專利名稱：用于被動(dòng)紅外成像的室溫濾光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外輻射的成像與檢測(cè)，尤其是涉及一種用于紅外輻射的成像與檢測(cè)的裝置，該裝置便于在幾種非致冷濾光器中選擇濾光器結(jié)合紅外輻射的冷卻式檢測(cè)器。
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域所熟知，基于冷卻式檢測(cè)器陣列的熱紅外成像傳感器為了不讓檢測(cè)器檢測(cè)的信號(hào)被來(lái)自環(huán)境中不想要的虛假的自發(fā)射信號(hào)所淹沒(méi)，需要在該系統(tǒng)中布置兩種設(shè)計(jì)的元件i)收集光學(xué)系統(tǒng)(透鏡或鏡、濾波器和窗口)，必須由不吸收紅外光的傳播材料制成， 在所述傳感器的靈敏度的波長(zhǎng)范圍內(nèi)(以致不會(huì)發(fā)出可感知的紅外輻射量，不會(huì)引入噪聲和屏蔽將被檢測(cè)的輻射)；以及ii)所述收集光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳，必須是在檢測(cè)器杜瓦瓶?jī)?nèi)部的低溫冷卻空間內(nèi)在冷屏光圈上成像，繼而避免從環(huán)境中引入噪聲和虛假信號(hào)。這些設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)原則是必需的，因?yàn)檫@些光學(xué)元件、所述系統(tǒng)的光學(xué)外殼以及環(huán)境在紅外范圍內(nèi)發(fā)出大量的輻射光，在該紅外范圍內(nèi)屏蔽將被檢測(cè)的輻射，并在縣城分析光源。然而，在許多例子和情形中，除了成像光學(xué)裝置和窗口之外，還需要采用許多光譜濾光器，交替地放置在所述傳感器系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)組件鏈上，以便檢測(cè)和識(shí)別和感知在所述系統(tǒng)的視野內(nèi)的不同光源。這些濾光器可以是窄帶的、寬帶的、切式、截止式或其他光譜地限制來(lái)自場(chǎng)景的進(jìn)入輻射光的濾光器，以致這些目標(biāo)能被檢測(cè)和基于它們的光學(xué)特征而被識(shí)別。結(jié)果，因?yàn)橐粋€(gè)光譜濾光器可以是一個(gè)自發(fā)射紅外輻射的光源，在其自身來(lái)說(shuō)，并可反射環(huán)境的輻射進(jìn)入所述檢測(cè)器，如果簡(jiǎn)單地放置在收集光學(xué)組件鏈中時(shí)，本領(lǐng)域的常規(guī)知識(shí)和實(shí)踐是將該濾光器放置在杜瓦瓶?jī)?nèi)部，以致被冷卻到低溫這樣確保該濾光器的自發(fā)射最小化，并避免該濾光器引入虛假輻射到檢測(cè)器。這種濾光器冷卻方法的主要不足是一旦該濾光器構(gòu)建進(jìn)入杜瓦瓶中時(shí)，它不能與另一個(gè)不同的濾光器進(jìn)行交換，不可能獲得場(chǎng)景的不同的連續(xù)圖像以通過(guò)不同的窄波長(zhǎng)或通過(guò)不同的光譜范圍來(lái)進(jìn)行分析，以致該系統(tǒng)的光譜能力是非常有限的。本發(fā)明的目的在于提供優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)中的采用冷卻式檢測(cè)器和冷卻式濾光器的系統(tǒng)的紅外傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下顯著優(yōu)勢(shì)i)增強(qiáng)了光譜能力，能采用連續(xù)的光譜濾光器或連續(xù)可變?yōu)V光器(CVF)或者不同類型的多個(gè)濾光器；ii)避免冷卻這些濾光器，這導(dǎo)致更簡(jiǎn)單的更經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)。正如在Kennedy的第5，434，413號(hào)美國(guó)專利中所教導(dǎo)的，在現(xiàn)有技術(shù)中的光學(xué)過(guò)濾系統(tǒng)是基于冷卻光子探測(cè)器陣列，該系統(tǒng)可通過(guò)以下兩種方式來(lái)制成i)通過(guò)將濾光器放置為直接接觸冷卻式檢測(cè)器(參見Kennedy專利的圖Ib和圖ld)，以致該濾光器自身是冷卻的，且它自發(fā)射的量是非常小的，而作為結(jié)果，它產(chǎn)生的信號(hào)和背景噪聲是最小化的；ii) 通過(guò)將帶通濾光器涂布在真空窗上(參見Kennedy專利的圖2)，這個(gè)窗式由不吸收光的材料制成(參見Kennedy專利的第三欄結(jié)尾)該窗是由不吸收光的材料制成的事實(shí)也確保了該窗的自發(fā)射是非常小的，而作為結(jié)果，它產(chǎn)生的背景噪聲是最小化的，即使該窗是非冷卻的。在現(xiàn)有技術(shù)中包括Kennedy專利所述的濾光器以及真空容器或杜瓦瓶的物理部分，它們都構(gòu)造在容器內(nèi)或者涂布或附著在它的窗上。這兩種結(jié)構(gòu)都具有以下缺陷(除了在之前構(gòu)造的專利中所述的內(nèi)容之外)
A)這些構(gòu)造不能在所述系統(tǒng)中應(yīng)用超過(guò)一個(gè)濾光器以用于在超過(guò)一個(gè)光譜范圍內(nèi)或在超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)(這是光譜范圍或Kennedy專利的圖Id和圖2所示的涂層)內(nèi)進(jìn)行連續(xù)的圖像檢測(cè)在本例中，例如，當(dāng)需要從該圖像的每個(gè)像素測(cè)量超過(guò)一個(gè)窄帶信號(hào)時(shí)，這些濾光器必須在望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)組件鏈上的杜瓦瓶之外使用，因而在總體上，缺乏本發(fā)明下面所述的特殊的創(chuàng)新性改進(jìn)，這些濾光器將不得不放在附加的真空容器中并被冷卻以避免它們的自身自發(fā)射。B)即使帶有這些濾光器的這個(gè)附加的冷卻，背景輻射反射到檢測(cè)器，不能避免在光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生不想要的噪聲。C)在Kennedy專利的圖Ib和圖Id所示的杜瓦瓶?jī)?nèi)的濾光器構(gòu)造通常需要來(lái)自檢測(cè)器制造商的特別工作，因?yàn)樵摓V光器(取決于具體應(yīng)用)不是標(biāo)準(zhǔn)的，結(jié)果需要非常昂貴的價(jià)格來(lái)支付給杜瓦瓶和檢測(cè)器構(gòu)造。Krakow的第3，770，958號(hào)美國(guó)專利教導(dǎo)了單個(gè)濾光器的應(yīng)用以及一系列可互換的不發(fā)射的非致冷濾光器，放置在杜瓦瓶窗的前面，在一個(gè)系統(tǒng)中采用單個(gè)或多個(gè)堆疊的檢測(cè)器(不是一個(gè)成像陣列)。顯然，這樣的裝置不能容易地?cái)U(kuò)展為成像陣列探測(cè)器的例子。 實(shí)際上，在單一濾光器的例子中，通常在窗前沒(méi)有足夠的物理空間用于該濾光器使其足夠接近于杜瓦瓶窗，以致該陣列的邊緣不會(huì)接收來(lái)自周圍環(huán)境的虛假輻射。在該專利中的旋轉(zhuǎn)的多個(gè)濾光器輪的例子需要一個(gè)透鏡以放置在杜瓦瓶?jī)?nèi)以被冷卻這是非常昂貴和麻煩的主張。Gallivan的第5，408，100號(hào)美國(guó)專利教導(dǎo)了一種非致冷的不發(fā)射的濾光器，在該光學(xué)系統(tǒng)中，它是一個(gè)在鏡頭的最后球面凹面上的多層涂布，凹面的半徑是等于其表面到檢測(cè)器的距離。這個(gè)裝置大體上產(chǎn)生了在由該系統(tǒng)所提供的想要的圖像上的有層理的像素陣列的不想要的重影，由于這些像素和分離這些像素的表面通常具有不同的反射率。這將是非常有利的在同一系統(tǒng)中采用超過(guò)一個(gè)濾光器用于比較來(lái)自不同光譜范圍的信號(hào)，以及采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的紅外的基于冷卻陣列攝像機(jī)的傳感器系統(tǒng)，而不需要昂貴的和麻煩的冷卻系統(tǒng)用于任意這些濾光器或透鏡，并使信號(hào)對(duì)于噪聲率或動(dòng)態(tài)范圍的損失最小化，不管這些濾光器是否被冷卻。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明所述，提供了一種用于對(duì)來(lái)自場(chǎng)景的紅外輻射成像的裝置，包括(a) 所述紅外輻射的檢測(cè)器；(b)外殼，用于將所述檢測(cè)器保持在它的操作溫度中，所述外殼包括可透入所述紅外輻射的窗口 ；(c)光學(xué)系統(tǒng)，在所述外殼之外，用于將所述紅外輻射穿過(guò)所述窗口聚焦到所述檢測(cè)器上；(d)濾光器；以及(e)用于將所述濾光器定位在所述光學(xué)系統(tǒng)的中間聚焦平面上的機(jī)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明所述，提供了一種用于對(duì)來(lái)自場(chǎng)景的紅外輻射成像的裝置，包括(a) 所述紅外輻射的檢測(cè)器；(b)外殼，用于將所述檢測(cè)器保持在它的操作溫度中，所述外殼包括可透入所述紅外輻射的窗口 ；(c)光學(xué)系統(tǒng)，在所述外殼之外，用于將所述紅外輻射穿過(guò)所述窗口聚焦到所述檢測(cè)器上，所述光學(xué)系統(tǒng)包括(i )至少一個(gè)光學(xué)元件；以及(ii )在所述至少一個(gè)光學(xué)元件的一個(gè)元件的表面上，與所述檢測(cè)器具有散焦關(guān)系的濾光器。一種用于對(duì)來(lái)自場(chǎng)景的紅外輻射成像的裝置的一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)施例，包括所述紅外輻射的檢測(cè)器、外殼、在所述外殼之外的光學(xué)系統(tǒng)、濾光器(在幾乎所有例子中，該濾光器是在所述檢測(cè)器的光譜范圍內(nèi)不吸收光的)，以及用于將所述濾光器定位在或接近于所述光學(xué)系統(tǒng)的中間聚焦平面上的機(jī)構(gòu)。所述外殼是用于將所述檢測(cè)器保持在它的操作溫度中， 該操作溫度通常是低于所述裝置的周圍環(huán)境的溫度，也低于所述場(chǎng)景的溫度。例如，如果檢測(cè)器是一個(gè)光子檢測(cè)器，該檢測(cè)器必須被保持在低溫以便工作。所述外殼包括可透入所述紅外輻射的窗口。所述光學(xué)系統(tǒng)是用于將所述紅外輻射穿過(guò)所述窗口聚焦到所述檢測(cè)器上。優(yōu)選地，所述濾光器在所述檢測(cè)器所敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有可忽略不計(jì)的自發(fā)射。術(shù)語(yǔ)“可忽略不計(jì)(negligible)”是取決于具體應(yīng)用的，它是指由所述濾光器在所述檢測(cè)器所敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)出的輻射不會(huì)干擾采用本發(fā)明所述的裝置用于特定應(yīng)用。更優(yōu)選地，所述濾光器是干涉濾光器。例如，該濾光器可以是高通濾光器、低通濾光器、帶通濾光器或者帶阻濾光器，取決于所需要的應(yīng)用?？蛇x地，所述濾光器可以是循環(huán)可變?yōu)V光器或者線性可變?yōu)V光器。在一些實(shí)施例中，所述用于將所述濾光器定位在于所述光學(xué)系統(tǒng)的中間聚焦平面上的機(jī)構(gòu)將所述濾光器保持固定在所述中間聚焦平面的合適位置。在其他實(shí)施例中，所述裝置包括多個(gè)所述濾光器，而所述用于將所述濾光器定位在所述光學(xué)系統(tǒng)的中間聚焦平面上的機(jī)構(gòu)是這樣一個(gè)機(jī)構(gòu)，下面所圖解的濾光器輪是交替和可逆地將每個(gè)所述濾光器定位在所述中間聚焦平面的位置上。優(yōu)選地，所述裝置包括一個(gè)或多個(gè)阻流板，用于屏蔽雜散輻射阻止其到達(dá)所述檢測(cè)器。通常，所述檢測(cè)器包括多個(gè)檢測(cè)器元件。在下面所述的優(yōu)選的實(shí)施例中，所述檢測(cè)器是這樣的檢測(cè)器元件的陣列。優(yōu)選地，關(guān)于所述光學(xué)系統(tǒng)的圖像空間，所述光學(xué)系統(tǒng)在所述中間聚焦平面內(nèi)是遠(yuǎn)心的。一種用于對(duì)來(lái)自場(chǎng)景的紅外輻射成像的裝置的另一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)施例，包括所述紅外輻射的檢測(cè)器、外殼，以及在所述外殼之外的光學(xué)系統(tǒng)。所述外殼是用于將所述檢測(cè)器保持在它的操作溫度中，該操作溫度通常是低于所述裝置的周圍環(huán)境的溫度，也低于所述場(chǎng)景的溫度。例如，如果檢測(cè)器是一個(gè)光子檢測(cè)器，該檢測(cè)器必須被保持在低溫以便工作。所述外殼包括可透入所述紅外輻射的窗口。所述光學(xué)系統(tǒng)是用于將所述紅外輻射穿過(guò)所述窗口聚焦到所述檢測(cè)器上。所述光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件。該光學(xué)元件可以是折射的(例如，透鏡)、反射的(例如，鏡)、衍射的(例如，衍射光柵)，或者菲涅爾型光學(xué)元件。在 (其中一個(gè))光學(xué)元件的表面有一個(gè)濾光器，該濾光器與所述檢測(cè)器具有散焦關(guān)系。術(shù)語(yǔ)“散焦關(guān)系(defocusing relationship)”是指由所述檢測(cè)器發(fā)出的光以及由所述濾光器反射回到所述檢測(cè)器的光是足夠散焦的，以致該反射光不會(huì)被感知為在所述場(chǎng)景的圖像上的重影?？偟膩?lái)說(shuō)，所述濾光器不會(huì)遠(yuǎn)離所述光學(xué)系統(tǒng)的中間聚焦平面，以獲得足夠的散焦。優(yōu)選地，所述濾光器在所述檢測(cè)器所敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有可忽略不計(jì)(如上面所定義)的發(fā)射。優(yōu)選地，所述濾光器是干涉濾光器。例如，該濾光器可以是高通濾光器、低通濾光器、帶通濾光器或者帶阻濾光器，取決于所需要的應(yīng)用。優(yōu)選地，所述裝置包括一個(gè)或多個(gè)阻流板，用于屏蔽雜散輻射阻止其到達(dá)所述檢測(cè)器。通常，所述檢測(cè)器包括多個(gè)檢測(cè)器元件。在下面所述的優(yōu)選的實(shí)施例中，所述檢測(cè)器是這樣的檢測(cè)器元件的陣列。優(yōu)選地，如果有多于一個(gè)光學(xué)元件，具有濾光器在其表面上的光學(xué)元件是最接近于所述窗口的光學(xué)元件。更優(yōu)選地，具有濾光器在其表面上的光學(xué)元件的表面是最接近于所述窗口的光學(xué)元件的表面。更優(yōu)選地，所述的裝置還包括冷屏，在所述外殼內(nèi)，在所述窗口與所述檢測(cè)器之間。具有濾光器在其表面上的光學(xué)元件的表面是凹向所述窗口，且該表面的曲度半徑等于所述表面與所述冷屏的光圈的距離。優(yōu)選地，所述濾光器是與所述窗口間隔分開的。


這里描述了多種實(shí)施例，僅通過(guò)實(shí)施例的方式結(jié)合附圖進(jìn)行說(shuō)明，其中 圖1顯示了本發(fā)明所述的裝置的第一個(gè)實(shí)施例；
圖2顯示了圖1所示的裝置的中間聚焦平面處的安裝在支持物上的濾光器和插入進(jìn)托架上的濾光器；
圖3顯示了用于與圖1所示的裝置結(jié)合使用的濾光器輪； 圖4顯示了圖1所示的裝置的變體，其包括用于阻遏雜散輻射的折流板； 圖5顯示了圖1所示的裝置的遠(yuǎn)心的變體； 圖6顯示了本發(fā)明所述的裝置的第二個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明所述的一種用于對(duì)來(lái)自場(chǎng)景的紅外輻射成像的裝置的原理和操作將根據(jù)附圖以及相關(guān)說(shuō)明而得到更好的理解。本發(fā)明特別地涉及一種連續(xù)過(guò)濾所檢測(cè)的紅外輻射的光譜范圍的新方法，它避免了冷卻這些濾光器，同時(shí)也不會(huì)明顯地喪失由冷卻給予的低噪聲優(yōu)勢(shì)，還比現(xiàn)有技術(shù)增加了這樣的優(yōu)勢(shì)在一個(gè)緊湊的過(guò)濾中容易掃描不同波長(zhǎng)，并降低成本。傳統(tǒng)的對(duì)峙檢測(cè)和對(duì)象的識(shí)別在光譜的紅外區(qū)域展示了窄的光譜吸收特征，是由儀器儀表完成的，它能感知光譜的輻射強(qiáng)度，該輻射強(qiáng)度在寬的光譜范圍內(nèi)與波長(zhǎng)成函數(shù)關(guān)系，或者感知由特定的光譜濾光器所選擇的材料的光譜輻射，在適用于該材料的窄區(qū)域的光譜內(nèi)。這是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)與輻射強(qiáng)度所成的函數(shù)的形狀是直接與該材料的特定光譜特性相關(guān)的，并與它的化學(xué)成分相關(guān)，能被用于它的檢測(cè)、識(shí)別或鑒別和成像。與之相反，缺乏光譜能力的儀器，例如紅外輻射照相機(jī)，僅測(cè)量或顯示在全光譜范圍內(nèi)由場(chǎng)景發(fā)出的輻射的整體，而不能區(qū)分材料的不同成分或不同類型，因?yàn)樵谶@樣的例子中，信號(hào)是僅與溫度和有問(wèn)題的材料的平均發(fā)射率相關(guān)的，而不產(chǎn)生材料特異性信息。因此，擁有一種帶有紅外冷卻檢測(cè)器陣列的紅外光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)將是可取的，它能對(duì)于由對(duì)象發(fā)出的紅外輻射進(jìn)行成像，以便通過(guò)檢測(cè)和比較該對(duì)象的光譜特征或在不同光譜的窄波長(zhǎng)帶內(nèi)的發(fā)射情況，在相對(duì)簡(jiǎn)單和便宜的光學(xué)機(jī)械裝置識(shí)別和定位該對(duì)象。
為了這個(gè)目標(biāo)，多年來(lái)人們已經(jīng)開發(fā)并銷售了許多類型的輻射測(cè)量?jī)x器，這些儀器帶有部分或全部光譜能力。一些類型的儀器在它們的設(shè)計(jì)和制造上是非常復(fù)雜的，由于需要用于光散射(通過(guò)棱鏡、光柵等子系統(tǒng))或者干涉測(cè)量處理(通過(guò)干涉儀)的裝置，所測(cè)量的輻射與所檢測(cè)的對(duì)象發(fā)生相互作用。這樣使得這類儀器通常很龐大、沉重和昂貴。簡(jiǎn)化的儀器是基于光譜的特異性輻射過(guò)濾；這需要將該濾光器冷卻到低溫，這個(gè)濾光須由被過(guò)濾的輻射的完全或部分吸收來(lái)完成，且該濾光器放置在杜瓦瓶?jī)?nèi)，恰好在檢測(cè)器之前；此外，該檢測(cè)器可由大的非特異信號(hào)所淹沒(méi)，由于該濾光器自身的紅外發(fā)射或者源于環(huán)境的輻射和由該濾光器的反射，使得該檢測(cè)器不能檢測(cè)搶手的信號(hào)。這需要冷卻該濾光器，使該儀器的設(shè)計(jì)和實(shí)施變得復(fù)雜。根據(jù)本發(fā)明所述，對(duì)于一定距離的特定材料的檢測(cè)和成像是由一種基于陣列的紅外照相機(jī)結(jié)合材料特異性的過(guò)濾的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)完成，避免了對(duì)濾光器的冷卻，同時(shí)提供了部分或全部光譜能力以用于單個(gè)或多個(gè)材料的檢測(cè)，而不會(huì)喪失由冷卻濾光器具有的減少大多數(shù)噪聲的優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)解決方案是由以下幾個(gè)元件來(lái)提供的i)任意濾光器，在所述系統(tǒng)中被這樣設(shè)計(jì)以致在所述檢測(cè)器敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，該濾光器只吸收最小的自發(fā)射輻射； ii)所述系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)，確保除了來(lái)自被研究的對(duì)象的特定過(guò)濾的輻射之外，到達(dá)所述檢測(cè)器的虛假輻射只是源自該檢測(cè)器自身的冷卻區(qū)域，或來(lái)自在杜瓦瓶?jī)?nèi)的冷卻區(qū)域，因此可忽略不計(jì)；這樣的方案可被獲得，例如，以在不吸收的基底上的一個(gè)不吸收的濾光器(單個(gè)或多個(gè)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的濾光器輪上，或者一個(gè)連續(xù)循環(huán)可變光譜濾光器，稱為CVF，或者線性可變光譜濾光器，稱為L(zhǎng)VF)放置在或接近于所述收集光學(xué)系統(tǒng)的中間成像平面，并結(jié)合光學(xué)中繼來(lái)對(duì)在所述檢測(cè)器陣列上的中間成像平面進(jìn)行成像，或者以涂布在凹球面透鏡表面的不吸收的濾光器(通常也結(jié)合附加的光學(xué)元件，用于在所述檢測(cè)器陣列上成像)放置在離開冷卻罩一定距離之處，該距離等于這個(gè)透鏡表面的曲面半徑；以及iii)冷卻的基于檢測(cè)器陣列的紅外照相機(jī)實(shí)際上，所述檢測(cè)器陣列的自發(fā)射在本例中是可忽略不計(jì)的，因?yàn)樗抢鋮s的，因此，它可被用作所要檢測(cè)的信號(hào)的背景，而不影響要檢測(cè)的那些信號(hào)和背景噪聲。反射阻流板是必要的，以便阻遏殘留的雜散輻射到達(dá)所述檢測(cè)器。本發(fā)明所述的一種用于在連續(xù)的紅外光譜的單個(gè)或多個(gè)特定的窄光譜范圍內(nèi)感知紅外信號(hào)的系統(tǒng)是這樣設(shè)計(jì)的，以致由所述檢測(cè)器記錄的幾乎所有信號(hào)是僅來(lái)自兩個(gè)可能的來(lái)源在所述濾光器的發(fā)射的波長(zhǎng)范圍內(nèi)檢測(cè)到的對(duì)象特異性自發(fā)射(使能識(shí)別)，以及由冷卻式檢測(cè)器或在杜瓦瓶?jī)?nèi)的冷卻區(qū)域發(fā)出的非常微小的發(fā)射，作為背景沒(méi)有其他或者沒(méi)有其他來(lái)自環(huán)境的虛假發(fā)射?，F(xiàn)在參考附圖，圖1顯示了用于對(duì)場(chǎng)景沈(例如氣體云)在電磁光譜的紅外區(qū)成像的裝置10的第一個(gè)實(shí)施例。這個(gè)成像是由光子檢測(cè)器陣列20來(lái)完成的，該光子檢測(cè)器陣列20是由傳統(tǒng)方法來(lái)冷卻的，被安裝在杜瓦瓶12內(nèi)的一個(gè)冷卻的指狀物14上。由諸如裝在冷卻指狀物14內(nèi)的液氮等低溫液體18來(lái)提供該冷卻。由杜瓦瓶12的真空16將檢測(cè)器陣列20熱隔絕于所述裝置的外部環(huán)境。該檢測(cè)器陣列20進(jìn)一步由冷屏22屏蔽雜散紅外輻射，該冷屏22與冷卻指狀物14熱接觸而被冷卻。來(lái)自場(chǎng)景沈的紅外輻射通過(guò)一個(gè)窗口 M由望遠(yuǎn)鏡28而被聚焦在檢測(cè)器陣列20上，該望遠(yuǎn)鏡28的光學(xué)組件在圖1中由透鏡 30和32來(lái)表示。(每個(gè)透鏡30和32實(shí)際上是一組一個(gè)或多個(gè)透鏡，在圖1中簡(jiǎn)化為單個(gè)透鏡來(lái)表示。)窗口 M和光學(xué)組件30和32是由以下材料制成例如，鍺，硫化鋅或硒化鋅，它們可透過(guò)紅外光。窗口 M和光學(xué)組件30和32的表面是涂布了抗反射涂層的。為簡(jiǎn)化說(shuō)明，與檢測(cè)器陣列20相關(guān)聯(lián)的圖像采集電子設(shè)備未在圖1中示出。濾光器36A是定位在中間聚焦平面34上或接近于該平面34的望遠(yuǎn)鏡28的光路內(nèi)，以致來(lái)自場(chǎng)景沈的所有光線都由望遠(yuǎn)鏡觀穿過(guò)濾光器36A聚焦在檢測(cè)器陣列20上。圖2顯示了將濾光器36A定位在處于中間聚焦平面34上的望遠(yuǎn)鏡28的光路內(nèi)的一種方法。以托架M提供裝置10，該托架M用于支撐一個(gè)矩形的支持物52，濾光器36A安裝在該支持物52內(nèi)，基本上與中間聚焦平面34 —致。當(dāng)支持物52被插入帶有濾光器36A 的托架52中處于如圖1所示的望遠(yuǎn)鏡28的光路中時(shí)，透鏡組30和32相對(duì)于支持物52的位置被顯示在圖2的虛線內(nèi)。只要支持物52安裝在所示的托架M內(nèi)，濾光器36A將固定在處于中間聚焦平面34上的望遠(yuǎn)鏡觀的光路內(nèi)的合適位置上。也提供了類似的支持物將其他濾光器36B、36C、36D等安裝在該支持物內(nèi)，以致濾光器36A能與其他濾光器進(jìn)行交換， 例如，用于通過(guò)在不同波長(zhǎng)的圖像的比較來(lái)檢測(cè)某種氣體，或者用于識(shí)別帶有不同光譜特征的不同材料。圖3顯示了將濾光器36A定位處于中間聚焦平面34上的望遠(yuǎn)鏡28的光路內(nèi)的另一種方法。在圖3中，濾光器36A是四個(gè)濾光器36A、36B、36C和36D之一，它們都安裝在濾光器輪38上。濾光器輪38被安裝在裝置10內(nèi)，基本上與中間聚焦平面34 —致，并圍繞它的中心旋轉(zhuǎn)，以在望遠(yuǎn)鏡觀的光路內(nèi)定位四個(gè)濾光器36A、36B、36C和36D之一，正如所需要的。當(dāng)濾光器36A處于如圖1所示的望遠(yuǎn)鏡28的光路中時(shí)，透鏡組30和32相對(duì)于濾光器輪38的位置被顯示在圖3中的虛線內(nèi)。只包括四個(gè)濾光器36的濾光器輪38是僅作為簡(jiǎn)化解釋之用。濾光器輪38可包括許多濾光器，例如，用于通過(guò)在不同波長(zhǎng)的圖像的比較來(lái)檢測(cè)某種氣體，或者用于識(shí)別帶有不同光譜特征的不同材料?？蛇x地，所述濾光器是定位在中間聚焦平面34內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡觀的光路內(nèi)，該濾光器是循環(huán)可變?yōu)V光器，它具有圍繞其圓周的連續(xù)可變傳播的波長(zhǎng)，或者是線性可變?yōu)V光器，它具有沿著它的其中一個(gè)維度垂直于望遠(yuǎn)鏡觀的光路的連續(xù)可變傳播的波長(zhǎng)。這些優(yōu)選實(shí)施例的所有濾光器都是例如干涉濾光器這類濾光器，它們幾乎不會(huì)在檢測(cè)器陣列20的靈敏度的光譜窗口內(nèi)吸收和發(fā)出輻射。圖4顯示了圖1的實(shí)施例的一個(gè)變體，其中，阻流板42已經(jīng)被加入以便阻止源自裝置10的環(huán)境中的紅外輻射到達(dá)檢測(cè)器陣列20。顯示在圖4中的這樣的自發(fā)射例子是來(lái)自裝置10的其中一個(gè)內(nèi)壁40的光線44。阻流板42是一個(gè)在側(cè)面的高反射度鏡子，它面對(duì)望遠(yuǎn)鏡觀，且在這個(gè)例子中，它的形狀類似于一個(gè)椎體的錐部，在它的中央由一個(gè)光圈。諸如阻流板42的阻止雜散輻射到達(dá)檢測(cè)器陣列四的阻流板對(duì)于接近檢測(cè)器陣列20邊緣的檢測(cè)器元件比對(duì)著檢測(cè)器陣列20的中部的檢測(cè)器元件更為重要。可選地或附加地，通過(guò)構(gòu)造帶有光學(xué)元件的望遠(yuǎn)鏡觀來(lái)避免虛假輻射到達(dá)檢測(cè)器陣列20，這些光學(xué)元件對(duì)于在中間聚焦平面34內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡觀的圖像空間是遠(yuǎn)心的，以致來(lái)自場(chǎng)景26的中央光線是垂直于濾光器36A。這樣的一個(gè)遠(yuǎn)心裝置對(duì)于接近檢測(cè)器陣列 20的邊緣的檢測(cè)器元件，以及對(duì)著檢測(cè)器陣列20的中部的檢測(cè)器元件，都是同樣有益的。圖5顯示了實(shí)施例10的這樣一個(gè)遠(yuǎn)心變體10，在望遠(yuǎn)鏡28內(nèi)帶有兩個(gè)物鏡30A 和30B以及兩個(gè)中繼透鏡32A和32B。來(lái)自一定距離的場(chǎng)景的中央的光線70、72和74被聚焦到檢測(cè)器陣列20的中心。來(lái)自該場(chǎng)景的一側(cè)的光線76、78和80被聚焦到檢測(cè)器陣列20的一個(gè)邊緣。中央光線72和78是垂直于濾光器36A的。這樣一個(gè)設(shè)計(jì)保證了 當(dāng)所有來(lái)自該場(chǎng)景的光線橫穿濾光器36A后，被聚焦到檢測(cè)器陣列20上，由濾光器36A反射的任意其他到達(dá)檢測(cè)器陣列20的光線是可忽略不計(jì)的，因?yàn)楣饩€源自一個(gè)冷的區(qū)域，也就是， 接近檢測(cè)器自身的區(qū)域，該區(qū)域由圖1所示的低溫液體18來(lái)保持冰凍狀態(tài)。圖4所示的阻流板與圖5所示的遠(yuǎn)心裝置使由濾光器36A反射到檢測(cè)器陣列20 的光線最小化。這樣的反射光主要是產(chǎn)生自雜散輻射，因?yàn)闉V光器36A作為對(duì)于這些波長(zhǎng)的一個(gè)鏡子，可容易地引導(dǎo)大量的不希望的來(lái)自裝置10的環(huán)境的光子到達(dá)檢測(cè)器陣列20， 該濾光器36A對(duì)于所有波長(zhǎng)是高反射性的，除了濾光器36A高傳播率的波長(zhǎng)之外。在該光學(xué)組件鏈的其他組件，例如透鏡組30和32，被抗反射涂料所涂布，用于同樣的目的。圖6顯示了用于對(duì)場(chǎng)景沈成像的裝置的第二個(gè)實(shí)施例10’。實(shí)施例10’類似于實(shí)施例10，除了在望遠(yuǎn)鏡28內(nèi)，已經(jīng)放置的透鏡組32帶有一組一個(gè)或多個(gè)透鏡46，這些透鏡的表面48最接近于檢測(cè)器陣列20，凹向檢測(cè)器陣列20。這里，該濾光器不是從望遠(yuǎn)鏡28的聚焦光學(xué)系統(tǒng)中分離的光學(xué)元件，而是在表面48上的不吸收的涂層50。為了簡(jiǎn)化圖解，涂層50的厚度在圖6中是非?？浯蟮?。表面48的曲度的半徑是等于在表面48與沿著望遠(yuǎn)鏡觀的光軸的冷卻罩22的光圈之間的距離d。因此，涂層50的曲度的半徑也是等于在表面48與沿著望遠(yuǎn)鏡28的光軸的冷卻罩22的光圈之間的距離d。在本例中，對(duì)于望遠(yuǎn)鏡28 的光學(xué)系統(tǒng)，不需要包括一個(gè)中間聚焦平面，而可能僅通過(guò)替換透鏡組46，或至少通過(guò)替換最接近于檢測(cè)器陣列20的透鏡組46，來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)穿過(guò)多個(gè)濾光鏡的輻射，這是一個(gè)比在圖 1-5所示的實(shí)施例所采用的方法更為麻煩的方法。由表面48和在冷屏22自身上(而不是在feillivan的裝置內(nèi)的檢測(cè)器陣列20上) 的濾光器50來(lái)成像的冷屏22具有這樣的優(yōu)勢(shì)圖6所示的設(shè)計(jì)保持了由表面48和在檢測(cè)器陣列20上的濾光器50所反射的冷凍區(qū)域，而并不會(huì)將由于檢測(cè)器平面的非均勻發(fā)射導(dǎo)致的虛假重影導(dǎo)入到由檢測(cè)器陣列20所獲得的圖像上。類似于裝置10，裝置10’可選地包括一個(gè)或多個(gè)阻流板，以阻止來(lái)自環(huán)境的雜散發(fā)射到達(dá)檢測(cè)器陣列20。雖然本發(fā)明已經(jīng)根據(jù)有限數(shù)量的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但需要明確的是，本發(fā)明的許多變化、修飾和其他應(yīng)用都是可以實(shí)現(xiàn)的。因此，在權(quán)利要求中所敘述的本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于這里所描述的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)來(lái)自場(chǎng)景的紅外輻射成像的裝置，包括(a)所述紅外輻射的檢測(cè)器；(b)外殼，用于將所述檢測(cè)器保持在它的操作溫度中，所述外殼包括可透入所述紅外輻射的窗口 ；(c)光學(xué)系統(tǒng)，在所述外殼之外，用于將所述紅外輻射穿過(guò)所述窗口聚焦到所述檢測(cè)器上；(d)濾光器；以及(e)用于將所述濾光器定位在所述光學(xué)系統(tǒng)的中間聚焦平面上的機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述濾光器在所述檢測(cè)器所敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有可忽略不計(jì)的自發(fā)射。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述濾光器是干涉濾光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述濾光器是循環(huán)可變?yōu)V光器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述濾光器是線性可變?yōu)V光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述機(jī)構(gòu)將所述濾光器保持固定在所述中間聚焦平面的合適位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于包括多個(gè)所述濾光器，其中所述機(jī)構(gòu)是交替和可逆地將每個(gè)所述濾光器定位在所述中間聚焦平面的位置上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括(f)至少一個(gè)阻流板，用于屏蔽雜散輻射阻止其到達(dá)所述檢測(cè)器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述檢測(cè)器包括多個(gè)檢測(cè)器元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于關(guān)于所述光學(xué)系統(tǒng)的圖像空間，所述光學(xué)系統(tǒng)在所述中間聚焦平面內(nèi)是遠(yuǎn)心的。
11.一種用于對(duì)來(lái)自場(chǎng)景的紅外輻射成像的裝置，包括(a)所述紅外輻射的檢測(cè)器；(b)外殼，用于將所述檢測(cè)器保持在它的操作溫度中，所述外殼包括可透入所述紅外輻射的窗口 ；(c)光學(xué)系統(tǒng)，在所述外殼之外，用于將所述紅外輻射穿過(guò)所述窗口聚焦到所述檢測(cè)器上，所述光學(xué)系統(tǒng)包括(i)至少一個(gè)光學(xué)元件；以及(ii)在所述至少一個(gè)光學(xué)元件的一個(gè)元件的表面上，與所述檢測(cè)器具有散焦關(guān)系的濾光器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述濾光器在所述檢測(cè)器所敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有可忽略不計(jì)的自發(fā)射。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于所述濾光器是干涉濾光器。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，還包括(d)至少一個(gè)阻流板，用于屏蔽雜散輻射阻止其到達(dá)所述檢測(cè)器。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述檢測(cè)器包括多個(gè)檢測(cè)器元件。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述一個(gè)光學(xué)元件是最接近于所述窗口的光學(xué)元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于所述一個(gè)光學(xué)元件的所述表面是最接近于所述窗口的所述一個(gè)光學(xué)元件的表面，所述濾光器在該光學(xué)元件的表面上。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，還包括 (d)冷屏，在所述外殼內(nèi)，在所述窗口與所述檢測(cè)器之間；其中，所述一個(gè)光學(xué)元件的所述表面是凹向所述窗口，且該表面的曲度半徑等于所述表面與所述冷屏的光圈的距離，所述濾光器在該光學(xué)元件的表面上。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述濾光器是與所述窗口間隔分開的。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于被動(dòng)紅外成像的室溫濾光裝置。一種用于對(duì)來(lái)自場(chǎng)景的紅外輻射成像的裝置，包括所述紅外輻射的檢測(cè)器；用于將所述檢測(cè)器保持在它的操作溫度中的外殼；光學(xué)系統(tǒng)，在所述外殼之外，用于將所述紅外輻射穿過(guò)所述窗口聚焦到所述檢測(cè)器上；以及濾光器。在一個(gè)實(shí)施例中，所述濾光器是定位在所述光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)中間聚焦平面上。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述濾光器是在所述光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)光學(xué)元件的表面上，并與所述檢測(cè)器具有散焦關(guān)系。
文檔編號(hào)G01J5/08GK102183306SQ20111002765
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日
發(fā)明者摩西·拉維, 謝夫·阿塔, 達(dá)里奧·卡比比 申請(qǐng)人:Ci系統(tǒng)有限公司