【文章內容簡介】 測量波長從零到無窮大的整個光譜范圍內的輻射功率來確定物體的輻射溫度[9]。輻射溫度就是指當實際物體總的輻射功率(包括所有的波長)與絕對黑體總的輻射功率相等時，則黑體的溫度叫做實際物體的輻射溫度。目前尚無對全光譜波段輻射均勻相應的探測器，也沒有能透過全光譜波段的窗口或透鏡的紅外光學材料，因此，全輻射測溫只是一個理想化的概念。實際使用的全輻射測溫儀只是對較寬波段范圍的輻射進行的測量，所接收的輻射能量為總輻射能量的大部分值。根據(jù)斯蒂芬波耳茲曼定律 （11） 式中MT為絕對溫度為T時物體的光譜輻出度；為物體的光譜發(fā)射率；T為物體的絕對溫度；為波長；為第一輻射常數(shù)；為第二輻射常數(shù)；為物體表面的發(fā)射率；為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)[10]。由上式可以知道，物體表面的輻射功率不僅取決于物體的溫度T，還依賴于物體表面的發(fā)射率。由于不同物體的發(fā)射率差異很大，所以不能只通過測量輻射功率來單一地決定物體的溫度。全輻射測溫儀通常要通過黑體定標。設黑體溫度為，它所對應的輻射功率為 （12）在儀器定標和實測時，若兩者的接收功率相同，應有如下關系 (13)由此得 (14)其相對誤差為[11] (15)因為被測物體的發(fā)射率總小于1，所以全輻射測溫儀的指示溫度總低于物體的真實溫度。顯然，目標的發(fā)射率越接近于1，則測溫儀的指示溫度就越接近目標的真實溫度；反之，發(fā)射率越小，誤差就越大。單色測溫儀是通過測量目標發(fā)射的某一波長范圍內的輻射功率來確定目標亮溫的儀器[12]。所謂亮溫是指溫度為T的輻射體，如它在某一波長范圍內的輻射功率與溫度為的黑體在同一波長范圍內的輻射功率相等，則定義為該輻射體的亮溫。假如目標的光譜發(fā)射率已知，將普朗克公式在(+)內積分 （16）可知，測溫儀接受到的輻射功率只與溫度有關。若取為單位波長，在T時，式(16)將簡化為 （17）若用黑體標定，由亮溫的定義，這時，溫度為的黑體輻射能量應等于溫度為T的目標輻射能量。即 (18)于是得 （19）由式(19)可知，測試波長選的越短，由發(fā)射率引起的誤差就越小，所以單色測溫儀一般工作在短波區(qū)。但短波單色測溫儀的溫度覆蓋范圍窄，易受外界的干擾。而長波單色測溫儀雖然測量誤差偏大，但它有較寬的溫度覆蓋范圍，且對太陽、爐壁、火焰等高溫物體的雜散輻射引起的誤差不大敏感。此外，根據(jù)維恩位移定律可知[13]，隨著溫度的升高，輻射功率最大的波長向短波方向移動。因此，測量低溫目標宜選用長波波長，而測量高溫目標宜選用短波波長。比色測溫儀是根據(jù)兩個波段輻射能量的比值與物體溫度的函數(shù)關系來測定物體色溫的[14]。設實際物體的真實溫度為T，在波長和λ2處的光譜發(fā)射率為和，當該物體在這兩個波長處輻射功率之比與某一溫度為的黑體在這兩個波長處的輻射功率之比相等時，這個黑體的溫度就叫做該物體的有色溫度，簡稱色溫。比色測溫儀可在一定程度上消除因發(fā)射率不同而造成的誤差。只要發(fā)射率在這兩個波段內的變化是緩慢的，這兩個波段上的輻射能量的比值就主要決定于被測物體的表面溫度。而光學系統(tǒng)上的灰塵、視場局部被遮擋、測試空間有煙霧、灰塵和測距變化等等[15]，只要它們對這兩個波段的輻射功率的影響近于相同，這些因素對測量結果就無顯著影響[16]。同樣，元件的性能或電路放大倍數(shù)的變化對測量結果也無顯著影響。根據(jù)色溫的定義，假定有λ1~（λ1+△λ）和λ2~(λ2+△λ)兩個波長范圍，且△λ選為單位波長，λTξ2。利用黑體標定目標溫度，則由式(17)得出兩個波長輻射功率的比值為(110)經整理得 (111)由此可見，為了提高比色測溫的精度，關鍵是選擇合適的波長，使兩個波長處的發(fā)射率相近[17]。一般說來，λ1和λ2越接近，和相差就越小，測量誤差也就越小。而由式(110)亦知，若將λ1和λ2選擇在短波，且兩者相差較大，測量誤差也會減小。可見，這兩方面的要求是矛盾的。早在1966年，前蘇聯(lián)科學院冶金所的專家就提出：物體的光譜發(fā)射率可近似的認為是對于波長的多項式。即 （112）式中αi(T)是與溫度有關的多項式的系數(shù)。這也就是說，在一定的溫度和表面狀況下，物體的輻射發(fā)射率僅為波長的函數(shù)。通常情況下只取兩項就可以達到足夠的精度。目前出現(xiàn)的三波段、四波段、甚至八波段的多波段紅外測溫儀[18,19]。就是根據(jù)上述理論研制的。波段越多，測溫儀的結構就越復雜，另外太多的波段也會導致發(fā)射率方程組的病態(tài)程度加深。 發(fā)射率和環(huán)境因素對紅外測量儀的影響 發(fā)射率對紅外測量儀的影響發(fā)射率是指在相同的幾何條件和光譜條件下，實際物體與同溫度黑體的輻射能通量之比[20]。由于實際物體的發(fā)射能力都比同等溫度下黑體的輻射能力低，所以輻射發(fā)射率是個小于1的數(shù)值[21]。因而用公式(13)、式(18)和式(110)定標的全輻射測溫儀、單色測溫儀以及比色測溫儀，其指示溫度都不是被測物體的真實溫度[22]。都存在一定的誤差，且誤差大小與材料的發(fā)射率有關。由式(15)、式(19)和式(111)可計算出在T=1000℃時，發(fā)射率對測溫儀示值誤差(△T)的影響。見表11。表11材料發(fā)射率對三種紅外測溫儀的示值影響 (℃)Table 11 The effect of some material on three kind of infrared reading材料單色測溫儀比色測溫儀全輻射測溫儀1全波段SiC9513820414916石墨145188142726911WC381 381651010147269021從表11看出，物體發(fā)射率對紅外測溫儀的測量精度有很大的影響[24]。作為表征材料表面輻射特性的一個物理量，發(fā)射率的大小與材料的表面溫度、輻射波長、發(fā)射角度、偏振方向有關。這種依賴關系很容易受表面狀況——包括表面粗糙度、氧化層的厚度、物理或化學雜質等的影響。這種復雜的參數(shù)要準確的測量是非常困難的[25]。菲涅爾定律揭示出材料的熱輻射是偏振的，并取決于發(fā)射角和折射率，據(jù)此，法國MCC公司研制出通過測量3次偏振光亮度，求出材料的發(fā)射率和真實溫度的T400型測溫儀，從而在原理上解決了發(fā)射率的影響。但儀表結構復雜，成本高，且只能在固定距離和方向上測量，很難在工業(yè)上得以實用[26]。環(huán)境因素對紅外測溫儀的影響主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一方面，自紅外源發(fā)出的輻射，大都要經過一定距離傳輸才能被紅外探測器接收。而大氣中的多原子氣體分子，例如H2O、COOCHN2O、CO等，對紅外輻射具有強烈的吸收作用。非干燥大氣中吸收紅外線最強烈的是水蒸氣和二氧化碳。，、、。，～、、[27,28]。這些氣體分子除吸收紅外線外，還將散射紅外線。由于大氣的吸收和散射，使紅外輻射發(fā)生衰減，嚴重時，可以使紅外儀器無法工作。另一方面，由于外界輻射源的存在，尤其是附近熱輻射體的存在，使測溫鏡頭實際接收到的輻射能量大于目標投入鏡頭的能量，由此產生的測量誤差也十分明顯[29]。表12提供感受波長范圍為[9μm,12μm]的測溫鏡頭，環(huán)境溫度在270 K至330 K范圍內，對從300 K至1 300 K目標溫度進行測量時產生的能量誤差(%)。從表12中可以看出，當目標溫度越低，環(huán)境溫度越高時，能量誤差就越大。因而紅外測溫儀的測量誤差就越大。表12 能量誤差隨環(huán)境溫度與目標溫度的變化關系 (%)Table 12 The variational relationship of energy error with environment and object temperature 環(huán)境目標270k280k290k300k310k320k330k300k500k700k900k1100k1300k盡管紅外測溫儀早已在工業(yè)領域廣泛應用，但由于醫(yī)用紅外測溫儀的特殊要求，,用來測量人體鼓膜的溫度[30]。雖然熱電堆所做的儀器在響應速度、精度等方面都能達到較高的要求，但它有很大的局限性，如信號強度小，非線性，電損耗大，儀器重，成本高。由于熱釋電探測器具有響應速度快、光譜響應寬、工作頻率寬、靈敏度與波長無關等優(yōu)點，1989年以來，熱釋電耳道式測溫儀已成功的用于體溫測量，1991年以后該產品已遍及歐美市場[31]。我國在這方面的起步較晚。2003年，由中科院物理研究所王樹鐸教授研制的“非接觸、口腔式紅外線電子體溫儀”才獲得專利授權。在此之前，完全不與人體接觸、又滿足醫(yī)療測量精度的要求的體溫計，還沒有面世。即使是上述兩種體溫測量儀，由于其自身的特點，也不適合對大流量人群的快速檢測。耳道式體溫測量儀在測量的時候需將探頭插進人的耳道內[32]，而“非接觸、口腔式紅外線電子體溫儀”在測溫時需對準人的口腔，且其遠距離測溫易受外界環(huán)境溫度的影響，導致測量精度的下降。正是由于上述兩種紅外體溫測量儀的這些特點，制約了它們在公共場合的應用?！妗?精度要求為177?！?。但目前使用的紅外測溫儀即使其精確度指標為1%，也遠遠達不到測量體溫的精度要求。根據(jù)昆明物理研究所實測過幾百臺、套各種類型國內外生產的測溫儀得出的數(shù)據(jù)，測量精度最好的僅為2%，差的竟有10%的偏差！同時，℃℃之間時，外界環(huán)境溫度與被測目標的溫度很接近，外界環(huán)境溫度對紅外測溫儀的精度影響就十分顯著。提高醫(yī)用紅外測溫儀的測量精度，必然要考慮外界環(huán)境溫度對它的影響。非典疫情過后，人們越來越注重公共衛(wèi)生安全。非接觸、高精度醫(yī)用紅外測溫儀的研究，對于在公共場合、大流量人群的快速檢測具有重要的意義。它不僅具有巨大的商業(yè)價值，而且具有重大的社會價值。本課題為自選課題。研究的主要內容是設計一種能滿足醫(yī)用要求的紅外測溫儀。為了提高紅外測溫儀的精度，課題中對外界環(huán)境溫度采取了軟件補償?shù)姆椒?。?章光學系統(tǒng)和光電轉換紅外測溫儀光學系統(tǒng)的作用是重新改善光束的分布，更有效地利用光能。紅外光學系統(tǒng)的使用可大大提高靈敏面上的照度，從而提高儀器的信噪比，增大系統(tǒng)的探測能力。與其它光學儀器相比，紅外測溫儀的光學系統(tǒng)具有下面幾個特點：第一、測溫儀光學系統(tǒng)的作用是會聚能量，它的后續(xù)部件是光電轉換器，所以它所成的像必須是實像。第二、理論上，測溫儀的測量距離為0∞。但一般的紅外測溫儀的測量距離并不太遠，尤其是在工業(yè)應用場合。輻射傳遞通路上的介質吸收和固體遮擋物等因素將直接影響測溫的精確度。通常，測溫儀的最近測量距離為20 cm，最遠測量距離為20 m左右，所以不能將目標光源看成平行光。第三、在含透鏡的光學系統(tǒng)中，由于透鏡材料對不同波長的光有不同的折射率，使成像平面的位置不同。因而，無論是單波段、雙波段或多波段紅外測溫儀的光學系統(tǒng)設計，都要按預先確定的工作波段進行設計[33]。常用的紅外光學系統(tǒng)有三種結構形式，即透射式光學系統(tǒng)（輻射束通過其中的折射介質）；反射式光學系統(tǒng)（輻射束受到其中一個或幾個反射鏡的反射）；組合式光學系統(tǒng)（由透射式和反射式系統(tǒng)組合而成）。透射式紅外光學系統(tǒng)也稱折射式紅外光學系統(tǒng)，它一般由一個透鏡或組合透鏡構成。透射式光學系統(tǒng)有如下兩種結構：(1)單透鏡如圖21所示。這種系統(tǒng)結構簡單，加工方便，在成像質量要求不高、通光口徑較小的場合使用。(2)組合透鏡組合系統(tǒng)由若干個單透鏡組成，如圖22所示。這種系統(tǒng)能很好的消除像差，可獲得較好像質，但總透過率低。由于紅外波段的范圍較寬，能滿足各種物理上、化學上、機械上性能要求的紅外透光材料不多。同時透射式光學系統(tǒng)色差很大，消除色差的透鏡不易設計制造。為了減小色差，常采用反射式光學系統(tǒng)。典型的反射系統(tǒng)有：(1) 牛頓系統(tǒng) 牛頓系統(tǒng)的主鏡是拋物鏡，次鏡是平面，如圖23所示。這種系統(tǒng)結構簡單，易于加工。但擋光大，鏡筒長，因而重量也大。(2) 卡塞格倫系統(tǒng) 卡塞格倫系統(tǒng)的主鏡是拋物面，次鏡是雙曲面如圖24所示。這種系統(tǒng)較牛頓系統(tǒng)擋光少，像質好，結構尺寸小，但曲面加工較困難。(3)格利高利系統(tǒng) 該系統(tǒng)的主鏡是拋物面，次鏡是橢球面。這種系統(tǒng)的加工難度介于牛頓系統(tǒng)與卡塞格倫系統(tǒng)之間，且所成的像是正像。與透射式光學系統(tǒng)相比，反射式光學系統(tǒng)具有材料要求不高、重量輕、成本低、光能損失小、不存在色差，且能有效減小系統(tǒng)慧差等優(yōu)點。但其中心擋光，有較大的軸外像差，難于滿足大視場和大孔徑成像的要求。－透射組合式光學系統(tǒng)無論透鏡式光學系統(tǒng)還是反射式光學系統(tǒng)都存在多種像差，如球差、慧差、像散、畸變、像面彎曲和色差等。像差的大小依賴于光學系統(tǒng)的相對孔徑、光束相對于光軸的傾斜角度和制作光學系統(tǒng)的材料等。此外，像差也依賴于透鏡的曲率半徑、厚度，以及透鏡間的空氣間隙。反射－透射式光學系統(tǒng)可以結合反射式和透射式系統(tǒng)的優(yōu)點，采用球面鏡取代非球面鏡，同時用補償透鏡來校正球面反射鏡的像差，從而可獲得較好的像質。但這種系統(tǒng)往往體積大，加工困難，成本也較高。典型的組合式反射－透射系統(tǒng) 系統(tǒng)以下三種：（1）施米特系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的主鏡是球面反射鏡，其前面安裝有一塊校正板，如圖25所示。根據(jù)校正板厚度的變化來校正球面鏡的像差。(2)曼金折射－反射鏡這種系統(tǒng)由一個球面反射鏡和一個與它相貼的彎月形折射透鏡組成，如圖26所示。它所采用的透鏡是負透鏡，用以校正球差，但色差較大，故常將此透鏡做成膠合消色差透鏡。由于曼金折射－反射鏡都由球面組成，因而造價低廉，加工和安裝較容易。(3) 馬克蘇托夫系統(tǒng) 該系統(tǒng)的主鏡為球面鏡，與曼金折射－反射鏡相似，仍采用負透鏡校正球面鏡的球差，但讓負透鏡與球面鏡分離，利用形狀與位置兩個自由度，可以消去更多的像差，其像質必然比曼金折射－反射鏡有更大的改進[34,35]。對測量特定目標的紅外測溫儀的光學系統(tǒng)設計，首先考慮的是工作波段。因工作波段取決于被測目標的發(fā)射特性和輻射傳遞通路中介質的特性，這兩者是無法改變的。工作波段是影響光學設計和光電轉換的首要因素。~15μm之間，其中8~14μm波段輻射能占人體總輻射能的46%。同時大氣對8~14μm之間的紅外線透過率較高，吸收相對較少。因而確定測溫儀的工作波段在8~14μm之間。綜合考慮各種紅外光學系統(tǒng)的特點和課題的實際，在課題中選擇使用了透射式紅外光學系統(tǒng)。同時為了減小光學系統(tǒng)的光能損失，選擇了鍺單透鏡作為物鏡。透鏡的成像公式雖然簡單，但與透鏡的結構和材料有關，具有一定程度的不嚴格性。在圖27中，設從空氣中（近似真空）距透鏡為u的點O發(fā)出的一條光線射向透鏡，由于透鏡的折射作用，經A、B兩點后，成像在I點上。I點至透鏡的距離為v。C1A和C2B分別為透鏡的曲率半徑r1和r2。角度θθββ2分別為此條光線進入透鏡和從透鏡射出時的入射角和折射角。yy2分別為A點、B點至光軸的距離。由折射定律可得 (21)式中n為透鏡材料對空氣的折射率。假定角度θθββ2都很小，則它們的正弦值可表示成它們的弧度值。同時假定透鏡非常薄，則A點B點至光軸的距離可認為是相等的，且等于它們所對應的弧長，另外，由于透鏡的厚度非常薄，故它們的厚度不影響u和v的值。由此可得 (22)令 焦則式中f焦為透鏡的焦距。式(23)和式(24)即為常用的透鏡成像公式。 有幾個原因影響透鏡成像公式的準確性，這些因素是：(1)薄透鏡前面推導透鏡成像公式時，假定透鏡非常的薄。當透鏡的厚度不能認為非常薄時，就不能保證透鏡成像公式的精確性。即使是雙凸的對稱透鏡，也不能太厚。(2)近軸光因為近軸光可以使入射角與折射角(θθββ2)減小，是保證透鏡成像公式精確的重要因素，因此，應盡量使用近軸光。(3)球差由于透鏡的形狀為球面，這造成了非近軸光的成像面不能重合，這種誤差就是通常所說的球差。除非透鏡設計成非球面或組合透鏡，否則球差總是存在的。另外，像散和畸變也都和球差有關。減小球差的有效方法是加入孔徑光闌，遮住非近軸光的進入，保證θθββ2足夠小。(4)色差構成透鏡的材料對不同波長的折射率不同所造成的像差稱為色差。色差現(xiàn)象是客觀存在的。因此，只能在光學系統(tǒng)的結構排列上采取措施，將探測器放在測量波段的像平面上，不放在可見光的像平面上?；蛟诠饴酚嬎銜r做某些修正。鑒于上述幾個方面的原因，選擇直徑為20 mm，焦距為40 mm的鍺透鏡作為物鏡，以便透過9~10μm的人體紅外輻射。 mm的紅外探測器放在透鏡的焦點處。孔徑光闌安裝在焦距前方10 mm處，以消除雜散光的影響。由下面的公式可計算出D孔徑約等于5 mm。在上式中Φ是透鏡的通光孔徑，v是像距，約等于40 mm，a是孔徑光闌到探測器的距離。再加上紅外濾光片和步進電機驅動的調制盤，整個光學系統(tǒng)和光電轉換部分的結構如圖28所示。紅外探測器是紅外測溫儀的重要組成部分，它的主要功能是測定紅外輻射的大小并將其轉變?yōu)槠渌问降哪芰浚ǘ鄶?shù)情況是轉變?yōu)殡娔埽┮?