DE60319068T2

DE60319068T2 - Mehrfachemitter-richtachsenreferenzquelle

Info

Publication number: DE60319068T2
Application number: DE60319068T
Authority: DE
Inventors: Robert W. Hermosa Beach BYREN; Edward L. Torrance ARNN
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2023-03-11
Also published as: US6765663B2; IL161018A0; EP1483548A1; US20030174315A1; IL161018A; EP1483548B1; DE60319068D1; WO2003083411A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Justierachsen-Referenzquellen, die zum Ausrichten und zum Stabilisieren von Komponenten in Ziel-, Abbildungs- und Erfassungsanwendungen nützlich sind.
Beschreibung des allgemeinen Standes der Technik
Justierachsen-Quellen und die zugehörigen Justierachsen-Ausrichtungsmechanismen werden in verschiedenen anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt, einschließlich Bildverarbeitungssystemen, chemischen Analysesystemen und militärischen Ziel-, Überwachungs- und Aufklärungssystemen. Solche Systeme erfordern häufig eine präzise Ausrichtung mehrerer Bestandteile von Sensorkomponenten, um eine akkurate Übergabe der Erfassungsfunktion von einem Sensor zum anderen zu gewährleisten oder um die Integration oder Vereinigung von Mehrsensordaten zu erleichtern.
Eine präzise Systemkomponentenausrichtung ist insbesondere wichtig in multispektralen elektrooptischen Systemen, die mehrere Sensoren verwenden, die eine gemeinsame Apertur teilen. Multispektrale Systeme können unterschiedliche Sensortypen aufweisen, wie bspw. thermische Infrarotbildaufnehmer und Farbfernsehkameras im sichtbaren Lichtbereich, die unterschiedliche Frequenzen elektromagnetischer Energie erfassen.
Ein beispielhafter elektrooptischer Systemsensorsatz umfasst einen Laser-Sender/Empfänger, eine Kamera für sichtbares Licht und einen Infrarotbildaufnehmer. Der Laser-Sender/Empfänger sendet einen Laserstrahl zu einer Szene. Die Szene reflektiert den Strahl, der von dem Sender/Empfänger empfangen wird. Der Sender/Empfänger umfasst Elektronik und kann Software aufweisen, um die Laufzeitverzögerung zwischen dem Senden und dem Empfangen des Strahls zu messen und dadurch die Entfernung zu einem spezifischen Ort innerhalb der Szene zu bestimmen, der das Ziel sein kann.
Der Infrarotbildaufnehmer erfasst thermische Energie, die von der Szene ausgeht. Elektronik innerhalb des Infrarotbildaufnehmers wandelt die empfangene thermische Energie in eine Abbildung um. In gleicher Weise empfängt die Kamera für sichtbares Licht (Anm.: nachfolgend kurz sichtbare Kamera genannt) elektromagnetische Energie im sichtbaren Band, die von der Szene reflektiert wird, und erzeugt eine entsprechende Abbildung. Die Infrarotabbildungen und die sichtbaren Abbildungen können mit der Laserentfernungsinformation kombiniert werden, um das Zielen und Erfassen zu erleichtern. Allgemein sollte der Mittelpunkt des empfangenen reflektierten Laserstrahls mit dem Mittelpunkt oder Zielpunkt der Infrarot- und sichtbaren Abbildungen für einen genauen Zielvorgang übereinstimmen.
Die Hauptstörungen im nicht gemeinsamen Pfad, die Justierachsenfehlausrichtungen zwischen den Erfassungselementen verursachen können, ergeben sich typischerweise aus Erschütterungen, Vibrationen und thermischen Verschiebungen, die die Struktur verwinden, auf der die unterschiedlichen Sensoren angebracht sind. In einigen Fällen kann ein Sensor auf einer anderen Aufhängung platziert sein, die eine oder mehrere Drehfreiheitsgrade relativ zu den anderen Sensor(en) besitzt. In diesem Fall verursacht eine Lagerabweichung und eine Aufhängungsachsen-Fehlorthogonalität ebenfalls eine Justierachsenfehlausrichtung. Aufgrund ihrer physischen Größe und ihrer komplexen Leistungs-/Wärmeschnittstellenanforderungen werden Laser-Sender-Empfänger häufig auf gegenüber den anderen Sensoren unterschiedlichen Aufhängungsorten platziert. Atmosphärische Störungen erfahren im Allgemeinen alle Erfassungselemente in einem System mit geteilter Apertur (es werden die Wirkungen der Streuung in die Atmosphäre ignoriert, bei der unterschiedliche Wellenlängen mit unterschiedlichen Winkeln gebrochen werden).
Wenn die Justierachse eines sichtbaren oder Infrarotsensors justiert werden, wird der Sensor typischerweise mit der Achse des Entfernungsmesslaserstrahls ausgerichtet. Eine Justierachsen-Referenzquelle liefert einen Referenzstrahl, der starr ausgerichtet ist relativ zu dem Entfernungsmesslaser und einen Punkt auf dem Sensor erzeugt. Der Unterschied zwischen dem Ort des Punkts auf dem Sensor und dem Justierzielpunkt des Sensors stellt den Betrag dar, um den der Sensor relativ zu dem Entfernungsmesslaser fehlausgerichtet ist.
Herkömmlicherweise sind die Justierachsenquellen in Ziel- und Erfassungssystemen Hohlraumstrahlungs- oder Diodenlaserquellen. Eine Hohlraumstrahlungsquelle strahlt einen Strahl aus mit einem breiten Spektrum elektromagnetischer Energie, die infrarote, sichtbare und ultraviolette Komponenten umfasst. Die spektrale Strahlung der Hohlraumstrahlungsquelle wird durch die Temperatur des Strahlungselements festgelegt, wobei je heißer das Element, desto mehr wird das Ausgangsspektrum von dem infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu den sichtbaren und ultravioletten Bereichen verschoben. Der Referenzstrahl kann physisch mit dem Entfernungsmesslaserstrahl ausgerichtet sein und kann gerichtet sein, um einen Punkt auf der Erfassungsfläche eines Infrarotbildaufnehmers, einer sichtbaren Kamera und/oder eines anderen Sensors zu erzeugen, um einen Fernfeldort des Entfernungsmesslaserstrahls innerhalb der Szene zu simulieren. Die Position jedes Punkts entspricht dem Zielpunkt oder dem bevorzugten Mittelpunkt des Infrarot- bzw. sichtbaren Kamerabildaufnehmers. Wenn der Infrarotbildaufnehmer oder die sichtbare Kamera fehlausgerichtet ist, bewegt sich der Punkt auf deren Erfassungsfläche des Infrarotbildaufnehmers oder der sichtbaren Kamera.
Fehlausrichtungen zu kompensieren, wenn eine Computer-erzeugte Justierung von dem System verwendet wird, um den Zielpunkt des Sensors zu bestimmen, kann Software, die mit dem Infrarotbildaufnehmer und der sichtbaren Kamera verknüpft ist, den gespeicherten Zielpunkt für diese Sensoren einstellen, um sie in Überein stimmung mit den Energiemittelpunkten ihrer jeweiligen Referenzpunkte zu bringen, oder kann elektronisch die Abbildungen verschieben, die einem Benutzer gezeigt werden. Alternativ kann der Zielpunkt des Infrarotbildaufnehmers und der sichtbaren Kamera manuell über eine Cursorsteuerung auf einem Anzeigemonitor eingestellt werden.
Um Fehlausrichtungen zu kompensieren, wenn ein bestimmter Sensor eine feste Zielmarke verwendet, um den Zielpunkt zu bestimmen, kann Software einen Servomechanismus anweisen, die Sensorsichtlinie (LOS) physisch zu bewegen, so dass der Referenzpunkt mit dem Zielmarkierungs-Zielpunkt ausgerichtet wird. Alternativ kann die Sensorsichtlinie manuell über eine Steuerungsschnittstelle eingestellt werden, wie bspw. ein Paar von Einstellungsknöpfen, die es dem Benutzer erlauben, den Referenzpunkt mittig auf das Zielmarkierungszielpunktsymbol zu bringen.
Unglücklicherweise sind herkömmliche thermische Hohlraumjustierachsenquellen unerwünscht sperrig, relativ dunkel, sehr divergent, nicht gut auf die Sensordurchlassbänder abgestimmt, erfordern übermäßig Arbeitsleistung, erfordern sperrige und teure Sammel- oder Projektionsoptiken, erfordern unerwünscht lange Aufwärmzeiten und emittieren übermäßig Wärme. Die heißen Hohlraumstrahlungsquellen, die bei sichtbaren Kameras verwendet werden, arbeiten typischerweise zwischen 900 und 1000°C und müssen gegenüber kritischen Ausrichtungsstrukturen bzw. -aufbauten durch teure Bauteile isoliert werden, um die thermische Komponente gegenüber einer Deformation und einhergehenden Strahlfehlausrichtungen zu schützen. Die geringe Helligkeit von Hohlraumstrahlungsquellen und ihre schlechte Anpassung an spezifische Sensordurchlassbänder führt zu Punkten mit geringem Kontrast am Sensor bei hoher Umgebungshelligkeit, was es schwierig oder unmöglich macht, den Sensor auszurichten, ohne die Abbildung der Szene zu blockieren. Die geringe Helligkeit von Hohlraumstrahlungsquellen kann sie ungeeignet machen für eine Verwendung mit anderen erwünschten Sensoren mit hoher Winkelauflösung, wie bspw. ineinandergrenzende fotoresistive Detektoren mit geringer Empfindlichkeit und zweidimensionaler Erfassung, die Fotopotentiometer oder Fotopots genannt werden. Fotopots sind typischerweise weniger anfällig gegenüber Problemen, die durch Ungleichmäßigkeiten der Punktform verursacht werden als Kreissegment oder Vierzellendetektoren.
Strukturelle Merkmale der Hohlraumstrahlungsquelle können weiter die Quellenausgangsleistung reduzieren. Beispielsweise kann ein kleines Loch in einem lichtabgeschirmten Behälter vorgesehen sein, der die Hohlraumstrahlungsquelle umgibt, um die Größe des Punkts zu definieren und zu begrenzen. Das kleine Loch vignettiert viel Hohlraumstrahlung und macht die Gesamtquelle sehr ineffizient und reduziert das optische Signal wesentlich, bevor es die Sensoren erreicht.
Die Hohlraumstrahlungsquellen, wie bspw. drahtgewickelte keramische Quellen, wie sie bspw. in dem US Patent Nr. 5,479,025 mit dem Titel BORESIGHT THERMAL REFERNCE SOURCE offenbart sind, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird, erzeugen unkollimierte Strahlung, die über teure Optiken kollimiert bzw. gebündelt werden muss. Um ein adäquates Signal an den Justierachsensensoren (insbesondere wenn die Hauptabbildungssensoren selbst für die direkte Justierachsenjustierung verwendet werden) bereitzustellen, kann ein optisches System mit voller Apertur benötigt werden, um die Hohlraumstrahlung zu sammeln und zu bündeln. Einige Sensorsätze erfordern bspw. ein Paar von reflektiven achsenversetzten asphärischen Elementen mit voller Apertur in dem Bündelungssystem, die teuer und schwierig zum Ausrichten sind und die teure Strahlteilerkomponenten mit voller Apertur benötigen.
Als eine Alternative zu den Hohlraumstrahlungsquellen verwenden einige Ziel-, Abbildungs- und Erfassungssysteme eine oder mehrere Halbleiterdioden-Laserjustierachsenquellen, um Sensoren mit einem Laserentfernungsmesser oder Zielstrahl auszurichten. Obgleich herkömmliche bipolare Diodenlaser (auch bezeichnet als pn-Diodenlaser) häufig heller sind als herkömmliche Hohlraumstrahlungsquellen, erfordern sie keine teuren Bündelungsoptiken, können nahezu sofort eingeschaltet werden und strahlen keine übermäßige Wärme aus, haben sie verschiedene unerwünschte Eigenschaften. Sie emittieren mit nur einer Laserwellenlänge. Folglich können separate Diodenlaserquellen für eine Co Justierung erforderlich werden, um unterschiedliche Sensoren auszurichten. Ferner sind sie nicht gut auf mittlere Wellenlängen und lange Wellenlängen-Infrarotdurchlassbänder abgestimmt und können zusätzliche Winkelsensoren oder mehrere Laserdiodenquellen erfordern, die physisch mit den Infrarotabbildungssensoren für eine indirekte Ausrichtung justiert sind, um die Möglichkeit direkter Sensorjustierausrichtung zu beseitigen. Der Justierfehler zwischen dem Abbildungssensor und dem zusätzlichen Winkelsensor oder der Laserdiodenquelle, die für die indirekte Ausrichtung benutzt wird, kann nicht korrigiert werden ohne die physische Wartung des Sensorsatzes. Optisch gepumpte und elektrisch gepumpte Halbleiterlaser, die im mittleren Infrarotbereich ausstrahlen, wurden erwähnt, allerdings müssen diese auf niedere Temperaturen über teure thermoelektrische oder Kryo-Kühler gekühlt werden.
Mehrere Laserdioden wurden auf einer gemeinsamen Struktur integriert, um die Ausgangsleistung der Quelle zu erhöhen. Herkömmliche Bipolar-Diodenlaserquellen wurden entwickelt und kommerziell verkauft, die zwei oder mehrere Diodenemitter aufweisen, die im Wesentlichen im gleichen Wellenlängenbereich arbeiten. Allerdings arbeiten diese Emitter mit gleichen Wellenlängen und leiden unter gleichen Nachteilen wie herkömmliche Einzelemitterdioden-Justierachsenquellen, wenn sie in Sensorsätzen für Strahlausrichtungszwecke benutzt werden. Ferner kann Interferenz und Schwebung zwischen den Arbeitsmoden einiger Mehremitterquellen räumliche und zeitliche Strahlungleichmaßigkeiten verursachen, die als Modenrauschen (engl. speckle) bezeichnet wird. Strahlungleichmaßigkeiten sind insbesondere problematisch in Systemen, die Quadrant- oder Vierzelldetektoren verwenden, um den Mittelpunkt des Strahls für Ausrichtungszwecke zu bestimmen. Vierzelldetektionsverfahren bestimmen allgemein den Mittelpunkt der Laserstrahlenergieverteilung auf der Oberfläche des Detektors. Ein ungleichförmiger Strahl kann eine ungleichmäßige und über die Zeit variierende Energieverteilung aufweisen, die zu einem gegenüber dem Mittelpunkt versetzten Mittelpunktort führt und dadurch Ausrichtungsfehler verursacht.
US 5,047,638 offenbart ein Justierachsensystem, das ein optisch gepumptes Zielbauelement zur Korrelation der Justierachse zwischen einer Vielzahl von Kompo nenten aufweist, wie bspw. ein Laserentfernungsmesser/Bestimmer, ein thermischer Bildaufnehmer, wie bspw. eine nach vorne schauende Infrarotvorrichtung, und ein Videosystem. Der Laserentfernungsmesser wird als eine Referenz verwendet, mit der der thermische Bildaufnehmer und das Videosystem ausgerichtet werden. Sowohl die Zielbaugruppe als auch der sichtbare Quellengenerator sind im geometrischen Brennpunkt der Bündelungsoptiken platziert, die bei dem System verwendet werden.
Folglich existiert ein Bedarf im Stand der Technik nach einer effizienten multispektralen Justierachsen-Referenzquelle für Infrarot- und sichtbare Systeme, die einen hellen und gleichmäßigen Strahl bereitstellen, minimalen Installationsraum beanspruchen, geringe oder überhaupt keine Aufwärmzeit benötigen, minimale überschüssige Wärme abgeben, bei Raumtemperatur arbeiten können, zur Verwendung bei Sensoren mit hoher Winkelauflösung einsetzbar sind und keine sperrigen teuren Projektionsoptiken benötigen. Es existiert ein weiterer Bedarf nach einem effizienten Sensorsatz und einem begleitenden Justierachsensystem, das die effiziente Justierachsen-Referenzquelle einsetzt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dieser Bedarf im Stand der Technik wird von der vorliegenden Erfindung angesprochen, die eine effiziente Justierachsen-Referenzquelle bereitstellt, die gekennzeichnet ist durch:
einen ersten Mechanismus mit einem ersten Laser emittierenden Halbleiteraufbau zum Übertragen eines ersten Teils elektromagnetischer Energie innerhalb eines ersten Wellenbands;
einen zweiten Mechanismus mit einem zweiten Laser emittierenden Halbleiteraufbau zum Übertragen eines zweiten Teils elektromagnetischer Energie innerhalb eines zweiten Wellenbands, das sich vom ersten Wellenband unterscheidet; und
einen Mechanismus zum Kombinieren des ersten Teils elektromagnetischer Energie und des zweiten Teils elektromagnetischer Energie, um einen gleichmäßigen Referenzstrahl zu erhalten,
wobei das erste Wellenband und das zweite Wellenband ausreichend unterschiedlich sind, um eine unerwünschte Kopplung zwischen einem oder mehreren Laserhohlräumen zu vermeiden, die mit dem ersten bzw. dem zweiten emittierenden Aufbau verknüpft sind.
Bei einer erläuternden Ausführungsform ist die erfinderische Referenzquelle zur Verwendung in einem multispektralen Sensorsatz und einem begleitenden Justierachsensystem zur Ausrichtung der Sensoren des Sensorsatz ausgelegt. Das erste Wellenband kann mit einem Teil des Durchlassbandes eines ersten Sensors innerhalb des Satzes übereinstimmen. Das zweite Wellenband kann mit einem Teil des Durchlassbandes eines zweiten Sensors innerhalb des Satzes übereinstimmen. Die vermiedene unerwünschte Kopplung zwischen den Laserhohlräumen, die mit den beiden emittierenden Aufbauten verknüpft sind, kann sich aus der optischen Rückkopplung aus externen Elementen, einer nicht perfekten Isolierung der Wellenleiter eingegrenzten Hohlräume oder einer gedämpften Wellenkopplung zwischen den isolierten Laserkavitäten bzw. Hohlräumen führen. Der Referenzstrahl kann ein gebündelter ausgerichteter multispektraler Referenzstrahl sein.
In einer spezifischeren Ausführungsform ist der erste emittierende Aufbau aus einem oder mehreren Infrarotlaseremittern mit unipolarem Halbleiter aufgebaut, die auch als Quantum Cascade Laser (QCL) Emitter bezeichnet werden. Der zweite emittierende Aufbau kann einen herkömmlichen Diodenlaseremitter mit bipolarem Halbleiter aufweisen oder kann ebenfalls einen oder mehrere QCL-Emitter aufweisen.
In noch einer spezifischeren Ausführungsform werden mehrere Infrarot QCL-Wiederholungseinheiten innerhalb des ersten emittierenden Aufbaus dazu gebracht, mit unterschiedlichen Wellenlängen zu arbeiten innerhalb des Durchlassbandes des ersten Infrarotabbildungssensors, um die Ausgangsleistung zu erhöhen und die Strahlgleichmäßigkeit der erfinderischen Justierachsen-Referenzquelle durch räumliche und zeitliche Interferenzmittelung zu verbessern. Jeder emittierende Aufbau ist mit Bezug auf die anderen ausgerichtet, um ein automatisches Kombinieren der entsprechenden Teile der elektromagnetischen Energie herbeizuführen.
QCL-Wiederholungseinheiten mit unterschiedlichen Supergitter-Zusammensetzungen und/oder Quantumwell-Dicken (Quanten-Trog-Dicken) oder identischen Wiederholungseinheiten, die bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten, werden eingesetzt, um unterschiedliche mittlere Wellenlängen innerhalb jedes Wellenbands zu erzeugen. Unterschiedliche QCL-Wiederholungseinheitstemperaturen können durch Kühlen von nur einer ebenen Fläche der QCL-Vorrichtung erzeugt werden, um damit einen thermischen Gradienten zwischen den Emitteraufbauten bzw. Strukturen zu erzeugen. Die unterschiedlichen Emitteraufbautemperaturen erzeugen Änderungen im Brechungsindex und der physischen Länge der Laserkavität, was zu einer Änderung der Strahlpfadlänge innerhalb der jeweiligen Laserkavität führt, was die Wellenlängen der Resonanzmoden von einer QCL-Wiederholungseinheit zur nächsten monoton verschiebt.
Bei einer alternativen Ausführungsform weisen die mehreren QCL-Emitteraufbauten (Emitter) ein oder mehrere verteilte Rückkopplungsgitter auf, die die Länge der Resonanzkavität innerhalb jedes Laseremitters definieren, so dass die Erzeugung eines Lasers innerhalb aller Laseremitter mit einer einzigen Längsmode und einer einzigen Phase geschieht. Diese Ausführungsform erzeugt ebenfalls einen gleichmäßigen kohärenten Strahl elektromagnetischer Energie, der frei ist von Interferenzeffekten.
Das neue Design der vorliegenden Erfindung wird durch Einsatz mehrerer Emitteraufbauten erleichtert. Die Verwendung mehrerer Emitteraufbauten hilft bei der Bereitstellung hoher Quellenleistung und Gleichmäßigkeit und ermöglicht die Übertragung im Infrarot- und optischen Frequenzband, was eine automatische und gleichzeitige Justierachsenausrichtung der Sensoren mit unterschiedlichen Durch lassbändern erleichtert. Ferner ist der Einsatz eines QCL mit mehreren QCL-Emittern energieeffizient.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm einer effizienten multispektralen Justierachsen-Referenzquelle (Multi-Quelle), die mehrere Emitteraufbauten verwendet.
2 ist ein Diagramm eines ersten Sensorsatzes, der die Multi-Quelle von 1 verwendet als eine effiziente Justierachsen-Referenzquelle, die entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, wobei die Justierachsenquelle Teil der Laser-Sender/Empfänger-Anordnung ist.
3 ist ein Diagramm eines zweiten Sensorsatzes, der die Multi-Quelle von 1 einsetzt und entsprechend der Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, wobei die Multi-Quelle auf einer inneren Aufhängung platziert ist und mit Sensoren verbunden ist, die auf einer äußeren Aufhängung platziert sind.
4 ist ein Diagramm eines dritten Sensorsatzes, der entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und eine Multi-Quelle verwendet, die einen multispektralen Referenzstrahl (Multi-Strahl) für eine kontinuierliche automatische direkte Achsenjustierung des Infrarotempfängers und zur kontinuierlichen Breitbandautoausrichtung über den Autoausrichtungsempfänger sendet.
5 ist ein Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform entweder des ersten oder des zweiten Emitteraufbauabschnitts, der Multi-Quelle von 1, bei der der Emitteraufbau aus mehreren QCL-Emittern in einem gemeinsamen Wellenleiterhohlraum mit nicht identischen Mehrschicht-Wiederholungseinheiten aufgebaut ist.
6 ist ein Diagramm einer ersten alternativen Ausführungsform des ersten oder des zweiten Emitteraufbauteils der Multi-Quelle von 1, bei der der Emitter aufbau aus mehreren identischen QCL-Kernbereichen aufgebaut ist, die aber mit unterschiedlichen Temperaturen arbeiten.
7 ist ein Diagramm einer zweiten alternativen Ausführungsform entweder des ersten oder des zweiten Emitteraufbauteils der Multi-Quelle von 1, bei der der Emitteraufbau aus mehreren QCL-Wiederholungseinheiten aufgebaut ist, wobei die Laserhohlräume einen gemeinsamen verteilten Rückkopplungsbeugungsgitter-Hohlraumreflektor teilen.
8 ist ein Diagramm einer alternativen Ausführungsform des zweiten Emitteraufbauteils der Multi-Quelle von 1, bei der der Emitteraufbau einen herkömmlichen Diodenlaser mit Bipolar-Halbleiter umfasst.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist ein Diagramm einer effizienten multispektralen Justierachsen-Referenzquelle (Multi-Quelle) 12, die mehrere Emitteraufbauten 182, 186 verwendet. Die effiziente Justierachsen-Referenzquelle 12 umfasst einen ersten Laser emittierenden Halbleiteraufbau 182 zum Aussenden eines ersten Teils elektromagnetischer Energie 184, die mit einem Teil des Durchlassbandes eines ersten Sensors innerhalb eines Sensorsatzes zusammenfällt, wie nachfolgend ausführlicher diskutiert werden wird. Ein zweiter emittierender Aufbau 186 sendet einen zweiten Teil elektromagnetischer Energie 188 aus, der mit einem Teil des Durchlassbandes eines zweiten Sensors innerhalb des Sensorsatzes zusammenfällt, wie nachfolgend umfangreicher diskutiert werden wird. Der erste und der zweite emittierender Aufbau 182 bzw. 186 können einen oder mehrere Laseremitter (nicht gezeigt) umfassen, um den ersten Teil 184 bzw. den zweiten Teil 188 der elektromagnetischen Energie zu erzeugen. Der zweite emittierende Aufbau 186 wird typischerweise über ein geeignetes Halbleiterepitaxie-Verfahren auf ein geeignetes leitfähiges Halbleitersubstrat 180 aufgewachst, wie bspw. eine Molekularstrahlepitaxie (MBE), die im Stand der Technik bekannt ist.
Die Quelle 12 von 1 umfasst zumindest zwei emittierende Aufbauten 182, 186, die in unterschiedlichen Spektralbändern arbeiten. Zum Zwecke der vorliegenden Diskussion kann ein emittierender Aufbau einen oder mehrere Laseremitter umfassen.
Eine leitfähige Übergangsschicht 181, die aus erläuternden Zwecken gezeigt ist, kann auf den zweiten emittierenden Aufbau 186 aufgewachst werden, indem bekannte Halbleiterverfahren verwendet werden, um eine geeignete Polaritäts- und Gitterkonstanten-Anpassung zwischen dem ersten und dem zweiten Emitteraufbau zu erreichen. In der bevorzugten Ausführungsform wird jedoch die leitfähige Übergangsschicht 181 weggelassen. Vorzugsweise sind die Polaritäts- und Gitterkonstanten für die emittierenden Aufbauten 182, 186 angepasst, so dass keine leitfähige Übergangsschicht 181 erforderlich ist.
Der erste emittierende Aufbau 182 wird entweder auf die Übergangsschicht 181 oder direkt auf den zweiten emittierenden Aufbau 186 über bekannte Verfahren aufgewachst. Ein geeigneter elektrischer Kontakt 136 ist an dem ersten emittierenden Aufbau 182 angebracht.
Der erste emittierende Aufbau 182 kann einen Laseremitter aufweisen, der auf einer herkömmlichen Bipolar-Halbleiterdioden-Konfiguration basiert, wie nachfolgend ausführlicher diskutiert werden wird. Alternativ kann der erste emittierende Aufbau 182 einen oder mehrere Laseremitter aufweisen, die auf einer unipolaren Halbleiter-Laserkonfiguration basieren, die allgemein als Quantum Cascade Laser (QCL) bezeichnet wird, wie nachfolgend ausführlicher diskutiert werden wird. In gleicher Weise kann der zweite emittierende Aufbau 186 einen Bipolar-Diodenlaseremitter oder einen oder mehrere QCL-Emitter aufweisen. Folglich können die emittierenden Aufbauten 182, 186 innerhalb der Multi-Quelle 12 die Halbleiter-Laserkonfiguration oder unterschiedliche Konfigurationen benutzen.
Die seitliche Ausdehnung (aus der Ebene in 1) der Laserhohlräume bzw. Kavitäten innerhalb der emittierenden Aufbauten 182, 186 kann durch die Gradbreite der Mesa-Bereiche definiert werden, die über chemische Ätzverfahren durch die Schichten 182, 181 und 186 der Multi-Quelle 12 zu dem Substrat 180 hergestellt werden, indem geeignete Nassätz- oder Trockenätzverfahren verwendet werden, die im Stand der Technik bekannt sind. Andere geeignete Aufbauten bzw. Strukturen, wie bspw. vergrabene Kavitäten und kompatible Halbleiter-Herstellungsverfahren, die im Stand der Technik bekannt sind, können verwendet werden, um die seitliche Geometrie der Laserhohlräume zu bilden, Die vertikale und die Längsabmessung der Laserhohlräume werden in Bezug auf die anderen Figuren hier beschrieben.
Der erste und der zweite Teil elektromagnetischer Energie 184 bzw. 188 sind ausreichend unterschiedlich bezüglich der Wellenlänge, um ein wesentliches Koppeln zwischen den Laserkavitäten zu verhindern, die mit den Laseremittern des ersten und des zweiten emittierenden Aufbaus verknüpft sind. Die Strahlkombinierungsoptiken 148 kombinieren den ersten Teil elektromagnetischer Energie 184 und den zweiten Teil elektromagnetischer Energie 188, um einen gleichmäßigen gebündelten parallel ausgerichteten multispektralen Referenzstrahl 28 zu erhalten. Die Strahlkombinierungsoptiken 148 können eine einfache Bündelungsoptik umfassen, wie gezeigt, die defokussiert sein kann, um den Fehler zu minimieren, der mit dem kleinen Winkelversatz zwischen dem ersten und dem zweiten Teil elektromagnetischer Energie 184 bzw. 188 einhergeht, der sich aus dem räumlichen Versatz zwischen dem emittierenden Bereich auf den Ausgangsflächen der emittierenden Aufbauten 182, 186 ergibt. Zusätzliche Elemente wie bspw. Aberratoren, Feldlinsen, Aperturen und/oder räumliche Lichtintegratoren (nicht gezeigt), im Stand der Technik bekannt sind, können ebenfalls in den Strahlkombinierungsoptiken 148 vorhanden sein, um den Winkelversatz zwischen dem ersten und dem zweiten Teil elektromagnetischer Energie 184 bzw. 188 in dem multispektralen Referenzstrahl 28 zu reduzieren.
Die Multi-Quelle 12 umfasst eine steuerbare Energiequelle 134, einen Kontroller 138 und einen elektrischen Kontakt 136. Bei der vorliegenden spezifischen Aus führungsform wird der elektrische Kontakt 136 auf einer Fläche der Mehrschichthalbleiterstruktur aufgebracht, die auf der Wärmesenke 118 aufgebracht ist. Die Polarität der steuerbaren Energiequelle 134 wird ausgewählt, um mit der Polarität der Laseremitter 182, 186 konsistent zu sein. Wenn ein Bipolar-Halbleiter-Diodenlaseremitter verwendet wird, ist bspw. die Polarität der steuerbaren Energiequelle 134 so, dass der bipolare Übergang vorgespannt ist, um in dem vorwärts aktiven Bereich zu arbeiten. Der Kontroller 138 regelt selektiv die Energiequelle 134, um eine gewünschte Stromwellenform über den Multiquellen-Halbleiteraufbau bereitzustellen. Die Halbleiter-Laseremitter innerhalb der emittierenden Aufbauten 182, 186 können in unterschiedlichen Modi operieren, wie bspw. einem kontinuierlichen Modus oder einem gepulsten Modus, der über den Kontroller 138 festgelegt wird, der selektiv die Energiequelle 134 entsprechend dem gewünschten Betriebsmodus der Multi-Quelle 12 steuert. Die Laseremitter 182, 183 können ausgelegt sein, dass die gesamte an die Multi-Quellen 12 Halbleiterstruktur angelegte Spannung zwischen den Laseremittern 182, 186 aufgeteilt wird, um jeden passend vorzuspannen. Alternativ kann ein „Abgriff"-Kontakt als Teil des Halbleiteraufbaus hergestellt werden, um ein individuelles Vorspannen der Laseremitter 183, 186 zu ermöglichen, wie von C. Gmachi et al. in Applied Physics Letters, Vol. 79, Nr. 5, Seiten 572–574 (2001) beschrieben.
Der Fachmann wird erkennen, dass zusätzliche emittierende Aufbauten zu dem planaren Aufbau der Multi-Quelle 12 hinzugefügt werden können, um zusätzliche Teile elektromagnetischer Energie zu erzeugen, die mit entsprechenden Teilen der Durchlassbänder zusätzlicher Sensoren innerhalb des Sensorsatzes zusammenfallen, ohne den Gedanken oder den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
2 ist ein Diagramm eines ersten Sensorsatzes 10, der entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und die Multi-Quelle 12 von 1 als eine effiziente Justierachsen-Referenzquelle verwendet. Die Justierachsenquelle 12 ist Teil der Lasersenderanordnung 50. Für die vorliegende Erfindung bedeutet der Begriff Multi-Quelle eine Quelle mit mehreren emittierenden Aufbauten, die entweder benachbart oder kaskadiert sind und auf einem gemeinsamen Substrat angebracht sind oder anderweitig angeordnet sind, um einen Strahl zu erzeugen, der die Komponenten elektromagnetischer Energie von jedem emittierenden Aufbau enthält. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind verschiedene gut bekannte Komponenten, wie bspw. Energiequelle, Signalverstärker und Fokussieroptiken aus den Figuren weggelassen worden, obgleich der Fachmann, der Zugang zu den vorliegenden Lehren hat, weiß, welche Komponenten zu implementieren sind und wie die Implementierung vorzunehmen ist, um die Bedürfnisse einer vorgegebenen Anwendung zu erfüllen.
Der Sensorsatz 10 umfasst ein afokales Teleskop 14, das benachbart einem ersten Spiegel 16 positioniert ist. Der erste Spiegel 16 ist angeordnet, um elektromagnetische Energie von und zu dem afokalen Teleskop 14 zu führen. Die elektromagnetische Energie umfasst einen Laserstrahl 60, thermische (Infrarot-) Energie 26 und sichtbare Energie 34, die von einer Szene 18 empfangen wird. Ein erster dichroitischer Strahlteiler 20 ist relativ zu dem ersten Spiegel 16 und einem thermischen Bildaufnehmer 22 angeordnet, so dass die Infrarotenergie 26, die durch den dichroitischen Strahlteiler 20 von dem afokalen Teleskop 14 über den ersten Spiegel 16 empfangen wird, zu dem thermischen Bildaufnehmer 22 geführt wird. Der erste Strahlteiler 20 lenkt ebenfalls einen Teil der Infrarotenergie eines multispektralen Justierachsen-Referenzstrahls (Multistrahl) 28, der von der Multi-Quelle 12 erzeugt wird, zu dem thermischen Bildaufnehmer 22 über einen ersten Winkelreflektor 24 und einen Strahldämpfer 30. Wie im Stand der Technik bekannt ist, umfasst der thermische Bildaufnehmer 22 Fokussieroptiken und einen Bildformungsmechanismus (nicht gezeigt), wie bspw. ein serieller Abtastspiegel mit einzelnen Detektorelement, ein paralleler Abtastspiegel mit einem linearen Detektorfeld oder ein starres Bildebenen-Feld bzw. -Array.
Ein zweiter Strahlteiler 32 ist relativ zu dem ersten Spiegel 16 dem ersten Strahlteiler 20 angeordnet, so dass die sichtbare Energie 34, die von der Szene 18 kommt, von dem zweiten Strahlteiler 32 auf eine Charge-Coupled Device (CCD) Anordnung (nicht gezeigt) der CCD-Kamera-Anordnung 36 über den ersten Spiegel 16 und den ersten Strahlteiler 20 reflektiert wird. Der zweite Strahlteiler 32 führt optische Energie in dem Multi-Strahl 28 ebenfalls auf die CCD-Anordnung der CCD-Kamera 36 über einen zweiten Winkelreflektor 38 und einen Strahldämpfer 40.
Der thermische Bildaufnehmer 22 und die CCD-Kamera-Anordnung 36 kommunizieren mit einem Videoprozessor 42, der mit einem Bilddisplay 44 verbunden ist, das für einen Benutzer 46 zugänglich ist. Der thermische Bildaufnehmer 22 und die CCD-Kamera-Anordnung 36 können abseits der Aufhängung (nicht gezeigt), auf denen das afokale Teleskop 14 und die zugehörigen Optiken angebracht sind, platziert sein. Der thermische Bildaufnehmer 22 ist innerhalb des Systems 10 angeordnet, um infrarote elektromagnetische Energie von der Szene 18 über das afokale Teleskop 14, den ersten Spiegel 16 und den ersten dichroitischen Strahlteiler 20 zu empfangen. Der thermische Bildaufnehmer 22 empfängt ebenfalls den Multi-Strahl 28 von der Multi-Quelle 12, die in einer Laser-Sender-/Empfänger-Anordnung 50 vorgesehen ist. Die Laser-Sender-/Empfänger-Anordnung 50 weist ebenfalls einen dritten dichroitischen Strahlteiler 54, einen zweiten Spiegel 56, der parallel zu dem dritten Strahlteiler 54 angeordnet ist, und einen Laser-Sender/Empfänger 58 auf.
Im Betrieb sendet der Laser-Sender/Empfänger 58 einen Laserentfernungs-Messstrahl 60 im nahen Infrarotbereich mit schmaler Impulsbreite, der auf die Szene 18 über den dritten dichroitischen Strahlteiler 54, den zweiten Spiegel 56, den zweiten dichroitischen Strahlteiler 32, den ersten dichroitischen Strahlteiler 20, den ersten Spiegel 16 und das afokale Teleskop 14 gerichtet ist. Der Strahl 60 wird von der Szene 18 reflektiert. Der reflektierte Strahl wird über den gleichen Pfad wie der gesendete Strahl zurückgeführt und von dem Laserempfänger (nicht gezeigt) innerhalb des Laser-Sender/Empfängers 58 empfangen. Die Entfernung zum Ziel wird über einen Entfernungsprozessor (nicht gezeigt) gemessen, der die Zeit misst, die der Laserimpuls benötigt, um den Weg von dem Laser-Sender/Empfänger 58 zu dem Ziel innerhalb der Szene 18 und zurück zu dem Laser-Sender/Empfänger 58 benötigt. Der Laser-Sender/Empfängerstrahl 60 ist physisch auf den Multi-Strahl 28 durch einen Ausrichtungsprozess in der Fabrik ausgerichtet, indem manuell die Winkelposition (Kippen/Neigen; Tip/Tilt) des dritten dichroitischen Strahlteilers 54 eingestellt wird.
Der effiziente Multi-Strahl 28 läuft durch die Bündelungsoptiken (nicht gezeigt) und dann durch den dritten Strahlteiler 54. Der Multi-Strahl 28 reflektiert an dem zweiten Spiegel 56 in eine Richtung parallel und im Wesentlichen in Überein stimmung mit einem Laserentfernungs-Messstrahl 60. Ein erster Teil des Multi-Strahls 28, der hauptsächlich sichtbare Energie enthält, wird dann an der dem zweiten dichroitischen Strahlteiler 32 zu dem zweiten Winkelreflektor 38 reflektiert. Der zweite Winkelreflektor 38 reflektiert dann den ersten Teil des Multi-Strahls 28 zurück über den zweiten Strahlteiler 32 zu der CCD-Kamera-Anordnung 36, wo er einen Referenzpunkt auf der CCD-Anordnung bzw. -Array der CCD-Kamera-Anordnung 36 erzeugt. Der erste Teil des Multi-Strahls 28 enthält sichtbare Energie, die ausreicht, um von der CCD-Kamera-Anordnung 36 erfasst zu werden.
Ein zweiter Teil des Multi-Strahls 28, der hauptsächlich Infrarotenergie enthält, läuft durch die zweiten dichroitischen Strahlteiler 32 und dann durch den ersten Strahlteiler 20 zu dem ersten Winkelreflektor 24. Der erste Winkelreflektor 24 reflektiert den zweiten Teil des Multi-Strahls 28 zurück zu dem ersten dichroitischen Strahlteiler 20. Der zweite Teil (thermische Teil) des Multi-Strahls 28 wird dann von dem ersten Strahlteiler 20 auf die Erfassungsfläche des thermischen Bildaufnehmers 22 reflektiert, wobei ein Referenzpunkt auf der Erfassungsfläche des thermischen Bildaufnehmers 22 erzeugt wird. Der zweite Teil des Multi-Strahls 28 enthält infrarote elektromagnetische Energie, die ausreicht, um von dem thermischen Bildaufnehmer 22 erfasst zu werden.
Der thermische Bildaufnehmer 22 erfasst Infrarotenergie, die von der Szene 18 ausgeht, und der Videoprozessor 42 richtet die Zielpunktposition des thermischen Bildaufnehmers zu dem Infrarot Justierachsen-Referenzpunkt aus, der durch den effizienten Justierachsen-Multiquellen-Referenzstrahl 28 auf dem thermischen Bildaufnehmer hervorgerufen wird. Diese Ausrichtung kann kontinuierlich sein und automatisch über Software und/oder Hardware ausgeführt werden, die im Stand der Technik gut bekannt ist, und läuft auf dem Videoprozessor 42. Die Software kann bspw. den Ort der Justierzielpunktposition verändern, die im Speicher abgespeichert ist, um mit dem Ort des Referenzpunkts zusammenzufallen. In gleicher Weise erfasst die CCD-Kamera-Anordnung 36 sichtbare Energie von der Szene 18, und der Videoprozessor 42 richtet die Zielpunktposition der CCD-Kamera zu dem sichtbaren Justierachsen-Referenzpunkt aus, der durch den effizienten Justierachsen-Multiquellen-Referenzstrahl 28 auf dem sichtbaren CCD-Bild erzeugt wird.
Alternativ kann die Zielpunktposition für einen oder beide Sensoren manuell über eine Cursoransteuerung auf der Anzeige 44 durch den Benutzer 46 ausgerichtet werden. Typischerweise bedeutet dies, dass Cursorsteuerungen verwendet werden, um Computer-erzeugte Zielsymbole, die die Zielpunktposition darstellen, wie bspw. ein Satz von rechtwinkligen Fadenkreuzen oder ein Zielkasten, über den Justierachsen-Referenzpunkt zu platzieren. Alternativ kann die Achsenjustierung kontinuierlich und automatisch durchgeführt werden, indem die Sensorsichtlinie servomechanisch abgelenkt wird, indem eine Winkeltrennung zwischen dem thermischen Referenzpunkt und dem Mittelpunkt des vollen Sensorbildes als das Fehlersignal verwendet wird.
Der Fachmann wird erkennen, dass Zielmarkenerzeugungs-Software und/oder -Hardware, die auf dem Videoprozessor 42 läuft, weggelassen werden kann, ohne den Rahmen und den Gedanken der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ferner kann die Anzeige 44 und der Benutzer 46 weggelassen werden oder durch ein automatisches Zündsteuerungssystem, Überwachungssystem, usw. ersetzt werden, ohne den Gedanken oder den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Es wird Bezug auf die 1 genommen. Die effiziente Justierachsen-Multiquelle 12 von 1 wird für den ersten Sensorsatz 10 optimiert und umfasst zwei emittierende Aufbauten 182, 186. Der erste emittierende Aufbau 182 kann über einen unipolaren Halbleiterlaser oder einen QCL mit mehreren Laseremittern implementiert werden, um eine hohe Helligkeit, und einen gleichmäßigen Infrarotstrahl innerhalb des thermischen Bildaufnehmer 22-Durchlassbandes bereitzustellen. Jeder Laseremitter umfasst ein aktives Gebiet, in dem die Lasererzeugung auftritt, und ein sich daran anschließendes „Energienachlass" oder Trägerinjektionsgebiet. Ein verteiltes Rückkopplungsmerkmal, wie bspw. ein Bragg-Gitter, kann vorgesehen sein, um zu gewährleisten, dass jeder Laseremitter mit einer einzelnen Längsmode und in Phasengleichklang arbeitet, wie nachfolgend detaillierter ausgeführt werden wird.
Alternativ können die QCL-Emitter mit leicht unterschiedlichen Wellenlängen betrieben werden, wodurch eine räumliche und zeitliche Mittelung der Wirkungen von Interferenz (speckle) in dem Multi-Strahl 28 erreicht wird und ein gleichmäßiger Referenzstrahl für die Sensorjustierachsen-Justierung bereitgestellt wird, wie nachfolgend deutlicher erläutert werden wird. Die verbesserte Helligkeit und Gleichmäßigkeit der Justierachsen-Multiquelle 12 ermöglicht kleinere Projektionsoptiken in dem afokalen Teleskop 14 und verhindert die Notwendigkeit eines teuren reflektiven Teleskops mit voller Apertur und Achsenversatz.
Der zweite emittierende Aufbau 186 kann über einen bipolaren Diodenlaser mit einem einzelnen herkömmlichen Emitter implementiert werden, um eine hohe Helligkeit, einen gleichmäßigen sichtbaren Strahl innerhalb des Durchlassbandes der CCD-Kamera-Anordnung 36 bereitzustellen. Die kurze Hohlraumlänge gewährleistet, dass der Laser in einer einzelnen Längsmode ohne Interferenz arbeitet und einen gleichmäßigen Referenzstrahl bereitstellt. Die Struktur bzw. der Aufbau und der Betrieb der Bipolar-Halbleiterdiodenlaser ist gut bekannt im Stand der Technik und wird von vielen kommerziellen Halbleiter-Komponentenlieferanten hergestellt.
Der Fachmann wird erkennen, dass das Maß an thermischer und optischer Energie, die in dem Multi-Strahl 28 enthalten ist, anwendungsspezifisch ist und vom Fachmann festgelegt werden kann, um die Bedürfnisse einer vorgegebenen Anwendung zu erfüllen. Anders als bei herkömmlichen Hohlraumquellen kann die von dem Justierachsen-Referenz-Multistrahl 28 erzeugte Energie leicht erhöht oder reduziert werden, ohne kostenträchtige Neuentwürfe des Systems 10 vorzunehmen. Bei früheren Sensorsätzen und Ausrichtungssystemen war die Justierachsen-Multiquelle eine Hohlraumquelle, die relativ ineffizient war und einen relativ dunklen ungleichmäßigen Strahl lieferte.
3 ist ein Diagramm eines zweiten Sensorsatzes 70, der die Multi-Quelle 12 in 1 verwendet und entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Die Multi-Quelle 12 ist auf einer inneren Aufhängung 78 vorgesehen und mit den Sensoren verbunden, die auf einer äußeren Roll-Aufhängung 74 ange ordnet sind. Der Sensorsatz 70 ist eine Verbesserung eines analogen Sensorsatzes, der im US-Patent Nr. 6,020,955 mit dem Titel SYSTEM FOR PSEUDO ON-GIMBAL, AUTOMATIC LINS-OF-SIGHT ALIGNMENT AND STABILIZATION OF OFF-GIMBAL ELECTRO-OPTICAL PASSIVE AND ACTIVE SENSORS, das der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung gehört, beschrieben ist, wobei das US-Patent hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Der Sensorsatz der zuvor genannten Patentanmeldung benötigt mehrere Diodenlaser-Referenzquellen. Der Sensorsatz 70 der vorliegenden Erfindung beseitigt mehrere Referenzquellen zu Gunsten der einzelnen Justierachsen-Multiquelle 12. Der Einsatz der effizienten Justierachsen-Multiquelle 12 für das Justieren der Justierachse ermöglicht einen vereinfachten optischen Pfad und ein kontinuierliches direktes Justieren der zwei Abbildungssensoren 88 und 92.
Der Sensorsatz 70 wird auf der äußeren Roll-Aufhängung 74 und einer Achterngehäusestruktur 76 angebracht. Das afokale Teleskop 14, die Justierachsen-Multiquelle 12 und der erste Strahlteiler 20 sind auf einer inneren Gier-Aufhängung 78 angebracht, die an einer Zwischen-Nick-Aufhängung 80 angebracht ist, die an einer Roll-Aufhängung 74 angebracht ist. Der erste Spiegel 16 ist an der Nick-Aufhängung 80 abseits der Gier-Aufhängung 78 angebracht. Der zweite Spiegel 56, der zweite Strahlteiler 54, ein dritter Strahlteiler 82, der betätigte Ausrichtungsspiegel 84, ein Servoausrichtungsprozessor 86, ein CCD-Empfänger 88, ein Videoprozessor 90 und ein Infrarotempfänger 92 sind direkt auf der Roll-Aufhängung 74 angebracht. Das Achterngehäuse 76 ist benachbart der Roll-Aufhängung 74. Ein vierter Strahlteiler 46, ein Laser Justierachsen-Empfänger 94 und der Laser-Sender/Empfänger 58 sind auf dem Achterngehäusaufbau bzw. -struktur 76 angebracht.
Im Betrieb wird die effiziente Justierachsen-Multiquelle 12 physisch relativ zu der optischen Achse des afokalen Teleskops 14 über im Stand der Technik bekannte Verfahren ausgerichtet. Die relative Ausrichtung wird aufrechterhalten, da die Justierachsen-Multiquelle 12 und das afokale Teleskop 14 auf der gleichen inneren Aufhängung 78 angebracht sind. In gleicher Weise wird der erste multispektrale Strahlteiler 20 physisch mit Bezug auf die optische Achse des afokalen Teleskops 14 über im Stand der Technik bekannte Ausrichtungsverfahren ausgerichtet. Die Justierachsen-Multiquelle 12 strahlt einen gleichmäßigen multispektralen Referenzstrahl (Multi-Strahl) 98 in einem Winkel aus, dass er bei der Reflexion an dem ersten Strahlteiler 20 ausgerichtet ist zu der optischen Achse des afokalen Teleskops 14.
Der Multi-Strahler 98 enthält eine Infrarotkomponente 100, eine sichtbare Komponente 102 und eine optische Komponente 104 innerhalb der Durchlassbänder des Infrarotempfängers 92, des CCD-Empfängers 88 des Laser Justierachsen-Empfängers 94. Die optische Komponente 104 kann bei einer nahen infraroten Wellenlänge liegen, die zwischen der Infrarotkomponente 100 und der sichtbaren Komponente 102 liegt. Der Multi-Strahler 98 wird am ersten Spiegel 16 und dem zweiten Spiegel 56 zu dem zweiten Strahlteiler 54 in einem Pfad reflektiert, der mit dem Pfad der thermischen Energie 26 und der sichtbaren Energie 34 übereinstimmt, die von der Szene 18 kommt. Der zweite Strahlteiler 54 sendet die Infrarotkomponente 100 des Multi-Strahlers 98 zum Infrarotempfänger 92. Die Infrarotkomponente 100 erzeugt einen Referenzpunkt auf der Oberfläche des Infrarotempfängers 92 entsprechend der gewünschten Zielpunktposition innerhalb des Infrarotbildes, das von dem Infrarotempfänger 92 durch die Infrarotenergie 26 von der Szene 18 gebildet wird.
Der zweite multispektrale Strahlteiler 54 reflektiert die sichtbare Referenzstrahl-Komponente 102 und die optische Referenzstrahl-Komponente 104 zu dem dritten Strahlteiler 82. Der dritte Strahlteiler 82 reflektiert die sichtbare Referenzstrahl-Komponente 102 zu dem CCD-Empfänger 88, um dadurch einen Referenzpunkt auf der Brennebene des CCD-Empfängers 88 zu erzeugen. Der Referenzpunkt fällt mit der gewünschten Zielpunktposition innerhalb des sichtbaren Bildes zusammen, das von dem CCD-Empfänger 88 durch die sichtbare Energie 34 von der Szene 18 gebildet wird.
Der Videoprozessor 90 betreibt Software- und/oder Hardware-Algorithmen, die im Stand der Technik bekannt sind, um die Zielmarkierungs-Zielpunktposition innerhalb des infraroten und des sichtbaren Bildes von dem Infrarotempfänger 92 und dem CCD-Empfänger 88 auf ihre jeweiligen Referenzpunkte auszurichten. Der Videoprozessor 90 kann dann ein ausgerichtetes Videoausgangssignal zu einem Monitor, einem automatischen Zünd- bzw. Abfeuerungs-Steuerungssystem, einem chemischen Analysesystem usw. (nicht gezeigt) senden.
Der dritte Strahlteiler 82 sendet die optische Referenzstrahl-Komponente 104 zu dem betätigten Ausrichtungsspiegel 84, der die Strahl-Komponente 104 zu dem vierten Strahlteiler 96 reflektiert, der die Strahl-Komponente 104 zu dem Laser-Justierachsen-Empfänger 94 reflektiert. Die optische Referenzstrahl-Komponente 104 erzeugt einen Referenzpunkt auf der Detektorfläche (nicht gezeigt) des Laser Justierachsen-Empfängers 94. Die Detektorfläche des Laser-Justierachsen-Empfängers 94 kann ein zweidimensionales Fotodetektorarray, ein vierzelliges Detektorarray oder ein Fotogefäß sein, das auf die Wellenlänge der optischen Referenzstrahl-Komponente 104 reagiert.
Der Laser Justierachsen-Empfänger 94 ist fest an der gleichen Achterngehäusestruktur 76 wie der Laser-Sender/Empfänger 58 und der vierte Strahlteiler 96 angebracht. Der Laser-Sender/Empfängerstrahl 60 wird physisch zu der optischen Achse des Laser-Justierachsen-Empfängers 94 durch einen Ausrichtvorgang in der Fabrik justiert, indem die Winkelposition (Kippen/Neigen) des vierten Strahlteilers 96 manuell eingestellt wird. Wenn die optische Referenzstrahl-Komponente 104 zu dem Entfernungsmess- oder Ziellaserstrahl 60 fehlausgerichtet wird, bewegt sich der Referenzpunkt von einem vorbestimmten gewünschten Ort auf der Fläche des Laser-Justierachsen-Empfängers 94 weg. Der Unterschied zwischen dem Ort des Referenzpunkts auf der Fläche des Laser Justierachsen-Empfängers 94 und dem gewünschten Ort des Referenzpunkts stellt einen Ausrichtungsfehler dar. Dieser Fehler wird codiert als ein Fehlersignal über Hardware oder Software (nicht gezeigt), die mit dem Justierachsen-Empfänger 94 verknüpft ist. Das Fehlersignal wird an den Autoausrichtungs-Servoprozessor 86 geleitet.
Der Autoausrichtungs-Servoprozessor 86 betreibt die Steuerungs-Algorithmen, die ein Fachmann mit Zugriff auf die vorliegenden Lehren entwickeln kann, um die Steuerungssignale zu erzeugen, um den Winkel des betätigten Ausrichtungsspiegels 84 einzustellen, um den Fehler zu beseitigen. Dies richtet den Sender-Laserstrahl 60 zu der zweiten optischen Referenzstrahl-Komponente 104 aus. Folglich wird der Sender-Laserstrahl 60 zu dem multispektralen Referenzquellenstrahl 98 ausgerichtet, der mit der optischen Achse des afokalen Teleskops 14 ausgerichtet ist. Deshalb wird der Sender-Laserstrahl 60 zu der optischen Achse des afokalen Teleskops 14 ausgerichtet, zu der alle anderen Sensoren ausgerichtet sind.
4 ist ein Diagramm eines dritten Sensorsatzes 110, der entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und der eine Multi-Quelle 112 verwendet, die einen multispektralen Referenzstrahl (Multi-Strahl) 116 für eine kontinuierliche automatische direkte Achsenjustierung des IR-Empfängers 92 sendet und für eine kontinuierliche Breitband-Autoausrichtung über den Autoausrichtungs-Empfänger 114. Eine kontinuierliche direkte Achsjustierung des IR-Empfängers 92 beseitigt die Langzeit-Fehlausrichtungsfehler, die durch ein Wandern der Befestigungsschnittstelle, eine unterschiedliche thermische Ausdehnung und plastische Deformation der Strukturen hervorgerufen werden. Da die Reaktions- bzw. Antwortzeit für eine direkte Achsjustierung durch die geringe Sensorbilderrate und die Videoprozessorlatenz begrenzt ist, müssen häufig gewisse verbleibende Hochfrequenzfehler korrigiert werden. Jeder verbleibende Hochfrequenz-Dynamikfehler, wie bspw. Fehler, die mit struktureller Nachgiebigkeit unter Schock- und Vibrationslasten verknüpft sind, werden über kontinuierliche Autoausrichtung über einen Hochgeschwindigkeits-Echtzeit-Autoausrichtungsempfänger 114 mit hohem Durchsatz und einem Autoausrichtungs-Servoprozessor 86 korrigiert.
Der dritte Sensorsatz 110 umfasst die Gier-Aufhängung 78, die auf der Nick-Aufhängung 80 angebracht ist, die auf der Roll-Aufhängung 74 angebracht ist. Das afokale Teleskop 14, der erste Strahlteiler 20, die Multi-Quelle 112 und der erste Spiegel 16 sind auf der Gier-Aufhängung 78 und der Nick-Aufhängung 80 in einer gleichen Ausrichtung wie die entsprechenden Komponenten 14, 20, 12 bzw. 16 von 2 angebracht. Der betätigte Ausrichtungsspiegel 84, der Autoausrichtungs-Servoprozessor 86 der Infrarotempfänger 92, der Videoprozessor 90, der dritte Strahl teiler 54 und ein Autoausrichtungs-Empfänger 114 sind auf der Roll-Aufhängung 74 weg von der inneren und der äußeren Aufhängung 78 bzw. 80 angebracht. Der Autoausrichtungs-Servoprozessor 86 ist mit dem Autoausrichtungs-Empfänger 114 und mit dem betätigten Ausrichtungsspiegel 84 verbunden. Der Winkel des betätigten Ausrichtungsspiegels 84 ist über Steuerungssignale steuerbar, die von dem Autoausrichtungs-Servoprozessor 86 empfangen werden.
Im Betrieb enthält der Multi-Strahl 116 eine Infrarotkomponente 100 und eine optische Komponente 104' innerhalb der Durchlassbänder des Infrarotempfängers 92 bzw. des Autoausrichtungs-Empfängers 114. Die optische Komponente 104' kann in einem nahen Infrarot-Wellenlängenbereich liegen.
Der Multi-Strahl 116 reflektiert an dem ersten Strahlteiler 20 in eine Richtung, die mit der optischen Achse des afokalen Teleskops 14 zusammenfällt. Die optische Achse des afokalen Teleskops 14 fällt mit der Infrarotenergie 26 zusammen, die von der Szene 18 kommt. Der reflektierte Multi-Strahl 116 reflektiert dann an dem ersten Spiegel 16 auf der Nick-Aufhängung 80 zu dem betätigten Ausrichtungsspiegel 84. Der Multi-Strahl 116 reflektiert dann an dem betätigten Ausrichtungsspiegel 84 zu dem zweiten Strahlteiler 54. Der zweite Strahlteiler 54 sendet die Infrarotkomponente 100 des Multi-Strahls 116 zu dem Infrarotempfänger 92 zusammen mit der Infrarotenergie 26, die von der Szene 18 stammt. Die Infrarotkomponente 100 erzeugt einen Referenzpunkt auf der Brennebene des Infrarotempfängers 92, der der gewünschten Zielpunktposition innerhalb des Infrarotbildes entspricht. Der Videoprozessor 90 betreibt Software- und/oder Hardware-Algorithmen zur Ausrichtung der Zielmarken-Zielpunktposition innerhalb des Infrarotbildes von dem Infrarotempfänger 92 auf den Referenzpunkt, um damit eine kontinuierliche automatische direkte Achsjustierung des IR-Empfängers 92 auf die optische Achse des afokalen Teleskops 14 herbeizuführen.
Der zweite Strahlteiler 54 reflektiert die optische Komponente 104' des Multi-Strahls 116 zu dem Autoausrichtungs-Empfänger 114, um dadurch einen Referenzpunkt auf der Fläche des Autoausrichtungs-Empfängers 114 zu erzeugen. Der Unter schied zwischen dem Ort des Referenzpunktes auf der Fläche des Autoausrichtungs-Empfängers 114 und dem bevorzugten Ort des Referenzpunktes entspricht einem Ausrichtungsfehler. Der Ausrichtungsfehler wird in ein Fehlersignal konvertiert, das zu dem Autoausrichtungs-Servoprozessor 86 gesendet wird. Der Autoausrichtungs-Servoprozessor 86 erzeugt dann Spiegelauslenkungs-Steuerungssignale. Die Spiegelauslenkungs-Steuerungssignale werden zu dem betätigten Ausrichtungsspiegel 84 gesendet und steuern den Winkel des betätigten Ausrichtungsspiegels 84, um das Fehlersignal auszulöschen und damit eine kontinuierliche Breitband-Autoausrichtung des IR-Empfängers 92 auf die optische Achse des afokalen Teleskops 14 herbeizuführen.
Systeme und Verfahren zum Umsetzen von Steuerungs- bzw. Regelungsschleifen zum Auslöschen von Fehlersignalen sind im Stand der Technik gut bekannt. Folglich kann ein Fachmann mit Zugang zu den vorliegenden Lehren leicht die notwendigen Steuerungs- bzw. Regel-Algorithmen implementieren, die auf dem Autoausrichtungs-Servoprozessor 86 ablaufen sollen, ohne übermäßiges Experimentieren.
Die Multi-Quelle 112 ist für den dritten Sensorsatz 70 optimiert und umfasst zwei emittierende Aufbauten, die auf einem gemeinsamen Substrat implementiert sind, wie nachfolgend deutlicher diskutiert werden wird. Der erste emittierende Aufbau kann ein QCL mit mehreren Laseremittern sein, und der zweite emittierende Aufbau kann ein herkömm1icher Bipolar-Diodenlaser sein, der auf einem gemeinsamen Substrat implementiert ist, wie nachfolgend vollständiger diskutiert werden wird. Der erste emittierende QCL-Aufbau kann entweder eine einzelne Wellenlänge oder mehrere Wellenlängen bereitstellen, die einem Teil des Durchlassbandes des Infrarotempfängers 92 entsprechen. Der herkömmliche Bipolar-Diodenlaser kann eine Wellenlänge bereitstellen, die außerhalb des Durchlassbandes des Abbildungssensors 92 ist, aber innerhalb des Durchlassbandes des getrennten Autoausrichtungs-Empfängers 114, der fest an der optischen Bank (nicht gezeigt) des zugehörigen Abbildungssensors 92 angebracht ist. Die gemeinsame Justierachsenquelle 112, die so konfiguriert ist, ermöglicht ein periodisches absolutes Justieren des Zielpunkts des Abbildungssensors 92. Eine kontinuierliche Breitband-Autoausrichtung des Sensors 92 mit der Justierachsen-Referenzsichtlinie wird über den getrennten Autoausrichtungs-Empfänger 114 erreicht.
5 ist ein Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform des ersten emittierenden Aufbaus 182 von 1. Ein Fachmann wird erkennen, dass der emittierende Aufbau 182 für den zweiten emittierenden Aufbau 186 von 1 verwendet werden kann, ohne den Umfang und den Geist der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Der erste emittierende Aufbau 182 umfasst mehrere QCL-Emitter 120–124 in einem gemeinsamen Wellenleiterhohlraum. Die QCL-Emitter 120, 122 und 124 sind nicht-identische mehrlagige Wiederholeinheiten.
Mehrere QCL-Wiederholungseinheiten (Emitter) innerhalb eines gemeinsamen Wellenleitergebiets werden allgemein bevorzugt aufgrund des niedrigen Ausgangssignals jeder Wiederholeinheit. Der Aufbau und die Theorie des Betriebs einer QCL-Wiederholungseinheit ist in dem US-Patent Nr. 6,023,482 offenbart, das den Titel trägt ARTICLE COMPRISING A STRAIN-COMPENSATED QC LASER, das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Zusätzliche Referenzen umfassen bspw. US-Patent Nr. 5,457,709 , 5,509,025 und 5,570,386 ; J. Faist et al., Applied Physics Letters, Vol. 68, Seiten 3680–3682 (1996); F. Capasso et al., IEEE Journal an Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, Nr. 6, Seiten 931–947 (2000); und C. Gmachl et al., IEEE Journal an Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 5, Nr. 3, Seiten 808–816 (1999), die alle durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Der emittierende Aufbau 182 ist ein unipolarer Halbleiteraufbau mit Überzugschichten 128, 130 auf jeder Seite eines Kerngebiets mit höherem Brechungsindex, so dass dadurch ein optischer Wellenleiter gebildet wird. Die Überzugschichten 128, 130 können für eine anomale Dispersion entworfen sein, wodurch die Laserfrequenz nahe der Plasmafrequenz der Überzugschicht ist, was vorteilhafterweise einen Bre chungsindex nahe dem Einheitswert für eine gute Wellenleiterbegrenzung und eine niedrige optische Absorption liefert. Das Kerngebiet umfasst zwei oder mehr Wiederholeinheiten 120–124. Jede Wiederholeinheit umfasst typischerweise ein aktives Gebiet, in dem ein Zwischenminibandübergang bei der Lasererzeugung auftritt, und ein benachbartes Relaxations- oder Träger-Injektionsgebiet, das den Trägertransport von dem Zustand niedriger Energie eines aktiven Gebiets zu einem Zustand höherer Energie des nächsten aktiven Gebiets erleichtert. Ein einzelner Träger, der den QCL emittierenden Aufbau 182 durchläuft, nimmt deshalb an mehreren Laserprozessen teil, so dass ein Photon in jedem aufeinanderfolgenden aktiven Gebiet emittiert wird. Die Zwischenteilbandübergänge erleichtern die Verwendung von Materialien mit einem breiten Energieabstand zur Infrarotemission ohne intrinsische Energieabstandsabhängige Verluste aus Vorgängen, wie bspw. die Auger-Rekombination oder die thermisch induzierte Freiträgerabsorption. Die Emissionswellenlänge wird bestimmt durch die Zusammensetzung der Supergitter-Struktur und der Dicke der Quanten-Tröge innerhalb des aktiven Gebiets entsprechend den bekannten Designprinzipien.
Eine oder mehrere der Wiederholeinheiten 120–124 innerhalb des erfinderischen emittierenden Aufbaus 182 ist mit einer unterschiedlichen Übergitter-Zusammensetzung und/oder einer unterschiedlichen Quanten-Trog-Dicke (engl. quantum well) ausgebildet, so dass die Emissionswellenlänge unterschiedlich ist von der/den anderen Wiederholeinheit(en). Die Auswahl der Übergitter-Zusammensetzung sowie der abwechselnden Sperrschicht und Quanten-Trog-Schichtdicke muss so sein, dass sich die Spannungen zwischen den abwechselnden Schichten mit unterschiedlichen Gitter-Konstanten sich im Wesentlichen über die Wiederholeinheit auslöschen. Die Schichtdicke muss auch geringer als die kritische Dicke für Spannungs-induzierte Defektbildung sein.
Der exemplarische QCL emittierende Aufbau 182 von 5 umfasst eine erste Wiederholeinheit 120, eine zweite Wiederholeinheit 122 und eine dritte Wiederholeinheit 124. Die Übergitter-Zusammensetzung und/oder die Quanten-Trog-Dicke innerhalb der jeweiligen aktiven Gebiete variieren durch präzise Herstellungstechni ken, wie bspw. die molekulare Strahlepitaxie (MBE), die im Stand der Technik gut bekannt sind, um einen Teil elektromagnetischer Energie 116 mit unterschiedlichen Wellenlängen-Komponenten λ₁, λ₂, und λ₃ zu erzeugen. Der Wellenlängenunterschied, der so erzeugt wird, reicht hinsichtlich der Größe aus, um Interferenzflecken zu mitteln und dadurch einen gleichmäßigen Teil elektromagnetischer Strahlung 116 des Multi-Strahls zu erhalten. Die Wiederholeinheiten 120–124 sind kaskadiert und liegen zwischen gemeinsamen Wellenleiter-Überzugsschichten 128, 130, um eine planare Begrenzung der räumlich überlappenden Hohlraummoden entsprechend den unterschiedlichen Wellenlängen-Komponenten λ₁, λ₂, und λ₃ zu gewährleisten.
Mit Bezug auf die 1 und 5 ist das QCL emittierende Gebiet 182 wie in 1 gezeigt mit Bezug auf die anderen Multi-Quellen 12 Aufbauten angeordnet. Die Energiequelle 134 von 1 liefert eine passende Spannung und Polarität, um den QCL emittierenden Aufbau 182 vorzuspannen. Wärme, die beim Laser- und Transportprozess erzeugt wird, wird über die Quelle 12 von dem QCL emittierenden Aufbau 182 zu der Wärmesenke 118 geleitet. Ein Kontroller 138 regelt selektiv die Energiequelle 134, bspw. durch Ein- und Ausschalten der Energiequelle 134 zu vorbestimmten Zeitpunkten, oder in Antwort auf ein zusätzliches Eingangssignal (nicht gezeigt), bspw. einem Ein-/Ausschalter. Die QCL 112 kann in unterschiedlichen Modi betrieben werden, wie bspw. einem kontinuierlichen Modus oder einem gepulsten Modus, was durch den Kontroller 138 festgelegt wird, der die Energiequelle 134 entsprechend dem Betriebsmodus des QCL 112 selektiv steuert.
Die genaue Auswahl der mittleren Wellenlängen λ₁, λ₂, und λ₃ ist anwendungsspezifisch und kann von einem Fachmann bestimmt werden, um die Bedürfnisse einer vorgegebenen Anwendung zu befriedigen. Bei der vorliegenden spezifischen Ausführungsform sind die Wellenlängen λ₁, λ₂, und λ₃ so ausgewählt, dass, wenn sie mit den Kombinieroptiken 148 von 1 kombiniert werden, sich die Interferenz-Phänomene mitteln, die ansonsten einen räumlich und zeitlich nicht gleichmäßigen Quellen-Strahl verursachen würden, so dass ein gleichmäßiger Quellen-Strahl 116 erhalten wird. Es sei angemerkt, dass die QCL-Wiederholungseinheiten 120–124 einen gemeinsamen Wellenleiterhohlraum teilen, und dass deshalb die Laserstrahlung nicht aus den einzelnen Schichten austritt, sondern das gesamte Gebiet zwischen den Überzugsschichten 128 und 130 füllt.
Für eine beispielhafte mittlere Infrarot-QCW-Wiederholeinheit, die mit einer Wellenlänge von 3 Mikrometern arbeitet, können die Übergitter-Schichten sich zwischen InGaAs-Quanten-Trögen und InAlAs-Sperrschichten abwechseln, die über MBE auf ein InP-Substrat aufgewachst werden, das ebenfalls als Überzugsschicht dienen kann. Das Übergitter ist gitterangepasst an das Substrat. Bestimmte Schichten können mit Si dotiert sein. Die Schichtdicke kann zwischen 1 und 5 Nanometern entsprechend den spezifischen Designregeln variieren, wie bspw. in US-Patent Nr. 6,023,482 gelehrt wird, das zuvor in Bezug genommen wurde. QCL-Aufbauten, die andere III–V Halbleitermaterialsysteme verwenden, wurden ebenfalls berichtet. Beispielsweise ist eine hochzuverlässige verlustarme QCL-Konfiguration, die auf einem AlGaAs/GaAs-Materialsystem basiert, von C. Sitori, et al., „Low-Loss Al-free Waveguides for Unipolar Semiconductor Lasers", in Applied Physics Letters, Vol. 75, Nr. 25, Seiten 3911–3913, Dezember 1999 beschrieben. Ebenfalls investiert Lucent Technologies momentan in QCL-Konfigurationen basierend auf dem AlGaN/GaN-Materialsystem für einen nahen infraroten Betrieb bei 1,5 Mikrometern. Es ist festzustellen, dass die QCL-Aufbauten basierend auf anderen Halbleitermaterialsystemen verwendet werden können, ohne den Geist und Umfang dieser Erfindung zu verlassen.
Die Verwendung von QCL-Wiederholungseinheiten 120–124 bei einer ausreichenden unterschiedlichen Übergitter-Zusammensetzungs- und/oder -Schichtdicke gewährleistet, dass die ausgestrahlten Lasermoden unterschiedliche Wellenlängen haben, was eine gute räumliche und zeitliche Interferenzmittelung erleichtert, ohne unabhängige isolierte Laserhohlräume zu haben. Das Design des emittierenden Aufbaus 182 liefert eine spektrale Diversität, die durch den Umstand erleichtert wird, dass die Übergitter-Zusammensetzung und die Schichtdicke der Wiederholungseinheiten 120–124 präzise gesteuert werden kann. Ferner können die mittleren Wellen längen λ₁, λ₂, und λ₃ benachbarter Wiederholungseinheiten 120–124 ausreichend getrennt werden, um ein Überlappen der Laserverstärkungskurven zu verhindern, was gewährleistet, dass die Lasermoden innerhalb des gemeinsamen Hohlraums ungekoppelt bleiben.
QCLs, wie sie zuvor beschrieben werden, sind Halbleiter-Vorrichtungen die einen breiten Bandabstand bei Raumtemperatur haben und die einen extrem breiten Wellenlängenbereich zwischen 3,5 und 24 Mikrometern abdecken mit der Möglichkeit eines Betriebs bei kürzeren und längeren Wellenlängen. Die Herstellung von QCLs mit mehreren Wiederholeinheiten erhöht den fotonen Ertrag pro Träger und macht deshalb einen höheren Leistungsausgang aus einem einzelnen emittierenden Aufbau möglich. QCLs wurden mit mindestens 75 Wiederholeinheiten offenbart, wobei 25 typisch sind und die gemittelte Ausgangsleitung im Bereich von 1 Watt erreicht wurde. Die verfügbaren Halbleitermaterialsysteme, die zur Herstellung von QCLs verwendet werden, sind ausgereifter als die Leit-Salze und andere Systeme, die herkömmliche Laserdiodenquellen benötigen, die im mittleren Infrarotbereich arbeiten, und die eine Kühlung auf niedrige Temperatur erfordern, um effizient zu funktionieren. Die hohe Arbeitstemperatur von QCLs ermöglicht einen wirksamen Betrieb bei Raumtemperatur und macht die Notwendigkeit nach teuren cryogenischen Kühlern unnötig.
Der QCL emittierende Aufbau 182 der vorliegenden Erfindung kann elektromagnetische Energie mit mehreren Wellenlängen innerhalb des Durchlassbandes eines Sensors emittieren, indem die Übergitter-Zusammensetzung und die Quanten-Trog-Schichtdicke innerhalb jeder Wiederholeinheit 120–124 variiert wird. Eine erfolgreiche Demonstration heterogener Kaskaden, bei denen unterschiedliche QCL-Wiederholeinheiten optimiert wurden, um bei unterschiedlichen Infrarotwellenlängen für unterschiedliche Absorptions-LIDAR und andere Anwendungen zu arbeiten, wurde von Lucent Technologies berichtet, siehe C. Gmachl et al., Optics & Photonics News, Seite 24 (Dezember 2001). Ein solcher Aufbau benutzte eine heterogene Kascade, die zwei Teilstapel umfasst und gleichzeitig bei 5,2 und 8,0 Mikrometern bei geringer Temperaturleistung ausstrahlt, die mit der Leistung der individuellen homo genen Stapellaser verglichen wurde, siehe C. Gmachl et al., Applied Physics Letters, Vol. 79, Nr. 5, Seiten 572–574 (2001). Ein anderer Aufbau, benutzte eine heterogene Kaskade, bei der die Wiederholeinheitsschichten sich abwechseln zwischen zwei nicht-identischen Konfigurationen in einer kammartigen Anordnung. Nach bestem Wissen gibt es keinen Stand der Technik, der lehrt oder vorschlägt, eine QCL mit nicht-identischen Wiederholeinheiten vorzusehen, die aufgebaut sind, um die zeitliche und räumliche Gleichmäßigkeit der Quelle zu gewährleisten.
Allgemein sind Materialien und Verfahren, die zum Aufbau von QCLs verwendet werden, im Stand der Technik bekannt. Folglich wird der Fachmann, der Zugriff zu den vorliegenden Lehren und den Referenzen zum Stand der Technik hat, die Multi-Quelle beim QCL emittierenden Aufbau 182 ohne übermäßiges Experimentieren konstruieren.
6 ist ein Diagramm einer ersten alternativen Ausführungsform 182' des ersten emittierenden Aufbaus 182 der Multi-Quelle 12 von 1. Der Fachmann wird erkennen, dass der emittierende Aufbau 182' als der zweite emittierende Aufbau 186 von 1 verwendet werden kann, ohne den Rahmen und den Geist der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Der emittierende Aufbau 182' von 6 umfasst mehrere identische QCL-Kerngebiete 140–144, die aber bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten. Die identischen Kerngebiete 140–144 erzeugen infrarote Strahlung 116 innerhalb eines schmalen Wellenbandes, das einem Teil des Durchlassbandes eines Sensors (siehe 22 und 36 von 2) innerhalb des Sensorsatzes (siehe 10 von 2) entspricht.
Der emittierende Aufbau 182' ist ein unipolarer Halbleiteraufbau mit Überzugsschichten 128, 129 und 130 auf jeder Seite der zwei oder mehr Kerngebieten 140–144 mit einem höheren Brechungsindex, so dass dadurch optische Wellenleiter innerhalb der Kerngebiete 140–144 gebildet werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform umfasst jedes Kerngebiet 140–144 eine oder mehrere Wiederholeinheiten (nicht gezeigt), wie mit Bezug auf 5 zuvor beschrieben wurde (siehe Wiederhol einheiten 120–124 von 5). Ein Temperaturgradient senkrecht zu den ebenen Schichten des Halbleiteraufbaus 182' wird erzeugt, so dass die Kerngebiete 140–144 bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten. Das erste Kerngebiet 140 arbeitet bei einer Temperatur T₁. Das zweite Kerngebiet 142 arbeitet bei einer Temperatur T₂. Und das dritte Kerngebiet 144 arbeitet bei einer Temperatur T₃. Der Temperaturgradient kann vergrößert werden, indem der Widerstand und/oder die Dicke der Überzugsschichten 128–130 erhöht wird, um die Temperaturdifferenz über jede Schicht zu erhöhen. Der Temperaturgradient kann ebenfalls erhöht werden, indem zusätzliche Wärme- und/oder thermische Isolierschichten (nicht gezeigt) zwischen den Kerngebieten 128–130 hinzugefügt werden, ohne das optimale Design der Überzugsschichten zu verändern. Das kann wünschenswert sein, um die Gesamtdicke der emittierenden Struktur 182' zu minimieren und den geringen Brechungsindex der Überzugsschichten 128–130 für eine gute Modeneingrenzung zu halten.
Ein Temperaturgradient senkrecht zu den planaren Schichten 128, 140, 129, 142, 144 und 130 des Halbleiteraufbaus 182' verursacht eine Änderung sowohl der physischen Länge des Laserhohlraums als auch des Brechungsindex des Halbleitermaterials, das die Kerngebiete 140–144 aufweist, so dass sich dadurch die optische Pfadlänge innerhalb des aktiven Mediums zwischen den gespaltenen reflektiven Endflächen der Kerngebiete 140–144 ändert. Diese Änderung der optischen Pfadlänge führt zu einer Änderung der Hohlraummodenwellenlänge (λ₁, λ₂, und λ₃) entsprechend den Ingenieursprinzipien, die im Stand der Technik bekannt sind und bspw. in W. Koechner, Solid-State Laser Engineering, Second Edition, Springer-Verlag, Berlin, Seiten 203–215 (1988) beschrieben sind.
Der Wellenlängenunterschied, der so erzeugt wird, ist von ausreichender Größe, um die Interferenzflecken zu mitteln, die zu einem gleichmäßigen Teil elektromagnetischer Strahlung 116 des Multistrahls führt. Die Kerngebiete 140–144 sind kaskadiert und liegen zwischen den Wellenleiter-Überzugsschichten 128–130, um eine planare Eingrenzung der räumlich überlappenden Hohlraummoden entspre chend den Wiederholeinheiten innerhalb jedes Kerngebiets 140–144 zu gewährleisten.
Das QCL emittierende Gebiet 182' ist wie in 1 gezeigt mit Bezug auf die anderen Aufbauten 181, 186 und 118 der Multi-Quelle 12 angeordnet (siehe 182 von 1). Die Energiequelle 134 von 1 liefert eine passende Spannung und Polarität, um den QCL emittierenden Aufbau 182' vorzuspannen. Wärme, die beim Laser- und Transportvorgang erzeugt wird, sowie jede Hitze, die über zusätzliche Wärmeaufbauten (nicht gezeigt) eingebracht wird, wird über den Halbleiteraufbau von dem QCL emittierenden Aufbau 182' zu der Wärmesenke 118 geleitet. Ein Kontroller 138 regelt selektiv die Energiequelle 134, wie bspw. durch Ein- und Ausschalten der Energiequelle 134 zu bestimmten Zeitpunkten oder in Antwort auf zusätzliche Eingänge (nicht gezeigt), wie bspw. einem Ein-/Ausschalter. Der QCL emittierende Aufbau 182' kann in unterschiedlichen Modi betrieben werden, wie bspw. einem kontinuierlichen Modus oder einem gepulsten Modus, was über den Kontroller 138 festgelegt wird, der selektiv die Energiequelle 134 entsprechend dem Betriebsmodus des QCL emittierenden Aufbaus 182' steuert. Die Energiequelle 134 kann mit einem Widerstandwärmekontakt 136 verbunden sein, der den Halbleiteraufbau erhitzt und den Temperaturgradienten über den QCL emittierenden Aufbau 182' erhöht.
Der Fachmann wird erkennen, dass Widerstandwärmekontakte, zusätzliche Wärmeaufbauten und Isolierschichten beseitigt werden können, ohne den Geist und den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. In diesem Fall werden stattdessen die natürlichen thermischen Gradienten verwendet, die durch die räumlich verteilte Wärmeerzeugung innerhalb des Halbleitermaterials und die endliche thermische Leitfähigkeit des Halbleitermaterials verursacht werden. Die natürliche Wärmeerzeugung kann durch den Quanten-Defekt im Laserprozess stammen oder anderen inelastischen Streuungsprozessen innerhalb des QCL emittierenden Aufbaus 182'.
7 ist ein Diagramm einer zweiten alternativen Ausführungsform 182'' der ersten emittierenden Aufbauteile 182 der Multi-Quelle 12 von 1, die ebenfalls verwendet werden können, um den zweiten emittierenden Aufbau 186 zu implementieren. Der emittierende Aufbau 182'' umfasst eine oder mehrere identische QCL-Wiederholeinheiten 154, wobei die Laserhohlräume einen gemeinsamen verteilten Rückkopplungsbeugungsgitter-Hohlraumreflektor 156 teilen. Die Gitter-gekoppelten identischen Wiederholeinheiten 154 erzeugen Infrarotstrahlung 116' auf einer einzelnen Längsmode entsprechend einem Teil des Durchlassbandes eines Sensors innerhalb des Sensorsatzes (vgl. 2, 3 oder 4).
Der emittierende Aufbau 182'' ist ein unipolarer Halbleiteraufbau mit Überzugsschichten 152, 130 auf jeder Seite eines Kerngebiets (das die QCL-Wiederholeinheiten 154 aufweist) eines höheren Brechungsindex, um so einen optischen Wellenleiter darin auszubilden. Das Kerngebiet umfasst eine oder mehrere Wiederholeinheiten 154, wie in Bezug mit 5 zuvor beschrieben wurde. Das Kerngebiet wird entworfen, um den Temperaturgradienten zu minimieren im Gegensatz zu den Merkmalen der ersten alternativen Ausführungsform des ersten zuvor beschriebenen emittierenden Aufbaus 182', der zur Erhöhung des Temperaturgradienten entworfen wird.
Das verteilte Rückkopplungsbeugungsgitter 156 kann über chemische Ätzverfahren, die im Stand der Technik bekannt sind, in die obere Fläche der Überzugsschicht 152 hergestellt werden. Eine obere Schicht 150 mit unterschiedlichem Brechungsindex (anders als der der Überzugsschicht 152) kann aufgewachst oder abgeschieden werden auf der Überzugsschicht 152. Alternativ kann eine Metallisierungsschicht (nicht gezeigt) auf die Überzugsschicht 152 aufgebracht werden, um dadurch periodisch die Eigenschaft des optischen Wellenleitergebiets (mit den Schichten 154) entlang der Länge des Laserhohlraums zu verändern und dadurch die Rückkopplung über den Vorgang der Bragg-Streuung bereitzustellen. Die exakte Anzahl Position und Abmessung und Form der Gitter 152 sind anwendungsspezifisch und werden von einem Fachmann festgelegt, um die Bedürfnisse einer vorgegebenen Anwendung zu erfüllen. Die Verwendung von verteilten Rückkopplungsmerkmalen, wie bspw. den Bragg-Streuungssgittern, um die Wellenlänge der herkömmlichen Halbleiter Bipolar-Halbleiterdiodenlaser zu steuern, ist im Stand der Technik bekannt.
Der Aufbau und die Herstellung sowohl des Brechungsindex-gekoppelten als auch des Verstärkungs-gekoppelten verteilten Rückkopplungslasers sind in US-Patent Nr. 5,960,257 mit dem Titel METHOD DISTRIBUTED FEEDBACK SEMICONDUCTR LASER FOR FABRICATING, beschrieben, wobei das Patent hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Zwei alternative Aufbauten können benutzt werden, um die Verstärkungs-gekoppelten verteilten Feedback- bzw. Rückkopplungslaser zu implementieren. Bei einem Aufbau wird das Streuungsgitter 156 innerhalb des aktiven Gebiets (Schichten 154) hergestellt. Bei einem anderen Aufbau umfasst das Streuungsgitter 156 eine absorbierende Schicht. Die Periode des Gitters liegt in der Größenordnung der Oszillationswellenlänge innerhalb des Mediums und kann von einem Fachmann unter Einsatz bekannter Ingenieursprinzipien entworfen werden, um die gewünschte Oszillationswellenlänge zu erreichen. Der Aufbau eines QCL mit einem Bragg-Gitter, das innerhalb eines Eingrenzungsgebiets angeordnet ist, ist in US-Patent Nr. 6,023,482 offenbart, das zuvor erwähnt wurde.
Die Gitter 152 können die Erzeugung einer gut definierten einzelnen emittierten Wellenlänge erleichtern, die über die Temperatur einstellbar ist. Durch Maßschneidern der Zusammensetzung des Übergitters, der Dicke der Quanten-Tröge und der Periode der Zerstreuungsgitter 156 sind weite Bereiche innerhalb des mittleren infraroten und des langen infraroten Wellenbandes erreichbar. Die gleichzeitige Einzelmodenemission bei zwei oder mehreren unterschiedlichen Wellenlängen kann erreicht werden, indem heterogene Kaskaden in Verbindung mit zwei oder Mehrgittergebieten mit Gitterperioden verwendet werden, die für die unterschiedlichen Wellenlängen optimiert sind, wie von Lucent Technologies demonstriert und praktiziert.
Ein Betrieb mit einer einzigen Mode des QCL emittierenden Aufbaus 182'', indem verteilte Rückkopplungs-Bragg-Gitter 156 oder Mehrlinien-Inkohärenz der mehreren Wiederholeinheiten der QCL emittierenden Aufbauten 182 und 182' verwendet werden, wird die Fleck-bezogene Quellen-Ungleichförmigkeitsprobleme beseitigen, die normalerweise mit Justierachsenquellen verknüpft sind. Das schmalbandige Ausgangssignal in jedem Spektralband wird eine effizientere Kopplung des Lichts in die jeweiligen Sensoren ermöglichen (vgl. 22 und 36 von 2, 92, 88 und 94 von 3 und 92 und 114 von 4) mit den entsprechenden maßgeschneiderten Beschichtungen.
8 ist ein Diagramm einer alternativen Ausführungsform 186' des zweiten emittierenden Aufbaus 186 der Multi-Quelle 12 von 1. Der emittierende Aufbau 186' umfasst ein herkömmliches Bipolar-Halbleiter-Diodenlasergebiet 168. Die aktive Schicht 168 kann auf einer verspannten Struktur mit doppeltem Heterostrukturübergang und mehreren Quanten-Trögen implementiert sein, in der die Wellenlänge der abgegebenen Strahlung 188' hauptsächlich von der Bandabstandenergie des Halbleitermaterials abhängt, das verwendet wird. Das Maßschneidern der Wellenlänge erfordert deshalb die Auswahl eines Halbleitermaterialsystems mit der gewünschten Bandabstandsenergie. Phasendiagramme für eine große Vielzahl von III–V Halbleitermaterialsystemen sind leicht aus der Literatur erhältlich und ermöglichen es dem Fachmann, ein oder mehrere ausgereifte Materialsysteme auszuwählen, um einen breiten Bereich von Arbeitswellenlängen von etwa 0,6 bis 3 Mikrometern zu erreichen. Systeme mit längerer Wellenlänge erfordern einen Betrieb bei niedrigeren Temperaturen, um konkurrierende Prozesse zu unterdrücken, wie bspw. die Auger-Rekombination, wie zuvor erläutert wurde. Der Aufbau kann Verstärkungs-geführte und/oder Index-geführte Streifengeometrien aufweisen, um die Ladungsträger bzw. das Laserlicht seitlich zu begrenzen, um die Effizienz zu verbessern und einen schmalen Strahl zu erzeugen, was für spezifische Referenzquellenanwendungen gewünscht ist. Die aktive Schicht 168 liegt zwischen den Wellenleite-Überzugsschichten 166, 170, um eine planare Eingrenzung des Laserlichts zu gewährleisten. Der Aufbau wird hergestellt, indem herkömmliche Halbleiteraufwachsprozesse, wie bspw. MBE, und herkömmliche Lithographietechniken, die im Stand der Technik bekannt sind, eingesetzt werden.
Die Halbleitermaterialsysteme, die typischerweise zur Herstellung herkömmlicher Bipolar-Halbleiter-Diodenlaser verwendet werden, sind die gleichen wie jene, die zur Herstellung von QCLs benutzt werden, und beide basieren auf Gitteranpassungen an die Substrate, wie InP, GaAs und GaN. Es ist deshalb festzustellen, dass eine breite Vielzahl von kompatiblen Hybrid-Bipolar- und QCL-Aufbauten benutzt werden können, um der Kombination von Wellenlängen in einer Multi-Quelle entsprechen den Lehren der vorliegenden Erfindung Rechnung zu tragen.

Claims

Effiziente Justierachsen-Referenzquelle (12), gekennzeichnet durch: einen ersten Mechanismus mit einem ersten Laser emittierenden Halbleiteraufbau (182) zum Übertragen eines ersten Teils elektromagnetischer Energie (184) innerhalb eines ersten Wellenbands; einen zweiten Mechanismus mit einem zweiten Laser emittierenden Halbleiteraufbau (186) zum Übertragen eines zweiten Teils elektromagnetischer Energie (188) innerhalb eines zweiten Wellenbands, das sich vom ersten Wellenband unterscheidet; und einen Mechanismus (148) zum Kombinieren des ersten Teils elektromagnetischer Energie und des zweiten Teils elektromagnetischer Energie, um einen gleichmäßigen Referenzstrahl (28) zu erhalten, wobei das erste Wellenband (184) und das zweite Wellenband (188) ausreichend unterschiedlich sind, um eine unerwünschte Kopplung zwischen einem oder mehreren Laserhohlräumen (182, 186) zu vermeiden, die mit dem ersten bzw. dem zweiten emittierenden Aufbau verknüpft sind.
Quelle (12) nach Anspruch 1, wobei das erste Wellenband (184) und das zweite Wellenband (188) Wellenbändern von einem oder mehreren Sensoren (22, 36, 88, 92) entsprechen, die die Justierachsen-Referenzquelle (12) verwenden, wobei die Wellenbänder (184, 188) sichtbare Teile und/oder Infrarotteile des elektromagnetischen Spektrums umfassen.
Quelle (12) nach Anspruch 1, wobei der gleichmäßige Referenzstrahl (28) ein gebündelter, ausgerichteter und multispektraler Referenzstrahl (28) ist.
Quelle (12) nach Anspruch 1, wobei zumindest der erste oder der zweite emittierende Aufbau (182, 186) einen Quantum Cascade Laser (QCL) emittierenden Aufbau (120, 122, 124, 154) umfasst.
Quelle (12) nach Anspruch 4, wobei die erste emittierende Struktur (182) mehrere QCL-Wiederholungseinheiten (120, 122, 124, 154) innerhalb eines gemeinsamen Wellenleiterbereichs des ersten emittierenden Aufbaus (182) umfasst.
Quelle (12) nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite emittierende Aufbau (182, 186) ausgerichtet sind, um automatisch den ersten und den zweiten Teil (184, 188) elektromagnetischer Energie zu kombinieren.
Quelle (12) nach Anspruch 5, wobei die mehreren QCL-Wiederholungseinheiten (120, 122, 124, 154) unterschiedliche Übergitter-Zusammensetzungen und/oder Quantenquellendicke haben, die ausreichen, um die mehreren QCL-Wiederholungseinheiten (120, 122, 124, 154) in unterschiedlichen Wellenlängen innerhalb eines Durchlassbands des einen oder der mehreren Zensoren (22, 36, 88, 92) arbeiten zu lassen, um die Gleichmäßigkeit des gleichmäßigen Referenzstrahls (28) zu verbessern.
Quelle (12) nach Anspruch 5, mit einem Mechanismus (136) zum Herbeiführen von Temperaturunterschieden zwischen den QCL-Wiederholungseinheiten (120, 122, 124, 154), um einen Wärmegradienten an dem ersten emittierenden Aufbau (182) hervorzurufen, der ausreicht, um die optische Pfadlänge innerhalb der Laserhohlräume der QCL-Wiederholungseinheiten (120, 122, 124, 154) zu verändern, um die Wellenlängen der Resonanzmoden jeder der QCL-Wiederholungseinheiten (120, 122, 124, 154) innerhalb des Durchlassbands eines oder mehrerer Sensoren (22, 36, 88, 92) zu verschieben, um die Gleichmäßigkeit des gleichmäßigen Referenzstrahls (28) zu verbessern.
Quelle (12) nach Anspruch 8, wobei die mehreren QCL-Wiederholungseinheiten (120, 122, 124, 154) identische Wiederholungseinheiten sind, die mit unter schiedlichen Temperaturen arbeiten, um unterschiedliche mittlere Wellenlängen innerhalb jedes Wellenbands (184, 188) zu erzeugen.
Quelle nach Anspruch 5, wobei der QCL emittierende Aufbau (120, 122, 124, 154) Modenkopplungsmittel aufweist, so dass das Lasern innerhalb aller QCL-Wiederholungseinheiten (120, 122, 124, 154) mit einer einzelnen Längsmode auftritt und mit einer einzelnen Phase, um die Gleichmäßigkeit des gleichmäßigen Referenzstrahls (28) zu verbessern.
Quelle nach Anspruch 10, wobei das Modenkopplungsmittel ein oder mehrere verteilte Rückkopplungsgitter (156) aufweist, die ausreichen, um die Länge eines oder mehrerer Resonanzhohlräume (154) zu definieren.
Quelle nach Anspruch 1, wobei zumindest der erste oder der zweite emittierende Aufbau (182, 186) ein emittierender Aufbau mit einer bipolaren Flächenlaserdiode ist.
Quelle nach Anspruch 12, wobei die bipolare Flächenlaserdiode mit dem ersten und/oder dem zweiten emittierenden Aufbau (182, 186) kaskadiert ist, die QCL emittierende Aufbauten sind.