CN107407596B - 用于检测气体的光学滤波设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学滤波设备(10)，特别是用于远程检测气体，该设备包括一包括管状通道的构件(22、24、26)，所述管状通道容纳多个能够反射红外波长的反射结构(34a、34b、34c、34d)，所述结构(34a、34b、34c、34d)沿着管状通道的轴线伸展并且围绕该轴线布置。根据本发明，所述反射结构(34a、34b、34c、34d)包括通过吸收位于红外谱带中的不同的波长波段进行滤波的滤波装置。

Description

用于检测气体的光学滤波设备

本发明涉及一种用于波长光学滤波的设备以及一种通过上述光学滤波设备进行远程光学气体检测的设备，特别是可用于工业场所诸如化工厂、炼油厂、气体储存设施等的监视。本发明当然不限于上述应用，并且可以例如用于可能使用有害气体的冲突地区的军事行动中。

文献EP-A-0544962和WO 03/044499公开了一种与光学测量和参比滤波器相关联的红外成像仪，所述滤波器在成像仪的光轴上相继布置，并且所述滤波器具有含有目标气体的吸收线的通带(用于测量滤波器)，或者所述滤波器与该吸收线互补(用于参比滤波器)。将受观察区域的底部用作红外源，并且通过对通过滤波器采集的红外图像进行示差处理来证明目标气体的存在，由此该处理使得可以计算检测到的气体的浓度。

在实践中，通过机动化转盘承载一组测量和参比滤波器，以将滤波器相继放到成像仪的光轴上。顺次获取受观察区域在与滤波器的通带对应的不同谱带中的图像，并将这些图像在时间上以对应于滤波器变更的间隔彼此分隔。这些间隔降低了成像仪的总体灵敏度，该成像仪在滤波器变更期间处于“盲区”。而且，受观察区域在同一谱带中的两个相继的图像由相对较长的时间段分隔，该时间段对应于滤波轮完成一整圈旋转所花费的时间，这影响所处理的图像的时间相干性并且在受观察区域中检测到快速移动的情况下会产生问题。

此外，滤波轮的机动化装置是噪声和振动源，并且降低成像仪的总体可靠性。另外，可移动构件即轮子的使用意味着必须控制设备经受的振动水平，以防止振动影响转动构件的工作。

还已知一种包括管件的滤波设备，该管件容纳多个沿着管件的轴线伸展并且围绕该轴线并排设置的反射镜。来自受观察空间区域的光流在管件中传播并且在反射镜上反射，这导致形成多个子图像，所述子图像的数目和形状根据公知的万花筒工作原理随反射镜的数目和布置的变化而变。在管件的出口处设置一光检测器阵列以采集不同的图像。因此，已提出设置一平面滤波器，该平面滤波器包括多个并置区域，所述并置区域用于各自吸收不同的频带。

尽管该配置使得可以在多个不同的频带中执行时间滤波，但已表明平面滤波器的使用是棘手的，因为它要求在滤波器的下游添加聚焦装置以将经滤波的光线聚焦到检测器阵列上。

本发明的目的特别在于以一种简单、有效且经济的方式避免这些缺点。

为此，提出一种光学滤波设备，特别是用于远程气体检测，该设备包括一包括管状通道的构件，所述管状通道容纳多个能够反射红外波长的反射结构，所述结构沿着所述管状通道的轴线伸展并围绕该轴线布置，其特征在于，所述反射结构包括通过吸收位于红外谱带中的不同的波长波段进行滤波的滤波装置。

因而，本发明提出通过由反射结构承载的滤波结构执行滤波，使得不必使用包括多个滤波区域的平面滤波器。另外，这样的布置使得可以减少光学滤波设备在其光轴方向上所需的空间，因为滤波装置被整合到反射结构中。

与包括移动滤波轮的设备相比，设备的振动以及其对振动的敏感性也得以消除。由于不存在可移动部件，根据本发明的滤波设备因此可以用于暴露于显著振动的环境诸如无人机或者直升机中。

根据本发明，反射结构至少能够反射红外波长，即0.78μm到5mm之间的波长。这是因为，当光学滤波设备用于气体检测设备中时，指示待检测气体存在的波长位于红外区中。更具体地说，吸收波段的波长将位于红外区即3μm至50μm之间，在0.78μm至3μm之间的近红外区，以及对应于50μm至5mm之间的波长的远红外区。

根据本发明的另一特征，至少一个反射结构包括一承载滤波装置的承载体。在一种实际实施方案中，滤波装置由表面等离激元结构形成。

尽管在以透射方式工作的带阻滤波器的情况下使用表面等离激元结构是公知的，但是这种滤波结构从未被用于反射，并且更不用说用于掠射角即约60°至80°(相对于法线测量的)的配置中。而且，从未提出过将等离激元结构整合到万花筒式光学滤波设备中。最后，表面等离激元结构在给定频带的排斥/吸收方面特别有效。

在本发明的一种实施方案中，至少一个等离激元结构包括金属材料层，该金属材料层与承载体接触并且由介电材料层覆盖，该介电材料层承载多个突点，所述突点的尺寸和相对于彼此的间距使得可以吸收给定的反射波长波段。

对于每个等离激元结构，突点按照二维阵列分布，其中突点之间的间距恒定。突点可以具有圆柱形状，该圆柱具有基本上垂直于金属层和介电层的旋转轴线。突点因而具有盘状截面。其他形状也是可以的，诸如，例如具有正方形截面的突点。

根据本发明的另一特征，该设备包括至少三个反射结构，所述至少三个反射结构具有两两不同的吸收波段。

本发明还涉及用于远程光学气体检测的设备，该设备包括如上所述的光学滤波设备、一组光检测器以及光学聚焦装置，该光学聚焦装置用于将通过滤波设备来自待观察的空间区域的图像聚焦在该组光检测器上。

优选地，该设备包括一光圈，该光圈插入在该设备的入口物镜和管状通道的入口之间或者插入在管状通道的出口和感测元件组之间。

根据光圈的孔的直径，因而在光检测器阵列上在图像之间形成黑暗的中间区域，这通过消除相邻感测元件之间的任何耦合而有助于图像处理操作。

通过阅读下面以非限制性实施例方式给出的描述并参照随附附图，本发明的其他细节、优点和特征将明了，在附图中：

图1是根据本发明的光学滤波设备的示意图示，

图2是根据本发明的滤波设备的第一种实施方案的管状通道的示意性立体图，

图3是用于表面等离激元滤波的由双层材料承载的突点的示意性立体图，

图4是突点的示意性俯视图，

图5是在具有根据图2的管状通道的光检测器阵列上获得的子图像的示意图，

图6是与图3类似的视图，在管状通道的入口处设置了一光圈，

图7和图8是容纳反射镜的管状通道的另外两种可能的形状的视图，

图9表示了包括四条曲线的图表，每条曲线表示对于给定的反射结构反射系数随着波长的变化的衍变。

首先参见图1，该图示意性地表示根据本发明的用于远程光学气体检测的设备10，该设备包括第一光学输入装置12和第二光学输出装置16，所述第一光学输入装置为诸如例如由一个或多个透镜形成的物镜，所述透镜用于接纳来自受观察空间区域的电磁流并将其引向根据本发明的滤波设备14的入口，所述第二光学输出装置用于将离开滤波设备的电磁流聚焦到一组感测元件18诸如光检测器上，所述感测元件连接至计算和处理装置20。

光学滤波设备14包括管件22，该管件可以如图2所示具有限定管状通道的正方形截面。本发明当然不限于该实施方案，并且例如涉及具有矩形截面的管件、三角形截面的管件24(图6)或者六边形截面的管件26(图7)。

下文中，术语“管件”用于指包括管状通道的任何部件，该管状通道能够容纳如下面将描述的多个反射结构。

管件22沿着与气体检测设备的光轴30重合的轴线28延伸，并且在内部包括多个平面反射结构34a、34b、34c、34d。反射结构在光轴28的方向上伸展。管件22的每个内面承载一反射结构34a、34b、34c、34d，所述反射结构从第一端延伸到相对的第二端，所述第一端将形成来自受观察空间区域36的辐射流的入口，所述第二端将形成所述流朝着感测元件18的阵列的方向的出口。

根据本发明，每个反射结构34a、34b、34c、34d包括一基底38，所述基底用于提供机械支撑功能。反射结构34a、34b、34c、34d是平面的并且沿着管状通道的轴线18延伸，该管状通道包括入口19和出口21。每个反射结构34a、34b、34c、34d包括一将朝向管状通道22内部定向的面23。反射结构34a、34b、34c、34d围绕管状通道22的轴线18分布，从而依次被周向地即围绕管状通道的轴线18设置。反射结构因而定向成使得反射结构34a、34b、34c、34d的每个面23的法线25垂直于管状通道22的轴线18。

每个基底或者承载体38承载一双层结构，该双层结构包括金属材料层40，所述金属材料层通过第一面与承载体38接触并且金属材料层的与第一面相对的第二面由介电材料层42覆盖，该介电材料层在金属层40的第二面的相对端处承载多个突点44(图3和图4)。每个反射结构34a、34b、34c、34d因而由金属层40、介电材料层42和突点阵组成。

因而，本发明使用多个反射结构，每个反射结构具有一包含例如突点44的等离激元结构34a、34b、34c、34d，所述突点的尺寸和分布决定所吸收的波长波段。更特别地，突点44规则地布置在介电层42的表面上。每个反射结构34a、34b、34c、34d例如包含可以在光轴30的方向上对齐的多行46突点44。

如图3和图4中所示，突点44为圆柱体，该圆柱体具有与金属层40和介电材料层42基本上垂直的旋转轴线。

为了改变每个等离激元结构的吸收波段，改变两个突点44之间的间距d和每个突点44的直径D即可(图4)。

图5示出穿过如图2中所示的正方形截面管件22后由检测器阵列18记录的空间区域36的图像48。图6还示出了图像50和一系列类似的图像，然而这些图像通过黑边彼此分隔，所述黑边通过在第一光学装置12和管件22的入口之间添加光圈(未示出)而获得。

如在图5和图6中可以看出，每个图像包括九个子图像A1-A9，其中中央图像A1对应于空间区域36的未滤波图像，上部的子图像A2是在将受观察区域36的辐射流反射到下部等离激元反射镜34c上后获得的，下部的子图像A3是在将受观察区域36的辐射流反射到上部等离激元反射镜34a上后获得的，左侧的子图像A4是在将受观察区域36的辐射流反射到右侧等离激元反射镜34b(当从管件22的入口观察管件时)上后获得的，右侧的子图像A5是在将受观察区域36的辐射流反射到左侧等离激元反射镜34d(当从管件22的入口观察管件时)上后获得的。位于角部的子图像A6-A9对应于辐射流在两个相邻反射镜上的反射，并且因此对应于在两个不同的红外波长波段中的两次吸收。

根据本发明的气体检测设备因而包含多个反射结构34a、34b、34c、34d，所述反射结构能够反射红外波长并吸收给定的红外波长波段，该波段包括待检测气体的吸收线。因而，使用根据本发明的设备可以同时检测多种类型的气体。另外，在检测器阵列上同时获得与中央子图像A1对应的受观察空间区域的未滤波图像以及经过滤波的下部子图像A3、上部子图像A1、右侧子图像A5和左侧子图像A4使得可以通过相减运算推断出存在或者不存在待检测气体，所述待检测气体具有位于等离激元反射镜的吸收波段之一中的红外吸收波段。

图9表示一图表，其中横坐标以微米表示红外辐射波段中的波长，并且纵坐标表示反射率。每个曲线48a、48b、48c、48d表示对于如图2中所示的反射镜之一的反射率的变化。

在一种实际实施方案中，承载体例如由硅制成，金属层由铬制成，介电层由硅制成并且突点可以由铬制成。

根据本发明的设备容许用于实时气体检测的大的孔径角。为了改善对待检测气体及其浓度的分析，根据本发明的设备10可以与傅立叶变换光谱仪结合，该光谱仪具有小的孔径角，但是可以容许在给定的受分析空间区域的方向上精确地检测化合物及其各自的浓度。为此，可以考虑使用微反射镜阵列，以便首先将来自受观察空间区域的辐射流引向等离激元滤波气体检测设备，并且在明确地检测到气体的情况下将一些微反射镜指向第二位置，以容许辐射流的一部分被引向傅立叶变换光谱仪。

注意到，上述管状通道的截面在其整个长度上是恒定的。然而，可以想到如下管件：其具有的截面在感测元件的方向上在下游逐渐变细(或者变粗)，即在光通过该设备传播的方向上逐渐变细(或者变粗)。获得的效果将因而类似于参照图6的图像所述的添加了光圈时的效果。

Claims (8)

1.一种光学滤波设备(10)，用于远程气体检测，该设备包括一包括管状通道的构件(22、24、26)，所述管状通道容纳多个能够反射红外波长的反射结构(34a、34b、34c、34d)，所述结构(34a、34b、34c、34d)是平面的并且沿着所述管状通道的轴线伸展且围绕该轴线布置，其特征在于，多个所述反射结构(34a、34b、34c、34d)包括通过吸收位于红外谱带中的不同的波长波段进行滤波的滤波装置。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，至少一个所述反射结构(34a、34b、34c、34d)包括一承载所述滤波装置的承载体(38)，所述滤波装置由表面等离激元结构形成。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，至少一个所述等离激元结构包括金属材料层(40)，该金属材料层与所述承载体(38)接触并且由介电材料层(42)覆盖，该介电材料层承载多个突点，所述突点的尺寸和相对于彼此的间距使得能吸收给定的反射波长波段。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，对于每个等离激元结构，所述突点(44)按照二维阵列分布，其中突点之间的间距恒定。

5.根据权利要求3或者4所述的设备，其中，所述突点(44)具有圆柱形状，该圆柱具有基本上垂直于金属层(40)和介电层(42)的旋转轴线。

6.根据权利要求1所述的设备，包括至少三个反射结构，所述至少三个反射结构具有两两不同的吸收波段。

7.一种用于远程光学气体检测的设备，所述设备包括根据前述权利要求之一所述的光学滤波设备(10)、一组感测元件(18)以及光学聚焦装置(16)，所述光学聚焦装置用于将通过所述滤波设备来自待观察的空间区域的图像聚焦在该组感测元件(18)上。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，该设备包括一光圈，该光圈插入在该设备的入口物镜(12)和管状通道(22)的入口之间或者插入在所述管状通道(22)的出口和该组感测元件(18)之间。