JP2716253B2 - 高速応答性赤外線ターゲット、及び光軸合わせ試験システム - Google Patents

高速応答性赤外線ターゲット、及び光軸合わせ試験システム

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JP2716253B2
JP2716253B2 JP2226416A JP22641690A JP2716253B2 JP 2716253 B2 JP2716253 B2 JP 2716253B2 JP 2226416 A JP2226416 A JP 2226416A JP 22641690 A JP22641690 A JP 22641690A JP 2716253 B2 JP2716253 B2 JP 2716253B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、熱探査検出器のような検出器に用いられ、
赤外線(IR)を放射するIRターゲットとして役立つ装置
に関し、特に赤外空間強度変化を有するダイナミックIR
画像が生成されるダイナミックIRターゲットに関する。
(従来の技術、及び発明が解決しようとする課題) IRターゲットは波長λの入射光を波長λの光に変
換し、少なくとも一つの波長は赤外線帯域である。最
近、IRターゲットはミサイル追跡装置の試験や、熱画像
受信器(FLIR:Forward Looking Infrared Receive
r)又はカメラのような装置に用いられている。FLIR
は、各IR検出器及び画像光学器具における、水銀カドミ
ウムテルル化合物の焦点平面アレイのような検出装置を
含む。FLIRはミサイル探査システムの構成部分として用
いることができ、FLIRは又、他の用途に用いることもで
きる。現在用いられているミサイル追跡装置は、可視光
又は近赤外波長帯域で動作する。遠赤外波長帯域で動作
するFLIRも現在存在する。本質的にFLIRは、検出した画
像を表示する観察スクリーンを有する熱ビデオカメラで
ある。
従来のIRターゲットは、レーザ・FLIR周波数変換装置
に通常用いられるBLYセルである。“ダイナミック画像
シミュレーションに用いる赤外線変換に関する受動的視
界”(“Passive Visible to Infrared Transducer
for Dynamic Image Simulation"Vincent T.Bly,S
PIE Proceedings,Vol.226,1980年 4月)を参照願い
たい。BLYセルは、一般に可視光画像が照射され、対応
する赤外画像を発生するゴールドブラック(goldblac
k)のような材料の非常に薄い部材によって構成され
る。入射光エネルギは吸収され、熱エネルギ(IR)に変
換される。しかしBLYセルは高速応答性、又は所望のダ
イナミックレンジを有せず、ハイパワーレベルを扱うこ
とができず、高温では焼結する傾向があり、部材が薄い
ために(及び背部の基板が無いために)非常に壊れやす
い。
液晶光バルブがダイナミックIRシステムに用いられ
た。そのバルブにおいて、液晶の背部にはフォトセルア
レイ(photocellarray)が設けられた。光が入射した液
晶部分には、その入射した光の量に対応して電圧が発生
する。液晶を照らすソース(source)からの偏光したIR
放射は、液晶を通過し、IRの偏光面は、液晶に印加され
た電圧に対応して回転する。液晶を通過し、アレイ背部
のIRミラーから反射したIRの経路には交差偏向器が設け
られる。このようにして(偏光された)IR画像が形成さ
れる。しかしこのようなシステムは非常に高価であり、
分解能、周波数帯域、及び応答時間に関して、十分な性
能を示さない。
ウェルスバッハ(Welsbach)ターゲットもレーザ・FL
IR周波数変換に用いられた。ウェルスバッハターゲット
はウェルスバッハ材料の薄い層、選択的熱放出器を具備
する。ウェルスバッハターゲットは、リフレッシュの時
間に制限があり、物理的に非常に壊れやすい。そのター
ゲットは、装置の熱慣性(thermal inertia)が画像を
十分高速に変化させるぐらいに小さくなるように十分薄
く、しかも試験環境の中で利用できる程の構造的強度を
もたせて製作することができない。ウェルスバッハター
ゲットの例は、この発明の譲渡人と同一の譲渡人に譲渡
された、米国特許、特許No.4,755,673に開示されてい
る。
従ってこの発明の目的は、設計パラメータに依存する
比較的高速な応答性を有し、優れた空間分解能、及び適
切なダイナミックレンジを有する、比較的低価格のIRタ
ーゲットを提供することである。
更にこの発明の目的は、近IRから遠IR周波数、遠IRか
ら近IR、IRから可視光周波数、及び可視光からIR放射へ
の変換に用いられる改善されたIRターゲットを提供する
ことである。
(課題を解決するための手段と作用) 第1波長の入射光を第2波長の光に変換し、少なくと
も一つの波長は赤外線領域である高速赤外線ターゲット
が開示される。好適実施例において、ターゲットは金属
のような熱伝導材料を有する基板を具備する。断熱ター
ゲット材料層が基板の表面に提供される。断熱材料の厚
さと熱伝導率、及び基板の熱伝導率は、ターゲットの応
答時間を決定する。適切なターゲット材料にはゴールド
ブラック及びウェルスバッハ材料が含まれる。結果的赤
外線ターゲットは、適度な高分解能、高出力を有し、耐
久性があり、広周波数帯域にわたって動作する。
高速赤外ターケットは、レーザ・FLIR調整試験システ
ム、及びFLIR/ミサイル探査試験システムを含む応用に
用いることができる。
本発明のこれら特徴や他の利点は、添付図面を参照す
る実施例の詳細な説明により更に明確となる。
(実施例) 好適実施例において、IRターゲットは、熱伝動基板に
設けられ、小さい比熱を有する断熱性ターゲット(低熱
伝導率)を具備する。このようなターケットが第1図に
ターゲット10として示され、断熱層15が熱伝導性基板20
に設けられる。
層15に適する材料は、ゴールドブラック、ウェルスバ
ッハ材料、及びセリウム(cerium)がドープ(dope)さ
れた重金属酸化物を含む。ゴールドブラックは多穴性の
金であり、光の波長程度の吸収孔を有するために黒色に
見える。ウェルスバッハ材料は選択的放熱材料の一種で
あり、その特徴は米国特許、No.4,755,673に説明されて
おり、その全ての内容は参照としてこの明細書に導入さ
れる。選択的放熱材料は、例えば“選択的放熱器を用い
た光の発生”(“Generating light with selective
thermalradiatora"Phillips Technical Review,E.K
auer,Volume26,no.2,pp.33−47,1965)において説明さ
れている。選択的放熱器は、波長に強く依存する熱放出
機能を有する。特にこのような材料は、目的の赤外波長
において高い放出性と吸収性を有し、可視光範囲におい
て高い放出性と吸収性を有し、中間波長において低い放
出性を有する。この特徴は理想的な選択的放熱器に関す
る、米国特許、No.4,755,673の第1図に示される。
選択的放熱器は通常、耐火性金属酸化物の混合物より
構成され、材料の放出機能を選択するために濃度が選択
される。目的の赤外領域において高い吸収性を有し、可
視光において低い放出性を有する基本材料(例えばジル
コニウム(ziuconium)又はトリウム(thorium)酸化
物)に、可視光周波数領域において高い放出性を有し、
他の領域において低い放出性を有する例えばセリウム酸
化物が微小量ドープされる。米国特許、No.4,755,673の
第2図においては、トリウム酸化物/セリウム酸化物
(ThO2−CeO2)混合物内のセリウム酸化物の濃度に対す
る可視光領域における放出性のスペクトル依存性が説明
されている。このような材料は、米国特許、No.4,755,6
73、コラム8、44〜66行に示されるように、入射した可
視光エネルギを赤外線エネルギに変換するのに用いるこ
とができる。基本材料(ホスト:hosts)と不純物を適切
に選択することによって、選択的放熱器を用いるこの発
明の選択的放出性ターゲットは、それぞれの用途におけ
る目的の特定IR及び可視光波長に適合することができ
る。
その材料に関する比熱だけでなく、比較的小さい熱伝
導率を有する材料の熱伝導率の例が表Iに示される。
(塗料も適切なターゲット材料であるが、その塗料成分
に依存する広い領域が存在するので、表Iには示されて
いない。) 層20に用いられ、比較的大きな熱伝導率を有する適切
な材料としては、アルミニウム、金、銅、銀、及びダイ
アモンドがある。層20が厚く製作されるほど、ターゲッ
トの応答時間は遅くなり、その効率は薄い層のターゲッ
トより良い。このような比明的大きな熱伝導率を有する
材料の例が表IIに示される。
動作に関して、光の波長λは第1図に示されるよう
に、層15の表面16において方向付けられる。入射する放
射波は吸収され、熱エネルギに変換される。入射光は例
えばレーザ又は他の可視光源からの可視光である。
層15の深さは代表的に10-5mから10-3mの範囲である。
層15の深さが浅いと分解能が低下するがリフレッシュレ
ート(refresh rate)は早められ、一方、深さが深い
と空間の完全な状態が維持される。深さが深すぎると伝
導体の効果がなくなり、ターゲットを容認できないほど
に低速化する。
高速リフレッシュ(>60Hz)を有するそのようなター
ゲットの利点は、広い動作周波数帯域を有するばかりで
なく、(ゴールドブラックのような小さい比熱材料を用
いて)高分解能に関する適性を有し(ウェルスバッハ処
理された比熱の小さい材料を用いて)、高出力、高い温
度容量、及び耐久性を有することである。
高速IRターゲットを製作するのに適した技術が多く存
在する。フィルム処理技術には、スラリー(slurry)処
理、プラズマ放射、スパッタリング(sputtering)、イ
オン処理、真空蒸着、ベーキング(baking)及び加圧、
電子ビーム処理、及び化学噴霧処理(chemical vapor
deposition)があるが、それらに限られるものではな
い。これらの技術の内、プラズマ放射、スパッタリン
グ、及びスラリ処理技術が、高速IRターゲットの製作に
現在最も適していると考えられる。
プラズマ放射技術によって、非常に堅く耐久性のある
厚いフィルムを製作することができる。しかし適用され
る温度が非常に高いために、セラミックのような材料の
みを使用することができる。従って、ウェルスバッハ材
料がプラズマ放射技術によって処理される。
スラリー処理は、本質的にペインティング(paintin
g)の一種である。この方法で、ペースト(paste)即ち
浮遊物材料は、溶剤中の浮遊物内のフィルムに適切な材
料によって構成され、基板の表面に供給される。溶剤が
気化するとき、浮遊物材料及び結合剤は、基板表面に付
着する。スラリーを表面に供給する多くの方法があり、
スピンニング(spinning)、ペインティング(paintin
g)、ラミナ流(laminar flowing)などが含まれる。
これら全ての方法は、使用される材料及び処理パラメー
タに依存して、フィルム製作について異なる品質レベル
を提供する。
スパッタリングは方向流イオン打ち込み処理である。
スパッタリングは異なる耐久性の優れた品質のフィルム
を製作することができる。
フィルム処理法は、文書により広範囲に説明されてい
る。例えば、材料研究協会公報(Materiale Research
Society Bulletin)、Vol、XIII、No.11 and 12、
1988年 11月;“プラズマ噴出処理”(“Plasma Spra
y Deposition Processes",H.Herman、材料研究協会公
報 Vol、XIII、No.12、1988年 12月、及び;“スパッ
タ処理方法(Sputter Deposition Processes)”材料
研究協会公報 Vol.XIII,No.12 1988年 12月を参照。
例えば、スラリー処理技術を用いた高速IRターゲット
が製作され、基板上のフィルムを処理した。アルミニウ
ムが基板20に使用され幾つかのターゲットが製造され
た。それらのターゲットは1/64インチから1/4インチの
範囲で、均一な厚みの基板を有するターゲットであっ
た。その基板は商業的に入手できる平面黒色エポキシ塗
装(flat black epoxypaint)によりスプレイ塗装さ
れ(各々1から2コート)、及び乾燥され、優れたター
ゲットを得るためには10-6から10-3メータの厚みが要求
されたが、10-5から10-4メータの範囲の総合コーティン
グ厚みを有した。可視光の緑領域レーザパルス・エネル
ギをターゲットに照射することによって、8〜12ミクロ
ン領域の放射応答速度の上昇が得られる。
基本的効果の論理的考察 熱遷移式が第1式に示される。
ここで、D=(K/Cp)、及びK、Cpは各々熱伝導率及
び比熱である。
第1図によれば、境界条件は、 y=0:(金属は完全な熱伝導体であると仮定する) T(x,y=0,t)=0 (2) y=L(エネルギ流動の保存) y=L T(x,y,t) =T(y)e+j(ωt−kx)と仮定して、熱方程式
(eq1)の解は、 T(x,y,t) =T(x,t)(A sinh(αy)+B cosh(αy))
(4) に関する波動に類似する依存性を仮定すると、 y=Lでの放射束を解くと、 これらの式は代表的材料について、室温(Ta=300゜K)
におけるパーセンテージ効率(%E)に関して解くこと
ができる。二酸化トリウム(thoria)に関して、代表的
パラメータの値は、K=0.037(cal/cm゜Ksec)、Cm=C
p=0.62(cal/cm3゜K)、及びL=0.1cm(絶縁層15の厚
み)に対して、D=0.06(cm2/sec): ウェルスバッハ材料に関して、代表的パラメータはK
=7×10-5(cal/cm゜Ksec)、Cm=Cp=0.011(cal/cm3
゜K)、及びL=0.1cm(絶縁層15の厚み)に対して、D
=6.4×10-3(cm2/sec): ウェルスバッハ材料に関して、背部とターゲットの間
の見掛上のΔT=5゜Kを発生する必要のある投射束S0
はS0=3.7ワット/cm2である。ΔT=5゜Kは殆どのFLIR
装置を試験するのに十分な値である。この光強度密度、
3.7ワット/cm2は、レーザ又は白熱光源のような標準的
手段によって容易に達成できる値である。
第2図はこの発明による高速IRターゲットを用いる、
レーザ・FLIR光軸合わせ(alignment)試験システム50
を示す略図である。レーザ55は占有周波数即ち周波数帯
域λのレーザビームを発生し、このビームはコリメー
ト(collimating)ミラー60に入射する。例えばこのレ
ーザ55は、IR波長帯域(例えば1.06ミクロン)近傍のレ
ーザ光を発生する。ミラー60は、第1図に関して説明さ
れた原則に従って構成される高速IRターゲット10′上に
レーザビームを集光する。ターゲット10′はコリメート
ミラー60の焦点に位置する。ターゲット10′は幾らかの
入射光ビームを吸収し、吸収したエネルギの一部を、周
波数λの任意の方向の放射エネルギに変換する。放出
された放射は、コリメートミラー60によってFLIRセンサ
に方向付けられる。
レーザ・FLIR光軸合わせに関する試験において、その
目的はレーザ・ボアサイト(laser boresight)56がFL
IRボアサイト66に対して完全に平行であるか検証するこ
とである。FLIRボアサイト66はFLIR装置が指示する方向
である。コリメートミラー60の焦点にターゲットを位置
させることによって、ミラーに入射しミラーの光軸に平
行な全ての光はターゲットに集光する。又、ターゲット
から放出する全ての光は、ミラーによって平行になった
後、ミラーの光軸に平行な方向に方向付けられる。従っ
て、レーザビームの像がFLIRスクリーンの中心に現れた
場合、レーザ55のボアサイト56とFLIRボアサイト66は平
行に整列しており、他の場合は平行ではない。
第3図は、この発明による高速IRターゲット10″を用
いるFLIRまたはミサイル探査装置を試験するための試験
装置100を示す略図である。白熱電球のような可視光源1
05は占有波長、即ち波長帯域λの光を発生する。要素
110は、ミサイル像を定義する透明領域と、それを取り
巻く不透明な領域により構成される。要素112は、ター
ゲット10″にミサイルの像を結ぶ画像レンズである。従
って、高速IRターゲットに照射した可視光は、ターゲッ
ト10″の表面にミサイルの形をした像を定義する。入射
した可視光エネルギはターゲット10″によって吸収さ
れ、吸収されたエネルギの幾らかは赤外波長λの放射
に変換される。その放射はミサイルの形をした像を定義
し、それによってミサイルの赤外放射痕跡をシミュレー
ト(simulating)する。この像は、投射された見える像
の動きに対応して、規定の時間を越えて変化、即ち移動
するダイナミックな像である。ダイナミックに変化する
像を発生するために、高強度光源を使用した動画投影機
を用いることができる。赤外線放射はコリメートレンズ
114によって平行になり、FLIR追跡装置、又はミサイル
探査装置115に方向付けられる。
光軸からずれたミサイル像がFLIR追跡装置、又はミサ
イル探査装置に存在するとき、装置によって電気信号が
発生し、ミサイルと考えられる像がどの程度光軸からず
れているかを示す。この値をミサイル像の実際の光軸か
らのずれと比較することによって、その装置を試験及び
校正することができる。
(発明の効果) 改善されたIRターゲットが、近IRから遠IR、遠IRから
近IR、IRから可視光、及び可視光からIR放射への変換に
関して開示された。この発明の効果は以下の項目を含
む。
(a)ターゲットによって放出された情報の高速リフレ
ッシュは、金属基板を介して多すぎる熱を素早く取り除
くことによって達成することができ、前記基板の応答時
間は絶縁材料の厚み及び熱伝導率、及び基板の熱伝導率
によって決定される。
(b)金属背部を設けることによって、更に耐久性のあ
るIRターゲットが提供される(他の多くのターゲットに
は背部がなく、もろく、壊れやすい)。
(c)高速な熱化による吸収された放射の大エネルギに
耐えることができるIRターゲットが提供される。
以上説明された実施例は、この発明の原則に従う特定
の実施例である。当業者はこの発明の範囲を越えずに、
他の構成が容易に考えられるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明によるIRターゲットの略断面図、第2
図はレーザによる範囲検出器及び探査装置の調整検査に
用いられ、第1図に示されるIRターゲットを実施する試
験システムの略図、第3図はFLIR追跡装置、又はミサイ
ル探査装置の試験に用いられ、第1図に示されるIRター
ゲットを実施する試験システムの略図である。 10……IRターゲット、15……断熱性ターゲット材料、20
……基板、50……光軸合わせ試験システム、55……レー
ザ、60……コリメートレンズ、65……FLIR、100……探
査装置試験システム、105……可視光源、112……画像レ
ンズ。
フロントページの続き (72)発明者 デイビッド・ビー・チャング アメリカ合衆国、カリフォルニア州 92680、タステイン、リビングストン 14212 (72)発明者 ジェームス・ダブリユ・リン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90266、マンハッタン・ビーチ、エル ム・アベニュー 1728 (56)参考文献 米国特許4755673(US,A)

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】波長λ1の入射光を波長λ2の放射に変換
    する高速応答性赤外線ターゲットであって、少なくとも
    前記波長の一つは赤外線領域の波長であり、 熱伝導性材料の基板、及び 目的の赤外線領域に高い吸収性を有し可視光領域に低い
    放出性を有する基本材料(base material)と、可視光
    領域に高い放出性を有し他の領域に低い放出性を有する
    不純物材料とを含み、前記目的の赤外線領域と前記可視
    光領域の中間波長領域に低い放出性を有する選択的放熱
    器材料を具備し、前記基板の表面に設けらる断熱性のタ
    ーゲット材料層、 を具備することを特徴とする赤外線ターゲット。
  2. 【請求項2】前記基本材料は、ジルコニウム酸化物とト
    リウム酸化物の中から選択され、前記不純物材料はセリ
    ウム酸化物を含むことを特徴とする請求項1記載の赤外
    線ターゲット。
  3. 【請求項3】第1光軸に沿ってレーザビームを発生する
    レーザ装置と、実質的に前記第1光軸の方向に調整され
    た第2光軸に方向付けられたFLIRセンサと、前記FLIRセ
    ンサの光軸合わせを前記レーザ装置を用いて試験する手
    段とを具備し、前記試験手段は、 熱伝導性材料を具備する基板と、前記基板の平らな表面
    に設けられる断熱性ターゲット材料とを具備するIRター
    ゲットと、 前記レーザビームと前記ターゲットに対して凹面反射面
    が向くように配置され、前記レーザビームを遮り前記タ
    ーゲット材料に反射させ、前記IRターゲットによって放
    出された対応するIR放射が、実質的に前記第1光軸に沿
    って前記FLIRセンサに入射するように構成されるコリメ
    ートミラーと、 を具備することを特徴とするレーザ・FLIR光軸合わせ試
    験システム。
  4. 【請求項4】前記熱伝導性材料は金属を具備することを
    特徴とする請求項3記載の試験システム。
  5. 【請求項5】前記断熱性ターゲット材料は、小さい比熱
    を有することを特徴とする請求項3記載の試験システ
    ム。
  6. 【請求項6】前記ターゲット材料は、目的の赤外線領域
    において高い吸収性を有し可視光領域において低い放出
    性を有する基本材料と、可視光領域において高い放出性
    を有しその他の領域において低い放出性を有する不純物
    材料とを含む選択的熱放出器を更に具備し、前記選択的
    熱放出器は前記目的の赤外線領域と前記可視光領域の中
    間波長領域において低い放出性を有することを特徴とす
    る請求項5記載の試験システム。
  7. 【請求項7】熱伝導性材料の基板と、前記基板の平らな
    表面に設けられる断熱性ターゲット材料とを有するIRタ
    ーゲットと、 前記ターゲット材料を所望可視光画像で照明する可視光
    発生器と、 を具備し、 前記ターゲット材料は目的の赤外線領域において高い吸
    収性を有し可視光領域において低い放出性を有する基本
    材料と、可視光領域において高い放出性を有しその他の
    領域において低い放出性を有する不純物材料とを有する
    選択的放熱器を具備し、前記選択的放熱器は前記目的の
    赤外線領域と前記可視光領域の中間波長領域において低
    い放出性を有することを特徴とする赤外線(IR)センサ
    試験システム。
  8. 【請求項8】前記基板材料は、ジルコニウム酸化物とト
    リウム酸化物の中から選択され、前記不純物材料はセリ
    ウム酸化物を含むことを特徴とする請求項7記載の試験
    システム。
  9. 【請求項9】波長λ1の入射光を波長λ2の放射に変換
    するシステムであって、少なくとも前記波長の一つは赤
    外線領域の波長であり、 基板とその基板上に設けられる層を有し、前記層に入射
    した波長λ1の放射に応答して生じる波長λ2の特定形
    状を有した像を前記層から放射し、前記特定形状を有す
    る像が持続しているときに高い分解能を維持するため
    に、前記層は前記基板より相対的に厚みが薄く低い熱伝
    導性を有し、前記基板は前記層より相対的に厚く高い熱
    伝導性を有する高速応答性ターゲットと、 波長λ1の放射を前記層に入射させる手段と、 前記入射の結果前記層により放出される波長λ2の放射
    を受信及び検出する赤外線検出手段と、 を具備することを特徴とする変換システム。
  10. 【請求項10】前記基板は金属を含むことを特徴とする
    請求項9記載の変換システム。
  11. 【請求項11】前記層は小さい比熱材料であることを特
    徴とする請求項9記載の変換システム。
  12. 【請求項12】前記層はゴールドブラックを有すること
    を特徴とする請求項9記載の変換システム。
  13. 【請求項13】前記層は塗料を有することを特徴とする
    請求項9記載の変換システム。
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