分布式多光譜高溫計光學系統設計

張南楠,陳茜雅,常馨方,邢 鍵,郭佳博,崔雙龍*,劉奕彤,劉志軍

1. 東北林業大學信息與計算機工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040 2. 哈爾濱工業大學(威海)新能源學院,山東 威海 264209 3. 貴州電子信息職業技術學院,貴州 凱里 556000

引 言

多光譜輻射測溫技術是高溫測量領域的最有力工具之一,在等離子體診斷、 發動機燃燒參數優化及火藥爆炸溫度測量等領域獲得了廣泛應用[1-6]。 目前,多光譜輻射高溫計以單點測溫為主,多點的多光譜輻射高溫計也僅限于有限個測量點,并且采用的是多個單點光路分路采集的方式,本質上就是多個單點高溫計的組合[7-12]。 隨著測量需求的增加,如火箭發動機尾噴焰縱向及軸向的溫度分布、 長距離自動焊接過程的溫度測量等,因此開展多光譜輻射線溫高溫計的研究工作具有十分重要的意義[14]。

多光譜輻射線溫測量原理仍與單點測溫原理一樣,即通過光路系統將待測點的光譜輻射引入光電探測器,然后根據光電探測器將光譜輻射轉換為電壓值后,通過數據處理獲得待測點的溫度值。 而線溫多光譜輻射則需要將待測輻射目標上一條線的各個點輻射均需要通過光路實現多光譜輻射信息采集,通過一個光路實現整條線上各點輻射信息的采集。 現已有的多光譜線溫高溫計的光學系統,包括光闌透鏡、 三棱鏡、 暗箱透鏡[13]。 本文通過研究發現,該光學系統則面臨著離軸輻射通過光路后的球差等像差問題,導致難以準確地將輻射信息送入探測器,從而影響測量精度。

因此,本文提出將正交柱狀透鏡組應用于多光譜輻射線溫測量系統,通過光路系統設計,確定了各部分光學器件的參數,仿真結果表明通過正交柱狀透鏡組,實現了線溫多光譜輻射信息的準確采集。

1 實驗部分

1.1 傳統多光譜高溫計光路

多光譜點溫測量的光路系統是將待測點輻射通過物鏡、 光闌、 棱鏡及透鏡后色散至探測器陣列。 為了實現線溫測量,在點溫測量光路的基礎上,將光闌換成狹縫,接收部分由1個探測器陣列變為多個探測器陣列,光路圖如圖1所示。

圖1 線溫測量光路Fig.1 Line temperature light pathL0: 被測物體; L1: 透鏡組; T: 狹縫; L2: 準直物鏡1; P: 組合分光棱鏡; L3: 暗箱透鏡; M: 反射鏡; A: 線性探測器陣列L0: Mercury lamp; L1: Battery of lens; T: Slit; L2: Autocollimator objective; P: Combine splitting prism; L3: Camera bellows lens; M: Reflector; A: Linear detector array

由于狹縫各點輻射除位于光軸的中心點外,其余各點均屬于離軸輻射,因此線光源輻射通過光路系統后會出現球差(如圖1,A光屏顯示“彎曲”),因此不能保證分光后的線光譜輻射信息完全垂直入射至各探測器陣列,從而影響測量精度。 為此需要對傳統光路系統進行改進,減少乃至消除球差的影響,提高探測器接收輻射信息的能力。

1.2 光路仿真

1.2.1 正交透鏡組光路仿真

柱狀透鏡具有某一個方向的匯聚作用,為此提出在分光后的光路中,增加2個柱狀透鏡,這兩個柱狀透鏡成正交放置,利用第一個柱狀與狹縫同方向,進行匯聚,第二個柱狀透鏡在與狹縫垂直方向進行匯聚,可大大減少球差的影響。

利用ZEMAX軟件對被測物體發射的圓盤光線經過正交柱狀透鏡組后,在不同位置的成像進行仿真(圖2),形成的光線在前焦線的前方和后方的光束呈橫向橢圓形,而在后焦線的前方和后方,光束呈縱后橢圓形。 在橫焦線和縱焦線的位置,會形成橫向和縱向的聚焦線。 因此,利用正交柱狀透鏡組,可以實現不同位置呈現從豎橢圓到圓再到橫橢圓再到直線的成像規律,利用這一規律可以實現球差的校正。

圖2 正交柱狀透鏡成像示意圖Fig.2 Orthogonal cylindrical lens imaging schematic diagram

為此,本文設計了新方案,如圖3所示,即經狹縫后的輻射在棱鏡分光后經L1、 L2透鏡產生的球差,進入一個正交柱狀透鏡組,經正交柱狀透鏡組后彎曲光線變直,經反射鏡進入光電探測器陣列,實現線表面輻射信息完全進入探測器,減少遠軸輻射產生的像差,實現線溫各點與探測器單元陣列的匹配,達到測量探測器對應的各點溫度的準確測量。

圖3 多光譜線溫高溫計的光路設計圖L0: 被測物體; L1: 物鏡; T: 狹縫(對準待測線); P: 組合分光棱鏡; L2: 透鏡; L3: 正交柱狀透鏡組; M: 反射鏡; A: 線陣探測器陣列Fig.3 Multispectral line temperature pyrometer optical circuit design drawingL0: Object; L1: Object lens; T: Slit(Align with line under test); P: Combine splitting prism; L2: Lens; L3: Orthogonal cylindrical lens group; M: Reflector; A: Linear detector array

1.2.2 整體光路仿真

多波長輻射線溫測量高溫計的光學系統設計實質上是一個輻射能通道,確保輻射溫度計能準確地從被測物面所指定的面積取出輻射能量,然后傳送到硅二極管線陣各指定面元,其主要技術要求為:

(1)在較寬的波長范圍內保證成像質量,仔細考慮消除各種有關像差。

(2)正確地取定視場光欄的口徑及位置以確保在被測物面上準確地取樣。

(3)正確地取定狹縫寬度及位置以確保像方光束具有指定的孔徑。

(4)安排色散棱鏡以便熱輻射能展開成連續光譜,注意展開光譜與探測器陣列尺寸相適配。

(5)由于所采用的S4111-16Q的硅二極管線陣每一單元的感光面積為1.45 mm×0.9 mm。 故設計時考慮采用目標寬度為1.45 mm,視場光欄寬度為0.73 mm,線性放大倍數為1.0。

(6)為了滿足以上的技術要求,本文采用了S4111-16Q的16元探測器陣列,每像元寬0.9 mm、 長4.4 mm,中間間隔是0.1 mm,故16元探測器陣列為15.9 mm。

經計算與設計后,仿真的最后光學系統如圖4所示。

圖4 光學系統仿真結果Fig.4 Optical system simulation diagram

根據S4111-16Q的實際像元參數,確定各個光學元器件的參數,如表1所示。

表1 各個光學元器件參數Table 1 Parameters of various optical components

2 結果與討論

利用ZEMAX軟件對有無正交柱狀透鏡兩種情況成像結果進行對比,如圖5所示。

圖5 仿真光路成像結果比較(a): 無正交透鏡; (b): 有正交透鏡Fig.5 Light path imaging effect picture(a): Without orthogonal lenses; (b): With orthogonal lenses

從圖5中可以看出,在沒有柱狀透鏡的情況下,狹縫成像明顯彎曲,在加入正交柱狀透鏡的情況下,狹縫成像彎曲現象消失,經狹縫分光后的線光譜明顯呈直線狀態。

基于表1的光學系統參數所定制實際光學器件,搭建了多光譜線溫光學系統,并進行了有無正交柱狀透鏡的實際對比實驗,結果如圖6所示。 從圖中可以明顯看出,在正交柱狀透鏡的作用下,線光譜球差現象消失,呈直線狀態,從而構建了一個完整的線溫輻射通道。

圖6 實際光路及成像結果比較(a): 無正交柱狀透鏡(狹縫成像彎曲); (b): 有正交柱狀透鏡(狹縫成像呈直線)Fig.6 Actual optical path system(a): No Orthogonal cylindrical lens group; (b): Orthogonal cylindrical lens group

3 結 論

提出了基于正交柱狀透鏡的多光譜線溫光路系統設計方案,解決了線溫邊緣各點輻射由于離軸傳輸過程中的球差影響,從而使得線光譜彎曲的問題。 經ZEMAX軟件仿真后,確定了各部分光學元器件的參數,搭建了基于仿真參數定制的實際光學系統,實驗表明基于正交柱狀透鏡的多光譜線溫光學系統較好地解決了球差所引入的線光譜彎曲問題,為待測線溫度輻射信息的完整采集奠定了堅實基礎。