DK170002B1 - Dynamisk infrarødt billedsystem og infrarødt mål til brug i dette system - Google Patents

Description

DK 170002 B1 Nærværende opfindelse angår indretninger der genererer stråling i det infrarøde område for at tjene som infrarøde mål for varmesøgende detektorer og mere specifikt et dynamisk infrarødt mål, hvori dynamiske 5 infrarøde billeder med rumlige infrarøde intensitetsvariationer tilvej ebringes.

Infrarøde mål benyttes i dag til sådanne formål som afprøvning af varmesøgende missiler og infrarøde sporingssystemer.

10 Det konventionelle infrarøde mål er Bly cellen, som består af en meget tynd membram, typisk af et materiale såsom maldonit, der bestråles med et synligt billede for at generere et tilsvarende infrarødt billede. Indfaldende lysenergi konverteres til varmeenergi (IR) 15 ved absorption. Bly cellen har imidlertid ikke hurtig reaktionstid eller ønsket dynamikområde og er meget skrøbelig på grund af den tynde membran.

US 3 735 137 beskriver et infrarødt billedsy-stem, hvori infrarød stråling udsendes fra elektriske 20 ledere. Der føres elektriske strømme gennem lederne og hver leders emissivitetstemperatur afhænger af strømmen gennem lederen. De elektriske strømme styres af den variable resistans hos et fotoledende lag, som belyses med et lysbillede, der er repræsentativt for det in-25 frarøde billede, der skal tilvejebringes.

Flydende krystal lysventiler har været anvendt i dynamiske infrarøde målsystemer. I ventilen gøres den flydende krystal sort af et fotocellearrangement. Spændinger dannes over de forskellige dele af den flydende 30 krystal i overensstemmelse med mængden lys, der rammer den del. Polariseret infrarød stråling fra en side, der belyser den flydende krystal, passerer gennem den flydende krystal og polarisationsplanet for den infrarøde stråling drejes i forskellig grad i overensstemmelse 35 med den påtrykte spænding over krystallen. En krydspo-larisator er placeret i strålegangen for den infrarøde 2 stråling, som passerer gennem den flydende krystal og som reflekteres fra et infrarødt spejl på bagsiden af arrangementet. På denne måde dannes et (polariseret) infrarødt billede, imidlertid er sådanne systemer meget 5 dyre og har ikke perfekte egenskaber, hvad angår opløsning, båndbredde og reaktionstid.

Det bemærkes, at forskere ved LTV, Inc. har for- λ søgt at anvende en faseændring i vanadiumdioxid som metode til at tilvejebringe et dynamisk infrarødt mål.

10 Når vanadiumdioxiden er i den ledende fase, reflekterer den infrarød stråling godt, men når den er i en isolerende tilstand, reflekterer den ikke godt. Faseændringen forekommer tæt på rumtemperatur. Udsættelse af de forskellige områder af vanadiumdioxidfilmen for forskel-15 lige temperaturer resulterer således i et spejl, som har en positionsafhængig reflektivitet for en infrarød kilde. På denne måde fremstilles et infrarødt billede.

Imidlertid har opløsning og reaktionstid ikke vist sig tilfredsstillende.

20 Det er derfor et formål med opfindelsen at til vejebringe et relativt billigt, bredbåndet dynamisk infrarødt mål med en hurtig reaktionstid, god rumlig opløsning og tilstrækkeligt dynamikområde.

Med henblik herpå er et dynamisk infrarødt bil-25 ledsystem til generering af ønskede infrarøde billeder, omfattende en billedlysprojektor til at projicere et lysbillede, der er repræsentativt for et ønsket infrarødt billede, og et infrarødt mål omfattende et substrat og en tynd film af fotoledende materiale, og hvor 30 substratet er således placeret i forhold til det projicerede lysbillede, at dette lysbillede rammer en første overflade på substratet ifølge opfindelsen ejendomme- Ψ ligt ved, at substratet i det væsentlige er transparent for infrarød stråling, og at det fotoledende mate-35 riale er tilvejebragt på en anden overflade af substra- 4 tet og har en tykkelse ikke væsentligt større end ab- DK 170002 B1 3 sorptionslængden for den infrarøde bølgelængde af interesse i det fotoledende materiale under brugen, idet det på nævnte fotoledende materiale indfaldende lys bevirker opståen af en fotoledningseffekt, der ændrer 5 filmens infrarøde emissivitet.

Endvidere er et infrarødt mål til brug i et infrarødt billedsystem til generering af ønskede infrarøde billeder, hvilket mål indbefatter et substrat med en første overflade for modtagelse af et lysbillede, der 10 er repræsentativt for det ønskede infrarøde billede, og med en anden overflade, hvilket mål yderligere omfatter en tynd film af fotoledende materiale ifølge opfindelsen ejendommeligt ved, at substratet i det væsentlige er transparent for infrarød stråling, at det fotoleden-15 de materiale er tilvejebragt på substratets anden overflade, at det fotoledende materiale har en tykkelse ikke væsentligt større end absorptionslængden for den infrarøde bølgelængde af interesse i det fotoledende materiale under brugen, idet det på det fotoledende mate-20 riale indfaldende lys bevirker opståen af en fotoledningseffekt, der ændrer filmens infrarøde emissivitet.

Som det forklares nærmere senere i relation til den foretrukne udførelsesform, vil ændringer i emissi-viteten for en tynd film tilvejebringes for at simulere 25 temperaturvariationer. Systemet omfatter en billedlys-projektor til at projicere et lysbillede, der er repræsentativt for et ønsket infrarødt billede. Systemet omfatter yderligere et infrarødt mål, som omfatter et substrat med lav emissivitet, der er transparent for 30 infrarød stråling og placeret således i forhold til det projicerede lysbillede, at lysbilledet rammer en første overflade af substratet. Målet omfatter yderligere en tynd film af fotoledende materiale anbragt på en anden overflade af substratet og med en tykkelse, der er sam-35 menlignelig med skindybden for den infrarøde bølgelængde, der har interesse. Lyset fra projektoren har en DK 170002 B1 4 rumlig intensitetsfordeling, der danner lysbilledet, som får områder af den fotoledende film til at ændre sig fra en isolerende til en ledende tilstand i et rumligt mønster, der svarer til det infaldende lysbillede. .

5 De ledende områder af filmen har en langt mindre emis-sivitet end de ikke-ledende områder, hvilket resulterer i en væsentligt reduceret udsendt stråling fra de ledende områder. Et infrarødt billede simuleres derfor.

Disse og andre egenskaber og fordele ved opfin-10 delsen vil fremgå tydeligt af den følgende detaljerede beskrivelse af et udførelseseksempel, som vist på den vedlagte tegning, hvor fig. 1 viser et simplificeret blokdiagram af et dynamisk infrarødt målsystem ifølge opfindelsen, 15 fig. 2 et eksempel på et infrarødt målbillede tilvejebragt af målsystemet i fig. 1, og fig. 3 et negativt lysbillede af målbilledet i fig. 2.

Det dynamiske infrarøde målsystem 10 ifølge 20 opfindelsen er vist i fig. 1 og benytter sig af emissi-vitets ændringer for en tynd film for at simulere temperaturændringer. Emissiviteten bestemmes af tilstanden af en tynd fotoledende film 20, placeret på overfladen af et substrat 22, der består af et transparent isola-25 tormateriale.

Emissiviteten af en isolator er i størrelsesordenen en, medens emissiviteten af en elektrisk leder såsom metal er langt mindre end en. Mængden af total strålingsenergi, der udsendes af et legeme pr. arealen-30 hed pr. tidsenhed, er proportional med εσ3βΤ4 , hvor ε repræsenterer emissiviteten, oSB repræsenterer Stephan-Boltzman koefficienten og T repræsenterer temperaturen Ί af legemet. Således er mængden af udstrålet energi afhængig af emissiviteten af legemet, såvel som dets tem- * 35 peratur. Ved selektivt at variere emissiviteten af det udstrålende legeme kan totalmængden af udstrålet energi DK 170002 B1 5 også varieres. Et metal eller et andet elektrisk ledende legeme udstråler f.eks. langt mindre infrarød stråling end et isolerende legeme ved en given legemstemperatur.

5 En fjerntliggende observatør er ude af stand til at bestemme om temperatur eller emissivitetsændringer forårsager øgningen i udstrålet energi, med mindre den spektrale fordeling af den udstrålede energi undersø ges. Derfor kan man (overfor en infrarød føler) simule-10 re en ændring eller forskel i temperatur af et legeme ved at ændre dets emissivitet. Ændring af konduktiviteten af målet for at simulere en temperaturændring er princippet, der ligger til grund for funktionen af opfindelsen.

15 Lysfotoner, der rammer filmen 20 via det transparente substrat 22, absorberes i filmen 20 og resulterer i flytning af elektroner fra valensbåndet til ledningsbåndet, forudsat at fotonfrekvensen hv er lig med eller overstiger arbejdsfunktionsenergigabet 20 for filmmaterialet. Ved selektivt at belyse overfladen af filmen 20 med lyset, kan filmoverfladen selektivt gøres ledende i hovedsagelig det samme rumlige mønster som billedet, eftersom de frie elektroner vil gå tabt på grund af rekombination indenfor rekombinationslæng-25 den. Overfladedelen, som er ledende, vil have en væsentligt mindsket emissivitet.

Når den fotoledende film 20 er i en elektrisk ledende tilstand, er emissiviteten relativt lav, medens den er relativt høj, når den fotoledende film 22 er i 30 en ikke ledende tilstand. For at lave ændringer i tilstanden af den fotoledende film, bestråles filmen 20 med et lysbillede af det ønskede infrarøde billede ved hjælp af billedlysprojektoren 24. De nødvendige rumlige intensitetsvariationer for lysbilledet bestemmes af 35 det ønskede infrarøde billede.

Formålet med substratet 22 er at tilvejebringe en robust støtte for filmen 20. Substratet 22 er 6 fortrinsvis konstrueret af et materiale, der har en lav emissivitet, eller som er gennemskinneligt for infrarød stråling. Hvis substratet skulle have høj emissivitet, ville det ellers udstråle relativt store mængder af 5 stråling, der kunne detekteres af den infrarøde føler, der afprøves, selvom filmen kan have en lav emissivitet over overfladen. Et eksempel på et materiale, der er * egnet til fremstilling af substratet 22 er kaliumbro-mid. Kommercielt tilgængeligt materiale, der er egnet 10 til fremstilling af substratet, markedsføres af Eastman Kodak Company under det registrerede varemærke "Irtran".

Eksempler på bestanddele af materiale til den fotoledende film 20 er strontiumsulfid eller et af 15 de andre sulfider. En foretrukken teknik til dannelse af filmen 20 er kemisk dampudfældning.

Filmen 20 bør have en tykkelse, der er sammenlignelig med skindybden eller absorptionslængden for fotoner ved de infrarøde bølgelængder, der har interes-20 se. Denne absorptionslængde er afhængig af materialet, der udgør filmen 20, og bølgelængden for indfaldende lys fra lysprojektoren 22. Typisk er absorptionslængder i området nogle hundrede Angstrom. Følgende sammenhæng for absorptionslængden L er velkendt for ledere.

25 L = (2/ωμσ) hvor ω er vinkelfrekvensen for lyset, μ er den magnetiske permeabilitet og σ er ledningeevnen for materialet.

30 Lysprojektoren 24 kan omfatte en laser, som f.eks. kan styres på en skanderende måde (rasterlignende) for at danne de rumlige lysvariationer, der danner ^ det synlige lysbillede. Frekvensen for laserlyset vælges, således at energien for laserlysfotonerne hv er 35 større end eller lig med båndgabsenergien for materialet, der udgør den tynde film 20. Hvis f.eks. filmen DK 170002 B1 7 20 er kaliumsulfid, skal bølgelængden for lys, der projiceres af projektoren 24, ikke være større end 0,5 y for at forårsage fotoledning.

Lysprojektoren 24 kan alternativt omfatte en 5 buelampe og en projektionsoptik. Endnu et alternativ er en biograffilm projektortype. Brug af en af disse typer af diffuse lyskilder kan være foretrukne i visse anvendelser i forhold til en rasterskanderet laserkilde, f.eks. hvor infrarøde følere er rasterskanderede, hvor-10 ved man undgår rasterkonfliktfejl. Selvfølgelig vil kun lys, der har en bølgelængde, der ligger under den, der er nødvendig for at tilvejebringe fotoner, hvis energi overskrider båndgabsenergien for filmen 20, forårsage fotoledning. Lys med længere bølgelængde vil sandsyn-15 ligvis passere gennem den tynde film 20 og ville ikke blive absorberet.

For at estimere effektniveauerne for bestråling, der er nødvendig, betragtes en meget simpel model af filmfotoledningsegenskaberne. Idet det antages, at 20 elektrondiffusion etablerer ensartet tæthed over filmens tykkelse, kan tætheden af ledende elektroner i filmens plan beskrives af to ligninger:

Kontinuitet: 3n/9t + β3(νη) = S - 3n(n+N) (1) 25 Impuls: mn 3v/3t = -mv υη + neE - KT Vn (2)

Her betegner n tætheden af ledene elektroner, v er deres bevægelseshastighed, S er fluxen af bestrålende fotoner, β er en rekonstruktionshastighedskoeffici-30 ent, idet N betegner hultætheden, e og m er ladningen og massen for en elektron, E er det elektriske felt i filmens plan, υ er kollisionsfrekvensen og KT betegner den termiske energi for elektronen.

Hvis S har formen 35 g = (3) DK 170002 B1 8 hvor x betegner en afstand i filmens plan giver disse ligninger (1) og (2) omtrent n s (S-, e^^x + ω^))/(ΐω + (k2KT/m(ico+v) + vx) (4)

A

5 hvor det antages, at rekombination domineres af hullerne og τ skrives som (βΝ)-1, og hvor ladningsneutralitet uden påtrykt felt antages.

For ω << υ, 10 η = (Sx e1^* + wt))/ (DK2 + l/τ), (5) hvor diffusionskonstanten D er givet ved 15 D = ΚΤ/Μυ = yKT/e (6) og hvor μ er mobiliteten. Flux'en S hænger sammen med intensiteten I for bestrålende lys ved 20 S = aI/h«L (7) hvor α er absorptionskoefficienten i filmen, h er Planck's konstant divideret med 2π og er en middelfrekvens (χ2π). Antages følgende typiske værdier 25 k = 102cm“1 D - 10_2cm2/sek.

30 I = 100 watt/cm2 ω s 2πχ60Ηζ r hcoL « I0“12erg 35 x = 10“3sek.

Claims (11)

1. Dynamisk infrarødt billedsystem til genere-35 ring af ønskede infrarøde billeder, omfattende en bil-ledlysprojektor (24) til at projicere et lysbillede, der er repræsentativt for et ønsket infrarødt billede, og et infrarødt mål (10) omfattende et substrat (22) og en tynd film (20) af fotoledende materiale, og hvor substratet (22) er således placeret i forhold til det 5 projicerede lysbillede, at dette lysbillede rammer en * første overflade (22A) på substratet (22), kendetegnet ved, at substratet (22) i det væsentlige ^ er transparent for infrarød stråling, og at det fotoledende materiale er tilvejebragt på en anden overflade 10 (22B) af substratet (22) og har en tykkelse ikke væsentligt større end absorptionslængden for den infrarøde bølgelængde af interesse i det fotoledende materiale under brugen, idet det på nævnte fotoledende materiale indfaldende lys bevirker opståen af en foto-15 ledningseffekt, der ændrer filmens (20) infrarøde emissivitet.

2. Billedsystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den tynde film (22) omfatter strontiumsulfid.

3. Billedsystem ifølge krav 1 eller 2, ken detegnet ved, at substratet (22) omfatter ka-liumbromid.

4. Billedsystem ifølge krav 1, 2 eller 3, kendetegnet ved, at systemet er indrettet 25 til at simulere højtemperaturmål, idet systemet yderligere omfatter organer (28) til at opvarme substratet (22) til den ønskede temperatur for målet, der simuleres, og at det indfaldende lysbillede er et negativ af det ønskede infrarøde billede.

5. Billedsystem ifølge krav 1, 2, 3 eller 4, kendetegnet ved, at lysprojektoren omfatter en laser til generering af et laserstrålebundt, og at i· det tynde filmmateriale er karakteriseret ved en forudbestemt båndgabsenergi, der er nødvendig for at bringe 35 en elektron fra valensbåndet til ledningsbåndet, og at 4 laserstrålebundtet har fotoner, hvis energi er større end eller lig med båndgabsenergien. DK 170002 B1

6. Billedsystem ifølge krav 1, 2, 3 eller 4, kendetegnet ved, at billedlyset omfatter en diffus lyskilde.

7. Billedsystem ifølge ethvert af de foregående 5 krav, kendetegnet ved, at den tynde film har en tykkelse, der er sammenlignelig med skindybden for den infrarøde bølgelængde af interesse.

8. Infrarødt mål (10) til brug i et infrarødt billedsystem til generering af ønskede infrarøde bil- 10 leder, hvilket mål indbefatter et substrat (22) med en første overflade (22A) for modtagelse af et lysbillede, der er repræsentativt for det ønskede infrarøde billede, og med en anden overflade (22B), hvilket mål yderligere omfatter en tynd film (20) af fotoledende mate-15 riale, kendetegnet ved, at substratet (22) i det væsentlige er transparent for infrarød stråling, at det fotoledende materiale er tilvejebragt på substratets (22) anden overflade (22B), at det fotoledende materiale har en tykkelse ikke væsentligt større end 20 absorptionslængden for den infrarøde bølgelængde af interesse i det fotoledende materiale under brugen, idet det på det fotoledende materiale indfaldende lys bevirker opståen af en fotoledningseffekt, der ændrer filmens (20) infrarøde emissivitet.

9. Infrarødt mål ifølge krav 8, kende tegnet ved, at substratet (22) omfatter kalium-bromid.

10. Infrarødt mål ifølge krav 8 eller 9, kendetegnet ved, at den tynde film (20) omfatter 30 strontiumsulfid.

11. Infrarødt mål ifølge krav 8, 9 eller 10, kendetegnet ved, at den tynde film har en tykkelse, der er sammenlignelig med skindybden for den infrarøde bølgelængde af interesse.