一种真视红外工业内窥镜及其取像方法与流程

本发明涉及光电子与红外成像技术领域，具体涉及一种真视红外工业内窥镜及其取像方法。

背景技术

加热或熔化金属的装置称为工业炉；加热或熔化非金属的装置称为窑炉。工业炉和窑炉通称工业炉窑，主要是指那些利用燃烧反应进行热利用的装置。工业炉窑是一个巨大的密闭反应容器，其内部复杂的生产反应过程及内部工况，都无法直接观测和有效测量，由于这种全封闭性，有效信息的缺失无法为其生产控制提供有效的指导。长期以来，工业炉窑控制完全依耐于炉长和工长的经验，而其运行过程中绝大多数关键参数检测也依耐于人工的经验估计。缺乏关键参数在线检测装置是造成其过度依耐人工的根本原因之一。而工业炉窑内部的高温、高压、高粉尘、密闭无光的恶劣环境，是造成检测设备难于对关键参数进行检测、难于进行三维重构的重要原因。因此设计一种可以克服炉内高温、高压、高粉尘、密闭无光的恶劣环境，获取清晰的工业炉窑内部图像，获取其中温度信息，获取并利用景深信息进行三维重构的在线监测设备具有重要意义。

公开号为cn104257341a的发明专利公开了一种可同时用于红外和可见监测的内窥镜光学系统，其工作原理是利用分色板透过中波红外光束形成后续红外支路，同时反射可见光束形成可见光支路。红外支路上利用场镜和二次成像镜组进行红外光束传导，并利用红外相机进行像面接受。可见光支路上利用成像透镜组进行可见光光束传导，并利用定制的可见光ccd进行成像。但是这种设计，本质上只是通用的光路设计，没有针对高炉特殊的环境设计相应的保护措施，无法在内部环境恶劣的高炉上使用。

公开号为cn103605204a的发明专利公开了一种平行低光损背光高温工业内窥镜。为了使设备能耐高温，其成像系统是由处在高温中的前端光学目镜，中部导像光纤束和导光结构，以及处于低温的后端成像芯片组成。该设备也利用主动背光使其适应工业炉窑高粉尘的环境。但是，只利用可见光无法完全避免工业炉窑高粉尘的影响，在粉尘特别高的情况下，设备依然会拍不了图像；只利用双螺旋的水冷结构，水冷效果不佳、设备的散热效果也不好，这样会导致设备的使用寿命大大缩短；该设备拍到的图像只是二维图像，无法利用其进行三维重构。

公开号为cn201600497u的实用新型专利是一种双摄像头工业内窥镜，其利用上壳体和下壳体分别开孔，各放置一个摄像头。该设备可以同时拍摄两个方向的图像，但是其只能单独观察前方和侧方两个方向的景象；且前方只有一个摄像头，无法扩充前方视野，且不能进行双目立体成像。

技术实现要素：

本发明提供了一种真视红外工业内窥镜，解决了在高温、高压、高粉尘、密闭无光的恶劣环境中，获取清晰的工业炉窑内部图像，获取其中温度信息，获取并利用景深信息进行三维重构的难题。

本发明的技术方案如下：

一种真视红外工业内窥镜，包括有外壳保护单元，该外壳保护单元包括有壳体以及与壳体后端连接的电器组件箱，壳体内腔设置有双取像-成像单元，双取像-成像单元包括有至少两个取像-成像子单元，取像-成像子单元包括有设置在壳体内腔中部的分光器、设置在壳体内腔前端部且与分光器前端通过导像纤维连接的取像镜头、设置在壳体内腔后端部且与分光器后端的出光口ⅰ连通的红外成像管以及设置在壳体内腔后端部且与分光器后端的出光口ⅱ连接的可见光成像管。

电器组件箱内设置有通信模块以及分别与双取像-成像单元、通信模块电连接的电源，通信模块通过通信总线分别与双取像-成像单元通信、上位机连接，电源通过电源总线与双取像-成像单元电连接。

其中，壳体的电器组件箱内部含有内窥镜所需的电子器件，包括电源、通信模块以及通信总线，而设备的前端是取像镜头；取像镜头是光学目镜，主要功能是在炉内高温环境中采集被测对象的光学信息。

进一步地，红外成像管呈长条状，其包括有呈长条形的硫系玻璃和红外成像芯片；硫系玻璃的前端与分光器的出光口ⅰ连接，而后端与红外成像芯片通信连接；硫系玻璃的轴向外表面覆盖有内保护层i，红外成像芯片嵌入内保护层ⅰ内；内保护层ⅰ的轴向外表面依次覆盖有内保护皮ⅰ、保护管ⅰ、外保护皮ⅰ、外保护层ⅰ；硫系玻璃为红外光线传输通道，负责将分光器内的红外光线由红外成像管的前端传输到红外成像芯片。

进一步地，可见光成像管呈长条状，其包括有呈长条形的导像纤维和可见光成像芯片；导像纤维的前端与分光器的出光口ⅱ连接，而后端与成像芯片通信连接；导像纤维的轴向外表面覆盖有内保护层ⅱ，成像芯片嵌入内保护层ⅱ内；内保护层ⅱ的轴向外表面依次覆盖有内保护皮ⅱ、保护管ⅱ、外保护皮ⅱ、外保护层ⅱ；其中，可见光成像管能够耐受高温并将取得光学图像传导到设备后端，再由后端成像芯片将其转换成数字图像进行储存和传输。

进一步地，分光器包括有分光器主体、与分光器主体前端连通的入光口、与分光器主体后端一侧连接的出光口ⅱ和与分光器主体后端另一侧连接的出光口ⅰ；出光口ⅰ的管口端面上还覆盖有滤光片；入光口通过导像纤维与取像镜头内部连接，出光口ⅱ通过导像纤维与可见光成像管连接，出光口ⅰ通过硫系玻璃与红外成像管连接；其中，分光器是两个可以将一束光分成两束的光学装置，主要功能是将炉内取像镜头取到的光线分成两路；在分光器的出光口ⅰ处镶嵌有滤光片，经过该出光口ⅰ的光线接入红外成像管；另外出光口ⅱ接入可见光成像管。

进一步地，壳体由保护外壳和保护内壳组成，保护外壳和保护内壳之间的空腔形成水冷循环通道，保护外壳下端部设置有与水冷循环通道连通的进水口，上端部设置有与水冷循环通道连通的出水口，进水口、水冷循环通道和出水口依次连通并形成水墙冷却系统；保护外壳上端部上还设置有进风口，取像镜头呈喇叭状且其喇叭口朝向壳体内腔前端并与外部连通，进风口、壳体内腔、取像镜头内腔及取像镜头喇叭口依次连通并形成贯通风冷系统。

其中，壳体是两层结构，即保护外壳和保护内壳；在两层之间有全面水冷通道，为水冷提供循环通道；在保护外壳上还有水墙冷却系统的进水口和出水口，以及风冷系统的进风口。

本发明所述的真视红外工业内窥镜采用全面水墙冷却和贯通风冷两种冷却手段，以保证设备适用于高炉内部的高温环境。真视红外工业内窥镜的水墙冷却系统在保护外壳下端设有一个进水口，在保护外壳的上部设有一个出水口，这样流入水墙循环冷却系统的水可以循环利用；而用于风冷的气体通过真视红外工业内窥镜前端的取像镜头孔(即喇叭孔)排出，这样利用风冷产生的气压对取像镜头进行保护，起到防止镜头结痂和设备前端堵塞的效果。

本发明所述的真视红外工业内窥镜，通过取像镜头捕捉或获取光线，并利用分光器将取到的光线分成两路，一路光线经过滤光片进行滤光后剩余红外线并进入红外光成像管，经红外光成像管传输至红外成像芯片并生成红外数字图像；而另一路光线进入可见光成像管，经可见光成像管传输至可见光成像芯片并将其转换成可见光数字图像，然后红外数字图像和可见光数字图像经炉外的通信模块传输至上位机；本发明所述的真视红外工业内窥镜不仅能克服炉内高温、高压、高粉尘、密闭无光的恶劣环境，获取清晰的工业炉窑内部图像，而且获取其中的温度信息，进而实现通过上位机获取并利用景深信息进行三维重构的在线监测功能。

本发明还提供了一种利用真视红外工业内窥镜的取像方法，通过两种不同红外线对粉尘穿透力的不同，分别进行红外取像，并获取温度信息；通过可见光双镜头进行可见光双目立体视觉取像，解决了高炉内三维信息获取难的问题；其技术方案如下：

一种利用真视红外工业内窥镜的取像方法，方法包括以下步骤：

电器组件箱内的电源通电后，电源驱动电路和通信电路开始工作；

取像镜头捕捉炉窑内的光线，光线经导像纤维传输至分光器；

分光器将一束光线分成两束，一束经过滤光片过滤后留下红外线进入红外成像管，另一束进入可见光成像管；

进入红外成像管的红外线经硫系玻璃传输给红外成像芯片，形成红外数字图像；进入可见光成像管的光线经导像纤维传输给可见光成像芯片，形成可见光数字图像，实现对工业炉窑的数字图像采集功能；

红外数字图像与可见光数字图像通过电器组件箱里的通信模块，传输至工业上位机，通过上位机利用景深信息进行三维重构，实现在线监测功能。

进一步地，进水口处通入流水，流水经水冷循环通道和出水口，并循环流动；进风口通入空气，空气经过壳体内腔、取像镜头内腔、取像镜头喇叭口，并循环流动。

本发明所述的利用真视红外工业内窥镜的取像方法，通过冷却系统的风冷和水墙冷却系统保证设备能在炉内的高温环境中正常工作；在炉内有光的情况下，经炉内取像双镜头，通过可见光成像管和红外成像管同时形成可见光数字图像及红外数字图像；在炉内几乎无光的情况下，通过红外成像管单独成红外数字图像；然后将获取到的数字图像通过各成像单元传到后端设备，由炉外的通信模块储存数字图像信息并将图像信息传输给上位机，完成整个工作流程；该取像方法不仅能够获取炉内的可见光数字图像、红外数字图像和温度信息，而且通过上位机利用景深信息进行三维重构，实现炉内的在线监测，解决了炉内三维信息获取难的问题。

本发明的有益效果：

1.在导光结构上，创新地应用分光器将来自于取像镜头的光线分成两路，简化了设备结构，省去了为了进行可见光与红外同时成像而需要设计多个镜头的工作，降低了成本。

2.在成像方面，利用耐高温的双取像双镜头在设备前端取回光学信息；利用硫系玻璃的特性，将红外光学信息传输到设备后端的红外成像芯片，从而实现在高温环境中获得温度信息、红外光学信息的目的；利用导像纤维束的导光特性，将可见光信息传输到设备后端的可见光成像芯片，进行成像，从而实现了在高温环境中取像，并利用获得的数字图像进行三维重构的目的。

3.在冷却系统上，利用全面水墙水冷对设备进行冷却，提高了冷却效率，同时配合风冷增强了冷却效果，提高了设备的工作稳定性，降低了设备的使用成本。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的真视红外工业内窥镜的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的双取像-成像单元的结构示意图；

图3为本发明实施例所述的红外成像管的结构示意图；

图4为本发明实施例所述的红外成像管的断面放大图；

图5为本发明实施例所述的可见光成像管的结构示意图；

图6为本发明实施例所述的可见光成像管的断面放大图；

图7为本发明实施例所述的分光器的结构示意图；

图8为本发明实施例所述的利用真视红外工业内窥镜的取像方法的流程图；

附图中：1、电源；2、电器组件箱；3、电源总线；4、出水口；5、进风口；6、保护外壳；7、保护内壳；8、通信模块；9、通信总线；10、进水口；11、可见光成像管ⅰ；12、红外成像管ⅰ；13、分光器ⅰ；14、取像镜头ⅰ；15、可见光成像管ⅱ；16、红外成像管ⅱ；17、分光器ⅱ；18、取像镜头ⅱ；19、红外成像芯片；20、硫系玻璃；21、外保护层ⅰ；22、外保护皮ⅰ；23、保护管ⅰ；24、内保护皮ⅰ；25、内保护层ⅰ；26、可见光成像芯片；27、导像纤维；28、外保护层ⅱ；29、外保护皮ⅱ；30、保护管ⅱ；31、内保护皮ⅱ；32、内保护层ⅱ；33、滤光片；34、出光口ⅰ；35、分光器主体；36、入光口；37、出光口ⅱ。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如附图1、2和4所示，一种真视红外工业内窥镜，包括有外壳保护单元，该外壳保护单元包括有壳体以及与壳体后端连接的电器组件箱2，壳体内腔设置有双取像-成像单元，双取像-成像单元包括有取像-成像子单元ⅰ和取像-成像子单元ⅱ，其中，取像-成像子单元ⅰ包括有设置在壳体内腔中部的分光器ⅰ13、设置在壳体内腔前端部且与分光器ⅰ13前端通过导像纤维连接的取像镜头ⅰ14、设置在壳体内腔后端部且与分光器ⅰ13后端的出光口ⅰ34连通的红外成像管ⅰ12以及设置在壳体内腔后端部且与分光器ⅰ13后端的出光口ⅱ37连接的可见光成像管ⅰ11；取像-成像子单元ⅱ包括有设置在壳体内腔中部的分光器ⅱ17、设置在壳体内腔前端部且与分光器ⅱ17前端通过导像纤维连接的取像镜头ⅱ18、设置在壳体内腔后端部且与分光器ⅱ17后端的出光口ⅰ34连通的红外成像管ⅱ16以及设置在壳体内腔后端部且与分光器ⅱ17后端的出光口ⅱ37连接的可见光成像管ⅱ15；

电器组件箱2内设置有通信模块8以及分别与双取像-成像单元、通信模块8电连接的电源1，通信模块8通过通信总线9分别与双取像-成像单元通信、上位机连接，电源1通过电源总线与双取像-成像单元电连接。

如附图2、3和4所示，两个红外成像管(即红外成像管ⅰ12和红外成像管ⅱ16)包括有呈长条形的硫系玻璃20和红外成像芯片19；硫系玻璃20的前端与分光器(即分光器ⅰ13和分光器ⅱ17)的出光口ⅰ34连接，而后端与红外成像芯片19通信连接；硫系玻璃20的轴向外表面覆盖有内保护层i25，红外成像芯片19嵌入内保护层ⅰ25内；内保护层ⅰ25的轴向外表面依次覆盖有内保护皮ⅰ24、保护管ⅰ23、外保护皮ⅰ22、外保护层ⅰ21；硫系玻璃20为红外光线传输通道并将分光器(即分光器ⅰ13和分光器ⅱ17)内的红外光线传输至红外成像芯片19。

如附图2、5和6所示，可见光成像管(即可见光成像管ⅰ11和可见光成像管ⅱ15)包括有呈长条形的导像纤维27和可见光成像芯片26；导像纤维27的前端与分光器(即分光器ⅰ13和分光器ⅱ17)的出光口ⅱ37连接，而后端与可见光成像芯片26通信连接；导像纤维27的轴向外表面覆盖有内保护层ⅱ32，可见光成像芯片26嵌入内保护层ⅱ32内；内保护层ⅱ32的轴向外表面依次覆盖有内保护皮ⅱ31、保护管ⅱ30、外保护皮ⅱ29、外保护层ⅱ28；导像纤维27为可见光线传输通道并将分光器(即分光器ⅰ13和分光器ⅱ17)内的可见光线传输至可见光成像芯片26。

如附图2和7所示，两个分光器(即分光器ⅰ13和分光器ⅱ17)包括有分光器主体35、与分光器主体35前端连通的入光口36、与分光器主体35后端一侧连接的出光口ⅱ37和与分光器主体35后端另一侧连接的出光口ⅰ34；出光口ⅰ34的管口端面上还覆盖有滤光片33；入光口36通过导像纤维与取像镜头内部连接，出光口ⅱ37通过导像纤维连接可见光成像管ⅰ11和可见光成像管ⅱ15，出光口ⅰ34通过硫系玻璃连接红外成像管ⅰ12和红外成像管ⅱ16。

如附图1所示，壳体由保护外壳6和保护内壳7组成，保护外壳6和保护内壳7之间的空腔形成水冷循环通道，保护外壳6下端部设置有与水冷循环通道连通的进水口10，上端部设置有与水冷循环通道连通的出水口4，进水口10、水冷循环通道和出水口4依次连通并形成水墙冷却系统；保护外壳6上端部上还设置有进风口5，两个取像镜头(取像镜头ⅰ14和取像镜头ⅱ18)呈喇叭状且其喇叭口朝向壳体内腔前端，进风口5、壳体内腔、取像镜头内腔、取像镜头的喇叭口依次连通并形成风冷系统。

本实施例所述的真视红外工业内窥镜，通过取像镜头ⅰ14和取像镜头ⅱ18捕捉或获取光线，并利用分光器ⅰ13和分光器ⅱ17分别将取到的光线分成两路，一路光线经过滤光片33进行滤光后剩余红外线并分别进入红外成像管ⅰ12和红外成像管ⅱ16，经红外成像管ⅰ和红外成像管ⅱ传输至红外成像芯片19并生成红外数字图像；而另一路光线分别进入可见光成像管ⅰ11和可见光成像管ⅱ15，经可见光成像管ⅰ11和可见光成像管ⅱ15传输至可见光成像芯片26并将其转换成可见光数字图像，然后红外数字图像和可见光数字图像经炉外的通信模块进行成像；因此本实施例所述的真视红外工业内窥镜不仅能克服炉内高温、高压、高粉尘、密闭无光的恶劣环境，获取清晰的工业炉窑内部图像，而且获取其中的温度信息，进而获取并利用景深信息进行三维重构的在线监测。

如附图8所示，本实施例还提供了一种利用真视红外工业内窥镜的取像方法，方法包括以下步骤：

s101：进水口10处通入流水，流水经水冷循环通道和出水口，并循环流动；进风口5通入空气，空气经过壳体内腔、取像镜头内腔及取像镜头喇叭口，并循环流动；通过进水口10和进风口5通入水和气体并且循环流动，保证整个设备在工业冶炼窑炉内部的高温环境中正常工作；

s102：电器组件箱2内的电源1通电后，电源驱动电路和通信电路开始工作；

s103：取像镜头ⅰ14和取像镜头ⅱ18分别捕捉炉窑内的光线，光线经导像纤维分别传输至分光器ⅰ13和分光器ⅱ17；

s104：分光器ⅰ13将一束光线分成两束，一束经过滤光片33过滤后留下红外线进入红外成像管ⅰ12，另一束进入可见光成像管ⅰ11；分光器ⅱ17将一束光线分成两束，一束经过滤光片33过滤后留下红外线进入红外成像管ⅱ16，另一束进入可见光成像管ⅱ15；

s105：进入红外成像管ⅰ12和红外成像管ⅱ16的红外线经硫系玻璃传输给红外成像芯片19，形成红外数字图像；进入可见光成像管ⅰ11和可见光成像管ⅱ15的光线经导像纤维传输给可见光成像芯片26，形成可见光数字图像，实现对工业炉窑的数字图像采集和温度采集；

s106：红外数字图像与可见光数字图像通过电器组件箱2里的通信模块，传输至工业上位机，通过上位机利用景深信息进行三维重构，实现在线监测功能。

本实施例所述的利用真视红外工业内窥镜的取像方法，通过冷却系统的风冷和水墙冷却系统保证真视红外工业内窥镜能在炉内的高温环境中正常工作；在炉内有光的情况下，经炉内取像镜头ⅰ14和取像镜头ⅱ18，通过可见光成像管ⅰ11和红外成像管ⅰ12同时成像，以及通过红外成像管ⅱ16和可见光成像管ⅱ15同时成像；在炉内几乎无光的情况下，通过红外成像管ⅰ12和红外成像管ⅱ16分别单独成像；同时取到的数字图像分别通过红外成像芯片19和可见光成像芯片26传到后端设备，由炉外的通信模块8等通信模块进行成像，并将其传给工业上位机，完成整个工作流程。因此本实施例所述的利用真视红外工业内窥镜的取像方法，能够针对工业炉窑特殊的环境设计相应的保护措施，能够在内部环境恶劣的工业炉窑上使用；且水冷效果好、设备的散热效果好，设备的使用寿命大大延长；同时，实现了获取并利用景深信息进行三维重构的在线监测功能。

本发明实施例提供的利用真视红外工业内窥镜的取像方法，与上述真视红外工业内窥镜出于相同的技术构思，具有相同的有益效果，此处不再赘述。