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Diese
Erfindung wurde mit Unterstützung
der Regierung unter der Vertragsnummer N00019-97-00027 gemacht,
die durch das Kommando für
Marine-Luftsysteme (Naval Air Systems Command) gewährt wurde.
Die Regierung hat gewisse Rechte an dieser Erfindung.
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Die
Erfindung bezieht sich auf optische Systeme und insbesondere auf
eine Anordnung oder ein Raster zum Erzeugen einer Unschärfe, die
den optischen Strahl in einer kontrollierten Art und Weise defokussiert
und Überlagerungseffekte
in dem defokussierten Strahl vermeidet.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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In
einer üblichen
Konfiguration besteht ein abbildender, optischer Infrarot-(IR)Sensor
(d. h. eine Anordnung mit einer Brennebene bzw. ein FPA Detektor)
aus einer großen
Anzahl einzelner elektro-optischer Detektorelemente, typischerweise
tausende oder zehntausende davon, die in der Brennebene des optischen
Systems angeordnet sind. Die Detektorelemente betrachten eine Szene
oder ein Objekt durch einen geeigneten optischen Pfad und sie erzeugen
elektrische Ausgangssignale in Abhängigkeit von der Szene bzw.
dem Objekt. Die Materialien und/oder der Aufbau der Detektorelemente
kann so gewählt
sein, dass sie für
unterschiedliche Wellenlängenbereiche
(Wellenbänder)
der elektromagnetischen Strahlung empfindlich sind, einschließlich von Infrarotenergie
zum Beispiel. Die Detektorelemente sind in einer ebenen Anordnung
angeordnet, wobei jedes Detektorelement ein Pixel eines Bildes darstellt.
Die Ausgangssignale der Detektorelemente werden digital verarbeitet,
um eine elektronische Wiedergabe des Bildes zu erzeugen, die weiter
verarbeitet werden kann.
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Idealerweise
würden
sämtliche
Detektorelemente identisch auf die einfallende Energie reagieren,
wobei das Ausgangssignal jedes Detektorelements in gleicher Weise
proportional zu der einfallenden Energie wäre. Angesichts den Einschränkungen heutiger
Technologie muss man in der Praxis jedoch erwarten, dass jedes der
unterschiedlichen Detektorelemente geringfügig unterschiedlich reagiert.
Veränderungen
bei den Ausgangssignalen der Pixel können sich in der Detektoranordnung
außerdem
im Laufe der Zeit, bei Veränderungen
hinsichtlich der Kühlung
oder der Verwendung ergeben. Diese Unterschiede können sich
in Form von Verstärkungs-
oder Nulllagendrifts, Nichtlinearitäten oder anderen Arten von
Abweichungen von der idealen identischen Antwort bemerkbar machen.
Als Folge solcher Abweichungen, würde das Ausgangssignal des
Detektors nicht optimal gleichmäßig sein,
wenn ein perfekt gleichmäßiges Infrarot-Eingangsobjekt
dem FPA-Detektor präsentiert
würde.
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Es
sind eine Reihe von Techniken bekannt, um sowohl die Abweichung
von dem Idealzustand bei der Herstellung von in Massen produzierten
Detektorelementen zu reduzieren, als auch um nicht-ideale Abhängigkeiten
zu kompensieren, die sich während
der Nutzungsdauer einstellen. Zum Kompensieren der Ungleichmäßigkeiten
bei den Detektorelementen wurden Kalibrier- und Echtzeitbetriebsmaßnahmen
entwickelt. Einige dieser Techniken erfordern ein gesteuertes Hervorrufen
einer Unschärfe
in dem Bild, sodass der Detektor während einiger Perioden ein
unverändertes
Bild betrachtet und während
anderer Perioden ein mit Unschärfe
versehenes Bild. Die effektive Leistungsfähigkeit des Systems erfordert
es, dass das mit Unschärfe
versehene Bild frei von nennenswerten Strukturen infolge von Merkmalen
in der Szene ist, die unzureichend geglättet sind, bzw. frei von Artefakten,
die durch Überlagerungseffekte
hervorgerufen werden. Eine nennenswerte Reduktion der mittleren
einfallenden Energie, die den Detektor erreicht, hat ebenso eine
nachteilige Auswirkung, sodass das Hervorrufen der Unschärfe nicht
so stark sein darf, dass nennenswerte Energie von dem empfindlichen
Bereich des Detektors nach außen
abgelenkt wird, und es müssen
Streuungen unter großen
Winkeln kontrolliert werden.
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Das
gesteuerte Hervorrufen einer Unschärfe der Szene stellt eine Herausforderung
dar und es wurden eine Reihe von Techniken verwendet. Bei einer
bekannten Vorgehensweise wurde das Objekt beispielsweise durch zwei
optisch transparente Elemente mit unterschiedlichen optischen Pfadlängen (Dicke
und/oder Brechungsindex) mit der Detektoranordnung betrachtet. Ein
Element ist so ausgewählt, dass
das Bild auf die Brennebene der Detektoranordnung fokussiert wird,
und das andere Element ist so ausgewählt, dass der Brennpunkt in
Längsrichtung aus
der Brennebene der Detektoranordnung hinausgeschoben wird. Während diese
Vorgehensweise im Großen
und Ganzen funktioniert, hat sich in der Praxis bei Infrarot-Sensoren
herausgestellt, dass die hervorgerufene Unschärfe unzureichend ist und dass Merkmale
der Szene mit relativ hohen örtlichen
Frequenzen immer noch wahrgenommen werden können.
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Das
US-Patent 5,119,235 offenbart einen fokussierenden Schirm, dessen
mikroskopische Oberflächenrauheit
ein geeignetes Maß an
Zufälligkeit
in Bezug auf die Höhe
der Oberflächenrauheit
darstellt. Das US-Patent 6,052,230 offenbart Linsenteilchen (lenslets)
mit zufälligen
Positionen, zufälligen
Durchmessern, zufälligen
Winkelorientierungen und/oder unterschiedlichen Formen. Alternativ
hierzu ist die Position und Form jedes Linsenteilchens genau definiert,
aber die Leistung jedes Linsenteilchens ist zufällig.
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Ein
weiterer Ansatz, der in dem US-Patent 5,867,307 beschrieben ist,
stellt eine Verbesserung gegenüber
den früheren
Techniken dar und sorgt für angemessene
Resultate in Bezug auf die Unschärfe bei
vielen Anwendungen. Es gibt jedoch einige Situationen, bei denen Überlagerungseffekte
in dem unscharfen Bild auftreten, oder es kann eine zu starke Unschärfe auftreten,
was zu einem unakzeptablen Verlust an Energie aus der Szene führt.
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Daher
besteht ein Bedürfnis
nach einem verbesserten Ansatz zum bewussten und gesteuerten Hervorrufen
von Bildunschärfen
bei Infrarotdetektoren, insbesondere für Systeme mit engen räumlichen Beschränkungen,
wie etwa Raketensuchköpfen
auf Inf rarotbasis. Die vorliegende Erfindung befriedigt dieses Bedürfnis und
bietet außerdem
damit zusammenhängende
Vorteile.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Der
vorliegende Ansatz stellt ein optisches System mit einer eine Unschärfe hervorrufenden
Anordnung bereit.
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Der
Ansatz zum gesteuerten Hervorrufen einer Unschärfe ist auf optische Systeme
aus einem breiten Wellenlängenbereich
anwendbar, jedoch von besonderem Interesse bei Infrarotsystemen.
Die Unschärfe
hervorrufende Anordnung sorgt für
ein kontrolliertes Maß an
Unschärfe.
Außerdem
vermeidet sie Überlagerungseffekte
in den unscharfen Bild, die dazu führen können, dass falsche Bilder von
dem Detektor detektiert werden. Die Folge ist, dass das Eingangsbild
der Szene in einer kontrollierten Weise mit einer Unschärfe versehen
werden kann, und sowohl bezogen auf Kalibrierungs- als auch auf
Betriebserfordernisse. Die die Unschärfe hervorrufende Anordnung
ist so angelegt, dass sie mit verfügbaren Herstellungstechnologien
kompatibel ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung beinhaltet ein optisches System: Eine Unschärfe hervorrufende
Anordnung, die ein Substrat aufweist, das darauf eine Oberflächenanordnung
von Unschärfeteilchen
(blurlets) besitzt, und gekennzeichnet ist durch: Ein Optiksystem
zum Fokussieren von optischer Energie aus einer Szene auf eine nominale
fokale Oberflächenstelle
eines Detektors, wobei sowohl die Brennpunkte der Unschärfeteilchen
als auch die optischen Phasen der Unschärfeteilchen an der nominalen
fokalen Oberflächenstelle
in einer pseudo zufälligen,
jedoch deterministischen Art und weise variieren, und wobei die
Unschärfeteilchen
Oberflächen sind,
die jeweils durch eine Krümmung
und einen axial Versatz definiert sind, und wobei sowohl die Krümmung als
auch der axiale Versatz jedes Unschärfeteilchens Größen sind,
die aus Sätzen
von Größen zufällig ausgewählt sind,
welche durch jeweils abgebrochene Verteilungen definiert sind.
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Das
Unschärfeteilchen
ist ein optisches Element, das eine kontrollierte Unschärfe in ein
Bild hineinbringt. Das Unschärfeteilchen
kann ein Linsenteilchen (lenslet) in einem Substratmaterial sein,
dass für
das Wellenband der einfallenden infraroten Energie durchlässig ist,
wie etwa Silizium für
den Infrarotbereich mittlerer Wellenlänge von etwa 3 bis 5 Mikrometern
Wellenlänge.
Das Unschärfeteilchen
kann stattdessen auch ein Spiegelteilchen (mirrorlet) sein, welches
optische Energie reflektiert. In einer Anwendung beinhaltet das
Infrarotsystem außerdem
einen Detektor, der in etwa an der nominalen fokalen Oberflächenstelle
liegt, und das optische System fokussiert die infrarote Energie
aus der Szene auf den Detektor.
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Eine
Anordnung von identischen oder nahezu identischen Unschärfeteilchen
würde den
einfallenden Strahl auf eine Brennebene der Unschärfeteilchen
fokussieren, die sich von derjenigen des Detektors geringfügig unterscheidet.
Dies würde
zu einer Unschärfe
führen,
jedoch haben die Erfinder herausgefunden, dass aus einer solchen
regelmäßigen Anordnung
von Unschärfeteilchen
typischerweise Überlagerungseffekte
resultieren. Der vorliegende Ansatz variiert die Brennpunkte und/oder
Phase der durch die einzelnen Unschärfeteilchen hindurchtretenden Energie
in einer pseudo-zufälligen
Art und Weise. Dies bedeutet, dass es innerhalb der Einschränkungen,
die durch den Konstruktionsprozess gegeben sind, eine zufällige Variation
gibt.
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In
einem typischen Fall liegen die Brennpunkte der Unschärfeteilchen
und ihre axialen Abweichungen bezogen auf die nominale fokale Oberflächenstelle
an Punkten, die aus einem Satz von Werten zufällig ausgewählt sind, der durch eine abgebrochene
Verteilung definiert ist, welche eine zu breite Verteilung hinsichtlich
der Werte vermeidet. Beispielsweise kann die Verteilung bei +/– einer Standardabweichung
(oder einem anderen festgelegten Wert) auf jeder Seite des Mittelwertes
abgebrochen sein, was eine zu große Unschärfe des Bildes vermeidet. Es
kann eine Vielzahl von Verteilungen verwendet werden, wie etwa Normalverteilungen,
flache Verteilungen und andere. Eine Normalverteilung war für die Verwendung
in den bevorzugten Ausführungsbeispielen
gut geeignet, aber die praktische Umsetzung der Erfindung ist nicht
darauf beschränkt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt somit eine Anordnung zum Hervorrufen
einer Unschärfe
zur Verfügung,
die ein einstellbares Maß an
Unschärfe bietet
und außerdem Überlagerungseffekte
in dem unscharfen Bild vermeidet, und zwar ohne die Energie der
Szene, die den Detektor erreicht, übermäßig zu reduzieren. Andere Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels ersichtlich,
und zwar in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen
die Grundzüge
der Erfindung beispielhaft dargestellt sind. Der Schutzbereich der
Erfindung ist jedoch nicht auf dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Infrarot-Sensorsystems;
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2 ist
eine Seitenansicht einer Anordnung zum Hervorrufen einer Unschärfe, die
eine Hälfte
eines kreisförmigen
Rades belegt;
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3 ist
eine Draufsicht auf einen Abschnitt der Anordnung zum Hervorrufen
der Unschärfe;
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4 ist
eine schematische Schnittbildansicht von zwei Linsenteilchen der
refraktiven Unschärfeanordnung
aus 3 entlang der Linie 4-4;
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5 ist
eine vergrößerte schematische
Ansicht eines einzelnen Linsenteilchens, welche die Definitionen
des Krümmungsradius
und des Versatzes zeigt;
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6 ist
ein Blockdiagramm einer Vorgehensweise zum Entwerfen und Herstellen
der Unschärfeanordnung;
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7 ist
ein Blockdiagramm einer detaillierten Vorgehensweise zum Konstruieren
der Unschärfeanordnung;
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8 ist
eine Tabelle eines Bereichs der Radiusmatrix eines ausgewählten Satzes
an Werten für den
Krümmungsradius
RC der Unschärfeteilchen
in einer Anwendung;
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9 ist
eine Tabelle eines Abschnitts der Versatzmatrix eines ausgewählten Satzes
an Werten für
den axialen Versatz δ der
Unschärfeteilchen
für dieselbe
Anwendung wie in 8; und
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10 ist
eine schematische Schnittbildansicht von zwei Spiegelteilchen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 ist
eine Darstellung eines bevorzugten optischen Systems 20 mit
einem Infrarot-Sensor, wobei das System eine Szene betrachtet und
eine elektronische Wiedergabe dieser Szene erzeugt. (Die Beschreibung
ist gleichermaßen
anwendbar auf Sensorsysteme, die bei beliebigen anderen Wellenlängen arbeiten.)
Das optische System 20 mit dem Infrarot-Sensor beinhaltet
ein Optiksystem 22, das hier schematisch als eine einzelne
Linse dargestellt ist, das jedoch typischerweise eine Anzahl von
Linsen und/oder Spiegeln und unter Umständen anderen optischen Komponenten
beinhaltet. Das Optiksystem 22 fokussiert Fokusstrahlen 24 aus
der Szene auf eine nominale fokale Oberflächenstelle 26 eines
Infrarotdetektors 28, wie etwa einer Anordnung mit einer
Brennebene. (Die nominale fokale Oberflächenstelle 26 ist
nominal die Brennebene des Detektors 28, aber die Brennebene
der nachfolgend diskutierten Unschärfeanordnung weicht von dieser
nominalen Brennebene leicht ab.) Der Detektor 28 konvertiert
die einfallenden Fokusstrahlen 24 in ein elektrisches Signal
zur Verarbeitung durch eine Detektorelektronik 30. Detektoren 28,
die bei verschiedenen Wellenlängenbereichen
an Infrarotenergie arbeiten, und Detektorelektroniken 30 sind
dem Stand der Technik hinreichend bekannt.
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Die
Fokusstrahlen 24 treten durch eine Unschärfeanordnung 32 hindurch
(oder sie werden von einer solchen reflektiert), bevor sie den Detektor 28 erreichen.
In einer Anwendung von besonderem Interesse, die in 2 dargestellt
ist, ist die Unschärfeanordnung 32 auf
einem drehbaren Rad 34 angeordnet. Die Unschärfeanordnung 32 belegt
einen Abschnitt des drehbaren Rades 34, in diesem Fall
180° seines
Außenumfangs.
Der Rest des drehbaren Rades 34 ist ein Bereich 36 ohne
Unschärfe.
Die Drehung des Rades 34 durch den Fokusstrahl 24 erzeugt
ein alternierendes Muster von unscharfen und nicht-unscharfen Bildern
auf dem Detektor 28. Die daraus resultierenden elektrischen
Signale können mit
der Detektorelektronik 30 verarbeitet werden, um Informationen über die
Eigenschaften des Objekts zu gewinnen, die anderweitig nicht erhältlich sind.
Die Signalverarbeitung ist im Stand der Technik bekannt und begründet nicht
den Schutz der vorliegenden Erfindung, die sich mit dem Aufbau der
Unschärfeanordnung 32 und
anderen physikalischen Elementen de Infrarot-Systems beschäftigt.
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3 ist
eine Draufsicht auf einen Abschnitt der Unschärfeanordnung 32. Die
Unschärfeanordnung 32 ist
aus einer Vielzahl von Unschärfeteilchen 38 hergestellt,
die vorzugsweise in einer dicht gepackten Form zusammengefasst sind.
Das Unschärfeteilchen 38 ist
ein optisches Element, das eine kontrollierte Unschärfe in einem
Bild hervorruft. Die Unschärfeteilchen 38 können entweder
transparente refraktive Elemente sein, hier als Linsenteilchen („lenslets") bezeichnet, oder
reflek tierende Elemente, hier als Spiegelteilchen („mirrorlets") bezeichnet. Die
refraktiven Linsenteilchen müssen
aus einem Material hergestellt sein, das für die interessierenden Wellenbänder durchlässig ist,
während
die reflektierenden Spiegelteilchen nicht aus einem durchlässigen Material
hergestellt sein müssen.
Anwendungen unter Verwendung von Linsenteilchen sind derzeit stärker bevorzugt
und werden mit Bezugnahme auf die 1–5 im
Detail beschrieben, während
Spiegelteilchen in Bezug auf die 10 beschrieben
werden.
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Die
bevorzugte Verteilung der Unschärfeteilchen 38 ist
eine hexagonale, dicht gepackte Anordnung, wie sie in 3 dargestellt
ist, aber andere dicht gepackte Verteilungen, wie etwa eine quadratische
Anordnung oder eine dreieckige Anordnung, können stattdessen verwendet
werden. Die Unschärfeteilchen
können
auch in anderer Weise als in einer dicht gepackten Anordnung angeordnet
sein, aber derartige Anordnungen sind optisch weniger effizient. Die
einzelnen Zellen 40 der Unschärfeanordnung 32 aus 3 sind
für die
nachfolgende Bezugnahme mit Zahlen bezeichnet.
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Wie
man in 4 sehen kann, beinhaltet die Unschärfeanordnung 32 unter
Verwendung von refraktiven Linsenteilchen 39 ein Substrat 42,
dass aus einem Material hergestellt ist, welches für ein Wellenband
der einfallenden Strahlen mit Infrarotenergie durchlässig ist.
Solche transparenten Materialien 42 sind im Stand der Technik
für verschiedene
Infrarot-Wellenbänder bekannt.
Für das
mittlere Infrarot-Wellenband um etwa 3–5 Mikrometer ist das bevorzugte
Konstruktionsmaterial des Substrates 42 Silizium. Es können jedoch
auch andere Materialien verwendet werden, wie etwa Germanium für das langwelli ge
Infrarot-Wellenband um 8–12
Mikrometer, geschmolzenes Quarzglas für das Nah-Infrarot-Wellenband
um 1–3
Mikrometer oder Kunststoff für
das sichtbare Wellenband.
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Das
Substrat 42 hat die Oberflächenanordnung der Unschärfeteilchen 38 obendrauf
und zwei solcher Unschärfeteilchen 38' und 38'' sind in 4 dargestellt.
Die Unschärfeteilchen 38 in
Form von refraktiven Linsenteilchen 39 sind einzelne Linsen
von geringer Größe, die
gezielt unterschiedlich zueinander hergestellt sind, und zwar in
einer Weise, die nachfolgend erläutert
wird. Im Allgemeinen variieren die Brennpunkte der Unschärfeteilchen 38 in
Bezug auf eine nominale fokale Oberflächenstelle 26 in einer
pseudo-zufälligen,
jedoch deterministischen Art und Weise, und/oder die optischen Phasen
der Fokusstrahlen 24 variieren an der nominalen fokalen Oberflächenstelle 26,
wie dies schematisch mit den durchgezogenen Linien 44' und 44'' angedeutet ist. Zur Erläuterung
zeigt die gestrichelte Linie 46 die Fokussierung des Fokusstrahls 24 ohne
die Unschärfeanordnung 32 (d.
h. wenn sich der nicht-unscharfe Abschnitt 36 des drehbaren
Rades 34 zwischen dem Objekt und dem Detektor 28 befindet).
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5 zeigt
die Geometrie und die zugehörige
Nomenklatur, die für
das Unschärfeteilchen 38 verwendet
wird, in weiteren Details. Das dargestellte Unschärfeteilchen 38 ist
in Bezug auf das Substrat 42 konkav gekrümmt, und
zwar mit einem Krümmungsradius
Rc im Fall des bevorzugten kugelförmig gekrümmten Unschärfeteilchens 38.
Das Unschärfeteilchen 38 kann
auch in einer komplexeren Weise mit einer asphärischen (z. B. parabolischen)
Krümmung gekrümmt sein.
Die Unschärfeteilchen 38 der
Anordnung können
außerdem
auch konvex gekrümmt
sein oder es können
in einer einzigen Anordnung sowohl konvex als auch konkav gekrümmte Unschärfeteilchen
vorkommen.
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Ein
Scheitelpunkt 48 ist derjenige Abschnitt der Oberflächen des
Linsenteilchens 39, der am nächsten zu der nominalen fokalen
Oberflächenstelle 26 des
Detektors 28 liegt. Die Lage des Scheitelpunktes 48 kann
man als mittleren Abstand D von der Oberfläche des anfänglichen Substrats 42 beschreiben
(vor jeder maschinellen Bearbeitung bzw. Ausbildung der Unschärfeteilchen)
plus einem axialen Versatz δ (der
im Allgemeinen parallel zu einer axialen Richtung 50 zwischen
der Szene und dem Detektor 28 gemessen wird). Diese Nomenklatur
wird verwendet, weil die Werte von δ der Anordnung der Unschärfeteilchen 38 statistisch über ihre
individuellen Abweichungen um den Mittelwert D beschrieben werden.
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6 zeigt
eine bevorzugte Vorgehensweise für
die Herstellung und Verwendung des Infrarotsystems 20.
Es wird ein Satz an erforderlichen Parametern für das Infrarotsystem ausgewählt, Bezugsziffer 60.
Dieser Satz an Systemparametern wird zusammen mit den fertigungstechnischen
Randbedingungen 64 bei der Herstellung der Unschärfeanordnung 32 verwendet,
um die Unschärfeanordnung
zu entwerfen, Bezugsziffer 62. Die Unschärfeanordnung 32 wird
mit den sich ergebenden Entwurfsparametern hergestellt, Bezugsziffer 66.
Die Systemparameter aus Schritt 60 werden außerdem verwendet,
um andere Komponenten des Infrarotsystems 20 herzustellen,
Bezugsziffer 68, wie etwa das Optiksystem 22 und
den Infrarotdetektor 28. Die anderen Bestandteile und die
Unschärfeanordnung 32 werden
zusammengebaut, um das Infrarotsystem 20 herzustellen, Bezugsziffer 70,
und das Infrarotsystem 20 wird in Betrieb genommen, Bezugsziffer 72.
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7 zeigt
die bevorzugte Form für
den Entwurfsprozess der Schritte 60, 62 und 64 zum
Entwerfen der Unschärfeanordnung 32 aus 6 in
weiteren Details. Generell realisiert die Vorgehensweise beim Entwurf
das wichtige Merkmal der vorliegenden Erfindung, wonach die Brennpunkte 52 (und
damit die Krümmungsradien
Rc) der Unschärfeteilchen 38 und/oder
die axialen Verschiebungen δ in
einer pseudo-zufälligen,
jedoch deterministischen Art und Weise variieren. Die axiale Lage
(gemessen parallel zu der Richtung 50) der Brennpunkte 52 (und
daher die Krümmungsradien
Rc) der verschiedenen Unschärfeteilchen 38 dürfen nicht
dieselben sein, und/oder die axialen Verschiebungen δ der verschiedenen
Unschärfeteilchen 38 dürfen nicht
dieselben sein. Vorzugsweise sind weder die axialen Lagen der verschiedenen
Brennpunkte 52 (und damit die Krümmungsradien Rc)
der verschiedenen Unschärfeteilchen 38 noch
die axialen Verschiebungen δ der
verschiedenen Unschärfeteilchen 38 gleich.
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Die
Variationen bei der axialen Lage der Brennpunkte 52, der
Krümmungsradien
Rc und der axialen Verschiebungen δ nehmen keine
Zufallswerte an, die aus einem unbegrenzten Bereich ausgewählt wurden.
Wenn sie aus einem zu großen
Bereich zufällig
ausgewählt
würden,
wären einige
der Werte zu groß oder
zu klein, um eine wirksame Unschärfe
hervorzurufen. Dies heißt,
dass Merkmale aus der Szene in dem Bild des Detektors 28 sichtbar wären, wenn
die Unschärfe
zu gering ist, und der Nutzen der Unschärfeanordnung 32 wäre damit
verloren. Wenn die Unschärfe
zu stark ist, unterscheidet sich die Bestrahlungsstärke der
Szene auf dem Detektor zu stark zwischen den unscharfen und den nicht-unscharfen
Aufnahmen, und eine Korrektur der Gleichförmigkeit der Anordnung ist
nicht effektiv, da sie von dem Signalpegel jedes Pixels abhängt. Die übermäßige Unschärfe verur sacht
eine verminderte Bestrahlungsstärke
(Intensität)
aus der Szene.
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Die
Werte der axialen Positionen der Brennpunkte 52, der Krümmungsradien
Rc, und der axialen Verschiebungen δ werden daher
in einer pseudo-zufälligen
Art und Weise bestimmt, bei der Zufallswerte aus einer definierten
statistischen Variation der Parameter ausgewählt werden, die mit dem optischen
Design des Systems konsistent sind, und nicht etwa als Zufallszahlen
aus einem unendlichen Bereich. Bei der bevorzugten Vorgehensweise
wird eine statistische Verteilung für jeden Parameter in Form einer abgebrochenen
Verteilung definiert, um zu gewährleisten,
dass die Werte nicht übermäßig klein
oder übermäßig groß sind.
Anschließend
werden Zufallswerte der Parameter aus dieser Verteilung ausgewählt. Dieser
Entwurfsvorgang ist daher eine pseudo-zufällige, deterministische Vorgehensweise,
um die Werte zu erhalten, und er unterscheidet sich daher von einer
Zufallsverteilung der Werte.
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Die
relevanten Parameter 60 für das Infrarotsystem beinhalten
die Parameter für
die Unschärfeteilchen:
Eine Geometrie für
die Packung der Unschärfeteilchen
(z. B. ist eine hexagonale, dichte Packung bevorzugt), Bezugsziffer 80;
ein Abstand von dem Mittelpunkt eines Unschärfeteilchens zum nächsten Mittelpunkt
(die Entfernung zwischen den Mittelpunkten der Zellen 40 der
Unschärfeanordnung 32),
Bezugsziffer 82; sowie die Krümmungsprofile der Unschärfeteilchen
(d. h. eine einfache kugelförmige
Krümmung,
was bevorzugt ist, oder asphärisch gekrümmt, wie
etwa mit einer parabolischen Krümmung),
Bezugsziffer 84. Die Geometrie für die Packung der Unschärfeteilchen
wird nach Effizienz und maximaler Lichtdurchlässigkeit ausgewählt, wobei die
hexagonale, dicht gepackte Struktur bevorzugt ist. Der Abstand der
Mittelpunkte der Unschärfeteilchen
wird nach dem Strahldurchmesser ausgewählt, der Größe der Detektorpixel sowie
dem gewünschten Unschärfedurchmesser
bei einer Punktquelle. In der Praxis wird der maximale Abstand der
Mittelpunkte voneinander von dem Bedürfnis bestimmt, dass zumindest
etwa 50 oder mehr Unschärfeteilchen
von dem Strahl getroffen werden, um eine gute statistische Unschärfe zu bekommen.
Der minimale Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt wird durch die fertigungstechnischen Überlegungen
bestimmt, insoweit ein Abstand der Unschärfeteilchen von weniger als
etwa einer Wellenlänge
des Lichts in einer reproduzierbaren Form schwierig herzustellen
ist. Das Krümmungsprofil
der Unschärfeteilchen
wird im Hinblick auf eine angepasste Leistung der einzelnen Unschärfeteilchen,
der Gleichmäßigkeit
eines fokussierten Fleckes und im Hinblick auf die fertigungstechnische
Realisierbarkeit ausgewählt,
wobei eine kugelförmige
Oberfläche
bevorzugt ist.
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Die
allgemeineren optischen Parameter werden nach der Verfügbarkeit
der Hardwarekomponenten und den optischen Anforderungen des Systems ausgewählt. Diese
beinhalten die Pixelgröße des Detektors 28,
Bezugsziffer 86; die nominale optische Auf lösung der
Konstruktion, Bezugsziffer 88; die F-Zahl des optischen
Systems, Bezugsziffer 90; sowie den Abdruck (footprint)
des optischen Strahls (Größe des Strahls
auf der Detektoranordnung bei einer punktförmigen Quelle), Bezugsziffer 92.
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Es
werden die fertigungstechnischen Randbedingungen für die Herstellung
der Unschärfeanordnung 32 bereitgestellt,
Bezugsziffer 64. Die Herstellung der Unschärfeanordnung
erfordert die Ausbildung von exakt definierten Unschärfeteilchen
in der Oberfläche
des Substrats 42. Die verfügbaren Herstellungsprozesse
geben geometrische Randbedingungen in Bezug auf das vor, was tatsächlich hergestellt
werden kann. Eine Leistung der vorliegenden Erfindung liegt darin,
dass diese fertigungstechnischen Randbedingungen in dem Entwurfsprozess Berücksichtigung
finden, um zu gewährleisten,
dass die Unschärfeanordnung 32,
die entworfen wurde, auch tatsächlich
hergestellt werden kann. Die fertigungstechnischen Randbedingungen
beinhalten außerdem
den Brechungsindex der verfügbaren
Materialien, die das Erfordernis erfüllen, dass sie in dem interessierenden
Wellenbereich für
Infrarotstrahlung durchlässig
sind, Bezugsziffer 94. Die herstellungstechnischen Randbedingungen
beinhalten auch die maximale Größe und Tiefe
der Oberflächen
der Unschärfeteilchen 38,
die mit der ausgewählten
Bearbeitungsart hergestellt werden können, Bezugsziffer 96.
Die bevorzugte Vorgehensweise ist ein reaktives Ionenätzen der
Unschärfeteilchen 38.
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Die
Parameter 60 des Infrarotsystems und die fertigungstechnischen
Randbedingungen 64 werden dem Entwurfsschritt 62 zur
Verfügung
gestellt. In dem Entwurfsschritt 62 wird anfänglich ein
Simulationsmodell für
die optische Übertragung
verwendet, Bezugsziffer 98. Verwendbare Modelle beinhalten, das
Advanced Systems and Analysis Package [Packet zur Analyse von höher entwickelten
Systemen], dass von der Breault Research Organization in Tucson,
Arizona erhältlich
ist, sowie das Code V Optical Design Package [Code V Paket für optische
Entwicklung], dass von Optical Research Associates erhältlich ist.
Aber auch andere funktionsfähige
optische Modelle einschließlich
diffraktiven Verhaltens können verwendet
werden. Im Allgemeinen berechnen diese Simulationsmodelle für optische Übertragungen
die Pfade der Strahlen/Wellenfronten aus dem Objekt durch das optische durch
das optische System 22 und verschiedene Alternativen für die Unschärfeanordnung 32 mit
den Eingangsparametern 60 und 62, um eine Simulation
der Unschärfe
auf dem Detektor 28 zu erzeugen.
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Die
verfügbaren
Simulationsmodelle für
die optische Übertragung
waren nicht ausreichend, um sämtliche
Effekte mathematisch in Berücksichtigung zu
ziehen. Die Simulationsergebnisse wurden daher empirisch angepasst
unter Verwendung von Betrachtungen von bestimmten Fehlern der optischen
Wellenfront, Bezugsziffer 100, sowie Verwendung von empirischen
Parametern einschließlich
der Streueffekte der Ränder
der Unschärfeteilchen,
Bezugsziffer 102, und der Streueffekte aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit,
Bezugsziffer 104. Daraus wurden Bereichsinformationen,
die Verteilung und die Grenzen der anderen beeinflussbaren Parameter
abgeleitet, Bezugsziffer 108. Aus diesen Parametern wurden zufällige Auswahlen
getroffen, und zwar unter Verwendung von standardmäßigen zufälligen Auswahlprozeduren,
Bezugsziffer 110. Um diesen empirischen Vorgang zu unterstützen, wurden
Prototypen auf Basis der Vorhersagen der Simulationen hergestellt
und getestet. Diese Prototypen besaßen einen Bereich an Abständen von
Mittelpunkt zu Mittelpunkt, Tiefen sowie Radien der Unschärfeteilchen.
Die berechneten Unschärfen
und Gleichförmigkeiten
wurden mit den beobachteten Streuwirkungen durch Testverfahren abgeglichen.
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Die
anhand der 6 und 7 beschriebenen
Vorgehensweisen wurden dazu verwendet, um einen Prototyp einer Unschärfeanordnung 32 mit
Linsenteilchen für
ein ansonsten herkömmliches
Infrarotsystem 20 herzustellen. Die Anordnung war für das mittlere
Infrarot-Wellenband um etwa 3–5
Mikrometer Wellenlänge entworfen
und es wurde ein Substrat aus Silizium verwendet. Es wurde die Anordnung
auf 3 mit der hexagonalen, dichten Packung verwendet.
In einem repräsentativ
ausgewählten
Fall betrug der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt der Zellen 40 583
Mikrometer und der Durchmesser von Ecke zu Ecke der Zellen betrug
674 Mikrometer. Die mittlere Entfernung D betrug 16 Mikrometer.
Der Entwurf basierte auf einer kugelförmigen Ausbildung der Linsenteilchen,
wobei diese Form am leichtesten durch ein reaktives Ionenätzen herzustellen
ist, sowie (Gauß'schen) Normalverteilungen
für den
Krümmungsradius
Rc und den axialen Versatz δ mit Abbruchgrenzen
bei +/– einer
Standardabweichung von dem Mittelwert, um zu gewährleisten, dass die Unschärfe nicht
zu stark oder zu schwach wird. Der resultierende Mittelwert und
die Standardabweichung des Krümmungsradius
Rc betrug 17038 Mikrometer bzw. 11355 Mikrometer.
Der resultierende Mittelwert und die Standardabweichung für die axiale
Verschiebung δ (berechnet
bezogen auf die Entfernung D von 16 Mikrometern) betrug 0 bzw. 3 Mikrometer.
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Aus
diesen Verteilungen wurden Zufallswerte für die Anordnung der Zellen 40 ausgewählt, die die
Unschärfeanordnung 32 festlegen.
Die 8 und 9 sind exemplarische Auszüge aus den
Werten der Anordnung, die mit dieser Vorgehensweise für eine Anordnung
aus Linsenteilchen, wie sie in 3 bezeichnet
sind, für
den Krümmungsradius
Rc sowie die axiale Verschiebung δ ausgewählt wurden.
In diesen Beispielen ist nur ein Teil der Parameter für die vollständige Anordnung
gezeigt, aber die vollständigen
Anordnungen waren größer.
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Unter
Verwendung dieser Verteilungen wurde der Prototyp der Unschärfeanordnung 32 durch Fotolithographie
und reaktives Ionenstrahlätzen
hergestellt.
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Die
Eigenschaften der prototypischen Unschärfeanordnung 32 wurden
gemessen. Es wurde eine gleichmäßige Unschärfe erreicht
mit wenigen Artefakten und ohne sichtbare Überlagerungseffekte. Zum Vergleich
wurde eine Anordnung mit einem Unschärfefilm herangezogen, wie er
in dem US-Patent 5,867,307 beschrieben ist. Bei vergleichbaren Pegeln
an Unschärfe
hat sich gezeigt, dass der Verlust an Szenenenergie in dem Bild,
das den Detektor 28 erreicht, bei der Anordnung mit dem
Unschärfefilm nach
dem '307 Patent
etwa 18% der Szenenenergie betrug, während der Verlust von Szenenenergie
in dem Bild, das den Detektor 28 erreicht, bei der Unschärfeanordnung 32 nach
der vorliegenden Erfindung etwa 5% betrug. Dies bedeutet, dass der
Energieverlust bei der vorliegenden Vorgehensweise weniger als 1/3
desjenigen bei der Vorgehensweise nach dem '307 Patent betrug. Dieses Ergebnis ist von
hoher Bedeutung, weil die vorliegende Unschärfeanordnung 32 die
Bildintensität
zwischen dem unscharfen und dem nicht-unscharfen Bild nicht übermäßig verändert und
weil die vorliegende Vorgehensweise es ermöglicht, mit einem gegebenen
optischen System und Detektor schwächere Bilder zu analysieren.
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Die
vorangehende Diskussion hat sich vorwiegend mit dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel beschäftigt, bei
dem das Unschärfeteilchen 38 ein
refraktives Linsenteilchen 39 ist. Das Unschärfeteilchen 38 kann
aber auch ein reflektierendes Spiegelteilchen sein, dass in einem
optischen System verwendet wird, wo der mit Unschärfe versehene Lichtstrahl
zu einem De tektor oder einer anderen Anwendung reflektiert wird. 10 skizziert
zwei solche Spiegelteilchen 54. Die Spiegelteilchen 54 können so hergestellt
werden, dass ihre Oberflächen
reflektierend sind oder mit einem transparenten Substratmaterial,
dass eine interne Totalreflexion hervorruft, die zu einer Reflexion
des Fokusstrahls 24 führt.
Für den Fall
eines rein reflektierenden Spiegelteilchens muss das Baumaterial
nicht für
eine bestimmte Wellenlänge
ausgewählt
sein. Die oben erläuterten
Grundprinzipien, die für
Unschärfeteilchen
und insbesondere für
Linsenteilchen geeignet sind, sind gleichermaßen bei Spiegelteilchen anwendbar,
und zwar mit einem Wechsel in Bezug auf ihre reflektiven statt refraktiven Eigenschaften,
und auf diese Grundprinzipien wird hier vollständig Bezug genommen.
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Wenngleich
ein bestimmtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung hier im Detail zu Erläuterungszwecken beschrieben
wurde, können
doch verschiedene Abwandlungen und Verbesserungen vorgenommen werden,
ohne aus dem Schutzbereich der Erfindung herauszugehen. Dementsprechend
ist die Erfindung nicht beschränkt
mit Ausnahme durch die beigefügten
Ansprüche.