Способ бесконтактного измерения пространственного распределения температуры и излучательной способности объектов без сканирования
METHOD OF CONTACTLESS MEASUREMENT OF SPATIAL DISTRIBUTION OF TEMPERATURE AND EMISSIVITY OF OBJECTS WITHOUT SCANNING

Изобретение относится к технологиям дистанционного измерения пространственного распределения температуры и излучательной способности по поверхности объектов.
При контроле протекания технологических процессов, синтезе материалов и решении других задач возникает необходимость измерения пространственного распределения температуры по поверхности объектов [Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. // М.: ИД Спектр, 2009. 544 с.]. При этом, как правило, предполагается, что излучательная способность является постоянной во всех точках поверхности [R.W. Ruddock. Basic Infrared Thermography Principles. // eliabilityweb.com Press, 2010. 97 р.]. В реальности же многие объекты имеют неоднородную или изменяющуюся структуру и, как следствие, обладают неравномерным распределением излучательной способности по поверхности. Неучет этого приводит к значительным погрешностям измерений. Более того, изменение излучательной способности может быть свидетельством фазового перехода, возникновения дефектов и отклонения режима функционирования от штатного [Р. Poulsen, D.E. Hare. Temperature and wavelength dependent emissivity of a shocked surface: A first experiment. // Proc. SPIE, 2002; T. Nunak, N. Nunak, V. Tipsuwanporn, and T. Suesut. Surrounding Effects on Temperature and Emissivity Measurement of Equipment in Electrical Distribution System. // Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science 2015, V. 1].
Поэтому интерес представляют методы, основанные на измерении спектра отражения объекта и сравнении его с теоретической кривой теплового излучения Планка, что позволяет определить температуру и излучательную способность объекта [А.Р. Jephcoat, S.P. Besedin. Temperature measurement and melting determination in the laser-heated diamond-anvil cell. // Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A., 1996. V. 1996354. P. 1333-1360]. Так как традиционные спектрометры с одноэлементным приемником позволяют измерить лишь среднюю по площади объекта величину [Балаханов М.В., Коробов В.К., Пустовойт В.И. Способ измерения цветовой температуры. // Патент RUS 1012038. Дата приоритета 23.12.1981; О. Kozlova, А. Sadouni, D. Truong, S. Briaudeau, M. Himbert. Tunable transportable spectroradiometer based on an acousto-optical tunable filter: Development and optical performance. // Review of Scientific Instrumentation, 2016. V. 87. №125101], для получения пространственного распределения температуры используются методы видеоспеткрометрии на основе применения матричных приемников излучения.
Способ измерения распределения температуры с использованием многоканальных оптических систем, формирующих изображения одновременно на нескольких длинах волн [A.J. Campbell, Measurement of temperature distributions across laser heated samples by multispectral imaging radiometry. // Rev. Sci. Instrum., 2008. V. 79. №015108], не получил распространения в связи со сложностью юстировки, громоздкостью и высокой стоимостью реализации подобных схем. Кроме того, небольшое количество регистрируемых спектральных каналов ограничивает точность вычисления температуры. Системы на основе механически переключаемых спектральных фильтров [S. Deemyad, A.N. Papathanassiou, I.F. Silvera. Strategy and enhanced temperature determination in a laser heated diamond anvil cell. // J. Appl. Phys., 2009. V. 105; L. Bunger, K. Anhalt, D. Taubert, K. Schmidt. Traceability of a CCD-Camera System for High-Temperature Measurements. // International Journal of Thermophysics, 2015, V. 36(8). P. 1784-1802; Ионов Б.П., Ионов А.Б., Плоткин E.B., Чернышева Н.С. Полихроматический пирометр. // Патент RU 139153. Приоритет от 06.12.2013], помимо малого количества фиксированных спектральных каналов, обладают также низким быстродействием, а наличие подвижных элементов снижает надежность работы устройства. Метод [Гуляев И.П., Долматов А.В., Гуляев П.Ю., Бороненко М.П. Способ спектрально-яркостной пирометрии объектов с неоднородной температурой поверхности. // Патент RU 2616937. Приоритет от 17.06.2015] свободен от данных недостатков, однако предполагает постоянство излучательной способности по исследуемой поверхности и требует одновременной регистрации спектрального изображения и спектра ее излучения.
Способ измерения пространственного распределения температуры и излучательной способности образцов на основе применения электронно перестраиваемых акустооптических (АО) фильтров изображений не требует механического сканирования и позволяет обеспечить большое количество (до нескольких сотен) спектральных каналов в широком диапазоне длин волн и, как следствие, высокую точность измерений [A. Machikhin. P. Zinin, A. Shurygin, D. Khokhlov. Imaging system based on a tandem acousto-optical tunable filter for in-situ measurements of the high temperature distribution. // Optics Letters, 2016. V. 41 №5. P. 901-904]. Однако последовательная перестройка по спектру приводит к значительному времени регистрации, что делает этот способ неприменимым для анализа движущихся объектов и быстропротекающих процессов.
Таким образом, ни один из известных способов не является универсальным: каждый обладает недостатками, ограничивающими его область применения.
Поэтому интерес представляет создание способов и систем, обеспечивающих одновременную регистрацию множества узкополосных спектральных изображений и не требующих механической или электронной спектральной перестройки.
В качестве прототипа предлагаемого способа был выбран способ, основанный на узкополосной фильтрации излучения при помощи АО перестраиваемого фильтра изображений [A. Machikhin. P. Zinin, A. Shurygin, D. Khokhlov. Imaging system based on a tandem acousto-optical tunable filter for in-situ measurements of the high temperature distribution. // Optics Letters, 2016. V. 41 №5. P. 901-904]. Последовательная перестройка фильтра позволяет зарегистрировать цифровые изображения во всех требуемых спектральных интервалах. По этим изображениям в каждом пикселе численными методами получают спектр отражения объекта и далее с помощью двухпараметрической подгонки определяют значение температуры и излучательной способности. Недостатком этого способа является необходимость спектральной перестройки и, как следствие, неодновременная регистрация спектральных изображений, что ограничивает применение этого способа для анализа быстропротекающих процессов и движущихся объектов. Кроме того, отсутствуют АО фильтры, обеспечивающие эффективную спектральную фильтрацию изображений в инфракрасном диапазоне 8-14 мкм - области, соответствующей максимуму излучения объектов реального мира и для которой существуют эффективные матричные приемники излучения.
Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.
Техническим результатом изобретения является возможность определения пространственного распределения температуры и излучательной способности по поверхности объектов без механического или спектрального сканирования за счет одновременной регистрации нескольких цифровых изображений в узких спектральных интервалах ультрафиолетового, видимого или инфракрасного излучения.
Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ определения пространственного распределения температуры и излучательной способности по поверхности объекта, заключающийся в формировании светового пучка широкополосного излучения I(λ), идущего от этого объекта; разделении этого пучка с помощью линзового растра, стоящего из N линз, на N световых пучков, переносящих изображения; спектральной фильтрации этих пучков за счет применения установленного на матричном приемнике излучения растра, состоящего из светофильтров, число и положение которых соответствует числу и положению линз в линзовом растре, а кривые пропускания которых соответствуют заданным положениям спектральных каналов; одновременной регистрации N спектральных изображений матричным приемником излучения и совместной цифровой обработке этих изображений. Это обеспечивает одновременную регистрацию N спектральных пространственно разнесенных (не перекрывающихся) изображений объекта. Путем цифровой обработки совокупности этих изображений вычисляют пространственное распределение температуры и излучательной способности в каждой точке объекта. Данный способ может использоваться в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазоне спектра.
Изобретение поясняется чертежом. На Фиг. 1 показана структурная схема, поясняющая описанный способ, где 1 - исследуемый объект, 2 - формирующая оптическая система, 3 - линзовый растр, 4 - растр из светофильтров, 5 - спектральные изображения объекта, 6 - матричный приемник излучения.
Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из оптически связанных и расположенных последовательно элементов: оптической системы 2, формирующей световой пучок широкополосного излучения I(λ), идущего от исследуемого объекта 1; линзового растра 3, состоящего из N линз и формирующего N широкополосных изображений объекта 1, растра из N светофильтров 4 и матричного приемника излучения 6.
Отличием изобретения является то, что между оптической системой 2 и матричным приемником излучения 6 установлен линзовый растр 3, состоящий из заданного числа линз, фокусирующих изображения 5 объекта 1 на матричном приемнике излучения 6; и то, что перед матричным приемником излучения 6 установлен растр 4, состоящий из светофильтров, число и положение которых соответствует числу и положению линз в линзовом растре, а кривые пропускания этих светофильтров соответствуют заданным положениям спектральных каналов.
Это позволяет исключить необходимость последовательной спектральной перестройки. В результате устройство на основе предлагаемого способа отличается высокой скоростью регистрации, определяемой только временем экспонирования приемника излучения, компактностью, высоким спектральным разрешением, отсутствием подвижных элементов, возможностью работы в любом спектральном диапазоне. При этом пространственное разрешение устройства определяется разрешением используемого матричного приемника излучения и требуемым числом спектральных каналов используемого мозаичного растра.
В предпочтительном варианте осуществления реализуется вариант схемы, работающей в диапазоне 8-15 мкм и заключающийся в использовании микроболометрической матрицы в качестве матричного приемника излучения. Количество элементов линзового растра и спектры пропускания светофильтров должны выбираться заранее с учетом решаемой задачи, прежде всего, требуемого диапазона и точности измерения температуры и излучательной способности.
Система работает следующим образом. Выбирают количество, центральные длины волн и ширины спектральных интервалов, изображения в которых необходимо зарегистрировать. Исследуемый объект 1 устанавливают в предметной плоскости входной оптической системы 2. Линзовый растр 3, состоящий из N линз, формирует N изображений 5 объекта 1 в плоскости матричного приемника излучения 6. Благодаря установленному перед матричным приемником излучения 5 растру, состоящему из N спектральных светофильтров, одновременно регистрируют N пространственно разнесенных спектральных изображений. В дальнейшем для получения пространственного распределения температуры и излучательной способности по поверхности объекта 1 эти спектральные изображения подвергаются совместной цифровой обработке.