CN113454430A - 气体透镜滤波器系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了过滤红外光谱辐射的系统和方法，其可以与用于红外成像系统的紧凑光学系统集成。该光学系统包括配置为接收和透射来自场景的红外(IR)辐射的客观透镜元件，其中来自场景的IR辐射包括与气体的吸收光谱或透射光谱相对应的特定波长范围。光学系统还包括光谱透镜元件，其被配置为接收透射通过客观透镜元件的IR辐射，其中光谱透镜元件包括设置在光谱透镜元件的第一表面上的第一干涉滤波器。干涉滤波器被配置为将透射通过客观透镜元件的IR辐射过滤到包括特定波长范围的较窄波长带。

Description

气体透镜滤波器系统和方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求2018年12月20日提交且题为“气体透镜滤波器系统和方法(GAS LENSFILTER SYSTEMS AND METHODS)”的美国临时专利申请第62/783,086号的优先权和权益，在此通过引用将该美国临时专利申请整体并入本文。
本申请涉及2017年8月31日提交且题为“基于波长带的无源红外气体成像(WAVELENGTH BAND BASED PASSIVE INFRARED GAS IMAGING)”的美国专利申请号15/692,805，在此通过引用将该美国专利申请整体并入本文。
美国专利申请第15/692,805号是2016年3月2日提交且题为“基于波长带的无源红外气体成像(WAVELENGTH BAND BASED PASSIVE IFRRARED GAS IMAGING)”的国际专利申请第PCT/EP2016/054449号的延续，在此通过引用将该国际专利申请整体并入本文。
2016年3月2日提交的国际专利申请第PCT/EP2016/054449号要求2015年3月2日提交且题为“基于波长带的无源红外气体成像(WAVELENGTH BAND BASED PASSIVE INFRAREDGAS IMAGING)”的美国临时专利申请第62/127,247号的优先权和权益，在此通过引用将该美国临时专利申请整体并入本文。
技术领域
本公开大体上涉及对气体进行成像和可视化，特别地涉及使用红外成像系统和方法对气体进行成像和可视化。
背景技术
场景的热或红外(IR)图像对于监测、检查和/或维护目的来说通常是有用的，例如，对监测工厂的气体泄漏来说是有用的。通常，提供诸如热像(thermography)装置或红外IR相机形式的热成像装置以捕获表示从观察的场景发射的红外辐射的红外(IR)图像数据值。在捕获到红外图像之后，可以例如在热成像装置或连接到热成像装置的计算装置(例如，平板计算机、智能电话、膝上型计算机或台式计算机)中对捕获的红外图像进行处理、显示和/或保存。
热成像装置(例如，红外相机)可用于例如从逸散性气体排放或气体泄漏检测(例如气体云或气柱形式的)气体存在，并用于产生该气体存在的视觉表示作为气体红外图像。该气体红外图像可用于使气体存在或气体泄漏可视化，例如，作为在相机的取景器上、在集成或分开的显示器上或在外部计算装置上呈现的图像上的烟雾或云，从而使用户看到通过红外相机观测并成像的场景中的气体存在。这种技术的变型称为无源红外气体成像，并且基于使用来自场景的辐射，而无需任何附加照明来检测气体。
然而，常规系统的问题在于，热成像装置的灵敏度可能太低以致无法检测低于某一气体颗粒浓度的气体，或者换句话说，产生的气体红外图像中的气体信息与噪声/干扰之间的对比度太低以致无法识别气体。另一个问题是，各种物理性质(例如，观察到的场景背景中的变化的温度和发射率、噪声、其他气体、气溶胶颗粒和移动的气体云)进一步降低了灵敏度。
在常规技术中，特别是使用致冷的热成像装置的常规技术中，气体成像可以基于不同波长带中的红外辐射的吸收或透射的差异。问题是，特别是对于非致冷的热成像装置来说，当基于选择的波长带中的红外辐射的吸收或透射的差异进行气体成像时，由于成像装置部件(例如，滤波器、光学系统、波导和检测器本身)的高噪声影响而不能使波长带变窄。这意味着，系统的物理特性(例如，噪声或热干扰)可能会随波长而显著变化，并将更难以补偿。
需要解决常规系统的问题，以借助用于成像例如宽范围的气体的减小的复杂度、尺寸、重量、制造成本和/或整体功耗来提高气体成像中的气体检测灵敏度，但不需要导致高的成本和重量增加的硬件重构。
发明内容
公开的方法、系统和计算机程序产品的各种技术和实施例用于对场景中的气体成像，所述场景具有背景并且可能存在气体。在各种实施例中，通过基于气体的预定吸收光谱、估计的气体温度和估计的背景温度控制热成像系统来捕获表示气体的温度的气体IR图像和表示背景的温度的背景IR图像从而进行气体成像。然后，基于气体图像和背景IR图像产生气体吸收路径长度图像，所述气体吸收路径长度图像表示来自背景的辐射通过气体的路径的长度。
在进一步的变型中，根据一个或多个实施例，该方法、系统和计算机程序产品还包括以下的选择：
-基于气体吸收路径长度图像，产生气体可视化图像。
-对于气体IR图像的捕获，控制热成像系统来捕获高吸收波长带A中的辐射，所述高吸收波长带A被确定为包括在预定吸收光谱中对于气体具有高辐射吸收的波长；和/或
-对于背景IR图像的捕获，控制热成像系统来捕获低吸收波长带B中的辐射，所述低吸收波长带B被确定为包括在预定吸收光谱中对于气体具有低辐射吸收的波长。
-将高吸收波长带A确定为包括来自气体的吸收光谱的吸收波长带G；和/或
-将低吸收波长带B确定为至少部分重叠所述高吸收波长带A。
-基于从环境空气温度传感器获取的测量的环境空气温度，估计气体温度TG；和/或
-基于先前捕获的气体IR图像估计气体温度TG。
-基于先前捕获的背景IR图像估计背景温度TB。
-还基于气体与背景差值关系产生气体吸收路径长度图像。
-确定所述高吸收波长带A还包括：
-基于气体的吸收光谱确定吸收波长带G，其中所述吸收波长带G被确定为包括吸收光谱的至少局部最小值；以及
-将所述高吸收波长带A确定成包括吸收波长带G并可能包括预定波长裕量。
-预定波长裕量是以下波长裕量中的选择：
-应用到所述吸收波长带G的较低端点的第一波长裕量G_裕量1；和/或
-应用到所述吸收波长带G的较高端点的第二波长裕量G_裕量2。
-确定低吸收波长带B还包括：
-将所述低吸收波长带B确定成具有比高吸收波长带A大的宽度，可能在预定波长裕量内。
-预定波长裕量是以下裕量的选择：
-低于高吸收波长带A的较低端点的第一波长裕量A_裕量1；和/或
-高于高吸收波长带A的较高端点的第二波长裕量A_裕量2。
-确定低吸收波长带B还包括：
-获得指示对比度并依赖于吸收路径长度图像的像素值的目标函数；
-通过在带约束内移动的波长带B上评估目标函数并通过将具有表示局部最小值的评估的目标函数值的移动的波长带B选择为优化的波长带B来产生优化的波长带B。
-确定低吸收波长带B包括从低吸收波长带B排除吸收波长带G。
-基于气体吸收路径长度图像的像素值和调色板产生视觉表示图像，其中所述调色板包括与像素值的相互排斥的范围关联的灰度和/或颜色。
-基于预定水吸收光谱确定水波长带C以提高产生的气体吸收路径长度图像中的对比度，其中所述水波长带C包括水吸收光谱的至少局部最小值，并且优选地不包括高吸收波长带A和/或低吸收波长带B；
-对于捕获水图像，控制热成像系统来捕获水波长带C中的辐射；
-还基于水图像产生气体吸收路径长度图像。
-一种用于对气体成像的热成像装置，所述热成像装置包括热成像系统和处理器，所述处理器适于执行本文所述的实施例的任何步骤和功能。
-一种用于对气体成像的计算机可读介质，所述计算机可读介质包括存储在其上的下述信息：用于执行本文中所述的任何实施例的非暂态信息；和/或被配置为控制处理器/处理单元执行本文中所述的任何步骤或功能的非暂态信息。
-一种用于对气体成像的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括适于控制处理器执行本文中所述的实施方式的任何步骤或功能的代码部分。
在一个实施例中，一种光学系统包括被配置为接收和透射来自场景的红外(IR)辐射的客观透镜元件，其中来自场景的IR辐射包括对应于气体的吸收/发射光谱或透射光谱的特定波长范围。该光学系统还包括光谱透镜元件，该光谱透镜元件被配置为接收透射通过客观透镜元件的IR辐射，其中光谱透镜元件包括设置(沉积或以其他方式形成)在光谱透镜元件的第一表面上的第一干涉滤波器。该干涉滤波器被配置为将透射通过客观透镜元件的IR辐射滤波到包括特定波长范围的较窄波长带。
在另一个实施例中，一种方法包括将较窄波长带中的IR辐射提供给检测器；由检测器基于较窄波长带中的IR辐射捕获场景的IR图像；由处理器处理对应于捕获的IR图像并由检测器提供的图像数据；和基于处理的图像数据显示场景的气体吸收路径长度图像。
在另一个实施例中，一种方法包括由用于装置的光学系统的客观透镜元件接收和透射来自场景的红外(IR)辐射，其中来自场景的IR辐射包括对应于气体的吸收/发射光谱或透射光谱的特定波长范围；和由光学系统的光谱透镜元件接收透射通过客观透镜元件的IR辐射，其中光谱透镜元件包括设置(沉积或以其他方式形成)在光谱透镜元件的第一表面上的第一干涉滤波器，该第一干涉滤波器被配置为将透射通过客观透镜元件的IR辐射过滤到包括特定波长范围的较窄波长带。
本发明的范围由权利要求限定，通过引用将其并入本部分。通过考虑以下对一个或多个实施例的详细描述，本领域技术人员将更加完整地理解本发明的实施例以及其附加优点的实现。将参考将首先简要描述的附图。
附图说明
图1示出了根据本公开的一个或多个实施例的基于背景温度差ΔT对气体无源成像的示意图。
图2a示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于对气体成像的方法。
图2b示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于对气体成像的另一方法。
图3示出了根据本公开的一个或多个实施例的在背景温度TB低于气体温度TG的情况下用于对气体成像的方法。
图4以曲线图示出了气体温度TG、背景温度TB和气体与背景温度差ΔT如何随着来自具有气体存在的场景的红外辐射的波长变化的示例。
图5以曲线图示出了根据本公开的一个或多个实施例的为提高生成的气体吸收路径长度图像的对比度而确定的波长带A 510和波长带B 520的示例。
图6示出了根据本公开的一个或多个实施例的热成像装置的示意图。
图7a示出了根据本公开的一个或多个实施例的热成像装置中的空间传感器配置的示意图。
图7b示出了根据本公开的一个或多个实施例的热成像装置中的时间传感器配置的示意图。
图8a示出了根据本公开的一个或多个实施例的热成像装置中的缠绕式(intertwined)传感器配置的示意图。
图8b示出了根据本公开的一个或多个实施例的热成像装置中的交错式(interlaced)传感器配置的示意图。
图9示出了根据本公开的一个或多个实施例的热成像装置中的编织式(woven)传感器配置的示意图。
图10是示出了根据本公开的一个或多个实施例的方法步骤的框图。
图11示出了根据本公开的一个或多个实施例的传感器的操作区域以及与A/D工作区域的映射的示意图。
图12和13a-c示意性示出了根据本公开的一个或多个实施例的如何确定第一高吸收波长带A和第二低吸收波长带B。
图14a示意性示出了根据本公开的一个或多个实施例的如何在包括第一红外成像系统的热成像装置中产生气体吸收路径长度图像。
图14b示意性示出了根据本公开的一个或多个实施例的如何在包括第一红外成像系统和第二红外成像系统的热成像装置中产生气体吸收路径长度图像。
图15示意性示出了根据本公开的一个或多个实施例的如何通过补偿红外辐射的水衰减在热成像装置中产生气体吸收路径长度图像。
图16示出了根据本公开的一个或多个实施例的光学系统和检测器。
图17示出了根据本公开的一个或多个实施例的操作光学系统的过程。
图18示出了根据本公开的一个或多个实施例的制造光学系统的过程。
图19示出了根据本公开的一个或多个实施例的配置用于检测特定气体的光学系统的过程。
通过参考下面的详细描述可以更好地理解本发明的实施例及其优点。应当理解，相同的附图标记用于标识在一个或多个附图中示出的相同的元件。
具体实施方式
引言
本公开涉及使用红外IR传感器或检测器和图像处理对气体或逸散性气体进行成像和可视化。一种使用情况的例子是利用热成像装置检查一部分工业复合处理气体。
特别地，本公开涉及无源气体成像，其使用红外区域内的热背景辐射，并且可以用于例如针对冷背景对气体成像，在这种情况下，对来自气体的热发射或辐射进行成像，或者用于针对暖背景进行气体成像，在这种情况下，对气体从背景的热辐射的吸收进行成像。对气体的成像基于气体温度TG和背景温度TB的差，以下将其称为气体与背景温度差ΔT。然而，热成像系统的灵敏度取决于气体温度TG和背景温度TB的差。
图1示出了根据一个或多个实施例的用于基于背景温度差ΔT 130对气体进行无源成像的方法和装置的示意图。热成像装置170适于捕获可控波长带内的辐射并由此产生代表来自场景的红外辐射的特定的选择的波长带的红外图像，在此也将其称为IR图像或热图像。在热成像装置170(也被称为热成像系统)和场景背景110之间存在气溶胶颗粒或气体分子形式的气体160，在图中被示意为气体云形状的气体存在。场景背景110具有背景温度TB122，并且气体具有气体温度TG 121。可以通过气体与背景差值关系140，基于背景温度TB122和气体温度TG 121来确定或计算温度差参数，优选地，该温度差参数的形式是气体与背景温度差ΔT 130。根据一个或多个实施例，热成像装置170被配置和/或被控制以捕获和/或产生以下图像的选择：尤其是表示来自场景中的背景的热辐射的背景红外图像、表示热成像装置和场景中的背景之间气体存在的气体红外图像和/或表示场景中的其他现象的可能的其他红外图像。
在一个或多个实施例中，可以基于气体图像、背景图像并且可选地基于温度差参数ΔT 130，生成表示从场景背景110通过场景中的气体存在的辐射的路径长度的气体吸收路径长度图像。在另一个实施例中，在显示器上能够呈现给或呈现给用户的气体可视化图像中使气体可视化，该图像基于气体吸收路径长度图像的像素值。在另一个实施例中，从背景图像中的像素值导出的背景温度TB 122和从气体图像中的像素值导出的气体温度TG 121用于确定温度差参数ΔT 130。
在一个或多个实施例中，基于从环境空气温度传感器获得的测量的环境空气温度和/或基于先前捕获的气体红外图像来估计气体温度TG，该先前捕获的气体红外图像包括第一波长带A内的红外辐射强度的表示，第一波长带A实质上包括具有气体在吸收光谱中的高吸收率值和/或在透射光谱中的低透射率值的红外辐射的波长。换句话说，第一波长带A是包括显著受到待成像气体的存在的影响的波长的高吸收波长带。在气体温度高于环境空气温度或背景温度的情况下，在发射光谱中存在来自气体的辐射。在此也将第一波长带A称为高吸收波长带A。
在一个或多个实施例中，基于先前捕获的背景红外图像来估计背景温度TB，该先前捕获的背景红外图像包括第二波长带B内的红外辐射强度的表示，第二波长带B实质上包括具有气体在吸收光谱中的低吸收率值和/或在透射光谱中的高透射率值的红外辐射的波长。换句话说，第二波长带B是包括不显著地受到待检测的气体的存在的影响的波长的低吸收波长带和/或高透射波长带。在此也将第二波长带B称为低吸收波长带B。
图2a示出了根据一个或多个实施例的用于对气体成像的方法，该方法例如可应用于背景温度TB 122高于气体温度TG 121(即，场景背景比气体160暖)的情况。从场景背景110发射的一部分能量或红外辐射通过气体160透射(指示为具有气体吸收路径长度242的辐射透射250)到热成像装置170中的检测器。在一个或多个实施例中，可以通过使用预定关系(例如基于透射光谱251)来确定透射的该部分能量或红外辐射。
图2b示出了根据一个或多个实施例的用于对气体成像的方法，该方法例如可应用于背景温度TB 122低于气体温度TG 121(即，场景背景比气体160冷)的情况。从场景背景110发射的一部分能量或红外辐射通过气体160透射(指示为具有气体吸收路径长度242的辐射透射250)到热成像装置170中的检测器。在一个或多个实施例中，可以通过使用预定关系例如基于吸收光谱241来确定透射的该部分能量或红外辐射。
通过控制热成像系统捕获包括显著受待检测气体存在的影响的波长的高吸收波长带A中的辐射，并捕获包括不显著受待检测的气体的存在的影响的波长的低吸收波长带B中的辐射，生成背景IR图像和气体IR图像。基于背景IR图像、基于气体IR图像，并且依赖于透射光谱251和/或吸收光谱241，在具有提高的灵敏度和/或提高的信噪比的系统中生成对比度提高的气体吸收路径长度图像。
图3示出了应用于背景温度TB低于气体温度TG(即，背景比气体160冷)的情况的一个或多个实施例。控制热成像系统170捕获包括较少受到或不是那么受到(即不显著受到)待检测的气体的存在的影响的波长的低吸收波长带B中的辐射，并捕获包括较多受到(即显著受到)待检测气体存在的影响的波长的高吸收波长带A中的辐射。在发射光谱的波长中还存在从气体160发射的辐射。控制热成像系统以捕获包括通过气体的透射和来自气体160的发射的和380的辐射。基于透射加发射光谱381生成气体吸收路径长度图像，其中，透射加发射光谱381是透射光谱和发射光谱的和。
图4是示出来自场景的辐射亮度相对于红外范围中的波长的曲线图，该场景包括背景和场景中的环境大气中的气体存在。转换为对应于与波长相关的辐射亮度的温度，该曲线图示出了以虚线表示的气体温度TG、以实线表示的背景温度TB以及气体与背景温度差ΔT 130(即，差TB-TG)如何随来自场景的红外辐射的波长变化的例子。
图5通过类似于图4的温度/波长关系示出了一个或多个实施例的例子，其中，为了提高基于气体的预定吸收光谱241、估计的气体温度TG 121和估计的背景温度TB 122生成的气体吸收路径长度图像的对比度的目的，已经确定了高吸收波长带A 510和低吸收波长带B520。波长带B 520被选择为包括较少受到或不是那么受到(即不显著受到)待检测的气体的存在的影响的波长。波长带A 510被选择为包括较多受到或强烈受到(即显著受到)待检测气体的存在的影响的波长。在一个或多个实施例中，波长带A 510包括来自吸收光谱241(图2b)的吸收波长带G 505，即显著受到待成像气体的存在的影响的吸收光谱的子集，或在不同方面表示为较少受到待成像气体的存在的影响的透射光谱的子集。此外，低吸收波长带B520与波长带A 510至少部分重叠，从而使波长带A 510和波长带B 520之间由发射光谱中的值表示的发射/发射率上的变化最小化。因此，在热成像系统中实现了灵敏度的提高和信噪比的提高，从而提高了生成的气体吸收路径长度图像的对比度。一个或多个实施例的另一个效果是消除或简化了补偿场景中变化的发射/发射率的复杂度。
系统实施例
图6示出了诸如热像装置或红外IR相机的形式的热成像装置或系统170的一个或多个实施例的示意图。热成像装置170包括第一红外(IR)成像系统613，其被配置为和/或可被控制为捕获IR图像数据值/像素值形式的红外(IR)图像，该红外(IR)图像表示从观察的场景发射的在一个或多个可选择的波长带A，B或C内的红外辐射。红外(IR)成像系统613还通信地耦接到处理器612。
第一红外(IR)成像系统613还被配置为接收控制数据，并响应于所述控制数据触发在选择的波长带内对场景的IR图像的捕获。第一红外(IR)成像系统613还被布置为将表示捕获到的图像的IR图像数据值的信号帧或数据帧发送到处理器612。IR图像数据通常包括例如在数据结构的实例中表示的数据值，例如所提到的图像数据帧。处理器/处理单元612配有专门设计的编程或程序代码部分，其适于控制处理单元执行本文描述的一种和/或多种方法的一个或多个实施例的步骤和功能。
热成像装置170还包括至少一个存储器615，其被配置为将从处理器612接收的数据值或参数进行存储，或者获取数据值或参数并将其发送到处理器612。通信接口616被配置为从处理器612接收数据值或参数或者将数值或参数发送到处理器612，或者通过通信接口616将数据值或参数发送到外部或内部单元或传感器，或者通过通信接口616从外部或内部单元或传感器接收数据值或参数。可选的输入装置617被配置为从用户接收输入或指示，例如，指示执行气体吸收路径长度图像的成像的命令的用户输入。
在一个或多个实施例中，热成像装置170还包括显示器618，其被配置为从处理器612接收信号并且将接收的信号显示为显示的图像，例如，以向热成像装置170的用户显示气体吸收路径长度图像的视觉表示。在一个或多个实施例中，显示器618与用户输入装置617集成，其被配置为从处理器612接收信号并且将接收的信号显示为显示的图像，并接收来自用户的输入或指示(例如，通过包括触摸屏功能)，并将用户输入信号发送到所述处理器/处理单元612。
在一个或多个实施例中，热成像装置170还包括环境空气温度传感器619，其被配置为测量环境空气温度并生成环境空气温度数据值，并将环境空气温度数据值提供给处理器612，处理器612接收、轮询或获取环境空气温度数据值。在一个或多个实施例中，环境空气温度传感器619直接地或经由通信接口616通信地耦接到处理器612，并且可以被设置为外部单元或内部单元。
在一个或多个实施例中，热成像装置170还可选地包括第二红外(IR)成像系统614，其优选地具有与上述第一红外(IR)成像系统612相似的特性和功能。第二红外(IR)成像系统614被类似地配置和/或可被控制为捕获IR图像数据值/像素值形式的红外(IR)图像，该红外(IR)图像表示从观察场景发射的在一个或多个可选择的波长带A、B或C内的红外辐射。第二红外(IR)成像系统614还通信地耦接到处理器612，并且还被配置为接收控制数据并响应于所述控制数据触发在选择的波长带内对场景的IR图像的捕获。第二红外(IR)成像系统614还被布置为将表示红外(IR)图像的IR图像数据值的信号帧发送到处理器612。
通常，描述的红外(IR)成像系统613,614中的每一个都包括红外(IR)光学系统6131,6141，例如，包括可能的变焦功能和聚焦功能的透镜6131以及例如包括微测辐射热计焦平面阵列的相应的红外(IR)传感器6132,6142。在下面进一步描述光学系统6131,6141的实施例。
可控/可选波长带的例子
描述的红外(IR)成像系统613,614被配置和/或可被控制为捕获IR图像数据值/像素值形式的红外(IR)图像，该红外(IR)图像表示从观察场景发射的在多个波长带A，B或C的优选连续的子集内的红外辐射。一个或多个波长带可以至少部分重叠。
在一个例子中，将波长带A选择为7-9μm，并且将波长带B选择为9-15μm，其中第一红外(IR)成像系统613被配置为捕获IR图像数据值/像素值形式的气体IR图像，该气体IR图像表示从观察场景发射的7-8.6μm内的红外辐射，并且其中第二红外(IR)成像系统614被配置为捕获IR图像数据值/像素值形式的背景IR图像，该背景IR图像表示从观察场景发射的9-12μm内的红外辐射。
波长带的其他例子
表1示出了可在本文描述的实施例中使用的不同气体的波长带范围的例子。因此，例如并且如表所示，可以将本文描述的方法或装置的实施例设计为针对CO2操作，并且在该例子中，其具有在4.2μm-4.6μm范围内的高吸收波长带A和4.4μm-4.6μm的范围内的低吸收滤波器B。
气体 高吸收波长带A 低吸收波长带B
甲烷1 3.2μm–3.6μm 3.4μm–3.6μm
甲烷2 7.0μm–9.0μm 8.5μm–9.0μm
CO<sub>2</sub> 4.2μm–4.6μm 4.4μm–4.6μm
CO+N<sub>2</sub>0 4.52μm–4.87μm 4.67μm–4.87μm
制冷剂 8.0μm–9.0μm 8.6μm–9.0μm
SF<sub>6</sub> 10.3μm–11.1μm 10.7μm–11.1μm
表1：不同气体的波长带的例子
空间传感器配置
图7a示出了根据一个或多个实施例的配置为捕获气体IR图像和背景IR图像的热成像装置170(参见图6)中的红外传感器6132,6142的示意图。也可以将其称为空间传感器配置。包括在热成像装置170中的第一红外(IR)成像系统613(参见图6)包括被配置为捕获气体IR图像的图像传感器6132。传感器6132被配置为捕获高吸收波长带A内的红外辐射。第一红外(IR)成像系统613可选地包括光学气体滤波器710，其在传感器6132的光路中并配置有在所述高吸收波长带A内的红外辐射通带。包括在热成像装置170中的第二红外(IR)成像系统614(参见图6)包括被配置为捕获背景IR图像的图像传感器6142。传感器6142被配置为捕获低吸收波长带B内的红外辐射。第二红外(IR)成像系统614可选地包括背景光学滤波器720，其在传感器6142的光路中并配置有在所述低吸收波长带B内的红外辐射通带。
包括在第一红外(IR)成像系统613中的传感器6132被配置为：与包括在第二红外(IR)成像系统613中的传感器6142捕获背景IR图像同时地、基本上同时地或以时间间隔地捕获气体IR图像。
在一个或多个实施例中，处理器612适于将控制数据发送到第一红外(IR)成像系统，以触发传感器6132捕获高吸收波长带A内的红外辐射，和/或适于将控制数据发送到第二红外(IR)成像系统以触发传感器6142捕获低吸收波长带B内的红外辐射。
在包括一个或多个光学滤波器的一个或多个实施例中，处理器612适于将控制数据发送到第一红外(IR)成像系统，以将气体光学滤波器710配置成具有等于波长带A的通带，并适于将控制数据发送到第二红外(IR)成像系统以将背景光学滤波器720配置成具有等于波长带B的通带。在一个或多个实施例中，提供了可控传感器和可控光学滤波器的组合。
时间传感器配置
图7b示出了根据一个或多个实施例的热成像装置170中的被配置为捕获气体IR图像和背景IR图像的红外传感器6132,6142(参见图6)的示意图。也可以将其称为时间传感器配置。包括在热成像装置170中的第一红外(IR)成像系统613包括图像传感器6132，其被配置为在时间T0捕获气体IR图像并在时间T1捕获背景IR图像。在一个或多个实施例中，传感器6132在时间T0被配置为捕获高吸收波长带A内的红外辐射。第一红外(IR)成像系统613可选地包括光学滤波器710，其在传感器6132的光路中，并在时间T0配置有等于高吸收波长带A的红外辐射的通带，在时间T1配置有等于低吸收波长带B的红外辐射的通带。
在一个或多个实施例中，处理器612适于将控制数据发送到第一红外(IR)成像系统，以将传感器6132的捕获的波长带配置为高吸收波长带A并在时间T0触发对气体IR图像的捕获，并且将传感器6132的捕获的波长带配置为低吸收波长带B并在时间T1触发对气体IR图像的捕获。通常，在时间T0和时间T1之间存在短的时延，适当地选择该时延以将传感器重新配置为用于不同波长带。
在包括一个或多个光学滤波器的一个或多个实施例中，处理器612适于将控制数据发送到第一红外(IR)成像系统，以将光学滤波器710配置成在时间T0具有等于高吸收波长带A的通带并将光学滤波器710配置成在时间T1具有等于低吸收波长带B的通带。在一个或多个实施例中，也可以在时间传感器配置中提供可控传感器和可控光学滤波器的组合。
缠绕式传感器配置
图8a示出了根据一个或多个实施例的配置成捕获气体IR图像和背景IR图像的热成像装置中的红外传感器6132的示意图。这还可以称为缠绕式传感器配置，并且具有消除了对于对准或配准气体图像和背景图像的需要的附加优点。
包括在热成像装置170(参见图6)中的第一红外(IR)成像系统613包括图像传感器6132，其配置有用于捕获气体相关的辐射的第一组检测器元件(这里称为气体组的检测器元件810)，并配置有用于捕获背景相关的辐射的第二组检测器元件(这里称为背景组的检测器元件820)。第一和第二组检测器元件被缠绕，以使得捕获高吸收波长带A中的红外辐射的检测器元件810和捕获低吸收波长带B中的红外辐射的检测器元件820在传感器6132的行和列中都交替。
处理器612适于发送控制数据以配置气体组检测器元件810来捕获高吸收波长带A中的红外辐射，以及配置背景组检测器元件820来捕获波长带B中的红外辐射。处理器612还适于发送控制数据到第一红外(IR)成像系统以触发通过气体组检测器元件810对气体IR图像的捕获，以及触发通过背景组检测器元件820对背景IR图像的捕获。
交错式传感器配置
图8b示出了根据一个或多个实施例的配置成捕获气体IR图像和背景IR图像的热成像装置中的红外传感器6132的示意图。这还可以称为交错式传感器配置，并且具有消除了对于对准或配准气体图像和背景图像的需要的附加优点。
包括在热成像装置170(参见图6)中的第一红外(IR)成像系统包括图像传感器6132，其配置有用于捕获气体相关的辐射的第一组检测器元件(这里称为气体组的检测器元件810)，并配置有用于捕获背景相关的辐射的第二组检测器元件(这里称为背景组的检测器元件820)。检测器元件的行被交错，以使得捕获高吸收波长带A中的红外辐射的气体组的检测器元件810与捕获低吸收波长带B中的红外辐射的背景组的检测器元件820在传感器6132的行中交替。例如，气体组的检测器元件810可以配置在偶数行上，而背景组的检测器元件820配置在奇数行上。
处理器612适于发送控制数据以配置气体组的检测器元件810来捕获高吸收波长带A中的辐射，以及配置背景组的检测器元件820来捕获低吸收波长带B中的辐射。处理器612还适于发送控制数据到第一红外(IR)成像系统，以触发通过气体组的检测器元件810对气体IR图像的捕获，以及触发通过背景组的检测器元件820对背景IR图像的捕获。
编织式传感器配置-水图像
图9示出了根据处理变化的水蒸气吸收或干扰的一个或多个实施例的配置成捕获气体IR图像、背景IR图像和第三图像(这里称为水图像)的热成像装置中的红外传感器6132的示意图。这也可以称为编织式传感器配置，并且具有消除了对于对准或配准气体图像和背景图像的需要的附加优点，除此之外，附加优点还在于获得了用于补偿例如由于场景中的水或蒸汽或其他气体而导致的噪声/干扰的图像。
包括在热成像装置170(参见图6)中的第一红外(IR)成像系统包括图像传感器6132，其配置有：
-用于捕获气体相关的辐射的第一组检测器元件(这里称为气体组的检测器元件A行,列810)；
-用于捕获背景相关的辐射的第二组检测器元件(这里称为背景组的检测器元件B行,列820)；
-用于捕获水或水蒸气相关的辐射的第三组检测器元件(这里称为水组的检测器元件C行,列830)；以及
-用于捕获干扰相关的辐射的第四组检测器元件(这里称为干扰组的检测器元件D行,列840)。
多个不同组的检测器元件配置成形成检测器元件块。气体组、背景组、水组和干扰组的检测器元件被编织，以使得捕获高吸收波长带A中的红外辐射的一个气体检测器元件810、捕获低吸收波长带B中的红外辐射的一个背景检测器元件820、捕获第三波长带C中的红外辐射的一个水检测器元件830和再次捕获低吸收波长带B中的红外辐射的一个干扰检测器元件840布置成四个检测器元件的块，其中所述块在整个传感器6132上或者其部分上重复。
处理器612适于发送控制数据以配置气体组的检测器元件810来捕获高吸收波长带A中的红外辐射，配置背景组的检测器元件820来捕获低吸收波长带B中的红外辐射，配置水组的检测器元件830来捕获第三波长带C中的红外辐射，以及配置干扰组的检测器元件840来捕获低吸收波长带B中的红外辐射。处理器612还适于发送控制数据到第一红外(IR)成像系统以触发通过气体组的检测器元件810对气体IR图像的捕获，触发通过背景组的检测器元件820对背景IR图像的捕获，触发通过水组的检测器元件830对水IR图像的捕获，以及触发通过干扰组的检测器元件840对干扰IR图像的捕获。
方法实施例
如上所述，一个或多个实施例涉及改进的对气体进行成像的系统和方法，特别是对在场景中存在的气体进行无源红外成像的系统和方法。基于估计的气体温度TG和估计的背景温度TB的差对气体进行成像。因此，TG和TB之间的较大差将导致成像的气体相对于背景的对比度较大。当对TG和TB的估计得到改进时，会提高成像系统的灵敏度，并且可以检测更少量的气体并可选地对其进行成像。随着成像系统的灵敏度的提高，成像的气体的对比度提高，例如，提高表示从场景背景110通过在场景中出现的气体的辐射的路径的长度的气体吸收路径长度图像的对比度。
本文描述的实施例从而通过例如基于先前捕获的气体和背景IR图像而对高吸收波长带A和低吸收波长带B的改进的和动态的选择，增加了在图像中进行气体检测的灵敏度，从而提高了对比度。
图10示意性示出了根据一个或多个实施例的用于对气体成像的方法的流程图，包括通过产生气体吸收路径长度图像进行气体检测。
该方法的实施例包括对以下步骤的选择：
步骤1010：通过处理器确定高吸收波长带A和低吸收波长带B，以提高基于预定的气体的吸收光谱、估计的气体温度TG和估计的背景温度TB的生成的气体吸收路径长度图像的对比度，其中高吸收波长带A包括来自吸收光谱的吸收波长带G，并且其中低吸收波长带B与高吸收波长带A至少部分重叠。
进一步地，高吸收波长带A例如被确定为包括局部最大值的预定吸收光谱的子集带，并且低吸收波长带B例如被确定为包括局部最小值并与高吸收波长带A部分重叠的预定吸收光谱的子集带。
确定高吸收和低吸收波长带的步骤1010可以还包括估计气体温度TG和估计背景温度TB。
获得估计的气体温度TG例如作为先前捕获的气体图像的像素值或处理的像素值。通过处理包括在先前捕获的气体IR图像中的像素值而估计气体温度TG可以包括以下处理的选择：
-将气体IR图像的像素值处理成单一值。
-处理像素值包括基于像素值计算统计测量值。统计测量值例如是算术均值、中值、最大值、最小值或加权平均值的选择。
在另一个例子中，获得估计的气体温度TG作为从环境空气温度传感器619获取的测量的环境空气温度值。
获得估计的背景温度TB例如作为先前捕获的背景IR图像的像素值或者处理的像素值。通过处理包括在先前捕获的气体IR图像中的像素值来估计背景温度TB可以包括以下处理的选择：
-将背景IR图像的像素值处理成单一值。
-处理像素值包括基于像素值计算统计测量值。统计测量值例如是算术均值、中值、最大值、最小值或加权平均值的选择。
步骤1020可选：产生取决于确定的高吸收波长带A和低吸收波长带B的红外成像系统控制数据。该步骤可选地包括在一个或多个实施例中。
该步骤包括：在一个或多个实施例中，产生适于控制热成像系统或其部件以捕获高吸收波长带A和低吸收波长带B的选择中的辐射的控制数据。
在步骤1020的一个示例中，红外成像系统控制数据作为数据结构产生，该数据结构包括：指示高吸收波长带A的较低端点、低吸收波长带B的较低端点、高吸收波长带A的较高端点、低吸收波长带B的较高端点的数据。控制数据还可以优选包括用于触发气体IR图像和背景IR图像的捕获的定时信息。
步骤1030可选：发送控制数据以触发图像的捕获。该步骤可选地包括在一个或多个实施例中。
该步骤通常包括通过处理器发送控制数据到红外成像系统，以触发对场景的气体IR图像的捕获以及触发对场景的背景IR图像的捕获。在步骤1030的例子中，产生的红外成像系统控制数据从处理器612作为控制信号发送到第一红外成像系统613和/或第二红外成像系统614。
步骤1040可选：通过处理器接收气体IR图像和背景IR图像。该步骤可选地包括在一个或多个实施例中。
在步骤1040的例子中，接收气体IR图像和背景IR图像包括：处理器612从第一红外成像系统613和/或第二红外成像系统614接收控制信号并且将包括像素值的气体IR图像和包括像素值的背景IR图像存储到存储器中。
步骤1050：基于气体IR图像和背景IR图像产生气体吸收路径长度图像。
在步骤1050的一个或多个实施例中，气体吸收路径长度图像例如通过选择例如基于气体与背景差值关系的下面的像素操作来产生图像像素值而产生(其中减法被表示成“-”，除法被表示成“/”)：
-(气体图像像素值A行,列-背景图像像素值B行,列)；
-(背景图像像素值B行,列-气体图像像素值A行,列)；
-(气体图像像素值A行,列/背景图像像素值B行,列)；或者
-(背景图像像素值B行,列/气体图像像素值A行,列)。
气体IR图像的像素值通常包括高吸收波长带A中的红外辐射的强度的表示，而背景IR图像的像素值通常包括低吸收波长带B中的红外辐射的强度。
步骤1060可选：基于气体吸收路径长度图像中的像素值对气体成像和可视化。该步骤可选地包括在一个或多个实施例中。
为了使用户能够理解气体吸收路径长度图像中的信息，通过产生视觉表示并且将其呈现在热成像装置或连接到热成像装置的计算装置(例如，平板计算机、智能电话、膝上型计算机或台式计算机)中的显示器上来对所述图像进行进一步成像。
在步骤1060的一个例子中，通过使用假颜色生成气体吸收路径长度图像的视觉表示来执行对气体成像，其中生成视觉表示还包括将气体吸收路径长度图像中的像素值映射到调色板并产生显示气体图像。在另一个例子中，调色板可以包括来自预定义颜色模型的颜色或灰度。对气体成像的步骤通常还包括在热成像装置中的显示器上或者在包括在外部装置中的显示器上呈现显示气体图像。
优化A/D转换器的范围
提供了包括在一个或多个实施例中的一个方面，其目的在于：确保模数转换范围或者动态以最佳方式被用在IR检测器或者传感器中来提高对比度，但不限制气体与背景温度差ΔT，同时保持在检测器的线性操作区域中。
在对气体成像时的一个问题在于热成像系统的灵敏度以及因而在气体吸收路径长度图像中的对比度进一步依赖于模数转换过程。传感器6132,6134通常产生模拟输出信号，例如，电压是测辐射热计的可测量输出。模拟信号必须被模数转换以获得图像数据值或者像素值。数模转换通常由用A/D工作区域操作的(A/D)模数转换器执行，该工作区域被限定成最小A/D值、最大A/D值和用位数测量的分辨率。热成像装置170中的最小A/D值和最大A/D值通常被传感器6132,6134都具有线性响应的操作区域限制。
图11示出了传感器的操作区域和与A/D工作区域的映射的示意图。
传感器6132,6134(参见图6-9)具有预定的响应特性，例如，通过在制造热成像装置期间的校准测量确定成响应特性关系。响应特性的子集是线性的，在实际情况下是线性或者基本上线性的，并且受到最小温度TDetMin 1141和最大温度TDetMin 1142的限制。
然后的问题是确定最小A/D值和最大A/D值以改善气体的成像，即，提高检测气体的灵敏度，并因而提高气体吸收路径长度图像中的对比度。如果A/D工作区域(即，最小A/D值和最大A/D值)被设置成使得温度范围(TB–TG)或者(TG–TB)的部分被排除在外，则无源气体成像的灵敏度并且因而气体吸收路径长度图像中的对比度降低。在另一方面，如果A/D工作区域(即，最小A/D值和最大A/D值)被设置成使得它们延伸到低于TDetMin 1141和/或超过TDetMax 1142，那么非线性影响被包括，并且无源气体成像的灵敏度并且因而气体吸收路径长度图像中的对比度被降低。
通常，A/D工作区域可以被设置到预定起始A/D工作区域，起始最小A/D值N 1121和起始最大A/D值N 1131，其从预定的范围集进行选择，例如通过在制造热成像装置期间的校准测量确定。根据一个或多个实施例，A/D工作区域应该被设置成尽可能地接近温度范围(TB–TG)或者(TG–TB)。在热成像装置中，这通过改变像检测器温度偏移值Toffset和检测器积分时间Tint的控制参数来进行控制，其中检测器温度偏移值Toffset确定起始最小A/D值N1121，并且检测器积分时间TintN基于预定的校准关系确定起始最大A/D值1131，所述校准关系例如通过在制造热成像装置期间的校准测量来确定。
在一个例子中，获得(例如，从预定的范围集选择或者从存储器获取)起始A/D工作区域1110，其由作为ToffsetN的起始最小A/D值N 1121和由检测器积分时间TintN和预定的校准关系给出的起始最大A/D值N 1131限定。
根据成像的气体160或者背景场景110(参见图1)是否具有相对最低的温度，可以将更新的最小A/D值N+1 1122确定成例如从存储器获得的背景温度TB或者气体温度TG。即，确定成更新的最小A/D值N+1 1122＝最小(TB,TG)。气体与背景温度差ΔT 130基于背景温度TB122、气体温度TG 121和气体与背景差值关系(GSBDR)140计算。将更新的最大A/D值N+11132确定成更新的最小A/D值N+1 1122+ΔT 130。进一步地，将更新的最大A/D值N+1 1132与TDetMax 1142进行比较，以确定更新的最大A/D值N+1 1132低于TDetMax 1142。如果更新的最大A/D值N+1 1132低于TDetMax 1142，那么将更新的最大A/D值N+1 1132用作A/D工作区域的上限，如果最大A/D值n+1 1132高于TDetMax 1142，那么基于更新的最大A/D值N+1 1132和相反的预定校准关系确定更新的检测器积分时间TintUpdated(N+1)。
可以基于TintUpdated(N+2)、预定的积分时间步长ΔTint和预定的校准关系来确定新的更新的最大A/D值N+2 1132，其中将新的更新的最大A/D值N+2 1132确定成TintUpdated(N+2)＝TintUpdated(N+1)-ΔTint，其中N是迭代阶数或指数。
进一步地，将新的更新的最大A/D值N+2 1132与TDetMax 1142进行比较，以确定新的最大A/D值N+2 1132低于TDetMax 1142。如果是，那么将新的更新的最大A/D值N+2 1132用作A/D工作区域的上限，否则，执行另一迭代，并确定新的更新的最大A/D值N+3 1132。
进一步地，将更新的最小A/D值N+1 1122与TDetMin 1141进行比较，以确定更新的最小A/D值N+1 1122高于TDetMin 1141。如果更新的最小A/D值N+1 1122低于TDetMin 1141，则将更新的最小A/D值N+1 1122设置到TDetMin 1141，并将其用作A/D工作区域的下限。
在另一个例子中，获得(例如，从预定的范围集选择)起始A/D工作区域1110，其由作为ToffsetN的起始最小A/D值N 1121以及由TintN和预定的校准关系给出的起始最大A/D值N1131限定。
根据成像的气体160或者背景场景110是否具有相对最低的温度，可以将Toffset确定成TB或者TG，因而更新的最小A/D值N 1122＝最小(TB,TG)。可以通过积分时间步长ΔTint逐步地增加用于起始A/D工作区域1010的起始TintN，并且可以基于起始积分时间ΔTintN或者在先前迭代中确定的积分时间TintUpdated(N)、积分时间步长ΔTint和预定校准关系来确定更新的最大A/D值N+1 1132，其中N是迭代阶数或者指数，其中TintUpdated(N+1)被确定成等于(TintN+ΔTint)或者(TintUpdated(N)+ΔTint)。
进一步地，将更新的最大A/D值N+1 1132与TDetMax 1142进行比较，以确定更新的最大A/D值N+1 1132低于TDetMax 1142。如果最大A/D值N+1 1132高于TDetMax 1142，那么将TintUpdated(N+1)＝确定成先前确定的更新的最大A/D值N 1132被用作A/D工作区域的上限，否则，执行另一个迭代，并且确定新的更新的最大A/D值N+2 1132。
进一步地，将更新的最小A/D值N 1122与TDetMin 1141进行比较，以确定更新的最小A/D值N 1122高于TDetMin 1141。如果更新的最小A/D值1122低于TDetMin 1141，则将更新的最小A/D值1122设置到TDetMin 1141，并将其用作A/D工作区域的下限。
在一个或多个实施例中，该方法包括以下步骤：
-确定起始A/D工作区域1110。
-基于气体温度TG和背景温度TB确定更新的最小A/D值N+1 1122和更新的最大A/D值N+1 1132。
-确定更新的最大A/D值N+11132低于TDetMax 1142，并且将更新的最大A/D值N+1确定成扩展的A/D工作区域1111的上限。
-确定更新的最小A/D值N 1122高于TDetMin 1141，并且将其确定成扩展的A/D工作区域的下限。
基于ΔT(deltaT)的优化，自上而下
在一个或多个实施例中，包括基于ΔT的优化，其中更新的最小A/D值N+1 1122被确定成最小(TB,TG)，该方法还可以包括以下步骤：
-步骤1505：例如从存储器获得预定积分时间步长ΔTintN。
-步骤1510：基于TB(122)、TG(121)和气体与背景差值关系(GSBDR)(140)确定背景温度差ΔT 130，其中更新的最大A/D值N+1(1132)被确定成更新的最小A/D值N+1(1122)+ΔT(130)。
-步骤1515：确定最大A/D值N+1 1132高于TDetMax 1142并执行以下步骤：
-步骤1520：基于更新的最大A/D值N+1 1132和相反的预定校准关系确定更新的检测器积分时间TintUpdated(N+2)。
-步骤1525：基于新的更新的积分时间TintUpdated(N+2)、预定积分时间步长ΔTint和预定的校准关系确定迭代的更新的最大A/D值N+2 1132，其中新的更新的积分时间被确定成TintUpdated(N+2)＝TintUpdated(N+1)-ΔTintN。
-步骤1530：迭代步骤1515-1525。
基于Tint的优化，自下向上
在一个或多个实施例中，包括基于Tint的优化，其中更新的最小A/D值N+1 1122被确定成最小(TB,TG)，并且其中起始A/D工作区域1110由作为ToffsetN的起始最小A/D值N 1121和由积分时间TintN和预定的校准关系给出的起始最大A/D值N 1131限定，该方法还可以包括以下步骤：
-步骤1605：例如从存储器获得预定积分时间步长ΔTint。
-步骤1610：基于ΔTintN和预定积分时间步长ΔTint确定更新的检测器积分时间TintUpdated(N+1)，其中更新的积分时间被确定成TintUpdated(N+1)＝ΔTint(N)+ΔTint。
-步骤1615：基于更新的检测器积分时间TintUpdated(N+1)和预定校准关系确定更新的最大A/D值N+1 1132。
-步骤1620：确定最大A/D值N+1 1132低于TDetMax 1142并执行以下步骤：
-步骤1625：基于ΔTintN+1和预定的积分时间步长ΔTint确定更新的检测器积分时间TintUpdated(N+2)，其中更新的积分时间被确定成TintUpdated(N+2)＝TintUpdated(N+1)+ΔTint。
-步骤1630：基于更新的检测器积分时间TintUpdated(N+2)和预定校准关系确定更新的最大A/D值N+2 1132。
-步骤1635：迭代步骤1620-1630。
在一个或多个实施例中，产生的红外成像系统控制数据还包括在以上方法步骤的选择中确定的Toffset和Tint。
确定高吸收波长带A和低吸收波长带B
图12(也参照图2a和图2b)示出了在一个或多个实施例中如何确定的高吸收波长带A 510和低吸收波长带B 520。确定了包括场景中的气体的吸收光谱241的子集并至少包括吸收光谱241的局部最大值的气体相关的波长带G 505。在一个例子中，如所属领域技术人员所理解，将波长带G选择成包括吸收光谱241的多个局部最大值，从而在热成像系统的传感器613,614处获得足够的信噪比。
在一个或多个实施例中，确定如上所述的高吸收波长带A和低吸收波长带B还包括：基于气体的吸收光谱确定气体相关的波长带G，其中将波长带G确定成包括吸收光谱的至少一个局部最大值。
优选地，确定波长带A包括波长带G 505。为了保障捕获依赖波长的局部最大值/多个最大值的红外辐射衰减效应，将较低裕量(margin)G_裕量1 1231和较高裕量G_裕量21232添加到低吸收波长带B 505。在一个例子中，将G_裕量1和G_裕量2选择成气体相关的波长带G 505的宽度的5％-30％的大小。将G_裕量1(1231)应用到气体相关的波长带G的较低端点(1211)，并将波长裕量G_裕量2(1232)应用到气体相关的波长带G(505)的较高端点(1212)。因此，在一个或多个实施例中，确定高吸收波长带A 510和低吸收波长带B 520还包括：将高吸收波长带A确定成包括气体相关的波长带G(505)和应用到气体相关的波长带G(505)的较低端点(1211)的预定波长裕量G_裕量1(1231)以及应用到气体相关的波长带G(505)的较高端点(1212)的预定波长裕量G_裕量2(1232)。
图13a示出了在一个或多个实施例中如何确定高吸收波长带A 510和低吸收波长带B 520。确定低吸收波长带B 520与高吸收波长带A 510至少部分重叠。为了保障在消除需要对于依赖波长的发射/发射率变化的补偿的同时捕获依赖波长的局部最大值/多个最大值的红外辐射衰减效应，将较低裕量A_裕量1 1331添加到高吸收波长带A 510并将其应用到高吸收波长带A510的较低端点1311。在一个例子中，将A_裕量1 1311选择成波长带A510的宽度的50％-300％的大小。
图13b示出了在一个或多个实施例中如何确定高吸收波长带A 510和低吸收波长带B 520。确定低吸收波长带B 520与高吸收波长带A 510至少部分重叠。为了保障在消除需要对于依赖波长的发射/发射率变化的补偿的同时捕获依赖波长的局部最大值的红外辐射衰减效应，将较高裕量A_裕量2 1332添加到高吸收波长带A 510并将其应用到高吸收波长带A 510的较高端点1312。在一个例子中，将A_裕量2 1312选择成波长带A 510的宽度的50％-300％的大小。
图13c示出了在一个或多个实施例中如何确定高吸收波长带A 510和低吸收波长带B 520。确定低吸收波长带B 520与高吸收波长带A 510至少部分重叠。为了保障在消除需要对于依赖波长的发射/发射率变化的补偿的同时捕获依赖波长的局部最大值的红外辐射衰减效应，将较高裕量A_裕量2 1332添加到高吸收波长带A 510并将其应用到高吸收波长带A 510的较高端点1312，并且将较低裕量A_裕量1 1331添加到高吸收波长带A 510并应用到高吸收波长带A 510的较低端点1311。在一个例子中，将A_裕量1 1331和A_裕量2 1332选择成波长带A 510的宽度的50％-300％的大小。因此，在一个或多个实施例中，确定高吸收波长带A 510和低吸收波长带B 520还包括：将低吸收波长带B 520确定为具有比高吸收波长带A 510大的宽度，并且具有低于高吸收波长带A 510的较低端点1311的裕量A_裕量11331的较低端点和/或具有高于高吸收波长带A的较高端点1312的裕量A_裕量2 1332的较高端点。
动态地确定波长带
在一个或多个实施例中，基于在气体相关的图像(例如，在先前步骤中产生的气体吸收路径长度图像)中捕获的对场景的先前观察，动态地确定低吸收波长带B 520。
在一个或多个实施例中，这通过以下步骤执行：
-通过在预定步骤中相对于高吸收波长带A 510移动低吸收波长带B 520产生备选波长带；
-基于每个备选波长带产生随之产生的吸收路径长度图像；
-评估在针对每个备选波长带产生的随之产生的气体吸收路径长度图像上应用的目标函数；以及
-将低吸收波长带B确定为表示评估的目标函数值的局部最大值的备选波长带。
在一个例子中，如在图13a中描绘的那样，基于A_裕量1 1331或者从存储器获取，获得低吸收波长带B的预定宽度、波长带步长大小、目标函数和波长带开始位置。基于波长带开始位置和波长带步长大小的倍数确定备选波长带。如上所述，基于备选波长带产生气体吸收路径长度图像，并且在气体吸收路径长度图像上评估目标函数以产生目标函数值，将备选波长带和对应的目标函数值保存在存储器中作为数据结构中的对。通过以下步骤重复过程：使低吸收波长带B移动波长带步长大小的倍数直到超过波长带约束，例如，当备选波长带的较高端点超过如图13b中所示的扩展了A_裕量2 1332的波长带A 510的较高端点时。进一步地，确定目标函数值的局部最小值，并且通过将对应的备选波长带确定为波长带B 520而产生优化的波长带B。
根据一个或多个实施例，确定高吸收波长带A 510和低吸收波长带B 520的另一方法包括以下步骤：
步骤1710：获得低吸收波长带B的预定宽度、波长带步长大小、目标函数和波长带开始位置。
步骤1720：通过基于波长带开始位置、波长带B的宽度和波长带步长大小的倍数移动低吸收波长带B而确定备选波长，其中波长带B在波长带约束内移动。
步骤1725：基于备选波长带产生气体吸收路径长度图像。
步骤1730：在包括在气体吸收路径长度图像中的像素值上评估目标函数，以产生目标函数值。
步骤1740：将备选波长带和对应的目标函数值存储为数据结构中的对，例如存储到存储器中。
步骤1750：重复方法步骤1720、1730、1740，直到超出波长带约束。
步骤1760：确定每个存储的对中存储的目标函数值的局部最大值。
步骤1770：通过将对中的备选波长带确定为低吸收波长带B 520而产生优化的低吸收波长带B。
步骤1780：控制热成像系统来产生气体IR图像，例如，基于优化的低吸收波长带B的气体吸收路径长度图像。
在一个或多个实施例中，当确定低吸收波长带B时的另一选项包括从低吸收波长带B中排除吸收波长带G。
产生气体吸收路径长度图像的例子
图14a示意性示出了根据一个或多个实施例如何用热成像装置170产生气体吸收路径长度图像，其中热成像装置170包括红外热成像系统613，例如在图6和7b到9中所示。在该例子中，使用相同的热成像系统来捕获气体IR图像和背景IR图像。图14a示出了气体IR图像1410和背景IR图像1420，其分别具有各自的像素值1430，AM,N和BM,N。光轴和视场(FOV)从而相同，因而包括在气体图像中的像素值和包括在背景图像中的像素值在将它们组合成包括在气体吸收路径长度图像中的像素值之前，总是代表场景110的相同部分。
因而，根据一个或多个该类型的实施例，通过使用来自气体IR图像和背景IR图像的像素值的像素操作来产生气体吸收路径长度图像。不同的例子包括以下操作的选择：
-气体吸收路径长度图像像素值1,1＝A1,1-B1,1；
-气体吸收路径长度图像像素值1,1＝B1,1-A1,1；
-气体吸收路径长度图像像素值1,1＝B1,1/A1,1；和/或
-气体吸收路径长度图像像素值1,1＝A1,1/B1,1。
图14b示意性示出了根据一个或多个实施例如何用热成像装置170产生气体吸收路径长度图像，其中热成像装置170包括第一红外成像系统613和第二红外成像系统614，如图6和图7a中所示。在该例子中，使用不同的热成像系统捕获气体IR图像和背景IR图像。图14b示出了气体IR图像1410和背景IR图像1420，其分别具有各自的像素值1430，AM,N和BM,N。光轴和视场FOV可能不同，这导致不同的视差误差和/或不同的FOV大小。为了确保在将包括在气体图像中的像素值和包括在背景图像中的像素值组合为包括在气体吸收路径长度图像中的像素值之前，包括在气体图像中的像素值和包括在背景图像中的像素值表示场景110的相同部分，通过变换1440将它们配准(例如，通过使用线性或弹性变换的基于强度的配准、基于特征的配准)或者变换到一个坐标系。
因而，根据一个或多个该类型的实施例，通过使用来自气体IR图像和背景IR图像的像素值的像素操作来产生气体吸收路径长度图像。不同的例子包括以下操作的选择：
-气体吸收路径长度图像像素值1,1＝A1,1-B2,1；
-气体吸收路径长度图像像素值1,1＝B2,1-A1,1；
-气体吸收路径长度图像像素值1,1＝B2,1/A1,1；和/或
-气体吸收路径长度图像像素值1,1＝A1,1/B2,1。
图15示出了根据一个或多个实施例，如何通过使用具有一个或多个如上所述的红外成像系统的热成像装置补偿红外辐射的水衰减来生成气体吸收路径长度图像。通过进一步基于水IR图像生成气体吸收路径长度图像，进一步提高了检测气体的灵敏度，并因而进一步提高了气体吸收路径长度图像中的对比度。确定第三与水相关的波长带C以基于预定的水吸收光谱提高生成的气体吸收路径长度图像的对比度。与水相关的波长带C至少包括水吸收光谱的局部最小值，并且优选地不包括高吸收波长带A和低吸收波长带B。通过确定其中水的吸收光谱具有至少局部最小值并且其中气体不显示或显示非常低的红外辐射衰减的波长带中的红外辐射的衰减，在与水相关的波长带C中的水衰减的测量值可以被近似为也对高吸收波长带A和低吸收波长带B有效，因此可以对水衰减的影响进行补偿。在一个或多个实施例中，在包括在发送到红外成像系统的红外成像系统控制数据中的数据中指示与水相关的波长带C。由通过控制数据触发的高吸收或者第二红外成像系统613,614来捕获水IR图像，其中水IR图像包括与水相关的波长带C内的红外辐射强度。处理器612接收水IR图像，并且基于气体图像、背景图像和水图像生成改进的气体吸收路径长度图像。
因而，根据一个或多个该类型的实施例，气体吸收路径长度图像通过使用来自气体IR图像、水IR图像和背景IR图像的像素值的像素操作来产生。通过组合包括在气体图像中的像素值、包括在背景图像中的像素值和包括在水图像中的像素值生成气体吸收路径长度图像的不同例子包括以下操作中的选择：
-气体吸收路径长度图像像素值1,1＝A1,1–B1,1+–C1,1；和/或
-气体吸收路径长度图像像素值1,1＝B1,1–A1,1+–C1,1。
对准
由于可以在不同的时间及时捕获气体和背景IR图像，所以热成像装置可以以使气体IR图像和背景IR图像之间绕光轴的偏移、方向和旋转不同的方式来移动。类似地，在具有多个红外成像系统613,614的一个或多个实施例中，第一红外成像系统613和第二红外成像系统614的光轴的取向可能不同。这导致称为视差距离误差、视差指向误差和视差旋转误差的光学现象。由于这些视差误差，捕获的真实世界场景的视图在IR图像之间可能不同。为了组合气体图像和背景图像，必须调整图像以便获得表示场景的相同部分的调整的气体IR图像和调整的背景IR图像，换句话说，补偿不同的视差误差和FOV大小。该处理步骤被称为第一图像和第二图像的图像配准或对准，即通过变换将不同数据集变换到一个坐标系的过程。可以根据本领域技术人员已知的任何方法(例如，使用线性或弹性变换的基于强度的、基于特征的配准)来执行配准或对准。
显示、可视化图像、IR图像或气体图像
由于从本质上来说，热图像的对比度通常较低并且噪声通常较多，因此可以对捕获的IR图像或气体吸收路径长度图像进行各种成像处理，以便在将图像显示给用户之前提高图像的可解释性。这种图像处理的例子是利用IR温度校准数据参数校正、进行低通滤波，多个连续IR图像或气体图像的配准和进行平均，以获得经平均的红外图像或气体图像，或本领域技术人员已知的任何其他IR图像或气体图像处理操作。由于红外辐射对人眼不可见，所以在IR图像或者气体图像中的每个像素的捕获的IR图像或气体图像的数据值与显示器上显示的灰度或颜色之间没有自然关系。因此，被称为假颜色或伪颜色的信息可视化过程用于将IR图像或气体吸收路径长度中的每个像素的图像数据值或像素值映射到用于呈现显示在显示器上的相应像素(例如，使用灰度或颜色)的调色板。
调色板通常是从用于IR图像/气体吸收路径长度图像的图像显示或视觉表示的颜色模型中选择的颜色或灰度级表示的有限集合，即，预先定义的调色板表示可在显示器上显示从而使其对人眼可见的颜色模型的灰度级或颜色值的有限集合。将IR图像中每个像素的捕获的红外(IR)图像数据值或气体图像中每个像素的气体图像数据值映射到用于呈现显示在显示器上的所述IR图像的视觉表示的相应像素的调色板通常通过应用预定关系来执行。这种预定关系通常描述从图像数据值或像素值到所述预定的调色板(例如，具有从颜色模型中选择的相关的颜色或灰度级表示的调色板索引值)的映射。通常基于气体吸收路径长度图像中的每个像素的气体吸收路径长度图像数据值或像素值、可选地IR温度校准数据参数、表示可显示在显示器上的颜色模型的灰度级或颜色值的有限集合的预定调色板以及描述从红外图像数据值或气体吸收路径长度图像像素值到所述预定的调色板的预定关系，将气体可视化IR图像或气体吸收路径长度图像显示给预期用户。
根据一个或多个实施例，描述的热成像装置的处理器被配置为执行本文描述的与对包括图像数据值或像素值的捕获的IR图像或气体吸收路径长度图像的处理关联的任何或所有方法步骤的选择，例如，选择数据值/像素值，将与数据值/像素值关联的温度值映射到颜色和/或灰度级值，例如基于IR数据值的帧的每个像素的关联的温度值为所述像素分配来自预先选择的颜色模型的表示值，以及本文所述的其他操作。
红外(IR)光学系统及相关方法
在各种实施例中，红外光学系统6131、6141可以被配置为检测在可选择的波长带或感兴趣的波长范围内的气体，例如高吸收波长带A和/或低吸收波长带B。现在参考图16，在一个或多个实施例中，光学系统6131、6141可以包括多个透镜元件1605、1615和1620，其被配置为光学聚焦来自场景的IR辐射1601。虽然示出了三个透镜元件，但应当理解，在光学系统6131、6141中可以使用任意数量的透镜元件。光学系统6131、6141还可以包括快门1610和/或保护窗1625。光学系统6131、6141可以通常封装在外壳内(图16中未显示)以保护不同的组件免受刮擦和环境的影响。
在一些实施例中，光学系统6131、6141可以固定在热成像装置170内，并且在其他实施例中，光学系统6131、6141可以从热成像装置170移除，使得具有不同光谱和/或其他光学特性的不同光学系统可以附接到或耦接在热成像装置170内以用于检测不同的气体。
在各种实施例中，光学系统6131、6141可以被配置为检测可选择的波长带内的气体。光学系统6131、6141可以被调谐，使得可选择的波长带对应于在成像场景内要检测的感兴趣气体的类型。例如，可以调谐光学系统6131、6141以检测甲烷(CH4)(其为7-8.5μm)或六氟化硫(SF6)(其为9.5-12μm)和/或其他气体或气体组合的光谱吸收/发射区域或波长范围。在一些实施例中，光学系统6131、6141可以被调谐到高吸收波长A以捕获气体IR图像、被调谐到低吸收波长B以捕获背景IR图像和/或其他合适的波带。
光学系统6131、6141中的第一透镜元件是客观透镜元件1605。一般而言，本文使用的术语“客观(objective)”是指透镜元件、透镜表面、或比检测器或图像传感器6132、6142(例如，布置在图16的右侧)更接近于成像场景(例如，图16的左侧)的其他结构或结构的一部分，并且如本文所用的术语“主观(subjective)”是指透镜元件、透镜表面、或比成像场景更靠近检测器或图像传感器6132、6142的其他结构或结构的一部分。在一些实施例中，一个或多个涂层1606(例如抗反射涂层和/或耐用保护涂层)可以应用到客观透镜元件1605的一个或两个表面。
抗反射涂层可以具有减少由客观透镜元件1605和/或涂层1606的客观表面和/或主观表面产生的IR辐射的反射的特性。不同的涂层可以具有不同的抗反射特性。根据一个或多个实施例，涂层1606中的一个或多个可以实施为抗反射涂层，该抗反射涂层被配置为减少感兴趣的波长带内的IR辐射1601的反射。
在各种实施例中，抗反射涂层1606中的一个或两个(例如，在客观透镜元件1605的任一侧上)可以实施为高效抗反射(HEAR)涂层，其可以被配置为在所选的光谱区域中具有相对高的透射率。在一些实施例中，HEAR涂层允许所选的光谱区域内超过90％的IR带辐射1601穿过客观透镜元件1605，而不在客观透镜元件1605的表面上产生反射。在若干实施例中，HEAR涂层允许所选的光谱区域内超过95％(或甚至99％)的IR辐射1601穿过客观透镜元件1605。
在一些实施例中，耐用涂层可应用到客观透镜元件1605的一个或两个表面。耐用涂层可包括类金刚石碳(DLC)涂层或高耐用性(HD)涂层。虽然客观透镜元件1605的性能可能会因这种耐用涂层而有所降低，但由此产生的改进的耐用性对于某些应用(例如，空中侦察)而言可能是优势。
还可以在光学系统6131、6141中提供快门1610，其可以用于检测器或图像传感器6132、6142的非均匀性校正(NUC)。快门1610可以如箭头1611所示那样(例如，通过执行器在逻辑装置的控制下的操作)选择性地定位在检测器6132、6142前，以阻止IR辐射1601被检测器6132、6142接收。例如，执行器可以定位快门1610，使得检测器6132、6142可以捕获快门1610的图像帧以用于校准目的。就此而言，在一些实施例中，快门1610可以提供面向检测器6132、6142的温控黑体表面1612，检测器6132、6142在一个或多个图像帧中捕获该温控黑体表面以确定与检测器6132、6142的传感器相关联的行、列和/或单个像素的校正值。致动器还可以定位快门1610以允许检测器6132、6142在未发生校准时捕获从场景接收的IR辐射1601的图像帧，其中可以应用校正值到场景的图像帧，以提供场景的温度校准或辐射热谱图。
图16所示的光学系统6131、6141的实施例中所示的第二透镜元件是光谱透镜元件1615。光谱透镜元件1615可以被配置为帮助在检测器6132、6142上形成IR图像(例如，气体IR图像或背景IR图像)并用作光谱滤波器。光谱透镜元件1615可以被配置为将IR辐射1601过滤到更窄的波长带1617，使得特定波长带内的IR辐射1601被允许穿过光谱透镜元件1615，而特定波长带外的IR辐射1601被过滤或阻止。
一般而言，光谱透镜元件1615可以根据各种不同的透镜形状形成，只要最靠近检测器6132、6142的透镜表面(例如，光谱透镜元件1615的主观表面)是凸面的，使得从元件到光谱透镜1615右侧的任何反射如果在检测器6132、6142处反射回，就通常发散(例如，以帮助最小化由光谱透镜元件1615引起的任何水仙效应(Narcissus effect))。因此，光谱透镜元件1615可以被实现为平凸透镜、双凸透镜或弯月透镜(例如，会聚、发散或具有基本上零的总有效光功率)中的任何一种。
在一个或多个实施例中，光谱透镜元件1615可以实施为弯月透镜。这种弯月透镜可以包括最靠近客观透镜元件1605的第一表面(例如，光谱透镜元件1615的客观表面)和最靠近检测器6132、6142的与第一表面相对的第二表面(例如，光谱透镜元件1615的主观表面)。第一表面可以是平坦的、凸的或凹的，并且第二表面可以是凸的。在某些实施例中，第一表面是凹的，而第二表面是凸的。
如图16所示，光谱透镜元件1615可以包括在光谱透镜元件1615的一个或两个表面上的一个或多个干涉滤波器1616。每个干涉滤波器1616可以被配置为过滤IR辐射1601的不同光谱区域，例如根据不同的气体。例如，每个干涉滤波器1616可适于通过待检测气体的吸收、发射和/或透射光谱(例如，高吸收波长带A或低吸收波长带B)，同时例如单独地或组合操作为高、低或带通滤波器而过滤其他可检测的光谱的至少一部分。
在某些实施例中，干涉滤波器1616包括短波长通(SP)干涉滤波器和/或长波长通(LP)干涉滤波器。在存在SP干涉滤波器和LP干涉滤波器两者的实施例中，SP干涉滤波器可以被应用到光谱透镜元件1615的一个表面上，并且LP干涉滤波器可以被应用到光谱透镜元件1615的相反或另一表面上。在各种实施例中，允许穿过SP干涉滤波器的波长带至少部分地与允许穿过LP干涉滤波器的波长带重叠。通过使用SP干涉滤波器和LP干涉滤波器两者，光谱透镜元件1615可以被配置为有效地将波长带与IR光谱隔离。
在一个或多个实施例中，LP干涉滤波器设置在最靠近场景的光谱透镜元件1615的第一或客观表面上。在某些实施例中，LP干涉滤波器阻挡中波长IR(MWIR)区域，使得小于1％的MWIR区域穿过光谱透镜元件1615。通常，光谱透镜元件1615上不需要抗反射涂层。
在各种实施例中，SP干涉滤波器可以实现为高效(HE)SP干涉滤波器和/或LP干涉滤波器可以实现为HE LP干涉滤波器。每个HE干涉滤波器通常允许大于95％的透射率，以实现有效的气体信号透射。在某些实施例中，SP干涉滤波器和LP干涉滤波器被配置为组合以通过7-12μm之间的波长。
一般而言，干涉滤波器1616可以由一个或多个涂层来实现，例如通常可以应用到光谱透镜元件1615的一个或两个表面的薄膜涂层。这样的涂层可以被配置为与更耐用的涂层相比，以相对高的效率/透射率起作用(例如，在它们的通带中)，原因在于干涉滤波器1616通常安装在外壳内并且因此被保护免受环境和划痕的影响。通常，干涉滤波器1616比耐用涂层厚，但干涉滤波器1616通常更软且更容易损坏。
可以应用于光谱透镜元件1615的干涉滤波器/涂层1616的厚度通常没有限制，并且厚度取决于所使用的材料和制造工艺。在光谱透镜元件1615的一个表面上放置SP涂层并在相对表面上放置LP涂层的一个优点是：由涂层的热膨胀/收缩引起的张力趋于相互平衡，并将使光谱透镜元件1615翘曲以及导致有害的光学效应和/或起皱、分层或以其他方式损坏干涉滤波器1616的风险降至最低。可以根据要穿过光谱透镜元件1615和/或光学系统6131、6141以及检测器6132、6142所检测的所需波长带，选择合适的涂层材料和/或厚度。
在一些实施例中，光谱透镜元件1615固定在光学系统6131、6141内，并且在其他实施例中，光谱透镜元件1615被配置为可从光学系统6131、6141移除，使得具有不同干涉滤波器1616的不同光谱透镜元件1615可以结合到光学系统6131、6141中，以用于不同的波长带选择。通过简单地更换光谱透镜元件1615(例如，和/或光学系统6131、6141的一个或多个其他元件)，热成像装置170可以从例如CH4检测切换到SF6检测。此外，借助于使光谱透镜元件1615通过的光谱区域变窄，可以实现关于气体成像(例如，气体对比度)的更高光学性能。
因为干涉滤波器1616被结合到光谱透镜元件1615上，所以光学系统6131、6141中不需要单独的滤波器元件，从而减少光学系统6131、6141的部件数量、成本和复杂性。光谱透镜元件1615和检测器6132、6142之间的工作距离也可以相对较小，这使得对于实施例更容易实现低F数。此外，减少光学系统6131、6141的光学元件的总数减少了光学系统6131、6141的总长度(例如，沿着IR辐射1601从成像场景到检测器6132、6142)，这也有助于光学系统6131、6141的实施例实现光学系统6131、6141的相对较低的整体或有效F数特性。通常，F数或有效F数与透镜/光学系统焦距除以透镜直径/光学系统入射光瞳(允许光到达检测器6132、6142的开口)有关，因此相对较低的F数会增加到达检测器6132、6142的IR辐射1601的量，这提高了整体光学性能(例如，用较少的图像细节模糊增加帧速率，和/或其他相关的光学性能特征)。
在一个或多个实施例中，干涉滤波器1616中的任一个可与一种或多种抗反射涂层(例如，HEAR涂层)互换。例如，在一些实施例中，光谱透镜元件1615的一个表面可以涂覆有干涉滤波器，而另一表面可以涂覆有HEAR涂层。在特定实施例中，SP干涉滤波器可以布置在光谱透镜元件1615的客观表面上，并且HEAR涂层可以布置在光谱透镜元件1615的主观表面上。在这样的实施例中，LP干涉滤波器可以布置在光学系统6131、6141的单独光学元件上，例如在保护窗1625的客观或主观表面上。
在一些实施例中，光学系统6131、6141可以包括第三透镜元件1620，其可以被称为主观透镜元件1620。类似于客观透镜元件1605，一个或多个涂层1621(例如抗反射涂层(例如，HEAR涂层))可以应用到主观透镜元件1620的一个或两个表面。在这样的实施例中，主观透镜1620可以被配置为会聚由光谱透镜元件1615提供的过滤的IR辐射1617并且在检测器6132、6142上形成场景的图像。更一般地，光学系统6131、6141可以包括任意数量的附加透镜元件，其被配置为与客观透镜1605和光谱透镜元件1615结合地工作，以在检测器6132、6142上形成场景的图像。然而，在一些实施例中，光学系统6131、6141可以用客观透镜1605和光谱透镜元件1615作为唯一的组成透镜元件来实现，其中光谱透镜元件1615被成形为会聚由客观透镜元件1605提供的IR辐射1601并且在检测器6132、6142上形成场景的图像。
在各种实施例中，用于检测器6132、6142的保护窗1625可以设置在光学系统6131、6141中，并且可以直接布置在检测器6132、6142前(例如，在主观透镜元件1620和检测器6132、6142之间)。保护窗1625可以被实施为光学平面(例如，既不会聚也不发散并且具有零光功率的透射平面光学元件)，并且可以有利地防止颗粒(例如，灰尘)到达检测器6132、6142并导致干扰捕获场景的图像和/或潜在地损坏热成像装置170的电子部件。保护窗1625可以由具有通常和/或在可选择的波长带内传输IR辐射的高效率的材料制成。在一些实施例中，保护窗1625例如为检测器6132、6142提供潮气和/或灰尘的物理密封，并且可以与检测器6132、6142集成以便为检测器6132、6142提供真空密封。
在一些实施例中，一个或多个涂层1626(例如抗反射涂层或干涉滤波器)可以被应用到保护窗1625的一个或两个表面，以提高IR辐射的透射率和/或进一步将IR辐射1617缩小到所需的波长带。根据一个或多个实施例，涂层1626可以被配置为减少感兴趣的特定波长带内的IR辐射的反射。在特定实施例中，光谱透镜元件1615可以包括SP或LP干涉滤波器中的一个，并且保护窗1625可以包括SP或LP干涉滤波器中的另一个，使得干涉滤波器的组合将选择的波长带或光谱区域传送到检测器6132、6142。
通常，光学系统6131、6141的每个元件可以例如单独制造，并且组装到光学系统6131、6141中。在替代实施例中，光学系统6131、6141的一个或多个元件可以与检测器6132、6142的制造一起制造，例如通过通常在高真空下和/或通常在与集成电路制造相关的相同环境条件下发生的各种组合沉积和/或制造技术。
图17图示了根据本公开的实施例的结合检测器6132、6142来操作光学系统6131、6141的过程。在步骤1700中，快门1610被定位在检测器6132、6142的光路中。在步骤1710中，关闭的快门1610用于校准检测器6132、6142的响应以使检测器6132、6142成为辐射热成像仪。在步骤1720中，从检测器6132、6142的光路中移除快门1610。在步骤1730中，客观透镜元件1605接收和透射来自场景的IR辐射1601，包括对应于吸收/发射光谱的特定波长范围或气体的透射光谱。在步骤1740中，光谱透镜元件1615接收由客观透镜元件1605透射的IR辐射1601。
在步骤1750中，光谱透镜元件1615将从客观透镜元件1605接收的IR辐射1601过滤到包括特定波长范围的较窄波长带1617。例如，这种较窄波长带可以对应于LP干涉滤波器(例如，第一较窄波长带)、SP干涉滤波器(例如，第二较窄波长带)或LP和SP干涉滤波器的组合(例如，第一和第二较窄波长带的组合，例如IR波长的重叠的带通)的效果。在各种实施例中，光谱透镜元件1615可以包括至少一个干涉滤波器1616，其被配置为在对应于气体的吸收/发射光谱或透射光谱的波长范围内过滤接收到的IR辐射。在相关实施例中，干涉滤波器1616可以包括SP干涉滤波器和/或LP干涉滤波器。
在步骤1760中，主观透镜元件1620接收在较窄波长带1617中过滤的IR辐射并将此IR辐射1617透射到保护窗1625。在步骤1770中，窗口1725接收在较窄波长带1617中的IR辐射并将此较窄波长带IR辐射1617透射到检测器6132、6142。在各种实施例中，保护窗1625包括可以实施为干涉滤波器的涂层1626。干涉滤波器1626可以进一步过滤较窄波长带到甚至更窄波长带中的IR辐射。在步骤1780中，检测器6132、6142接收较窄波长带1617中的IR辐射并捕获场景的IR图像(例如，气体IR图像或背景IR图像)。然后可以使用IR图像来生成场景的气体吸收路径长度图像，如上所述。
图18图示了根据本公开的实施例的制造光学系统6131、6141的过程。在步骤1800中，提供多个透镜元件，包括客观透镜元件1615、光谱透镜元件1615和主观透镜元件1620。光谱透镜元件1615可以包括一个或多个干涉滤波器1616，其可以被配置为过滤特定范围的波长。客观透镜元件1605和/或主观透镜元件1620可以包括各种涂层，包括各种类型的抗反射涂层和/或耐用涂层。在步骤1810中，光谱透镜元件1615被布置或放置在客观透镜元件1605和主观透镜元件1620之间。在各种实施例中，光谱透镜元件1615可以被定位在客观透镜元件1605和检测器6132、6142之间，或例如在快门1610和保护窗1625之间。快门1610可以定位在客观透镜元件1605和光谱透镜元件1615之间，或者例如在替代实施例中，定位在客观透镜元件1605和成像场景之间。在步骤1820中，提供保护窗1625。在一些实施例中，保护窗1625可以包括涂层1626，其可以是抗反射涂层，或者例如被选择为具有与形成在光谱透镜元件1615上的干涉滤波器至少部分重叠的带的干涉滤波器。在步骤1830中，保护窗1625设置或放置在主观透镜元件1620后(例如，在主观透镜元件1620和检测器6132、6142之间)。光学系统6131、6141(包括客观透镜元件1615、光谱透镜元件1615、主观透镜元件1620、快门1610和/或保护窗1625)然后可以安装或布置在检测器6132、6142前。
图19图示了根据本公开的实施例的配置用于检测特定气体的光学系统6131、6141的过程。在步骤1900中，确定待检测的气体。例如，在一些实施例中，待检测的气体可以选择为CH4或SF6。在步骤1910中，确定气体的吸收/发射光谱和/或透射光谱。例如，可以如上所述确定高吸收波长带A和/或低吸收波长带B。在步骤1920中，光谱透镜元件1615(包括一个或多个干涉滤波器1616，该干涉滤波器被配置为过滤对应于气体的吸收/发射光谱和/或透射光谱的波长范围之外的IR辐射(例如，被配置为透射或传送这样的波长范围))被选择为包含在光学系统6131、6141中。在各种实施例中，干涉滤波器1616可以包括SP干涉滤波器和/或LP干涉滤波器，其例如具有对应于这样的波长范围的重叠通带。在步骤1930中，光谱透镜元件1615被包括/结合在光学系统6131、6141中。
在一个或多个实施例中，提供了一种计算机可读介质，其上存储有：(1)用于执行根据本文所述的任何实施例的方法的非暂态信息；和/或(2)被配置为控制处理器/处理单元执行本文描述的实施例的任何步骤或功能的非暂态信息。
在一个或多个实施例中，提供了一种计算机程序产品，其包括适于控制处理器执行本文所述的任何实施例的任何步骤或功能的代码部分。根据本公开的软件(例如，程序代码部分和/或数据)可以以非暂态形式存储在一个或多个机器可读介质上。还可以设想，本文所识别的软件可以使用一个或多个通用或专用计算机和/或计算机系统、联网的和/或其他方式的计算机系统来实现。
在适用的情况下，本公开提供的一个或多个实施例可以使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。同样在适用的情况下，可以将本文提出的各种硬件组件和/或软件组件组合成包括软件、硬件和/或两者的复合组件。在适用的情况下，可以将本文提出的各种硬件组件和/或软件组件分为包括软件、硬件或两者的子组件。此外，在适用的情况下，预期软件组件可以实现为硬件组件，反之亦然。在适用的情况下，本文描述的各种步骤的顺序可以改变，组合成复合步骤，和/或分离成子步骤以提供本文所述的功能。
上述公开内容不旨在将本发明限制于所公开的精确形式或特定使用领域。应当理解，根据本公开，可以对本文明确或隐含描述的本发明的实施例作出各种替代实施例和/或修改。因此，本发明的范围仅由权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种装置，所述装置包括：
光学系统，所述光学系统包括：
客观透镜元件，所述客观透镜元件被配置为接收和透射来自场景的红外(IR)辐射，其中，来自场景的IR辐射包括与气体的吸收/发射光谱或透射光谱相对应的特定波长范围；和
光谱透镜元件，所述光谱透镜元件被配置为接收透射通过所述客观透镜元件的IR辐射，其中，所述光谱透镜元件包括设置在所述光谱透镜元件的第一表面上的第一干涉滤波器，所述第一干涉滤波器被配置为将透射通过所述客观透镜元件的IR辐射过滤到包括所述特定波长范围的较窄波长带。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：
检测器，所述检测器被配置为基于所述较窄波长带中的IR辐射捕获场景的IR图像，其中，所述光谱透镜元件设置在所述客观透镜元件和所述检测器之间。
3.根据权利要求2所述的装置，还包括：
存储器；和
通信地耦接到所述存储器和所述光学系统的处理器，所述处理器被配置为基于由所述检测器捕获的IR图像生成场景的气体吸收路径长度图像。
4.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述光谱透镜元件包括弯月透镜，该弯月透镜包括朝向所述客观透镜元件取向的凹面以及与所述凹面相对的凸面。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括：
设置在所述客观透镜元件和所述光谱透镜元件之间的快门，该快门被配置为选择性地定位在所述装置的检测器前，以阻止来自场景的IR辐射到达所述检测器。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括：
设置在所述装置的光谱透镜元件和检测器之间的保护窗，其中，所述保护窗包括配置为过滤透射通过所述第一干涉滤波器的IR辐射的第二干涉滤波器。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括：
设置在所述装置的光谱透镜元件和检测器之间的主观透镜元件，其中，所述主观透镜元件和/或所述客观透镜元件包括抗反射涂层。
8.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述第一干涉滤波器包括短波长通(SP)干涉滤波器或长波长通(LP)干涉滤波器。
9.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述较窄波长带包括第一较窄波长带；
所述光谱透镜元件包括在与所述第一表面相对的第二表面上的第二干涉滤波器；并且
所述第二干涉滤波器被配置为将透射通过所述客观透镜元件的IR辐射过滤到包括所述特定波长范围的第二较窄波长带。
10.根据权利要求9所述的装置，其中：
所述第一干涉滤波器包括设置在所述光谱透镜元件的第一表面上并被配置为提供所述第一较窄波长带的LP干涉滤波器或SP干涉滤波器。
11.根据权利要求9所述的装置，其中：
所述第二干涉滤波器包括设置在所述光谱透镜元件的第二表面上并被配置为提供所述第二较窄波长带的SP干涉滤波器或LP干涉滤波器。
12.根据权利要求9所述的装置，其中：
所述第一较窄波长带和所述第二较窄波长带的组合对应于气体的高吸收波长带A或低吸收波长带B。
13.一种操作权利要求1所述的装置的方法，该方法包括：
将较窄波长带的IR辐射提供给所述装置的检测器；
由所述检测器基于所述较窄波长带中的IR辐射捕获场景的IR图像；
由处理器处理与捕获的IR图像相对应的并由所述检测器提供的图像数据；和
基于处理的图像数据显示场景的气体吸收路径长度图像。
14.根据权利要求13所述的方法，其中：
所述场景的IR图像包括气体IR图像或背景IR图像。
15.一种方法，包括：
由用于装置的光学系统的客观透镜元件接收和透射来自场景的红外(IR)辐射，其中，来自场景的IR辐射包括与气体的吸收/发射光谱或透射光谱相对应的特定波长范围；和
由所述光学系统的光谱透镜元件接收透射通过所述客观透镜元件的IR辐射，其中，所述光谱透镜元件包括设置在所述光谱透镜元件的第一表面上的第一干涉滤波器，该第一干涉滤波器被配置为将透射通过所述客观透镜元件的IR辐射过滤到包括所述特定波长范围的较窄波长带。
16.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述光学系统还包括快门，所述装置还包括检测器；并且
所述方法还包括选择性地将所述快门定位在所述检测器前，以阻止来自场景的IR辐射到达所述检测器。
17.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述第一干涉滤波器包括设置在所述光谱透镜元件的客观表面上的SP干涉滤波器；
所述光谱透镜元件包括设置在所述光谱透镜元件的主观表面上的抗反射涂层；
所述光学系统还包括设置在所述装置的光谱透镜元件和检测器之间的保护窗；
所述保护窗包括第二干涉滤波器，该第二干涉滤波器包括设置在所述保护窗的表面上的LP干涉滤波器；并且
所述方法还包括由所述第二干涉滤波器过滤透射通过所述第一干涉滤波器的IR辐射。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括：
由所述装置的检测器基于较窄波长带中的IR辐射捕获场景的IR图像。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
由处理器处理与所述检测器捕获的场景的IR图像相对应的图像数据；和
基于处理的图像数据显示场景的气体吸收路径长度图像。
20.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述较窄波长带包括第一较窄波长带；
所述光谱透镜元件包括设置在与所述第一表面相对的第二表面上的第二干涉滤波器；并且
所述方法还包括由所述第二干涉滤波器将透射通过所述客观透镜元件的IR辐射过滤到包括所述特定波长范围的第二较窄波长带。
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