PL186716B1 - Urządzenie optyczne na podczerwień - Google Patents

Abstract

1. Urzadzenie optyczne na podczer-- wien zawierajace detektor i optyczna zapo- re umieszczona na drodze promieniowania rozproszonego biegnacego w kierunku de- tektora i uniemozliwiajaca dochodzenie promieniowania rozproszonego do detekto- ra, znamienne tym, ze optyczna zapora (126) ma powierzchnie (132) ustawiona do przyjmowania fotonów przebiegajacych od detektora (112), przy czym powierzchnia (132) wykazuje ujemna luminescencje re- dukujaca promieniowanie padajace na de- tektor (112). PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie optyczne na podczerwień, przeznaczone zwłaszcza do zmniejszania szumu w systemach zawierających detektor z ograniczeniem tła.

Detektor podczerwieni jest traktowany jako detektor z ograniczeniem tła, kiedy szum detektora jest głównie spowodowany przez wahania prędkości, z jaką osiągają go fotony. Taki detektor w urządzeniu optycznym na podczerwień będzie odbierać fotony zarówno z analizowanego obszaru jak i ze źródeł promieniowania rozproszonego, które nie zawierają informacji dotyczących analizowanej sceny. Jeżeli promieniowanie rozproszone można zmniejszyć lub wyeliminować, szum detektora jest zmniejszany bez oddziaływania na fotony ze sceny i dzięki temu zostaje polepszony stosunek sygnału do szumu w systemie.

Do zmniejszania promieniowania rozproszonego w urządzeniach optycznych na podczerwień, wykorzystujących chłodzone pole elementów detekcyjnych, znane jest stosowanie ekranu, który sam jest chłodzony przez urządzenie chłodzące detektora. Ekran ten jest chłodzony w celu zmniejszenia jego emisji ciepła dochodzącej do pola detektorów. Jednakże w praktyce trudno jest zapewnić skuteczny zimny ekran. Problemy są spowodowane przez skończoną wielkość pola detektorów. W celu uniknięcia winietowania elementów przy krawędzi pola trzeba zwiększyć wielkość apertury zimnego ekranu, co czyni go mniej skutecznym. Problem ten jest zmniejszany przez stosowanie większego zimnego ekranu bardziej oddalonego od pola detektorów, ale powoduje to zwiększenie trudności z chłodzeniem. Duży zimny ekran zwiększa wymagania odnośnie urządzenia chłodzącego i czasu schładzania, zaś mały zimny ekran jest nieskuteczny, dla eliminowania promieniowania rozproszonego. Problem ten jest szczególnie istotny w systemach optycznych na podczerwień, i/lub w tych systemach, które zawierają duży detektor, taki jak długie pole liniowe lub dwuwymiarowe pole elementów detekcyjnych.

Jedno ze znanych rozwiązań, do zmniejszenia światła rozproszonego, polega na umieszczeniu niechłodzonego zwierciadła wklęsłego wokół soczewki w systemie optycznym

186 716 na podczerwień, reagującym na zobrazowanie sceny na detektorze. Zwierciadło to ma środkowy otwór na soczewkę. Promień krzywizny zwierciadła jest równy odległości pomiędzy zwierciadłem a detektorem, tak że detektor jest w koincydencji ze swym obrazem. Zwierciadło koniecznie ma małą emisyjność i' dzięki temu wytwarza stosunkowo niewiele fotonów. Jednakże zwierciadło może odbijać promieniowanie rozproszone do detektora, przy czym pozostaje emisja szczątkowa ze zwierciadła, która powoduje trudności, a zwierciadło stwarza problemy z ustawieniem.

Znane jest także urządzenie optyczne na podczerwień wyposażone w zimny ekran. Urządzenie to zawiera detektor podczerwieni usytuowany w zimnym ekranie i zamontowany na chłodzonej podporze. Detektor może być polem elementów detekcyjnych lub jednym takim elementem. Leży on w płaszczyźnie ogniskowej soczewki obiektywu, która tworzy na nim obraz odległej sceny. Zimny ekran jest przeznaczony do ograniczania promieniowania padającego na detektor do tego, które jest ogniskowane na nim przez soczewkę i pochodzi z odległej sceny.

Pomimo zimnego ekranu możliwe jest, ze do detektora dochodzą również promienie rozproszonego światła, które nie są odbierane bezpośrednio z odległej sceny, co powoduje niekorzystny wzrost szumu detektora. Możliwe jest uzyskanie pewnego zmniejszenia szumu w takim urządzeniu przez zwiększenie wymiarów zimnego ekranu ze zmniejszeniem odległości pomiędzy jego powierzchnią górną a soczewką. Jest to jednak niekorzystne, ponieważ powoduje zwiększenie masy termicznej, czasu chłodzenia i wymaganej wydajności chłodzenia.

Urządzenie optyczne na podczerwień według wynalazku, zawierające detektor i optyczną zaporę umieszczoną na drodze promieniowania rozproszonego biegnącego w kierunku detektora i uniemożliwiającą dochodzenie promieniowania rozproszonego do detektora charakteryzuje się tym, ze optyczna zapora ma powierzchnię ustawioną do przyjmowania fotonów przebiegających od detektora, przy czym powierzchnia ta wykazuje ujemną luminescencję redukującą promieniowanie padające na detektor.

Korzystnym jest, ze optyczna zapora ma otwór, który jest usytuowany współosiowo z optyczną osią urządzenia. Optyczna zapora jest usytuowana pomiędzy soczewką obiektywu a zimnym ekranem detektora. Również korzystnie optyczna zapora jest umieszczona pomiędzy elementami ogniskującymi a detektorem. Optyczna zapora jest umieszczona pomiędzy detektorem a elementem ogniskującym, który jest usytuowany najbliżej detektora. Korzystnie optyczna zapora jest usytuowana przy pośredniej płaszczyźnie ogniskowej w wielu elementach ogniskujących. Optyczna zapora jest również korzystnie umieszczona pomiędzy detektorem a elementem optycznym umieszczonym najbliżej detektora.

Zaletą wynalazku jest to, że detektor jest ekranowany od promieniowania rozproszonego przez zaporę optyczną bez szkody dla odbierania takiej ilości promieniowania jak z zapory bez właściwości ujemnej luminescencji, ale poza tym o równoważnej naturze, co zapewnia lepszą jakość zobrazowania cieplnego.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym przedstawiono urządzenie optyczne na podczerwień w widoku schematycznym.

Urządzenie 100 zawiera detektor 112 wykrywający promienie podczerwone umieszczony wewnątrz zimnego ekranu 114, przy czym zarówno detektor 112 jak i ekran 114 są zamontowane na zimnej podporze 116 i są z nią w równowadze cieplnej. Soczewka 118 obiektywu ogniskuje równoległe promienie świetlne 120 z oddalonej sceny na detektorze 112, jak to zaznaczono przez zbieżne promienie 122, przy czym detektor leży w płaszczyźnie ogniskowej soczewki 118

Zapora optyczna 126 w postaci diody elektroluminescencyjnej, zawierająca źrenicę wejściową jest usytuowana w położeniu pośrednim pomiędzy zimnym ekranem 114 a soczewką 118 obiektywu i jest współosiowa z optyczną osią 128 soczewki. Dioda elektroluminescencyjna zapewnia ujemną luminescencję w odpowiedzi na sygnały polaryzujące o odpowiedniej biegunowości. Kształt zapory optycznej 126 i źrenicy wejściowej jest zależny od kształtu detektora 112 użytego w urządzeniu 100. W przypadku dwuwymiarowego, zasadniczo kwadratowego pola elementów detekcyjnych lub dla pojedynczego elementu detekcyjnego optyczna zapora 126 powinna być pierścieniowa. Jeżeli jednak pole detektorów jest zasadniczo jedno4

186 716 wymiarowe, wówczas optyczna zapora 126 i źrenica wejściowa działają optymalnie, jeżeli są owalne i podłużne wzdłuż osi detektora.

Zjawisko ujemnej luminescencji wykazywane przez diodę elektroluminescencyjną jest znane. Oznacza to emitowanie mniej promieniowania niż poziom tła, co zostało opisane przez Bolgov i inni w Semiconductors 27(1), styczeń 1993. Zjawisko to zostało również opisane przez Berdahl i inni, Infrared Physics, wol. 29, nr 2-4, str. 667-672, 1989. Odpowiednie materiały do wytwarzania urządzenia o ujemnej luminescencji obejmują tellurek kadmowortęciowy, antymon indu i inne materiały z trójskładnikowych systemów półprzewodnikowych grupy II-VI.

Optyczna zapora 126 w postaci diody elektroluminescencyjnej ma aktywną dolną powierzchnię 132, która jest odpowiedzialna za ujemną luminescencję. Powierzchnia 132 emituje zatem mniej fotonów niż powierzchnia w równowadze cieplnej ze swym otoczeniem. Fotony zaznaczone przez promienie świetlne 134, pochodzące z detektora 112, są absorbowane przez powierzchnię 132, która zwraca strumień fotonów o mniejszym natężeniu niż konwencjonalny ekran optyczny przy takiej samej temperaturze jak ta powierzchnia. Powierzchnia 132 działa w konsekwencji jako przesłona optyczna, która uniemożliwia dochodzenie rozproszonego światła do detektora 112, podczas gdy sama promieniuje w mniejszym stopniu niż normalna przesłona optyczna. Promieniowanie rozproszone jest zatem w znacznym stopniu powstrzymywane przed dojściem do detektora 112, który nie otrzymuje tak dużo promieniowania, jak dochodziłoby do niego z niechłodzonej powierzchni, która nie wykazuje ujemnej luminescencji, ale która poza tym ma równoważną strukturę i właściwości. Ponieważ dioda elektroluminescencyjna nie musi być chłodzona, może być włączana szybko, przez co unika się konieczności długotrwałego chłodzenia związanego z dużym zimnym ekranem.

Ponadto, jeżeli optyczna zapora 126 w postaci diody elektroluminescencyjnej zapewnia wystarczająco dużą wartość ujemnej luminescencji, będzie zapewniać dodatkowe chłodzenie detektora 112. Warunkiem tego jest, aby promieniowanie emitowane przez detektor 112, które pada na diodę elektroluminescencyjną pełniącą rolę optycznej zapory 126, było większe niż promieniowanie emitowane przez tę diodę, które jest pochłaniane przez detektor 112. Zaletą jest to, ze wydajność chłodzenia, potrzebna dla podpory 116, jest zmniejszona w porównaniu z tą która byłaby odpowiednia w innym wypadku.

Urządzenie 100 pokazano z pojedynczą soczewką 118 obiektywu, zobrazowującą oddaloną scenę na detektorze 112. Wiadomo, że bardziej skomplikowane systemy zobrazowania wykorzystują wiele soczewek i/lub zwierciadeł do obrazowania sceny. W systemach tych wykluczenie promieniowania rozproszonego jest najlepiej osiągane, jeżeli dioda elektroluminescencyjna jest usytuowana pomiędzy detektorem a końcowym elementem ogniskującym (soczewką Iub zwierciadłem) najbliższym niego. Dalsze soczewki lub zwierciadła pomiędzy diodą elektroluminescencyjną a detektorem dawałyby większy zakres światła rozproszonego dochodzącego do detektora. Jednakże ograniczenia konstrukcyjne mogą powodować, że korzystne jest stosowanie mniejszej diody elektroluminescencyjnej. Wielkość diody można zmniejszyć do minimum, jeżeli jest ona umieszczona w pośredniej płaszczyźnie ogniskowej w układzie wielu soczewek i/lub zwierciadeł. Zatem brak działania wyłączeniowego diody elektroluminescencyjnej musi być skompensowany zaletami wytwarzania mniejszego urządzenia.

Dalszy przykład realizacji wynalazku polega na zastosowaniu optycznej zapory 126 w postaci diody elektroluminescencyjnej o ujemnej luminescencji w skaningowym urządzeniu zobrazowania termicznego. Zwykle takie urządzenia zobrazowania dodatkowo zawierają mechanizm skaningowy przeznaczony do analizowania dużego obszaru sceny przez detektor. W tym przypadku również należy szukać równowagi pomiędzy zwiększeniem do maksimum zdolności wyłączania diody elektroluminescencyjnej przez usytuowanie jej pomiędzy detektorem a końcowym (najbliższym) elementem połączonego systemu ogniskowania/analizowania i zaletami uzyskiwanymi przy stosowaniu tego urządzenia usytuowanego bezpośrednio w pobliżu ogniska.

186 716

186 716

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz Cena 2,00 zł.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie optyczne na podczerwień zawierające detektor i optyczną zaporę umieszczoną na drodze promieniowania rozproszonego biegnącego w kierunku detektora i uniemożliwiającą dochodzenie promieniowania rozproszonego do detektora, znamienne tym, ze optyczna zapora (126) ma powierzchnię (132) ustawioną do przyjmowania fotonów przebiegających od detektora (112), przy czym powierzchnia (132) wykazuje ujemną luminescencję redukującą promieniowanie padające na detektor (112).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że optyczna zapora (126) zawiera otwór, który jest usytuowany współosiowo z optyczną osią (128) urządzenia (100).
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, ze optyczna zapora (126) jest usytuowana pomiędzy soczewką (118) obiektywu a zimnym ekranem (114) detektora (112).
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że optyczna zapora (126) jest umieszczona pomiędzy elementami ogniskującymi a detektorem (112).
5. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że optyczna zapora (126) jest umieszczona pomiędzy detektorem (112) a elementem ogniskującym, który jest usytuowany najbliżej detektora (112).
6. 6. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że optyczna zapora (126) jest usytuowana przy pośredniej płaszczyźnie ogniskowej w wielu elementach ogniskujących
7. 7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, ze optyczna zapora (126) jest umieszczona pomiędzy detektorem (112) a elementem optycznym umieszczonym najbliżej detektora (112).