JP2018200295A - 熱イメージングシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】熱イメージングシステムを提供する。【解決手段】熱イメージングシステムは、基板と、基板上の積層グラフェンアレイと、積層グラフェンアレイを分離する複数のバンドパスフィルタとを備える。【選択図】図３
Description
本開示は、一般的に熱イメージングに係り、特にカーボンナノチューブを用いる熱イメージングに関する。より具体的には、本開示は、既知の放射率を要さずに正確な温度を決定するための方法及び装置に関する。
構造体の調子を監視することは、構造体の温度を監視することを含み得る。航空機エンジン等の高温構造体は監視が難しいものであり得る。
従来、赤外線（ＩＲ，ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）検出器が、構造体の温度を決定するのに用いられている。既存のＩＲ検出器では、構造体の放射率が既知でない限り、正確な温度測定を行えない。複雑な構造体や高温設定においては、放射率は酸化や反射や変色の影響を受け得る。従って、既存のＩＲ検出器を用いての正確な温度読み取りは、不可能であるか極めて難しいものである。
既存のＩＲ検出器、例えばＩｎＳｂ検出器やテルル化水銀カドミウム（ＨｇＣｄＴｅ）検出器は、背景放射や雑音の影響を最小にするために冷却を用いる。既存のＩＲ検出器は、熱電冷却又は液体窒素のいずれかを用いて冷却される。
高温応用における既存のＩＲ検出器の動作は、冷却デバイス又は筐体内にＩＲ検出器を封入することを含む。冷却デバイスのサイズや冷却デバイスに設けられる設備が、アクセスが難しい応用におけるＩＲ検出器の動作を制限し得る。
従って、上記問題のうち少なくとも一部、並びに他の想定される問題に対処する方法及び装置が望まれている。
本開示の例示的な実施形態は以下の方法を提供する。グラフェンを基板上に堆積させて第一アレイのグラフェンセンサを形成する。第一物質を第一アレイのグラフェンセンサ上に配置して第一バンドパスフィルタを形成する。第二層のグラフェンを第一バンドパスフィルタ上に堆積させて第二アレイのグラフェンセンサを形成する。
本開示の例示的な他の実施形態は以下の方法を提供する。熱イメージングシステムを構造体に向けて位置決めする。熱イメージングシステムは、基板上の第一アレイのグラフェンセンサと、第一アレイのグラフェンセンサの上に積層させた第二アレイのグラフェンセンサと、第一アレイのグラフェンセンサと第二アレイのグラフェンセンサとの間の第一バンドパスフィルタとを備える。第一波長を有するエネルギーを第一アレイのグラフェンセンサにおける受ける。第二波長を有するエネルギーを第二アレイのグラフェンセンサにおいて受け、第一波長は第二波長よりも長い。第一波長を有するエネルギーの測定結果及び第二波長を有するエネルギーの測定結果を用いて、構造体の温度を決定する。
本開示の更なる例示的な実施形態は熱イメージングシステムを提供する。熱イメージングシステムは、基板と、基板上の積層グラフェンアレイと、積層グラフェンアレイを分離する複数のバンドパスフィルタとを備える。
本開示の多様な実施形態における特徴及び機能は独立的に達成可能であり、又は、他の実施形態と組み合わせられ得て、更なる詳細については、以下の説明及び図面を参照して理解可能である。
例示的な実施形態の新規と思われる特徴は特許請求の範囲に与えられている。しかしながら、例示的な実施形態、好適な使用形態、更なる目的及び特徴は、以下の本開示の例示的な実施形態の詳細な説明を添付図面を参照して読むことによって最も良く理解されるものである。
例示的な実施形態は一つ以上の多様な検討事項を認識して考慮している。例えば、例示的な実施形態は、グラフェンが温度の関数として抵抗率を変化させることを認識して考慮している。例示的な実施形態は、グラフェンが熱検出器として機能し得ることを認識して考慮している。グラフェンを用いて赤外線エネルギーを検出し得る。例示的な実施形態は、抵抗型検出器の背景雑音が冷却を必要としないのに十分なほど低くなり得ることを認識して考慮している。従って、例示的な実施形態は、グラフェンＩＲ検出器が、冷却を必要としないのに十分なほど大気温度において低い背景雑音を有することを認識して考慮している。
例示的な例は、二つ以上のＩＲ測定結果を用いて温度を決定し得ることを認識して考慮している。例示的な実施形態は、複数の波長の測定を行うことによって、温度を決定し得ることを認識して考慮している。例示的な実施形態は、放射の三つの波長でマルチカラー高温測定方程式を用いて放射率を求め得ることを認識して考慮している。例示的な実施形態は、放射率の不確実性を克服するため、多重スペクトル範囲熱イメージング検出器がＩＲのスペクトル応答を低範囲から広範囲まで望ましく測定し得ることを認識して考慮している。例示的な実施形態は、波長の一範囲が３〜１２マイクロメートルとなり得ることを認識して考慮している。
例示的な実施形態は、高温応用に耐えることができ、正確な熱イメージング及び温度測定用の多重スペクトルＩＲイメージングを提供することができる頑丈な熱イメージングに対する既存の現実的な解決策が存在していないことを認識して考慮している。例示的な実施形態は、イメージングアレイ検出器は、狭帯域のＩＲを測定する従来冷却型の検出器、例えば、ＩｎＳｂやテルル化水銀カドミウム（ＨｇＣｄＴｅ）であり、３〜５マイクロメートルや８〜１２マイクロメートルの範囲を有し、冷却を要することを認識して考慮している。
例示的な実施形態は、ＨｇＣｄＴｅ検出器等の従来のＩＲ検出器が脆弱であることを認識して考慮している。例示的な実施形態は、多様な波長用の従来のＩＲ検出器は互いに隣接して位置決めされることを認識して考慮している。例示的な実施形態は、従来のＩＲ検出器を積層することが量子効率及び精度の損失をもたらすことを認識して考慮している。例示的な実施形態は、ＩＲ検出器の脆弱性が、検出器にひび割れを生じさせ得る大きな熱膨張をもたらすことを認識して考慮している。例示的な実施形態は、従来のＩＲ検出器を積層することが正確な温度測定をもたらさないことを認識して考慮している。
以下図面を参照し、特に図１を参照すると、例示的な実施形態に係る航空機の模式図が示されている。この例示的な例では、航空機１００は胴体１０６に取り付けられた主翼１０２及び主翼１０４を有する。航空機１００は主翼１０２に取り付けられたエンジン１０８及び主翼１０４に取り付けられたエンジン１１０を含む。
胴体１０６は尾翼部１１２を有する。水平尾翼１１４、水平尾翼１１６及び垂直尾翼１１８が胴体１０６の尾翼部１１２に取り付けられている。
航空機１００は、例示的な実施形態に係る熱イメージングシステムが実施可能な航空機の一例である。例えば、熱イメージングシステムはエンジン１０８とエンジン１１０のうち少なくとも一つに取り付けられ得る。
本願において、「少なくとも一つ」との用語が、列挙されている事項と共に用いられている場合、これは、列挙されている事項のうち一つ以上の多様な組み合わせが使用可能であり、また、列挙されている各事項のうち一つのみが必要とされ得ることを意味している。つまり、「少なくとも一つ」は、列挙されている事項から、あらゆる事項の組み合わせ及びあらゆる数の事項が使用され得るが、列挙されている全ての事項が必要とされる訳ではないことを意味する。ここで、事項とは、特定対象、物、又はカテゴリーであり得る。
例えば、「事項Ａと事項Ｂと事項Ｃとのうち少なくとも一つ」は、事項Ａを含むか、事項Ａ及び事項Ｂを含むか、又は事項Ｂを含み得るがこれに限定されない。また、この例は、事項Ａ、事項Ｂ及び事項Ｃを含むか、事項Ｂ及び事項Ｃを含み得る。勿論、これら事項のあらゆる組み合わせが存在し得る。他の例では、「少なくとも一つ」は、例えば、二つの事項Ａと、一つの事項Ｂと、十個の事項Ｃとを含むものであったり、四つの事項Ｂと、七つの事項Ｃを含むものであったりするが、これに限定されず、他の適切な組み合わせを含み得る。
エンジン１０８内の熱イメージングシステムを用いて、エンジン１０８の動作中にエンジン１０８の温度を決定し得る。エンジン１１０内の熱イメージングシステムを用いて、エンジン１１０の動作中にエンジン１１０の温度を決定し得る。
例示的な実施形態の例示的な例は航空機に関して説明されているが、例示的な実施形態は他の種類のプラットフォームにも適用され得る。そのプラットフォームは、例えば、移動型のプラットフォーム、静止型のプラットフォーム、地上（地中）構造、水上（水中）構造、又は宇宙構造であり得る。より具体的には、プラットフォームは、水上艦、戦車、人員運搬車、列車、宇宙船、宇宙基地、人工衛星、潜水艦、自動車、発電所、橋、ダム、家、製造工場、建物、又は他の適切なプラットフォームであり得る。
例示的な実施形態の例示的な例はプラットフォームの動作に関して説明されているが、例示的な実施形態はプラットフォームの製造中にも適用可能である。例えば、例示的な実施形態は金属部品の鍛造中に使用可能である。一部の例示的な例では、例示的な実施形態はオートクレーブ内での複合材硬化中に使用可能である。例示的な実施形態は、金属鍛造、複合材硬化、複合材敷設、オートクレーブ内、オーブン内、鋳造中等のあらゆる所望の製造プロセスにおいて使用可能であり、また、他のあらゆる所望の種類の製造設備やプロセスに関して使用可能である。
更に、例示的な実施形態は他の所望のプロセスや事項にも適用可能である。例示的な実施形態は、パイプラインの温度を測定したり、天文学的応用において、爆発の温度を測定したり、又は、火災を検出したりするために用いられ得て、また、あらゆる他の所望のプロセスや事項のために用いられ得る。
以下、図２を参照すると、例示的な実施形態に係る熱イメージングシステムのブロック図の模式図が示されている。熱イメージングシステム２００を用いて、図１のエンジン１０８やエンジン１１０の一方の温度を決定し得る。図２の環境２０２は、図１の航空機１００の一部（エンジン１０８やエンジン１１０等）を取り囲むボリュームを表し得る。環境２０２はそれ自体の温度である温度２０３を有する。一部の例示的な例では、温度２０３は大気温度である。
図示のように、熱イメージングシステム２００は、構造体２０５の温度２０４を決定するのに用いられる。熱イメージングシステム２００は、構造体２０５から赤外線エネルギー２７０を受け取るように構造体２０５に向けられる。熱イメージングシステム２００が受け取った赤外線エネルギー２７０は、構造体２０５の温度２０４を決定するのに用いられる。
一部の例示的な例では、構造体２０５は環境２０２内部に存在し得る。環境２０２の温度２０３は、構造体２０５の温度２０４を決定する目的にとっては周囲温度とみなされ得る。
熱イメージングシステム２００は、基板２０６と、基板２０６上の積層グラフェンアレイ２０８と、積層グラフェンアレイ２０８を分離する複数のバンドパスフィルタ２１０とを備える。一部の例示的な例では、複数のバンドパスフィルタ２１０の各々が赤外線エネルギーを吸収するように構成される。熱イメージングシステム２００が構造体２０５と向き合うと、積層グラフェンアレイ２０８は基板２０６と構造体２０５との間にある。
積層グラフェンアレイ２０８は複数の二次元センサアレイを備える。複数のバンドパスフィルタ２１０の各バンドパスフィルタは、積層グラフェンアレイ２０８の二つのグラフェンアレイ間に挟まれる。
積層グラフェンアレイ２０８は、所望の数のグラフェンアレイを含む。例示的な一例では、積層グラフェンアレイ２０８は、二つのグラフェンアレイのみを有する。他の例示的な例では、積層グラフェンアレイ２０８は三つのグラフェンアレイを有する。一部の例示的な例では、積層グラフェンアレイ２０８は三つよりも多くのグラフェンアレイを有し得る。
図示のように、積層グラフェンアレイ２０８は、基板２０６上の第一アレイのグラフェンセンサ２１４と、第一アレイのグラフェンセンサ２１４の上に積層させた第二アレイのグラフェンセンサ２１６とを備える。積層グラフェンアレイ２０８が第一アレイのグラフェンセンサ２１４及び第二アレイのグラフェンセンサ２１６を有する場合、複数のバンドパスフィルタ２１０は、第一アレイのグラフェンセンサ２１４と第二アレイのグラフェンセンサ２１６との間に第一バンドパスフィルタ２１８を備える。
図示のように、積層グラフェンアレイ２０８は、第二アレイのグラフェンセンサ２１６の上に積層させた第三アレイのグラフェンセンサ２２０を更に備える。第三アレイのグラフェンセンサ２２０が存在する場合、複数のバンドパスフィルタ２１０は、第二アレイのグラフェンセンサ２１６と第三アレイのグラフェンセンサ２２０との間に第二バンドパスフィルタ２２２を更に備える。
第一バンドパスフィルタ２１８は、第二バンドパスフィルタ２２２よりも長波長の或る範囲のエネルギーを吸収する。第一バンドパスフィルタ２１８は波長範囲２２６を有するエネルギー２２４を吸収する。第二バンドパスフィルタ２２２は波長範囲２３０を有するエネルギー２２８を吸収する。波長範囲２２６内の波長は、波長範囲２３０内の波長よりも長い。
一部の例示的な例では、第三バンドパスフィルタ２３２が、第三アレイのグラフェンセンサ２２０の上に存在する。第三バンドパスフィルタ２３２は、第三アレイのグラフェンセンサ２２０が存在する場合の任意選択的なものである。一部の例示的な例では、第三アレイのグラフェンセンサ２２０の厚さ２３６が、第三バンドパスフィルタ２３２が存在しない場合に第三アレイのグラフェンセンサ２２０が検出するエネルギー２４０の第三波長２３８を決定する。存在する場合には、第三バンドパスフィルタ２３２が、第三アレイのグラフェンセンサ２２０に入射するエネルギーの量を低減する。第三バンドパスフィルタ２３２は、第三アレイのグラフェンセンサ２２０に入射する波長の量を低減する。
第二バンドパスフィルタ２２２は、第三バンドパスフィルタ２３２よりも長波長の或る範囲のエネルギーを吸収する。第二バンドパスフィルタ２２２は波長範囲２３０を有するエネルギー２２８を吸収する。第三バンドパスフィルタ２３２は波長範囲２４４を有するエネルギー２４２を吸収する。波長範囲２３０内の波長は波長範囲２４４内の波長よりも長い。
熱イメージングシステム２００において、基板２０６上の各積層グラフェンアレイ２０８は、略１０〜５０マイクロメートルの厚さを有する。第一アレイのグラフェンセンサ２１４が受ける第一波長２４８を有するエネルギー２４６は、第一バンドパスフィルタ２１８と、第一アレイのグラフェンセンサ２１４の厚さ２５０との影響を受ける。第一バンドパスフィルタ２１８は、エネルギー２５４の第二波長２５２とエネルギー２４６の第一波長２４８との間の範囲の波長を吸収する。
第一物質２５６は、波長範囲２２６を吸収するように選択される。第一物質２５６は、波長範囲２２６がエネルギー２５４の第二波長２５２とエネルギー２４６の第一波長２４８との間の所望の差を与えるように選択され得る。
第一アレイのグラフェンセンサ２１４の厚さ２５０は第一波長２４８に影響を与える。厚さ２５０は、エネルギー２４６の侵入によって第一波長２４８のみを検出するように選択される。基板２０６上の各積層グラフェンアレイ２０８は略１０〜５０マイクロメートルの厚さを有する。厚さ２５０は略１０マイクロメートルから略５０マイクロメートルまでの範囲内である。
積層グラフェンアレイ２０８が第一アレイのグラフェンセンサ２１４及び第二アレイのグラフェンセンサ２１６のみを含む場合、第二バンドパスフィルタ２２２は任意選択的なものである。第二アレイのグラフェンセンサ２１６が受ける第二波長２５２を有するエネルギー２５４は、第二バンドパスフィルタ２２２（存在する場合）と、第二アレイのグラフェンセンサ２１６の厚さ２５８との影響を受ける。
第三アレイのグラフェンセンサ２２０は任意選択的なものであり得る。第三アレイのグラフェンセンサ２２０が存在する場合、第二バンドパスフィルタ２２２も存在する。第三アレイのグラフェンセンサ２２０及び第二バンドパスフィルタ２２２が存在する場合、第二バンドパスフィルタ２２２は、エネルギー２５４の第二波長２５２とエネルギー２４０の第三波長２３８との間の波長範囲２３０を吸収する。
第二物質２６０は、波長範囲２３０を吸収するように選択される。第二物質２６０は、波長範囲２３０がエネルギー２５４の第二波長２５２とエネルギー２４０の第三波長２３８との間の所望の差を与えるように選択され得る。
第二アレイのグラフェンセンサ２１６の厚さ２５８は第二波長２５２に影響を与える。厚さ２５８は、エネルギー２５４の侵入によって第二波長２５２のみを検出するように選択される。厚さ２５８は略１０マイクロメートルから略５０マイクロメートルまでの範囲内である。
積層グラフェンアレイ２０８は第三アレイのグラフェンセンサ２２０も含み得る。こうした例示的な例では、第三バンドパスフィルタ２３２は任意選択的なものである。第三アレイのグラフェンセンサ２２０が受ける第三波長２３８を有するエネルギー２４０は、第三バンドパスフィルタ２３２（存在する場合）と、第三アレイのグラフェンセンサ２２０の厚さ２３６との影響を受ける。
第三バンドパスフィルタ２３２が存在する場合、第三バンドパスフィルタ２３２は波長範囲２４４を吸収し、第三アレイのグラフェンセンサ２２０が或る範囲の波長というよりもむしろエネルギー２４０の第三波長２３８を検出するようにする。第三物質２６２は波長範囲２４４を吸収するように選択される。
第三アレイのグラフェンセンサ２２０の厚さ２３６は第三波長２３８に影響を与える。厚さ２３６は、エネルギー２４０の侵入によって第三波長２３８のみを検出するように選択される。厚さ２３６は略１０マイクロメートルから略５０マイクロメートルまでの範囲内である。
第一波長２４８、第二波長２５２及び第三波長２３８は、熱イメージングシステム２００の設計によって厳密に制御される。より具体的には、第一波長２４８、第二波長２５２及び第三波長２３８は、第一アレイのグラフェンセンサ２１４の厚さ２５０と、第一バンドパスフィルタ２１８と、第二アレイのグラフェンセンサ２１６の厚さ２５８と、第二バンドパスフィルタ２２２と、第三アレイのグラフェンセンサ２２０の厚さ２３６と、第三バンドパスフィルタ２３２（存在する場合）とによって厳密に制御される。
第一アレイのグラフェンセンサ２１４と、第二アレイのグラフェンセンサ２１６と、第三アレイのグラフェンセンサ２２０とは積層される。第一アレイのグラフェンセンサ２１４の表面積２６４と、第二アレイのグラフェンセンサ２１６の表面積２６６と、第三アレイのグラフェンセンサ２２０の表面積２６８とは実質的に同じである。隣接するグラフェンアレイではなくて積層グラフェンアレイ２０８とすることによって、熱イメージングシステム２００の分解能が増大する。熱イメージングシステム２００の分解能は、画像拡大を含む応用における関心事項である。例えば、熱イメージングシステム２００は、天文学的応用における星の赤外線エネルギーをイメージングするのに用いられ得る。
動作時には、熱イメージングシステム２００は赤外線エネルギーを２７０受ける。第一アレイのグラフェンセンサ２１４はエネルギー２４６の測定結果２７２を生成する。第二アレイのグラフェンセンサ２１６はエネルギー２５４の測定結果２７４を生成する。存在する場合には、第三アレイのグラフェンセンサ２２０がエネルギー２４０の測定結果２７６を生成する。
第一波長２４８を有するエネルギー２４６の測定結果２７２及び第二波長２５２のエネルギー２５４の測定結果２７４を用いて、温度２０４を決定する。第三アレイのグラフェンセンサ２２０が存在する場合には、第一波長２４８を有するエネルギー２４６の測定結果２７２及び第二波長２５２のエネルギー２５４の測定結果２７４に加えて、第三波長２３８を有するエネルギー２４０の測定結果２７６を用いて、温度２０４を決定する。
一部の例示的な例では、測定結果２７２、測定結果２７４、測定結果２７６等の測定結果は、エネルギー２４６、エネルギー２５４、エネルギー２４０等のエネルギーの検出に応答して生成された信号であり得る。熱イメージングシステム２００から受け取った測定結果を処理するように構成されたカメラ２７８に熱イメージングシステム２００が接続される。
カメラ２７８は熱イメージングシステム２００に接続される。カメラ２７８は、測定結果２７２、測定結果２７４及び測定結果２７６を受け取り、測定結果２７２、測定結果２７４及び測定結果２７６の処理を行う。一部の例示的な例では、カメラ２７８は、クロックドライバ、クロック・タイミング発生、利得、アナログ・デジタル変換、ラインドライバ、発振器、バイアス発生のうち少なくとも一つを含む。カメラ２７８は、測定結果２７２、測定結果２７４及び測定結果２７６を用いて二次元画像を発生させ得る。
プロセッサ２８０は処理された測定結果を受け取る。プロセッサ２８０は温度２０４を決定する。温度２０４を決定するための方程式の非限定的な一例は、特許文献１に記載されている以下の式（１）である：
Ｒλ１＝ελ１Ｅｂλ１（Ｔｓｕｒｆ）＋（１−ελ１）Ｅｂλ１（Ｔｓｕｒｒ）
Ｒλ２＝ελ２Ｅｂλ２（Ｔｓｕｒｆ）＋（１−ελ２）Ｅｂλ２（Ｔｓｕｒｒ） （１）
Ｒλ３＝ελ３Ｅｂλ３（Ｔｓｕｒｆ）＋（１−ελ３）Ｅｂλ３（Ｔｓｕｒｒ）
ここで、εは放射率であり、λ１は第一波長２４８であり、λ２は第二波長２５２であり、λ３は第三波長２３８であり、Ｅｂはプランク分布からの完全黒体が放出するエネルギー量であり、Ｒは熱イメージングシステム２００からの反射強度エネルギー測定値であり、Ｔｓｕｒｆは構造体２０５の表面の温度２０４であり、Ｔｓｕｒｒは環境２０２の温度２０３である。Ｔｓｕｒｒはあらゆる所望の方法を用いて決定される。例えば、Ｔｓｕｒｒを求める場合、Ｔｓｕｒｒは、周囲表面の温度及びその幾何学的配置に相当する値であり得る。
Ｒλ１＝ελ１Ｅｂλ１（Ｔｓｕｒｆ）＋（１−ελ１）Ｅｂλ１（Ｔｓｕｒｒ）
Ｒλ２＝ελ２Ｅｂλ２（Ｔｓｕｒｆ）＋（１−ελ２）Ｅｂλ２（Ｔｓｕｒｒ） （１）
Ｒλ３＝ελ３Ｅｂλ３（Ｔｓｕｒｆ）＋（１−ελ３）Ｅｂλ３（Ｔｓｕｒｒ）
ここで、εは放射率であり、λ１は第一波長２４８であり、λ２は第二波長２５２であり、λ３は第三波長２３８であり、Ｅｂはプランク分布からの完全黒体が放出するエネルギー量であり、Ｒは熱イメージングシステム２００からの反射強度エネルギー測定値であり、Ｔｓｕｒｆは構造体２０５の表面の温度２０４であり、Ｔｓｕｒｒは環境２０２の温度２０３である。Ｔｓｕｒｒはあらゆる所望の方法を用いて決定される。例えば、Ｔｓｕｒｒを求める場合、Ｔｓｕｒｒは、周囲表面の温度及びその幾何学的配置に相当する値であり得る。
積層グラフェンアレイ２０８が第一アレイのグラフェンセンサ２１４と第二アレイのグラフェンセンサ２１６と第三アレイのグラフェンセンサ２２０を含む場合、第一波長２４８、第二波長２５２及び第三波長２３８は、第一アレイのグラフェンセンサ２１４の厚さ２５０と、第一バンドパスフィルタ２１８と、第二アレイのグラフェンセンサ２１６の厚さ２５８と、第二バンドパスフィルタ２２２と、第三アレイのグラフェンセンサ２２０の厚さ２３６と、任意の第三バンドパスフィルタ２３２とによって厳密に制御され得る。結果として、ελ１＝ελ２＝ελ３＝εと仮定することができる。この仮定を用いて、式（１）をＴｓｕｒｆ、Ｔｓｕｒｒ、及びεについて解くことができる。
積層グラフェンアレイが三つのアレイのグラフェンセンサを含む場合、式（１）をＴｓｕｒｆ、Ｔｓｕｒｒ、及びεについて解くことができる。積層グラフェンアレイが、第一アレイのグラフェンセンサ２１５及び第二アレイのグラフェンセンサ２１６等の二つのアレイのグラフェンセンサを含む場合、Ｔｓｕｒｒを独立的に測定又は推定することで、式（１）をＴｓｕｒｆ及びεについて解くことができる。一部の例示的な例、例えば、熱イメージングシステム２００の積層グラフェンアレイ２０８が三つのアレイのグラフェンセンサを備える場合等には、Ｔｓｕｒｒは、熱イメージングシステム２００が受けた反射エネルギーに基づく。他の例示的な例、例えば、熱イメージングシステム２００の積層グラフェンアレイ２０８が二つのアレイのグラフェンセンサを備える場合等には、Ｔｓｕｒｒは、温度計やサーモカップル等の他の機器によって決定され得る。積層グラフェンアレイ２０８が二つのアレイのグラフェンセンサのみを有する場合には、他の機器からＴｓｕｒｒを与えることで、式（１）をＴｓｕｒｆ及びεについて解くことができる。
熱イメージングシステム２００は環境２０２内において使用されるものとして示されている。例えば、熱イメージングシステム２００は、環境２０２内の構造体２０５の赤外線エネルギー２７０を受ける。熱イメージングシステム２００は、製造環境２８２における一連の堆積及び物質配置ステップによって製造される。
図２の熱イメージングシステム２００、環境２０２及び製造環境２８２の例示は、例示的な実施形態が実施可能となる方法を物理的又は建築的に制限するものではない。例示されているものに加えて又は代えて、他の構成要素を使用し得る。一部の構成要素は不要となり得る。また、ブロックは、一部の機能的構成要素を例示するものとして与えられている。例示的な実施形態を実施する場合には、これらブロックのうち一つ以上を結合し、分割し、又は異なるブロックへと結合及び分割し得る。
例えば、一部の例示的な例では、第三バンドパスフィルタ２３２が存在しない。第三バンドパスフィルタ２３２が存在しない場合、厚さ２３６がエネルギー２４０の第三波長２３８を制御し得る。
他の例示的な例では、熱イメージングシステム２００を冷却するための冷却デバイスが存在し得る。グラフェンから積層グラフェンアレイ２０８を形成すると、大気温度又は高温において機能するために冷却デバイスを必要としない抵抗検出器が生成される。動作には不必要であるが、冷却デバイスが存在する場合には、電子的雑音を低減し得る。
図示されていないが、積層グラフェンアレイ２０８は、一組のワイヤや他の所望の接続部によってカメラ２７８に通信可能に結合される。一部の例示的な例では、各積層グラフェンアレイ２０８は、複数の送信ライン又は通信ラインにそれぞれ接続される。
例示的な一例では、複数のラインを堆積させて、第一アレイのグラフェンセンサ中の各センサをカメラ２７８に接続する。この例示的な例では、複数のラインはグラフェン製であり得る。第二アレイのグラフェンセンサ２１６及び第三アレイのグラフェンセンサ２２０の各センサは、複数の送信ライン又は通信ラインを用いて、第二アレイのグラフェンセンサ２１６及び第三アレイのグラフェンセンサ２２０の外部に通信可能に接続され得る。
以下、図３を参照すると、例示的な実施形態に係る熱イメージングシステムの断面図の模式図が示されている。熱イメージングシステム３００は、図２の熱イメージングシステム２００の物理的な実施形態である。
熱イメージングシステム３００は、基板３０４上の積層グラフェンアレイ３０２と、積層グラフェンアレイ３０２を分離する複数のバンドパスフィルタ３０６とを含む。図示のように、積層グラフェンアレイ３０２は、基板３０４上の第一アレイのグラフェンセンサ３０８と、第一アレイのグラフェンセンサ３０８の上に積層させた第二アレイのグラフェンセンサ３１０とを備える。複数のバンドパスフィルタ３０６は、第一アレイのグラフェンセンサ３０８と第二アレイのグラフェンセンサ３１０との間に第一バンドパスフィルタ３１２を備える。
積層グラフェンアレイ３０２は、第二アレイのグラフェンセンサ３１０の上に積層させた第三アレイのグラフェンセンサ３１４を更に備える。複数のバンドパスフィルタ３０６は、第二アレイのグラフェンセンサ３１０と第三アレイのグラフェンセンサ３１４との間に第二バンドパスフィルタ３１６を更に備える。
熱イメージングシステム３００は構造体２０５等の構造体に向けられる。熱イメージングシステム３００が構造体に向けられると、積層グラフェンアレイ３０２が構造体の表面と向き合う。熱イメージングシステム３００が構造体に向けられると、積層グラフェンアレイ３０２は基板３０４と構造体との間に存在する。構造体の表面からのエネルギーは、熱イメージングシステム３００の積層グラフェンアレイ３０２によって受け取られる。
熱イメージングシステム３００は、第三アレイのグラフェンセンサ３１４から第一アレイのグラフェンセンサ３０８に向かう順に積層グラフェンアレイ３０２の各グラフェンアレイがより長波長のエネルギーを検出するように構成される。
第二アレイのグラフェンセンサ３１０は、図２の構造体２０５等の構造体の表面からのエネルギー３１８を検出する。エネルギー３１８は、図２の第二波長２５２等の第二波長を有する。エネルギー３１８の第二波長は、上記式（１）のλ２で表される。
第二アレイのグラフェンセンサ３１０は、第三アレイのグラフェンセンサ３１４よりも長波長のエネルギーを検出する。第二アレイのグラフェンセンサ３１０が検出するエネルギー３１８は、第三アレイのグラフェンセンサ３１４が検出するエネルギー３２０よりも長波長を有する。
第三アレイのグラフェンセンサ３１４は、図２の構造体２０５等の構造体の表面からのエネルギー３２０を検出する。エネルギー３２０は、図２の第三波長２３８等の第三波長を有する。エネルギー３２０の第三波長は、上記式（１）のλ３で表される。
第一アレイのグラフェンセンサ３０８は、第二アレイのグラフェンセンサ３１０よりも長波長のエネルギーを検出する。第一アレイのグラフェンセンサ３０８が検出するエネルギーは、第二アレイのグラフェンセンサ３１０が検出するエネルギー３１８よりも長波長を有する。
第一アレイのグラフェンセンサ３０８は、図２の構造体２０５等の構造体の表面からのエネルギー３２２を検出する。エネルギー３２２は、図２の第一波長２４８等の第一波長を有する。エネルギー３２２の第一波長は、上記式（１）のλ１で表される。
複数のバンドパスフィルタ３０６は、積層グラフェンアレイ３０２について検出エネルギーの波長における大きな差を導入するように構成される。複数のバンドパスフィルタ３０６は赤外線エネルギーを吸収するように構成される。
第一バンドパスフィルタ３１２は、第二バンドパスフィルタ３１６よりも長波長の範囲のエネルギーを吸収する。一部の例示的な例では、図示されていないが、第三バンドパスフィルタが第三アレイのグラフェンセンサ３１４の上に存在し得る。こうした例示的な例では、第三バンドパスフィルタが、第三アレイのグラフェンセンサ３１４が検出するエネルギー３２０の波長に影響を与える。
基板３０４上の積層グラフェンアレイ３０２の各々は略１０〜５０マイクロメートルの厚さを有する。各積層グラフェンアレイ３０２の厚さは、±１ナノメートルの公差を有する。
以下、図４を参照すると、例示的な実施形態に係る熱イメージングシステムの分解図の模式図が示されている。図４００は、図３の熱イメージングシステム３００の分解図である。図４００に見て取れるように、第一アレイのグラフェンセンサ３０８と第二アレイのグラフェンセンサ３１０と第三アレイのグラフェンセンサ３１４との各々の表面積は同じ表面積を有する。
以下、図５を参照すると、例示的な実施形態に係る熱イメージングシステムを形成する方法のフローチャートの模式図が示されている。方法５００を用いて、図２の熱イメージングシステム２００を形成し得る。方法５００を用いて、図１のエンジン１０８とエンジン１１０とのうち少なくとも一つの内部の温度を決定する熱イメージングシステムを形成し得る。方法５００を用いて、図３及び図４の熱イメージングシステム３００を形成し得る。
方法５００は、基板上にグラフェンを堆積させて、第一アレイのグラフェンセンサを形成する（工程５０２）。方法５００は、第一アレイのグラフェンセンサ上に第一物質を配置して、第一バンドパスフィルタを形成する（工程５０４）。方法５００は、第一バンドパスフィルタ上に第二層のグラフェンを堆積させて、第二アレイのグラフェンセンサを形成する（工程５０６）。その後、プロセスは終了する。一部の例示的な例では、第一アレイのグラフェンセンサ及び第二アレイのグラフェンセンサの各々は略１０〜５０マイクロメートルの厚さを有する。
以下、図６を参照すると、例示的な実施形態に係る構造体の表面の温度を決定する方法のフローチャートの模式図が示されている。方法６００は、図２の熱イメージングシステム２００又は図３及び図４の熱イメージングシステム３００を用い得る。方法６００を用いて、図１のエンジン１０８とエンジン１１０のうち少なくとも一つの温度を決定し得る。方法６００を用いて、図２の構造体２０５の温度２０４を決定し得る。
方法６００は、熱イメージングシステムを構造体に向けて位置決めするが、その熱イメージングシステムは、基板上の第一アレイのグラフェンセンサと、第一アレイのグラフェンセンサの上に積層させた第二アレイのグラフェンセンサと、第一アレイのグラフェンセンサと第二アレイのグラフェンアレイとの間の第一バンドパスフィルタとを備える（工程６０２）。熱イメージングシステムが構造体と向き合う場合、第一アレイのグラフェンセンサ及び第二アレイのグラフェンセンサは基板と構造体との間にある。
方法６００は、第一波長を有する構造体からのエネルギーを第一アレイのグラフェンセンサにおいて受ける（工程６０４）。方法６００は、第二波長を有する構造体からのエネルギーを第二アレイのグラフェンセンサにおいて受けるが、第一波長は第二波長よりも長い（工程６０６）。方法６００は、第一波長を有するエネルギーの測定結果及び第二波長を有するエネルギーの測定結果を用いて構造体の温度を決定する（工程６０８）。その後、プロセスは終了する。
図示されている多様な例示的な実施形態におけるフローチャート及びブロック図は、例示的な実施形態の設計、機能性を例示し、また、方法及び装置の一部の可能な実施形態の動作を例示するものである。この点に関し、フローチャートやブロック図における各ブロックは、モジュール、セグメント、機能、及び／又は、工程やステップの一部を表すものであり得る。
例示的な実施形態の一部の代替実施形態では、ブロックに記されている機能が、図に記されている順序外で行われ得る。例えば、含まれている機能性に応じて、場合によっては、続けて示されている二つのブロックが実質的に同時に実行され得て、また、場合によっては、ブロックが逆の順序で行われ得る。また、フローチャートやブロック図に示されているブロックに加えて、他のブロックを追加し得る。一部の例示的な例では、図５の方法５００は、第二アレイのグラフェンセンサの上に第二物質を配置して、第二バンドパスフィルタを形成することを更に備え、第一バンドパスフィルタが、第二バンドパスフィルタよりも長波長の範囲のエネルギーを吸収する。こうした例示的な例では、図５の方法５００は、第二バンドパスフィルタ上に第三層のグラフェンを堆積させて、第三アレイのグラフェンセンサを形成することを更に備える。
また、一部の例示的な例では、方法５００は、第三アレイのグラフェンセンサ上に第三物質を配置して、第三バンドパスフィルタを形成することを更に備え、第二バンドパスフィルタは、第三バンドパスフィルタよりも長波長の範囲のエネルギーを吸収する。方法５００の一部の例示的な例では、第一バンドパスフィルタ及び第二バンドパスフィルタはどちらも赤外線エネルギーを吸収するように構成される。
一部の例示的な例では、方法５００は、基板上に物質を堆積させて、第一アレイのグラフェンセンサ用の複数の送信ライン又は通信ラインを形成することを更に備える。送信ライン又は通信ラインは第一アレイのグラフェンセンサをカメラと他のプロセッサとのうち少なくとも一つに接続する。一部の例示的な例では、方法５００は、各アレイのグラフェンセンサ用にそれぞれ複数の送信ライン又は通信ラインを形成する。
カメラは、方法５００を用いて形成された熱イメージングシステムからの測定結果を用いて、二次元表現を発生させ得る。プロセッサは、方法５００を用いて形成された熱イメージングシステムからの測定結果を用いて構造の表面の温度を決定し得る。
一部の例示的な例では、図６の方法６００は、第一バンドパスフィルタを用いて、第一波長と第二波長との間の波長範囲を有するエネルギーをフィルタリングすることを更に備える。
方法６００の一部の例示的な例では、熱イメージングシステムは、第三アレイのグラフェンセンサを更に備え、方法６００は第三波長を有するエネルギーを第三アレイのグラフェンセンサにおいて受けることを更に備える。第二波長は第三波長よりも長い。こうした例示的な例では、構造体の温度を決定することは、第三波長を有するエネルギーの測定結果を用いる。
一部の例示的な例では、方法６００において、熱イメージングシステムは、第二アレイのグラフェンセンサと第三アレイのグラフェンセンサとの間に第二バンドパスフィルタを更に備える。こうした例示的な例では、方法６００は、第二バンドパスフィルタを用いて、第二波長と第三波長との間の波長範囲を有するエネルギーをフィルタリングすることを更に備える。
一部の例示的な例では、カメラは、熱イメージングシステムからの測定結果を用いて、二次元表現を発生させ得る。測定結果をプロセッサと通信して、方法５００を用いて形成された熱イメージングシステムからの測定結果を用いて、構造体の表面の温度を決定し得る。
例示的な実施形態は、ＩＲバンドパスのバンドパスフィルタを間に挟み込んだ二層以上の構成のカーボンナノチューブベースのＩＲ焦点面アレイ検出器の製造方法を説明する。この多層のカーボンナノチューブ焦点面アレイは、放射率の情報を必要とせずに正確な温度測定のために使用可能なフレキシブル環境温度ＩＲイメージングシステムを開発することを可能にする。本ＩＲイメージング器は、黒体のプランク曲線の極低又は高スペクトル応答測定に使用可能である。プランク曲線は、所定の温度における黒体からのスペクトル応答である。
多様な例示的実施形態の説明は、例示及び説明目的のものであって、開示されている形式に実施形態を限定するものではない。多数の修正及び変更が当業者には明らかである。更に、多様な例示的な実施形態は、他の例示的な実施形態と比較して異なる特徴を提供し得る。選択された実施形態は、実施形態の原理、実際の応用を最良に説明し、また、想定される特定の使用に適するような多様な修正と共に多様な実施形態についての開示を当業者が理解することができるように選択されたものである。
３００ 熱イメージングシステム
３０４ 基板
３０８ 第一アレイのグラフェンセンサ
３１０ 第二アレイのグラフェンセンサ
３１２ 第一バンドパスフィルタ
３１４ 第三アレイのグラフェンセンサ
３１６ 第二バンドパスフィルタ
３０４ 基板
３０８ 第一アレイのグラフェンセンサ
３１０ 第二アレイのグラフェンセンサ
３１２ 第一バンドパスフィルタ
３１４ 第三アレイのグラフェンセンサ
３１６ 第二バンドパスフィルタ
Claims (14)
- 基板（２０６）の上の第一アレイのグラフェンセンサ（２１４）と、前記第一アレイのグラフェンセンサ（２１４）の上に積層させた第二アレイのグラフェンセンサ（２１６）と、前記第一アレイのグラフェンセンサ（２１４）と前記第二アレイのグラフェンセンサ（２１６）との間の第一バンドパスフィルタ（２１８）とを備える熱イメージングシステム（２００）を構造体（２０５）に向けて位置決めすることと、
第一波長（２４８）を有する前記構造体（２０５）からのエネルギー（２４６）を前記第一アレイのグラフェンセンサ（２１４）において受けることと、
前記第一波長（２４８）よりも短い第二波長（２５２）を有する前記構造体（２０５）からのエネルギー（２５４）を前記第二アレイのグラフェンセンサ（２１６）において受けることと、
前記第一波長（２４８）を有するエネルギー（２４６）の測定結果及び前記第二波長（２５２）を有するエネルギー（２５４）の測定結果を用いて、前記構造体（２０５）の温度を決定することとを備える方法。 - 前記第一バンドパスフィルタ（２１８）を用いて、前記第一波長（２４８）と前記第二波長（２５２）との間の波長範囲（２２６）を有するエネルギー（２２４）をフィルタリングすることを更に備える請求項１に記載の方法。
- 前記熱イメージングシステム（２００）が第三アレイのグラフェンセンサ（２２０）を更に備え、
前記方法が、前記第二波長（２５２）よりも短い第三波長（２３８）を有するエネルギー（２４０）を前記第三アレイのグラフェンセンサ（２２０）において受けることを更に備え、
前記構造体（２０５）の温度（２０４）を決定することが、前記第三波長（２３８）を有するエネルギー（２４０）の測定結果を用いる、請求項１又は２に記載の方法。 - 前記熱イメージングシステム（２００）が前記第二アレイのグラフェンセンサ（２１６）と前記第三アレイのグラフェンセンサ（２２０）との間の第二バンドパスフィルタ（２２２）を更に備え、
前記第二バンドパスフィルタ（２２２）を用いて、前記第二波長（２５２）と前記第三波長（２３８）との間の波長範囲を有するエネルギー（２２８）をフィルタリングすることを更に備える請求項３に記載の方法。 - 基板（２０６）と、
前記基板（２０６）の上の積層グラフェンアレイ（２０８）と、
前記積層グラフェンアレイ（２０８）を分離する複数のバンドパスフィルタ（２１０）とを備える熱イメージングシステム（２００）。 - 前記積層グラフェンアレイ（２０８）が複数の二次元センサアレイを備え、
前記複数のバンドパスフィルタ（２１０）の各バンドパスフィルタが、前記積層グラフェンアレイ（２０８）の二つのグラフェンアレイの間にそれぞれ挟まれている、請求項５に記載の熱イメージングシステム（２００）。 - 前記積層グラフェンアレイ（２０８）が、前記基板（２０６）の上の第一アレイのグラフェンセンサ（２１４）と、前記第一アレイのグラフェンセンサ（２１４）の上に積層させた第二アレイのグラフェンセンサ（２１６）とを備え、
前記複数のバンドパスフィルタ（２１０）が、前記第一アレイのグラフェンセンサ（２１４）と前記第二アレイのグラフェンセンサ（２１６）との間の第一バンドパスフィルタ（２１８）を備える、請求項５又は６に記載の熱イメージングシステム（２００）。 - 前記積層グラフェンアレイ（２０８）が、前記第二アレイのグラフェンセンサ（２１６）の上に積層させた第三アレイのグラフェンセンサ（２２０）を更に備え、
前記複数のバンドパスフィルタ（２１０）が、前記第二アレイのグラフェンセンサ（２１６）と前記第三アレイのグラフェンセンサ（２２０）との間の第二バンドパスフィルタ（２２２）を更に備える、請求項７に記載の熱イメージングシステム（２００）。 - 前記第一バンドパスフィルタ（２１８）が前記第二バンドパスフィルタ（２２）よりも長波長の範囲のエネルギー（２２４）を吸収する、請求項８に記載の熱イメージングシステム（２００）。
- 前記第三アレイのグラフェンセンサ（２２０）の上に第三バンドパスフィルタ（２３２）を更に備え、
前記第二バンドパスフィルタ（２２２）が前記第三バンドパスフィルタ（２３２）よりも長波長の範囲のエネルギー（２２８）を吸収する、請求項９に記載の熱イメージングシステム（２００）。 - 前記基板（２０６）の上の前記積層グラフェンアレイ（２０８）の各々が略１０〜５０マイクロメートルの厚さを有する、請求項５から１０のいずれか一項に記載の熱イメージングシステム（２００）。
- 前記複数のバンドパスフィルタ（２１０）の各々が赤外線エネルギー（２７０）を吸収するように構成されている、請求項５から１１のいずれか一項に記載の熱イメージングシステム（２００）。
- 前記熱イメージングシステム（２００）から受け取った測定結果を処理するように構成されたカメラ（２７８）に接続されている請求項５から１２のいずれか一項に記載の熱イメージングシステム（２００）。
- 前記積層グラフェンアレイ（２０８）の各々が、複数の送信ライン又は通信ラインにそれぞれ接続されている、請求項１３に記載の熱イメージングシステム（２００）。
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