩壳内表面膜层的红外波段反射率为95%、聚辐射罩壳顶端的端口面与探头光线入射端的距离等于photo640机芯最小聚焦距离时，测温装置的镜面辐射收集能力约为photo640的16.1倍。

（2）本发明具有消除装置自身热辐射杂散光干扰的能力。装置测温光路内的热辐射杂散光主要来源于聚辐射罩壳内壁、连接座内表面的底面、透镜定位环和压圈，热辐射杂散光可直接入射或经反射进入探测器并影响镜面测温。为减弱热辐射杂散光，聚辐射罩壳内表面、连接座内表面的底面、定位环和压圈镀有对红外波段辐射反射率高的膜层，膜层的热发射率很低，膜层热辐射小于原先的罩壳内表面、连接座内表面、定位环和压圈表面的热辐射。光学镜面特别是反射式光学镜面多镀有金、银、铝等膜层，镜面热发射率和聚辐射罩壳等所镀膜层的热发射率相差不大，所镀膜层表面的热辐射不能忽略。为了消除膜层自身热辐射干扰，采用半导体控温技术对聚辐射罩壳和连接座的外表面进行控温。透镜定位环、压圈和聚辐射罩壳均为高导热系数金属材质，定位环与聚辐射罩壳采用一体化设计加工。压圈、聚辐射罩壳、聚辐射透镜之间的缝隙填充有导热硅胶，以降低压圈和聚辐射罩壳之间的接触热阻。聚辐射罩壳和连接座被控温后，罩壳内表面膜层和定位环的温度与控温值基本相等且稳定不变，透镜压圈温度也基本稳定，膜层的热辐射强度和空间分布基本稳定。镀增透膜后，锗透镜在探测模块工作波段的透过率可达99%以上，锗透镜自身热辐射级小，其热辐射起伏变化极其微弱。测温装置探测器收集的热辐射杂散光（包括膜层热辐射和透镜热辐射）基本稳定不变，为一个常数，收集的镜面辐射则随镜面温度而变。一个常数、一个变数，让本发明测温装置具有了消除热辐射杂散光干扰的能力。采用下述的测温定标方法，可消除热辐射杂散光对镜面测温的影响：

步骤1，测量装置的样镜定标

圆柱体样镜的上表面与待测温的光学镜面镀有一样的膜层，样镜的厚度小于直径的1/50，镜肧材质为高导热率金属；样镜柱侧面和底面设有高精准的温度控制装置，用于控制样镜温度。温度控制装置具有合理的控温范围，控温范围覆盖待测光学镜面的温度变化范围；

样镜定标前，测量装置的聚辐射罩壳和连接座的温度控制层的控温值为T_s，T_s可以自由设置，为了便于控温，T_s可设置为待测光学镜面的工作环境温度均值；测量装置的聚辐射罩壳和样镜镜面之间距离设为恒定间距H_s，在保证无触碰镜面风险的前提下，H_s应尽可能小，例如小于罩壳开口面直径的1/50；

样镜定标时，以固定的温度变化量∆T调节样镜控温值并记录探测装置对应的定标测量值；探测装置的探测器为红外焦平面阵列探测器，所述定标测量值为红外焦平面阵列探测器各像元输出值的平均值；建立基于样镜温度和定标测量值的定标数据库，数据库中每个样镜温度值T（i）对应一个定标测量值Y（i）；

步骤2：测量装置测望远镜光学镜面

选取光学镜面的被测区域，测量装置的聚辐射罩壳靠近该镜面区域，间距为H_s；聚辐射罩壳和连接座的温度控制为T_s；聚辐射罩壳和连接座恒温后，测量装置开始测量镜面温度，获取测量值；根据测量值和定标数据库，获取对应的镜面温度值T（i）；测量值位于数据库的两个定标测量值之间时，利用线性插值方法获取对应的温度值。

（3）本发明消除了镜面周边的环境红外辐射在镜面的反射干扰。其采用聚辐射罩壳贴近镜面的测温设计，可有效屏蔽环境热辐射。测温时，装置的聚辐射罩壳贴近被测镜面，在不触碰镜面的前提下，两者之间的间隙应尽可能小，例如小于聚辐射罩壳顶端开口面直径的1/50。绝大部分环境热辐射被屏蔽在聚辐射罩壳之外，极小部分环境辐射通过聚辐射罩壳与镜面之间的缝隙进入聚辐射罩壳，经多次反射后被聚辐射罩壳吸收。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中罩壳座的结构示意图。

图3为图1中探测模块的结构示意图。

图4为图1中聚辐射罩壳的结构示意图。

图5为图4中A部分的放大图。

图6为聚辐射罩壳的断面示意图，连接座的断面图与其相同。

图7为传统测温设备收集镜面辐射的原理示意图。

图8为传统测温设备加装聚辐射罩壳后收集镜面辐射的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1-6所示用于光学镜面的红外测温装置，包括探测模块1、聚辐射透镜3、聚辐射罩壳2和用于连接探测模块1及聚辐射罩壳2的罩壳座4；所述罩壳座2包括连接固定于探测模块1端部的连接板5，位于连接板5一侧、与连接板5一体的连接座6；所述聚辐射罩壳2呈锥台形，其直径较小一端设置与连接座6连接的环形部8；所述聚辐射透镜3安装于聚辐射罩壳2内，所述罩壳座4的中心具有与探测模块1的探头7形状相应的通孔，探测模块1的探头7伸入连接座的通孔内，所述探头7的光线入射端11与连接座的内表面的底面平齐（连接座朝向聚辐射罩壳的一端称为底面）。

所述探头的外壁与连接座通孔的间隙不大于0.05㎜，避免连接座6通孔内表面的自身热辐射进入探头7内，干扰镜面红外测温。

所述探测模块为制冷型红外热像仪的探测模块。制冷型红外测温仪是一种成熟的工业产品，所述探测模块1是指制冷型红外测温仪中扣除光学成像镜头的剩余部分，主要由红外探测器、控制电路、成像电路、读出电路、制冷机等构成。

所述聚辐射透镜为具有红外辐射汇聚能力的单片透镜或透镜组，通过透镜定位环12和压圈13安装于聚辐射罩壳内。

所述透镜定位环和聚辐射罩壳采用一体化加工设计。

所述压圈、聚辐射罩壳与聚辐射透镜三者形成的缝隙填充有导热硅胶。

所述聚辐射透镜镀增透膜以提高红外辐射透过率。

所述红外辐射的波段为探测模块1的工作波段。

所述聚辐射罩壳、罩壳座材质和透镜支撑结构为具有高导热系数的金属材质，聚辐射罩壳内侧表面、连接座内表面的底面、透镜定位环和压圈均镀有对红外辐射反射率高的膜层10，如金膜，银膜。

所述聚辐射罩壳和连接座的外侧表面设有基于半导体控温技术的控温层9。根据聚辐射罩壳2和连接座4的外形尺寸定制半导体控温层。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。