小视场多光谱光纤测温仪光学设计研究

辐射测温技术作为-类重要的非接触测温手段，以其测温范围广、精度高、不受距离限制等优点，已成为国民生产和科学研究等领域的主要实用测温手段之-。

多光谱测温技术发展于上世纪70年代末，是辐射测温技术的-个重要分支 J。与传统辐射测温技术相比，其重要意义在于能通过处理多个光谱通道的测量数据获得 目标真温 ，避免测温结果随 目标发射率而改变 。

光学视场是辐射测温仪的重要参数之-，该参数收稿日期：2012-10-09；收修改稿日期：2012-10-24基金项目：航空科学基金资助项 目 (20102244003)作者简介：李洋 (1988- )，男，河北邢台人 ，硕士研究生，研究方 向为辐射测温及红外辐射测量 系统光学设计；蔡静(1976-)，女，河北石家庄人，高级工程师，博士，主要从事与温度相关的计量校准和科研工作，在黑体辐射源校准、辐射热流计校准、多光谱温度测量以及低温温度计校准、动态温度校准方面具有丰富的经验。

决定了辐射测温仪在不同距离下所能测量的最小 目标尺寸。相同条件下光学视场愈小，辐射测温仪可测量的目标 区域就越小，其相应 的测量 区域定位就越精确。

另-方面，多光谱测温算法要求测温仪器同时测量来自目标多个光谱波段的辐射能量，简 的分时式光谱切换方式已无法满足测量需要，必须为仪器设计可工作于近红外波段的高效率并行式分光组件。这是多光谱测温仪器区别于传统辐射测温仪最显著的特征，同时也是光学系统设计的难点之-。

基于上述分析，本文重点讨论-种小视场多光谱光纤测温仪的光学系统设计及分析方法。通过对测温光路的优化，实际光学人窗距仪器前端 260 mm，直径为2.8 Bin；利用特定工作波段的分光器件组成并行式分光系统 ，可满足仪器同时测量多个光谱波段的需要 。

1 小视场多光谱光纤测温仪光学系统结构光学入窗是视场光阑在物空间的共轭像。对于小视场辐射测温仪器而言，光学系统几何像差会导致实计 测 技 术 新技术新仪器 ·19·际测温视场远大于理论计算的共轭像高，必须采用合理的光学结构并对其参数加以优化，以控制几何像差引起的视场扩散。

目前常用的并行式分光元件有棱镜、光栅和二向色分光器件。通过棱镜或光栅分光得到的为-连续光谱，需采用线阵探测器进行测量；由于线阵探测器通常具有至少 128个像元，虽能达到较高的光谱分辨力，但单个像元可接收的辐射通量极其有限。相反地，采用二向色分光器件构成的分光系统只能得到有限几个光谱通道，但各通道均有较高的辐射通量，还可通过在各光谱通道加装带通滤光片以提高测量光谱波段精度。需要指出，多光谱测温算法理论上最少只需测量三个光谱通道的光谱能量，对波长分辨力并无特别要求；并且根据黑体辐射定律，测量低温 目标时辐射通量会显著降低，此时各光谱通道可接收的辐射通量就显得尤为重要。本文采用二向色分光器件构成分光系统，以提高测温系统的信噪比 J。

为进-步提高光学效率，光路中各透镜均镀有近红外增透膜，并采用单根大口径石英光纤传输红外辐射。同时光学探头镜筒内部表面进行发黑处理，并重复设置消杂光阑，从而消除了杂散辐射导致的测温视场扩散及环境温度噪声等现象。

小视场多光谱光纤测温仪光学系统总体结构如图 1所示。光学系统由光学探头、传输光纤和分光系统构成；其中光学探头为正、负透镜组成双分离结构，分光系统包括光束整形透镜组、二向色分光片组、带通滤光片和探测器聚焦透镜等部分。

图 1 多光谱光纤测温仪光学系统结构图2 光学探头设计光学探头的光路如图2所示 ，其中 1，2为透镜，3为光纤端面。光学探头孔径光阑为透镜 1的通光口径，视场光阑为光纤端面。

图2 光学探头光路图本文设计的小视场多光谱光纤测温仪属于非调焦式，只有当被测 目标尺寸充满光学视场时才能确保测温结果的准确性。对于该仪器而言，其光学视场由其光学探头的通光口径 D与入射窗共同决定 。

图3 测温仪光学视场图测温仪光学视场如图3所示，探头左侧的实线为视滁络线。入窗处光学视场直径最小，当目标距离偏离入窗时光学视场直径会逐渐扩大。实际系统的透镜位置及通光口径均固定不变，所以确定仪器光学视场的关键在于确定其人窗的尺寸及位置；但实际入窗参数会受光学探头几何像差影响而偏离理论计算值，所以必须充分优化探头光学结构，通过严格控制几何像差以使入窗参数满足要求。

在使用软件优化光路之前，要先根据薄透镜成像原理确定光路的初始结构。本文设计的光学探头采用图4所示的双分离透镜组合，通过改变透镜各面曲率及间距等光学参数以使光学性能达到最优。

图4 光学探头结构为便于分析，优化光路时采用逆 向分析的方法，即把光纤端面作为物平面，分析经探头之后得到的像面位置与实际像高，通过不断优化光学参数最终使入窗参数满足要求。综合考虑各种像差对入窗尺寸的影响，设计过程中主要针对球差、轴向色差和垂轴色差等初级色差进行优化。

· 2O· 新技术新仪器 2012年第32卷第6期使用ZEMAX光学设计软件优化探头光学性能，最终确定入窗位于探头前端 260 mm处，其直径为 2.78mm。入窗平面的包围圆能量如图 5所示，可以看出99%以上的红外辐射能量均落在直径为 2.78 mm的光学视场范围内。

固丑图 5 像平面包围圆能量图3 分光组件设计分光组件包括光束整形透镜组、二向色分光片组、带通滤光片和探测器聚焦透镜。其中二向色分光片组为分光组件的核心，具有较高的透射/反射率，以确保分光组件的光学效率。

3.1 分光、滤光器件本文设计的多光谱光纤测温仪器采用二向色分光片与带通滤光片组合实现分光。二向色分光片是-类应用较广的分光器件，其工作原理是将 45。斜入射到其表面的非单色光中小于分光波长的部分反射，大于分光波长的部分透射。本系统采用分光波长为 1200 nm，1400 nm和 1580 nm的三枚二向色分光片将红外辐射能量分成四个光谱通道，实测二向色分光片在设计波段范围内透射率和反射率均不小于90%。

为避免空气中 CO 的吸收使得某些波段辐射通量随距离改变 J，同时考虑到多光谱数据处理和电路设计中对各光谱通道能量均匀化的要求，在各光谱通道的二向色分光片之后均增加了带通滤光片，以提高分光系统的波长选择性。试验表明，增加带通滤光片后长波通道探测器接收到的辐射通量会有所减弱，但仪器的测量重复性和抗环境干扰能力均有所提高。

3.2 光束整形透镜组与探测器聚焦透镜光束整形透镜组由两枚平凸透镜组成，其作用是汇聚光纤端面发出的发散光束，使其在所需距离范围内保持平直传输。但由于采用的光纤直径较大，难以实现高质量的准直，故设计的光束整形透镜组并未采用准直的思路，而是将光纤端面成像在光程最长通道的探测器聚焦透镜附近，通过控制像高和出射光束半径来确保光束在到达像面位置前保持平直传输。

光束整形透镜组结构如图6所示，经过光学设计软件的优化，可将光束直径控制在9 mm以内，且光束直径在工作范围内随光程单调增加，这就确保光纤发出的红外辐射能够无遮挡地通过所有光学部件。

图6 光束整形透镜组探测器聚焦透镜 (图7)是用来将各通道的红外辐射分别汇聚至相应的探测器光敏面上。各光谱通道因光程、波段不同，聚焦透镜的参数也各不相同，设计时应与光束整形透镜组联合进行。经过优化，各通道探测器聚焦透镜均采用表面镀近红外增透膜的 K9石英透镜。

-- /～ 图7 探测器聚焦透镜4 系统试验距离效应是辐射温度测温仪器在满足测温视场要求情况下因改变测量距离而引起的测温结果改变量，其值可作为评判辐射测温仪器光学系统综合性能的依据之-。使用 Mikron公司的M330黑体辐射源测试经装调、标定后多光谱光纤测温仪的距离效应，结果如表 1。

表 1 测温结果随目标距离的改变距离炉口距离/mm 温度/℃0501o0150200999.21001.21001.41O00.9999.8表 1是 1000℃时多光谱辐射测温仪测量结果随目(下转第28页)0 9 8 7 6 5 4 3 2 l· 28· 新技术新仪器 2012年第32卷第6期热交换管后，空气温度场在 4，90 mm×150 mm的区域内和在 -70～75℃范围内，测得的温度均匀性和稳定性分别在0.1304-0.006 oC和0.006～0.008℃之间。两者的温度均匀性和稳定性几乎没有差别。表 5的实验数据则表明，在各个温度点，空气介质测试腔的空气平均温度和包裹其周围的液体平均温度也基本没有差别。

同样，比较表 2、表 4、表 6的实验数据则表明，在6022型液体介质恒温槽所做的实验，获得了与 7080型液体介质恒温槽实验相同的结果。说明用该方法设计空气介质恒温槽是-种可行方法，所获得的空气温度场的均匀性和稳定性，可以达到液体介质恒温槽液体温度场的水平。

3 结束语实验中的空气介质测试腔的测量区域只有约 90mm×150 mm，不算很大，但结果已表明，利用液体介质恒温槽的液体对空气进行加热和恒温的方法，可以获得理想的空气介质温度场，空气温度场的温度稳定性和均匀性与液体介质恒温槽相当，远远超越干体炉和热管恒温槽，是-种设计理想空气介质恒温槽的创新技术。

在7080型和 6022型液体介质恒温槽中安装空气介质测试腔和热交换管，仅仅是作为-种实验装置，在尺寸、使用上等受到许多限制，尚不能作为-种真正意义上的空气介质恒温槽。在液体介质恒温槽的基础上设计空气介质恒温槽，需要把热交换管、空气介质测试腔、液体介质恒温槽进行有效的组合，结构上与目前常用的液体介质恒温槽有所不同，需要开展进- 步研究。