雙色紅外測溫儀是一種應用于鋼鐵冶金、玻璃制造、半導體加工等高溫工業領域的測溫儀器，它通過測量目標在兩個不同紅外波段的輻射強度比值來確定溫度，有效克服了單色測溫法中發射率未知或變化帶來的測量誤差。傳統單色紅外測溫儀假設目標發射率為已知常數，但實際工況中發射率隨溫度、表面狀態、氧化層厚度等因素變化，導致顯著測量誤差。雙色紅外測溫儀（也稱比色測溫儀）利用兩個波段的輻射比值反推溫度，在發射率未知或動態變化的場景中具有天然優勢，而實現這一功能的核心元件正是高精度光學濾光片。

（圖源網絡，侵刪）

一、雙色紅外測溫儀工作原理

1 基本測量原理

根據普朗克黑體輻射定律，任何溫度高于絕對零度的物體都會向外輻射電磁波。對于實際物體，其光譜輻射出射度為：

其中ε(λ,T) 為光譜發射率，λ為波長，T 為熱力學溫度。

雙色測溫儀同時測量兩個窄帶波長 λ1和 λ2上的輻射信號 S1和 S2，計算其比值 R：

當兩個波長足夠接近時，可近似認為 ε(λ1,T)≈ε(λ2,T)，此時比值 R僅與溫度相關，消除了發射率的影響。實際工程中常用1.3μm和1.6μm或1.0μm和1.6μm等波段組合，這兩個波段在大氣窗口內且對常見工業材料的發射率比值變化較小。

1.2 雙色法的優勢與局限

雙色法的核心優勢在于：

不受目標發射率絕對值變化的影響

對光路中的煙塵、水汽部分透過性衰減不敏感

可測量視場未完全充滿的目標

但雙色法要求兩個波段的發射率比值保持穩定，對于發射率隨波長劇烈變化的材料（如某些金屬在吸收帶邊緣）仍存在誤差。

（BP1600帶通濾光片）

二、光學濾光片在雙色測溫儀中的核心作用

2.1 帶通濾光片的功能需求

雙色測溫儀需要精確分離兩個紅外波段，這對濾光片提出了以下要求：

兩個濾光片的通帶必須有明確的光譜隔離，避免串擾。典型設計中，1.3μm濾光片的截止帶需覆蓋1.6μm附近，反之亦然，要求過渡帶陡峭。

2.2 濾光片制備技術

紅外帶通濾光片通常采用介質薄膜干涉濾光技術，通過交替沉積高折射率（如Ge、Si）和低折射率（如SiO?、MgF?）材料形成法布里-珀羅腔結構。對于1.3-1.6μm近紅外波段，常用的材料組合為Si/SiO?或Ge/ZnS。

制備工藝需注意：

膜層應力匹配，防止高溫脫膜

離子輔助沉積提高膜層致密度

環境穩定性測試（濕熱、鹽霧）

（臺階藍寶石窗口片）

三、耐高溫光學窗口設計

3.1 窗口材料的選取

測溫儀前端光學窗口需承受高溫、高壓及腐蝕性氣氛。常用窗口材料包括：

對于鋼鐵冶金等高溫應用，藍寶石因其優異的機械強度和耐溫性成為首選。

3.2 防污染設計

水汽和灰塵對紅外信號有強烈吸收和散射作用。工程上采取以下措施：

氣簾吹掃：在窗口前端形成正壓潔凈空氣流，阻止粉塵沉積

防塵鏡筒：采用長徑比>5的窄孔結構，減少污染物侵入

窗口加熱：將窗口溫度維持在露點以上，防止水汽凝結

可更換保護窗：在外側加裝廉價易換的防護片，定期更換

濾光片通常封裝在氣密腔體內，避免直接暴露于惡劣環境。整個光路需采用IP65以上防護等級。

（聚焦透鏡）

四、系統集成與性能驗證

4.1 光學系統架構

典型的雙色測溫儀光學結構如下：

目標輻射 → 耐高溫窗口 → 準直透鏡 → 分束器/分光鏡

                              ↓

[通道1] 1.3μm帶通濾光片 → 探測器1   

[通道2] 1.6μm帶通濾光片 → 探測器2

分光方式可采用：

平行光路：使用分束鏡將光束分成兩路，每路獨立濾光

時序分光：單探測器配合濾光片輪，但實時性較差

二元光學元件：將不同波長聚焦到不同探測器位置

（二向分光鏡）

4.2 標定與測試

雙色測溫儀出廠前需進行黑體標定，建立比值-溫度曲線。由于兩個探測器的響應度差異、濾光片透過率差異等因素，實際測量值需通過標定修正。標定過程中應驗證：

不同黑體溫度下的比值線性度

發射率變化時（通過改變黑體輻射角度模擬）的測量穩定性

氣簾啟停、窗口輕微污染時的讀數一致性

4.3 典型應用場景

光學濾光片是雙色紅外測溫儀實現高精度溫度測量的核心元件。通過精確設計1.3μm和1.6μm帶通濾光片的光譜特性，配合耐高溫藍寶石窗口及氣簾吹掃等防污染措施，可有效抑制發射率變化、水汽和粉塵對測溫結果的影響，滿足嚴苛工業環境下的使用需求。

未來發展趨勢包括：

集成化：將濾光片與探測器單片集成，簡化光路

可調諧濾光技術：通過MEMS或液晶可調濾光片實現波段自適應選擇

智能化補償算法：結合濾光片透射譜的精確模型，對溫度漂移和老化進行實時補償

新型薄膜材料：開發更高溫度穩定性、更低應力的紅外薄膜材料

濾光片技術的進步將持續推動雙色紅外測溫儀向更高精度、更寬適應范圍的方向發展。