DE102007031959B4

DE102007031959B4 - Terahertz-Videokamera

Info

Publication number: DE102007031959B4
Application number: DE200710031959
Authority: DE
Inventors: Torsten May; Hans-Georg Dr. Meyer; Günter Dr. Thorwirth
Original assignee: Jena Optronik GmbH; Institut fur Photonische Technologien EV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV; Vincorion Advanced Systems GmbH
Priority date: 2007-07-10
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2027-07-11
Also published as: EP2171518A1; WO2009007095A1; DE102007031959A1

Abstract

Terahertz-Kamera für die Aufzeichnung bewegter Bilder in der Bauart eines Cassegrain-Teleskops mit beweglichen Sekundärspiegel und ausgestattet mit einer Bolometermatrix nach dem Transistion Edge Sensorprinzip, gekennzeichnet durch eine gleichzeitige und phasensynchrone Bewegung des Sekundärspiegels (2) um zwei orthogonal zu einander stehende Achsen (31, 32), die sich in einem Referenzpunkt (30) auf der Spiegeloberfläche des Sekundärspiegels (2) schneiden, der gleichzeitig auf der optischen Achse (31) der Kamera liegt.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Terahertz-Kamera, die geeignet ist, bewegte Bilder von Körpern aufzuzeichnen, wobei bereits die Eigenemission der Körper im Terahertz-Bereich für eine Bildaufzeichnung ausreichend ist.
Die besonderen Eigenschaften von Terahertz-Strahlen machen eine Anwendung insbesondere für Sicherheitskontrollen in öffentlichen Einrichtungen interessant. Die von jedem Körper mit einer Temperatur größer als der absolute Nullpunkt emittierte so genannte Schwarzkörperstrahlung ist im Frequenzbereich der Terahertz-Strahlen stark materialabhängig. Allerdings ist auch deren Intensität verglichen zu der Emission von Thermostrahlen des menschlichen Körpers so gering, so dass extrem hohe Anforderungen an die Empfindlichkeit der Kamera gestellt werden müssen, zumal wenn bewegte Bilder mit einer Bildwiederholfrequenz > 16 Hz aufgezeichnet werden sollen.
Es ist bekannt, zum Nachweis schwacher Strahlung mit einer Nachweisschwelle kleiner 10^–16 W/√Hz Transistion Edge Sensoren einzusetzen. Das sind Bolometer, deren Arbeitspunkt so gewählt wird, dass ein Supraleiter mit einer starken Temperaturabhängigkeit seines Widerstandes im Sprungbereich zwischen Normal- und Supraleitung als Thermistor benutzt werden kann. Dabei wird der Arbeitspunkt so stabilisiert, dass immer die höchste Empfindlichkeit der Widerstandsänderung, wie in der US 7,064,328 B2 beschrieben, zur Verfügung steht. Diese Bolometer können als Matrix auf einem Silizium-Wafer gefertigt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Empfindlichkeit besteht darin, unter der Bolometer-Matrix einen Reflektor anzuordnen, der einen resonanten Spalt erzeugt, wie in der US 2003/0020017 A1 erkennbar.
Ausgelesen wird der Sensor bei einer geforderten höchsten Empfindlichkeit durch einen supraleitenden Quanteninterferenzdetektor /Optik & Photonik, März 2007/. Diese Sensoren werden in ein optisches System z. B. der Bauart Cassegrain integriert, das der Astronomie entlehnt ist. Bei hinreichend langen Belichtungszeiten ggf. mit Nachführung des Reflektors werden höchste Empfindlichkeiten erreicht.
Die Nutzung dieser Anordnung als Terahertz-Videokamera ist allerdings nur begrenzt möglich. Es ist bekannt, durch Kombination einer Bolometermatrix mit beweglichen optischen Funktionselementen in der Abbildungsoptik Objekte zu scannen. In der US 3,859,530 wird z. B. ein Infrarot-Teleskop beschrieben, bei dem ein oszillierender Spiegel einen zirkularen oder elliptischen Abtastpfad auf einen Infrarotdetektor generiert. Zu diesem Zweck wird ein zusätzlicher Umlenkspiegel in den Strahlengang des Teleskops eingefügt, der durch einen speziellen Antrieb in eine, um die optische Achse taumelnde Bewegung versetzt wird. Damit ist die Erzeugung kreisförmiger, elliptischer und spiralförmiger Abtastbewegungen des Objektes möglich. Empfohlen wird aus energetischen Gründen ein Betrieb in der Resonanzfrequenz zwischen 10 bis 100 Hz.
In der Anordnung nach Optik & Photonik März 2007 wird der Sekundärspiegel einer Terahertz-Kamera in der Bauart Cassegrain in zwei Koordinaten bewegt, um eine Bildabtastung zu erzeugen. Allerdings sind die Anforderungen an die Frequenz der Bewegung des optischen Funktionselementes extrem hoch, wenn man von einer Bildwiederholfrequenz von 25 Hz ausgeht. Selbst wenn 16 Bolometer für die zeitlich parallele Abtastung des Objektfeldes zur Verfügung stehen, sind beispielsweise für die Abtastung von 25.600 Bildpunkten Frequenzen bei der mechanischen Bewegung des optischen Funktionselementes von > 250 Hz erforderlich. Die Anforderungen erhöhen sich, wenn eine „Farbsichtigkeit” der Terahertz-Kamera erforderlich ist, dass heißt, gleichzeitig mindestens drei Wellenbereiche unabhängig voneinander aufgezeichnet werden.
Die Anordnung nach US 3,859,530 erscheint für diese Anforderungen bedingt durch die auftretende Unwucht und damit schwer zu kontrollierender Amplitude wenig geeignet. Insofern ist begründet, dass in der Anordnung nach Optik & Photonik, März 2007, der relativ kleine Sekundärspiegel ausgelenkt wird.
Ein weiteres Problem der bekannten Anordnungen ist die Übersteuerungsfestigkeit. Das Streben nach höchster Empfindlichkeit bedeutet, dass bei Beleuchtung der Objekte durch eine Terahertz-Strahlungsquelle Übersteuerungserscheinungen auftreten können. Darüber hinaus sind aus WO 2006/013379 A2 und WO 2006/129113 A1 Terahertz-Kameras mit mindestens einem um zwei orthogonal zueinander stehende Achsen beweglichen Spiegel, der auf der optischen Achse der Kamera liegt, bekannt. Diesen beiden Vorschlägen haftet jedoch der Nachteil an, dass die Funktion der Bildabtastung durch ein zusätzlich in den Strahlengang gebrachtes bewegliches Element übernommen wird. Dadurch erhöht sich die Anzahl der reflektierenden Flächen im optischen Strahlengang, wodurch sich ebenso die Streulichtverluste erhöhen. Zusätzlich wirkt sich ein solches zusätzliches Element störend auf die Rotationssymmetrie des optischen Gesamtsystems aus, was Verzeichnungen bei der optischen Abbildung bewirkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Multispektral-Terahertz-Videokamera vorzuschlagen, die in der Lage ist, bewegte Objekte unter Nutzung der Schwarzkörperstrahlung der Objekte mit einer Bildwiederholfrequenz > 16 Hz vorzugsweise 25 Hz aufzuzeichnen.
In Weiterentwicklung des Standes der Technik mit Verwendung einer Bolometermatrix mit Horn-Antennen, Transition-Edge-Sensor, bewegter Sekundärspiegel wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Sekundärspiegel gleichzeitig und phasensynchron um zwei orthogonal zueinander stehende Achsen bewegt wird, die sich auf einem Punkt der Spiegeloberfläche schneiden, der auf der optischen Achse der Kamera liegt.
Bedingt durch die hohen Frequenzanforderungen ist es notwendig, den Sekundärspiegel mit minimalen Beschleunigungskräften zu bewegen, um das Objektfeld abzutasten. Im einfachsten Fall wird dazu der Sekundärspiegel um einen bestimmten Winkel gekippt und eine gleichförmige Rotationsbewegung versetzt. Bei Projektion der Bolometermatrix in die Objektebene entsteht so eine kreisförmige Abtastbewegung. Bei statischer und dynamischer Auswuchtung des Sekundärspiegels gelingt es, dynamische Kräfte bei der Rotationsbewegung weitgehend zu kompensieren, was als Voraussetzung für das Erreichen hoher Drehzahlen gelten kann.
Ausgehend von der schnellen Rotationsbewegung des Sekundärspiegels und der entstehenden kreisförmigen Abtastung des Objektfeldes ist es notwenig, auch in radialer Richtung eine Auslenkung vorzunehmen, die allerdings prinzipbedingt eine Bewegungsumkehr nach jedem abgetasteten Objekt beinhaltet. Geht man von einer Bildwiederholfrequenz von 16 Hz aus, ist alle 62,5 ms eine Bewegungsumkehr notwendig. Die Bewegungsumkehr kann jedoch durch eine entsprechende Ansteuerung eines programmierbaren Linearantriebes ebenfalls ruck- und stoßfrei gestaltet werden. Um eine Mitrotation des Linearantriebes zu vermeiden wird dazu eine Drehkupplung eingeführt.
Bei konstanter Winkelgeschwindigkeit des Rotationsantriebes ergibt sich, dass bei kleinerer radialer Auslenkung eine pro Zeiteinheit dichtere Abtastung des Objektes erfolgt, das heißt eine höhere Auflösung im Zentrum des Objektfeldes erreicht wird. Wird für eine Mindestauflösung vorgegeben, wird die Winkelgeschwindigkeit des Rotationsantriebes im Zentrum erhöht, was zu einem kürzeren Bildaufbau führt. Wenn auch die Zeit für eine komplette Abtastung des Objektes vorgegeben ist, kann die Winkelgeschwindigkeit bei großer Auslenkung reduziert werden. Für die Beschleunigung bzw. das Abbremsen der Rotationsbewegung des Sekundärspiegels ist es ebenfalls zweckmäßig, einen ruck- und stoßfreien Geschwindigkeitsverlauf zu verwenden.
Eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit wird durch frequenzselektive Bauteile im Strahlengang der Terahertz-Kamera erreicht. Wesentlichen Einfluss auf die spektrale Empfindlichkeit haben die Geometrie der Hornantennen, die vor den Bolometerelementen angeordnet sind und der Abstand des Reflektors hinter der Bolometermatrix. Beide Einflüsse können dafür genutzt werden, dass in der Bolometermatrix beispielsweise zeilenweise eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit eingestellt wird. Bei entsprechender Abtastrichtung bezogen auf die Rotation wird jeder Objektpunkt nacheinander durch spektral unterschiedlich eingestellte Bolometer abgetastet werden, wodurch eine Farbsichtigkeit der Terahertz-Kamera entsteht.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispiels, das in den Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Schema zum Gesamtaufbau der Kamera,
2 das Abtastschema des Objektfeldes,
3 das Schema des Rotationsantriebes des Sekundärspiegels,
4 Darstellung des Secundarspiegels mit Kippantrieb gem. 3 – um 90° gedreht;
5a + b Zeitdiagramme der beiden Antriebe,
6a + b optimiertes Zeitdiagramm
7 Anordnung der Bolometer,
8 Anordnung spektral abgestimmter Bolometer
9 Anordnung spektral unterschiedlich abgestimmter Hornantennen;
In 1 ist der Strahlengang in der Terahertz-Kamera dargestellt. Eintreffende Strahlen werden zunächst am Primärspiegel 1 reflektiert, treffen auf den Sekundärspiegel 2, um anschließend auf den Fokuspunkt 33 in der Öffnung 4 des Primärspiegels 1 fokussiert zu werden. Ein Umlenkspiegel 3 lenkt die Strahlung durch das Eintrittsfenster 6 in der Kryokammer 5 über die Hornantennenmatrix 23 auf die Bolometermatrix 21. Die durch die Bolometermatrix 21 durchtretende Strahlung wird am Reflektor 25 reflektiert und verstärkt in dem Bolometerelement 22 die Erwärmung. Die Kryokammer 5 wird mit flüssigem Helium auf eine Temperatur von 4°K gekühlt. Der Arbeitspunkt ist so gewählt, dass der im Bolometerelement 22 angeordnete Supraleiter seinen Widerstand zwischen Normal- und Supraleitung sprunghaft ändert und so als Thermistor wirkt. Die einzelnen Bolometerelemente 22 sind als Matrix beispielsweise mit vier Zeilen und vier Spalten auf einem Silizium-Wafer angeordnet.
2 verdeutlicht das Abtastschema des Objektfeldes 35. Zu diesem Zweck wird die Bolometermatrix auf das Objektfeld 35 projiziert. Durch die phasensynchrone Bewegung des Rotationsantriebes 9–14 mit dem Kippantrieb 15–18 ergibt sich eine archimedische Spirale. Der Abstand zwischen den Spiralarmen wird dabei so gewählt, dass sich in radialer Richtung eine lückenlose Aneinanderreihung von Pixel ergibt, die durch das einzelne Bolometerelement 22 gebildet werden. In tangentialer Richtung wird dabei jeder Punkt des Objektes durch mehrere einzelne Bolometerelemente 22 abgetastet. Dadurch ergibt sich bei monochromatischer Auswertung eine Redundanz, die zur Verbesserung der Bildqualität genutzt werden kann. Die Redundanz erhöht sich zum Zentrum der Spirale durch eine Verringerung der Abtastgeschwindigkeit. Die Zusammensetzung des Gesamtbildes erfolgt rechentechnisch durch Rekonstruktion anhand des Abtastschemas.
In 3 wird das Schema des Rotationsantriebes dargestellt. Der Sekundärspiegel 2 ist an den Kipplagern 10a und 10b gelagert. Die durch beide Kipplager 10a und 10b gebildete Kippachse 32 tangiert den Sekundärspiegel am Referenzpunkt 30, der sich zugleich auf der optischen Achse 31 befindet. Beide Kipplager 10a und 10b sind Teil der Lagerhülse 9, die in der Lagerung für den Rotationsantrieb 11 um die optische Achse 31 drehbar gelagert ist. Die Lagerhülse 9 wird über ein Zahnradgetriebe, bestehend aus dem Antriebsrad 12 und dem Ritzel 13 durch einen Antriebsmotor 14 mit konstanter Winkelgeschwindigkeit angetrieben.
Innerhalb der Lagerhülse 9 befindet sich der Linearantrieb 15, der über den Stößel 17 die Kupplung 16 bewegt. Die Kupplung 16 kann sich dabei um den Stößel 17 frei bewegen. Die Linearbewegung der Kupplung 16 treibt über die Koppel 19 und die Anlenkung 18 am Sekundärspiegel 2, wie in 4 dargestellt, dessen Kippbewegung um die Kippachse 32 an. Da das Hebelgetriebe, bestehend aus Kupplung 16, Koppel 19 und Anlenkung 18 um die optische Achse 31 rotiert, ist es zweckmäßig, die Unwucht durch ein oder mehrere Ausgleichsgewichte 20 zu kompensieren.
Den zeitlichen Verlauf beider Abtastbewegungen verdeutlicht 5a + b. Der besonders zeitkritische Rotationsantrieb rotiert entsprechend 5b mit konstanter Winkelgeschwindigkeit, d. h. der Rotationswinkel φ₁ nimmt linear mit der Zeit zu. In der Zeit t_B werden dabei n Umdrehungen durchgeführt, wobei n eine ganze Zahl darstellt. Der Kippantrieb führt dagegen entsprechend 5a eine alternierende Bewegung um den Winkel φ_2max durch, wobei der Winkel φ_2max genau einem Bildaufbau entspricht.
Die Richtungsumkehr in den Umkehrbereichen während der Zeit t_u ist möglichst kurz zu halten, weil diese Zeit nicht zum Bildaufbau beiträgt. Die in den Umkehrbereichen auftretenden Beschleunigungen und damit Kräfte werden minimiert, in dem ein ruck- und stoßfreier Geschwindigkeitsverlauf durch den Linearantrieb 15 aufgeprägt wird.
Eine weitere Optimierungsmöglichkeit hinsichtlich der auftretenden Kräfte in den Antrieben kann dadurch erreicht werden, dass sich die Winkelgeschwindigkeit des Rotationsantriebes des Sekundärspiegels 2 ändert, wie in der Grafik nach 6b dargestellt wird. Damit wird angestrebt, dass bei Abtastung der in radialer Richtung äußeren Punkte der Objektebene die Rotationsgeschwindigkeit eher geringer ist und zur optischen Achse hin zunimmt. Der Geschwindigkeitsverlauf wird ebenfalls ruck- und stoßfrei gestaltet.
Für die spektrale Empfindlichkeit der Kamera sind, wie in 7 gezeigt wird, verschiedene geometrische Parameter maßgebend. Die Empfindlichkeit der matrixförmig in Spalten und Zeilen angeordneten Bolometerelemente 22 wird durch eine Matrix von Hornantennen 23 erhöht. Die einzelne Hornantenne 24 ist in Abhängigkeit von der Geometrie insbesondere vom Querschnitt A_H frequenzselektiv. Eine weitere Erhöhung der Selektivität erfolgt durch den Abstand a_R des Reflektors 25 von der Bolometermatrix 21. Ist der Abstand a_R exakt λ/2, erfolgt einer Überlagerung der reflektierten Strahlung mit der einfallenden Strahlung.
Die Selektivität verschiedener Konstruktionselemente kann genutzt werden, um eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit in mehreren Wellenlängenbereichen herzustellen. In 8 wird dargestellt, wie ein stufenförmig veränderter Abstand a_R1-n des Stufenreflektors 26 in Kombination mit verschiedenen Geometrien der einzelnen Hornantennen 24 eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit in den Reihen der Bolometermatrix 21 bewirkt. Liegt die Abtastspur 27 der Bolometer, wie in 9 dargestellt, in Richtung der spektral unterschiedlich abgestimmten Reihe, wird nacheinander jeder Punkt des Objektes mit Bolometerelementen 22 abgetastet, die eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit besitzen.

1: Primärspiegel
2: Sekundärspiegel
3: Umlenkspiegel
4: Öffnung im Primärspiegel
5: Kryokammer
6: Eintrittsfenster
9: Lagerhülse
10a + b: Kipplager
11: Lagerung Rotationsantrieb
12: Antriebsrad Rotationsantrieb
13: Ritzel
14: Antriebsmotor Rotation
15: Linearantrieb
16: Kupplung
17: Stößel
18: Anlenkung
19: Koppel
20: Ausgleichsgewicht
21: Bolometermatrix
22: Bolometerelement
23: Hornantennenmatrix
24: Einzel-Hornantenne
25: Reflektor
26: Stufenreflektor
27: Abtastspur
30: Referenzpunkt
31: Optische Achse
32: Kippachse
33: Fokuspunkt
34a + b: Virtuelles Abbild der Bolometermatrix auf der Objektebene
35: Objektfeld
36: Objekt
ds: Steigung Spirale Rotationswinkel Kippwinkel
a_R: Abstand Reflektor
A_H: Querschnitt Wellenleiter
I_H: Länge Wellenleiter
t_B: Bildzeit
t_B: Umlenkzeit

Claims

Terahertz-Kamera für die Aufzeichnung bewegter Bilder in der Bauart eines Cassegrain-Teleskops mit beweglichen Sekundärspiegel und ausgestattet mit einer Bolometermatrix nach dem Transistion Edge Sensorprinzip, gekennzeichnet durch eine gleichzeitige und phasensynchrone Bewegung des Sekundärspiegels (2) um zwei orthogonal zu einander stehende Achsen (31, 32), die sich in einem Referenzpunkt (30) auf der Spiegeloberfläche des Sekundärspiegels (2) schneiden, der gleichzeitig auf der optischen Achse (31) der Kamera liegt.
Terahertz-Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierliche Rotation des Sekundärspiegels (2) um die optische Achse (31) erfolgt.
Terahertz-Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kippantrieb bestehend aus einem Linearantrieb (15) und Übertragungselementen () für die Kippbewegung des Sekundärspiegels (3) um die zweite Achse (32) über einen Winkelbereich von < 45° vorhanden ist.
Terahertz-Kamera nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ausgleichsgewicht (20) zur statischen und dynamischen Auswuchtung des Sekundärspiegels (2) vorhanden ist.
Terahertz-Kamera nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hebelgetriebe (16), (18), (19) als Übertragungselemente für die Einleitung der Kippbewegung des Sekundärspiegels (2) angeordnet ist.
Terahertz-Kamera nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kippachse (32) durch ein Kipplager (10) mit seiner Aufhängung (10a) und (10b) des Sekundärspiegels (2) am Außendurchmesser gebildet wird.
Terahertz-Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich hinter der Bolometermatrix (21) ein Reflektor (25) befindet, dessen Abstand (a_R) zur Bolometermatrix (21) verändert wird, entsprechend des zeitlichen Abtastverlaufes.
Terahertz-Kamera nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Reflektorabstände (a_R1, a_R2, ...) in der Bolometermatrix (21) in einer Koordinate spalten- oder reihenweise stufenförmig als Stufenreflektor (26) ausgeführt sind.
Terahertz-Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bolometerelement (22) der Bolometermatrix (21) eine eigene Einzel-Hornantenne (24) besitzt und jede dieser Einzel-Hornantennen (24) entlang einer Abtastspur (27) einen unterschiedlichen Querschnitt A_H besitzt.