DE68908060T2 - Aktives Wärmeziel. - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen, die eine im Infrarot-Bereich (IR) liegende Strahlung erzeugen, um als IR-aufnehmer für wärmesuchende Detektoren zur Verfügung zu stehen, und insbesondere auf einen dynamischen IR-Aufnehmer, mit dem dynamische IR-Bilder, die räumliche Infrarot-Instensitätsänderungen aufweisen, hergestellt werden.
- IR-Aufnehmer finden heutzutage für solche Verwendungszwecke Anwendung, um Raketen, die auf Wärme ansprechen, und IR- Zielverfolgungssysteme zu prüfen.
- Der herkömmliche IR-aufnehmer entspricht einer "Bly"-Zelle, die aus einer dünnen, typischerweise aus einem Material wie Schwarzgold hergestellten Membran besteht, die mit einem sichtbaren Bild bestrahlt wird, um ein entsprechendes Infrarotbild zu produzieren. Die einfallende Lichtenergie wird dabei in Wärmeenergie (IR) durch Absorption umzuwandeln. Die "Bly"-Zelle weist allerdings keine schnelle Ansprechszeit oder keinen gewünschten dynamischen Bereich auf, und ist wegen der Dicke der Membran äußerst zerbrechlich.
- Ein weiteres Infrarotaufnahmesystem ist in der US-3735137 beschrieben, bei dem Infrarotstrahlung von elektrischen Leitern abgestrahlt wird. Es werden elektrische Ströme durch die Leiter geschickt, wobei die Temperatur des Emissionsvermögens jedes Leiters von dem Strom abhängt, der durch ihn fließt. Die elektrischen Ströme werden unter Verwendung des änderbaren Widerstandswert einer photoleitfähigen Schicht gesteuert, die von einem Lichtbild bestrahlt wird, welches ein herzustellendes Infrarotbild repräsentiert.
- Flüssigkristallichtmodulatoren wurden ebenso in dynamischen IR-Aufnahmensystemen eingesetzt. Im Modulator wird der Flüssigkeitskristall durch eine Photozellenanordnung hinterlegt. Über den verschiedenen Abschnitten des Flüssigkristalls werden entsprechend der auf diesen Abschnitt einfallenden Lichtmenge Spannungen hervorgerufen. Dabei durchdringt polarisierte IR-Strahlung aus einer den Flüssigkristall beleuchtenden Quelle den Flüssigkristall, wodurch die Polarisationsebene der Infrarotstrahlung (IR) um unterschiedliche Beträge entsprechend der über den Kristall angelegten Spannung gedreht wird. Ein Kreuzpolarisator wird in den Srahlengang der IR eingebracht, welche den Flüssigkristall durchdringt und von einem IR-Spiegel, der die Anordnung hinterlegt, reflektiert wird. Auf diese Weise wird ein (polarisiertes) IR-Bild erzeugt. Solche Systeme sind aber sehr teuer und zeigen in Bezug auf Auflösung, Bandbreite und Ansprechszeit eine noch nicht perfekte Leistung.
- Es ist deshalb verständlich, daß Wissenschaftler der Firma LTV versucht haben, einen Phasenübergang in Vanadiumdioxid als Mittel zur Schaffung eines dynamischen IR-Aufnehmers zu verwenden. Wenn sich das Vanadiumdioxid in der leitenden Phase befindet, wird Infrarot-Strahlung (IR) gut reflektiert, wenn es sich aber im isolierenden Zustand befindet, reflektiert es nicht so gut. Der Phasenübergang tritt in der Nähe der Raumtemperatur auf. Werden somit unterschiedliche Abschnitte des Vanadiumdioxidfilms unterschiedlichen Temperaturen unterworfen, so wird als Ergebnis ein Spiegel für eine IR-Quelle erhalten, der ein positionsabhängiges Reflektionsvermögen aufweist. Auf diese Weise ist ein IR-Bild herstellbar. Die Auflösung und Ansprechszeit konnten jedoch nicht ausreichend verbessert werden.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen relativ billigen, breitbandig und dynamischen IR-Aufnehmer mit einer schnellen Ansprechzeit, guter räumlicher Auflösung und geeignetem dynamischen Bereich zu schaffen.
- In einem ersten Gesichtspunkt schafft die Erfindung ein dynamisches Infrarotabbildungssystem zur Erzeugung eines gewünschten Infrarotbildes, das einen Bildlichtprojektor zur Projektion eines ein gewünschtes Infrarotbild darstellenden Lichtbildes und einen Infrarotaufnehmer aufweist, der ein Substrat und einen Dünnfilm aus photoleitfähigem Material aufweist, wobei das Substrat bezüglich des zu projezierenden Lichtbildes so angeordnet ist, dar das Lichtbild auf eine erste Oberfläche des Substrats auftritt, dadurch gekennzeichnet, dar das Substrat für Infrarotstrahlung im wesentlichen durchlässig ist und das photoleitfähige Material auf einer zweiten Oberfläche des Substrats ausgebildet ist und eine Dicke aufweist, die im wesentlichen nicht größer als die Absorptionslänge der in dem photoleitfähigen Material in Betracht kommenden Infrarotwellenlänge ist, wobei im Betrieb einfallendes Licht, welches auf das photoleitfähige Material auftrifft, das Auftreten eines Photoleitereffektes bewirkt, der das Infrarotemissionsvermögen des Films ändert.
- In einem zweiten Gesichtspunkt schafft die Erfindung einen Infrarotaufnehmer zur Verwendung in einem Infrarot-Abbildungssystem zur Erzeugung gewünschter Infrarotbilder, wobei der Aufnehmer ein Substrat mit einer ersten Oberfläche zur Aufnahme eines die gewünschten Infrarotbilder darstellenden Lichtbildes und eine zweite Oberfläche aufweist, und wobei der Aufnehmer ferner einen Dünnfilm aus photoleitfähigem Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, dar das Substrat für Infrarotstrahlung im wesentlichen durchlässig ist, und das photoleitfähige Material auf der zweiten Oberfläche des Substrats ausgebildet ist, wobei das photoleitfähige Material eine Dicke aufweist, die im wesentlichen nicht größer als die Absorptionslänge der für das photoleitfähige Material in Betracht kommenden Infrarotwellenlänge ist, wobei im Betrieb einfallendes Licht, welches auf dieses photoleitfähige Material auftrifft, das Auftreten eines Photoleitereffektes bewirkt, der das Infrarot-Emissionsvermögen des Films ändert.
- Wie im folgenden ausführlicher unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen noch näher erläutert wird, werden Veränderungen im Emissionsvermögen von Dünnfilmen erzeugt, um Temperaturvariationen zu simulieren. Das System der bevorzugten Ausführungsform weist einen Bildlichtprojektor zur Projektion eines ein gewünschtes Infrarotbild darstellenden Lichtbildes auf. Ferner beinhaltet das System einen Infrarotaufnehmer, der ein Substrat mit geringem Emissionsvermögen beinhaltet, das für Infrarotstrahlung transparent ist und bezüglich des projizierten Lichtbildes so angeordnet ist, daß das Lichtbild auf die erste Oberfläche des Substrats auftrifft. Weiterhin weist der Aufnehmer einen Dünnfilm eines auf der zweiten Oberfläche des Substrats aufgebrachten photoleitfähigen Materials auf, wobei der Aufnehmer eine Dicke vergleichbar mit der Eindringtiefe der in Betracht kommenden Infrarot-Wellenlänge hat. Das Licht aus dem Projektor hat eine räumliche, das Lichtbild bildende Intensitätsverteilung, die auf Bereiche des photoleitfähigen Films einwirkt, um von einem isolierenden zu einem leitenden Zustand innerhalb eines räumlichen Musters, das dem einfallenden Lichtbild entspricht, überzugehen. Die leitfähigen Bereiche des Films besitzen ein viel geringeres Emissionsvermögen als die nichtleitfähigen Bereiche, so daß sich dadurch eine im wesentlichen reduzierte ausgesandte Strahlung aus den leitfähigen Bereichen gibt. Somit wird ein Infrarotbild simuliert.
- Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme der dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
- Fig. 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm, das ein dynamisches IR-aufnahmesystem, das die Erfindung darstellt, veranschaulicht.
- Fig. 2 veranschaulicht ein beispielhaftes durch das Aufnahmesystem von Fig. 1 geschaffenes Aufnahme- IR-Bild.
- Fig. 3 ist ein negatives Lichtbild des Aufnahmebildes von Fig. 2.
- Das dynamische, die Erfindung darstellende und in Fig.1 veranschaulichte IR-Aufnahmesystem 10 erzeugt Änderungen des Emissionsvermögens eines Dünnfilms, um Temperaturveränderungen zu simulieren. Das Emissionsvermögen wird durch den Zustand eines photoleitfähigen Films 20 bestimmt, der auf die Oberfläche eines Substrats 22 eines durchlässigen Isolatormaterials angeordnet ist.
- Das Emissionsvermögen eines Isolators ist in der Größenordnung von Eins, wohingegen das Emissionsvermögen eines elektrischen Leiters, wie zum Beispiel Metall, viel geringer als Eins ist. Die Menge der gesamten Strahlungsenergie, die von einem Körper pro Bereichseinheit und pro Zeiteinheit emittiert wird, ist proportional zu ε SBT&sup4;, wobei ε das Emissionsvermögen, SB den Stephan-Boltzman Koeffizienten und T die Temperatur des Körpers bezeichnet. Die abgestrahlte Energiemenge ist somit von dem Emissionsvermögen des Körpers ebenso wie von seiner Temperatur abhängig. Durch selektives Verändern des Emissionsvermögens des abstrahlenden Körpers, kann damit die gesamte abgestrahlte Energiemenge ebenfalls variiert werden. So emittiert z. B. ein Metall oder andere elektrisch leitfähige Körper weit weniger IRStrahlung als ein isolierender Körper bei einer vorgegebenen Körpertemperatur.
- Ein entfernter Beobachter ist somit nicht in der Lage zu bestimmen, ob Veränderungen der Temperatur oder des Emissionsvermögens die Zunahme der abgestrahlten Energie verursacht, es sei denn die Spektralverteilung der abgestrahlten Energie wird bestimmt. Deshalb kann man (für einen Infrarotsensor) eine Veränderung oder einen Unterschied in der Temperatur eines Körpers durch Verändern seines Emissionssvermögens simulieren. Das Verändern der Leitfähigkeit des Aufnehmers, um eine Temperaturveränderung zu simulieren, ist das der Funktionsweise der Erfindung zugrundeliegende Prinzip.
- Lichtphotonen, die auf den Film 20 durch das durchlässige Substrat 22 einfallen, werden in dem Film 20 absorbiert und bewirken eine Umverteilung der Elektronen von dem Valenzband in das Leitungsband, wenn die Photonenfrequenz h mit der Austrittsarbeitsenergielücke des Filmmaterials zusammentrifft oder darüber hinausgeht. Durch selektives Beleuchten der Oberfläche des Films 20 mit Licht, kann die Filmoberfläche mit dem im wesentlichen gleichen räumlichen Muster wie das Bild selektiv leitend gemacht werden, da die freien Elektronen wegen der Rekombination innerhalb der Rekombinationslänge verloren gehen. Der Oberflächenabschnitt, der leitend ist, wird im wesentlichen ein vermindertes Emissionsvermögen besitzen.
- Wenn sich der photoleitfähige Film 20 in seinem elektrisch leitenden Zustand befindet, ist das Emissionsvermögen relativ klein; wohingegen, wenn sich der photoleitfähige Film 22 in einem nicht leitenden Zustand befindet, ist das Emissionsvermögen relativ hoch. Um Veränderungen in dem Zustand des photoleitfähigen Films zu bewirken, wird der Film mit einem Lichtbild des gewünschten Infrarotbildes von einem Bildlichtprojektor 24 bestrahlt. Die notwendigen räumlichen Intensitätsänderungen des Lichtbildes werden durch das gewünschte Infrarotbild bestimmt.
- Die Aufgabe des Substrats 22 besteht darin, eine unempfindliche Unterlage für den Film 20 zu bilden. Das Substrat 22 ist vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das ein geringes Emissionsvermögen aufweist oder durchlässig für IR- Strahlung (IR) ist. Wenn das Substrat demgegenüber ein hohes Emissionsvermögen aufweist, würde es relativ große Strahlungsmengen, die durch die im Test verwendeten IR-Sensoren erfaßbar sind, emittieren, obwohl der Film evtl. ein geringes Emissionsvermögen über seine Oberfläche aufweist. Ein beispielhaftes, zur Herstellung des Substrats 22 geeignetes Material ist Kaliumbromid. Im Handel erhältliches Material, das zur Herstellung des Substrats geeignet ist, wird durch die Eastman Kodak Company unter dem eingetragenen Warenzeichen "Irtran." vertrieben.
- Beispielhafte Komponentenmaterialien für den photoleitfähigen Film 20 sind Strontiumsulfid oder eines der anderen Sulfide. Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren des Films 22 ist das chemische Aufdampfverfahren.
- Der Film 20 sollte eine Dicke aufweisen, die der Eindringtiefe oder Absorptionslänge der Photonen bei der in Betracht kommenden Infrarotwellenlänge vergleichbar ist. Diese Absorptionslänge ist von dem Material, das der Film 20 enthält, und von der Wellenlänge des von dem Bildlichtprojektor 22 her einfallenden Lichts abhängig. Absorptionslängen liegen typischerweise im Bereich von mehreren Hunderten Ångstroms. Die folgende Beziehung für die Absorptionslänge L ist für Leiter allgemein bekannt.
- L = (2/ωu )½.
- Hierin ist ω die Kreisfrequenz des Lichts, u die magnetische Permeabilität, und die Leitfähigkeit des Materials.
- Der Lichtprojektor 24 kann einen Laser enthalten, der z. B. in einer abtastenden (rasterähnlichen) Betriebsart betrieben wird, um die räumlichen Lichtvariationen, die das sichtbare Lichtbild bilden, zu erzeugen. Die Laserlichtfrequenz ist so ausgewählt, daß die Energie der Laserlichtphotonen h gleich groß wie oder größer als die Bandlückenenergie des Materials ist, das der Dünnfilm 20 enthält. Falls der Film 20 z.B. aus Kadmiumsulfid besteht, sollte die durch den Projektor 24 projezierte Lichtwellenlänge nicht größer als 0,5 um sein, um eine Photoleitung hervorzurufen.
- Alternativ kann der Lichtprojektor 24 eine Bogenlampe und Projektionsoptiken aufweisen. Ebenso stellt ein kinofilmähnlicher Projektor eine andere Alternative dar. Die Verwendung einer dieser Arten von diffusen Lichtquellen kann bei einigen Anwendungen den rasterabtastenden Laserquellen bevorzugt werden, so z.B., wenn Infrarotsensoren rasterabgetastet werden, wodurch durch Rasterkonflikte hervorgerufene künstliche Effekte (Artefakte) vermieden werden. Selbstverständlich wird nur das Licht, das eine Wellenlänge unterhalb derer aufweist, die benötigt wird, um Photonen zu liefern, deren Energie die Bandlückenenergie des Films 20 überschreiten, eine Photoleitung hervorrufen. Das Licht mit längerer Wellenlänge wird wahrscheinlich den dünnen Film 20 durchdringen und würde nicht absorbiert werden.
- Zur Abschätzung des Leistungspegels der erforderlichen Bestrahlung soll ein sehr einfaches Modell der Eigenschaften der Photoleitung herangezogen werden. Angenommen, daß die Elektronendiffusion eine gleichbleibende Dichte über die Dicke des Films einstellt, so kann die Leitungselektronendichte in der Ebene des Films durch zwei Gleichungen beschrieben werden:
- Hierin bezeichnet n die Dichte der Leitungselektronen, v ist deren Driftgeschwindigkeit, S ist der Fluß der Bestrahlungsphotonen, β ist ein Rekombinationsratenkoeffizient, wobei N die Dichte der Störstellen beschreibt, e und m sind die Ladung bzw. Masse eines Elektrons, E ist das elektrische Feld in der Ebene des Films, ist die Kollisionsfrequenz und KT beschreibt die thermische Energie der Elektronen.
- Mit S, das die Form
- S = S&sub1;ei(kx + ωt) (3)
- aufweist, wobei x eine Entfernung in der Ebene des Films anzeigt, ergeben die Gleichungen 1 und 2 näherungsweise
- wobei angenommen wurde, daß die Rekombination über die Störstellen bzw. Reaktionshaftstellen dominant wird und τ mit (βN)&supmin;¹ geschrieben wird und wobei Ladungsneutralität bei nicht angelegtem Feld angenommen wird.
- Für ω « ,
- wobei die Diffusionskonstante D durch
- D ≈ KT/Mu = uKT/e (6)
- gegeben ist und wobei u die Beweglichkeit beschreibt. Der Fluß S ist mit der Intensität I des eingestrahlten Lichts durch
- S = αI/hωL (7)
- in Beziehung gebracht, wobei α der Absorptionskoeffizient in dem Film darstellt, h das Plancksche Wirkungsquantum geteilt durch 2 π darstellt und ωL die mittlere Frequenz (x 2 π) ist. Es seien die folgenden typischen Werte angenommen
- Für diese angenommenen Werte ist n = 2 x 10²³ cm&supmin;³. Da diese Dichte vergleichbar zu der Originaldichte von Valenzelektronen ist, wird somit nahegelegt, daß große Änderungen des Emissionsvermögens mit annehmbaren Bestrahlungsdosen bzw. Pegel erzielbar sind, und daß die räumliche Auflösung und Ansprechzeiten gut sind.
- Der dynamische IR-Aufnehmer kann in mehreren unterschiedlichen Betriebsarten betrieben werden. Falls z.B. Hochtemperaturaufnehmer zu simulieren sind, sollte das Substrat auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden und der photoleitfähige Film sollte durch konstante Bestrahlung überall in dem leitenden Zustand gehalten werden, außer an der gewünschten Aufnahmestelle (d. h., dort wo das Lichtbild ein Negativ des gewünschten Infrarotbildes ist). Ein Substratwärmer 28 (Fig. 1) wird dazu verwendet, das Substrat auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen. Der Wärmer 20 kann die Gestalt einer elektrischen Heizspule aus hochohmigen Draht einnehmen. Alternativ hierzu, kann die Erwärmung durch einen Bestrahlungswärmer vorgenommen werden, indem die Oberfläche 22a dem Bestrahlungswärmer ausgesetzt wird, oder indem heiße Luft über die Oberfläche 22a des Substrats 22 geblasen wird.
- Fig. 2 zeigt ein beispielhaftes Aufnahmeinfrarotbild einer Rakete 30, das mit der vorliegenden Erfindung erzeugt wird. Bei dem Infrarotbild des Rakete 30, erscheint der Raketenstrahl 32 wegen seiner hohen Temperatur sehr intensiv bzw. hell. Die Region 34 zeigt den Rakete umgebenden Bereich und seinen Strahl. In Fig. 2 sind die dunklen Bereiche durch die Kreuzschraffierung gekennzeichnet, wobei der helle Strahl 32 durch den Wegfall der Kreuzschraffierung gekennzeichnet ist. In dem wie in Fig. 3 gezeigten negativen Lichtbild sind die hellen und dunklen Regionen somit umgekehrt.
- Es ist verständlich, daß die oben beschriebene Ausführung eines der möglichen spezifischen Ausführungsformen rein veranschaulichend darstellt. Andere Anordnungen können ohne weiteres in Übereinstimmung mit diesen Prinzipien durch den Durchschnittsfachmann in Betracht kommen, ohne den in den Ansprüchen definierten Erfindungsbereich zu verlassen.
Claims (11)
1. Dynamisches Infrarot-Abbildungssystem zur Erzeugung
gewünschter Infrarotbilder, das einen Bildlichtprojektor
(24) zur Projektion eines ein gewünschtes Infrarotbild
darstellenden Lichtbilds und einen Infrarotaufnehmer
(10) aufweist, der ein Substrat (22) und einen Dünnfilm
(20) aus photoleitfähigem Material aufweist, wobei das
Substrat (22) bezüglich des zu projizierenden
Lichtbilds so angeordnet ist, daß das Lichtbild auf eine
erste Oberfläche (22A) des Substrats (22) auftrifft,
dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat für Infrarot-
Strahlung im wesentlichen durchlässig ist und das
photoleitfähige Material auf einer zweiten Oberfläche
(22B) des Substrates (22) ausgebildet ist und eine
Dicke aufweist, die im wesentlichen nicht größer als
die Absorptionslänge der in dem photoleitfähigen
Material in Betracht kommenden Infrarot-Wellenlänge ist,
wobei im Betrieb einfallendes Licht, welches auf das
photoleitfähige Material auftrifft, das Auftreten eines
Photoleitereffektes bewirkt, der das
Infrarot-Emissionsvermögen des Films (20) ändert.
2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, bei dem der Dünnfilm
(20) Strontiumsulfid enthält.
3. Abbildungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das
Substrat (22) Kaliumbromid enthält.
4. Abbildungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das
System zur Simulation von Hochtemperatur-Zielen dient,
wobei das System ferner Mittel (28) aufweist, die das
Substrat (22) auf die gewünschte Temperatur des
simulierten
Ziels aufwärmen, und bei dem das einfallende
Lichtbild ein Negativ des gewünschten Infrarotbildes
darstellt.
5. Abbildungssystem nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem
der Lichtprojektor einen Laser zum Erzeugen eines
Laserlichtstrahls aufweist, und bei dem das
Dünnfilmmaterial durch eine vorbestimmte Bandlückenenergie
gekennzeichnet ist, die notwendig ist, um ein Elektron aus
dem Valenzband in das Leitungsband anzuheben, und bei
dem der Laserstrahl Photonen aufweist, deren Energie
gleich groß wie oder größer als die Bandlückenenergie
ist.
6. Abbildungssystem nach Anspruch 1, 2, 3, oder 4, bei dem
das Bildlicht aus einer diffusen Lichtquelle stammt.
7. Abbildungssystem nach einem der vorangegangenen
Ansprüchen, bei dem die Dicke des Dünnfilms vergleichbar mit
der Eindringtiefe der in Betracht kommenden Wellenlänge
ist.
8. Infrarotaufnehmer (10) zur Verwendung in einem
Infrarot-Abbildungssystem zur Erzeugung gewünschter
Infrarotbilder, wobei der Aufnehmer ein Substrat (22) mit
einer ersten Oberfläche (22A) zur Aufnahme eines die
gewünschten Infrarotbilder darstellenden Lichtbildes
und eine zweite Oberfläche (22B) aufweist, und wobei
der Aufnehmer ferner einen Dünnfilm (20) aus
photoleitfähigem Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat (22) für Infrarotstrahlung im wesentlichen
durchlässig ist, und das photoleitfähige Material auf
der zweiten Oberfläche (22B) des Substrats (22)
ausgebildet ist, wobei das photoleitfähige Material eine
Dicke aufweist, die im wesentlichen nicht größer als
die Absorptionslänge der für das photoleitfähige
Material
in Betracht kommenden Infrarot-Wellenlänge ist,
wobei im Betrieb einfallendes Licht, welches auf dieses
photoleitfähige Material auftrifft, das Auftreten eines
Photoleitereffektes bewirkt, der das
Infrarot-Emissionsvermögen des Films (20) ändert.
9. Infrarotaufnehmer nach Anspruch 8, bei dem das Substrat
(22) Kaliumbromid enthält.
10. Infrarotaufnehmer nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der
Dünnfilm (20) Strontiumsulfid enthält.
11. Infrarotaufnehmer nach Anspruch 8, 9 oder 10, bei dem
die Dicke des Dünnfilms vergleichbar mit der
Eindringtiefe der in Betracht kommenden Infrarot-Wellenlänge
ist.
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