專利名稱：發(fā)射率增強(qiáng)的中紅外源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光源領(lǐng)域，更特別地，涉及用于分析儀器例如紅外光譜儀的紅外源。
背景技術(shù)：
常規(guī)的紅外發(fā)射源通常利用一種加熱的金屬絲、金屬或陶瓷元件，以發(fā)射一種連續(xù)光輻射帶。具體而言，源元件例如一種結(jié)合到紅外光譜儀如FIlR儀器中的紅外點(diǎn)火器源元件常常是對商業(yè)加熱元件的修改或調(diào)整。實(shí)例包括由電阻式導(dǎo)電材料例如鉻鋁鈷耐熱鋼 (Kanthal，即因高溫承受能力以及具有中等的電阻而眾所周知的合金)配置成的單絲以及由碳化硅制成的單絲。另一個(gè)實(shí)例包括使用用于預(yù)熱柴油機(jī)中的燃燒室的一種尖端為氮化硅的熱塞(glo-plug)。然而，例如當(dāng)使用碳化硅時(shí)，尤其是當(dāng)該加熱元件暴露于環(huán)境條件時(shí)，該源的穩(wěn)定可能是一個(gè)主要問題。例如，除了由折射率變化(由該源附近的熱空氣和附近較冷的空氣造成)引起的源噪音之外，鄰近該源的空氣擾動(dòng)也可以引起局部冷卻。典型地，可通過用一種隔熱外殼圍繞該源元件而減少這些問題，但該外殼中具有一個(gè)開口，以使所希望的紅外輻射束能夠以所設(shè)計(jì)的方式出射。這種安排中的絕緣除了能夠降低工作電壓外，還有助于使輸出穩(wěn)定。然而，當(dāng)使用碳化物元件作為所述點(diǎn)火器源時(shí)，另一種異乎尋常的不穩(wěn)定性是，當(dāng)加熱該元件至接近1300°C的溫度時(shí)，材料的變化例如氧化和熱降解可能在所希望的光譜輸出中產(chǎn)生不均勻性，從而影響測量結(jié)果，因此需要例如對該源進(jìn)行人工光譜校正。由于該源的幾何形狀，在該源本身的成像中出現(xiàn)了另一種光譜不穩(wěn)定性來源。操作中，當(dāng)一種點(diǎn)火器源元件由高電阻式碳化硅制成時(shí)，該點(diǎn)火器源元件常常配置為電聯(lián)接到電源上的一種圈，即一種U型加熱元件，以便將該元件加熱到高溫而使該元件能夠在寬的預(yù)定紅外電磁帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行輻射。該問題出現(xiàn)在該U形的中央部分的成像中，因?yàn)榕c被引導(dǎo)通過整個(gè)光譜儀的光學(xué)中繼圖像的外部相比，該中央部分中有因此產(chǎn)生的發(fā)射率損失，這可在解讀光譜信息時(shí)引發(fā)問題?？稍跇?biāo)題為“高效紅外源(High Efficiency Infrared Source) ”的美國專利 No. 5，四1，022 (Drake等人，1994年3月1日發(fā)布)中找到有關(guān)提供這種紅外源的裝置的背景資料，該披露的全文內(nèi)容通過引用結(jié)合到本申請中，所述背景資料包括以下內(nèi)容“用于紅外光譜儀的一種紅外源包括具有一個(gè)密封腔室的一個(gè)絕緣體內(nèi)芯、與該密閉腔室相連通的一個(gè)出口以及安裝在該密閉腔室內(nèi)的一個(gè)電加熱的紅外元件，該密閉腔室具有面對該出口的一個(gè)部分，并且該密閉腔室的壁與該紅外元件相隔很近。該絕緣體內(nèi)芯由具有優(yōu)良的耐熱性以及極低的導(dǎo)熱率的一種陶瓷纖維材料形成，這樣使得除了通過該出口的紅外輻射外，來自該紅外元件的僅很少熱量從該絕緣體內(nèi)芯逸出。優(yōu)選地，該絕緣體內(nèi)芯安裝在一種金屬外殼的一個(gè)中央腔室內(nèi)，并且可通過密封到該外殼中的一個(gè)出口孔上的一個(gè)紅外透射窗口而與環(huán)境氣氛隔絕。來自該紅外元件的供電線可延伸穿過該外殼中的一個(gè)開口，該外殼閉合并且密封，以阻止來自環(huán)境氣氛的氣體通入該外殼內(nèi)部。在該紅外元件以這種方式與環(huán)境氣氛隔絕的情況下，將阻止有潛在腐蝕性的氣體到達(dá)該熱紅外元件。該絕緣體內(nèi)芯中該紅外元件的這種密閉可以使該元件保持在用于分析儀器例如紅外光譜儀的輻射紅外的所希望溫度，而消耗非常少量的電力。，，通常，如上討論的，利用所述源的常規(guī)系統(tǒng)已經(jīng)具有與該源的成像和引起發(fā)射光譜輸出變化的這些紅外元件中的材料變化有關(guān)的問題。因此，需要一種滿足技術(shù)共同體需求的改良的紅外發(fā)射率源，所以本發(fā)明是針對這種需要的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供了一種紅外源，以及在大約1500波數(shù)以下在所配置的源的所希望光學(xué)范圍內(nèi)提高(例如高達(dá)50%左右)發(fā)射率的方法。特別是，本發(fā)明針對一種紅外源，更經(jīng)常地是包括與絕緣材料例如(但不限于)氧化鋁或氧化鋯相組合的硅基紅外源元件(例如氮化硅、碳化硅等)的一種中紅外源，它被配置為使該元件的組合提供紅外輸出照明的共同疊加的源光譜。更具體地說，以一種方式機(jī)加工或修改該絕緣物本身，以便使該紅外源元件與該絕緣物中的一個(gè)所得的被配置的腔室室相接觸(如緊密接觸)或非?？拷?(即鄰近)，這樣由于該共同疊加的光譜，該紅外源圖像變?yōu)樵摻^緣材料和該紅外源元件的平均。本發(fā)明的這種安排提高了在大約1500波數(shù)以下、通常大約1100波數(shù)以下、更具體地是在大約1079波數(shù)處該紅外源的發(fā)射率。因此，本發(fā)明提供了一種紅外源，該紅外源包括一個(gè)紅外元件，當(dāng)在一個(gè)預(yù)定溫度范圍內(nèi)被加熱時(shí)，該紅外元件在所希望的波長處提供紅外輻射；一個(gè)絕緣體，該絕緣體與該紅外元件聯(lián)接從而達(dá)到由該紅外元件產(chǎn)生的熱量提供的一個(gè)協(xié)同溫度范圍，其中在該協(xié)同溫度范圍內(nèi)的該絕緣體提供了一個(gè)或多個(gè)所希望的紅外發(fā)射光譜帶，該光譜帶與該紅外元件的輸出發(fā)射共同疊加，從而消除達(dá)到該協(xié)同溫度范圍的、由該紅外元件引起的光譜缺陷；以及其中該絕緣體的一個(gè)或多個(gè)壁配置為收斂于限定該源的光學(xué)孔的一個(gè)開口處的一個(gè)圓錐形內(nèi)部，從而增強(qiáng)所述共同疊加的絕緣體和紅外元件的發(fā)射并且附加地與一個(gè)所聯(lián)接的光譜儀成像元件的視場進(jìn)行匹配。
附圖
簡要說明圖IA和IB描述本發(fā)明的實(shí)例性的有益紅外源實(shí)施方案的交替?zhèn)纫晥D。圖2A顯示在1079波數(shù)處具有所造成的大偽影的光譜數(shù)據(jù)。來自一種氮化硅源的、間隔為15分鐘的、200個(gè)一分鐘背景提供了該光譜本身，所述氮化硅源具有2周老化 (burn-in)并且在 1100°C工作。圖2B顯示與用于生成圖2A的數(shù)據(jù)相同的氮化硅源，但是現(xiàn)在與拉特公司(RATH Incorporated) 174/700 (86% Al203-14% SiO2)絕緣物相結(jié)合。圖3A顯示三個(gè)光譜，由用該絕緣物背面中的該源元件來加熱該絕緣物引起的第一光譜，沒有絕緣物的第二光譜以及安裝在該源上方的絕緣物引起的第三光譜。圖IBB顯示來自具有一個(gè)被配置的圓錐的一種絕緣塊的光譜數(shù)據(jù)，如本發(fā)明中所述，所述被配置的圓錐具有通向一個(gè)紅外元件的預(yù)定外徑。圖4A顯示由置于一種碳化硅紅外元件上的RATH 174/700和ZYD絕緣物產(chǎn)生的
一對光譜數(shù)據(jù)。圖4B顯示來自在1300°C下的一種碳化硅紅外元件和在1200°C下的一種氮化硅紅外元件的一對光譜數(shù)據(jù)，其中這兩者都具有安裝的τπ 絕緣物并且在相同的系統(tǒng)上運(yùn)行。
4實(shí)施方案的詳細(xì)說明在此處本發(fā)明的說明中，應(yīng)理解的是，以單數(shù)形式出現(xiàn)的詞語包括其復(fù)數(shù)的對應(yīng)物，并且以復(fù)數(shù)形式出現(xiàn)的詞語包括其單數(shù)的對應(yīng)物，除非暗示性地或明確地理解為或指出為其他情況。此外，應(yīng)理解的是，對于任何給出的部分或在此描述的實(shí)施方案，對于該部分所列出的任何可能的候選物或替代物總體上可以單獨(dú)地使用或者彼此結(jié)合使用，除非暗示性地或明確地理解為或指出為其他情況。此外，應(yīng)理解的是，此種候選物或替代物的任何清單僅僅是說明性的，而不是限制性的，除非暗示性地或明確地理解為或指出為其他情況。此外，除非另外指出，在說明書以及權(quán)利要求中所使用的表達(dá)成分、組分、反應(yīng)條件等等的量的數(shù)值應(yīng)理解為是由術(shù)語“約”修飾的。因此，除非相反地指出，在本說明書以及所附的權(quán)利要求中列出的數(shù)值參數(shù)是近似值，這些近似值可以取決于在此提出的主題尋求獲得的所希望的特性而變化。在最低限度上，并且并非作為將等效原則的應(yīng)用限制于權(quán)利要求范圍的一種嘗試，每個(gè)數(shù)值參數(shù)應(yīng)該至少按照所報(bào)告的有效數(shù)字的數(shù)目并且通過應(yīng)用通常的舍入技術(shù)進(jìn)行解釋。盡管規(guī)定了在此提出的主題的寬泛范圍的這些數(shù)值以及參數(shù)是近似的，在具體的實(shí)例中提出的數(shù)值是盡可能精確地進(jìn)行報(bào)告的。然而，任何數(shù)值固有地包括在它們相應(yīng)的測試測量內(nèi)存在的、由標(biāo)準(zhǔn)偏差必然引起的誤差。
總體說明本發(fā)明針對旨在基本上消除由硅基紅外元件、特別是氮化硅紅外元件造成的單束光譜中的輸出偽影的一種紅外、例如中紅外光源裝置。本發(fā)明的改良的源不包括一種窗口，因?yàn)榇翱谧钃跛l(fā)出輻射的一部分并且增加成本。然而，因?yàn)楸景l(fā)明的這些紅外源暴露于空氣中并且因?yàn)檫@些所希望的源是硅基的，所以在該紅外源在可以使其用作例如中紅外源的足夠高的溫度下(在接近大約1300°C及以上的溫度下)運(yùn)行時(shí)，這些紅外源在表面形成氧化物、常常是復(fù)合金屬氧化物。由于形成氧化物，這些氧化物引起特定波長的發(fā)射率下降，這些特定波長典型地為1500波數(shù)以下、常常為大約1100波數(shù)以下。本發(fā)明通過以接觸或相鄰的安排來組合一個(gè)與該紅外(例如點(diǎn)火器)元件相聯(lián)接的、被配置的絕緣腔室而以新穎的方式著手解決這個(gè)問題，從而可以共同疊加大約1500波數(shù)以下的發(fā)射率，因此其平均輸出提供了一種更均勻的光譜。具體而言，該紅外源元件與該絕緣物以這種方式聯(lián)接(即與該絕緣體接觸或鄰近該絕緣體)，該方式還允許加熱該絕緣物，這樣使得該絕緣物在所希望的波長放出能量，這些波長的發(fā)射率已經(jīng)由于該紅外源的被加熱表面上的氧化物而下降。通常，優(yōu)選地，這種新穎配置與由氮化硅配置成的該紅外源和由例如氧化鋁或氧化鋯配置成的該絕緣物一起工作。氧化鋯是特別有利的，因?yàn)檠趸喪歉行У慕^緣體，并且是傾向于具有更好發(fā)射率的柔軟且多孔的材料。此外，所配置的光學(xué)腔室和所選的絕緣材料也作為用于所放射的能量的積分球而工作。
具體說明如上所討論，本發(fā)明提供了包括一個(gè)紅外元件例如一個(gè)紅外點(diǎn)火器元件的一種新型紅外源裝置，該紅外元件以接觸方式嵌套，例如與一種所希望的絕緣材料例如(但不限于)氧化鋯實(shí)質(zhì)性地接觸或非?？拷?即鄰近)該絕緣材料，從而能在任一配置中大約在該紅外源元件的溫度范圍內(nèi)有效地加熱該絕緣體。如上所述，可在標(biāo)題為“高效紅外源(High Efficiency Infrared Source) ”的美國專利號(hào) 5，291，022 (Drake 等人，1994 年 3 月 1日發(fā)布)中找到一種類似地設(shè)計(jì)的裝置，該披露的全文內(nèi)容通過引用結(jié)合到本申請中?？梢宰鳛楸景l(fā)明的紅外元件而進(jìn)行結(jié)合的所希望的材料包括(但不限于)碳化物，尤其是碳化硅(摻雜的和非摻雜的)，但是更常見的，該紅外元件優(yōu)選為氮化硅。至于將碳化硅用作該紅外元件，雖然這樣一種元件在配置于本發(fā)明中時(shí)仍然是有利的，但一般已知這種元件在隨時(shí)間而變化的單束光譜中產(chǎn)生不利的光學(xué)偽影，在大約1079波數(shù)區(qū)域處具有接近50%的發(fā)射率損失。此外，一種碳化硅源元件的熱點(diǎn)遷移和氧化往往導(dǎo)致低的或變化的通量。然而，氮化硅是一種更令人希望的紅外源元件，盡管它比碳化硅設(shè)備昂貴，并且在類似的溫度范圍內(nèi)工作時(shí)，在少于大約1500波數(shù)、例如在大約1079波數(shù)處具有類似的發(fā)射率損失，并且盡管傾向于需要更大的功率來運(yùn)行這些設(shè)備(例如，和大約類似的配置的 10-16瓦碳化硅設(shè)備相比，需要大約18-25瓦之間)。然而，氮化硅的好處在于以下事實(shí)把氮化硅設(shè)計(jì)成一種由非摻雜材料組成的柴油機(jī)熱塞(glow plug)，所述非摻雜材料其實(shí)是一種以套狀方式與一種鎢元件結(jié)合的材料塞。由于這種配置，這些類型的紅外元件有助于在本發(fā)明中使用的一種更耐用的、可重復(fù)的元件，因?yàn)樵撛畲笙薅鹊販p少由裝配和處理造成的斷裂以及熱點(diǎn)遷移和/或由于氧化而引起的該部件壽命過程中的少于大約0. 的電阻率的不利變化。在本發(fā)明中使用所述氮化硅元件時(shí)，實(shí)例工作參數(shù)包括在從700°C左右至高達(dá)1400°C左右的最大溫度下、更常見地在1200°C左右，從9伏左右至13伏左右的直流電下運(yùn)行所述設(shè)備。在幾何學(xué)上，本發(fā)明的紅外元件可包括各種橫截面，這包括(但不限于)多邊形、 矩形、球形、橢圓形，每個(gè)紅外元件能夠與導(dǎo)線相聯(lián)接以加熱這些設(shè)置，從而提供所希望的紅外發(fā)射?？傮w而言，在此披露的橫截面構(gòu)型的目的是消除與過去的成像問題(例如過去常規(guī)地利用的U形碳化硅元件成像)相關(guān)的問題。具體而言，由于該U形設(shè)計(jì)，造成這種發(fā)射率圖案的一個(gè)空隙(即圖像的中央部分中的強(qiáng)度降低)最終是在下游成像到該光譜儀儀器中的。本發(fā)明中，例如使用一種材料作為該紅外源，如具有例如像長度高達(dá)約2英寸并且直徑高達(dá)約1/8英寸的尺寸的氮化硅材料塞，該材料塞消除了成像束中的空隙，因?yàn)樵撐矬w本身不具有被移除的中央部分?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向絕緣材料，此類合適的電絕緣材料包括(但不限于)一種或多種金屬氧化物，例如氧化鋁；一種氮化物，例如氮化鋁、氮化硅和氮化硼；以及鋯，其中通常優(yōu)選鋯。 關(guān)于鋯更具體的是，該材料常常包括來自齊卡氧化鋯公司(Zircar Zirconia he.)的柔軟多孔的陶瓷纖維，例如TXTi和比TXTi堅(jiān)固的ZYZ6。因此，ZH型絕緣體是多孔然而剛性的耐熔結(jié)構(gòu)，它由與二氧化硅相結(jié)合的、由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯纖維組成。這種組成提供了具有氧化鋯纖維的低熱導(dǎo)率和二氧化硅結(jié)合材料的強(qiáng)度和可機(jī)加工性的絕緣材料。此外，均勻地結(jié)合具體的材料，使其能被電腦數(shù)控(CNC)機(jī)加工至嚴(yán)格公差和復(fù)雜形狀。因此，除了其他有利特性之外，上述材料還提供了所希望的絕緣性能，并且被設(shè)計(jì)成可承受高達(dá)約1650°C的高溫，但是機(jī)械和隔熱特征沒有衰退。此外，因?yàn)樵摬牧鲜且环N熱的不良導(dǎo)體，它能夠使在本發(fā)明的機(jī)加工的腔室中捕獲的空氣以快速方式達(dá)到大約該紅外元件本身的協(xié)同溫度，從而最大限度地減少通過空氣的熱量損失。這種特性的令人驚訝的結(jié)果有利于本發(fā)明，因?yàn)楫?dāng)該絕緣材料迅速加熱至由該紅外元件所引起的溫度范圍(即高達(dá)1400°C左右的協(xié)同溫度)時(shí)，該絕緣材料作為一種黑體發(fā)射體提供大約 1500波數(shù)以下的發(fā)射率帶，該發(fā)射率帶將連同在所選的工作溫度下由該紅外材料提供的發(fā)射帶一起發(fā)射。重要的方面是，在加熱的工作條件下，該絕緣材料如在此披露地提供了與該紅外源的輸出發(fā)射進(jìn)行共同疊加的發(fā)射光譜(注意，氧化鋁絕緣體(例如Rath 174/700) 也可提供這樣的益處，但不如氧化鋯有效)。實(shí)際上，該組合的光譜輸出是共同疊加的光譜的結(jié)果，這種共同疊加的光譜基本上消除了隨著在所希望的工作溫度下有害氧化物的形成而由該紅外源的輸出提供的光譜缺陷。此外，由于其多孔結(jié)構(gòu)，在接收來自該源的光輻射過程中，該材料也作為一種幾乎完美的發(fā)射體，以便以積分球方式直接輻射回該紅外源，從而提高由該源提供的總發(fā)射率。如上文所披露，當(dāng)通過這些設(shè)備的所聯(lián)接的導(dǎo)線進(jìn)行引導(dǎo)時(shí)，本發(fā)明的所述紅外元件總體上經(jīng)由電激發(fā)裝置達(dá)到所希望的溫度范圍。作為替代實(shí)施方案，也可通過光激發(fā)裝置(尤其是激光的光激發(fā))加熱在此所說明的紅外源，以另外誘導(dǎo)這些元件中的所希望的溫度，從而也導(dǎo)致黑體發(fā)射。這些激光激發(fā)源可包括(但不限于)連續(xù)波(CW)和/或固態(tài)裝置，更常見的是具有可以容易地被一種所配置的紅外元件吸收的合適波長(例如少于大約1微米)的激光二極管裝置。使用激光激發(fā)的有利結(jié)果包括使用可成形以優(yōu)化生成光的更高溫度的陶瓷。現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，圖IA和IB描述本發(fā)明的實(shí)例性有益紅外源實(shí)施方案的交替?zhèn)纫晥D，通常由參考數(shù)字100指定。具體而言，圖IA和IB都圖示一種紅外(例如點(diǎn)火器)源2， 如上所討論，該紅外源以新穎的方式與一種所選的絕緣體材料6實(shí)質(zhì)性接觸或鄰近。該絕緣體6的內(nèi)芯本身更常見地由如上所述的一種鋯纖維陶瓷材料形成，該材料是相對柔軟的并因此可被一種硬質(zhì)材料如一種硬質(zhì)紅外元件2穿透。形成該腔室(包括由參考標(biāo)號(hào)12和14表示的壁與該紅外元件2組合)的手段包括將該紅外元件2壓入形成該絕緣體6內(nèi)芯的一個(gè)實(shí)心塊中，直到該紅外元件延伸至該內(nèi)芯中由這些壁12形成的圓錐形內(nèi)部(例如具有如圖IA所示由字母A表示的高達(dá)約0.210英寸的外徑、如圖IB所示由參考字母C表示的高達(dá)約0. 180英寸的內(nèi)徑、以及如圖IA所示由字母B表示的高達(dá)約0. 020 英寸的長度的一個(gè)圓錐形孔，該外徑、內(nèi)徑和長度各自用伴隨的箭頭顯示)的頂點(diǎn)處的該絕緣體內(nèi)芯中的一個(gè)所希望的終止點(diǎn)。還顯示了與其他已知的元件如通過引用結(jié)合到本申請中的美國專利 No. 5，291, 022中所討論的例如0型環(huán)、蓋子等協(xié)同的一種耐高溫陶瓷水泥材料3 (例如 Sauereisen Electrotemp #8水泥)，有助于將該紅外元件2密封在該絕緣體6中。在這種配置中，該紅外元件2和該圓錐形孔的壁12形成于該絕緣體6中，以便如圖IB所示地除了在限定孔的開口 5以外基本上相接觸，該限定孔的開口組成該圓錐形孔的底部并且該限定孔的開口的底部稍大于紅外元件2的暴露的底端2’。此外，通過以圖IA和IB中所示的方式構(gòu)造這些壁12(即通過配置這些壁12來提供在一個(gè)限定該紅外源的光學(xué)孔的開口處收斂的一個(gè)圓錐形內(nèi)部)，以便也作為該絕緣體 6內(nèi)芯的開口而工作，最大限度地減少該加熱紅外元件2周圍的空氣空間，從而也防止有害的折射加熱效果。作為替代的有益實(shí)施方案，也可通過電腦數(shù)控機(jī)加工該絕緣體至被設(shè)計(jì)為接收該紅外元件2的嚴(yán)格公差而構(gòu)造該腔室。優(yōu)選地，以符合該腔室的任一手段來配置該紅外加熱元件2，這樣如圖IB所示的鄰近所限定的開口 5的、該紅外元件的底端2’達(dá)到最大加熱溫度。并且還應(yīng)理解，與由這些壁12限定的圓錐形內(nèi)部一起，通過如圖IB所示地配置的壁14，傾斜的開口有助于通過作為一個(gè)光學(xué)腔室共同工作而最大限度地減少光學(xué)漸暈，該光學(xué)腔室具有包括如圖IB所示的接收數(shù)值角θ的一個(gè)所希望的視場。相應(yīng)地設(shè)計(jì)這樣的視場構(gòu)造，使得以本發(fā)明的一種光譜儀系統(tǒng)中所聯(lián)接的一種折射或反射成像元件、例如一種具有預(yù)定光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)(如考慮從大約f/4至大約f/Ι的f#)的離軸拋物線反射鏡進(jìn)行優(yōu)化。因此，這樣的安排提供了能在一種光譜儀系統(tǒng)中貫穿所設(shè)計(jì)的一個(gè)或多個(gè)成像平面均勻地光學(xué)中繼該絕緣體材料6和該紅外元件2的光斑尺寸特征，該光譜儀系統(tǒng)的通量增加并且光學(xué)像差減到最小。用以下非限制性實(shí)施例來說明本發(fā)明。具體而言，圖2A示出對于一種氮化硅源的、間隔15分鐘的、200個(gè)一分鐘背景的光譜結(jié)果，該氮化硅源具有2周的老化并且在 1100°C下運(yùn)行。雖然圖2A顯示一種穩(wěn)定的源輸出，它也顯示了在1079波數(shù)的大偽影(為了方便起見，標(biāo)記并用伴隨的箭頭顯示)。圖2B示出與用于生成圖2A的數(shù)據(jù)相同的氮化硅源，但是它現(xiàn)在與拉特公司 174/700(86% A1203-14% SiO2)絕緣物以如上對本發(fā)明實(shí)施方案描述的方式結(jié)合。因此，由于所結(jié)合的該絕緣物，溫度上升至高達(dá)約1200°C，并且如同樣有標(biāo)記地并用伴隨的箭頭顯示的，在1079波數(shù)處致使偽影減少。圖3A顯示三個(gè)光譜，第一光譜30由用該絕緣物背面中的該源元件來加熱該絕緣物引起，所以該絕緣物(即拉特絕緣物)是該系統(tǒng)的源。第二光譜32沒有絕緣物，并且第三光譜34由安裝在該源上方的絕緣物引起。因此，如圖3A所示的結(jié)果說明僅該絕緣物沒有偽影，并且如果該絕緣物置于該元件附近，該絕緣物必須與該紅外元件接觸或靠近(即鄰近)以便使該絕緣物變得足夠熱以作為該源的一部分。另外要注意，如圖3A所示，低于1200波數(shù)的該絕緣物光譜(即第一光譜30)有利地提供發(fā)射率，以填補(bǔ)單個(gè)源元件發(fā)射率低的地方(例如，參見光譜32的 1079區(qū)域)。圖:3B示出來自一個(gè)絕緣塊的數(shù)據(jù)，該絕緣塊具有一個(gè)通向該元件的圓錐，其外徑為0. 210、內(nèi)徑為0. 180。用于該紅外元件的孔被配置為大約3mm，并且將一種4. 7mm的元件壓入，以便使該元件在該絕緣物的所有側(cè)上進(jìn)行接觸。因此，可通過設(shè)計(jì)如上所述的圓錐和腔室而增強(qiáng)圖3A的結(jié)果，這樣可以使來自該源的光在該絕緣物上反射并且在該源反射鏡 (例如該拋物線離軸反射鏡)的焦點(diǎn)以同化(assimilates) —個(gè)積分球的方式重新組合。圖4A顯示了由置于一種碳化硅紅外元件上的RATH 174/700絕緣物40和TXLZ絕緣物44產(chǎn)生的一對光譜數(shù)據(jù)。當(dāng)該TiTi絕緣物用于本發(fā)明時(shí)，該元件的溫度從1120°C左右上升到高于約1300°C。要注意的是，絕緣物的變化，即從RATH 174/700絕緣物40改變至TiTi絕緣物44在大約1079波數(shù)帶寬下減少了偽影(在RATH 174/700絕緣物40的光譜中以標(biāo)記顯示)。圖4B示出來自在1300°C下的一種碳化硅紅外元件46和在1200°C下的一種氮化硅紅外元件48的一對光譜數(shù)據(jù)，其中這兩者都安裝有ττη絕緣物并且在相同的系統(tǒng)上運(yùn)行。它們被調(diào)節(jié)為共同的比例，并且顯示出即使在較低的溫度下，由于在檢測器中成像的熱點(diǎn)較大這一事實(shí)，氮化硅具有較大的通量。
本申請包括的討論旨在充當(dāng)基本的說明。雖然已依照所示出和所描述的各實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)容易地看出可能有這些實(shí)施方案的各種變化，并且這些變化將在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。讀者應(yīng)該注意，具體討論可能沒有明確地描述所有可能的實(shí)施方案；很多替代方案是隱含的。認(rèn)為這樣的修改等等是在本領(lǐng)域的技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)以及本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)的簡單修改。因此，在不脫離本發(fā)明的精神、范圍和本質(zhì)的情況下，可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員作出很多這樣的修改。說明書、附圖和術(shù)語皆非旨在限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種紅外源，包括一種紅外元件，當(dāng)用激發(fā)裝置被加熱到一個(gè)預(yù)定溫度范圍時(shí)該紅外元件在所希望波長處提供紅外輻射；一種絕緣體，該絕緣體與所述紅外元件相聯(lián)接從而達(dá)到由所述紅外元件產(chǎn)生的熱量提供的一個(gè)協(xié)同溫度范圍，其中在所述協(xié)同溫度范圍內(nèi)的所述絕緣體提供一個(gè)或多個(gè)所希望的紅外發(fā)射光譜帶，這些光譜帶與所述紅外元件的輸出發(fā)射進(jìn)行共同疊加，從而消除了達(dá)到所述協(xié)同溫度范圍的所述紅外元件引起的光譜缺陷；并且其中所述絕緣體的一個(gè)或多個(gè)壁被配置為一個(gè)圓錐形內(nèi)部，該圓錐形內(nèi)部收斂于限定所述源的光學(xué)孔的一個(gè)開口，以便增強(qiáng)所述絕緣體和所述紅外元件光譜輸出的被共同疊加的發(fā)射并且附加地與一種所聯(lián)接的光譜儀成像元件的視場相匹配。
2.如權(quán)利要求1所述的紅外源，其中由所述加熱的絕緣體提供的所述共同疊加的一個(gè)或多個(gè)所希望的紅外發(fā)射光譜帶包含低于大約1500波數(shù)的光輻射。
3.如權(quán)利要求1所述的紅外源，其中由所述加熱的絕緣體提供的所述共同疊加的一個(gè)或多個(gè)所希望的紅外發(fā)射光譜帶包含在大約1079波數(shù)處的光輻射。
4.如權(quán)利要求1所述的紅外源，其中所述聯(lián)接的絕緣體與所述紅外元件接觸，并且其中所述絕緣體用所述紅外源加熱到一個(gè)所希望的溫度范圍，使得該共同疊加的發(fā)射率增加高達(dá)50%左右。
5.如權(quán)利要求1所述的紅外源，其中所述聯(lián)接的絕緣體鄰近所述絕緣體，并且其中所述絕緣體用所述紅外元件加熱到一個(gè)所希望的溫度范圍，使得該發(fā)射率增加高達(dá)50%左右ο
6.如權(quán)利要求1所述的紅外源，其中所述紅外元件包括氮化硅。
7.如權(quán)利要求1所述的紅外源，其中所述紅外元件包括碳化硅。
8.如權(quán)利要求1所述的紅外源，其中所述絕緣體包括配置為能夠承受這些工作溫度的一種多孔陶瓷材料。
9.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求6所述的紅外源，其中所述絕緣體包括至少一種選自氧化鋁、氮化物和鋯絕緣體的絕緣體。
10.如權(quán)利要求1所述的紅外源，其中所述預(yù)定溫度范圍包括從700°C左右至高達(dá) 1400°C左右的一個(gè)范圍。
11.如權(quán)利要求1所述的紅外源，其中協(xié)同溫度范圍包括從700°C左右至高達(dá)1400°C左右的一個(gè)范圍。
12.如權(quán)利要求1所述的紅外源，其中所述激發(fā)裝置包括選自電源和光源的至少一種激發(fā)裝置。
13.如權(quán)利要求1所述的紅外源，其中所述光源包括一種激光二極管。
14.如權(quán)利要求1所述的紅外源，其中所述絕緣體的所述壁被配置為多個(gè)圓錐形內(nèi)部表面，這些圓錐形內(nèi)部表面收斂于限定所述源的所述光學(xué)孔的一個(gè)圓形開口。
15.如權(quán)利要求14所述的紅外源，其中所述聯(lián)接的光譜儀成像元件包括從大約f/4至大約f/Ι的f數(shù)，從而具有以所述光學(xué)孔優(yōu)化的所述視場。
全文摘要
一種紅外(IR)源設(shè)備，其包括一種所希望的紅外源元件，該紅外源元件聯(lián)接到一個(gè)絕緣外殼上，從而在所希望的光學(xué)帶寬下最大限度地減少整體源效率低下的狀況。以一種方式機(jī)加工或配置該絕緣物本身，以便使該紅外源元件與設(shè)計(jì)在該絕緣物中的一個(gè)腔室接觸，從而使紅外源圖像成為該絕緣材料和該紅外元件的平均。本發(fā)明的這種安排提高了大約1500波數(shù)以下、更常見大約1100波數(shù)以下、更特別的是在大約1079波數(shù)處該紅外源的發(fā)射率。因此，該紅外源和該絕緣物的組合發(fā)射率實(shí)質(zhì)性地增強(qiáng)了光譜發(fā)射，并且消除或減少了由在所述紅外源表面上形成氧化物導(dǎo)致的光譜偽影。
文檔編號(hào)H01K13/00GK102549711SQ201080041940
公開日2012年7月4日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者J·M·考菲, J·R·艾弗森 申請人:熱電科學(xué)儀器有限公司