使用衰减滤光片扩大CCD测温范围的研究

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1、http://www.paper.edu.cn使用衰减滤光片扩大CCD测温范围的研究孙元，彭小奇（中南大学物理科学与技术学院，湖南长沙，410083）摘要：彩色CCD（电荷耦合器件）应用于辐射测温时对其动态响应范围有着非常苛刻的要求。由于CCD图像传感器的动态响应范围较窄，单独利用CCD测温时，测温范围难以达到高温检测的应用要求。为此，有学者提出利用中性衰减滤光片来扩大测温范围。通过分析CCD光电转换特性及曝光量与温度的关系，指出使用衰减滤光片虽然可以扩大测温范围，但是其效果有限，仍难以满足高温测量的应用要求，实验结果证明了结论的正确性。关键词：辐射测量；彩色CCD；衰减滤光片中图

2、分类号:TP212文献标识码：A1引言基于CCD图像传感器的非接触高温温度场测量方法是综合运用现代光电检测技术、数字图像处理技术和热辐射理论的一种新型辐射测温方法，具有非接触测温的优点和其它一系[1~2]列独特优点。由CCD的光谱响应特性和光电转换特性可知，彩色CCD的RGB输出值反映了被测对象表面辐射光的亮度信息，而物体的辐射光亮度与物体温度有着特定的关系，[3~4]因此可由CCD输出的热辐射图像信息计算出辐射体的表面温度场。高温测量通常要求较宽的测温范围，但是由于CCD图像传感器的非饱和区宽度较窄，单独利用CCD测温时，测温范围难以达到高温检测的应用要求。文献[5~6]提出在C

3、CD摄像头前加中性衰减滤光片来防止CCD出现饱和失真，以此扩大CCD的测温范围。通过分析CCD光电转换特性及曝光量与温度的关系，指出使用衰减滤光片虽然可以扩大测温范围，但是其效果有限，仍难以满足高温测量的应用要求，实验结果证明了结论的正确性。2CCD比色测温原理彩色CCD依靠设置在面阵光电元件靶面间的3种滤色点阵，将入射的可见光分解为[7]RGB三种基色，三基色通道的输出信号分别为：780⎧R()TA=∫L(,λT)r(λλ)d⎪380⎪780⎨GT()=A∫L(,λT)g(λ)dλ（1）380⎪780⎪B()TA=∫L(,λT)b(λλ)d⎩380212⎡⎤aA=⎢⎥τµt（2）

4、4⎣⎦f式中a为镜头的出射光瞳半径；f为像方焦距；τ为CCD的光电转换系数；µ为镜头的透光率，由于CCD的镜头对各个波长光波的透过率近似相等，因此可以将µ近似看作常数；t为曝光时间；L(λ,T)是温度为T的辐射体在辐射波长λ下的单色辐射亮度；r(λ)，g(λ)，b(λ)分别为CCD三基色通道的光谱响应特性函数。设CCD的光谱响应特性为理想冲激响应，则：基金项目：国家自然科学基金项目（50374079）；国家博士点基金项目（20030533008）1http://www.paper.edu.cn⎧R()TA==r()λλRRL(,T)KRL(T)⎪⎨GT()=Ag()λλGGL(,T

5、)=KGL(T)（3）⎪⎩B()TA==b()λλBBL(,T)KBL(T)[8]式中λR、λG、λB分别取值700nm，546.1nm、435.8nm。假设待测辐射体为灰体，将式（3）中的R、G代入比色测温公式可以得到CCD比色测[9]温公式：11C()−2λλGRT=（4）RKλRGln−−ln5lnGKλGR3CCD输出信号的特点CCD输出信号中红基色分量的值所占比例很大，绿基色次之，蓝基色所占比例很小。这是因为：3.1辐射体单色辐射亮度不同在温度T<3000K和波长λ<0.8µm的范围内，绝对黑体的单色辐射亮度可用维恩公式表[10]示：0CC1−5⎛2⎞LT(,λλ)=ex

6、p⎜−⎟（5）πλ⎝⎠T21−6式中C1和C2分别为第一与第二辐射系数，Ch1=2πc=×3.741810W⋅m，−2Ch==ck1.4388×10m⋅K。2将λR、λG、λB分别代入式（5）可以得到绝对黑体RGB三基色单色辐射亮度与温度的函数：⎧≈×14⋅−×4⋅−1LTr()7.110exp(2.110T)⎪⎪154−1⎨LTg()≈×2.410⋅exp(−2.6×10⋅T)（6）⎪154−1⎪⎩LTb()≈×7.610⋅exp()3.3×10⋅T图1是绝对黑体在800～1400℃内RGB三基色单色辐射亮度与温度的函数曲线。从图中可以看出，黑体辐射红色光亮度远远大于绿色光和蓝色

7、光；而且随着温度的增高，红色辐射亮度随温度增加而增大的速度也远大于绿色和蓝色光。高温辐射体的单色辐射亮度也具有相同的特性。因此，高温辐射体的辐射光中红色光所占比例最大，绿、蓝色光所占比例较小。2http://www.paper.edu.cn图1绝对黑体RGB三基色单色辐射亮度与温度的函数曲线3.2CCD摄像机的灵敏度CCD对于RGB三基色的灵敏度并不相同，在蓝色光谱范围内的响应很低，对于红光的[11]灵敏度要比对蓝光的灵敏度高很多。因此，对于相同亮度的红色和蓝色辐射光