本公開總體上涉及用于保護(hù)成像設(shè)備免受具有高輻射通量的光的系統(tǒng)和方法。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“高輻射通量光”意指具有以下可測(cè)量性質(zhì)中的任一個(gè)或多個(gè)的光：高輻射強(qiáng)度(w/sr)、高輻照度(w/m2)和高輻射率(w·sr-1·m-2)。這種高輻射通量光可為相干的(例如激光)或非相干的。
背景技術(shù)：
一個(gè)普遍問題是以可接受的低成本實(shí)現(xiàn)任務(wù)成功的高概率，盡管有危險(xiǎn)。越來(lái)越關(guān)注的危險(xiǎn)是可損壞光學(xué)傳感器(在下文中“成像傳感器”)的高輻射通量光，需要該光學(xué)傳感器以(a)安全操作交通裝置或(b)收集數(shù)據(jù)，諸如農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)或軍事監(jiān)視數(shù)據(jù)。該危險(xiǎn)通常起因于瞄準(zhǔn)交通裝置的激光。然而，其也可起因于弧焊設(shè)備、異常巨大或熱的火焰、閃電或核爆炸。
成像設(shè)備(諸如相機(jī)和望遠(yuǎn)鏡)尤其易被高輻射通量光損壞。通過設(shè)計(jì)，此類成像設(shè)備使用透鏡或反射鏡移件光聚焦到包括多個(gè)像素的成像傳感器(諸如焦平面陣列)上。這極大地增大了圖像中與高輻射通量源的位置對(duì)應(yīng)的像素上的光強(qiáng)度。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)表面無(wú)害的光可能具有對(duì)圖像傳感器損壞的輻射通量。高輻射通量光可通過熱入射、熔化或其它機(jī)制損壞圖像傳感器。
解決該問題的一個(gè)方法是使用激光傳感器以檢測(cè)在成像設(shè)備的視場(chǎng)中高輻射通量光的存在。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“激光傳感器”意指檢測(cè)高輻射通量光(上文定義)的傳感器。(為了避免疑惑，應(yīng)注意，如本文所用的術(shù)語(yǔ)“激光傳感器”并不意指僅檢測(cè)激光的傳感器或檢測(cè)所有激光的傳感器。相反，激光傳感器檢測(cè)具有超過指定閾值的輻射通量的任何光，包括但不限于高輻射通量激光)。激光傳感器經(jīng)由信號(hào)線將信號(hào)傳輸至成像設(shè)備內(nèi)的快門?？扉T關(guān)閉，阻擋光到達(dá)成像設(shè)備的圖像傳感器。該方法足夠應(yīng)對(duì)最弱威脅，諸如意外暴露于燈光表演中使用的的激光，但由于此系統(tǒng)中的反應(yīng)時(shí)間延遲，因此不足以應(yīng)對(duì)軍事狀況下普遍遇到的更強(qiáng)的光。
使成像設(shè)備配備有即使在最高強(qiáng)度光的情況下仍可在其損壞圖像傳感器之前阻擋該光的保護(hù)系統(tǒng)是有利的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
下面詳細(xì)公開的主題致力于用于防止高通量輻射光(諸如激光或核爆閃光)損害成像設(shè)備(諸如相機(jī)或望遠(yuǎn)鏡)的系統(tǒng)和方法。響應(yīng)于檢測(cè)到高輻射通量光，所提出的系統(tǒng)共享以下共同特征：快門足夠快地關(guān)閉以使阻擋來(lái)自源的光到達(dá)成像設(shè)備的焦平面。所提出的系統(tǒng)中的大多數(shù)包括折疊光路以增加用于關(guān)閉快門的可允許反應(yīng)時(shí)間。
下面詳細(xì)公開的主題的一個(gè)方面是一種成像設(shè)備，包括：激光傳感器，其被配置為響應(yīng)于具有大于指定閾值的輻射通量的光入射(impingement，撞擊)到激光傳感器上而輸出激活信號(hào)；圖像傳感器，其包括將入射光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的多個(gè)元件；第一路徑彎曲光學(xué)部件，其沿從激光傳感器附近的點(diǎn)延伸到圖像傳感器的光路設(shè)置；第一快門，其沿從第一路徑彎曲光學(xué)部件延伸到圖像傳感器的光路的一部分設(shè)置；以及信號(hào)線，其經(jīng)連接以將激活信號(hào)從激光傳感器傳送到第一快門。激光傳感器、信號(hào)線和第一快門可被配置為響應(yīng)于一些光和其它光(都具有大于指定閾值的輻射通量，分別同時(shí)到達(dá)激光傳感器與光路的起始點(diǎn))，第一快門將響應(yīng)于經(jīng)由信號(hào)線從激光傳感器接收激活信號(hào)，而在其它光入射其上之前變?yōu)椴煌该?。光路被配置為產(chǎn)生從激光傳感器附近傳播到第一快門的光的飛行時(shí)間延遲，并且激光傳感器、信號(hào)線和第一快門被配置為產(chǎn)生從高輻射通量到達(dá)激光傳感器的時(shí)間到第一快門變?yōu)椴煌该鞯臅r(shí)間的快門延遲，其中飛行時(shí)間延遲大于快門延遲。成像設(shè)備可進(jìn)一步包括沿從第一路徑彎曲光學(xué)部件延伸到第一快門的光路的一部分設(shè)置的第二快門。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一快門包括電光快門，并且第二快門包括機(jī)械快門。
下面詳細(xì)公開的主題的另一方面是一種儀器，包括：激光傳感器，其被配置為響應(yīng)于具有大于指定閾值的輻射通量的光入射在其上而輸出激活信號(hào)；第一路徑彎曲光學(xué)部件，其沿從激光傳感器附近的點(diǎn)延伸到儀器的焦平面的光路設(shè)置；快門，其沿從第一路徑彎曲光學(xué)部件延伸到焦平面的光路的一部分設(shè)置；以及信號(hào)線，其經(jīng)連接以將激活信號(hào)從激光傳感器傳送到快門。該儀器可進(jìn)一步包括第二路徑彎曲光學(xué)部件、第三路徑彎曲光學(xué)部件和第四路徑彎曲光學(xué)部件，其中第二路徑彎曲光學(xué)部件沿從第一路徑彎曲光學(xué)部件延伸到焦平面的光路的一部分設(shè)置，第三路徑彎曲光學(xué)部件沿從第二路徑彎曲光學(xué)部件延伸到焦平面的光路的一部分設(shè)置，以及第四路徑彎曲光學(xué)部件沿從第三路徑彎曲光學(xué)部件延伸到焦平面的光路的一部分設(shè)置。
另外一方面是一種成像設(shè)備，包括：激光傳感器，其被配置為響應(yīng)于具有大于指定閾值的輻射通量的光在其上的入射而輸出激活信號(hào)；圖像傳感器，其包括將入射光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的多個(gè)元件；用于增加光沿從激光傳感器附近的點(diǎn)延伸到圖像傳感器的光路的飛行時(shí)間的裝置；快門，其沿從具有高折射率的大量物質(zhì)延伸到圖像傳感器的光路的一部分設(shè)置；以及信號(hào)線，其經(jīng)連接以將激活信號(hào)從激光傳感器傳送到快門。在一些實(shí)施例中，執(zhí)行增加光沿光路的飛行時(shí)間的功能的結(jié)構(gòu)包括具有高折射率的大量物質(zhì)。在其它實(shí)施例中，執(zhí)行增加光沿光路的飛行時(shí)間的功能的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)或多個(gè)反射表面。
下面公開的主題的又一方面是一種方法，包括：(a)檢測(cè)進(jìn)入光學(xué)儀器的高于指定閾值的輻射通量；(b)當(dāng)達(dá)到或超過指定閾值時(shí)，經(jīng)由信號(hào)線發(fā)送激活信號(hào)到設(shè)置在光學(xué)儀器內(nèi)的快門；(c)以等于飛行時(shí)間延遲的時(shí)間量延遲入射光至光學(xué)儀器內(nèi)的快門的到達(dá)；以及(d)響應(yīng)于發(fā)送激活信號(hào)，快門在步驟(a)發(fā)生時(shí)的時(shí)間過去總快門延遲之后的時(shí)間變?yōu)椴煌该?，其中飛行時(shí)間延遲大于總快門延遲。
用于防護(hù)成像設(shè)備免受高輻射通量光的系統(tǒng)和方法的其它方面在下面公開。
附圖說(shuō)明
圖1是表示將進(jìn)入光聚焦到焦平面上以由此提高光強(qiáng)度的成像設(shè)備的圖示。
圖2是表示配備有快門的成像設(shè)備的圖示，該快門可在激光傳感器檢測(cè)到高輻射通量光時(shí)被激活為關(guān)閉。
圖3a是針對(duì)不同強(qiáng)度i1和i2的兩種激光攻擊，在成像設(shè)備焦平面的光強(qiáng)度對(duì)時(shí)間的曲線圖。
圖3b是針對(duì)產(chǎn)生圖3a中所描繪的相應(yīng)強(qiáng)度分布的兩種激光攻擊，在成像設(shè)備的焦平面的溫度對(duì)時(shí)間的曲線圖。
圖4是描繪根據(jù)第一實(shí)施例的配備有具有一個(gè)快門的保護(hù)系統(tǒng)的成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能方面的圖示。
圖5是描繪根據(jù)第二實(shí)施例的配備有具有較慢機(jī)械快門的保護(hù)系統(tǒng)的成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能方面的圖示，該較慢機(jī)械快門在較快電光快門的“上游”。
圖6是針對(duì)圖5所描繪的成像設(shè)備，在焦平面的溫度對(duì)時(shí)間的曲線圖。
圖7是描繪根據(jù)第三實(shí)施例的具有卡塞格林反射器的望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)和功能方面的圖示，該望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步配備有具有位于副鏡附近處的快門的保護(hù)系統(tǒng)。
圖8是描繪根據(jù)第四實(shí)施例的具有卡塞格林反射器的望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)和功能方面的圖示，該望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步配備有具有位于主鏡后面的快門的保護(hù)系統(tǒng)。
圖9是描繪根據(jù)第五實(shí)施例的牛頓望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)和功能方面的圖示，該牛頓望遠(yuǎn)鏡配備有具有接近激光傳感器的快門的保護(hù)系統(tǒng)。
圖10是描繪根據(jù)第六實(shí)施例的成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能方面的圖示，該成像設(shè)備配備有具有快門的保護(hù)系統(tǒng)，其中多個(gè)路徑彎曲光學(xué)器件建立非常長(zhǎng)的光路。
圖11是描繪根據(jù)第七實(shí)施例的成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能方面的圖示，該成像設(shè)備配備有具有快門的保護(hù)系統(tǒng)，其中光路通過具有高折射率的物質(zhì)有效延長(zhǎng)。
圖12是描繪根據(jù)第八實(shí)施例的配備有具有快門和延長(zhǎng)的光路的保護(hù)系統(tǒng)的潛望鏡的結(jié)構(gòu)和功能方面的圖示。
在下文中參考附圖，其中，不同附圖中的相似元件標(biāo)有相似的參考標(biāo)號(hào)。
具體實(shí)施方式
保護(hù)系統(tǒng)的例示性實(shí)施例的一些在下面詳述。然而，并非實(shí)際實(shí)施方案的所有特征在本說(shuō)明書中描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在任何此類實(shí)際實(shí)施例的開發(fā)中，必須做出眾多實(shí)施方案特定的決策以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，諸如符合將從一個(gè)實(shí)施方案到另一個(gè)變化的系統(tǒng)相關(guān)的和商業(yè)相關(guān)的約束。此外，將認(rèn)識(shí)到，此開發(fā)努力可能是復(fù)雜和耗時(shí)的，然而將是具有本公開的益處的本領(lǐng)域技術(shù)人員從事的路線。
通過設(shè)計(jì)，成像設(shè)備使用透鏡或反射鏡將光聚焦到圖像傳感器上。圖1描繪成像設(shè)備10a，其具有透鏡12、圖像傳感器14和外殼16。外殼16具有入射光在其路上傳播至成像設(shè)備10a的焦平面所經(jīng)由的孔。圖1中的箭頭指示由透鏡12聚焦到圖像傳感器14的一部分上以由此提高光強(qiáng)度的各個(gè)進(jìn)入光線18的光路18。(其它光線未示出以避免使附圖混亂)。這極大地增大了圖像中與高輻射通量光源的位置對(duì)應(yīng)的像素上的強(qiáng)度。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)表面無(wú)害的光具有的強(qiáng)度可損壞圖像傳感器14。
解決該問題的一個(gè)方法在圖2中描繪，圖2示出成像設(shè)備10b，其具有透鏡12、圖像傳感器14、激光傳感器20和快門22，這些部件都可直接或間接(通過未示出的支撐裝置)附接到外殼16。激光傳感器20檢測(cè)成像設(shè)備的視場(chǎng)中高輻射通量光的存在。當(dāng)檢測(cè)到高輻射通量光時(shí)，激光傳感器20經(jīng)由信號(hào)線24傳輸激活信號(hào)至快門22。響應(yīng)于接收該激活信號(hào)，快門22變?yōu)椴煌该?，由此阻擋進(jìn)入光中的至少一些到達(dá)設(shè)置在成像設(shè)備10b的焦平面處的圖像傳感器14。
圖2中描繪的方法可能不足以阻擋軍事狀況下普遍遇到的強(qiáng)光。該不足的原因在于以下三個(gè)延遲：(1)激光傳感器響應(yīng)時(shí)間δtsensor(任何激光傳感器需要非零時(shí)間以檢測(cè)高輻射通量光到達(dá)和發(fā)送信號(hào))；(2)信號(hào)傳輸時(shí)間δttransit(信號(hào)必須從激光傳感器20傳輸?shù)娇扉T22；其不會(huì)比0.3米/納秒的光速傳播得更快)；以及(3)快門響應(yīng)時(shí)間δtresponse(沒有快門立即關(guān)閉；其需要非零反應(yīng)時(shí)間以在信號(hào)到達(dá)后變?yōu)椴煌该?；反?yīng)時(shí)間越短，快門越貴)。這些延遲可相加以產(chǎn)生單個(gè)值δtshutter，其為從高輻射通量光到達(dá)激光傳感器時(shí)到快門22變?yōu)椴煌该鲿r(shí)的總快門延遲。
圖3a是針對(duì)不同強(qiáng)度i1和i2的兩種激光攻擊，在圖像傳感器的光強(qiáng)度對(duì)時(shí)間的曲線圖。圖3b是針對(duì)與圖3a的相同激光攻擊，在相同圖像傳感器的溫度對(duì)時(shí)間的曲線圖。
圖3a中標(biāo)記為i1的曲線表示開始于時(shí)間t0的相對(duì)低強(qiáng)度的攻擊。圖3b中標(biāo)記為t1(t)的曲線表示在焦平面的對(duì)應(yīng)溫度。在t0開始，溫度從初始值t0上升向損壞閾值tdamage。在其達(dá)到該閾值之前，快門22在時(shí)間tclose關(guān)閉。溫度停止上升并且圖像傳感器14免于損壞。
圖3a中標(biāo)記為i2的曲線表示較高強(qiáng)度的攻擊。圖3b中標(biāo)記為t2(t)的曲線表示在焦平面的對(duì)應(yīng)溫度。如上，溫度從初始值t0上升，但假設(shè)較高強(qiáng)度i2，溫度比在弱攻擊中更快上升。在快門于tclose關(guān)閉之前，溫度超過損壞閾值tdamage。在該事件中，圖像傳感器14可受損或毀壞。相反，在下面詳述的保護(hù)系統(tǒng)可甚至在高強(qiáng)度光的情況下能夠在高強(qiáng)度光損壞焦平面之前阻擋該高強(qiáng)度光。
圖4描繪根據(jù)第一實(shí)施例的配備有保護(hù)系統(tǒng)的成像設(shè)備10c的結(jié)構(gòu)和功能方面。成像設(shè)備10c包括以下元件：透鏡12(或其它圖像形成光學(xué)器件)、圖像傳感器14(或其它圖像傳感器)；反射鏡28(或一個(gè)或多個(gè)其它路徑彎曲(pathbending)光學(xué)器件)；激光傳感器20；快門22(電光的、機(jī)械的，等等)；信號(hào)線24(電線、同軸電纜或光纖)、具有孔的外殼16a；以及擋板26。如圖4所示，反射鏡28將來(lái)自透鏡12的光反射到圖像傳感器14上?？扉T22在關(guān)閉時(shí)阻擋光路以保護(hù)圖像傳感器14。從接近激光傳感器20的點(diǎn)經(jīng)由反射鏡28到快門22的光路長(zhǎng)度比從激光傳感器20到快門22的信號(hào)線24的長(zhǎng)度長(zhǎng)得多。拉伸的外殼16a包圍并保護(hù)部件和光路。擋板26阻擋通過衍射、灰塵或透鏡12上的其它瑕疵而散射的任何光經(jīng)由任何光路(其光路長(zhǎng)度小于從接近激光傳感器20的點(diǎn)經(jīng)由反射鏡28到快門22的光路長(zhǎng)度)到達(dá)快門22。
根據(jù)圖4所描繪的實(shí)施例，用于防護(hù)圖像裝置10c免受進(jìn)入的高輻射通量光的過程包括以下主要步驟：
(1)激光傳感器20(接近孔放置)檢測(cè)具有高于指定閾值的輻射通量的光。
(2)當(dāng)達(dá)到或超過指定閾值時(shí)，激光傳感器20經(jīng)由信號(hào)線24發(fā)送激活信號(hào)(電信號(hào)或光信號(hào))到快門22。
(c)同時(shí)，高輻射通量光以長(zhǎng)光路傳播通過外殼16a。該光路的第一部分18a(在圖4中由第一箭頭指示并具有長(zhǎng)度δs1)從激光傳感器20附近的點(diǎn)延伸到反射鏡28；該光路的第二部分18b(在圖4中由第二箭頭指示并具有長(zhǎng)度δs2)從反射鏡28延伸到快門22。
(4)響應(yīng)于從激光傳感器20接收激活信號(hào)，快門變?yōu)椴煌该鳌?/p>
(5)當(dāng)高輻射通量光到達(dá)快門22(現(xiàn)在在不透明狀態(tài))時(shí)，足夠的入射光被阻擋以防止損壞圖像傳感器14。
(6)激光傳感器20檢測(cè)光亮度級(jí)返回到低于指定閾值并發(fā)送去激活信號(hào)，其使得快門22打開(即，變?yōu)橥该?。
在操作中，光路長(zhǎng)度δs足夠長(zhǎng)以強(qiáng)加飛行時(shí)間延遲δs/c，其中c為光速，并且該飛行時(shí)間延遲大于總快門延遲δtshutter，即，
δs/c>δtshutter(1)
對(duì)于如圖4所示的雙支路光路，并且示出δtshutter的所有要素，該公式變?yōu)椋?/p>
(δs1+δs2)/c>δtsensor+δttransit+δtresponse(2)
其中δs1為從激光傳感器20附近的點(diǎn)到反射鏡28的光路，并且δs2為從反射鏡28到快門22的光路。
本文所公開的各種成像設(shè)備的共同元件將在下面單獨(dú)標(biāo)題的子節(jié)中更一般地描述。
圖像傳感器
圖像傳感器14可包括凝視焦平面陣列，其包括將入射光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的多個(gè)元件，諸如對(duì)可見或紅外波長(zhǎng)靈敏的電荷耦合器件(ccd)。在替代方式中，其可以是單像素相機(jī)(壓縮成像系統(tǒng))、成像電光倍增管、光導(dǎo)攝像管、光化學(xué)膜或其它。
圖像形成光學(xué)器件
圖像形成光學(xué)器件可包括在圖像傳感器上聚焦光以創(chuàng)建圖像的透鏡、反射鏡或其組合。其可以是單個(gè)光學(xué)元件，諸如圖4所示的透鏡12，或多元件系統(tǒng)，諸如消色差透鏡、牛頓反射鏡系統(tǒng)，或施密特-卡塞格林透鏡-反射鏡組合。
路徑彎曲光學(xué)器件
路徑彎曲光學(xué)器件可包括改變光方向的光學(xué)元件，諸如反射鏡28。優(yōu)選地，該方向改變至少90°。這包括形成圖像的光和可損壞圖像傳感器的光。改變光方向允許光的路徑長(zhǎng)度變得比快門信號(hào)的路徑長(zhǎng)度大得多。除了如圖4所示的單個(gè)平面鏡28之外，該光學(xué)元件可以是反射棱鏡、多個(gè)反射鏡(mirror，平面鏡)或其組合。在一些實(shí)施例(后面更詳細(xì)描述)中，反射鏡被彎曲并且為圖像形成光學(xué)器件的部分。
激光傳感器
激光傳感器為與成像設(shè)備具有大體相同的視場(chǎng)的光敏電子設(shè)備。當(dāng)充分高輻射通量的光出現(xiàn)在其視場(chǎng)中時(shí)，激光傳感器通常迅速地在小于1納秒中傳輸信號(hào)。如圖4中所見，激光傳感器20優(yōu)選地位于快門22附近，因此從激光傳感器20到快門22的信號(hào)線24將較短。激光傳感器20通常遠(yuǎn)不如圖像傳感器14靈敏，因?yàn)槠鋬H需要響應(yīng)高輻射通量光。其也可以暴露于具有比圖像傳感器14能夠暴露的輻射能更高的輻射能的光而不受損。通常的激光傳感器包括具有閾值設(shè)置功能的處理器、電光檢測(cè)器和透鏡或提供方向性的其它聚焦元件。
快門
快門22為具有兩個(gè)狀態(tài)的裝置。在一個(gè)狀態(tài)中，快門22至少部分阻擋光通過。在另一狀態(tài)中，快門22允許光通過?？扉T22可包括交叉偏振器，其圍繞快速作用的磁光或電光裝置，諸如普克爾斯盒、克爾盒、法拉第調(diào)制器或有源矩陣液晶柵格(類似于在液晶顯示器中使用的技術(shù))。為給予快門22盡可能多的時(shí)間以接收激活信號(hào)和作出響應(yīng)，快門22通常鄰近圖像傳感器14并盡可能靠近激光傳感器20。
信號(hào)線
如圖4所描繪，信號(hào)線24將信號(hào)從激光傳感器20傳送到快門22。信號(hào)線24被配置為采取從激光傳感器20到快門22的盡可能直接的路線。對(duì)于光信號(hào)，信號(hào)線24可以是光纖(信號(hào)速度～2x108m/s)或其可以是信號(hào)以3x108m/s沿其移動(dòng)的自由空間路徑(可能由空心管屏蔽)。對(duì)于電信號(hào)，信號(hào)線24被配置為具有每單位長(zhǎng)度的最小電感和電容以實(shí)現(xiàn)最高可能信號(hào)速度。
外殼
必須給予快門22時(shí)間以從激光傳感器20接收激活信號(hào)和改變狀態(tài)。延長(zhǎng)光到達(dá)圖像傳感器14采取的路徑允許這點(diǎn)發(fā)生。存在可使用的多個(gè)外殼設(shè)計(jì)。關(guān)鍵要素是光必須傳播的距離與信號(hào)必須傳播的距離的關(guān)系。以0.3米/納秒，兩米路徑給出6納秒延遲。圖4所示的外殼16a可設(shè)計(jì)成通過將反射鏡28安置在距離激光傳感器20和快門22中的每個(gè)為一米處，以在一米長(zhǎng)度中實(shí)現(xiàn)兩米路徑。
現(xiàn)將為了例示多種方式的目的詳述配備有保護(hù)系統(tǒng)的圖像裝置的可替換實(shí)施例，其中本文公開的概念可被縮減來(lái)進(jìn)行實(shí)踐。
在一些可替換實(shí)施例中，存在第二快門，其為機(jī)械的。機(jī)械快門太慢而不能在高輻射通量光到達(dá)圖像傳感器之前起作用，但一旦關(guān)閉，其阻擋100％的光。提供(買得起的)的電光快門通常不阻擋100％的光，因此一些可替換實(shí)施例串聯(lián)使用兩種快門；電光快門迅速起作用以阻擋大部分光，并且機(jī)械快門隨后阻擋剩余光。
圖5描繪根據(jù)第二實(shí)施例的配備有保護(hù)系統(tǒng)的成像設(shè)備10d的結(jié)構(gòu)和功能方面的圖示。在該實(shí)施例中，保護(hù)系統(tǒng)包括在較快電光快門22b“上游”的較慢機(jī)械快門22a。機(jī)械快門22a比電光快門22b更“堅(jiān)固”(即，更結(jié)實(shí))，因此如圖5所示，機(jī)械快門22a被安置以防護(hù)較脆弱、較昂貴的電光快門22b免于延長(zhǎng)暴露于高輻射通量光。
圖6示出添加機(jī)械快門22a以幫助保護(hù)圖像傳感器14的方式。在附圖中未示出從激光傳感器20到機(jī)械快門22a的信號(hào)線以避免混亂。假設(shè)電光快門22b的總快門延遲為δtshutter_1，電光快門22b在時(shí)間tclose_1關(guān)閉，但由于其不阻擋100％的光，圖像傳感器14(或其它圖像傳感器)的溫度繼續(xù)緩慢上升。假設(shè)機(jī)械快門22a的總快門延遲δtshutter_2比電光快門22b的總快門延遲δtshutter_1更長(zhǎng)，機(jī)械快門22a在時(shí)間tclose_2關(guān)閉，其比電光快門22b關(guān)閉時(shí)的時(shí)間tclose_1更晚。關(guān)閉的機(jī)械快門阻擋100％的光，因此在圖像傳感器14(或其它圖像傳感器)的溫度不再進(jìn)一步上升(即不達(dá)到可能發(fā)生損壞的溫度tdamage)。
許多成像系統(tǒng)使用卡塞格林光學(xué)配置?？ㄈ窳址瓷淦魇前济嬷麋R30和凸面副鏡32的組合，經(jīng)常用于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。在對(duì)稱卡塞格林反射器中，兩個(gè)反射鏡均關(guān)于光軸對(duì)齊，并且主鏡30通常在中心中包含孔，因此容許光到達(dá)目鏡、相機(jī)或光檢測(cè)器。圖7描繪配備有具有接近副鏡32的快門22的保護(hù)系統(tǒng)的卡塞格林成像設(shè)備10e(例如，具有卡塞格林反射器的望遠(yuǎn)鏡)的結(jié)構(gòu)和功能方面。圖7示出使用卡塞格林主鏡30作為路徑彎曲光學(xué)元件和圖像形成光學(xué)元件兩者。進(jìn)入光線經(jīng)由相應(yīng)的長(zhǎng)光路傳播而通過外殼16b。兩條光線的相應(yīng)光路的第一部分18a從激光傳感器20附近的點(diǎn)延伸到主鏡30；兩條光線的相應(yīng)光路的第二部分18b從主鏡30延伸到副鏡32；以及兩條光線的相應(yīng)光路的第三部分18c從副鏡32延伸到圖像傳感器14。
圖7所描繪的實(shí)施例的益處為光在其到圖像傳感器14的路上經(jīng)過快門22兩次。這提高快門22的有效不透明度：在單通中阻擋90％光的快門22在雙通中阻擋99％的光。這允許便宜的快門與更昂貴的快門其一樣好的作用。
圖7所描繪的實(shí)施例的缺點(diǎn)是快門22周圍的硬件可阻擋一些光，降低望遠(yuǎn)鏡性能。圖8描繪避免該缺點(diǎn)的可替換方式。在該實(shí)施例中，卡塞格林成像設(shè)備10f配備有具有快門22的保護(hù)系統(tǒng)，快門22設(shè)置在主鏡30后面和圖像傳感器14前面。將快門22放置在主鏡30后面使額外快門硬件放置在光路外。在一些應(yīng)用中，這可以是優(yōu)選的，盡管損失了由圖7所描繪的實(shí)施例提供的雙通優(yōu)點(diǎn)。
圖9描繪根據(jù)另一實(shí)施例的配備有具有接近激光傳感器20的快門22的保護(hù)系統(tǒng)的牛頓成像設(shè)備10g(例如牛頓望遠(yuǎn)鏡)的結(jié)構(gòu)和功能方面。進(jìn)入光被凹面主鏡30反射和聚焦到平面對(duì)角副鏡32a上，后者進(jìn)而將聚焦光束反射到圖像傳感器14上。該光學(xué)配置將快門22放置在外殼16c中的孔后面并且非?？拷す鈧鞲衅?0，且保持額外快門硬件在光路之外。
圖10描繪根據(jù)可替換實(shí)施例的配備有具有快門22的保護(hù)系統(tǒng)的成像設(shè)備10h的結(jié)構(gòu)和功能方面，其中多個(gè)路徑彎曲光學(xué)器件創(chuàng)建非常長(zhǎng)的光路。成像設(shè)備10h包括以下元件：透鏡12、圖像傳感器14、反射鏡28a和28b、激光傳感器20、快門22、信號(hào)線24、具有孔的外殼16d，以及一對(duì)擋板26a和26b。如圖10中箭頭所指示，第一反射鏡28a將來(lái)自透鏡12的光反射到反射鏡28b上；反射鏡28b將來(lái)自反射鏡28a的光反射回到反射鏡28a；以及反射鏡28a將來(lái)自反射鏡28b的光反射向快門22。快門22在不透明時(shí)至少部分地阻擋光路以保護(hù)圖像傳感器14。從接近激光傳感器20的點(diǎn)到快門22的光路長(zhǎng)度比從激光傳感器20到快門22的信號(hào)線24的長(zhǎng)度長(zhǎng)得多。更具體地，進(jìn)入激光以長(zhǎng)光路傳播通過外殼16d。該光路的第一部分18a(在圖10中由第一箭頭指示)從激光傳感器20附近的點(diǎn)延伸到反射鏡28a；該光路的第二部分18b(由第二箭頭指示)從反射鏡28a延伸到反射鏡28b；該光路的第三部分18c(由第三箭頭指示)從反射鏡28b延伸到反射鏡28a；以及最終，該光路的第四部分18d(由第四箭頭指示)從反射鏡28a延伸到快門22。
在圖4、圖5和圖7至圖9所描繪的實(shí)施例中，成像設(shè)備具有在光路中的一個(gè)或兩個(gè)主彎曲。圖10所描繪的實(shí)施例使用多個(gè)路徑彎曲光學(xué)器件以在有限物理空間中創(chuàng)建非常長(zhǎng)的光路。為例示簡(jiǎn)便，這里所示的版本保持光路大體上在單個(gè)平面中并且在光路中具有非交叉支路。更復(fù)雜的實(shí)施例通過具有交叉(例如在星形圖案或三維網(wǎng)格中)的光路支路將裝置體積最小化。多個(gè)反射表面可引入大量光學(xué)誤差，因此一些實(shí)施例在快門和圖像傳感器之間使用自適應(yīng)光學(xué)器件以校正任何誤差。
在先前所描述實(shí)施例中，設(shè)備包括折疊光路。延遲高輻射量光到達(dá)圖像傳感器的另一種方式是使用具有高折射率的物質(zhì)以延遲飛行時(shí)間。
圖11描繪根據(jù)另一可替換實(shí)施例的成像設(shè)備10i的結(jié)構(gòu)和功能方面。在該配置中，光路18的一部分填充了具有高折射率n的透明物質(zhì)34(固體、液體或氣體)。即，光在材料中的速度減緩至1/1.33(水)至1/4.0(鍺，用于長(zhǎng)波紅外成像器)或更高(奇異物質(zhì)諸如玻色-愛因斯坦凝聚)。因此光路由設(shè)置在外殼16e內(nèi)的高折射率物質(zhì)34有效延長(zhǎng)。沿信號(hào)線24傳播的信號(hào)未減緩，因此它們可與真空中光速一樣快地傳播。給定充足長(zhǎng)度的光路，激活信號(hào)良好地在高輻射通量光之前到達(dá)快門22。每當(dāng)以下關(guān)系為真時(shí)，快門22在光到達(dá)其之前變?yōu)椴煌该?即，關(guān)閉)。
nδs/c>δtshutter(3)
更具體地，光路可包括多個(gè)支路，每個(gè)支路i具有長(zhǎng)度δsi和折射率ni。在此情況下，適當(dāng)關(guān)系為：
(∑niδsi)/c＞δtshutter(4)
其中∑表示所有支路的總和。
一些實(shí)施例可使用折疊光路和至少部分地填充了高折射率物質(zhì)的路徑兩者。另外，當(dāng)路徑彎曲元件為棱鏡時(shí)，棱鏡的折射率為至少1.3，因此傳播通過其的光經(jīng)歷了充分延遲。在一些實(shí)施例中，棱鏡被設(shè)計(jì)成具有巨大的內(nèi)部路徑長(zhǎng)度，并且結(jié)合了具有異常高的折射率的材料。
上面所描述的實(shí)施例每個(gè)都具有在圖像形成光學(xué)器件和圖像傳感器之間的快門。在一些實(shí)施例中(通常其中圖像形成光學(xué)器件具有短焦距)，圖像形成光學(xué)器件可在快門和圖像傳感器之間(即，在快門“下游”)。路徑彎曲光學(xué)器件和激光傳感器將保持在快門“上游”。
將圖像形成光學(xué)器件放在快門“下游”的特殊情況為保護(hù)人類觀察者的實(shí)施例，即，圖像形成光學(xué)器件和圖像傳感器均為人眼的部分?，F(xiàn)有技術(shù)包括許多形式的潛望鏡：用于潛艇的潛望鏡、用于坦克裝甲炮塔的、堡壘和海軍船只上的潛望鏡，用于塹壕戰(zhàn)的潛望鏡，以及用于由警察暗中監(jiān)視的潛望鏡。圖12是描繪配備有具有放置在人類觀察者6前面的快門22并進(jìn)一步具有延長(zhǎng)的光路的保護(hù)系統(tǒng)的潛望鏡8的結(jié)構(gòu)和功能方面的圖示。穿過潛望鏡8的延長(zhǎng)光路允許快門22在高輻射通量光到達(dá)人類觀察者6的眼睛之前關(guān)閉。
在圖12所描繪的實(shí)施例中，平常的潛望鏡結(jié)構(gòu)在觀察者眼睛下面延伸以增加光路。(為清晰，省略潛望鏡光學(xué)器件的其它部分)。該更長(zhǎng)路徑允許來(lái)自激光傳感器20的信號(hào)在高輻射通量光到達(dá)快門22之前到達(dá)快門22。該光路的第一部分18a(在圖12中由第一箭頭指示)從激光傳感器20附近的點(diǎn)延伸到反射鏡36；該光路的第二部分18b(由第二箭頭指示)從反射鏡36延伸到棱鏡38的第一面；該光路的第三部分18c(由第三箭頭指示)從棱鏡38的第一面延伸到棱鏡38的第二面；該光路的第四部分18d(由第四箭頭指示)從棱鏡38的第二面延伸到反射鏡40以及最終，該光路的第五部分18e(由第五箭頭指示)從反射鏡40延伸到快門22。
在其它實(shí)施例(未示出)中，潛望鏡的前向開口可在與人類觀察者相同的高度。在這些實(shí)施例中，問題不是越過障礙物觀察，而是簡(jiǎn)單地防護(hù)觀察者眼睛免受高輻射通量激光或其它高輻射通量光。
可以采用用于快門關(guān)閉的可替換準(zhǔn)則。激活閾值可以基于輻射強(qiáng)度(例如，瓦特/球面弧度)、輻照度(例如，瓦特/平方米)、輻射率(例如，瓦特/球面弧度/平方米)。稍微不同的激光傳感器可根據(jù)是檢測(cè)輻射率還是輻照度來(lái)采用。為了檢測(cè)輻照度，激光傳感器可包括單個(gè)光電檢測(cè)器。為檢測(cè)輻射率，激光傳感器應(yīng)包括聚焦元件、具有多個(gè)像素的光敏芯片，以及當(dāng)一個(gè)像素上的光的量超過閾值時(shí)發(fā)出激活信號(hào)的處理器。
盡管已參考各種實(shí)施例描述了具有用于激光防護(hù)的裝置的成像設(shè)備和儀器，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解可做出各種改變和可替換等同物的元件，而不背離本文的教導(dǎo)。另外，可做出許多修改以使本文所公開的概念和對(duì)實(shí)踐的縮減適應(yīng)于具體狀況。因此，本公開意圖由權(quán)利要求覆蓋的主題不限于所公開的實(shí)施例。
所附的過程權(quán)利要求不應(yīng)解釋為需要本文中所陳述的步驟以字母順序執(zhí)行(權(quán)利要求中的任何字母排序僅用于引用先前陳述的步驟)，或以其中陳述它們的順序執(zhí)行。它們也不應(yīng)解釋為排除同時(shí)或交替執(zhí)行兩個(gè)或更多個(gè)步驟的任何部分。