专利名称：测温成像系统及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种测温成像系统及其测量方法。
背景技术：
目前常见的测温成像系统以红外感光元件为主，其结构主要包括光学镜头、红外 成像感光元件以及信号处理单元，感光元件的感应光波长通常在1微米以上。这类测温成 像系统的优点是可以测较低的温度，甚至包括常温物体，缺点是成本较高，这主要是由于红 外成像感光元件的成本比其他可见光及近红外成像元件高很多。近年来基于CXD的测温成像系统大多以多个CXD相机或多CXD元件为主，将辐射 信号分光至多个CCD相机，利用辐射测温原理进行温度计算，这使得测温系统较为复杂，同 时由于多个成像元件带来的同步差问题，增加了系统校准及标定的难度，也提高了测温系 统的成本。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本的测温成像系统，避免了多个成像 元件带来的同步差问题。本发明还要提供一种上述测温成像系统的测量方法。本发明解决技术问题所采用的技术方案是测温成像系统，沿光路包括光学镜头 组、分光棱镜及反射镜面组、成像元件、信号处理器，其特征在于在所述成像元件前还设置 有滤光片组，所述滤光片组包括至少两组滤光片，所述滤光片的组数比经过分光棱镜及反 射镜面组后的光信号的组数少一组，所述成像元件是单片单色CXD或CMOS成像元件。进一步的，所述光学镜头组包括凸透镜和降噪光圈。进一步的，所述分光棱镜及反射镜面组包括分光棱镜和平面反射镜。进一步的，所述滤光片组的波段范围涵盖从400nm到IlOOnm的可见光及近红外光 谱波段。进一步的，所述分光棱镜及反射镜面组是2个分光棱镜和1个平面反射镜，所述滤 光片组是2组滤光片，所述滤光片的波段中心分别位于SOOnm和lOOOnm。进一步的，在所述信号处理器前还设置有信号处理转换器。进一步的，还设置有外壳，在所述外壳的外表面环绕有降温系统。测温成像系统的测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤1)光学镜头组对被测温物体表面的辐射信号进行收集、降噪、准直；2)将经过光学镜头组后的光信号分成至少三组信号；3)滤光片组将至少两组信号分别投射到同一 CXD或CMOS成像元件的至少两个相 邻区域，没有经过滤光片组过滤的光信号直接投射到同一 CXD或CMOS成像元件的另一区 域；4) CCD或CMOS成像元件将光谱信号转换为电信号，信号处理转换器将电信号转换
3为数字信号，并传输至信号处理器；5)信号处理器进行数据处理及温度场计算。进一步的，步骤2所述分成至少三组信号是采用分光棱镜及反射镜面组分成至少
三组信号。进一步的，所述至少三组信号的强度通过改变分光棱镜的分光比例来调整。进一步的，步骤3所述滤光片的波段中心分别位于800nm和lOOOnm。进一步的，步骤5所述温度场计算是将信号处理转换器送来的信号进行图像处 理，准确知道被测物体在至少两个影像区域内各个像素的对应点，从而利用多波段测温原 理对被测物体表面每一个点的温度进行计算；同时根据划定的物体表面某一点或某一区域 的温度场进行计算；根据给出的指定点的亮度阈值，利用该指定点周围像素的亮度梯度分 布对物体的边界进行自动侦测，并对被测物体表面的局部或全部进行温度计算，从而将物 体表面的二维温度分布显示在显示屏上，而未经滤光片过滤的光信号所得到的图像为一黑 白影像，该影像用于观测被测物体的表面，以记录被测物体表面的形状以及表面特征。本发明的有益效果是本发明基于对物体的热源辐射的非接触式的系统及方法， 可对多个信号进行比较从而侦测出物体的测温边界，利用多波段热源辐射温度算法以及系 统特性对被测物体表面温度进行计算，同时还可将被测物体表面的温度场进行二维表征。 本发明可以方便应用于各类中高温领域，单片CCD或CMOS的应用避免了多个成像元件带来 的同步差问题以及高成本等弊端，同时可以根据被测物体的表面性质选择特定波长来提高 测量的准确性，也可降低自然光反射对测量结果的影响。


图1是本发明系统的结构示意图。图2是本发明系统的另一种结构的示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明的系统沿光路包括以下组件1)光学镜头组包括凸透镜1和降噪光圈2，根据物体尺寸大小以及对图像放大倍 数的要求，凸透镜1的数量可以调整，图1表达的是2个凸透镜，光学镜头组对被测温物体 表面的辐射信号进行收集、降噪、准直；2)分光棱镜及反射镜面组包括分光棱镜3和平面反射镜4，将经过光学镜头组后 的光信号分成至少两组信号，图1和图2表达的是将光信号分成四组信号，其中图1表达的 是3个分光棱镜3和3个平面反射镜4，图2表达的是3个分光棱镜3和2个平面反射镜 4，各组信号强度可根据需要通过改变分光棱镜的分光比例来调整；3)滤光片组包括至少两组滤光片5，滤光片5的组数比经过分光棱镜3以及平 面反射镜4后的光信号的组数少一组，滤光片组可将至少两组图像分别投射到同一 CXD或 CMOS成像元件的至少两个相邻区域，图1和图2表达的是三组滤光片5。滤光片组的波段范 围涵盖从400nm到IlOOnm的可见光及近红外光谱波段，各组滤光片5的光谱波段范围是不 同的，波段宽度可窄可宽，可以部分重叠，这样才能在同一温度下产生不同的信号强度。如 果被测物体表面温度受自然光影响较大或者被测物体表面温度较低，可只使用三组信号，这样，两组滤光片5的波段中心分别位于SOOnm和IOOOnm的近红外滤光片可以过滤掉自然 光经被测物体表面反射而被收集到该系统的信号，如果本发明系统只采用这三组图像信号 来进行温度场计算，可以大大提高对被测物体表面真实温度的测量，在这种情况下本发明 系统只需要2个分光棱镜3、1个平面反射镜4和2组滤光片5即可；4)成像元件及信号处理转换器成像元件采用单色(黑白)C⑶或CMOS成像元件 6，其作用是将光谱信号转换为电信号，信号处理转换器7的作用是将电信号转换为数字信 号，并传输至信号处理器；5)信号处理器信号处理器可以是计算机，包括影像数据处理及温度场计算软 件，计算机将信号处理转换器7送来的信号进行图像处理，通过对整个系统的校准，可以准 确知道被测物体在至少两个影像区域内各个像素的对应点，从而利用多波段测温原理对被 测物体表面每一个点的温度进行计算；同时可以根据划定的物体表面某一点或某一区域 的温度场进行计算；还可根据给出的指定点的亮度阈值，利用该指定点周围像素的亮度梯 度分布对物体的边界进行自动侦测，并对被测物体表面所感兴趣的局部或全部进行温度计 算，从而将物体表面的二维温度分布显示在显示屏上，而未经滤光片过滤的光信号所得到 的图像为一黑白影像，该影像用于观测被测物体的表面，以记录被测物体表面的形状以及 表面特征。由于多数相机的像素信号强度对曝光时间的线性响应并不经过原点，本发明的 温度场计算软件的算法还包括对相机数码曝光时间的补偿，该补偿可以根据相机的校正特 点进行实现。温度计算过程根据CXD或CMOS成像元件、凸透镜和分光棱镜的光学特性，并基于黑体辐射的普 朗克定律，在最理想的情况下，CCD或CMOS成像元件上每一个像素的数字信号强度与被测 物体的温度的关系可以表达为方程式一0 = α 營·[引· f{g)·^·· 1 ελ^λψλ^λ ■ ~· dX
\d j
X Λe 7λ.Γ -1
式中Q =各像素的信号强度；
f =光学镜头特性(包含光圈直径及物距);
f(g) = CCD 或 CMOS 增益；At=曝光时间；
=C⑶或CMOS所接收到的被测物体辐射能量,
Λ 本发明系统进行校准和标定后，可以任选两个影像，即可得到如下的关联式
权利要求
测温成像系统，沿光路包括光学镜头组、分光棱镜及反射镜面组、成像元件、信号处理器，其特征在于在所述成像元件前还设置有滤光片组，所述滤光片组包括至少两组滤光片，所述滤光片的组数比经过分光棱镜及反射镜面组后的光信号的组数少一组，所述成像元件是单片单色CCD或CMOS成像元件。
2.如权利要求1所述的测温成像系统，其特征在于所述光学镜头组包括凸透镜和降 噪光圈，所述分光棱镜及反射镜面组包括分光棱镜和平面反射镜。
3.如权利要求1所述的测温成像系统，其特征在于所述滤光片组的波段范围涵盖从 400nm到IlOOnm的可见光及近红外光谱波段。
4.如权利要求1所述的测温成像系统，其特征在于所述分光棱镜及反射镜面组是2 个分光棱镜和1个平面反射镜，所述滤光片组是2组滤光片，所述滤光片的波段中心分别位 于 800nm 和 IOOOnm0
5.如权利要求1所述的测温成像系统，其特征在于在所述信号处理器前还设置有信 号处理转换器。
6.如权利要求1所述的测温成像系统，其特征在于还设置有外壳，在所述外壳的外表 面环绕有降温系统。
7.测温成像系统的测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤1)光学镜头组对被测温物体表面的辐射信号进行收集、降噪、准直；2)将经过光学镜头组后的光信号分成至少三组信号；3)滤光片组将至少两组信号分别投射到同一CXD或CMOS成像元件的至少两个相邻区 域，没有经过滤光片组过滤的光信号直接投射到同一 CXD或CMOS成像元件的另一区域；4)CCD或CMOS成像元件将光谱信号转换为电信号，信号处理转换器将电信号转换为数 字信号，并传输至信号处理器；5)信号处理器进行数据处理及温度场计算。
8.如权利要求7所述的测温成像系统的测量方法，其特征在于步骤2所述分成至少 三组信号是采用分光棱镜及反射镜面组分成至少三组信号，所述至少三组信号的强度通过 改变分光棱镜的分光比例来调整。
9.如权利要求7所述的测温成像系统的测量方法，其特征在于步骤3所述滤光片的 波段中心分别位于800nm和lOOOnm。
10.如权利要求7所述的测温成像系统的测量方法，其特征在于步骤5所述温度场计 算是将信号处理转换器送来的信号进行图像处理，准确知道被测物体在至少两个影像区 域内各个像素的对应点，从而利用多波段测温原理对被测物体表面每一个点的温度进行计 算；同时根据划定的物体表面某一点或某一区域的温度场进行计算；根据给出的指定点的 亮度阈值，利用该指定点周围像素的亮度梯度分布对物体的边界进行自动侦测，并对被测 物体表面的局部或全部进行温度计算，从而将物体表面的二维温度分布显示在显示屏上， 而未经滤光片过滤的光信号所得到的图像为一黑白影像，该影像用于观测被测物体的表 面，以记录被测物体表面的形状以及表面特征。
全文摘要
本发明提供了一种低成本的测温成像系统，避免了多个成像元件带来的同步差问题。测温成像系统，沿光路包括光学镜头组、分光棱镜及反射镜面组、成像元件、信号处理器，在所述成像元件前还设置有滤光片组，所述滤光片组包括至少两组滤光片，所述滤光片的组数比经过分光棱镜及反射镜面组后的光信号的组数少一组，所述成像元件是单片单色CCD或CMOS成像元件。本发明基于对物体的热源辐射的非接触式的系统及方法，可对多个信号进行比较从而侦测出物体的测温边界，利用多波段热源辐射温度算法以及系统特性对被测物体表面温度进行计算，同时还可将被测物体表面的温度场进行二维表征。本发明可以方便应用于各类中高温领域。
文档编号G01J5/00GK101943604SQ20101026121
公开日2011年1月12日 申请日期2010年8月24日 优先权日2009年9月30日
发明者卢家金 申请人:卢家金