CN107810395B - 红外成像检测器 - Google Patents

Abstract

本说明书总体上涉及成像设备领域，并且具体公开了一种用于检测红外辐射的成像设备。所述成像设备包括：第一组检测器，所述第一组检测器响应于第一波段内的红外电磁辐射；第二组检测器；以及滤光器，所述滤光器被布置在所述第二组检测器上方以防止在所述第二组检测器处记录在第二波段外的电磁辐射。所述第二波段是所述第一波段的子集。所述成像设备配置为基于从所述第一组检测器和所述第二组检测器所获得的信号来检测与第三波段内电磁辐射水平的期望值的偏差。所述第三波段在所述第一波段内并且在所述第二波段外。

Description

红外成像检测器

技术领域

本说明书总体上涉及成像设备领域，并且具体涉及基于对红外辐射的检测的成像设备。

背景技术

具有绝对零度以上温度的所有物体以辐射的形式发出热能。红外传感器是用来感测红外辐射的设备。比如在例如红外相机中使用像素化的红外传感器，可以使用红外辐射代替可见光来获得图像。红外辐射的范围从大约0.75微米到1000微米，并且通过确定像素化的红外传感器的工作波带的带通滤光器可以限制像素化的红外传感器的光谱敏感性。

红外相机可以用于许多各种不同应用中，比如安全和防御以及工业应用。具体地，红外相机可以用于气体检测应用或各种类型的研究应用，其中，要检测的物质(比如气体)发出、反射和/或吸收特定波段内的红外辐射。然而，当前红外成像传感器所提供的信息仍然有限并且需要许多处理步骤来在成像传感器所捕获的图像中确定这种物质的存在。一般而言，期望的是提供更可靠检测的成像传感器。至少出于这些原因，仍然需要改进红外成像传感器。

发明内容

本公开的至少一些实施例的目的是完全地或部分地克服现有技术红外成像传感器的上述(多个)缺点中的至少一些并提供改进的成像设备。通过根据独立权利要求的成像设备来实现这个以及其他目的。在所附权利要求中提出了优选的实施例。

根据实施例，提供了成像设备。所述成像设备包括第一组检测器、第二组检测器以及滤光器。所述第一组检测器响应于第一波段内的红外电磁辐射。所述滤光器被布置在所述第二组检测器上方用于防止在所述第二组检测器处记录在第二波段外的电磁辐射。所述第二波段是所述第一波段的子集。所述成像设备可以配置为基于从所述第一组检测器和所述第二组检测器所获得的信号而检测与第三波段内电磁辐射水平的期望值的偏差。所述第三波段在所述第一波段内并且在所述第二波段外。

在本实施例中，至少部分地通过布置在第二组检测器上方(或顶部)的滤光器来提供光谱过滤。滤光器可以例如起带通滤光器的作用，因为第二波段内的电磁辐射被透射至第二组检测器，同时第二波段外的电磁辐射被衰减或阻断(未被透射)。然而，这仅仅是一个示例并且滤光器还可以是高通滤光器或低通滤光器，由此确定第二波带的一个边界，另一边界由第二组中的检测器的光谱灵敏度或由附加滤光器确定。在本实施例的成像设备中，第二组中的检测器被配置用于记录第二波段内的电磁辐射。

借助此滤光器，第二组检测器被配置用于记录或检测第二波段内的电磁辐射，所述第二波段是第一组检测器所响应的(或被配置用于记录的)第一波段的子集(即，比其更窄)。与被配置用于提供关于第二波段内的电磁辐射的信息相反，本实施例的成像设备被配置用于提供关于第三波段的信息，所述第三波段在第一波段内但在第二波段外。因此，感兴趣的区域、或波段在至少部分地由滤光器确定的波段外。换言之，至少部分地由于滤光器的存在，成像设备配置为提供关于第二组检测器(滤光器安置在其顶部)不响应(或未被配置用于记录电磁辐射)的波段的信息。

将理解的是，在一些实施例中，第一组检测器和第二组检测器均可以真正地对第一波段敏感，因为检测器本身可以对第一波段敏感。这可以例如是第一组检测器和第二组检测器是由用于形成像素化的固态传感器的同一种材料制成的。然而，在本实施例的成像设备中，由于滤光器的存在，第二组检测器中的检测器不提供代表第一波段的整个带宽的信号。如在进一步的实施例中将更详细解释的，在成像设备中使用不同布置的情况下，第一组检测器配置为记录第一波段内的电磁辐射而第二组检测器配置为记录第二波段内的电磁辐射。对于术语“记录”，它的意思是，在成像设备中，检测器(或一组检测器)配置为针对特定波段提供信号，同时它将较少(以及可能不)响应于具有此特定波段外的波长的电磁辐射。

由于第三波段在第一波段内，第一组检测器不直接对应于关于第三波段的信息。然而，从第一组检测器中的检测器所获得的信号包括关于第三波段(和第二波段)内电磁辐射的信息。由于第三波段对应于第一波段与第二波段之差(即，不具有第二波段的第一波段)，成像设备可以配置为：基于第一组检测器和第二组检测器所获得的信号，提供关于第三波段内的电磁辐射的信息。

具体地，本实施例的成像设备配置为基于从第一组检测器和第二组检测器所获得的信号而检测与第三波段内电磁辐射水平(或幅值)的期望值的偏差。

可以将第一组检测器和第二组检测器安排在公共平面中。例如，可以将第一组检测器和第二组检测器安排在二维阵列中以形成成像设备的基本结构。将理解的是，在一些实施例中，检测器还可以被称为成像设备的像素，从而使得成像设备被像素化。像素中的一些可以属于第一组检测器(即，对应于第一群、或组像素)同时其他像素可以属于第二组检测器(即，对应于第二群、或组像素)。在下文中，可以因此参照第一组、或第二组中的一个或多个像素，代替第一组、或第二组中的一个或多个检测器。

借助本实施例的成像设备，获得了更可靠的检测，因为它是与所检测到的第三波段内电磁辐射水平的期望值的偏差。所述偏差代表指示第三波段内的电磁辐射水平的信号(如可以由从第一组检测器中的一个检测器获得的信号中导出的)与期望值(如可以由从第二组检测器中的一个或多个检测器获得的(多个)信号中导出的)之间的差。因而，如果存在与期望值的偏差，如与从第一组检测器中的检测器获得的信号有关的值和与从第二组检测器中的一个或多个周围检测器获得的(多个)信号有关的值之间的正差或负差所展示的，如下面将更详细解释的，则检测到在第三波段内具有例如吸收峰值(或透射峰值或反射峰值)的物质的存在。借助本实施例的成像设备，实现了对物质的直接检测，因为所述偏差仅指示第三波段内的电磁辐射。因此，可以对第一波段和第二波段进行调整从而实现作为特定物质的特征的特定第三波段内敏感的成像设备。获得了更可靠和/或准确的检测，因为与期望值的偏差仅代表所述物质在第三波段内的属性。

相比之下，在其中所有或一些像素可以配备有用于检测特定波段内的电磁辐射的带通滤光器的现有技术成像传感器中，从此类像素获得的信号可能是仅在特定波段内具有吸收峰值的物质引起的但还可能是由任何其他物体引起的，例如飞行的物体比如鸟，从而提供了在包括所述特定波段的更广波长范围内的电磁辐射。因而，在这种现有技术成像传感器中的像素处检测到信号可能不仅仅是在第三波段内具有吸收峰值的物质的特征而且还是在比仅第三波段更宽的波长范围内呈现吸收/发射属性的任何物体的特征。此类现有技术成像设备因此会需要或者通过计算机或者由操作者对图像进行相当复杂且耗时的处理，以便标识电磁辐射的贡献是源自有待标识的物质还是另一来源。在例如气体检测应用中，可能要求操作者观察所捕获的(多张)图像以研究检测到的信号源自气体云还是同样发出感兴趣的特定波段内的红外辐射的另一物体(比如鸟或其他来源)。进一步，现有技术成像传感器遭受不具有针对像素内信号的参考水平、从而使得像素内的信号水平可能不与气体的存在相关联的问题。因此，当对例如气体饱和的环境进行成像时，此类传感器的使用受限，因为没有不具有气体的区域用来参照或用来将信号水平彼此进行比较。

相比之下，在本实施例的成像设备中，基于第一组检测器和第二组检测器所获得的信号来检测第三波段内的电磁辐射水平(或幅值)的偏差允许对仅由于第三波段内的电磁辐射而对所述信号有贡献的物质进行存在检测。因而，借助本实施例的成像设备，在可以从感兴趣的物质(即，成像设备被配置用于检测的物质)之外的其他来源获得信号的意义上，减小(并且可能消除)了错误检测的风险。

在本实施例中，如果物体对第三波段和第二波段内的信号有贡献，当成像设备配置为基于来自第一组检测器和第二组检测器的信号而检测与期望值的偏差时，此物体在第三波段内的贡献将被抑制。换言之，将识别出它响应于第二波段内的信号同样有贡献，因为第一组检测器响应于第一波段(覆盖第二波段和第三波段的)内的电磁辐射并且第二组检测器响应于第二波段内的电磁辐射。

针对必须检测在特定波长处(或特定波段内)具有吸收峰值(或透射峰值或反射峰值)的气体的应用，检测与所述特定波段内的期望值的偏差对应于具有用于检测气体的自有通道，即仅着眼于气体的贡献。这样，检测变得更加自动，因为，通过检测与期望值的偏差可以在特定的像素(或第一组检测器中的检测器)即、特定通道处直接检测到物质的存在，并因此需要对所捕获的图像进行更少的后处理。

进一步，本实施例的成像设备相较于现有技术成像传感器的优点在于气体饱和环境中进行检测是可能的，因为第一像素群中像素中的信号水平与如第二像素群中像素中的一个或多个所检测到的背景的信号水平相关。

在一个实施例中，第二组检测器中的至少一个检测器可以配置为生成与第二波段内的背景电磁辐射水平相对应的参考信号，并且可以从所述参考信号中导出期望值。将理解的是，第三波段内的背景水平(或背景电磁辐射水平)可能不直接对应于第二波段内的信号水平但至少可以是从(或基于)来自第二组检测器中的一个或多个检测器的信号获得的。

在具体的实施例中，为了检测成像检测器的某像素(即，第一组中的某像素)处电磁辐射的存在，可以从第二组检测器中的环绕第一组中的这个某像素的检测器所获得的参考信号获得背景水平。在检测器的阵列中，针对第一组中的不同像素可以使用不同的期望值。

所述期望值可以从所述(多个)参考信号中导出并且因此代表成像设备(的第一组检测器中的像素或检测器)所研究或成像的区域的背景电磁辐射水平。然后可以检测第一组检测器中的检测器所获得的信号中与背景水平的偏差。任何这种偏差将代表具有吸收峰值(或透射峰值或反射峰值)的物质在第三波段内的存在。进一步，由于所述期望值是基于第二组检测器所进行的测量而确定的，获得了对实际条件的实时适配。因此，实现了更可靠且准确的成像。

将理解的是，在本实施例中，针对已捕获的图像，可以针对背景电磁辐射对第一组中的像素所获得的信号进行补偿，从而使得产生的信号指示不同于背景的电磁辐射在第三波段内的存在(比如由于气体)。

在一个实施例中，期望值可以对应于第三波段内具有已知光谱分布的背景电磁辐射(或可以从其中导出)。具体地，所述已知光谱分布可以对应于来自黑体辐射器、灰体辐射器和/或光源的辐射。例如，可以假定背景为具有一定体温度的黑体辐射器，由此提供具体的光谱分布(普朗克(Planck)曲线)。成像传感器所成像的背景所提供的电磁辐射的光谱分布可以是已知的，从而使得可以基于这种光谱分布和从第二组检测器所获得的一个或多个信号导出第三波段内的期望值。第二组检测器提供了第二波段内的背景信息，因此可以基于已知光谱分布和来自第二组检测器的信号确定第三波段内的背景信息。将理解的是，在一些实施例中，可以使用光源照亮成像传感器所成像的物体以便提高信号水平。

在一个实施例中，第一组检测器可以配置为生成测量信号并且成像设备可以配置为基于期望值和所述测量信号确定偏差。第一组中的检测器可以生成与来自包括第三波段和第二波段的第一波段的电磁辐射相对应的信号。因为第三波段是感兴趣的波段，第一组检测器提供可以由第三波段内的背景电磁辐射水平(即，期望值)补偿的测量信号，以便检测与期望值的偏差以及由此成像设备被配置用于检测具有某特征的物质在第三波段内的存在。

在一个实施例中，与期望值的偏差指示了介质或物质在成像设备的视场内的存在。所述介质或物质在第三波段内可以具有吸收峰值、透射峰值和/或反射峰值。

当成像设备的视场内不存在物质时，测量信号或测量信号的经修正值将等于或类似于期望值。另一方面，当在第三波段内存在具有某特征的物质时，将检测到测量信号(或测量信号的经修正值)与期望值的偏差。所述物质在第三波段内的特征可以是感兴趣波段内的光谱属性，比如吸收峰值、透射峰值和/或反射峰值中的任一项或组合。

在一个实施例中，成像设备可以配置为检测物质或介质的量，因为与所述期望值的偏差量指示在第三波段内具有吸收峰值、透射峰值和/或反射峰值的介质或物质的量。成像设备至少可以提供物质量从一个检测器(或像素)到另一检测器的相对测量结果。

在一个实施例中，所述介质或物质可以是气体。将理解的是，成像设备可以被配置用于对体积或表面进行成像，从而使得它被配置用于在这种表面(像医学应用中的皮肤)处或这种体积(像工业应用或其他应用中的建筑物、墙壁、或管道)内检测物质或介质。例如，在用于气体检测的背光式应用中，背光或背景可以对应于期望值，并且与气体的吸收波长相对应的电磁辐射将引起吸收，所述吸收进而影响测量信号并提供与期望值的偏差。

所述气体可以是在第三波段内具有吸收波长的任何气体。通过调整第一波段和第二波段，可以使第三波段适合任何特定气体。所述气体可以例如是丁烷、丙烷或任何其他挥发性有机化合物(VOC)气体。气体的其他示例可以是六氟化硫(SF₆)。

在一个实施例中，所述期望值可以对应于参考信号，所述参考信号由所述第二组检测器中的至少一个检测器获得并且根据对所述第二波段内的背景红外辐射水平的已知依赖性而被缩放。由第二组检测器中的至少一个检测器获得的参考信号代表被成像的环境的背景(即，成像检测器的视场内的背景)在第二波段内所提供的电磁辐射的水平。因为感兴趣的波段是第三波段，期望值不直接对应于这种参考信号。相反，通过第二波段内的背景红外辐射水平的已知依赖性以及内插，可以对参考信号进行缩放，从而使得它对应于第三波段内的背景水平，由此导致可由其检测到偏差的期望值。

在一个实施例中，第二波段可以代表与第一波段内的较长波长相对应的窗口。在一些其他实施例中，第二波段可以代表与第一波段内的较短波长相对应的窗口。然而，将理解的是，如果第二波段代表与可以允许光谱上较窄波带而不损害所述波带的信噪比的较高信号水平相对应的窗口，从第二组检测器的信号确定期望值是更准确的。这进而取决于背景辐射的本质和被观察的主体或环境的温度。某黑体辐射器例如将在给定的主体温度根据波长呈现一定的强度分布。所述分布可以是普朗克曲线并且可以例如在较短波长处递增或在较长波长处递减。取决于期望的第三波段(如有待检测的物质的吸收、透射或反射属性所确定的)的位置，成像设备可以被设计成使得第二波段被定位在第三波段的左侧(即，在较短波长)或相反。因而，对第二波段的定位可以取决于普朗克曲线针对给定主体(环境)和温度的导数。第二波段还可以被设计成提供较窄的波段，从而使得第二波段内的背景电磁辐射水平变得更加接近第三波段内的期望背景电磁辐射水平。

在一些实施例中，可以将第一组检测器和第二组检测器安排成棋盘状图案。

滤光器可以是任何类型的滤光器，从而使得在第二组检测器处仅可以记录第二波段内的电磁辐射。在一些实施例中，滤光器可以是干涉滤光器。例如，滤光器可以包括以下材料中的至少一项：非晶硅(aSi)、二氧化硅(SiO₂)和氮化硅(SiN₂)。滤光器可以例如由aSi和SiO₂制成。

在一个实施例中，滤光器可以配置为防止在第二波段外的电磁辐射到达第二组检测器。在本实施例中，滤光器可以是带通滤光器，因为它只可以让具有在第二波段内的波长的电磁辐射通过。

在具体实施例中，所述滤光器包括第一滤光器层和第二滤光器层，所述第一滤光器层确定所述第二波段的上边界，并且所述第二滤光器层确定所述第二波段的下边界。换言之，滤光器可以由若干层制成。将理解的是，在一些实施例中，所述层可以被安排成彼此相邻。

在另一实施例中，所述滤光器可以配置为透射高于确定所述第二波段的下边界的阈值波长的电磁辐射，而上边界由所述第一波段的所述上边界确定。在本实施例中，滤光器可以是高通滤光器，因为它仅可以透射具有在某(或阈值)波长以上的波长的电磁辐射。然后可以通过第二组检测器中检测器的光谱灵敏度或通过滤光器(比如安排在成像设备顶部的全局滤光器)，确定第二波段的上边界。

在另一实施例中，所述滤光器可以配置为衰减高于确定所述第二波段的上边界的阈值波长的电磁辐射，而下边界由所述第一波段的所述下边界确定。在本实施例中，滤光器可以是低通滤光器，因为它仅可以透射具有在某(或阈值)波长以下的波长的电磁辐射。然后可以通过第二组检测器中检测器的光谱灵敏度或通过滤光器(比如安排在成像设备顶部的全局滤光器)，确定第二波段的下边界。

在一些实施例中，所述第一波段的上边界和下边界中的至少一个可以是由所述第一组和所述第二组中的检测器的光谱灵敏度所确定的。

在所有示例和实施例中，滤光器可以包括来自下组的若干滤光器层：长通滤光器、短通滤光器、带阻滤光器和/或带通滤光器。例如，带通滤光器可以包括长通滤光器和短通滤光器，因而有效地产生带通滤光器。

在一个实施例中，滤光器可以被定位成与第二组检测器接触。具体地，滤光器可以被安排成与第二组检测器直接物理接触。

在一个实施例中，成像设备可以包括抗反射涂层，所述抗反射涂层可以被布置在滤光器与二维阵列之间。抗反射涂层可以是被施加在检测器阵列上的层。例如，抗反射涂层可以包括以下材料中的至少一项：非晶硅(aSi)、二氧化硅(SiO₂)和氮化硅(SiN₂)。抗反射涂层的使用减少了对入射的红外辐射的反射并保证了从阵列中的检测器(或像素)获得的较高水平信号。

在一个实施例中，所述成像设备可以包括：全局滤光器，所述全局滤光器被布置在所述二维阵列上方。

在一些实施例中，所述全局滤光器可以配置为确定第一波段的上边界和下边界中的至少一项。全局滤光器可以例如是低通滤光器，由此确定第一波段的上边界，另一边界例如由第一组中的检测器的光谱灵敏度来确定。在另一示例中，全局滤光器可以是高通滤光器，由此确定第一波段的下边界，另一边界例如由第一组中的检测器的光谱灵敏度来确定。在又一示例中，全局滤光器可以是带通滤光器。

然而，全局滤光器还可以用于保护成像设备，例如用于避免具有一定波长的会损坏检测器的电磁辐射到达第一组检测器和第二组检测器。

可替代地，全局滤光器可以配置为防止在第四波段外的辐射到达第一组检测器和第二组检测器，从而使得第四波段可以是第一波段的子集。所述成像设备然后可以配置为检测与在第三波段(其在第四波段内且在第二波段外)内电磁辐射水平的期望值的偏差。

在一个实施例中，第二波段可以覆盖第一波段的宽度的大约一半。可以将第二波段的较低或较高边界安排成接近第一波段的较低或较高边界，从而使得第三波段的边界对应于第一波段的另一边界。换言之，第二和第三波段在第一波段内可以被安排成彼此相邻。进一步，第三波段可以对应于第一波段和第二波段之差。

在一个实施例中，所述第一波段可以从大约3.2微米延伸至大约3.8微米而所述第二波段可以从大约3.5微米延伸至大约3.8微米。产生的第三波段则可以从大约3.2微米延伸至大约3.5微米。这种成像设备可以例如适用于检测挥发性有机化合物(VOC)气体。

在另一实施例中，所述第一波段可以从大约10.3微米延伸至大约10.7微米而所述第二波段可以从大约10.3微米延伸至大约10.5微米。产生的第三波段则可以从大约10.5微米延伸至大约10.7微米。这种成像设备可以例如适用于检测SF₆。

在一个实施例中，第二波段可以相对于第一波段被定位成使得：在针对所述第二波段而获得的信号中背景电磁辐射水平的贡献与针对第三波段而获得的信号水平大致相等。

在一个实施例中，所述设备配置为通过以下方式来获得所述偏差：从由所述第二组检测器中环绕所述第一组检测器中的检测器的至少一个或一些检测器所生成的参考信号的经修正平均值中减去由所述第一组中的所述检测器所生成的测量信号，或者从由所述第二组检测器中环绕所述第一组检测器中的检测器的至少一个或一些检测器所生成的参考信号的平均值中减去由所述第一组中的所述检测器所生成的经修正测量信号。在本实施例中，术语“经修正”指对测量结果进行的修正以获得更准确的值。具体地，第二组中的(多个)像素在第二波段中检测到的背景水平被修正以获得(或对应于)第三波段内的背景水平。

在一个实施例中，对第一组检测器和第二组检测器中的检测器进行校准从而补偿增益和/或偏移的变化。在此，术语“进行校准”指的是这样的校准，其可以被执行以补偿由于例如制造原因(比如第二组检测器顶部的滤光器的厚度变化或各像素之间灵敏度的变化)导致的检测器(像素)之间的变化。

在一些实施例中，成像设备可以包括光学系统(比如透镜)，所述光学系统用于改变由所述成像设备所捕获的图像中的光学焦点，以便补偿第一组检测器中的检测器(可以从其获得测量信号)与第二组检测器中的所述一个或多个检测器(来自它的参考信号用来获得与第一组中的所述检测器相对应的期望值)之间的空间移位。

在一个实施例中，提供了包括根据前述实施例中的任意一个实施例的成像设备的红外相机。

本公开例如适用于红外光学气体成像、医学红外成像、热敏成像法、非破坏性试验、过程控制。总体而言，根据本公开的实施例的成像设备或相机可以适用于检测表面的物质，比如像诊断皮肤疾病(皮肤癌)或用于例如食品行业中辨识陈旧水果的产品筛选。除了气体和固态物质之外，成像设备可以适用于对液体进行成像，比如用于检测溢油。

在本申请中，可以用术语“成像传感器”或“成像检测器”可互换地代替术语“成像设备”。成像设备可以被安排具有其他元件或零件以形成红外相机。

进一步，在一些实施例中，可以提供成像相机，所述成像相机包括根据前述实施例中任意一个实施例的成像设备和对可见光敏感的附加成像传感器。附加成像传感器的集成将在使用改变红外成像设备的焦点的光学系统的情况下特别有利。无论如何，成像相机可以配置为提供使用可见光的图像，在所述图像上指示器或指针指示在哪里检测到了物质(例如气体)。可以使这两个传感器所捕获的图像同步，从而使得其对应的视场彼此相对应或至少重叠。所述传感器还可以在时间上同步。

将理解的是，可以设想使用上文所述实施例中所叙述的特征的所有可能组合的其他实施例。

附图说明

参照附图，在以下对示例性实施例的示意性且非限制性的详细说明中对发明加以描述，其中：

图1是根据第一实施例的成像设备的示意性展示。

图2是解释根据实施例的成像设备的工作原理的图形。

图3是根据实施例的成像设备的示意性透视图。

图4是解释根据实施例的成像设备的功能的图形。

图5是解释根据实施例的成像设备的工作原理的图形。

图6是根据实施例的成像设备中所涉及的波段的示意性展示。

图7是根据实施例的成像设备的截面视图。

所有的附图都是示意性的，不一定是按比例的并且总体上只示出了必要的零件以便阐明发明，其中，可以省略或仅仅暗示其他零件。贯穿附图，相同的附图标记指代相同、或基本上相同的特征。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更充分地描述示例性实施例，其中示出了目前优选的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实现并且不应该被理解为限于在此所阐述的实施例，相反，提供这些实施例是为了彻底性和完整性，并向技术人员完整地传达发明的范围。

参照图1，描述了根据第一实施例的成像设备。

图1是成像设备100的示意性展示，所述成像设备包括第一组检测器140、第二组检测器150和滤光器120。第一组检测器140响应于第一波段内的红外电磁辐射。滤光器120被定位在第二组检测器150上方用于防止在第二组检测器150处记录在第二波段外的电磁辐射。所述第二波段是所述第一波段的子集。成像设备然后被配置用于检测第三波段内的电磁辐射，所述第三波段在第一波段内且在第二波段外。

将理解的是，虽然第二组检测器150本身可以对第一波段内(即，甚至在第二波段外)的红外电磁辐射敏感，但由于滤光器120的定位，只有第二波段内的辐射被第二组检测器中的检测器(像素)检测到。有效地，第一组检测器140检测第一波段内的电磁辐射并且第二组检测器150检测第二波段内的电磁辐射。

在一些实施例中，第一组检测器和第二组检测器可以源自同一固态成像传感器。所述固态成像传感器中的检测器可以例如对第一波段敏感并且滤光器可以应用于第二组检测器中的检测器的顶部，从而使得第二组检测器中的检测器可以仅记录第二波段内的电磁辐射。

进一步，将理解的是，本公开的本实施例和所有其他实施例可以使用任何检测器技术来实现。举例而言，第一组检测器和第二组检测器可以基于II型超晶格检测器技术(T2SL)、量子井红外光电检测器技术(QWIP)、微辐射热测量计技术、碲镉汞化物(MCT)技术、锑化铟(InSb)技术或铟镓砷化物(InGaAs)技术。类似地，产生的检测器芯片中像素的空间分辨率或数量可以具有任何大小。举例而言，可以使用320×256芯片，但可以使用其他格式。

成像设备则可以基于从第一组检测器140和第二组检测器150所获得的信号而检测与第三波段内电磁辐射的期望值的偏差。为此目的，第一组检测器140和第二组检测器150中的检测器所获得的信号可以例如被读出电路180读出。

出于展示性目的，成像设备100被示为观察包括墙壁190的区域或区，在所述墙壁前方存在气体云170。成像设备的目的则是检测所观察的区域中气体的存在。

墙壁190可以例如具有一定的反射属性和一定的主体温度，从而使得从墙壁(并且一般地从成像设备100所观察的环境，即在成像设备100的视场内)发出一定水平的红外辐射。由于除气体云170以外的所有元件或物体而在被观察区域中存在的电磁辐射的水平可以被称为背景电磁辐射水平。这还可以包括被暂时地放置在成像设备100的视场内的物体、动物或人。

当被观察区域内不存在任何气体时，则可以期望的是，来自第一组检测器140的检测器和来自第二组检测器150的检测器生成与背景水平相对应的信号。因而，基于这些信号，如可以被例如读出电路180读出的，成像设备100可以检测到与期望值没有偏差，并且因此被观察区域内没有气体。

然而，如果存在气体，则具有与气体的吸收峰值相对应的波长(即，第三波段)的红外辐射会被气体更改。第二组检测器150中的检测器按照预期示出信号水平，因为这些检测器被配置用于在第二波段(即，不包括第三波段)内进行检测。第一组检测器140中的检测器另一方面将检测到稍微不同的信号(万一红外辐射被气体吸收)，因为第一波段还覆盖第三波段。第三波段内电磁辐射的期望值则可以(至少部分地)基于由第二组检测器140所获得的信号来确定。具体地，第二组检测器150中的至少一个检测器可以被配置用于生成与第二波段内的背景电磁辐射水平相对应的参考信号，并且可以从这种参考信号中导出期望值。

将理解的是，在一定波长范围内(或在一定的吸收峰值处)进行吸收的气体的存在还可能发出同一范围内(或在与所述吸收峰值相对应的波长处)的红外辐射。因而，气体的存在可能不一定对应于与气体的位置相对应的像素中所检测到的较低信号。相反，信号将被升高还是降低将取决于气体是否发出处于比背景更高强度的红外辐射，这进而取决于气体的温度。具体地，如果气体比背景环境更温暖，则信号会更高，并且反之亦然。

如下面将进一步展示的，可以执行使用黑色或灰色辐射器或其他光源的电磁辐射对波长的依赖性进行修正，从而从第二组检测器150的(多个)参考信号获得第三波段内背景电磁辐射的期望值。来自第一组检测器140中的检测器的信号则可以用来判定是否存在与第三波段内电磁辐射的期望值的偏差。检测到偏差则可以指示气体在第一组检测器140中所讨论的检测器所观察的方向上的存在。

图2示出了解释根据实施例的成像设备检测时的工作原理的图形200。可以对参照图1所描述的成像设备100进行参照。

在图形200中，将水平轴线划分成三个波段，即第一波段210、第二波段220和第三波段230。第二波段220和第三波段230是第一波段210的子集。将理解的是，未给出比例，因为提供此图形是用于解释性目的。

在本示例中，第二波段220和第三波段230在水平轴线上具有大致相等的长度(或宽度)。第三波段230比第二波段220定位在沿水平轴线更低的波长处。

图2中的图形200中所示的曲线250针对黑体辐射器或任何其他背景环境展示了幅值(竖直轴线)对波长(水平轴线)的依赖性。换言之，表示为250的曲线展示了背景水平的表现，基于例如从第二组检测器150中的检测器获得的信号可以导出第三波段内电磁辐射的期望值。

图形200中所示的曲线240展示了存在气体的可能效果。可以看出，如果存在在第三波段内具有一定的吸收特征的气体，将观察到与期望表现的偏差，该偏差表示为260。第三波段230内存在偏差260。

在本示例中，代表存在气体情况下的表现的曲线240示出了比代表在第三波段220内的期望表现的曲线250更低的幅值水平。期望表现之下的偏差260是存在气体的指示，所述气体可以例如吸收来自背景(例如，气体云170后面的墙壁190)的辐射并且还发出比背景更少的辐射。然而，这仅是示例并且它取决于与背景温度相对的气体温度。在另一示例中，与较高幅值水平相对应的偏差(其中，气体还可以从背景吸收电磁辐射但以更高的水平发出)可以指示气体的存在。偏差260的幅值(或偏差峰值)是被测量的物体中的吸收量的指示并因而是被成像设备成像的物体(例如，气体)的量(或厚度或浓度)的指示。

将理解的是，图形200可以被认为是展示了存在和不存在图像物质(比如像气体)情况下的表现，其中，不存在物质情况下的曲线240对应于期望表现。如之前所提及的，从第二组检测器150中的至少一个检测器所获得的信号，可以针对第三波段内的电磁辐射水平确定期望值。参照例如曲线240，所述期望值可以对应于在第三波段内具有已知光谱分布的电磁辐射。

虽然图1示出了具有墙壁作为背景环境的示例，已知光谱分布总体上可以对应于来自黑体辐射器、灰体辐射器或光源的辐射。

参照图3，描述了根据另一实施例的成像设备。

图3示出了成像设备300的示意性透视图，所述成像设备包括第一组检测器、第二组检测器和滤光器。

图3中所示的成像设备300与参照图1所描述的成像设备100等效，除了展示了更多的像素(或检测器)。在图3中所展示的成像设备300中，仍旧仅示出了所述检测器或像素中的一些以便不使附图模糊。具体地，成像设备300包括第一组检测器中的检测器341和第二组检测器中的四个检测器351至354。

如图3中所展示的，第二组检测器中的检测器351至354被滤光器320覆盖而第一组检测器中的检测器341保持未被覆盖(即，直接暴露)。在本示例中，第二组检测器中的四个元件或检测器(像素)351、352、353、354环绕第一组检测器中的元件或检测器(像素)341。借助滤光器，防止了在第二波段外的电磁辐射到达检测器元件351至354。

将理解的是，滤光器可以是单个滤光器层，该单个滤光器层已经被像素化从而使得它仅覆盖第二组中的检测器。因此，可以通过用滤光器层覆盖像素化的固态传感器来获得成像设备，所述滤光器层随后则被处理从而使得仅固态传感器的像素中的一些被滤光器覆盖，其由此与未覆盖的像素相比仅接收另一波段内的辐射。这导致对两个不同波段(即第一波段和第二波段)敏感的两种不同类型的像素。虽然在本申请中针对两种不同类型的像素提供了示例，可以设想包括两种以上类型像素(即，在若干不同(两个以上)波段内敏感的像素)的成像设备。

可以例如根据如下面所描述的两个替代方案执行用于获得像素化的滤光器的制造工艺。

根据第一替代方案，首先在固态成像传感器的表面上沉积滤光器层。然后，可以通过光刻法在所沉积的滤光器层上施加掩膜层，从而使得根据滤光器的期望图案对所述掩膜层进行图案化。然后可以对滤光器层进行蚀刻，从而使得它由于掩膜层而仅从固态成像传感器的一些像素被移除。

根据另一替代方案，可以使用剥离工艺，其中首先(通过光刻法)在固态成像传感器的表面上沉积(或施加)掩膜层并且然后在掩膜层的顶部沉积滤光器层。在通过例如蚀刻移除掩膜层时，滤光器层将保留在固态成像传感器的不受掩膜层保护的像素上。然后在固态成像传感器的顶部获得像素化的滤光器层。

在捕获图像时，检测器341和351至354中的每一个都生成信号。在当前的展示中，表示为361、371、372、373和734的信号分别源自检测器341、351、352、535、和354。信号361、371、372、373、734被输入至处理单元或读出电路380。

如上文所提及的，检测器341和351至354可以是包括第一组中的检测器和第二组检测器全部的二维元件阵列的一部分。可以将检测器(或像素)安排成棋盘状图案。按照与上文所描述的类似方式，二维阵列中的所有像素元件可以具有类似的信号生成和读出。

第二组中的检测器351至354可以各自提供与第二波段内的背景电磁辐射水平相对应的参考信号。第三波段内的电磁辐射水平的期望值则可以从此类参考信号中的一个或多个中导出。例如，可以由从第二组中的检测器351至354获得的这四个参考信号的平均值中导出期望值。具体地，期望值可以对应于在第三波段内具有已知光谱分布的电磁辐射，比如在例如具有背景环境的期望走势的图2中所展示的。

检测器341然后可以生成测量信号，从所述测量信号可以检测第三波段内的电磁辐射水平与如上文通过来自第二组中的检测器351至354的信号所确定的期望值的偏差。具体地，所述偏差可以通过以下方式获得：从期望值减去检测器341所生成的测量信号(或测量信号的经修正值)，所述期望值可以是比如像第二组检测器中的检测器351至354中的至少一些所生成的参考信号的平均值(或经修正的平均值)。如果存在偏差(即，如果计算的结果既非零也不接近零)，则这意味着在与像素或检测器341相对应的位置处存在气体。

在一些实施例中，成像设备可以包括光学系统(比如透镜，未示出)，所述光学系统用于改变由成像设备所捕获的图像中的光学焦点，即，使所捕获的图像模糊。所述光学系统的目的是补偿第一组检测器中的检测器341(从其获得测量信号)与第二组检测器中提供参考信号的检测器351至354之间的空间移位，从所述参考信号导出要用于第一组中的检测器341的期望值。所捕获的图像将变得有点不聚焦，但当像素提供测量信号时，周围提供参考信号的像素将基本上从被观察环境中的同一位置接收电磁辐射。

在一些实施例中，比如参照图3所描述的红外成像设备可以是红外相机的一部分。

在一些实施例中，成像相机还可以包括对可见光敏感的附加成像传感器(未示出)。这两个传感器的组合的有利之处在于，可以获得使用可见光的图像，以指针(红色标记)的形式向所述图像添加“气体通道”，如由例如图3中所示的成像设备300的检测器341所获得的。所述指针则将指示被检测物质(例如，气体)的存在和位置。可以使这两个传感器所捕获的图像同步，从而使得其对应的视场彼此相对应或至少重叠。所述传感器还可以在时间上同步。

因为第一波段包括要检测的气体(或多种气体，假如存在若干种具有相似吸收特征的气体)的吸收峰值(或透射或反射峰值)并且第二波段在要检测的气体的吸收范围外，来自成像设备的检测器或像素341的信号可以使用第二组检测器中的周围像素作为背景参照，从而使得可以检测到气体的存在。还有可能从偏差的幅值来至少以相对的方式对与检测器341相对应的像素中检测到的气体量进行量化。气体量可以是在第一波段的像素处获得的信号与例如第二波段的最近(或周围)像素的平均值之间的幅值差的函数。这样，第一组检测器中的每个像素对应于气体通道，所述气体通道直接指示要由成像设备检测的气体(或其他物质)是否存在，而不需要通过对所捕获的图像进行进一步后处理来标识红外辐射的来源。将理解的是，在一些实施例中，第二组中的检测器可以参与若干计算。

图4和图5示出了展示根据其他实施例的成像设备的工作原理的进一步的图形。

图4中所示的图形400与图2中所示的图形200等效，除了它展示了与第三波段内电磁辐射的期望表现450的偏差460，所述偏差提供了幅值的升高而非幅值的降低。如果要成像(或检测)的物质或物体发出、透射或反射比不存在所述物质或物体的情况下背景将获得的更高水平的第三波段内的红外辐射，就会是这种情况。在图4中，表示为440的曲线代表存在物质的情况下的表现。进一步，第一波段被表示为410而第二波段被表示为420且第三波段被表示为430。第二波段代表与第一波段内的较长波长相对应的窗口。

图5中所示的图形500与图4中所示的图形400等效，除了它展示了第二波段(可以从其获得参考信号)被定位在第一波段内的较低波长处。在图5中，第一波段被表示为510而第二波段被表示为520且第三波段被表示为530。第二波段代表与第一波段内的较短波长相对应的窗口。将理解的是，如果针对背景电磁辐射的普朗克曲线根据较高的波长而降低(这可能是针对较长波长或处于较高温度的情况)，第二波段相对于第一和第三波段的这种定位是有益的。

图6示意性地展示了成像设备中(比如在分别参照图1和图3所描述的成像设备100和300中)可能涉及的各波段的定位。在这种示意性展示中，假定了成像设备还包括用于确定第一波段的宽度的全局滤光器。将在图7中对这种全局滤光器加以展示。

在展示600中，成像设备被示为包括如由形成成像设备的基础结构的固态检测器(比如像图3中所示的检测器341和351至354)的灵敏度确定的检测器波段640。这样，这些检测器(第一组和第二组两者)可以对检测器波段640内的电磁辐射敏感。

然而，通过全局滤光器，仅允许第一波段610内的电磁辐射到达成像设备的检测器(比如像图3中所示的检测器341和351至354)。在本示例中，展示了检测器波段640以延伸至第一波段610外。

进一步地，第二组中的检测器(比如像图3中所示的检测器351至354)被滤光器覆盖，所述滤光器仅允许第二波段620内的电磁辐射到达这些检测器。第一组检测器(比如图3中所示的检测器341)将由此响应于第一波段610内的电磁辐射并且第二组检测器(比如像图3中所示的检测器351至354)将响应于第二波段620内的电磁辐射。

第一波段610与第二波段620之差对应于第三波段630，在所述第三波段内，成像设备被配置用于检测与期望值的偏差。第二波段620和第三波段630是第一波段610的子集。虽然不是必要的，在本示例中，第二波段620和第三波段630具有大致相同的波长宽度。进一步，在本示例中，第三波段630比第二波段620定位在第一波段610的更低波长处。

图7示出了根据实施例的成像设备的截面视图。

图7中所示的成像设备700可以与分别参照图1和图3所描述的成像检测器100和300中的任意一个等效，除了它还包括全局滤光器和抗反射涂层，所述全局滤光器和抗反射涂层可以用来进一步调整波段和成像设备的灵敏度。

图7可以例如表示沿着图3中所示的成像设备300的行(比如沿着包括检测器351、341和352的行)的截面视图。成像设备700包括第一组检测器740和第二组检测器750。可以在第一组检测器740和第二组检测器750的顶部沉积可选的抗反射涂层730。可以在可选抗反射涂层顶部沉积(可以比如上文参照图3所描述的那样来制造的)像素化滤光器720，从而使得第二组中的检测器被滤光器720覆盖。在本示例中，滤光器720可以被直接施加于表面上，从而使得它与检测器或与可选的抗反射涂层(如果存在的话)直接接触。可以由全局滤光器确定第一波段的宽度，所述全局滤光器是带通滤光器。全局滤光器725可以被安装成与例如检测器模块中的第一组检测器和第二组检测器隔开(即，离滤光器720具有一定间隙)。

第一组检测器和第二组检测器(即，像素化的固态传感器)可以被限制在读出芯片760的顶部。

虽然已经描述了特定实施例，技术人员将理解的是在如所附权利要求所定义的范围内可想到各种更改和改变。

Claims (27)

1.一种成像设备，包括：

第一组检测器，所述第一组检测器响应于第一波段内的红外电磁辐射；

第二组检测器：以及

滤光器，所述滤光器被布置在所述第二组检测器上方以防止在所述第二组检测器处记录在第二波段外的电磁辐射，其中，所述第二波段是所述第一波段的子集；并且

其中，所述成像设备配置为基于从所述第一组检测器和所述第二组检测器获得的信号来检测与在第三波段内的电磁辐射水平的期望值的偏差，其中，所述第三波段在所述第一波段内且在所述第二波段外；以及

其中，所述第二组检测器中的至少一个检测器配置为生成与所述第二波段内的背景电磁辐射水平相对应的参考信号，其中所述期望值是从所述参考信号和第三波长范围内的背景电磁辐射的已知光谱分布中导出的值。

2.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述已知光谱分布对应于来自黑体辐射器、灰体辐射器和/或光源的辐射。

3.根据前述权利要求中任一项所述的成像设备，其中，所述第一组检测器中的至少一个检测器配置为生成测量信号，所述成像设备配置为基于所述期望值和所述测量信号来确定所述偏差。

4.根据权利要求1或2所述的成像设备，其中，与所述期望值的偏差指示介质或物质在所述成像设备的视场内的存在，所述介质或物质在所述第三波段内具有吸收峰值、透射峰值和/或反射峰值。

5.根据权利要求1或2所述的成像设备，其中，所述成像设备配置为检测物质或介质的量，因为与所述期望值的偏差量指示在所述第三波段内具有吸收峰值、透射峰值和/或反射峰值的物质或介质的量。

6.根据权利要求4所述的成像设备，其中，所述介质或物质是气体。

7.根据权利要求1或2所述的成像设备，其中，所述第二波段代表与所述第一波段的较长波长相对应的窗口。

8.根据权利要求1或2所述的成像设备，其中，所述第二波段代表与所述第一波段的较短波长相对应的窗口。

9.根据权利要求1或2所述的成像设备，其中，所述滤光器配置为防止在第二波段外的电磁辐射到达所述第二组检测器。

10.根据权利要求9所述的成像设备，其中，所述滤光器包括第一滤光器层和第二滤光器层，所述第一滤光器层确定所述第二波段的上边界，并且所述第二滤光器层确定所述第二波段的下边界。

11.根据权利要求1或2所述的成像设备，其中，所述滤光器配置为透射高于确定所述第二波段的下边界的阈值波长的电磁辐射，而所述第二波段的上边界由所述第一波段的上边界确定，或者其中，所述滤光器配置为衰减高于确定所述第二波段的所述上边界的阈值波长的电磁辐射，而所述下边界由所述第一波段的下边界确定。

12.根据权利要求1或2所述的成像设备，其中，所述第一波段的上边界和下边界中的至少一个由第一组和第二组的检测器的光谱灵敏度所确定。

13.根据权利要求1或2所述的成像设备，进一步包括：全局滤光器，所述全局滤光器被布置在所述第一组检测器和所述第二组检测器上方。

14.根据权利要求13所述的成像设备，其中，所述全局滤光器配置为确定所述第一波段的至少一个边界。

15.根据权利要求1或2所述的成像设备，其中，所述第一组检测器和所述第二组检测器被安排成二维阵列。

16.根据权利要求15所述的成像设备，其中，所述第一组检测器和所述第二组检测器被安排成棋盘状图案。

17.根据权利要求1或2所述的成像设备，其中，所述滤光器是干涉滤光器。

18.根据权利要求1或2所述的成像设备，其中，所述滤光器被定位成与所述第二组检测器接触。

19.根据权利要求15所述的成像设备，进一步包括布置在所述滤光器与所述二维阵列之间的抗反射涂层。

20.根据权利要求1或2所述的成像设备，其中，所述设备配置为通过以下方式来获得所述偏差：从由所述第二组检测器中环绕所述第一组检测器中的检测器的至少一些检测器所生成的参考信号的平均值中减去由第一组中的检测器所生成的测量信号，或者从由所述第二组检测器中环绕所述第一组检测器中的检测器的各检测器所生成的参考信号的平均值中减去由第一组中的检测器所生成的测量信号。

21.根据权利要求1或2所述的成像设备，其中，对所述第一组检测器和所述第二组检测器中的各检测器进行校准从而补偿增益和/或偏移的变化。

22.根据权利要求1或2所述的成像设备，其中，所述第二波段覆盖所述第一波段的宽度的大约一半。

23.根据权利要求1或2所述的成像设备，其中，所述第一波段从大约3.2微米延伸至大约3.8微米而所述第二波段从大约3.5微米延伸至大约3.8微米，或者其中，所述第一波段从大约10.3微米延伸至大约10.7微米而所述第二波段从大约10.3微米延伸至大约10.5微米。

24.根据权利要求1或2所述的成像设备，其中，所述第二波段相对于所述第一波段被定位成使得：在针对所述第二波段而获得的信号中背景电磁辐射的所述水平的贡献与针对所述第三波段而获得的信号水平大致相等。

25.根据权利要求1或2所述的成像设备，进一步包括：光学系统，所述光学系统用于改变由所述成像设备所捕获的图像中的光学焦点。

26.一种红外相机，包括如前述权利要求中任一项中所述的成像设备。

27.根据权利要求26所述的红外相机，进一步包括对可见光敏感的附加成像传感器。

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