NL1004620C2 - Infraroodcamera. - Google Patents

Description

\

INFRAROODCAMERA

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het afbeelden van een object dat straling in het infraroodgebied emitteert of reflecteert, bijvoorbeeld een infraroodcamera, omvattend een objectief voor het afbeelden van het object 5 op een beeldvlak waarop conversiemiddelen zijn verschaft voor het omvormen van door het object geëmitteerde of gereflecteerde fotonen in het infraroodgebied in elektrisch geladen deeltjes in afhankelijkheid van de plaats van de emissie respectievelijk de reflectie van de fotonen, en 10 plaatsdetectiemiddelen voor het detecteren van de plaats van de emissie van de elektrisch geladen deeltjes.

Bekend zijn infraroodcamera's waarmee een infrarood emitterend of reflecterend object wordt afgebeeld op een afbeeldingsvlak dat is voorzien van een laag 15 infraroodgevoelig materiaal in de gecondenseerde fase, door welk materiaal fotonen in het infraroodgebied worden geabsorbeerd en worden omgezet in een als functie van de plaats detecteerbare elektronenstroom voor het construeren van een beeld van het oorspronkelijke object in het zichtbare 20 deel van het spectrum.

Aan de bekende infraroodcamera's is het nadeel verbonden dat het spectrale bereik ervan in het infraroodgebied beperkt is, dat de gevoeligheid gering is, wat wil zeggen dat het aantal fotonen voor het genereren van een waarneembaar 25 signaal noodzakelijkerwijs relatief hoog is, dat de keuzevrijheid voor de in te stellen sluitertijd, dat wil zeggen de tijdsresolutie, beperkt is, en dat de selectiviteit voor de golflengte van het te licht in het infraroodgebied gering is.

30 Het is een doel van de uitvinding een infraroodcamera te verschaffen die een groot spectraal bereik heeft.

Het is voorts een doel een infraroodcamera te verschaffen die een hoge gevoeligheid heeft, en waarmee een zeer korte sluitertijd realiseerbaar is.

1004620 2

Nog een doel is het verschaffen van een infraroodcamera met een hoge selectiviteit voor de golflengte van de door het af te beelden object geëmitteerde of geleflecteerde infrarode straling.

5 Deze doelen worden gerealiseerd, en andere voordelen worden bereikt, met een inrichting van de in de aanhef genoemde soort, waarbij overeenkomstig de uitvinding de conversiemiddelen een gasvormig medium omvatten voor het absorberen van de waar te nemen fotonenpuls en het emitteren 10 van de elektrisch geladen deeltjes.

De elektrisch geladen deeltjes zijn bijvoorbeeld elektronen of ionen.

In een inrichting waarvan de conversiemiddelen overeenkomstig de uitvinding een gasvormig medium omvatten is 15 het spectrale gebied van een waar te nemen fotonenpuls niet beperkt tot het infrarode gebied, maar kan het spectrale gebied naar behoefte worden uitgebreid naar het golflengtegebied van het ver-infrarode licht.

In een uitvoeringsvorm van een inrichting overeenkomstig 20 de uitvinding is de inrichting voorzien van excitatiemiddelen om deeltjes in een aangeslagen elektronentoestand te brengen en bevat het gasvormige medium in die aangeslagen elektronentoestand te brengen deeltjes voor het in die toestand absorberen van de fotonenpuls en het emitteren van 25 de elektrisch geladen deeltjes.

De aangeslagen elektronentoestand is bijvoorbeeld een Rydberg-toestand.

Door het brengen van deeltjes, bijvoorbeeld atomen, in een aangeslagen elektronentoestand, bijvoorbeeld een Rydberg-30 toestand worden conversiemiddelen verkregen voor het omvormen van straling in het infrarood- of ver-infraroodgebied, en dus van laag-energetische fotonen in een stroom elektrisch geladen deeltjes. Een atoom in een Rydberg-toestand, hierna aangeduid als Rydberg-atoom, heeft een hoge waarde van het 35 hoofdquantumgetal n, en daardoor een betrekkelijk lage bindingsenergie E (E = -13,6/n2 eV) . Bijgevolg is de betrekkelijk geringe energie van een infrarood- of ver- 1 00 4 6 20 3 infraroodfoton voldoende hoog om foto-ionisatie van een atoom in een Rydberg-toestand te veroorzaken, en uit dat atoom een zwak-gebonden elektron los te maken. Daarenboven is de werkzame doorsnede voor foto-ionisatie voor een gas met 5 Rydberg-atomen hoog, zodat voor dit proces relatief weining fotonen nodig zijn.

Een gasvormig medium dat in een aangeslagen elektronentoestand te brengen deeltjes omvat wordt bijvoorbeeld in de inrichting ingelaten via een 10 gastoevoerleiding.

In een uitvoeringsvorm van een inrichting overeenkomstig de uitvinding omvat deze een verdampingsoven voor het in gasvormige toestand brengen van in een aangeslagen elektronentoestand te brengen deeltjes.

15 Voor toepassing in een inrichting volgens de uitvinding geschikte in een aangeslagen elektronentoestand te brengen atomen zijn bijvoorbeeld alkali-atomen, in het bijzonder de elementen Rb (rubidium) of Cs (cesium).

De atomen worden bijvoorbeeld door excitatie met behulp 20 van een laserlichtbron in de aangeslagen elektronentoestand gebracht.

Een in een inrichting volgens de uitvinding toe te passen laserlichtbron is bijvoorbeeld een met een Nd:YAG(neodymium:yttrium-aluminiumgranaat)-laser gepompte 25 kleurstoflaser. In het bijzonder de tweede harmonische van het licht van een Nd:YAG-laser is geschikt om de kleurstoflaser in een dergelijke inrichting te pompen.

In een andere uitvoeringsvorm omvat de inrichting een diodelaser.

30 Het licht van de laserlichtbron wordt volgens een op zich bekende wijze met behulp van projectiemiddelen, bijvoorbeeld een cilindrische lens, geprojecteerd in het beeldvlak van het af te beelden object, zodat in het gasvormige medium ter plaatse van dat beeldvlak een vlak 35 ontstaat waarin deeltjes in een aangeslagen elektronentoestand te brengen zijn, en waarbij deeltjes buiten dat vlak niet in die aangeslagen elektronentoestand te 1004620 4 brengen zijn.

In een voordelige uitvoeringsvorm omvat de inrichting veldgenererende middelen voor het genereren van een elektrisch veld voor het doen ioniseren van een deeltje met 5 een aangeslagen elektron in een Rydberg-toestand.

In een inrichting die is voorzien van dergelijke veldgenererende middelen is het mogelijk veldionistatie te veroorzaken van deeltjes die door foto-excitatie of foto-de-excitatie in een Rydberg-toestand zijn gebracht.

10 Van foto-excitatie is sprake wanneer de bindingsenergie van een elektron in een Rydberg-toestand groter is dan de energie van een invallend foton in het infraroodgebied, en er dus geen foto-ionistatie kan optreden, maar het elektron door het infrarood-foton wel naar een Rydberg-toestand met een 15 hoger gelegen energieniveau wordt gedreven. Door nu de deeltjes met het elektron in de betreffende Rydberg-toestand te onderwerpen aan een zodanig elektrisch veld, dat deeltjes met een elektron in de oorspronkelijke Rydberg-toestand niet ioniseren, maar deeltjes met een elektron in de betreffende 20 Rydberg-toestand met een hogere energie wel ioniseren, zal het betreffende deeltje volgens het mechanisme van veldionisatie ioniseren tot een positief ion en een elektron. Dit betekent dat de conversiemiddelen in deze voorkeursuitvoeringsvorm alleen gevoelig zijn voor infrarode 25 straling met golflengtes die aanleiding geven tot foto-excitatie van het Rydberg-deeltje. Bovendien moet de geëxciteerde toestand een voldoend hoge energie hebben om in het te genereren statische elektrische veld aanleiding te geven tot de vorming van een positief ion en een elektron.

30 Het elektrische veld in deze voorkeursuitvoeringsvorm kan zodanig gekozen worden dat de conversiemiddelen alleen gevoelig zijn voor bepaalde golflengtes in het infraroodgebied, en dus alleen gevoelig voor objecten die licht met die bepaalde goflengte emitteren of reflecteren.

35 Van foto-de-excitatie is sprake wanneer een invallend foton in het infraroodgebied een elektron in een oorspronkelijke Rydberg-toestand waarbij veldionistatie kan 1 004 620 5 optreden drijft naar een andere, gede-exciteerde Rydberg-toestand met een lager gelegen energieniveau, met een grotere bindingsenergie. Het elektrische veld in deze voorkeursuitvoeringsvorm kan zodanig gekozen worden dat de 5 conversiemiddelen alleen gevoelig zijn voor golflengtes in het infraroodgebied die de deeltjes in de conversiemiddelen in een gede-exciteerde Rydberg-toestand brengen, terwijl deeltjes in de geëxciteerde Rydberg-toestand die geen foton geabsorbeerd hebben door veldionisatie juist aanleiding geven 10 tot de vorming van een positief ion en een elektron. Het elektrische veld in deze voorkeursuitvoeringsvorm kan zodanig gekozen worden dat de conversiemiddelen juist ongevoelig zijn voor bepaalde golflengtes in het infraroodgebied, en dus aanleiding geven tot het ontstaan van een negatiefbeeld.

15 In weer een uitvoeringsvorm omvat de inrichting veldgenererende middelen voor het genereren van een magnetisch veld voor het instellen van het energieniveau van een aangeslagen elektron in de Rydberg-toestand.

Doordat het energieniveau van een elektron in een 20 Rydberg-toestand met behulp van een magnetisch veld instelbaar is (evenals dat het geval is met behulp van een elektrisch veld), kan de overgang van een elektron naar deze Rydberg-toestand selectief worden gemaakt voor een te absorberen foton in het infraroodgebied, zodanig dat alleen 25 fotonen met een energie die met die overgang correspondeert worden geabsorbeerd, en de inrichting ongevoelig is voor fotonen met een andere energie.

Met een camera voor het infraroodgebied overeenkomstig de uitvinding kunnen objecten die infrarode straling emitteren 30 of reflecteren met een golflengte tot bijvoorbeeld 100 micrometer met hoge resulutie, bijvoorbeeld 10 micrometer, met een zeer snelle sluitertijd, bijvoorbeeld 1 nanoseconde, worden waargenomen.

De uitvinding zal in het nu volgende worden toegelicht 35 aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld, onder verwijzing naar de tekening.

In de tekening toont fig. 1 een schematische afbeedling 1004 620 6 van een uitvoeringsvorm van een infraroodcamera volgens de afbeelding. Getoond worden een infraroodcamera 1 voor het via een optisch element 7 maken van een afbeelding van een object 6 dat infraroodstraling emitteert of reflecteert, met 5 gasdicht huis 2, dat omvat spanningsroosters 3, 4 (waarvan aansluiting en voeding niet zijn getoond), kanaalplaten 8, 9 met respectieve hoogspanningsdoorvoeren 16, 17, fosforscherm 19, oven 10 en venster 11. De infraroodcamera l omvat voorts een aan een computer 13 gekoppelde CCD-camera 14, en een 10 diode-laser 15. Als de infraroodcamera 1 in bedrijf is wordt het infrarood emitterende of reflecerende object 6 middels het optische element 7 afgebeeld op het vlak 21. De infraroodstraling passeert een rooster 3 en wordt geabsorbeerd door in het huis 2 aanwezig gas dat door 15 laserlicht (voorgesteld door pijlen 22) uit de diodelaser 15 via venster 11 is geëxciteerd en in een Rydberg-toestand verkeert. Door fotoabsorptie valt een gasdeeltjes in de Rydberg-toestand uiteen in een elektron en een positief geladen ion. Het via niet getoonde aansluitingen over de 20 roosters 3, 4 aangelegde spanningsverschil versnelt of de ionen of de elektronen (afhankelijk van het teken van het spanningsverschil) in de richting van de kanaalplaten 8, 9. Een enkel invallend elektisch geladen deeltje op de kanaalplaten 8, 9 resulteert in 107 elektronen die het 25 fosforscherm 19 treffen, waarbij de elektronen met een versterkingsfactor 10 worden omgevormd in fotonen. De vermenigvuldigingsfactor 107 zal alleen bereikt worden als het spanningsverschil over de van elkaar afgewende zijden van de kanaalplaten 8, 9 voldoende hoog is (typisch 2 kV). Dit 30 spanningsverschil wordt aangebracht middels de elektrische doorvoeren 16, 17. Aldus wordt op het fosforscherm 19 een afbeelding 20 gemaakt van het object 6. Deze afbeelding 20 wordt met behulp van een CCD-camera 14 uitgelezen, en verwerkt met behulp van een computer 13. De gevoeligheid van 35 de CCD-camera 14 is voldoende hoog om een detecteerbaar signaal te genereren in responsie op het invallen van een enkel elektron of ion. In het traject 18 van de weg van de 1 0 0 4 6 20 7 elektrisch geladen deeltjes tussen het beeldvlak 21 en de eerste kanaalplaat 8 kan optiek worden geplaatst om de afbeelding van de geladen deeltjes op de eerste kanaalplaat 8 zo scherp mogelijk te maken.

5 De infraroodcamera 1 is niet gevoelig voor infraroodstraling voordat de diodelaser 15 de gasdeeltjes naar een Rydberg-toestand geëxciteerd heeft. Dit excitatieproces is vergelijkbaar met het openen van een sluiter in een camera volgens de stand der techniek. Zodra 10 het spanningsverschil tussen de doorvoeren 16, 17 gedaald is beneden een bepaalde kritische waarde (bijvoorbeeld 1500 V) zullen inkomende ionen of elektronen niet langer gedetecteerd worden. De camera is in dat geval niet gevoelig voor Rydberg-deeltjes die worden geïoniseerd nadat het spanningsverschil 15 tussen de doorvoeren 16, 17 is gedaald, met inachtneming van de looptijd van de elektronen of ionen van het fotogevoelige beeldvlak 21 en de voorste kanaalplaat 8. Dit proces is vergelijkbaar met het sluiten van een sluiter in een camera volgens de stand der techniek.

20 Doordat het aanschakelen van een diodelaser 15 binnen een tijdspanne van 10~9 sec plaats kan vinden, en de spanning over de kanaalplaten 8, 9 binnen eenzelfde tijdspanne kan afnemen, zijn sluitertijden korter dan 1 nanoseconde te realiseren, zodat de zogeheten donkerstroom van de 25 infraroodcamera volgens de uitvinding zeer gering is.

Het is mogelijk alleen een schakelspanningsverschil tussen de doorvoeren 16, 17 te gebruiken als sluiter. In rust is de spanning over de doorvoeren 16, 17 bijvoorbeeld 1500 V en zullen inkomende geladen deeltjes niet gedetecteerd 30 worden. Als vervolgens met een spanningspuls van bijvoorbeeld 500 V het spanningsverschil wordt opgevoerd tot 2000 V zullen de geladen deeltjes het fosforscherm 19 bereiken. Dit betekent dat de camera 1 alleen tijdens de laatstgenoemde puls gevoelig is, en de sluitertijd dus correspondeert met de 35 pulsbreedte van de schakelpuls, bijvoorbeeld in de orde van grootte van 1 nanoseconde.

Onder bepaalde omstandigheden is het mogelijk de i U o 4 6 2 0 8 infraroodcamera 1 golflengte-selectief toe te passen. Deze mogelijkheid doet zich voor indien de Rydberg-deeltjes in het beeldvlak 21 onder inwerking van de invallende fotonen in het infraroodgebied niet ioniseren, maar van de oorspronkelijke 5 Rydberg-toestand worden gedreven naar een andere Rydberg-toestand met een hoger of lager energieniveau. Door na de belichting van de Rydberg-deeltjes met de infraroodstraling het spanningsverschil over de roosters 3, 4 in beperkte mate te verhogen zullen alleen deeltjes in de andere (niet-10 oorspronkelijke) Rydberg-toestand alsnog ioniseren.

Afhankelijk van de polariteit van het spanningsverschil tussen de roosters 3, 4 zullen alsnog elektronen of ionen de kanaalplaten 8, 9 bereiken en aanleiding geven tot een detecteerbare afbeelding van het object 6. Bij deze 15 toepassing is de infraroodcamera 1 alleen gevoelig voor infraroodstraling waarvan de golflengte past bij de overgang van de oorspronkelijke Rydberg-toestand naar de andere Rydberg-toestand, en is naast tijd- en plaatsoplossend vermogen ook sprake van golflengte-selectiviteit.

20 Er zij op gewezen dat het hierboven beschreven uitvoeringsvoorbeeld uitsluitend dient ter toelichting van de uitvinding, en niet ter beperking van het kader van de uitvindingsgedachte. Waar hierboven bijvoorbeeld sprake is van een optisch element 7 dient dit zo ruim te worden 25 verstaan, dat hieronder naast eenvoudige objectieven uit op zich bekende infraroodcamera's voor het maken van afbeeldingen van aardse voorwerpen ook geavanceerde en complexe telescoopsystemen voor astronomische doeleinden begrepen zijn.

1004620

Claims (15)

1. Inrichting voor het afbeelden van een object dat straling in het infraroodgebied emitteert of reflecteert, bijvoorbeeld een infraroodcamera, omvattend een objectief voor het afbeelden van het object 5 op een beeldvlak waarop conversiemiddelen zijn verschaft voor het omvormen van door het object geëmitteerde of gereflecteerde fotonen in het infraroodgebied in elektrisch geladen deeltjes in afhankelijkheid van de plaats van de emissie respectievelijk de reflectie van de fotonen, en 10 plaatsdetectiemiddelen voor het detecteren van de plaats van de emissie van de elektrisch geladen deeltjes, met het kenmerk. dat de conversiemiddelen een gasvormig medium omvatten voor het absorberen van de waar te nemen fotonenpuls en het emitteren van de elektrisch geladen deeltjes.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de inrichting is voorzien van excitatiemiddelen om deeltjes in een aangeslagen elektronentoestand te brengen, en het gasvormige medium in die aangeslagen elektronentoestand te brengen deeltjes bevat voor het absorberen van de fotonenpuls 20 en het emitteren van de elektrisch geladen deeltjes.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de aangeslagen elektronentoestand een Rydberg-toestand is.

4. Inrichting volgens conclusie 2 of 3, gekenmerkt door een verdampingsoven voor het in gasvormige toestand brengen 25 van in de aangeslagen elektronentoestand te brengen deeltjes.

5. Inrichting volgens een der conclusies 2-4, met het kenmerk. dat de deeltjes alkali-metaalatomen zijn.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk. dat de alkali-metaalatomen een van de elementen Rb (rubidium) of

30 Cs (cesium) omvatten.

7. Inrichting volgens een der conclusies 2-6, met het kenmerk. dat de excitatiemiddelen een laserlichtbron omvatten.

8. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat 1 0 0 4 6 20 de laserlichtbron een met een Nd:YAG(neodymium:yttrium-aluminiumgranaat)-laser gepompte kleurstoflaser is.

9. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de laserlichtbron een diodelaser is.

10. Inrichting volgens een der conclusies 7-9, met het kenmerk. dat deze projectiemiddelen omvat voor het projecteren van het licht van de laserlichtbron in het beeldvlak van het af te beelden object.

11. Inrichting volgens een der conclusies 2-10, met het 10 kenmerk. dat deze veldgenererende middelen omvat voor het genereren van een elektrisch veld voor het veroorzaken van ionisatie van in een aangeslagen elektronentoestand gebrachte deeltjes.

12. Inrichting volgens een der conclusies 3-10, met het 15 kenmerk. dat deze veldgenererende middelen omvat voor het genereren van een elektrisch veld voor het instellen van het energieniveau van een elektron in de Rydberg-toestand.

13. Inrichting volgens een der conclusies 3-10, met het kenmerk. dat deze veldgenererende middelen omvat voor het 20 genereren van een magnetisch veld voor het instellen van het energieniveau van een elektron in de Rydberg-toestand.

14. Inrichting volgens conclusie 11 of 12, met het kenmerk. dat de veldgenererende middelen ten minste twee roosters omvatten, over welke roosters een elektrische 25 potentiaal is aan te leggen voor het versnellen van de elektrisch geladen deeltjes.

15. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de plaatsdetectiemiddelen ten minste een kanaalplaat omvat voor het genereren van een stroom elektronen in 30 responsie op het invallen van een elektrisch geladen deeltje op deze plaat en het versnellen van de elektronenstroom, met het kenmerk, dat over deze kanaalplaat een pulsvormige elektrische potentiaal is aan te leggen. 1 0 0 4 6 20