KR100398290B1 - 적외선광학시스템및차폐방법 - Google Patents
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Abstract
적외선 광학 시스템(100)은 냉각 차폐(114)내의 검출기(112)에 원격 씬을 이미지징하는 렌즈(118)를 구비한다. 검출기(112)에 입사하는 스트레이 방사는 네가티브 발광을 생성하는 발광 다이오드(LED)(126) 형태의 광학 스톱에 의해 감소된다. LED(126)는 백그라운드보다 적은 방사를 방출하고, 네가티브 발광을 내지 않는 광학 스톱보다 적은 검출기 광자 잡음에 기여한다.
Description
광자(photon)들이 적외선 검출기에 도달하는 비율(rate)의 파동들에 의해 검출기 잡음이 주로 기인할 때, 적외선 검출기는 "백그라운드 제한(background limited)"되었다고 한다. 적외선 광학 시스템에서 이러한 검출기는 씬 정보(scene information)를 포함하지 않는 스트레이 방사(stray radiation)의 소스들과 각각 이미지 씬(imaged scene) 모두로부터 광자들을 수신하게 되는 것이다. 만일, 스트레이 방사가 감소 또는 제거될 수 있으면, 검출기 잡음은 씬(scene)으로부터 광자들에 영향을 미치지 않으면서 감소되고, 따라서 시스템 신호 대 잡음의 비율이 개선되게 된다.
검출기 요소들의 냉각된 어레이(cooled array)를 사용하는 적외선 광학 시스템에서 스트레이 방사를 감소시키기 위해, 검출기 냉각 장치에 의해 자체 냉각되는 차폐(shield)를 사용하는 것이 공지되어 있다. 이 차폐는 검출기 어레이에 도달하는 열 방출(thermal emission)을 감소시키기 위해 냉각된다. 그러나, 실제로 효과적인 냉각 차폐(cold shield)를 제공하는 것은 어렵다. 그러한 문제는 검출기 어레이의 한정된 크기 때문에 발생한다. 어레이의 가장자리에서 요소들의 비네팅(vignetting)을 회피하기 위해서는 냉각 차폐 개구(aperture)의 크기가 증가되어야 하지만, 이는 효율이 떨어지게 한다. 이러한 문제는 검출기 어레이로부터 더욱 원격인 더 큰 냉각 차폐를 이용함으로써 줄어들게 되지만, 냉각에 있어서 어려움이 생기게 된다. 큰 냉각 차폐는 냉각 장치의 요건들과 냉각 시간을 증가시키고, 작은 냉각 차폐는 스트레이 방사를 차단하는데 효과적이지 않다. 이러한 문제는 높은 f-넘버(f-number)를 갖는 적외선 광학 시스템 및/또는 검출기 요소들의 2차원 어레이 또는 긴 선형 어레이와 같은 큰 검출기를 구비하는 적외선 광학 시스템들이 있어서 특히 심하다.
스트레이 광을 감소시키기 위한 하나의 접근법은 검출기에 씬을 이미지하는 적외선 광학 시스템의 렌즈 주변에 비냉각(uncooled) 오목 거울을 위치시키는 것이 있다. 이 거울은 렌즈를 조절하는 중앙 홀(hole)을 갖추고 있다. 거울의 곡률(curvature) 반경은 거울-검출기 간격과 동일하여서 검출기는 그것의 이미지와 일치한다. 이 거울은 필연적으로 낮은 방사율(emissivity)을 가져서, 상대적으로 적은 광자들을 생성한다. 그러나, 이 거울은 검출기에 스트레이 방사를 비출 수 있어서, 어려움(difficulty)의 원인이 되는 거울로부터 잔여 방출(emission)이 남게되고, 그 거울은 얼라인먼트 문제들이 생긴다.
본 발명은 적외선 광학 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 백그라운드 가 제한된 검출기를 구비하는 시스템에서의 잡음 감소에 관한 것이다.
도 1은 종래 적외선 광학 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 적외선 광학 시스템의 개략도.
본 발명의 목적은 적외선 광학 시스템의 대안의 형태를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 검출 수단과, 스트레이 방사가 그 검출 수단에 도달하는 것을 차단하기 위해 배치된 광학 스톱(optical stop)을 포함하는 적외선 광학 시스템을 제공하는 것으로서, 상술한 광학 스톱은 검출 수단에 입사하는 방사를 감소시키기 위해 네가티브 발광(negative luminescence)을 내도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 네가티브 발광 특성이 없으나 동등한 다른 성질을 가진 스톱으로부터 동일한 양의 방사를 수신하는 불이익이 없이, 검출 수단이 광학 스톱에 의해 스트레이 방사로부터 차폐되는 장점을 제공한다.
광학 스톱은 양호하게는 상기 시스템의 광학 축과 동축으로(coaxially) 배치되는 홀을 구비한다.
이 시스템은 적외선 방사가 검출 수단으로 향하게 하기 위한 단일 대물 렌즈와, 그 검출 수단을 위한 냉각 차폐(cold shield)를 가질 수 있으며, 이 광학 스톱은 렌즈 및 냉각 차폐 사이에 위치된다.
이 시스템은 대안으로 검출 수단상에 씬을 이미징하기 위해 조합하여 배치된 복수의 초점 요소들(elements)을 가질 수 있으며, 광학 스톱은 그 시스템의 검출 수단과 초점 요소들간에 위치된다. 광학 스톱은 복수의 초점 요소들 내의 중간 초점면(intermediate focal plane) 또는 검출 수단에 가장 가까운 초점 요소와 검출 수단 사이에 위치될 수 있다. 시스템은 검출 수단상에 씬을 주사하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
시스템은 검출 수단상에 씬을 주사하도록 배치된 주사 수단을 구비할 수 있으며, 그 광학 스톱은 검출 수단과 검출 수단에 가장 가까운 광학 요소 사이에 배치된다.
광학 스톱은 네가티브 발광을 제공하기 위해 전기적으로 바이어스 가능한 반도체 재료를 적어도 부분적으로 포함할 수 있다. 양호한 실시예에 있어서, 반도체 재료는 카드뮴 수은 텔루르 화합물(cadmium mercury telluride) 또는 인듐 안티몬 화합물(indium antimonide)에 기초한 재료이다. 대안으로 이것은 네가티브 발광을 내는 임의의 다른 3원 Ⅱ-Ⅵ족 혼합물(수은 아연 텔루르 화합물, 수은 망간 텔루르 화합물, 수은 마스네슘 텔루르 화합물 등)일 수도 있다.
다른 양상에서, 본 발명은 외부 방사로부터 적외선 검출기를 차폐하는 방법을 제공하고, 그 방법은
(a) 입사동(entrance pupil)을 구비한 광학 스톱을 검출기에 제공하는 단계로서, 그 광학 스톱은 적어도 부분적으로 네가티브 발광 재료를 포함하는, 상기 단계와,
(b) 대기 레벨 이하로 되는 적외선 방출을 제공하기 위해 네가티브 발광 재료를 전기적으로 제어하는 단계, 및
(c) 검출기상에 네가티브 발광 광학 스톱의 입사동을 통해서 씬으로부터의 방사를 집속시키는 단계를 포함한다.
본 방법은 이미저(imager)의 다른 동작 특징들에 대해 상당한 비용을 들이지 않고도 개선된 품질의 열 이미징(thermal imaging)의 장점을 제공한다.
본 발명을 더욱 완전히 이해되게 하기 위해, 본 발명의 예가 도면을 첨부하여 기술될 것이다.
도 1을 참조하면, 이미징 종류 중 종래 기술의 냉각 차폐형 적외선 광학 시스템이 도시되어 있으며, 일반적으로 참조 부호 10으로 표시된다. 이 시스템(10)은 냉각 받침(cooled support)(16)상에 탑재되어 있고, 냉각 차페(14) 내에 위치된 적외선 검출기(12)를 구비하고 있다. 검출기(12)는 검출기 요소들 또는 그러한 단일 요소의 어레이일 수 있다. 검출기(12)는 대물 렌즈(18)의 초점면에 놓여 있으며, 이는 광(20, 22)의 선들로 표시된 바와 같이 원격 씬(remote scene)(도시하지 않음)의 이미지를 생성한다.
냉각 차폐(14)는 검출기(12)에 입사하는 방사를 렌즈(18)에 의해 검출기(12)상에 집속하고, 원격 씬으로부터 발산하는 것을 제한하기 위한 것이다. 그러나, 냉각 차폐(14)에도 불구하고, 원격 씬으로부터 직접 수신되지 않는 스트레이 광선들이 검출기(12)에 도달하는 것이 가능하다. 이것은 광선들(24)로 표시되고, 이는 선들(22)에 의해 경계되어지는 광선들의 원추의 외부 방향들로부터 비롯되며, 렌즈(18)로부터 검출기(12)에 입사된다. 따라서, 입사 광자들에 기인하는 검출기 잡음은 입사 광이 선들(22)에 의해 경계되어 지는 선들의 원추로 제한되는 경우 보다 더 높게 된다.
이것은 냉각 차폐(14)의 크기를 증가시키고, 냉각 차폐(14)의 상부 표면과렌즈(18) 사이의 간격을 감소시킴으로써 문제점을 개선하는 것이 가능하다. 그러나, 이것은 열량(thermal mass), 냉각 시간 및 냉각 용량 요건들이 증가하기 때문에 바람직하지 않다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 냉각 차폐형 적외선 광학 시스템이 도시되어 있으며, 일반적으로 참조 부호 100으로 표시된다. 앞서 기술한 부분들과 동일한 부분들에 대해서는 100을 앞에 덧붙여서 참조번호를 매겼다.
이 시스템(100)은 냉각 차폐(114) 내에 적외선 검출기(112)를 구비하며, 검출기 및 차폐 모두는 냉각 받침(116)에 열 평형 상태로 탑재되어 있다. 대물 렌즈(118)는 수렴 선들(convergent rays)(122)로 표시된 것과 같이, 렌즈의 초점면에 놓여 있는 검출기(112)상에 원격 씬으로부터의 평행한 광선들(120)을 집속시킨다.
입사동을 구비하는 발광 다이오드(LED)(126)는 냉각 차폐(114)와 렌즈(118) 사이의 중간 위치에 위치되며, 렌즈의 광학 축(128)과 동축이다. LED(126)는 적절한 극성의 바이어스 신호들에 응답해서 네가티브 발광을 제공하는 종류이다. LED(126) 및 입사동의 형상은 시스템(100)에 사용되는 검출기(112)의 형상에 의존한다. 단일 검출기 요소 또는 단일 검출기 요소들의 실질적으로 2 차원인 스퀘어 (square) 어레이의 경우에 있어서, LED(126)는 환상(annular; 고리 모양)이어야 한다. 그러나, 검출기 어레이가 실질적으로 1 차원이고, LED(126) 및 입사동은 타원이고 검출기 축을 따라 연장되어 있다면 최적으로 기능한다.
LED(126)에 의해 나오는 네가티브 발광의 현상은 공지되어 있다. 이것은 백그라운드 레벨보다 낮은 방사를 방출하는 것에 관한 것으로, 볼고프(Bolgov) 등에 의해 1993년 1월의 반도체(Semiconductors) 27(1)에 기술되어 있다. 또한, 베르다흘(Berdahl) 등에 의해 기술된 1989년 적외선 물리학(Infrared Physics) 29 권, 번호 2-4, 및 667-672 페이지에 기술되어 있다. 네가티브 발광 장치를 제조하기 위한 적절한 재료는 카드뮴 수은 텔루르 화합물 또는 인듐 안티몬 화합물, 및 3원 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 시스템에서의 다른 재료들을 포함한다.
LED(126)는 네가티브 발광을 초래하는 능동 하부 표면(132)을 갖추고 있다. 따라서, 표면(132)은 그 주위가 열 평형인 표면보다 더 적은 광자들을 방출한다. 검출기(112)로부터 전해지는 134와 같은 광선들로 표시된 광자들은 표면(132)에 의해 흡수되며, 표면(132)은 이 표면과 동일한 온도에서 종래의 광학 차폐보다 낮은 강도의 광자 흐름으로 반사한다. 표면(132)은 결과적으로 통상의 광학 스톱보다 적은 정도로 그 자체를 방사시키면서, 스트레이 광(stray light)이 검출기(112)에 도달하는 것을 방지하는 광학 스톱으로 작용한다. 따라서, 도 1에서 선들(24)에 상당하는 스트레이 방사가 검출기(112)에 도달되는 것이 대부분 차단하고, 검출기(112)는 네가티브 발광을 내지는 않으나 동등한 구조와 성질들을 가진 냉각 표면으로부터 검출기에 도달하는 만큼의 방사를 수신하지는 않는다. LED(126)는 냉각될 필요가 없기 때문에, 큰 냉각 차폐와 연관된 긴 냉각 시간의 필요성을 피하도록 빠르게 스위치될 수 있다.
또한, LED(126)가 충분히 높은 크기의 네가티브 발광을 제공하면, 이는 검출기(112)에 대한 부가적 냉각을 제공하게 된다. 이것에 대한 표준은 LED(126)에 입사되는 검출기(112)에 의해 방출된 방사가 검출기(112)에 의해 흡수되는 LED(126)에 의해 방출된 방사보다 크다는 것이다. 받침(116)에 대해 요구되는 냉각 용량이 다른 적당한 것에 비교될 때 감소된다는 것이 이점이다.
상기 광학 시스템(100)은 검출기(112)에 원격 씬을 이미징하는 단일 대물 렌즈(118)와 함께 도시되어 있다. 씬을 이미징하기 위해 다중 렌즈들 및/또는 거울들을 사용하는 더 복잡한 이미징 시스템이 공지되어 있다. 이러한 시스템들에 있어서, 스트레이 방사의 차단은 LED(126)가 검출기와 이에 가장 가까운 최종 초점 요소(렌즈 또는 거울) 사이에 위치하는 경우에 최상으로 수행된다. 더욱이, LED와 검출기 사이의 다른 렌즈들 또는 거울들은 스트레이 광이 검출기에 도달하도록 보다 많은 스코프(scope)를 준다. 그러나, 설계상의 제약들은 더 작은 LED(126)의 사용을 더 선호할 수 있다. LED 디바이스가 렌즈들 및/또는 거울들의 다중 배치(multiple arrangement)내의 중간 초점면에 위치되면, LED 디바이스의 크기는 최소화될 수 있다. 따라서, LED의 차단 실행시의 손실은 더 작은 디바이스의 제작에서의 장점들과 균형을 이루어야 한다는 것이다.
본 발명의 또 다른 실시예는 주사 열 이미저(scanning thermal imager)에 네가티브 발광 LED(126)을 결합함으로써 제공된다. 일반적으로, 그러한 이미저들은 검출기상에 큰 씬 영역을 주사하도록 배치된 기계적 주사 메카니즘을 부가적으로 포함한다. 조합된 초점/주사 시스템의 최종(가장 가까운) 요소와 검출기 사이에 LED를 위치시켜서 LED의 차단 용량을 극대화하는 사이에 다시 평행을 찾아야 하며, 그 장점은 중간 초점 부근에 위치한 작은 디바이스를 이용함으로써 얻는다.
본 발명은 적외선 광학 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 백그라운드가 제한된 검출기를 구비하는 시스템에서의 잡음 감소에 관한 것으로서, 종래의 적외선 광학 시스템의 대안의 형태를 제공하기 위한 것이다. 상술하면, 본 발명은 검출 수단과, 스트레이 방사가 그 검출 수단에 도달하는 것을 차단하기 위해 배치된 광학 스톱(optical stop)을 포함하는 적외선 광학 시스템을 제공하는 것으로서, 상술한 광학 스톱은 검출 수단에 입사하는 방사를 감소시키기 위해 네가티브 발광(negative luminescence)을 내도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
Claims (11)
- 검출 수단(112)과, 스트레이 방사(stray radiation)가 상기 검출 수단(112)에 도달하는 것을 차단하기 위해 배치된 광학 스톱(optical stop)(126)을 포함하는 적외선 광학 시스템에 있어서, 상기 광학 스톱(126)은 상기 검출 수단(112)에 입사하는 방사를 감소시키기 위해 네가티브 발광(negative luminescence)을 내도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 광학 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광학 스톱은 상기 시스템(100)의 광학 축(128)과 동축으로(coaxially) 놓여 있는 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 적외선 광학 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 적외선 방사를 상기 검출 수단으로 향하게 하기 위한 단일 대물 렌즈(118)와, 상기 검출 수단을 위한 냉각 차폐(cold shield)(114)를 갖는 적외선 광학 시스템으로서, 상기 광학 스톱(126)은 상기 렌즈(118)와 냉각 차폐(114)간에 위치되는 것을 특징으로 하는 적외선 광학 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 검출 수단에 씬(scene)을 이미지하기 위해 조합하여 배치된 복수의 초점 요소들을 갖는 적외선 광학 시스템으로서, 상기광학 스톱(126)은 상기 시스템의 상기 검출 수단과 상기 초점 요소들간에 위치되는 것을 특징으로 하는 적외선 광학 시스템.
- 제 4 항에 있어서, 상기 광학 스톱(126)은 상기 검출 수단(112)과 상기 검출 수단에 가장 가까운 초점 요소 사이에 놓여있는 것을 특징으로 하는 적외선 광학 시스템.
- 제 4 항에 있어서, 상기 광학 스톱(126)은 상기 복수의 초점 요소들(focus elements)내의 중간 초점면에 위치되는 것을 특징으로 하는 적외선 광학 시스템.
- 제 4 항에 있어서, 상기 검출 수단에 씬을 주사하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 광학 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 검출 수단에 씬을 주사하기 위해 배치되는 적외선 광학 시스템으로서, 상기 광학 스톱(126)은 상기 검출 수단과 상기 검출 수단에 가장 가까운 광학 요소간에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 적외선 광학 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 광학 스톱(126)은 네가티브 발광을 제공하기 위해 전기적으로 바이어스 가능한 반도체 재료를 적어도 부분적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 이미징 시스템.
- 제 9 항에 있어서, 상기 반도체 재료는 카드뮴 수은 텔루르 화합물, 인듐 안티몬 화합물에 기초한 재료, 또는 네가티브 발광을 내는 임의의 다른 3원 Ⅱ-Ⅵ족 화합물인 것을 특징으로 하는 이미징 시스템.
- 외부(extraneous) 방사(134)로부터 적외선 검출기(112)를 차폐하는 방법에 있어서,(a) 상기 검출기에 입사동(entrance pupil)을 구비한 광학 스톱(optical stop)(126)을 제공하는 단계로서, 상기 광학 스톱(126)은 네가티브 발광 재료를 적어도 부분적으로 포함하는, 상기 단계와,(b) 대기 레벨 보다 낮게 되는 적외선 방출을 제공하기 위해 상기 네가티브 발광 재료를 전기적으로 제어하는 단계, 및(c) 상기 네가티브 발광 광학 스톱(126)의 입사동을 통해서 씬(scene)으로부터의 방사를 검출기(112)상에 집속시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차폐 방법.
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