專利名稱：用于ir檢測(cè)系統(tǒng)的杜瓦瓶組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括IR檢測(cè)器單元類別的IR檢測(cè)系統(tǒng)領(lǐng)域，且涉及用于這類IR檢測(cè)系統(tǒng)中的杜瓦瓶組件(dewar assembly)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的紅外線(IR)檢測(cè)系統(tǒng)通常包括IR檢測(cè)器(例如焦平面陣列(FPA))和杜瓦瓶組件，所述杜瓦瓶組件封裝(enclosing)所述檢測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)并作為熱屏蔽體而運(yùn)行，所述熱屏蔽體為所述檢測(cè)器遮蔽來自所封裝的視場(chǎng)外的熱輻射。許多類型IR檢測(cè)器在冷卻至極低溫度時(shí)才適當(dāng)運(yùn)行(例如約77-100° K)，因此，在該類型IR檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)器與冷卻系統(tǒng)熱耦合(例如安裝其上)。其他類型的IR檢測(cè)器，本文中稱為非致冷IR檢測(cè)器(例如熱IR檢測(cè)器)，可在環(huán)境溫度條件下運(yùn)行，因此可在不與低溫冷卻系統(tǒng)耦合的情況下使用。致冷及非致冷IR檢測(cè)器類型均對(duì)來自寬視場(chǎng)角(約180° )內(nèi)的輻射敏感，所述市場(chǎng)角是相對(duì)于通常與所述檢測(cè)器的敏感區(qū)垂直的某一光軸而言。對(duì)此，為了將檢測(cè)器的視場(chǎng)限制為檢測(cè)系統(tǒng)的某一所希望的視場(chǎng)，通常使用光/熱屏蔽體來防止來自所希望的視場(chǎng)之外的輻射到達(dá)所述檢測(cè)器。對(duì)此，杜瓦瓶組件的功能之一是將IR檢測(cè)系統(tǒng)的有效視場(chǎng)限制為所希望的視場(chǎng)，所希望的視場(chǎng)由沿著檢測(cè)器的光軸傳播的光的某一立體角限定(小于IR檢測(cè)器本身的寬視場(chǎng)角)。因此，杜瓦瓶組件通常被構(gòu)造成封裝具有圓柱樣結(jié)構(gòu)的IR檢測(cè)器，所述圓柱樣結(jié)構(gòu)至少部分地包圍IR檢測(cè)系統(tǒng)的光軸和限定一個(gè)光學(xué)窗(例如其的一個(gè)光孔)，所希望的視場(chǎng)內(nèi)的輻射穿過所述光學(xué)窗而到達(dá)IR檢測(cè)器。為此，通常的杜瓦瓶組件包括冷屏蔽體(cold shields)和溫屏蔽體(warmshields)，它們分別與安裝其上的冷濾器和溫窗相連。所述冷屏蔽體用于至少部分地包圍IR檢測(cè)系統(tǒng)的光軸并從而使得僅有限視場(chǎng)的輻射到達(dá)IR檢測(cè)器。由于所述冷屏蔽體自身可發(fā)出熱輻射(寄生輻射)，因此所述冷屏蔽體維持冷卻至相對(duì)較低溫度(例如約100° K)，以減少由所述屏蔽體發(fā)出這類寄生熱輻射。因此，冷屏蔽體通常被封裝在溫屏蔽體中，這使冷屏蔽體與外部溫度熱絕緣。由于冷屏蔽體封裝有一部分光路(通常在冷濾器和檢測(cè)器之間)，因此其本身可以朝著IR檢測(cè)器反射輻射，這是不希望的穿過冷濾器進(jìn)入系統(tǒng)并撞擊在冷屏蔽體的壁上的輻射。由冷屏蔽體的壁在檢測(cè)器上反射的視場(chǎng)之外的輻射量的減少可通過利用冷屏蔽體的高發(fā)射/吸收(發(fā)暗的)內(nèi)表面來增加對(duì)這類不想要的輻射的吸收而實(shí)現(xiàn)。將冷屏蔽體的內(nèi)表面構(gòu)造成反射性的且具有專門設(shè)計(jì)的幾何形狀將不想要的輻射反射出檢測(cè)器的視場(chǎng)，也是已知的。冷卻冷屏蔽體內(nèi)表面以減少由其發(fā)出的熱輻射。對(duì)于增加冷屏蔽體的發(fā)射率，具有許多已知技術(shù)。根據(jù)這些技術(shù)中的一些，冷屏蔽體包括幾個(gè)擋板來幫助減少不想要的IR輻射。利用冷屏蔽體的擋板結(jié)構(gòu)的這類技術(shù)的一個(gè)實(shí)例在美國(guó)專利5，225,931中有描述，根據(jù)該專利，提供了一個(gè)具有一個(gè)管的光學(xué)系統(tǒng)，所述管具有一個(gè)開口前端和一個(gè)后端，其中成像光學(xué)器件安裝在所述管中，并相對(duì)于光軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地提供多個(gè)光反射擋板部分。第一擋板部分被構(gòu)造成回轉(zhuǎn)的橢圓面，所有的焦點(diǎn)均位于所述管的開口前端的相鄰邊緣部分并面向所述開口前端。第二擋板部分被構(gòu)造成回轉(zhuǎn)的雙曲面，所述雙曲面向遠(yuǎn)離所述管的開口端和內(nèi)部方向。美國(guó)專利4，820，923公開了一種用于低溫冷卻輻射檢測(cè)器、具有環(huán)形反射表面的溫屏蔽體反射器。所述表面具有導(dǎo)致由檢測(cè)器發(fā)出的光線被反射的幾何性質(zhì)，使得光線在有效檢測(cè)器區(qū)域之外和附近成像為散焦的環(huán)。幾個(gè)這樣的部分位于小的低溫冷卻檢測(cè)器屏蔽體的前面，以為整個(gè)檢測(cè)器提供與大的低溫冷卻屏蔽體類似的屏蔽效應(yīng)。美國(guó)專利公布文本2006/180765描述了一種紅外成像系統(tǒng)，其使用反射表面之間的未冷卻橢圓表面部分，以使檢測(cè)器感知一個(gè)冷的真空室內(nèi)部，而不是一個(gè)結(jié)構(gòu)或外殼(housing)的溫表面。以該方式，可使來自系統(tǒng)內(nèi)的背景紅外福射(background infrared輻射)最小化。WO 07/003729描述了一種電磁輻射監(jiān)測(cè)裝置，由具有對(duì)所述輻射敏感的表面的傳感器和含有側(cè)壁的冷屏蔽體組成，所述側(cè)壁具有形成橢圓弧輪廓的橫截面，使得被所述壁反射的來源于入射線的光線不會(huì)與所述傳感器的敏感表面接觸。

發(fā)明內(nèi)容
本領(lǐng)域需要適于用在IR檢測(cè)系統(tǒng)中且具有降低的質(zhì)量和降低的冷卻需求的熱屏蔽體(杜瓦瓶)。如上文所述，已知的杜瓦瓶組件包括一個(gè)非冷卻溫屏蔽體和一個(gè)冷屏蔽體，所述冷屏蔽體包封在所述溫屏蔽體內(nèi)(且通常為分離的形式)且通過所述溫屏蔽體與環(huán)境熱絕緣。冷屏蔽體被用于遮蔽IR檢測(cè)器免于來源于所述檢測(cè)器所希望的視場(chǎng)外的熱輻射。這類冷屏蔽體通常被構(gòu)造成封裝在檢測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)窗(例如冷濾器)和IR檢測(cè)器之間的光傳播的光路(IR輻射)。所述冷屏蔽體通常被構(gòu)造成吸收以在IR檢測(cè)器的所希望的視場(chǎng)之外的角度穿過所述光學(xué)窗的光/熱輻射。為使檢測(cè)系統(tǒng)具有高信噪比(SNR)，冷屏蔽體通常被構(gòu)造成能夠最大程度的吸收撞擊其上的輻射，和防止/降低此處的輻射反射率。為此，使用多種熱屏蔽體技術(shù)，包括例如在冷屏蔽體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中使用擋板、使用高發(fā)射性涂層和使用粗糙的表面紋理來使反射最小化，目的在于增加發(fā)射率(吸收率)。但是，增加擋板會(huì)增加冷屏蔽體的熱容量和重量。另外，使用具有高發(fā)射性內(nèi)部(內(nèi)表面/結(jié)構(gòu))的冷屏蔽體意味著，在給定溫度下，由所述內(nèi)部表面/結(jié)構(gòu)發(fā)出相對(duì)較高的熱輻射(例如由于所謂的黑體輻射)。這是因?yàn)?，為保持熱平衡，被所述屏蔽體吸收的能量的量應(yīng)等于例如通過發(fā)出輻射或通過冷卻所述屏蔽體而從所述屏蔽體排出的能量的量。更具體地，由物體發(fā)出的熱輻射與該物體的發(fā)射率線性相關(guān)，并且與絕對(duì)溫度的四次方成比例。因此，當(dāng)用高發(fā)射率的冷物體和高反射率的溫?zé)嵛矬w操作時(shí)，由所述物體發(fā)出的熱輻射可實(shí)現(xiàn)相同水平。在此方面，本發(fā)明的操作與常規(guī)方法相反，其中高發(fā)射內(nèi)表面的冷屏蔽體的壁既用于維持低水平的來自所述壁的熱輻射，還用于吸收在檢測(cè)器視場(chǎng)外的方向穿過光學(xué)窗而到達(dá)的輻射。在本發(fā)明中，當(dāng)通過利用所述屏蔽體的壁的高反射內(nèi)表面來保持低水平的熱輻射時(shí)，所述屏蔽體的壁的冷卻不是必須的。轉(zhuǎn)而言之，由于高反射壁不吸收視場(chǎng)之外的輻射，因此所述壁被構(gòu)造成將來自光學(xué)窗(例如其光孔)的這類輻射反射到僅有較少反射和較少熱發(fā)射的吸收區(qū)域上。IR檢測(cè)系統(tǒng)的SNR對(duì)來自檢測(cè)器所希望的視場(chǎng)外并到達(dá)該檢測(cè)器的熱輻射敏感。因此，由于熱輻射與溫度的四次方成比例，在使用高發(fā)射性冷屏欄的情況下(常規(guī)方法)，需要將所述冷屏蔽體冷卻至低溫(例如冷凍溫度)，以減少由所述屏蔽體的內(nèi)結(jié)構(gòu)/表面發(fā)出的熱輻射的量。此處應(yīng)注意，在本公開中，術(shù)語(yǔ)視場(chǎng)之外的輻射是指來自檢測(cè)器的所希望的視場(chǎng)之外的方向并沿該方向撞擊在所述屏蔽體的有效/敏感表面上(例如檢測(cè)器所處的位置)的電磁(例如IR/熱)輻射。所述檢測(cè)器的所希望的視場(chǎng)可定義為光穿過光學(xué)窗(例如通過其一個(gè)光孔)而傳播的某一立體角，其特征在于，在所述立體角內(nèi)穿過所述窗的光線(例如IR)的光路(包括可選的光學(xué)元件的影響)指向IR檢測(cè)器的敏感區(qū)域。視場(chǎng)之外的輻射被檢測(cè)器感知是不希望的，因?yàn)槠渫ǔ?huì)弄污由檢測(cè)器感知的圖像并損害系統(tǒng)的SNR。所述視場(chǎng)之外的輻射具有兩個(gè)主要來源，即:(i)所述屏蔽體的熱輻射，其為由屏蔽體的內(nèi)表面/結(jié)構(gòu)根據(jù)其溫度發(fā)出的輻射，和(ii)未聚焦的輻射，其為以在檢測(cè)器的所希望的視場(chǎng)外部的角度穿過光學(xué)窗到達(dá)屏蔽體(例如在使用冷屏蔽體的情況下為冷濾器)上然后由所述屏蔽體的內(nèi)表面反射到檢測(cè)器的敏感區(qū)域上的輻射。對(duì)于各種應(yīng)用而言，希望的是具有高SNR，小尺寸、輕重量、快速冷卻能力和/或積極有效的操作的IR檢測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)已知技術(shù)，IR檢測(cè)系統(tǒng)的SNR的增加是通過利用高發(fā)射性冷屏蔽體或所述屏蔽體的較低溫度而實(shí)現(xiàn)，或者同時(shí)利用這兩個(gè)條件而實(shí)現(xiàn)，目的在于減少在視場(chǎng)之外撞擊在檢測(cè)器的輻射的總量，即減少所述屏蔽體的熱輻射、未聚焦的輻射、或者這兩者。用于捕獲并吸收撞擊其上的輻射(例如未聚焦的輻射)的高發(fā)射性屏蔽體通常通過利用復(fù)雜結(jié)構(gòu)(例如擋板結(jié)構(gòu))和/或更大和更多結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)，而這又導(dǎo)致與環(huán)境的更大能量交換和具有更大熱質(zhì)量。使用這類高發(fā)射性屏蔽體促進(jìn)將所述屏蔽體冷卻至極低溫度，以降低由所述屏蔽體的內(nèi)表面發(fā)出的熱輻射(黑體輻射)的量和用于排出由所述屏蔽體的高發(fā)射性表面吸收的輻射所產(chǎn)生的熱量。因此，利用高發(fā)射性屏蔽體以及利用所述屏蔽體的低溫度需要更大的熱泵浦速率(heat pumping rate)。而這又需要使用強(qiáng)大的熱泵(冷卻器)，這可能具有幾個(gè)缺點(diǎn)，例如高能耗、高質(zhì)量(重量)和大尺寸，使得它們不太適于某些應(yīng)用。此外，通常具有的情況是，使用大規(guī)模的冷屏蔽體——其從低溫冷卻單元(例如指形冷凍器)垂吊下來——可能導(dǎo)致IR檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)機(jī)械振動(dòng)敏感，影響由IR檢測(cè)器感知的圖像的振動(dòng)，由此損害檢測(cè)器所記錄的圖像/數(shù)據(jù)的品質(zhì)。本發(fā)明提供一種的新的系統(tǒng)和方法用于熱屏蔽熱輻射檢測(cè)單元(IR檢測(cè)器)使其免于來自該檢測(cè)器的視場(chǎng)之外的輻射(例如IR輻射、可見光等)。本發(fā)明涉及具有低發(fā)射率(例如反射性)表面/結(jié)構(gòu)(內(nèi)表面)的熱屏蔽體，所述屏蔽體的壁封裝有檢測(cè)器的視場(chǎng)并被設(shè)計(jì)成用于使來自檢測(cè)器視場(chǎng)之外的方向的輻射進(jìn)行反射/偏轉(zhuǎn)，并使所述輻射朝向檢測(cè)器敏感區(qū)域之外，由此使得其不會(huì)損害IR檢測(cè)系統(tǒng)的SNR。此外，利用熱屏蔽體的低發(fā)射率內(nèi)表面導(dǎo)致發(fā)出較少的熱輻射、黑體輻射(對(duì)于給定穩(wěn)定的所述屏蔽體)，這使得在所述屏蔽體的高溫下得到IR檢測(cè)系統(tǒng)的高SNR。此外，利用所述熱屏蔽體的低發(fā)射率內(nèi)表面，使得所述屏蔽體不易受環(huán)境溫度變化的影響，由此減少了由所述屏蔽體發(fā)出的熱輻射的變化，使得IR檢測(cè)系統(tǒng)的SNR更高。表面的低發(fā)射率與來自撞擊在所述表面上的輻射的能量的低吸收率有關(guān)，并與來自所述表面的輻射的高反射率有關(guān)。低發(fā)射率(例如不超過幾個(gè)百分比，可能小于1% )可例如通過利用高反射涂層(例如鏡面涂層)而獲得，或利用本質(zhì)具有低發(fā)射率/高反射率涂層的適宜材料而獲得。本發(fā)明的技術(shù)允許用于降低/消除IR檢測(cè)系統(tǒng)的冷卻需求，通過構(gòu)造所述屏蔽體的壁或其部件的反射性(低發(fā)射率)內(nèi)表面的形狀，使得來自光學(xué)窗并撞擊在所述屏蔽體的內(nèi)表面上的視場(chǎng)之外的輻射被所述表面反射到位于IR檢測(cè)器的敏感區(qū)域外部(之外)的高發(fā)射性輻射吸收區(qū)域(例如表面或腔結(jié)構(gòu))上。這使得IR檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)足夠的SNR，同時(shí)保持所述屏蔽體的壁和可能地整個(gè)屏蔽體結(jié)構(gòu)處于環(huán)境溫度下(或稍微冷些)并由此降低或消除了系統(tǒng)的冷卻需求。實(shí)際上，在一些情況下，包含本發(fā)明的熱屏蔽體的IR檢測(cè)系統(tǒng)可能仍需要冷卻系統(tǒng)，用于冷卻IR檢測(cè)器本身和可能地還用于冷卻所述屏蔽體的輻射吸收區(qū)域(一個(gè)或多個(gè))(即，所述屏蔽體的內(nèi)表面將撞擊其上的視場(chǎng)之外的輻射引導(dǎo)/反射到所述輻射吸收區(qū)域上)。在這些情況下，本發(fā)明提供通過消除或至少減少對(duì)冷卻所述屏蔽體的壁的需要來避免/最小化所述系統(tǒng)的冷卻需求。這樣體現(xiàn)了本發(fā)明與常規(guī)IR檢測(cè)系統(tǒng)相比的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在常規(guī)IR檢測(cè)系統(tǒng)中，所述屏蔽體的壁需要大量的熱泵浦資源，因?yàn)樗鼈兙哂邢鄬?duì)大的表面積和與環(huán)境的大量能量/熱交換。替代地或者另外，根據(jù)一些技術(shù)，包含本發(fā)明熱屏蔽體的IR檢測(cè)系統(tǒng)可以在不利用任何冷卻系統(tǒng)和/或利用溫度穩(wěn)定系統(tǒng)的情況下運(yùn)行，所述溫度穩(wěn)定系統(tǒng)用于穩(wěn)定IR檢測(cè)器本身的溫度以及可能地還穩(wěn)定所述屏蔽體的輻射吸收區(qū)域的溫度。本發(fā)明顯著降低了并且可能消除了用于冷卻和/或穩(wěn)定IR檢測(cè)系統(tǒng)的溫度所需要的熱泵浦速率。因此，其使得能夠避免使用冷卻/溫度穩(wěn)定系統(tǒng)或至少允許利用具有降低的能耗、降低的熱量和物理質(zhì)量及較小尺寸的冷卻/溫度穩(wěn)定系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于包含IR檢測(cè)器類型的IR輻射檢測(cè)系統(tǒng)的熱屏蔽體(杜瓦瓶)。所述熱屏蔽體含有:一個(gè)基底，其含有輻射吸收區(qū)域并被安置成用于限定杜瓦瓶組件的光收集區(qū)域；和一個(gè)溫屏蔽體單元，其具有一個(gè)使入射光穿過其而進(jìn)入杜瓦瓶的光學(xué)窗(例如其光孔)，所述溫屏蔽體單元被構(gòu)造成一個(gè)封裝體，用于光學(xué)封裝所述基底，和限定一個(gè)反射內(nèi)表面，所述反射內(nèi)表面被構(gòu)造成，使通過所述光學(xué)窗傳播到所述內(nèi)表面上的入射光的光部分被所述內(nèi)表面向著所述光收集區(qū)域外部的區(qū)域反射。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案，所述溫屏蔽體單元的反射內(nèi)表面曝光于光收集區(qū)域(例如IR檢測(cè)器所位于的區(qū)域)。優(yōu)選地，所述反射內(nèi)表面被構(gòu)造成具有高反射率，特別是對(duì)于系統(tǒng)中的IR檢測(cè)器所敏感的波長(zhǎng)下的輻射具有高反射率。通常地且固有地，反射內(nèi)表面具有低發(fā)射率性能，降低了又所述內(nèi)表面在給定溫度條件下發(fā)出的黑體輻射的輻射量。這是因?yàn)?，根?jù)熱平衡條件，發(fā)射率和反射率通常具有相反的特性。還優(yōu)選地，所述溫屏蔽體單元的外表面具有低發(fā)射率性能，降低了由外表面吸收的輻射的量。所述熱屏蔽體用于屏蔽IR檢測(cè)器使其以免于視場(chǎng)之外的輻射，同時(shí)降低并且可能消除系統(tǒng)的冷卻需求。這通過構(gòu)造所述溫屏蔽體單元的內(nèi)表面的形狀(以及還優(yōu)選地，所述溫屏蔽體單元表面的發(fā)射率)，使得少量的輻射從所述內(nèi)表面向著光收集區(qū)域(例如檢測(cè)器的位置)反射/發(fā)射而實(shí)現(xiàn)，即使當(dāng)所述表面維持在相對(duì)高的溫度(例如相對(duì)于檢測(cè)器運(yùn)行時(shí)的溫度)時(shí)。因此，在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，所述內(nèi)表面不被冷卻和/或與環(huán)境熱絕緣。在這些實(shí)施方案中，所述溫屏蔽體單元可被構(gòu)造成用于將其側(cè)壁(具有所述內(nèi)表面)與可能冷卻的杜瓦瓶其他部件去熱耦合。如上所述，通常地，所述反射內(nèi)表面的形狀和構(gòu)造為，使得來自所述光學(xué)窗并撞擊在內(nèi)表面上的視場(chǎng)之外的輻射被反射向光收集區(qū)域的外部，并優(yōu)選地反射向一個(gè)或多個(gè)可位于熱屏蔽體的基底上輻射吸收區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明，存在多種適于該目的反射內(nèi)表面的形狀和構(gòu)造。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案，杜瓦瓶組件被構(gòu)造成，用在包含低溫冷卻系統(tǒng)類型的光學(xué)IR檢測(cè)系統(tǒng)中。在這些實(shí)施方案中，杜瓦瓶組件可適于在低溫冷卻系統(tǒng)和輻射吸收區(qū)域(例如位于基底上)之間熱耦合。因此，當(dāng)熱屏蔽體單元處于運(yùn)行中時(shí)，輻射吸收區(qū)域被冷卻至低(冷凍)溫，從而減少了由其發(fā)出的熱(黑體)輻射的量。在本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方案中，輻射吸收區(qū)域被構(gòu)造成，用于與IR檢測(cè)系統(tǒng)的用于冷卻該IR檢測(cè)器的冷卻系統(tǒng)熱耦合，或者替代地或另外地，用于耦合至單獨(dú)的冷卻系統(tǒng)。替代地或附加地，在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，杜瓦瓶組件被構(gòu)造成，用在包含溫度穩(wěn)定系統(tǒng)類型的光學(xué)IR檢測(cè)系統(tǒng)中。在這些實(shí)施方案中，杜瓦瓶組件可適于在溫度穩(wěn)定系統(tǒng)和基底之間進(jìn)行熱耦合，用于穩(wěn)定輻射吸收區(qū)域的溫度。因此，當(dāng)熱屏蔽體單元在運(yùn)行中時(shí)，輻射吸收區(qū)域保持在基本恒定的溫度。輻射吸收區(qū)域可被構(gòu)造成，與用于IR檢測(cè)器(例如未冷卻/輻射熱檢測(cè)器)的溫度穩(wěn)定的系統(tǒng)耦合或與單獨(dú)的溫度穩(wěn)定系統(tǒng)耦合。應(yīng)注意，根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方案，輻射吸收區(qū)域保持在環(huán)境溫度，而不是被冷卻或使溫度穩(wěn)定。因此，可能不需要該區(qū)域與冷卻或溫度穩(wěn)定系統(tǒng)的熱耦合。另外，在一些實(shí)施方案中，基底的內(nèi)表面延伸超出光收集區(qū)域而形成輻射吸收區(qū)域。這些輻射吸收區(qū)域可能位于光收集區(qū)域的附近，并且可能作為基底的區(qū)域而應(yīng)用。輻射吸收區(qū)域發(fā)射率的增加可通過利用吸收區(qū)域的粗糙發(fā)暗表面和/或通過形成為腔形式的吸收區(qū)域(例如黑體腔)而實(shí)現(xiàn)。如上所述，杜瓦瓶的溫屏蔽體(例如側(cè)壁)被構(gòu)造成，用于限定反射內(nèi)表面，所述反射內(nèi)表面被構(gòu)造成，通過光學(xué)窗傳播到所述內(nèi)表面上的入射光被向著光收集區(qū)域的外部反射。所述熱屏蔽體的一個(gè)簡(jiǎn)單構(gòu)造可能為例如截頂錐形狀(即截去頂部的錐體)。在本實(shí)施例中，所述熱屏蔽體的基底位于所述椎體的基部，所述光收集區(qū)域可以被限定為在其中心區(qū)域。光學(xué)窗位于所述椎體的截頂部中，并且所述屏蔽體的側(cè)壁為所述椎體的側(cè)壁。這類椎形熱屏蔽體的形狀被構(gòu)造成，其側(cè)壁的反射內(nèi)表面將視場(chǎng)之外的輻射投射/反射到光收集區(qū)域外部的指定輻射吸收區(qū)域，通常利用這樣的錐形:其頂椎角大于某一最小值(或者等于，椎體的側(cè)壁和基部之間的小角小于某一最大值)。適宜的椎角取決于幾個(gè)參數(shù)，包括例如輻射吸收區(qū)域(一個(gè)或多個(gè))的尺寸和位置、輻射穿過光學(xué)窗的最大進(jìn)入角、光收集區(qū)域的尺寸和光學(xué)窗的尺寸及它們之間的距離。所給的本發(fā)明熱屏蔽體的合適構(gòu)造的另一實(shí)施例是利用雙曲線的光學(xué)性質(zhì)或橢圓的光學(xué)性質(zhì)。一般而言，沿任意方向穿過橢圓反射器的一個(gè)焦點(diǎn)而朝向該橢圓反射器的光束被該反射器朝向該橢圓的第二個(gè)焦點(diǎn)反射。此外，在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)和曲線之間靠近所述焦點(diǎn)而橫穿橢圓反射器長(zhǎng)軸的光束被這樣反射，使其在所述橢圓的第二個(gè)焦點(diǎn)和曲線之間靠近該焦點(diǎn)而再次橫穿該橢圓長(zhǎng)軸。因此，具有反射內(nèi)表面的熱屏蔽體可被適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)成具有幾何形狀，例如橢圓形或橢球形幾何形狀，用以將視場(chǎng)之外的輻射反射向檢測(cè)器有效/敏感區(qū)域之外的區(qū)域。因此，本發(fā)明可通過將側(cè)壁的內(nèi)表面構(gòu)造成這樣而實(shí)施:反射內(nèi)表面和含有所述溫屏蔽體單元的光軸z的平面之間的切割面(橫切作用)輪廓具有橢圓弧的形式或雙曲線弧的形式。最小形狀系數(shù)(例如最小基底半徑)是在橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于光軸而傾斜，使所述橢圓的第一個(gè)焦點(diǎn)位于光學(xué)窗的遠(yuǎn)部邊緣上(遠(yuǎn)離各弧形側(cè)壁的部分)且第二個(gè)焦點(diǎn)位于光收集區(qū)域的一個(gè)邊緣上(最靠近各弧形側(cè)壁的部分)時(shí)而實(shí)現(xiàn)?？紤]到徑向?qū)ΨQ的構(gòu)造(圍繞光學(xué)窗和光收集區(qū)域(例如檢測(cè)器的位置))，溫屏蔽體單元的內(nèi)表面可具有與由所述橢圓弧繞光軸z旋轉(zhuǎn)而形成的表面類似的形式。在此情況下，由于上文提及的橢圓的光學(xué)性質(zhì)，穿過光學(xué)窗到達(dá)側(cè)壁內(nèi)表面上的光線將在此被反射而指向所述光收集區(qū)域和側(cè)壁之間的空間。根據(jù)本發(fā)明，該空間可以被高發(fā)射性輻射吸收區(qū)域占據(jù)，所述高發(fā)射性輻射吸收區(qū)域捕獲和/或吸收撞擊其上的大部分輻射。因此，本發(fā)明的熱屏蔽體可能不需要/不包括任何冷屏蔽體。所述溫屏蔽體單元的內(nèi)表面不需要冷卻，且可維持環(huán)境溫度。由于所述屏蔽體單元(shield unit)不需要低溫冷卻或者只稍微冷卻至低于環(huán)境溫度的溫度，因此可能不要將屏蔽體單元與環(huán)境熱絕緣，因此避免了構(gòu)造多個(gè)(例如兩個(gè))屏蔽體(shields)。用于IR檢測(cè)器的熱屏蔽體的杜瓦瓶組件可形成為含有非絕緣的屏蔽體壁(一個(gè)或多個(gè))的單個(gè)屏蔽體結(jié)構(gòu)。所述壁(一個(gè)或多個(gè))的內(nèi)表面(以及可能地還有外表面)具有低發(fā)射率，用于使由其發(fā)射的熱量最小化，使得所述內(nèi)表面發(fā)射出較低的熱輻射，即使當(dāng)所述壁(一個(gè)或多個(gè))基本處于周圍的環(huán)境溫度時(shí)。根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)較寬的方面，提供了一種光學(xué)IR檢測(cè)系統(tǒng)。所述系統(tǒng)含有:一個(gè)IR檢測(cè)器單元，其具有光收集區(qū)域；和一個(gè)杜瓦瓶組件，其含有具有光學(xué)窗的溫屏蔽體單元，入射光穿過所述光學(xué)窗進(jìn)入該杜瓦瓶，所述溫屏蔽體單元被構(gòu)造成一個(gè)封裝體，用于光學(xué)封裝光收集區(qū)域和限定反射內(nèi)表面，所述反射內(nèi)表面被構(gòu)造成，使得穿過所述光學(xué)窗傳播到所述內(nèi)表面上的入射光的光部分被所述內(nèi)表面反射向所述光收集區(qū)域之外的區(qū)域。


為理解本發(fā)明和明白其實(shí)際上是如何實(shí)施的，現(xiàn)在僅通過非限制性實(shí)施例并參照附圖來描述一些實(shí)施方案，其中:圖1A和IB顯示了利用熱屏蔽體單元的單屏蔽體構(gòu)造的本發(fā)明杜瓦瓶組件的實(shí)例；圖2A為在杜瓦瓶組件中使用的熱屏蔽體的橫截面視圖；圖2B示例了熱屏蔽體的內(nèi)表面的三種不同的輪廓；圖3A至3C說明了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的被構(gòu)造成使用冷卻的IR檢測(cè)器的IR檢測(cè)系統(tǒng)；圖4說明了本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的適于使用非致冷IR檢測(cè)器的IR檢測(cè)系統(tǒng)；和圖5A至5G說明了本發(fā)明熱屏蔽體構(gòu)造的另外幾個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1A和1B，其示意性顯示了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造和運(yùn)行的、用于在IR檢測(cè)系統(tǒng)中使用的杜瓦瓶組件100的一個(gè)實(shí)例，所述IR檢測(cè)系統(tǒng)此處未明確示出，以及包括一個(gè)IR檢測(cè)器。圖1A是杜瓦瓶組件100的一個(gè)橫截面視圖，所述橫截面取自含有該組件100的光軸z的一個(gè)切割平面；圖1B是杜瓦瓶組件100的一個(gè)分解圖。所述杜瓦瓶組件100包括一個(gè)根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的熱屏蔽體110。所述熱屏蔽體是一個(gè)溫屏蔽體單元，其在本實(shí)施例中用作所述組件100的溫屏蔽體(warm shield)。所述熱屏蔽體110按下文所述進(jìn)行構(gòu)造，以具有降低的來自其內(nèi)表面的熱輻射水平，因此適于用作杜瓦瓶100的內(nèi)表面一當(dāng)所述杜瓦瓶100暴露于環(huán)境溫度時(shí)(例如不需要使用封裝在所述屏蔽體110中的冷屏蔽體(cold shield))。所述熱屏蔽體110包括一個(gè)基底116、一個(gè)包括光學(xué)窗112的和在基底116和光學(xué)窗112之間延伸的側(cè)壁114的溫屏蔽體單元。所述基底116包括輻射吸收區(qū)域118并限定了一個(gè)用于指明IR檢測(cè)器的位置的光檢測(cè)/收集區(qū)域117，下文中有時(shí)也稱為"檢測(cè)器位置"。應(yīng)注意，光收集區(qū)域117可由光學(xué)窗組成，所述光學(xué)窗被構(gòu)造成用于收集檢測(cè)到的輻射并將該輻射向IR檢測(cè)器傳送，或者所述光收集區(qū)域117可以是其上安裝有IR檢測(cè)器的指定位置。IR檢測(cè)器的位置117和光學(xué)窗112彼此相對(duì)設(shè)置，使得輻射到達(dá)IR檢測(cè)器的位置117 (與該位置相交)，所述輻射來自所述檢測(cè)器的所希望的視場(chǎng)并沿著光軸z的大致方向(general direction)穿過所述光學(xué)窗112傳播。在基底116和光學(xué)窗112之間延伸的所述側(cè)壁114被設(shè)置成,封裝位于光學(xué)窗112和檢測(cè)器位置117之間的區(qū)域中的光軸z。所述側(cè)壁114作為溫屏蔽體用于封裝檢測(cè)器位置117以遮蔽自視場(chǎng)外的熱輻射。所述側(cè)壁114的內(nèi)表面115 (或它的至少某些區(qū)域)具有反射性(鏡面反射)，被構(gòu)造成至少相對(duì)于對(duì)所述檢測(cè)器的敏感光譜范圍具有低發(fā)射率。由于溫度依賴性熱輻射與發(fā)射率是線性相關(guān)的，因此當(dāng)較低的熱(黑體)輻射水平從側(cè)壁到達(dá)檢測(cè)器位置117時(shí)，側(cè)壁114的內(nèi)表面115的低發(fā)射率(高反射性)使屏蔽體110能在較高溫度(環(huán)境溫度)下運(yùn)行。另外，內(nèi)表面115的形狀被設(shè)計(jì)成，使得視場(chǎng)之外的輻射經(jīng)過光學(xué)窗112而朝向檢測(cè)器位置117之外的區(qū)域/面積。根據(jù)上文所述的構(gòu)造，側(cè)壁110的內(nèi)表面115可以封裝位于光學(xué)窗112和檢測(cè)器位置117之間的光路z，同時(shí)使其曝光于光檢測(cè)區(qū)域117。因此，根據(jù)本發(fā)明可以避免使用冷屏蔽體來光學(xué)封裝光檢測(cè)區(qū)域117。所述圖中還示出了側(cè)壁114的反射內(nèi)表面115的橫截面輪廓圖P。所述反射內(nèi)表面115被構(gòu)造成，使得穿過光學(xué)窗112并撞擊到反射表面115上的光束B1、B2和B3 (以視場(chǎng)之外的輻射為例)被所述表面反射向基底116的光/輻射吸收區(qū)域118。在本實(shí)施例中，這是通過構(gòu)造所述反射表面115使得其橫截面輪廓圖為橢圓弧的形式實(shí)現(xiàn)的，所述橢圓弧為橢圓輪廓E的一部分。橢圓E的參數(shù)根據(jù)光學(xué)窗112和檢測(cè)器位置117之間所希望的距離L，根據(jù)光學(xué)窗112的尺寸Rw(例如半徑或?qū)挾?以及檢測(cè)位置117的尺寸Rd來選擇。在本實(shí)施例中，橢圓E的焦點(diǎn)Fl和F2位于光軸z的對(duì)立側(cè)，使得它們分別位于光學(xué)窗112和檢測(cè)器位置117的邊緣上或外部。由于所述橢圓的光學(xué)性能，穿過橢圓E的第一個(gè)焦點(diǎn)Fl并撞擊到內(nèi)表面115上的光束，例如BI和B2，朝著檢測(cè)器位置117外部(放置IR檢測(cè)器的光敏區(qū)域的區(qū)域的外部)的橢圓E的第二個(gè)焦點(diǎn)F2反射。而且，由于橢圓的光學(xué)性能，橫穿橢圓的不位于兩個(gè)焦點(diǎn)Fl和F2之間的長(zhǎng)軸的光束的反射，也將橫穿橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)Fl和F2之間的區(qū)域之外的長(zhǎng)軸Me。因此，在檢測(cè)器視場(chǎng)之外的方向上(例如不朝向所述位置117的方向上)經(jīng)過光學(xué)窗112的任何光束直接指向光吸收區(qū)域118 (例如光束B4)或指向朝著光吸收區(qū)域118反射的內(nèi)表面115 (例如光束B3)。視場(chǎng)之外的輻射通過內(nèi)表面115所指向的光/輻射吸收區(qū)域(一個(gè)或多個(gè))118，優(yōu)選被構(gòu)造成，吸收撞擊在其上的大部分輻射。該條件根據(jù)本發(fā)明通過構(gòu)造具有高發(fā)射率的顏料/涂層的光吸收區(qū)域118而實(shí)現(xiàn)，所述高發(fā)射率的顏料/涂層吸收撞擊其上的大部分輻射。另外，增加的發(fā)射率可通過將這些區(qū)域構(gòu)造成具有粗糙表面和/或散射表面和/或阻擋結(jié)構(gòu)從而使撞擊其上的輻射在每個(gè)阻擋處經(jīng)歷多次反射并使其很大一部分被吸收/散射而實(shí)現(xiàn)。在本實(shí)施例中，輻射吸收區(qū)域118是在檢測(cè)器位置117周圍的區(qū)域由基底116的內(nèi)表面構(gòu)成。此處應(yīng)注意，本發(fā)明的熱屏蔽體110可完全作為非致冷熱屏蔽體而使用，即沒有耦合至其的低溫冷卻系統(tǒng)，或者其可以被構(gòu)造成部分冷屏蔽體，即具有低溫致冷系統(tǒng)耦合至基底的輻射吸收區(qū)域118而不耦合至側(cè)壁114和光學(xué)窗112。實(shí)際上，由于側(cè)壁114的內(nèi)表面115的形狀和低發(fā)射率，由側(cè)壁114發(fā)出的熱輻射和經(jīng)過窗口 112并從側(cè)壁114反射的輻射本質(zhì)上不損害由IR檢測(cè)器(未示出)檢測(cè)到的信號(hào)的SNR。此外，根據(jù)本發(fā)明，由高發(fā)射性的輻射吸收區(qū)域118發(fā)射的熱輻射可例如通過對(duì)這些區(qū)域應(yīng)用低溫冷卻系統(tǒng)而減少，或者其可以在IR檢測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)中被控制和/或被考慮。使用本發(fā)明的熱屏蔽體110作為溫屏蔽體(即沒有對(duì)封裝光路/軸z的光學(xué)窗112和側(cè)壁114進(jìn)行致冷)使得能夠獲得具有低能耗的IR檢測(cè)系統(tǒng)。相反，在常規(guī)的IR檢測(cè)系統(tǒng)中，系統(tǒng)所消耗的能量的大部分被用于致冷IR檢測(cè)器和冷屏蔽體。因此，提供一種不總是需要致冷或僅較少區(qū)域(118)需要致冷的杜瓦瓶組件是有利的。另外，由于本實(shí)施例屏蔽體的側(cè)壁114未被致冷，因此不需要對(duì)側(cè)壁114進(jìn)行通常的熱絕緣。這可減小利用本發(fā)明使用的杜瓦瓶組件的形狀系數(shù)和重量。如上文所述，例如通過控制來自那些區(qū)域118的熱輻射可避免對(duì)熱屏蔽體110的輻射吸收區(qū)域118的致冷。這可例如通過將區(qū)域118構(gòu)造成具有粗糙/漫射表面從而使由其發(fā)出的熱輻射/能量擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)，并由此認(rèn)識(shí)到，在檢測(cè)器位置117處實(shí)質(zhì)上是空間均勻的?？蛇x地，替代地，或另外地，輻射吸收區(qū)域118的溫度也被控制或保持在基本不變的值(例如25°C)。這為來自輻射吸收區(qū)域118的熱發(fā)射提供低的時(shí)間變化性。溫度穩(wěn)定性可例如通過利用TEC裝置運(yùn)行以保持輻射吸收區(qū)域118以及可能地IR檢測(cè)器在固定/恒定溫度下而獲得。控制/模糊從輻射吸收區(qū)域118到達(dá)檢測(cè)器的熱輻射的空間和/或時(shí)間分布使得可以精確的方式思考和考慮該輻射對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響。但是還應(yīng)注意，當(dāng)輻射吸收區(qū)域118未被制冷且溫度不穩(wěn)定時(shí)，由其發(fā)出的輻射的影響可通過各種信號(hào)處理算法在檢測(cè)的信號(hào)中予以考慮。如上文所述，根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施方案，光吸收區(qū)域118被構(gòu)造成允許從其中發(fā)射低水平的熱輻射。這通過減少來自光吸收區(qū)域118并撞擊(直接地或通過屏蔽體的內(nèi)表面的反射)在檢測(cè)器位置上的輻射量而改進(jìn)了 IR檢測(cè)系統(tǒng)的性能(SNR)。減少來自這些光吸收區(qū)域118的熱輻射是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案通過致冷這些區(qū)域118至低溫、優(yōu)選冷凍溫度而實(shí)現(xiàn)。在這些實(shí)施方案中，光吸收區(qū)域118與一個(gè)或多個(gè)熱耦合元件(未明確示出)相連，能夠?qū)⑦@些區(qū)域與冷卻系統(tǒng)高度熱耦合。當(dāng)這些區(qū)域通常位于IR檢測(cè)器(其可能也需要冷卻)的附近時(shí)，IR檢測(cè)系統(tǒng)的同一冷卻系統(tǒng)可既用于致冷IR檢測(cè)器也用于致冷光吸收區(qū)域118。應(yīng)注意，基底116可被構(gòu)造成用于熱耦合冷卻系統(tǒng)與輻射吸收區(qū)域118。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，IR檢測(cè)器被放置在基底116內(nèi)表面頂部的位置117處，使得基底116也用于將IR檢測(cè)器耦合至冷卻系統(tǒng)。在使用低溫制冷或溫度穩(wěn)定的IR-檢測(cè)器的情況下，IR檢測(cè)系統(tǒng)的冷濾器117A可位于檢測(cè)器位置117的頂部(例如直接位于其頂部)或通常其可以位于光學(xué)窗112和檢測(cè)器位置117之間的光路上。因此，冷濾器117A可以與IR檢測(cè)系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)或溫度穩(wěn)定系統(tǒng)(未示出)直接或間接地?zé)狁詈?。在基?16的輻射吸收區(qū)域118被冷卻至低溫/冷凍溫度的實(shí)施方案中，光吸收區(qū)域118優(yōu)選由導(dǎo)熱材料制成，以使由吸收輻射產(chǎn)生的熱量有效地朝著冷卻系統(tǒng)傳導(dǎo)。由于輻射吸收區(qū)域118通常朝著側(cè)壁延伸，為了降低壁114和基底116之間的熱交換量，通常使基底116與所述壁之間去熱稱合(thermal decoupling)。這可以例如通過在基底與所述壁之間的界面處利用絕熱材料(層)而實(shí)現(xiàn)，或者通過利用弱的熱導(dǎo)體材料來制備所述壁(或任何其他去熱耦合方法)而實(shí)現(xiàn)。此外，為了減小側(cè)壁114對(duì)杜瓦瓶外部輻射(例如IR)的溫度敏感性，優(yōu)選所述側(cè)壁的外表面也是高度反射性的。此外，含有溫屏蔽體110的杜瓦瓶組件具有降低的高度、較小的熱容并因此在IR檢測(cè)系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)(例如指形冷凍器)上具有較小的熱負(fù)荷。這使得能夠增加冷卻系統(tǒng)(例如指形冷凍器)的自然頻率和降低IR檢測(cè)器(例如FPA)在振動(dòng)期間的運(yùn)動(dòng)。還可以用作杜瓦瓶的外殼的所述溫屏蔽體110，消除了在組件100中利用額外的單獨(dú)屏蔽體(例如冷屏蔽體)的需要。應(yīng)理解,在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中(如上文所述實(shí)施例中)，光學(xué)窗112在表面112A上在側(cè)壁114之間進(jìn)行延伸。在此情況下，當(dāng)屏蔽體110用作溫屏蔽體并且側(cè)壁114未被冷卻時(shí)，表面112A也未被冷卻。通常,這些窗(或過濾器)具有低的熱發(fā)射率。應(yīng)理解，在本發(fā)明的其他實(shí)施方案中，表面112A可能根本不存在，光學(xué)窗112可能在側(cè)壁114之間延伸。參照?qǐng)D2A，其示意說明了本發(fā)明的熱屏蔽體210。為清楚且不失一般性地，當(dāng)在以下實(shí)施方案的描述中涉及熱屏蔽體的元件時(shí)，圖1A和IB中的附圖標(biāo)記用于指示本發(fā)明實(shí)施例中的相同元件。還應(yīng)理解，在圖2A和2B的描述中，沒有對(duì)所有的熱屏蔽體元件都進(jìn)行說明，而只是為理解以下描述而考慮的那些元件。在圖2A中，示出了熱屏蔽體210的橫截面視圖，所述視圖在含有光軸的平面內(nèi)得至IJ，所述光軸指向光通過所述屏蔽體傳播的大致方向。由z軸和y軸定義的坐標(biāo)系在具有位于所述屏蔽體的光學(xué)窗112的中心處的起點(diǎn)的圖中進(jìn)行了說明。位于光學(xué)窗112和基底116之間的所述屏蔽體的內(nèi)表面115由橫截面輪廓P(Z)表不。
在所述圖中，說明了通過光學(xué)窗112進(jìn)入熱屏蔽體210、撞擊到反射內(nèi)表面115的點(diǎn)[Z(l，P(Z0)I處、并從此處朝著位于檢測(cè)器位置117外部的基底116的輻射吸收區(qū)域118反射的光線R的光路。描繪的光線R被認(rèn)為代表可穿過光學(xué)窗112并撞擊到內(nèi)表面115的點(diǎn)[zQ, P(Ztl)]處的最陸光束(steepest light beam)。對(duì)于光學(xué)窗112(即該光學(xué)窗的光孔)和IR檢測(cè)器位置(例如117)的給定尺寸Rw和Rd，以及對(duì)于給定的它們之間的距離L，本發(fā)明的熱屏蔽體可以被構(gòu)建成，其側(cè)壁的內(nèi)表面的反射區(qū)域具有任何輪廓P(z)，該輪廓滿足下式并且對(duì)于任何z均是等效的:P (z) - (L-z) *Tan (a_b) > Rd角度a通過下式給出a = Tarf1 ((Rw+P (z)) /z)并且代表朝著內(nèi)表面115穿過所述窗112的最陡光束相對(duì)于z軸的角度。角度b被確定為b = Tan-1 (dP(z)/dz)并且為輪廓P (Z)和z軸的某點(diǎn)z [zQ，P(Ztl)]點(diǎn))之間的角度。相應(yīng)地，本發(fā)明可以通過構(gòu)建側(cè)壁114的反射表面115，使得所述側(cè)壁的任何(一個(gè)或多個(gè))橫截面輪廓P(Z)滿足上述方程式而實(shí)現(xiàn)，所述橫截面取自含有z軸的任何(一個(gè)或多個(gè))切割平面。這確保了任何光束，包括穿過光學(xué)窗112并撞擊在內(nèi)表面115上的最陡光束(相對(duì)于z軸)，從此處朝著檢測(cè)器位置117的外部反射。應(yīng)注意，通過利用構(gòu)成所述屏蔽體的側(cè)壁114的內(nèi)表面115的不同輪廓，對(duì)于給定的光學(xué)窗112和IR檢測(cè)器位置117的所需尺寸和對(duì)于給定的它們之間的所需距離L，可獲得不同形狀系數(shù)的熱屏蔽體。還應(yīng)注意，側(cè)壁114的內(nèi)表面115的輪廓P(Z)不一定是光滑函數(shù)(smooth function)。因此,如下文所述,本發(fā)明可用由多個(gè)側(cè)面構(gòu)成的側(cè)壁114實(shí)現(xiàn)，只要由這些側(cè)面形成的內(nèi)表面的輪廓滿足上文方程式即可?，F(xiàn)參照?qǐng)D2B，其示意說明了本發(fā)明屏蔽體的內(nèi)表面的三個(gè)不同的輪廓。輪廓Pe是類似于圖1A中的輪廓P的構(gòu)造而構(gòu)成的橢圓輪廓，由此使視場(chǎng)外光束反射到檢測(cè)器的敏感區(qū)之外的區(qū)域。輪廓Ph和Pc示例了兩個(gè)適于在本發(fā)明溫屏蔽體的內(nèi)表面橫截面輪廓中使用的幾何橫截面輪廓(例如類似于圖1A中的屏蔽體110)。此處，Ph是雙曲線弧形輪廓，Pc是截頂圓錐輪廓。雙曲線弧形輪廓Ph利用了雙曲線的數(shù)學(xué)性質(zhì)，使得從入射線直接發(fā)出的穿過溫屏蔽體孔(光學(xué)窗112)的光線被溫屏蔽體壁反射后不會(huì)到達(dá)IR檢測(cè)器(例如FPA)。內(nèi)表面輪廓的這種構(gòu)造確保了被輪廓Pe壁的內(nèi)表面朝著檢測(cè)器的敏感區(qū)之外反射的檢測(cè)器視場(chǎng)之外的任何光線，還被輪廓Ph壁和Pc壁的內(nèi)表面朝著檢測(cè)器的敏感區(qū)之外反射。但是，這些輪廓通常與具有大形狀系數(shù)(form factor)的熱屏蔽體有關(guān)，更具體地，特別是大尺寸的基底116和輻射吸收區(qū)域118?，F(xiàn)參照?qǐng)D3A至3C，其示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的IR檢測(cè)系統(tǒng)300，其中，來自杜瓦瓶的光吸收區(qū)域的熱排放通過將所述杜瓦瓶的光吸收區(qū)域冷卻至低溫而降低。在以下描述中，同時(shí)參照這些附圖。所述IR檢測(cè)系統(tǒng)300包括IR檢測(cè)器122、冷卻系統(tǒng)124和根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案構(gòu)造和運(yùn)行的杜瓦瓶組件310。在本實(shí)施例中，杜瓦瓶組件310包括熱屏蔽體311，所述熱屏蔽體311含有與上述圖1A和IB的熱屏蔽體類似的元件，即含有光學(xué)窗112、基底116和側(cè)壁114，所述側(cè)壁114位于光學(xué)窗112和基底116之間且封裝有光傳播的大致方向。本實(shí)施例中的熱屏蔽體311起溫屏蔽體的作用，該屏蔽體的側(cè)壁114的內(nèi)表面及外表面被構(gòu)造成用于熱輻射的低發(fā)射(例如在IR檢測(cè)器所敏感的波長(zhǎng)下，發(fā)射率不超過幾個(gè)百分比，更優(yōu)選小于1%的輻射發(fā)射率)。所述IR檢測(cè)器122位于基底116的朝向杜瓦瓶210內(nèi)部的內(nèi)表面上的指定位置117并耦合至所述指定位置117上。所述基底116由一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)熱材料制成，并熱耦合至冷卻系統(tǒng)124，使得當(dāng)冷卻系統(tǒng)處于運(yùn)行中時(shí)，基底116的內(nèi)表面被冷卻至低冷凍溫度。在IR檢測(cè)器122和側(cè)壁114之間延伸的基底116的冷卻的內(nèi)表面區(qū)域被構(gòu)造成具有高發(fā)射率(例如使變黑和變粗糙，以增加光發(fā)射率)，由此用作熱屏蔽體311的光/輻射吸收區(qū)域118。如上所述，IR檢測(cè)器122在基底116上的指定位置117對(duì)應(yīng)于檢測(cè)的輻射所指向的位置。基底116上的該指定位置117可以是其頂部安裝有IR檢測(cè)器122的位置，或者是所檢測(cè)的輻射穿過光學(xué)窗(例如孔或冷濾器)而朝向該檢測(cè)器的位置。如圖3B和3C所示，在本實(shí)施例中，IR檢測(cè)器122直接安裝在該IR檢測(cè)系統(tǒng)的指形冷凍器124上?；?16——其也與指形冷凍器124熱耦合，包括位于IR檢測(cè)器122的指定位置117以上的冷濾器117A(在檢測(cè)器117的位置和光學(xué)窗112之間)。在此情況下，冷濾器117A與指形冷凍器124直接熱耦合(通過基底116)。類似于上文參照?qǐng)D1A和IB所述的屏蔽體110，在本實(shí)施例中，側(cè)壁114的形狀(反射內(nèi)表面115的橫截面輪廓)也被構(gòu)造成，使得通過光學(xué)窗112進(jìn)入杜瓦瓶210的視場(chǎng)之外的輻射被側(cè)壁114朝著基底116的冷卻內(nèi)表面的輻射吸收區(qū)域118而反射。在本實(shí)施例中，側(cè)壁115的反射內(nèi)表面115被構(gòu)造成具有雙曲線截面輪廓Ph?，F(xiàn)參照?qǐng)D4示意說明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的IR檢測(cè)系統(tǒng)400，其中所述系統(tǒng)400利用一個(gè)非致冷IR檢測(cè)器。另外，在本實(shí)施例中，杜瓦瓶的光吸收區(qū)域118不被冷卻至低溫/冷凍溫度。所述IR檢測(cè)系統(tǒng)400包括非致冷IR檢測(cè)器122 (在本具體實(shí)施例中，為輻射熱IR檢測(cè)器)和根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造和運(yùn)行的杜瓦瓶組件410。本實(shí)施例的杜瓦瓶組件410和上文參照?qǐng)D1A和IB描述的熱屏蔽體110包括的類似元件用相同的附圖標(biāo)記表示。所述杜瓦瓶組件410包括光學(xué)窗/過濾器112、包括輻射吸收區(qū)域118和檢測(cè)器位置117的基底116、及位于光學(xué)窗112和基底116之間且封裝有光傳播的大致方向的側(cè)壁114。在本實(shí)施例中，所述側(cè)壁114限定了來自光學(xué)窗的光傳播的孔徑光闌(aperture stop) 112A0所述杜瓦瓶組件410用作完全非致冷的屏蔽體，即屏蔽體的側(cè)壁114以及其基底116 (包括輻射吸收區(qū)域118)被保持為非致冷狀態(tài)且處于冷凍溫度以上的溫度(例如約接近環(huán)境溫度)。類似于上文參照?qǐng)D1A和IB所述的構(gòu)造。屏蔽體的側(cè)壁114的內(nèi)表面和外表面被構(gòu)造成用于熱輻射的低發(fā)射，由此允許屏蔽體外部具有低的熱輻射吸收率，以及使所述側(cè)壁的內(nèi)表面115具有低的熱(黑體)輻射發(fā)射率。另外，此處，所述側(cè)壁114的內(nèi)表面115的輪廓還被構(gòu)造成用于將來自光學(xué)窗112并撞擊其上的視場(chǎng)之外的福射反射到檢測(cè)器敏感區(qū)外的區(qū)域上(例如朝著基底116的光/輻射吸收區(qū)域118)。轉(zhuǎn)而言之，光吸收區(qū)域118——撞擊壁114的視場(chǎng)之外的輻射中的大部分通常所指向這里，被構(gòu)造成具有高吸收率/低反射率，使得聚焦的-非漫射的輻射基本不由其直接或間接地向著IR檢測(cè)器反射。實(shí)際上，由于保持了熱平衡，被光吸收區(qū)域118吸收的能量從基底116作為黑體輻射而發(fā)射出。但是，從基底116發(fā)射出的黑體輻射的圖案/空間分布被控制，并基本與穿過光學(xué)窗112而進(jìn)入的光的圖案無關(guān)。實(shí)際上，從基底116發(fā)射出的輻射被漫射/非定向的(由于光吸收區(qū)域118的高吸收結(jié)構(gòu)/涂層，例如由于粗糙/擋板結(jié)構(gòu))，并基本具有空間均勻的強(qiáng)度(例如由于基底內(nèi)的導(dǎo)熱性和黑色涂層的擴(kuò)散性能)。因此，來自基底116的熱噪聲(例如從側(cè)壁114反射到IR檢測(cè)器122上的基底116的熱“圖像”)可在由IR檢測(cè)器122得到的信號(hào)中被考慮(例如除去/抑制)，由此提供改進(jìn)的SNR。實(shí)際上，由IR檢測(cè)器122捕獲的來自基底116的熱噪聲的強(qiáng)度，取決于基底116的溫度。因此，可選地，在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，將基底116的溫度和輻射吸收區(qū)域118的溫度穩(wěn)定至基本恒定的溫度，使得更準(zhǔn)確地考慮該熱噪聲。在本實(shí)施例中，熱泵模塊125 (例如熱電冷卻器TEC)是溫度穩(wěn)定組件(未全部示出)中的部件，所述溫度穩(wěn)定組件被熱耦合至輻射熱IR檢測(cè)器122和杜瓦瓶組件410的基底116。所述熱泵模塊125通過溫度穩(wěn)定組件運(yùn)行，以保持IR檢測(cè)器122和基底116處于基本持續(xù)恒定的溫度條件下。這改進(jìn)了 IR檢測(cè)系統(tǒng)400的性能(SNR)，因?yàn)槠湓试S準(zhǔn)確思考和考慮由基底116發(fā)出的噪音。此處應(yīng)注意，固定基底116的溫度(例如通過溫度穩(wěn)定組件)是可選的。另外，IR檢測(cè)系統(tǒng)的性能可通過不利用基底116的溫度穩(wěn)定的其他(例如可替代的)技術(shù)而改進(jìn)。例如，利用特別設(shè)計(jì)的算法，評(píng)估在基底116的各種溫度下由基底投射到IR檢測(cè)器上的熱噪音的量。在該具體的非限定實(shí)施例中，指定的在基底116上的檢測(cè)器位置117實(shí)際為一個(gè)孔，所檢測(cè)的光穿過該孔而朝向輻射熱IR檢測(cè)器122。但是，應(yīng)理解，根據(jù)本發(fā)明，光學(xué)窗112和指定位置117兩者中任意一個(gè)可作為過濾器和光學(xué)窗的孔徑光闌或其他光學(xué)元件中的任意一個(gè)而實(shí)施。如上文所述，指定位置117也可以為其頂部安裝有檢測(cè)器的實(shí)際位置。圖5A至5G以自說明的方式顯示了另外幾個(gè)本發(fā)明熱屏蔽體構(gòu)造的實(shí)施例。在這些實(shí)施例中，屏蔽體的側(cè)壁114含有多個(gè)面。在這些圖中示出的熱屏蔽體包括的元件與上文針對(duì)圖1A和IB的熱屏蔽體110所述的標(biāo)有相同附圖標(biāo)記的那些元件類似。更具體地，在光學(xué)窗112和基底116之間延伸的熱屏蔽體的內(nèi)表面115的橫截面輪廓的特征在于，具有基本不連續(xù)的斜率(導(dǎo)數(shù))。圖5A、5B和5C顯示了本發(fā)明熱屏蔽體510的一個(gè)實(shí)施例，其中側(cè)壁114由多個(gè)環(huán)狀(或類似截頂錐)結(jié)構(gòu)S1-S5構(gòu)成。圖5A示出了本實(shí)例屏蔽體510的分解圖。圖5B為沿含有所述屏蔽體的光軸z的任意切割平面所取的屏蔽體的橫截面視圖。圖5C為垂直于光軸z而取的屏蔽體510的基底116的橫截面視圖。在本實(shí)施例中，如由圖5C所見，基底116具有圓形。圖5B中所示側(cè)壁115的內(nèi)表面115的輪廓函數(shù)P為由多條線直線連接在一起形成的非平滑函數(shù)。輪廓函數(shù)P根據(jù)上述條件而被構(gòu)造成，使得所述屏蔽體的內(nèi)表面將撞擊其上的視場(chǎng)之外的輻射反射到檢測(cè)器敏感區(qū)之外的區(qū)域上。在本實(shí)施例中，所述屏蔽體關(guān)于z軸徑向?qū)ΨQ，因此，關(guān)于所取得的含有z軸的任何平面的橫截面而言，會(huì)得到類似輪廓的側(cè)壁橫截面。圖5D、5E和5F顯示的是本發(fā)明熱屏蔽體520的另一實(shí)施例，其中所述側(cè)壁114由多個(gè)各自在基底和光學(xué)窗之間延伸的平面而形成。在該非限制性實(shí)施例中，所述屏蔽體的側(cè)壁114由六個(gè)平面構(gòu)成。圖示出了屏蔽體520的分解圖。形成所述側(cè)壁的六個(gè)平面之中的三個(gè)前面的(該圖中)平面用附圖標(biāo)記P1、P2和P3標(biāo)示。圖5E為所述屏蔽體的橫截面視圖，所述橫截面取自含有y軸(圖5F中標(biāo)記)和所述屏蔽體的光軸z的切割平面。圖5F為在垂直于光軸z的切割平面中，屏蔽體520的基底116的橫截面視圖。在本實(shí)施例中，所述基底116具有六邊形(具有六個(gè)面)。但是，應(yīng)理解，本發(fā)明可用含有不同面數(shù)的基底的其他形狀實(shí)現(xiàn)。如圖5E所示，內(nèi)表面115的橫截面輪廓P具有由類似關(guān)于圖1A和IB所述的技術(shù)而構(gòu)造成的平滑的橢圓弧形狀，所述橫截面取自既含有y軸也含有z軸的平面。由于本實(shí)施例的屏蔽體不關(guān)于z軸徑向?qū)ΨQ(基底的形狀不為圓形)，因此所述屏蔽體壁的橫截面輪廓，其特征在于，輪廓函數(shù)K比描繪的輪廓P具有更大或相等的值和具有更大或相等的斜率，所述橫截面取自含有z軸的任意平面。因此，所述屏蔽體的內(nèi)表面將撞擊其上的視場(chǎng)之外的輻射反射到檢測(cè)器敏感區(qū)之外的區(qū)域。圖5G示出了本發(fā)明熱屏蔽體530的另一實(shí)施例的分解圖，其中所述屏蔽體的側(cè)壁114含有多個(gè)基本平坦的面。在本實(shí)施例中，垂直于光軸z而取得的所述屏蔽體530的基底116的橫截面具有圖5F所示的六邊形。所述屏蔽體530的側(cè)壁114的橫截面輪廓與圖5B中所示的類似，所述橫截面取自含有所述屏蔽體的光軸z和圖4F中描繪的y軸的平面。因此，本發(fā)明提供了新的杜瓦瓶組件和使用其的IR檢測(cè)系統(tǒng)，其中使用一個(gè)溫屏蔽體單元，所述溫屏蔽體單元被構(gòu)造成用于光學(xué)封裝光收集區(qū)域的封裝體，并具有合適幾何形狀的反射性內(nèi)表面，使得入射光的光部分朝著光收集區(qū)域之外的區(qū)域反射。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地認(rèn)識(shí)到，在不偏離在所附權(quán)利要求書中限定的和由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明范圍的情況下，可對(duì)前文所述的本發(fā)明實(shí)施方案進(jìn)行多種修改和改變。
權(quán)利要求
1.用在包括IR檢測(cè)器單元類別的光學(xué)IR檢測(cè)系統(tǒng)中的杜瓦瓶組件，其中所述杜瓦瓶組件包含: 一個(gè)基底，其含有輻射吸收區(qū)域并被安置成用于限定所述杜瓦瓶組件的光收集區(qū)域；和 一個(gè)溫屏蔽體單元，其具有一個(gè)使入射光穿過其而進(jìn)入所述杜瓦瓶的光學(xué)窗，所述溫屏蔽體單元被構(gòu)造成一個(gè)封裝體，用于光學(xué)封裝所述基底，和限定一個(gè)反射內(nèi)表面，所述反射內(nèi)表面被構(gòu)造成，使穿過所述光學(xué)窗傳播到所述內(nèi)表面上的入射光的光部分被所述內(nèi)表面向著所述光收集區(qū)域外部的區(qū)域反射。
2.權(quán)利要求1所述的杜瓦瓶組件，其中所述內(nèi)表面和所述溫屏蔽體單元的外表面具有低發(fā)射率性質(zhì)，降低了被所述各表面吸收的輻射的量，由此降低了由所述內(nèi)表面在給定的溫度條件下發(fā)出的輻射的量。
3.權(quán)利要求2所述的杜瓦瓶組件，其中所述內(nèi)表面的發(fā)射率不超過幾個(gè)百分比。
4.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的杜瓦瓶組件，其中所述溫屏蔽體單元的所述反射內(nèi)表面曝光于所述光收集區(qū)域。
5.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的杜瓦瓶組件，其中所述輻射吸收區(qū)域的面向所述溫屏蔽體單元的所述內(nèi)表面的表面，具有高發(fā)射性，由此提供了所述基底的所述表面的有效輻射吸收率。
6.權(quán)利要求5所述的杜瓦瓶組件，其中所述輻射吸收區(qū)域的所述表面具有粗糙質(zhì)地，使輻射由所述表面的反射最小化。
7.權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的杜瓦瓶組件，被構(gòu)造成用在包括低溫冷卻系統(tǒng)類別的光學(xué)IR檢測(cè)系統(tǒng)中，所述低溫冷卻系統(tǒng)用于至少冷卻所述IR檢測(cè)器單元的光敏區(qū)域；所述杜瓦瓶組件適于在所述低溫冷卻系統(tǒng)和所述基底之間進(jìn)行熱耦合，用于冷卻所述基底的輻射吸收區(qū)域。
8.權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的杜瓦瓶組件，被構(gòu)造成用在包括溫度穩(wěn)定系統(tǒng)類別的光學(xué)IR檢測(cè)系統(tǒng)中，所述溫度穩(wěn)定系統(tǒng)用于至少穩(wěn)定所述IR檢測(cè)器單元的光敏區(qū)域；所述杜瓦瓶組件適于在所述溫度穩(wěn)定系統(tǒng)和所述基底之間進(jìn)行熱耦合，用于穩(wěn)定所述基底的輻射吸收區(qū)域的溫度。
9.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的杜瓦瓶組件，其中所述溫屏蔽體單元含有一個(gè)基本由所述基底朝著所述溫屏蔽體單元的表面延伸的側(cè)壁，所述溫屏蔽體單元中開設(shè)有所述光學(xué)窗并限定了所述杜瓦瓶組件的一個(gè)光軸，所述光軸指明光在所述光學(xué)窗和所述光收集區(qū)域之間傳播的大致方向。
10.權(quán)利要求9所述的杜瓦瓶組件，其中所述內(nèi)表面含有所述側(cè)壁的面向所述杜瓦瓶組件內(nèi)部的各表面。
11.權(quán)利要求9和10中任一項(xiàng)所述的杜瓦瓶組件，其中所述溫屏蔽體單元的外表面含有所述側(cè)壁的面向所述杜瓦瓶組件外部的各表面。
12.權(quán)利要求9所述的杜瓦瓶組件，其中所述側(cè)壁含有多個(gè)連接在一起的面，所述內(nèi)表面通過連接所述各面的表面而形成。
13.權(quán)利要求9所述的杜瓦瓶組件，其中所述內(nèi)表面的橫截面輪廓的形狀被構(gòu)造成，使穿過所述光學(xué)窗到達(dá)所述內(nèi)表面上的入射光朝向所述基底的至少一個(gè)輻射吸收區(qū)域反射，所述橫截面取自含有所述光軸的切割平面內(nèi)。
14.權(quán)利要求13所述的杜瓦瓶組件，其中所述內(nèi)表面的橫截面輪廓的形狀被設(shè)計(jì)成，用于減少所述內(nèi)表面的表面面積，從而使得能夠通過減少由所述內(nèi)表面發(fā)出的熱輻射的量來增加由所述光收集區(qū)域而收集的光的信噪比。
15.權(quán)利要求14所述的杜瓦瓶組件，其中所述形狀具有凹曲度。
16.權(quán)利要求13-15中任一項(xiàng)所述的杜瓦瓶組件，其中所述橫截面輪廓的所述形狀為橢圓弧的形式。
17.權(quán)利要求13-15中任一項(xiàng)所述的杜瓦瓶組件，其中所述橫截面輪廓的所述形狀為雙曲線弧的形式。
18.—種光學(xué)IR檢測(cè)系統(tǒng)，含有:一個(gè)IR檢測(cè)器單元，其具有一個(gè)光收集區(qū)域；和一個(gè)杜瓦瓶組件，其含有具有光學(xué)窗的溫屏蔽體單元，入射光穿過所述光學(xué)窗而進(jìn)入所述杜瓦瓶，所述溫屏蔽體單元被構(gòu)造成一個(gè)封裝體，用于光學(xué)封裝所述光收集區(qū)域和限定一個(gè)反射內(nèi)表面，所述反射內(nèi)表面被構(gòu)造成，使穿過所述光學(xué)窗傳播到所述內(nèi)表面上的入射光的光部分被所述內(nèi)表面向 著所述光收集區(qū)域外部的區(qū)域反射。
全文摘要
提供了一種杜瓦瓶組件，用于在光學(xué)IR檢測(cè)系統(tǒng)中限定一個(gè)光收集區(qū)域。所述杜瓦瓶組件含有一個(gè)溫屏蔽體單元，所述溫屏蔽體單元被構(gòu)造成一個(gè)封裝體，用于光學(xué)封裝光收集區(qū)域并具有一個(gè)光學(xué)窗，入射光經(jīng)穿所述光學(xué)窗進(jìn)入所述杜瓦瓶。所述溫屏蔽體限定一個(gè)反射內(nèi)表面，該反射內(nèi)表面被構(gòu)造成，使得穿過所述光學(xué)窗傳播到所述內(nèi)表面上的入射光的光部分被所述內(nèi)表面反射向所述光收集區(qū)域外部的區(qū)域。
文檔編號(hào)G01J5/06GK103168217SQ201180049725
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月14日
發(fā)明者邁克爾·辛格 申請(qǐng)人:半導(dǎo)體器件-埃爾法特系統(tǒng)-拉法合伙公司