Пирометр с подавлением рассеянного света

Предлагаемая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к устройствам для бесконтактного измерения температуры (пирометрам).

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является уменьшение влияния теплового фона, обусловленного излучением большей части элементов оптической системы (в том числе и отражающих секторов модулятора), обеспечение высокого температурного разрешения (при низких температурах измеряемого объекта относительно окружающей среды) при сохранении таких ее преимуществ, как простота и малые габариты.

Технический результат достигается тем, что в пирометре, содержащем входной объектив, модулятор с чередующимися отражающими и прозрачными секторами, оптическую систему и приемник излучения с охладителем, отражающие сектора модулятора выполнены в виде нанесенного на пластину многослойного интерференционного покрытия

Выполнение отражающих секторов модулятора в виде многослойного интерференционного покрытия обеспечивает высокое (до 100%) отражение излучения в апертурном угле оптической схемы и имеет низкое (до единиц процентов) отражение за пределами апертурного угла.

Предлагаемая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к устройствам для бесконтактного измерения температуры (пирометрам).

Существенной проблемой, возникающей при создании пирометрической аппаратуры, особенно низкого температурного диапазона, является борьба с помехами, связанными, в первую очередь, с собственным тепловым излучением конструктивных элементов оптических систем. Существуют различные подходы к уменьшению данных помех. Известны образцы ИК-аппаратуры, использующие классические зеркальные схемы, в которых уменьшение световых помех, связанных с тепловым излучением элементов конструкции, достигается охлаждением всей оптической системы до низких температур (например, астрономическая ИК-аппаратура европейского спутника IRAS, использовавшая оптическую систему Кассегрена, охлажденную до криогенных температур).

Охлаждение всей оптической системы до низкой температуры и ее термостатирование при этой температуре требует наличия громоздкой и энергоемкой криогенной системы. Кроме этого, при глубоком охлаждении оптической системы возникают проблемы с сохранением оптического качества из-за неизбежных температурных деформаций.

Известно устройство измерения температуры объекта (см. патент 2220430, опубл. 27.12.2003 г.), где подавление влияния теплового фона осуществляется расположением части оптической схемы (от апертурной диафрагмы до фотоприемника) в охлаждаемой светозащитной трубке. Однако и здесь габариты охлаждающего устройства остаются достаточно большими, а светозащитная трубка требует дополнительной энергии охлаждения.

Известно наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому устройство для бесконтактного контроля температуры (пирометр), содержащее входной объектив, модулятор с чередующимися отражающими и прозрачными секторами, оптическую систему и приемник излучения с охладителем, в котором значительно снижены и габариты системы охлаждения (см. патент РФ 45698, опубл. 27.12.2005 г.). Устройство использует одноканальную схему с промежуточным изображением, где установлен модулятор с отражающими в сторону приемника (зеркальными) секторами. В момент времени, когда ход пучка лучей пересекает зеркальный сектор модулятора приемник излучения «видит» сам себя, а поскольку он охлаждается, то влияние теплового излучения окружающей среды минимизируется.

Однако указанное устройство не решает задачу подавления рассеянного фона, получаемого от микронеоднородностей зеркальных лопастей модулятора, величина которого вносит существенные погрешности при измерении объектов, сравнимых по температуре с окружающей средой и, особенно, ниже.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является уменьшение влияния теплового фона, обусловленного излучением большей части элементов оптической системы (в том числе и отражающих секторов модулятора), обеспечение высокого температурного разрешения (при низких температурах измеряемого объекта относительно окружающей среды) при сохранении таких ее преимуществ, как простота и малые габариты.

Технический результат достигается тем, что в пирометре, содержащем входной объектив, модулятор с чередующимися отражающими и прозрачными секторами, оптическую систему и приемник излучения с охладителем, отражающие сектора модулятора выполнены в виде нанесенного на пластину многослойного интерференционного покрытия

Выполнение отражающих секторов модулятора в виде многослойного интерференционного покрытия обеспечивает высокое (до 100%) отражение излучения в апертурном угле оптической схемы и имеет низкое (до единиц процентов) отражение за пределами апертурного угла.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема пирометрического устройства, на фиг.2 приведена спектральная зависимость коэффициента отражения для одного из вариантов интерференционного покрытия отражающего сектора.

Пирометр, определяющий температуру объекта измерения 1, содержит входной объектив 2, модулятор 3 с двигателем 7, оптическую систему 4, приемник излучения 5 с охладителем 6. Отражающие сектора модулятора 3, обращенные в сторону приемника 5, выполнены в виде нанесенного на пластину многослойного интерференционного покрытия, обеспечивающее высокий (до 100%) коэффициент отражения излучения в угле поля зрения приемника, и имеющее низкое (до единиц процентов) отражение за пределами этого угла.

Приемник излучения 5 может быть выполнен на основе материала CdHgTe и снабжен термоэлектрическим охладителем 12 и диафрагмой, ограничивающей поле зрения приемника излучения до угла 2, равного угловой апертуре светового пучка входящего в оптическую систему 4 и входной объектив 2.

Устройство работает следующим образом. Излучение от объекта измерения 1 фокусируется объективом 2 в плоскость модулятора 3. Диск модулятора выполнен в виде пластины с прозрачными и отражающими секторами, обеспечивающими прерывание излучения от объекта, а его обращенная к приемнику излучения поверхность - отражающая. После модулятора излучение от объекта оптической системой 4 проецируется на чувствительную площадку приемника 5. Таким образом, на приемник в течение одного полупериода попадает излучение от объекта, а в течение следующего - приемник как бы "видит" сам себя. В первом случае на выходе приемника образуется сигнал, пропорциональный потоку излучения от объекта, а во втором - шум, пропорциональный температуре приемника излучения.

Отражающий сектор выполнен в виде многослойного интерференционного покрытия, нанесенного на сапфировую подложку, и состоящего из ряда четвертьволновых по толщине чередующихся слоев с высоким (В) и низким (Н) показателями преломления. На фиг.2 приведена спектральная зависимость коэффициента отражения для варианта покрытия отражающего сектора, изготовленного из 15-ти слойного покрытия, состоящих из четвертьволновых слоев германия - Ge (коэффициент преломления n=4,0) и двуокиси кремния - SiO₂ (коэффициент преломления n=1,45). Там же для сравнения приведены относительная характеристика спектральной чувствительности приемника излучения и спектральная плотность излучения объекта с температурой Т=273 К в относительных единицах.

При падении лучей под углом центральная длина волны смещается к коротким длинам волн. Приближенное значение сдвига от центральной длины волны для угла определяется по формуле (Волф У., Смит У., Лего Р. Справочник по инфракрасной технике. / Ред. Волф У., Цисис Г. В 4-х томах./ Т.2. Проектирование оптических систем: Пер. с англ. - М.: Мир, 1998. - c.l04):

где - центральная длина волны при угле падения , ₀ - центральная волна при нормальном падении, n - эффективный коэффициент преломления фильтра, - угол падения.

Составим таблицу 1 для длин волн, рассчитанных для угла =90° по формуле (1) и соответствующих значений спектральной плотности излучения R.

Таблица 1
0, мкм	R0, Вт·см-2мкм (для Тос =300 К)	R0/R (для Тос=300 К)	R(0), Вт·см-2мкм (для Тос =243 К)	R0/R (для Тос=243 К)
4	2,27·10 -4	12,9	1,36·10 -5	32,9
, мкм (для n=1,5)	R, Вт·см-2мкм (для Т=300 К)	R(), Вт·см-2мкм (для Т=243 К)
2,98	1,76·10-5	4,13·10-7

Видно, что, например, для эффективного коэффициента преломления n=1,5 величина сдвига центральной длины волны от нормального падения достигает 25%. При этом спектральная плотность излучения, зеркально отраженного от модулятора на приемник, уменьшается более, чем на порядок для температуры окружающей среды Т _ос=300 К и почти в 33 раза для Т_ос=243 К.

Таким образом, по сравнению с прототипом в предложенном пирометре обеспечивается высокое подавление излучения фона, в том числе рассеянного на неоднородностях модулятора, а, следовательно, высокое температурное разрешение (при низких температурах измеряемого объекта относительно окружающей среды) при сохранении таких его преимуществ, как простота и малые габариты.

Пирометр, содержащий входной объектив, модулятор с чередующимися отражающими и прозрачными секторами, оптическую систему и приемник излучения с охладителем, отличающийся тем, что отражающие сектора модулятора выполнены в виде нанесенного на пластину многослойного интерференционного покрытия.