Пристрій для оптичного спостереження й спосіб спостереження за об’єктами з високою температурою

Цей винахід стосується, загалом, способів і пристроїв для оптичного спостереження за високотемпературними об'єктами, включаючи об'єкти зі значним власним випромінюванням. У ряді галузей промисловості робітники досі здійснюють візуальний контроль незахищеними очима за високотемпературними об'єктами, що світяться. Однак безпосереднє опромінення інфрачервоним (ІЧ) промінням може призвести до фізичних травм у робітників. Відповідно, іноді використовують світлозахисні засоби, які послаблюють це проміння, забезпечуючи тим самим певний захист від дії інфрачервоного проміння. Проте використання світлозахисних засобів часто обмежує рухливість робітників. Наприклад, носіння світлозахисних засобів може обмежити їхню здатність фізично взаємодіяти з іншими об'єктами, які не світяться, такими як інструменти, органи керування тощо. Для спостереження і/або контролю за високотемпературними об'єктами також використовуються звичайні оптичні контрольні пристрої. Наприклад, в так званому "пасивному методі" для приймання проміння, обумовленого власним випромінюванням високотемпературних об'єктів, використовується приймач сигналів в поєднанні чи то з ЕПТ (електронно-променевими трубками), чи то з камерами на пристроях із зарядовим зв'язком (ПЗЗ), чи то з ІЧ-камерами. Цей підхід аналогічний використанню людського зору, де зазначені приймачі сигналів фактично функціонують як "очі". Проте цей пасивний метод зазнає впливу явища, відомого як "ефект резонаторного випромінювача". Ефект резонаторного випромінювача, постульований Планком в 1900р. і доведений Ейнштейном на початку двадцятого сторіччя, може вводити візуальних спостерігачів в оману щодо істинної природи об'єкта, який спостерігається. А саме, відповідно до цього принципу, увігн уті фрагменти поверхні випромінюючого об'єкта виглядають майже як абсолютно чорні тіла; відповідно, їх можна помилково прийняти за опуклі фрагменти. Крім того, самим об'єктом випромінюється "світло", яке часто несе небажану інформацію. Зображення, отримані за допомогою такого пасивного методу, звичайно є непридатними для застосування в автоматичних системах візуального спостереження. Інший відомий з рівня техніки спосіб, так званий "активний метод", використовує зовнішні джерела світла, які опромінюють високотемпературний об'єкт. Для збирання відбитого проміння, а також проміння, обумовленого власним випромінюванням високотемпературних поверхонь, використовується камера. Ідея цього активного методу полягає в тому, щоб за допомогою дуже сильного зовнішнього випромінювання перевищити за потужністю власне випромінювання. Іншими словами, відбите проміння є у тому ж спектрі, що й превалююче проміння, обумовлене власним випромінюванням, але воно є відрізненним за інтенсивністю. Ці зовнішні джерела випромінювання можуть бути виконані з можливістю висвічувати цікавлячу інформацію про поверхню, таку як контур і заглибини у поверхні. Таке зовнішнє проміння може забезпечуватися різними світловипромінювальними пристроями, такими як лампи високої потужності або лазери. Однак із цим активним методом пов'язано кілька проблем. По-перше, існує небагато джерел світла, здатних перевищити за потужністю випромінювання об'єкта, що має температур у 1350°С. По-друге, власне випромінювання все ж створює незручності: воно погіршує якість сигналу у відбитому промінні. Відношення сигнал/шум (проміння зовнішнього випромінювання/проміння власного випромінювання) звичайно є низьким, якщо тільки не використовується дуже потужне джерело світла. По-третє, такі зовнішні джерела світла можуть бути небажаними в робочих приміщеннях, через їх велику потужність. Для перевищення за потужністю власного випромінювання високотемпературних об'єктів як джерело світла використовуються також лазери. Лазери здатні забезпечувати потужність надзвичайно великої густини, яке пригнічує значущість власного випромінювання. Наприклад, для того щоб перевищити за потужністю власне випромінювання зварювальної ванни при зварюванні лазером (температура приблизно 3000°С), яка типово випромінює в спектрі від 230нм до далекого ІЧ-діапазону, використовується мідний лазер (який випромінює з довжиною хвилі 550нм). В іншому відому з рівня те хніки рішенні при дуговому зварюванні (температура приблизно 2500°С), типовий спектр випромінювання — від 275нм до далекого ІЧ-діапазону, використовуються АІГ-лазери (1060нм). Однак з використанням лазерів пов'язані істотні проблеми. Хоч лазери забезпечують високу густину енергії, ділянки, які опромінюються лазерними променями, є малими. Отже, при використанні лазерів як джерел випромінювання звичайно має здійснюватись растрове сканування. Крім того, ці потужні лазери дорогі, громіздкі, а їх застосування пов'язане з різними небезпеками. І, для того щоб працювати з системою, що використовує лазер, користувачі мають бути захищені світлозахисними засобами та іншими захисними засобами. Використання інфрачервоних (ІЧ) датчиків або ІЧ-камер у системі технічного зору, побудованій на застосуванні пасивного методу, також обмежується рядом факторів. По-перше, ІЧ-датчики/камери забезпечують значно меншу піксельну роздільну здатність, ніж їх аналоги на пристроях із ПЗЗ. По-друге, через його довжину хвилі інфрачервоне випромінювання не можна сфокусувати так само добре, як видиме світло. По-третє, використання ІЧ-датчиків/камер не вирішує описаних раніше проблем, пов'язаних з опроміненням або ефектом резонаторного випромінювача. Робилися також спроби поєднувати пасивний і активний методи, проте цей підхід не вирішує проблем, обумовлених ефектом резонаторного випромінювача і власним випромінюванням. У минулому розв'язання проблем, пов'язаних з свіченням високотемпературних об'єктів, було зосереджено на відмінності між інфрачервоним промінням і видимим світлом. Цей підхід як такий представляється хибним, оскільки високотемпературний об'єкт може випромінювати як у інфрачервоному, так і у видимому спектрі. Наприклад, при температурі 1200°С сталь випромінює з довжиною хвилі 650нм; тобто сталь може випромінювати як червоним світлом, так і в інфрачервоній області спектра. Крім того, якщо із прийнятого сигналу не видалити власне випромінювання, завади, обумовлені цим власним випромінюванням, погіршують здатність системи одержувати докладну і точну інформацію про даний високотемпературний об'єкт. З рівня техніки невідомий ефективний засіб для видалення власного випромінювання з прийнятого сигналу від високотемпературного об'єкта. Нарешті, як вважається, жоден із пристроїв, відомих з рівня техніки, не є портативним. Цей факт обмежує корисність таких пристроїв для певних задач. Портативний пристрій був би бажаний для користувачів, яким необхідно дивитися на високотемпературні об'єкти, але яким не треба здійснювати кількісні вимірювання. Зовнішні джерела світла, які використовуються у відомих пристроях, є дуже потужними і/або важкими для того, щоб бути небезпечними і портативними. Підсумовуючи, підходи, що використовувалися до сьогодні, мають обмежену цінність. Цей винахід долає зазначені проблеми. Згідно з одним аспектом цього винаходу пропонується оптична система для визначення характеристик поверхні високотемпературного об'єкта. Ця оптична система включає в себе джерело випромінювання, яке спрямовує електромагнітне проміння на високотемпературний об'єкт (прикладене ЕМП). Це прикладене електромагнітне проміння "ударяє" у високотемпературний об'єкт і відбивається в напрямі детектора електромагнітного проміння, разом із електромагнітним промінням, обумовленим власним випромінюванням цього об'єкта, і електромагнітним промінням, обумовленим всім зовнішнім (фоновим) випромінюванням. Щонайменше одна складова цього відбитого прикладеного електромагнітного проміння (яке взаємодіє з поверхнею високотемпературного об'єкта) селективно приймається зазначеним детектором електромагнітного проміння. Згідно з одним аспектом цього винаходу це селективно ідентифіковне відбите електромагнітне проміння включає в себе електромагнітне проміння з довжиною хвилі, яка визначається виходячи з температури даного об'єкта; іншими словами, виходячи з довжини хвилі, воно є відрізненним від превалюючого електромагнітного проміння, обумовленого власним випромінюванням, і електромагнітного проміння, обумовленого фоновим випромінюванням. Таким чином, приймання зазначеного відбитого електромагнітного проміння дозволяє одержати зображення високотемпературного об'єкта, яке буде моделлю поверхні цього об'єкта при низькій температурі (нижче за ту, при якій має місце яке-небудь значне власне електромагнітне випромінювання). Згідно з іншим аспектом цього винаходу складова відбитого прикладеного електромагнітного проміння, яка ідентифікується зазначеним детектором, має певну характерну ознаку ("підпис"), обумовлену модулюванням прикладеного електромагнітного проміння. У цьому аспекті оптична система, яка пропонується згідно з цим винаходом, додатково включає в себе модулятор електромагнітного проміння. У ще одному своєму аспекті цей винахід втілений в формі ручного (портативного) пристрою. Фіг.1 - схема, що ілюструє цей винахід. Фіг.2 - графік, який зображує довжини хвиль, які використовуються в цьому винаході для відрізняння від власного випромінювання. Фіг.3 - схема, що ілюстр ує один можливий варіант системи з камерою і інтерференційним фільтром. Фіг.4 - ще одна схема, що ілюстр ує один можливий варіант системи з камерою і інтерференційним фільтром. Фіг.5 - ще одна схема, що ілюстр ує один можливий варіант системи з камерою і інтерференційним фільтром. Фіг.6 - графік, який ілюструє обирання бажаної довжини хвилі. Фіг.7 - графік, який ілюструє використання обмежуючого фільтра в цьому винаході. Фіг.8 - графік, який ілюструє використання частотної модуляції потужності в цьому винаході. Фіг.9 - графік, який ілюструє використання частотної механічної модуляції в цьому винаході. Фіг.10 - портативний пристрій відповідно до цього винаходу. Фіг.11 - схема варіанту здійснення цього винаходу з двома камерами. Звернемося до фіг.1 креслень, де зображений один з варіантів здійснення цього винаходу; на ній показана ціль або об'єкт 20, який має власне електромагнітне випромінювання 22. Об'єкт 20 зазвичай включатиме в себе певну деталь, наприклад, деталь із вуглецевої сталі, деталь із титанового сплаву, скляну або керамічну деталь. Як відомо, в ряді виробничих процесів ці деталі нагріваються до температур понад 900°С. Відомо також, що при таких високих температурах ці деталі випромінюють істотне проміння, яке заважає розглядати нагріту деталь (тобто спектр превалюючого власного електромагнітного випромінювання). На тій же фіг.1 показане джерело світла 24, яке спрямовує електромагнітне проміння 26 на поверхню об'єкта 20. Проміння 26 є зазначеним прикладеним промінням. Певна складова прикладеного проміння 26 відбивається деталлю 20; вона зображена на фіг.1 як відбите проміння 28. Слід зазначити, що певна частка проміння 22, обумовленого власним випромінюванням (позначена позицією 22') і певне проміння фонового випромінювання (не показане) йде тим самим шляхом, що й відбите проміння 28, разом з ним. Відбите проміння 28 (і проміння 22' власного випромінювання) попадає на детектор або датчик 30. Як буде пояснено докладніше нижче, відрізняючи відбите проміння 28 від проміння 22' власного випромінювання (або будь-якої іншої "завади", такої як проміння фонового випромінювання), детектор 30 може бачити об'єкт 20, як якби цей об'єкт був холодним (практично не мав власного випромінювання). У цьому варіанті здійснення цього винаходу довжину хвилі відбитого проміння 28 обирають такою, щоб детектор 30 міг відрізнити її від довжини хвилі проміння 22' превалюючого власного випромінювання. Кажучи більш конкретно і з посиланням на фіг.2, згідно з цим винаходом пропонується обвідна довжин хвиль відрізненного прикладеного проміння як функція температури об'єкта 20. Відповідно, детектор 30 розпізнає або виявляє відбите проміння 28, довжина хвилі якого знаходиться нижче за цю криву. Максимальна довжина хвилі відбитого проміння 28, що їй віддається перевага, відрізненна від зазначеного проміння власного випромінювання (що залежить від температури), наведена в таблиці 1: Максимальна використовувана довжина хвилі (нм), яка детектується датчиком 30 700 680 645 596 545 596 441 385 338 283 233 220 185 Температура (°С)