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CN110073185B - 移动气体和化学物成像相机 - Google Patents

移动气体和化学物成像相机 Download PDF

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CN110073185B
CN110073185B CN201780077657.XA CN201780077657A CN110073185B CN 110073185 B CN110073185 B CN 110073185B CN 201780077657 A CN201780077657 A CN 201780077657A CN 110073185 B CN110073185 B CN 110073185B
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Rebellion Photonics Inc
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Abstract

在一个实施例中，公开了用于确定物体中目标物质的浓度的红外(IR)成像系统。该成像系统可以包括光学系统，该光学系统包括光学焦平面阵列(FPA)单元。该光学系统可以具有限定其至少两个光学通道的部件，所述至少两个光学通道在空间上和光谱上彼此不同。所述至少两个光学通道中的每个光学通道可以被定位成将入射在光学系统上的IR辐射朝光学FPA传输。该系统可以包括处理单元，该处理单元包含处理器，该处理器可以被配置为从在光学FPA处接收到的IR辐射采集表示所述目标物质的多光谱光学数据。所述光学系统和所述处理单元可以被一起包含在数据采集和处理模块中，该数据采集和处理模块被配置为由人穿戴或携带。

Description

移动气体和化学物成像相机
通过引用任何优先权申请的并入
如与本申请一起提交的申请数据表中标识的外国或本国优先权要求的任何和所有申请依据37 CFR 1.57通过引用并入本文。
本申请要求于2016年10月21日提交的标题为“MOBILE GAS AND CHEMICALIMAGING CAMERA”的美国临时专利申请62/411,480的优先权，该申请的内容出于所有目的通过引用整体并入本文。
关于联邦政府资助R&D的声明
对本申请中公开的技术的一些部分的资助由高级研究计划局-能源(AdvancedResearch Projects Agency-Energy，ARPA-E)依据合同号DE-AR0000541提供。政府可能对本技术的这些部分拥有某些权利。
技术领域
本发明一般而言涉及用于气体云检测的系统和方法，并且特别地涉及检测红外光谱区域中的化学成分的光谱特征(spectral signature)的系统和方法。
背景技术
光谱成像系统和方法在各种领域中具有应用。光谱成像系统和方法获得电磁光谱的一个或多个区域中的场景的光谱图像，以检测现象、识别材料成分或表征过程。场景的光谱图像可以表示为三维数据立方体(data cube)，其中立方体的两个轴表示场景的两个空间维度，并且数据立方体的第三轴表示在不同波长区域中的场景的光谱信息。可以使用数学方法处理数据立方体来获得关于场景的信息。一些现有的光谱成像系统通过在空间域中扫描场景(例如，通过跨场景的水平维度移动狭缝(slit))和/或通过在光谱域中扫描场景(例如，通过扫描波长色散元件来获得不同光谱区域中的场景图像)来生成数据立方体。这种扫描方案一次只采集(acquire)完整数据立方体的一部分。完整数据立方体的这些部分被存储，并且然后进行处理以生成完整数据立方体。
发明内容
本公开的系统、方法和设备各自具有若干创新方面，其中没有一个单独地负责本文公开的期望属性。
在一个实施例中，公开了一种用于确定物体(target species)中的目标物质的浓度的红外(IR)成像系统。该成像系统可以包括光学系统，该光学系统包括光学焦平面阵列(FPA)单元。该光学系统可以具有限定其至少两个光学通道的部件，所述至少两个光学通道在空间上和光谱上彼此不同。所述至少两个光学通道中的每一个可以定位成将入射在光学系统上的IR辐射朝光学FPA传输。该系统可以包括处理单元，该处理单元包含处理器，该处理器可以被配置为从在光学FPA处接收到的IR辐射采集表示所述目标物质的多光谱光学数据。所述光学系统和所述处理单元可以被一起包含在数据采集和处理模块中，该数据采集和处理模块被配置为由人穿戴或携带。
在另一个实施例中，公开了一种用于确定物体中的目标物质的浓度的红外(IR)成像系统。该成像系统可以包括光学系统，该光学系统包括光学焦平面阵列(FPA)单元。该光学系统可以具有限定其至少两个光学通道的部件，所述至少两个光学通道在空间上和光谱上彼此不同。所述至少两个光学通道中的每一个可以定位成将入射在光学系统上的IR辐射朝光学FPA传输。该系统可以包括处理单元，该处理单元包含处理器，该处理器可以被配置为从在光学FPA处接收到的IR辐射采集表示所述目标物质的多光谱光学数据。所述数据采集和处理模块可以具有小于8英寸x6英寸x6英寸的维度。
在另一个实施例中，公开了一种用于确定物体中的目标物质的浓度的红外(IR)成像系统。该成像系统可以包括光学系统，该光学系统包括光学焦平面阵列(FPA)单元。该光学系统可以具有限定其至少两个光学通道的部件，所述至少两个光学通道在空间上和光谱上彼此不同。所述至少两个光学通道中的每一个可以定位成将入射在光学系统上的IR辐射朝光学FPA传输。该系统可以包括处理单元，该处理单元包含处理器，该处理器可以被配置为从在光学FPA处接收到的IR辐射采集表示所述目标物质的多光谱光学数据。所述数据采集和处理模块可以具有小于300立方英寸的体积。
在又一个实施例中，公开了一种识别目标物质或者量化或表征物体中的目标物质的参数的方法。该方法可以包括穿戴或携带数据采集和处理模块。该数据采集和处理模块可以包括光学系统和与光学系统通信的处理单元，该光学系统包括光学焦平面阵列(FPA)单元。该方法可以包括在FPA单元处从至少两个光学通道捕获多光谱红外(IR)图像数据，该至少两个光学通道在空间上和光谱上彼此不同。该方法可以包括从在FPA处接收的IR辐射采集表示目标物质的多光谱光学数据。
在另一个实施例中，公开了一种用于监测一个或多个安装站点处的一种或多种目标气体的存在的系统。该系统可以包括多个红外(IR)成像系统，每个成像系统包括数据采集和处理模块。该数据采集和处理模块可以被配置为实时捕获一种或多种目标气体的红外图像。该数据采集和处理模块可以被配置为将每个捕获的红外图像与存在一种或多种目标气体的地点相关联。该数据采集和处理模块可以被配置为将与一种或多种目标气体相关联的图像数据和与一种或多种目标气体的地点相关联的地点数据发送到中央服务器。
在又一个实施例中，公开了一种用于监测一个或多个安装站点处的一种或多种目标气体的存在的方法。该方法可以包括从位于多个安装站点并且被配置为由人穿戴或携带的多个IR成像系统接收图像数据。每个IR成像系统可以被配置为实时捕获一种或多种目标气体的红外图像，并将每个捕获的红外图像与存在一种或多种目标气体的地点相关联。该方法可以包括处理接收到的图像数据以识别检测到一种或多种目标气体的安装站点。
在附图和以下描述中阐述了本公开中描述的主题的一个或多个实施方式的细节。根据本描述、附图和权利要求，其它特征、方面和优点将变得显而易见。要注意的是，下图中的相对维度可能未按比例绘制。
附图说明
图1示出了成像系统的实施例，该成像系统包括共同的前物镜，该物镜具有光谱上分开的并且用多个透镜再成像到红外FPA上的光瞳(pupil)。
图2示出了具有分开的前物镜和红外感测FPA阵列的实施例。
图3A表示采用可操作地与再成像透镜阵列匹配的前物镜阵列的实施例。图3B图示了与图3A的实施例对应的二维光学部件阵列。
图4是采用场参考阵列(例如，可用作校准参考的场光阑(field stop))和分别对应的中继透镜阵列的实施例的图。
图5A是包括圆形光学滤光器(以及光学滤光器之间的IR阻挡材料)的4乘3光瞳阵列的图，该光学滤光器用于对利用系统的实施例成像的光学波前(wavefront)进行光谱上划分。
图5B是包括矩形光学滤光器(以及光学滤光器之间的IR阻挡材料)的4乘3光瞳阵列的图，该矩形光学滤光器用于对利用系统的实施例成像的光学波前进行光谱上划分。
图6A描绘了与系统的实施例一起使用的带通滤光器组合的透射特性的理论图。
图6B描绘了在系统的实施例中使用的光谱多路复用陷波通滤光器组合的透射特性的理论图。
图6C示出了在系统的实施例中使用的光谱多路复用长通滤光器组合的透射特性的理论图。
图6D示出了在系统的实施例中使用的光谱多路复用短通滤光器组合的透射特性的理论图。
图7是图示用于气体检测的系统的实施例的可操作性的一组视频帧。
图8A和8B是图示系统的实施例的动态校准的结果的曲线图(在以微米为单位的波长与以摄氏度为单位的表示物体的有效光学强度的物体温度的轴上)。
图9A和9B图示了成像系统的不同实施例的横截面图，该成像系统包括可以用于动态校准的参考源和反射镜的布置。
图10A-10C图示了成像系统的不同实施例的平面图，该成像系统包括可以用于动态校准的反射镜和参考源的布置。
图11A是图示被配置为由人类用户携带或穿戴的移动红外成像系统的示意图。
图11B是图示可以由多个红外成像系统监测的安装站点的示意图。
图12是示出根据一个实施例的移动红外成像系统的示意性系统框图。
图13A是根据各种实施例的被配置为在本文公开的移动红外成像系统中使用的光学系统的示意性系统图。
图13B是根据其它实施例的被配置为在本文公开的移动红外成像系统中使用的光学系统的示意性系统图。
图14A是根据各种实施例的安装到头盔的移动红外成像系统的示意性透视图。
图14B是图14A中所示的移动红外成像系统的放大示意性透视图。
图14C是图14A-14B中所示的移动红外成像系统的透视横截面图。
图15A是根据各种实施例的系统的示意性透视图。
图15B是图15A中所示系统的示意性后透视图。
图15C是根据各种实施例的系统的示意性前透视图。
图15D是根据各种实施例的具有第一端口的移动计算设备的示意性系统图，该第一端口被配置为与分孔径(divided-aperture)红外光谱成像(DAISI)系统电耦合和物理耦合。
图15E是根据各种实施例的移动计算设备的示意性系统图。
图16A是可以根据本文公开的任何实施例使用的DAISI系统的示意图。
图16B是根据各种实施例的DAISI系统的示意性前透视图，其中外壳仅出于说明的目的而被移除。
图16C是图16B的DAISI系统的示意性后透视图。
图16D是图16B的DAISI系统的光学系统的示意性前透视图。
图16E是图16B的DAISI系统的光学系统的示意性透视横截面图，其中为了说明的目的而省略了快门。
图17A是根据各种实施例的图16B和16D中所示的快门的前视平面图。
图17B是根据一些实施例的快门的示意性透视分解图。
图17C是处于闭合配置的图17B的快门的前视图。
图17D是处于打开配置的图17B和17C的快门的前视图。
图18A和18B示出了根据各种实施例的成像系统的实施例，该成像系统包括由单片透镜基板形成的透镜阵列。
图18C示出了根据各种实施例的成像系统的实施例，该成像系统包括由各个透镜基板形成的透镜阵列。
图18D是成像系统的分解透视图，该成像系统具有由图18C中所示的各个透镜基板形成的透镜阵列。
图18E是由图18C和18D中所示类型的各个透镜基板形成的透镜组件的横截面图。
图19是根据各种实施例的可以在具有分开的孔径的成像系统中使用的图案化光学滤光器阵列的示意图。
图20A-20C图示了根据各种实施例的滤光器主体和可以在具有分开的孔径的成像系统中使用的个体光学滤光器的阵列。
图21示出了根据各种实施例的包括一个或多个可选冷却系统的移动红外成像系统的示意性系统图。
图22A是图示根据各种实施例的图18D的透镜组件的光学通道之间的光学串扰的一个示例的光线轨迹图。
图22B是根据各种实施例的被配置为至少部分地减少光学串扰的可以与DAISI系统结合使用的透镜组件的分解透视图。
图22C是根据各种实施例的描绘相邻光学通道之间的光学串扰以及由于串扰导致的可用图像尺寸的不均匀性的另一个示例的光学检测器的前向示意图。
图22D描绘了根据各种实施例的指示从物体传输到光学检测器的光的照明(illumination)区域，其中透镜组件可以被配置为增加光学检测器处的可用图像区域，同时减少渐晕(vignetting)。
图22E是示例透镜组件的前视平面图，该示例透镜组件的维度被设计为将辐射传输到图22D所示的照明区域。
图22F是跨图22D的可用区域的强度滚降的示例模拟。
图22G图示了根据各种实施例的场景的图像的示例渐晕。
图23A-23D是根据各种实施例的无热化系统的示意性侧视图。
图24A是根据各种实施例的可以包括运动补偿系统的DAISI系统的示意性系统图。
图24B是图示仅在DAISI系统的运动小于运动阈值时由图24A的DAISI系统用于激活自身的一组示例运动阈值的曲线图。
图24C是图示根据各种实施例的用于补偿DAISI系统的运动的示例方法的流程图。
图24D是根据各种实施例的本文描述的运动补偿系统和方法的误差分布图。
各个附图中相同的标号和名称指示相同的元件。
具体实施方式
I.各种实施例的概述
以下描述针对用于描述本公开的创新方面的某些实施例。但是，本领域普通技术人员将容易认识到，本文的教导可以以多种不同方式应用。所描述的实施方式可以在可以被配置为作为成像系统操作的任何设备、装置或系统中实现，诸如在红外成像系统中实现。本文描述的方法和系统可以被包括在各种设备中或与其相关联，各种设备诸如但不限于用于可见光和红外光谱的设备、用在石油和天然气勘探、精炼和运输、农业、远程感测、国防和国土安全、监控、天文学、环境监测等中的多光谱和超光谱成像设备。本文描述的方法和系统可应用于各种领域，包括但不限于农业、生物学、物理学、化学、国防和国土安全、环境、石油和天然气工业等。本教导不旨在限于仅在图中描绘的实施方式，而是具有广泛的适用性，如对于本领域普通技术人员来说将显而易见的。
场景的光谱图像可以被表示为三维数据立方体，其中立方体的两个轴表示场景的两个空间维度，并且数据立方体的第三轴表示在不同波长区域中的场景的光谱信息。可以使用数学方法处理数据立方体来获得关于场景的信息。一些现有的光谱成像系统通过在空间域中扫描场景(例如，通过跨场景的水平和垂直维度移动狭缝)和/或通过在光谱域中扫描场景来生成数据立方体。这种扫描方案一次只采集完整数据立方体的一部分。完整数据立方体的这些部分被存储，并且然后进行处理以生成完整数据立方体。
本文公开的各种实施例描述了分孔径红外光谱成像(DAISI)系统，该系统被构造并适于提供成像场景的目标化学成分的识别。该系统基于光谱分辨成像，并且可以提供具有单次拍摄(也称为快照)的这种识别，该单次拍摄包括通常同时获得的具有不同波长成分的多个图像。在不失一般性的情况下，快照是指一种其中收集的大多数数据元素持续观看从场景发出的光的系统。作为对照，在扫描系统中，在任何给定时间，只有少数数据元素连续观看场景，接下来是不同的一组数据元素，依此类推，直到收集到完整数据集为止。在快照系统中可以实现相对快速的操作，因为它不需要使用光谱或空间扫描来采集目标化学成分的红外(IR)光谱特征。替代地，与具有不同波长分布的多个不同的光学通道相关联的IR检测器(诸如，例如，红外焦平面阵列或FPA)可以用于形成成像数据的光谱立方体。虽然可以从包括与不同波长范围对应的多个同时采集的图像的单个快照获得光谱数据，但是在各种实施例中，可以获得多个快照。在各种实施例中，可以对这些多个快照进行平均。类似地，在某些实施例中，可以获得多个快照，并且可以选择这些快照的一部分并且可以对其求平均。而且，与常用的红外光谱成像系统相比，DAISI系统不需要冷却。因此，它可以有利地使用非冷却的红外检测器。例如，在各种实施方式中，本文公开的成像系统不包括被配置为冷却至低于300开尔文(Kelvin)的温度的检测器。作为另一个示例，在各种实施方式中，本文公开的成像系统不包括被配置为冷却至低于273开尔文的温度的检测器。作为又一个示例，在各种实施方式中，本文公开的成像系统不包括被配置为冷却至低于250开尔文的温度的检测器。作为另一个示例，在各种实施方式中，本文公开的成像系统不包括被配置为冷却至低于200开尔文的温度的检测器。
本文公开的实施方式提供优于现有IR光谱成像系统的若干优点，大多数(如果不是全部)现有IR光谱成像系统可能需要高灵敏度和冷却的FPA，以便在光学检测期间补偿由光谱扫描操作引起的光子通量的减少。高灵敏度和冷却的FPA系统价格昂贵并且需要大量的维护。由于本文公开的各种实施例被配置为在没有空间和/或光谱扫描的情况下以单次拍摄采集模式进行操作，因此仪器可以在单次读取期间基本上同时从物体的多个点(例如，每个点)接收光子。因此，本文描述的成像系统的实施例可以在任何给定时刻从成像场景收集显著更大量的光学功率(例如，数量级上更多的光子)，尤其是与空间和/或光谱扫描系统相比。因此，本文公开的成像系统的各种实施例可以使用非冷却检测器(例如，包括微辐射热测量计(microbolometer)阵列的FPA单元)来操作，该非冷却检测器对IR中的光子不太敏感但是非常适合于连续监测应用。例如，在各种实施方式中，本文公开的成像系统不包括被配置为冷却至低于300开尔文的温度的检测器。作为另一个示例，在各种实施方式中，本文公开的成像系统不包括被配置为冷却至低于273开尔文的温度的检测器。作为又一个示例，在各种实施方式中，本文公开的成像系统不包括被配置为冷却至低于250开尔文的温度的检测器。作为另一个示例，在各种实施方式中，本文公开的成像系统不包括被配置为冷却至低于200开尔文的温度的检测器。包括非冷却检测器的成像系统可以能够在极端天气条件下操作、需要较少的电力、能够在白天和夜晚期间操作、并且较便宜。与可能导致光谱数据、空间数据或两者中的误差的空间和/或光谱扫描系统相比，本文描述的一些实施例还可以更不易受运动伪像(artifact)的影响。
在本文公开的各种实施例中，DAISI系统可以是移动的。例如，DAISI系统可以被配置为由人穿戴或携带，例如，DAISI系统可以被小型化以适合相对小的外壳或隔间。例如，DAISI系统的部件的尺寸和形状可以被设计为适合于小维度内并且可以具有足够小的质量以使人类用户能够携带或穿戴该系统而不会过度劳累。如本文所解释的，在一些实施例中，DAISI系统的尺寸和形状可以被设计为适合小于约300立方英寸的体积内，或者在一些实施例中，小于约200立方英寸的体积内。在还有的其它实施例中，DAISI系统的尺寸和形状可以被设计为适合小于约100立方英寸的体积内。例如，在一些布置中，DAISI系统的尺寸和形状可以被设计为适合在约50立方英寸至约300立方英寸范围的体积内。在其它布置中，DAISI系统的尺寸和形状可以被设计为适合在约80立方英寸至约200立方英寸范围的体积内。
有利地，这种便携式和/或可穿戴式DAISI系统可以使用户能够监测远程地点的设施并实时检测各种气体(例如，有毒气体)的存在。另外，便携式DAISI系统可以使用户能够前往不同的设施以监测多个地点的气体或化学物(chemical)的存在。例如，用户可以前往其中油从地泵送的石油钻探设施。用户可以将便携式DAISI系统携带或附接到他或她的衣服或身体(例如，通过夹子、帽子等)，并且可以在他或她在站点时激活系统。便携式DAISI系统上板载的光学部件可以捕获易受气体或化学泄漏影响的部分设施的一个或多个快照多光谱图像。便携式DAISI系统上板载的计算单元可以处理所捕获的多光谱图像数据，以检测和/或分类在站点处存在的气体或化学物。通信模块可以向用户通知检测到的气体。例如，在各种实施例中，通信模块可以向用户接口(诸如一组计算眼镜、诸如移动智能电话的移动计算设备、平板计算设备、膝上型计算设备或任何其它合适的接口)发送通知，并且用户接口可以例如在石油钻探设施处实时地向用户显示关于检测到的气体的信息。
II.分孔径红外光谱成像系统的示例
图1提供了示意性地图示对由分孔径红外光谱成像器(DAISI)系统的实施例100的传入光进行空间和光谱划分的图，该分孔径红外光谱成像器系统可以对拥有(一个或多个)IR光谱特征的物体110进行成像。系统100包括前物镜124、光学滤光器阵列130、再成像透镜阵列128和检测器阵列136。在各种实施例中，检测器阵列136可以包括单个FPA或FPA阵列。检测器阵列136中的每个检测器可以被设置在再成像透镜阵列128中的每个透镜的焦点处。在各种实施例中，检测器阵列136可以包括多个光敏设备。在一些实施例中，多个光敏设备可以包括二维成像传感器阵列，该二维成像传感器阵列对波长在1μm和20μm之间(例如，在近红外波长范围、中红外波长范围或长红外波长范围)的辐射敏感。在各种实施例中，多个光敏设备可以包括CCD或CMOS传感器、辐射热测量计(bolometer)、微辐射热测量计或对红外辐射敏感的其它检测器。
与前物镜系统124相关联的系统100的孔径在空间上和光谱上被光学滤光器阵列130和再成像透镜阵列128的组合划分。在各种实施例中，光学滤光器阵列130和再成像透镜阵列128的组合可以被认为形成光谱上分开的光瞳，该光瞳被设置在光学检测器阵列136的前方。将孔径在空间上和光谱上被划分为不同孔径部分形成多个光学通道120，光沿着这些光学通道120传播。在各种实施例中，再成像透镜128a的阵列128和光谱滤光器阵列130分别对应于不同的光学通道120。多个光学通道120可以在空间上和/或光谱上不同。多个光学通道120可以形成在物空间和/或图像空间中。在一个实施方式中，不同通道120可以包括在空间中成角度分离的光学通道。光谱滤光器阵列130可以附加地包括滤光器保持的多孔障板(aperture mask)(包括例如IR光阻挡材料，诸如陶瓷、金属或塑料)。来自物体110的其在IR中的光学属性由独特的吸收、反射和/或发射光谱来描述的光(例如气体云)通过系统100的孔径接收。该光传播通过多个光学通道120中的每一个，并进一步成像到光学检测器阵列136上。在各种实施方式中，检测器阵列136可以包括至少一个FPA。在各种实施例中，每个再成像透镜128a可以在空间上与分别对应的光谱区域对准。在所示实施方式中，来自光谱滤光器阵列130的每个滤光器元件对应于不同的光谱区域。每个再成像透镜128a和光谱滤光器阵列130的对应滤光器元件可以与分开的孔径的一部分重合(或形成分开的孔径的一部分)，并且因此与分别对应的空间通道120重合。因此，在各种实施例中，成像透镜128a和对应的光谱滤光器可以被设置在多个光学通道120中的一个的光路中。从物体110传播通过多个光学通道120中的每一个的辐射沿着每个再成像透镜128a和光谱滤光器阵列130的对应滤光器元件的光路行进并且入射在检测器阵列(例如，FPA部件)136上以形成物体110的单个图像(例如，子图像)。由检测器阵列136形成的图像通常包括由光学通道120中的每一个形成的多个子图像。多个子图像中的每一个可以提供物体110的不同空间和光谱信息。由于分开的孔径的较小孔径的不同空间地点，从一些视差产生不同空间信息。在各种实施例中，相邻子图像可以通过接近或基本相等的光谱特征来表征。检测器阵列(例如，FPA部件)136还可操作地与处理器150(未示出)连接。处理器150可以被编程为将利用系统100采集的数据聚合到光谱数据立方体中。数据立方体在空间(x,y)和光谱(λ)坐标中表示由光谱滤光器阵列130中的滤光器元件的组合限定的光谱区域内的物体110的整体光谱图像。此外，在各种实施例中，处理器或处理电子器件150可以被编程为确定物体110的独特吸收特性。另外，处理器/处理电子器件150可以替代地或附加地将整个图像数据立方体映射到表示例如与物体110相关联的视场内的目标化学成分的浓度c的空间分布的数据立方体中。
实施例100的各种实施方式可以包括可选的可移动温控参考源160，其包括例如包括维持在不同温度的一个或多个参考快门的快门系统。参考源160可以包括加热器、冷却器或温控元件，该温控元件被配置为将参考源160维持在期望温度。例如，在各种实施方式中，实施例100可以包括维持在不同温度的两个参考快门。参考源160是可移除的，并且在一种实施方式中，被定期地插入到沿着至少一个通道120从物体110到检测器阵列(例如，FPA部件)136穿过系统100的光的光路中。因此，可移除参考源160可以阻挡这种光路。另外，该参考源160可以提供参考IR光谱以实时地重新校准包括系统100的检测器阵列136的各种部件。下面进一步讨论可移动参考源160的配置。
在实施例100中，前物镜系统124被示出为包括单个前物镜，该单个前物镜被定位成为再成像透镜128a建立共同的视场(FOV)并且限定整个系统的孔径光阑。在该具体情况下，孔径光阑基本上在空间上与对应于不同光学通道120的多个较小限制孔径一致和/或大约相同的尺寸或略大。因此，不同光学通道120的光谱滤光器的位置与整个系统的孔径光阑的位置一致，在该示例中，该位置被示为透镜系统124和再成像透镜128a的阵列128之间的表面。在各种实施方式中，透镜系统124可以是物镜124。但是，物镜124是可选的，并且系统100的各种实施例不需要包括物镜124。在各种实施例中，物镜124可以在沿着垂直于透镜124的光轴的方向上在空间上轻微地偏移由阵列136中的不同检测器获得的图像，因此当物镜124不包括在内时系统100的功能不一定受到损害。但是，通常，对应于不同光学通道的场孔径可以位于相同或不同的平面中。在某些实施方式中，这些场孔径可以由再成像透镜128a的孔径和/或分开的孔径中的滤光器130限定。在一个实施方式中，对应于不同光学通道的场孔径可以位于不同的平面中，并且不同的平面可以是彼此的光学共轭。类似地，虽然示出了实施例100的光谱滤光器阵列130中的所有滤光器元件位于一个平面中，但是光谱滤光器阵列130的通常不同的滤光器元件可以被设置在不同的平面中。例如，光谱滤光器阵列130的不同滤光器元件可以被设置在彼此光学共轭的不同平面中。但是，在其它实施例中，不同的滤光器元件可以被设置在非共轭平面中。
与实施例100对照，前物镜124不需要是单个光学元件，而是可以包括多个透镜224，如图2中的DAISI成像系统的实施例200中所示。这些透镜224被配置为划分来自物体110的传入光学波前。例如，前物镜224的阵列可以被设置为接收由物体发射的被引向DAISI系统的IR波前。多个前物镜224将波前在空间上划分为非重叠区间。图2示出了光学系统的前光学部分中的三个物镜224，其有助于在该示例中的系统的孔径的空间划分。但是，多个物镜224可以被配置为二维(2D)透镜阵列。图2呈现了成像系统200的一般视图以及成像系统200的结果视场。在图2的插图中还更详细地描绘了成像系统200的分解图202。如详细视图202中所示，成像系统200的实施例包括在系统的前端的场参考204。场参考204可以用于截断视场。图2所示的配置具有优于图1的实施例100的操作优点，因为实施例200的整体尺寸和/或重量和/或制造成本由于物镜较小而可以大大降低。阵列224和阵列128中的每对透镜与视场(FOV)相关联。阵列224和阵列128中的每对透镜从不同角度接收来自物体的光。因此，阵列224和阵列128中的不同透镜对的FOV不会由于视差而完全重叠。随着成像系统200(部分202)与物体110之间的距离增加个体透镜224的FOV之间的重叠区域230增加，而视差228的量保持大致相同，从而减少其对系统200的影响。当视差与物体距离的比率基本上等于像素尺寸与系统焦距比率时，那么视差效应可以被认为是可忽略的，并且出于实践目的不再是可区分的。虽然透镜224被示出为基本上设置在同一平面中，但是前物镜224的阵列中可选的不同的物镜可以被设置在多于一个平面中。例如，与一些其它透镜224相比，一些个体透镜224可以相对于一些其它个体透镜224沿着轴226(未示出)移位和/或具有不同的焦距。如以下所讨论的，场参考204可以用于校准多个检测器236。
在一个实施方式中，诸如透镜阵列224的前物镜系统被配置为与单片基板相关联地集成或模制的透镜阵列。这样的布置可以降低成本和复杂性，否则系统内的各个透镜的光学调整将伴随着高成本和复杂性。各个透镜224可以可选地包括具有变化放大率的透镜。作为一个示例，一对薄且大直径的Alvarez板可以用在前物镜系统的至少一部分中。在不失一般性的情况下，当Alvarez板相对于光束正交平移时，Alvarez板可以产生焦距的变化。
进一步参考图1，被配置为接收表示成像物体110的(一个或多个)光谱特征的光学数据的检测器阵列136(例如，FPA部件)可以被配置为单个成像阵列(例如，FPA)136。该单个阵列可以适于同时采集多于一个图像(由多于一个光学通道120形成)。替代地，检测器阵列136可以包括FPA单元。在各种实施方式中，FPA单元可以包括多个光学FPA。这些多个FPA中的至少一个可以被配置为采集成像物体的多于一个光谱上不同的图像。例如，如图2的实施例200所示，在各种实施例中，FPA单元中包括的FPA的数量可以对应于前物镜224的数量。在图2的实施例200中，例如，提供对应于三个物镜224的三个FPA 236。在系统的一个实施方式中，FPA单元可以包括微辐射热测量计阵列。多个微辐射热测量计的使用有利地允许以便宜的方式增加用于在单个采集事件(即，一个快照)中记录三维数据立方体的检测元件(即，像素)的总数。在各种实施例中，微辐射热测量计阵列更高效地利用了FPA阵列(例如，每个FPA)的检测器像素，因为当使用单个微辐射热测量计时，未使用像素的数量在可能存在的图像之间被减少、最小化和/或消除。
图3A示意性地图示了成像系统的实施例300，其中透镜阵列324中的前物镜324a的数量、透镜阵列128中的再成像透镜128a的数量以及FPA 336的数量是相同的。如此配置，分别对应的前物镜324、再成像透镜128a和FPA 336的每个组合构成个体成像通道。这种通道与通过光学滤光器阵列130的个体滤光器元件采集从物体110发射的IR光相关联。系统300的场参考338被配置为跨其表面具有均匀的温度并且由从其发出的辐射的预定光谱曲线表征。在各种实施方式中，场参考338可以用作校准目标以帮助校准或维持FPA的校准。因此，在各种实施方式中，场参考338用于在从物体110采集光之后动态调整从每个FPA 336输出的数据。该动态校准过程有助于提供不同(例如，大多数或每个)FPA 336的输出相对于用于分析的其它FPA 336表示正确的采集数据，如下面更详细地讨论的。
图3B图示了垂直于图3A中所示的成像系统的实施例300的轴226的平面图。对于图3B所示的实施例，光学部件(例如，物镜324a、光谱滤光器阵列130的滤光器元件、再成像透镜128a和FPA单元336)被布置为4x3阵列。在一个实施方式中，光学部件的4乘3阵列340(透镜324a、128a；检测器元件336)在温控参考目标160后面使用。场参考孔径338可以适于遮挡(obscure)和/或阻挡(block)从物体110向FPA单元336传播的光束的外围部分。因此，场参考338遮挡和/或阻挡形成在沿着检测器系统的周边(perimeter)346定位的FPA元件上的物体110的图像的边界或(一个或多个)外围部分。通常，当FPA单元的两个元件用于使用相同光学列(optical train)在相同光谱区域中观察场景的相同部分时，它们将产生基本相等的数字计数值。如果这些输入参数(例如，要观察的场景、来自场景的光的光谱内容、或者从场景向两个检测器元件传送光的光学元件)中的任何一个不同，则与FPA单元的元件相关联的计数也将不同。因此，并且作为示例，在FPA单元336的两个FPA(诸如图3B中表示为#6和#7的那些FPA)保持基本上不被场参考338遮挡的情况下，来自这些FPA的输出可以被动态调整为从沿着周边346定位的处理具有类似光谱特性的光的FPA之一(诸如，例如，FPA元件#2或FPA元件#11)的输出。
图4示意性地图示了包含前物镜424a的阵列424的成像系统400的另一个实施例的一部分。透镜424a的阵列424适于接收来自物体110的光，并且通过场参考(或场光阑)438a的阵列438以及通过中继透镜的阵列440将接收到的光中继到再成像透镜128a的阵列128。场参考/场光阑438a的光谱特性可以是已知的。场参考438a被设置在由分别对应的前物镜424a相对于物体110限定的对应中间图像平面处。当所有前物镜424a的折射特性基本相同时，所有场参考438a都被设置在同一平面中。阵列438的场参考438a在通过系统400的相应对应空间成像通道450在检测器平面444处形成的对应图像(例如，子图像)由处理器150进行光谱处理之前遮挡该图像的外围区域(或在该图像的外围区域上投射阴影)。然后，中继透镜阵列440沿着每个成像通道450透射光，光通过滤光器阵列454的不同光谱滤光器454a，经过包括两个温控快门460a、460b的校准装置，并且然后到检测器模块456上。在各种实施例中，检测器模块456可以包括微辐射热测量计阵列或一些其它IR FPA。
实施例400具有若干操作优点。它被配置为在每个图像(例如，子图像)内并且为可以针对其进行校准的每个快照采集提供光谱已知的物体。当使用如微辐射热测量计的IRFPA阵列时，这种光谱确定性可能是有利的，其检测特性可以从一个成像帧到下一个成像帧而变化，这部分是由于被成像的场景的变化以及由相邻的FPA引起的热效应。在各种实施例中，实施例400的场参考阵列438可以被设置在与前物镜424相关联的瑞利(Rayleigh)范围内(大致对应于焦深)，从而去除由于具有在该范围外部的场参考而不可用的模糊像素(blurred pixel)。此外，图4的实施例400可以比例如图3A的配置300更紧凑。在图3A所示的系统中，例如，场参考338可以以大于几个(例如，五个)焦距的距离与透镜阵列324分离，用以最小化/减少由场参考对在检测器平面处形成的图像所贡献的模糊。
在各种实施例中，IR成像系统的多光学FPA单元可以附加地包括被配置为在光谱的可见部分中操作的FPA。参考图1，例如，由这种可见光FPA形成的感兴趣场景的图像可以用作背景，以通过将IR图像与可见光图像重叠来形成合成图像。IR图像可以通过使用处理器和专门设计的计算机程序产品被虚拟地重叠，从而使得这样的数据能够或者实际上被观看者处理。可以基于由各个FPA 136采集的图像数据来创建IR图像。如此形成的合成图像有助于识别目标物质的精确空间地点、系统能够检测/识别目标物质的光谱特征。
光学滤光器
与系统的实施例一起使用的定义物体的光谱不同的IR图像(例如，子图像)的光学滤光器可以采用吸收滤光器、干涉滤光器和基于法布里-珀罗标准具(Fabry-Perotetalon)的滤光器，这只是举了几例。当使用干涉滤光器时，通过由各个再成像透镜(诸如图1、2、3和4中的透镜128a)限定的个体成像通道的图像采集可以在单个光谱带宽或多个光谱带宽中执行。再次参考图1至4的实施例100、200、300、400，并且进一步参考图3B，图5A和5B中示出了光谱滤光器的4乘3阵列130的示例。各个滤光器1至12与支撑光学机械元件(未示出)并置，以限定滤光器阵列平面，该滤光器阵列平面在操作中基本上垂直于成像系统的一般光轴226定向。在各种实施方式中，各个滤光器1至12不需要是分立的光学部件。相反，各个滤光器1至12可以包括一个或多个涂层，该涂层被施加到再成像透镜(诸如图1、2、3和4中的透镜128a)的一个或多个表面或一个或多个检测器的表面。
本文公开的各种实施例的光学滤光配置可以有利地使用限定指定光谱带的带通滤光器。例如，可以使用其透射曲线如图6A所示的滤光器0a至3a中的任何一个。滤光器可以放置在光学FPA的前面(或者通常在光学FPA和物体之间)。特别地，并且进一步参考图1、2、3和4，当光学检测器阵列136、236、336、456包括微辐射热测量计时，与图像采集相关联的噪声的主要贡献归因于检测器噪声。为了补偿和/或降低噪声，本文公开的各种实施例利用光谱多路复用滤光器。在各种实施方式中，光谱多路复用滤光器可以包括多个长通滤光器、多个长通滤光器、多个带通滤光器及其任何组合。图6B中描绘了用于与本文公开的成像系统的各种实施例一起使用的光谱多路复用滤光器0b到3d的光谱透射特性的示例。图6C的滤光器可以被称为长波通LP滤光器。LP滤光器通常衰减较短波长并透射(通过)较长波长(例如，在光谱的目标IR部分的有效范围内)。在各种实施例中，还可以使用短波通滤光器SP。SP滤光器通常衰减较长波长并透射(通过)较短波长(例如，在光谱的目标IR部分的有效范围内)。至少部分地由于快照/非扫描操作模式，本文描述的成像系统的实施例可以使用较不敏感的微辐射热测量计而不损害SNR。使用微辐射热测量计作为检测器噪声受限设备进而不仅受益于使用光谱多路复用滤光器，而且在正常操作期间不需要冷却成像系统。
再次参考图6A、6B、6C和6D，与滤光器(0a...3a)的电磁光谱的区域相比，每个滤光器(0b...3d)在电磁光谱的基本上更宽的区域中透射光。因此，当光谱多路复用滤光器集合(0b...0d)与成像系统的实施例一起使用时，由FPA接收到的光的总量(例如，236、336)大于当使用带通滤光器(0a...4a)时将接收到的光的量。通过使用光谱多路复用LP(或SP)滤光器限定的光的这种“添加的”透射有助于将FPA上的信号增加到高于检测器噪声的水平。此外，通过在成像系统的实施例中使用具有大于带通滤光器的光谱带宽的滤光器，成像系统的实施例的未冷却的FPA经受来自从成像场景入射在其上的辐射和来自源自所讨论的FPA本身的辐射的较少加热。这种减少的加热是由于来自FPA的(一个或多个)背反射的热发射的减少以及滤光器从非带通区域的反射。由于多路复用LP(或SP)滤光器的透射区域较宽，因此减少了这种寄生效应，从而提高了FPA单元的整体性能。
在一个实施方式中，LP和SP滤光器可以以光谱多路复用的方式组合，以便增加或最大化实施例的滤光器系统的透射区域的光谱范围。
基于以下推导可以认识到使用光谱多路复用滤光器的优点，其中检查M个滤光器的系统(但是应该理解，实际上本发明的实施例可以采用任何数量的滤光器)。作为说明性示例，考虑M＝7的情况。下面给出的分析涉及由系统中的不同成像通道(例如，不同光学通道120)形成的每个图像(例如，子图像)中的一个空间地点。可以对图像(例如，子图像)处的每个点执行类似的分析，因此可以根据需要适当地扩展分析。
M个光谱通道(对应于这些M个滤光器)中的每一个内的未知光的量用f1、f2、f3、...fM表示，并且接收由每个滤光器透射的光的对应检测器元件的读数被表示为g1、g2、g3...gM，而测量误差由n1、n2、n3、...nM表示。然后，其中每个通过图6A的对应带通滤光器进行光学滤光的七个FPA像素处的读数可以由以下表示：
g1＝f1+n1,
g2＝f2+n2,
g3＝f3+n3,
g4＝f4+n4,
g5＝f5+n5,
g6＝f6+n6,
g7＝f7+n7,
这些读数(像素测量)gi是光谱强度fi的估计。由于测量误差ni，估计gi不等于对应的fi值。但是，如果测量噪声分布具有零均值，则可以认为每个单独测量的总平均值等于真实值，即，(gi)＝fi。这里，尖括号指示计算随机变量的总平均值的运算。因此，测量的方差可以被表示为：
Figure BDA0002094797270000211
在利用光谱多路复用滤光器的实施例中，与利用带通滤光器的实施例相比，由每个光谱多路复用的LP或SP滤光器向给定检测器元件透射的辐射能量的量可以超过通过带通滤光器的光谱带透射的辐射能量的量。在这种情况下，可以通过计算手段来重建与独立光谱带对应的光的强度。这样的实施例可以被称为“多路复用设计”。
这种“多路复用滤光器”测量的一个矩阵包括需要“负”滤光器的Hadamard矩阵，其可能不一定适合于本文公开的光学实施例。S-矩阵方法(其限于具有等于4的倍数减去1的整数的滤光器的数量)或行加倍的Hadamard矩阵(要求滤光器的数量等于8的整数倍)可以用于各种实施例中。这里，使用S-矩阵设置的滤光器的可能数量是3、7、11等，并且如果使用行加倍的Hadamard矩阵设置，则滤光器的可能数量是8、16、24等。例如，测量的目标可以是使用如下7个测量值gi来测量7个光谱带fi的强度：
g1＝f1+0+f3+0+f8+0+f7+n1
g2＝0+f2+f3+0+0+f6+f7+n2
g3＝f1+f2+0+0+f5+0+f7+n3
g4＝0+0+0+f4+f5+f7+f9+n4
g5＝f1+0+f3+f4+0+f6+0+n5
g6＝0+f2+f3+f4+f5+0+0+n6
g7＝f1+f2+0+f4+0+0+f7+n7
上面描述的滤光器的光透射特性在图6B中绘出。这里，通过类似于(gi)＝fi的关系不再提供对fi的直接估计。替代地，如果使用“帽子(hat)”表示法来表示给定值的估计，则可以使用测量值的线性组合，诸如，例如，
Figure BDA0002094797270000221
Figure BDA0002094797270000222
Figure BDA0002094797270000223
Figure BDA0002094797270000224
Figure BDA0002094797270000225
Figure BDA0002094797270000226
Figure BDA0002094797270000227
这些
Figure BDA0002094797270000228
是当ni为零均值随机变量时的无偏估计，使得
Figure BDA0002094797270000231
与第i次测量对应的测量方差由下式给出：
Figure BDA0002094797270000232
从上面的等式，观察到通过采用光谱多路复用系统，测量的信噪比(SNR)被改进
Figure BDA0002094797270000233
倍。
对于N个通道，利用光谱多路复用系统实现的SNR改进可以被表示为
Figure BDA0002094797270000234
例如，采用12个光谱通道(N＝12)的实施例的特征在于在非光谱多路复用系统上的SNR改进，包括高达1.88倍的改进。
可以在本文描述的成像系统的各种实施例中使用的相关光谱多路复用滤光器布置0c至3c和0d至3d的两个附加示例分别在图6C和6D中示出。图6C和6D中所示的光谱多路复用滤光器可以用于采用非冷却FPA(诸如微辐射热测量计)的成像系统的实施例中。图6C图示了系统中使用的一组光谱多路复用的长波通(LP)滤光器。LP滤光器通常衰减较短波长并透射(通过)较长波长(例如，在光谱的目标IR部分的有效范围内)。具有与这些LP滤光器中的至少两个的光谱透射曲线之间的差异对应的透射特性的单个光谱通道可以用于使用本文描述的系统的实施例来获得数据立方体的成像数据。在各种实施方式中，相对于不同FPA设置的光谱滤光器可以具有不同的光谱特性。在各种实施方式中，光谱滤光器可以仅被设置在一些FPA的前面，而剩余的FPA可以被配置为接收未被过滤的光。例如，在一些实施方式中，上述4x3检测器阵列中的12个检测器中的仅9个可以与光谱滤光器相关联，而其它3个检测器可以被配置为接收未被过滤的光。这样的系统可以被配置为在单个数据采集事件中采集10个不同光谱通道中的光谱数据。
使用微辐射热测量计作为检测器噪声受限设备进而不仅可以受益于使用光谱多路复用滤光器，而且在正常操作期间不需要冷却成像系统。与包括具有降低的噪声特性的高灵敏度FPA单元的成像系统相比，本文描述的成像系统的实施例可以采用灵敏度较低的微辐射热测量计而不损害SNR。该结果至少部分地归因于快照/非扫描操作模式。
如以上所讨论的，实施例可以可选地并作为温控参考单元(例如，诸如快门160、460a、460b的温控快门)的附加，采用场参考部件(例如，图3A中的场参考孔径338)或场参考部件阵列(例如，图4中的场参考孔径438)，以使得能够进行动态校准。这种动态校准可以用于一个或多个或每个数据立方体的光谱采集。这种动态校准还可以用于光谱中性的相机与相机组合，以使得能够动态补偿视差伪像。使用温控参考单元(例如，温控快门系统160)和(一个或多个)场参考部件有助于单独维护每个FPA的正确校准和整体维护整个FPA单元的正确校准。
特别地，并且进一步参考图1、2、3和4，温控单元通常采用具有维持在第一不同温度和第二不同温度的第一温度区和第二温度区的系统。例如，实施例100、200、300和400中的每一个的快门系统可以采用不是一个而是至少两个温控快门，这些温控快门基本上彼此平行并且横切(一个或多个)实施例100、200、300、400的一般光轴226。可以采用两个不同温度的两个快门来提供更多的校准信息；例如，可以记录在一个温度下FPA之间的差的绝对值以及该差异随温度变化的变化。例如，参考图4，其中示出了这种多快门结构，使用多个快门使用户能够创建由FPA 456感知的已知参考温度差。当这些快门被定位成阻挡来自物体110的辐射时，由(一个或多个)快门460a、460b发射的IR辐射提供该参考温度差。因此，不仅可以调整与各个FPA像素中的每一个对应的偏移值，而且可以调整这些FPA的增益值。在替代实施例中，具有第一温度区和第二温度区的系统可以包括单个或多个部分件。该单个或多个部分件可以包括例如板(plate)。该件可以通过使用适当的引导件在光轴上机械地移动，并且具有处于第一温度的第一部分和处于第二温度的第二部分。
实际上，成像系统的实施例的校准过程开始于通过执行从已知和不同辐射的至少两个温控快门独立地发出的辐射的测量来估计增益和偏移。增益和偏移可以在检测器像素之间不同。具体而言，首先执行检测器单元456对从一个快门发出的辐射的响应。例如，第一快门460a阻挡检测器456的FOV，并且利用热敏电阻器直接且独立地测量温度T1。在这样的初始测量之后，第一快门460a从穿过实施例的光的光路中移除，并且另一个第二快门(例如，460b)被插入在光轴226上的其位置中，以防止光传播通过系统。第二快门460b的温度可以与第一快门不同(T2≠T1)。第二快门460b的温度也是用放置成与该快门接触的热敏电阻器独立测量的，并且也记录检测器对从快门460b发出的辐射的响应。将FPA像素的操作响应(以数字或“计数”表达)表示为到辐射Li的来源的gi，与两个快门的测量对应的读数可以被表达为：
Figure BDA0002094797270000251
Figure BDA0002094797270000252
这里，goffset是像素偏移值(以计数为单位)，并且γ是像素增益值(以每个辐射单位的计数为单位)。如果g1和g2的值以及辐射值L1和L2可用，则可以获得这两个等式关于两个未知数goffset和γ的解。例如，这些值可以由参考仪器测量或者从已知温度T1和T2与FPA和光学系统的已知光谱响应一起计算。对于任何后续测量，然后可以反转上面的(一个或多个)等式以便从检测器测量估计物体的辐射值，并且这可以对系统内的每个FPA中的每个像素进行。
如已经讨论的，并且参考图1至图4，场参考孔径可以被设置在光学系统的物空间或图像空间中，并且维度被设计为阻挡从物体接收到的IR辐射的特定部分。在各种实施方式中，场参考孔径的开口的形状可以与滤光器阵列的边界基本相似(例如，并且参考图3B、5B的滤光器阵列–例如，矩形)。场参考孔径可以放置在物镜(124、224、324、424)的前面，其距离至少是透镜焦距的几倍(在一个实施方式中-至少五倍)使得场参考孔径被放置得更靠近物体。将场参考孔径放置得更靠近物体可以减少图像的模糊。在图4的实施例400中，场参考孔径可以被放置在由前物镜424形成的图像共轭平面的焦深内。通常，场参考可以通过在每个场景内提供光谱已知且时间稳定的物体来参考和稳定阵列中的不同FPA的输出，从而促进、实现和/或使得能够在系统中进行动态补偿。
因为每个FPA的偏移值通常由硬件从每个帧调整到下一帧，因此将一个FPA的输出与另一个FPA的输出进行比较可能具有不能由建立的静态校准参数goffset和γ(例如，由可移动快门160)补偿的误差。为了确保FPA随时间在辐射测量协议中操作，让每个检测器阵列的一部分查看随时间获得的多个帧上的参考源(例如，诸如图3A中的场参考338)是有利的。如果参考源光谱是先验已知的(诸如在已知温度下的黑体源)，则可以测量每个FPA对参考源的响应，以便估计像素偏移值的变化。但是，参考源的温度不需要是已知的。在这样的实施方式中，可以通过从移除用于静态校准的可移动快门的时间开始监测各种检测器的增益和偏移的变化来执行不同检测器的动态校准。动态偏移的示例计算如下进行。
在成像系统的实施例中的FPA阵列中的FPA元件当中，可以选择一个FPA作为“参考FPA”。可以调整由所有其它FPA测量的场参考温度以与由参考测量的场参考温度一致，如以下所讨论的。由每个FPA获得的图像包括由场参考338遮挡的一组像素。使用先前获得的校准参数goffset和γ(像素偏移和增益)，使用下面的等式来估计如由每个FPA测量的场参考的有效黑体温度Ti：
Ti＝mean{(g+Agi+Boffset/γ}＝mean{(g-goffset)/γ}+ΔTi
使用上面的等式，获得被场参考遮挡的所有像素上的平均值。在上面的等式中，Δgi是当前帧的偏移值与在校准步骤期间获得的Δgoffset的差。对于参考FPA，Δgi可以被简单地设置为零。然后，使用由每个FPA测量的温度差，获得：
Ti-Tref＝mean{(g+Δgi+goffset/γ}+ATi-mean{(g-goffset)/γ}＝ΔTi
一旦测量了每个FPA的ΔTi，就可以从每个图像中减去其值，以便迫使这种FPA与参考FPA之间的操作一致。虽然上面已经参考温度的校准讨论了校准过程，但是也可以实现程序上类似的关于辐射值的校准方法。
测量的方法的示例
在使用如本文描述的IR成像系统的实施例的光学数据采集之前，可以校准系统的一个或多个、大多数或可能所有的FPA。例如，可以初始校准大于50％、60％、70％、80％或90％的FPA336。如图3A所示，这些FPA 336可以使用在对应的光学通道中传送的光来形成物体的单独图像，该对应的光学通道可以包括对应的前物镜324和再成像透镜128的组合。校准过程可以允许以等效单位形成各个图像(使得例如可以以温度或辐射单位等为单位重新计算FPA像素的读数)。另外，校准过程还可以允许FPA(例如，每个FPA)在空间上彼此共同配准(co-register)，使得特定FPA的给定像素可以通过光学系统被光学地重新映射到物体处与另一个FPA的对应像素相同的地点。
为了实现这些目标中的至少一些目标，可以采用光谱差分方法。该方法涉及从来自不同通道的图像的各种组合形成差分图像。特别地，用于形成差分图像的图像可以由具有带不同光谱特性的不同光谱滤光器的光谱上不同的通道中的两个或更多个不同的FPA配准。来自具有不同光谱特性的不同通道的图像将提供不同的光谱信息。因此，比较(例如，减去)这些图像可以产生有价值的基于光谱的信息。例如，如果对应于特定FPA 336的光谱滤光器阵列130的滤光器元件透射来自物体110的包括气体云的(例如具有包含气体吸收峰值或气体发射峰的某个光谱的)光，而对应于另一个FPA 336的光谱滤光器阵列130的另一个滤光器元件不透射该光谱，则由所讨论的两个FPA形成的图像之间的差异将突出显示差分图像中的气体的存在。
光谱差分方法的缺点在于，与成像相关联的一些辅助特征(不仅仅是诸如气体本身的目标物质)的贡献也可以突出显示在差分图像中并且对差分图像有贡献。仅举几个例子，这种贡献效果包括物体的边缘的视差引起的成像、两个或更多个光学通道之间的放大率差异的影响，以及FPA之间的旋转定位和朝向的差异。虽然可以通过提高仪器构造的准确度以及通过对所采集的成像的后处理来补偿与放大相关的误差和FPA旋转引起的误差，但是视差是场景引起的并且不容易校正。此外，光谱差分方法易受辐射校准误差的影响。具体而言，例如，如果一个FPA将来自物体的给定特征的光的辐射登记为具有40℃的温度，而来自另一个FPA的数据表示相同物体特征的温度为39℃，那么由于这种辐射校准误差，物体的这种特征将在(至少部分地基于由这两个FPA提供的图像形成的)差分图像中增强或突出显示。
对这些问题中的一些问题的一种解决方案是比较(例如，减去)来自在不同时刻获得的相同FPA的图像。例如，可以将图像与在另一个时间获得的参考图像进行比较或从该参考图像中减去。从其它后来获得的图像中减去的这种参考图像可以被称为时间(temporal)参考图像。该解决方案也可以应用于光谱差分图像。例如，可以通过对应于时间参考图像的数据来归一化由光谱差分图像产生的图像数据。例如，可以从光谱差分图像中减去时间参考图像以获得时间差分图像。出于本公开的目的，该处理被称为时间差分算法或方法，并且从另一个图像(诸如光谱差分图像)减去时间参考图像的结果图像被称为时间差分图像。在采用光谱差分的一些实施例中，可以例如通过在单个时刻从由两个或更多个FPA所配准的两个或更多个图像创建光谱差分图像来形成时间参考图像。然后将该光谱差分图像用作时间参考图像。然后可以从其它后来获得的图像中减去时间参考图像，以提供可以用于减去或去除各种误差或有害影响的归一化。例如，算法的结果不受物体或场景是否包含目标物质(诸如感兴趣的气体)的先验知识的影响，因为该算法可以突出显示场景特性的变化。因此，如以上所讨论的，可以基于在任何后来时间的快照图像采集从多个光谱通道计算光谱差分图像，并且可以从时间参考图像中减去该光谱差分图像以形成时间差分图像。因此，该时间差分图像是归一化差分图像。两个图像之间的差异(时间差分图像)可以突出显示归一化差分图像内的目标物质(气体)，因为这种物质不存在于时间参考帧中。在各种实施例中，可以使用多于两个FPA来配准时间参考图像和后来采集的差分图像两者以获得更好的SNR品质因数。例如，如果两个FPA与具有相同光谱特性的光谱滤光器相关联，那么由这两个FPA获得的图像可以在它们已经被配准之后进行组合以得到更好的SNR因数。
虽然时间差分方法可以用于减少或消除光谱差分的一些缺点，但是它可能引入其自身的不希望的问题。例如，与成像数据的光谱差异相比，成像数据的时间差异对校准和视差引起的误差不太敏感。但是，在时间差分图像中突出显示了与感兴趣的目标物质(诸如例如特定气体)无关的成像场景中的任何变化。因此，成像场景中的这种变化可能被错误地感知为目标物质的地点，因此触发目标物质的检测中的误差。例如，如果针对其检测到气体的背景的温度发生变化(由于随着时间的推进而自然冷却，或者由于通过IR成像系统的FOV的人或动物或其它物体增加)，那么与较早时间进行的测量相比，这种温度变化产生信号差异。因此，场景温度变化的原因(冷却物体、人行走等)可能表现为检测到的目标物质(诸如气体)。因此，随之而来的是，尝试通过使用启动光谱或时间差分的方法来补偿多FPA IR成像系统的各个FPA之间的操作差异可能引起导致目标物质的错误检测的附加问题。这些问题中包括不容易校正和/或不可补偿的场景运动引起的检测误差和视差引起的误差。因此，需要补偿由被成像的场景内的元素的运动引起的图像数据采集和处理误差。本文描述的数据处理算法的各种实施例解决并满足补偿这种运动引起的和视差引起的图像检测误差的需要。
特别地，为了减少或最小化用两个或更多个预定FPA产生的图像之间的视差引起的差异，可以使用由来自至少两个不同FPA的图像形成的另一个差分图像来估计视差效应。可以通过比较来自其中FPA之间的位置是已知的两个不同FPA的图像来确定视差误差。可以根据已知的相对位置差来计算视差。来自这两个FPA的图像之间的差异可以归因于视差，尤其是如果FPA具有相同的光谱特性，例如具有相同的光谱滤光器或者两者都没有光谱滤光器。但是，视差误差校正仍然可以从具有不同光谱特性或光谱滤光器的两个FPA获得，尤其是如果不同的光谱特性，例如相应滤光器的透射光谱是已知的和/或可忽略的。使用不同地点的两个以上的FPA或FPA(诸如间隔更远的FPA)可能是有用的。例如，当通过使用阵列中最外面的两个相机(诸如，例如，对应于图5A的滤光器阵列中的滤光器2和3的FPA)收集的图像之间的差异来执行图像数据的光谱差分时，形成被称为“差分图像2-3”的差分图像。在这种情况下，替代的“差分图像1-4”附加地由通过例如对应于图5A的滤光器1和4的替代FPA采集的图像数据形成。假设或确保这两个替代FPA都具有对目标物质大致相同的光谱灵敏度，替代的“差分图像1-4”将突出显示对应于图像中的视差引起的特征的像素。因此，基于在用于目标物质检测的光谱“差分图像2-3”中突出显示相同像素的肯定确定，可以得出结论：对应于这些像素的图像特征可能由视差引起而不是在成像场景中存在目标物质。应当注意的是，当使用如上所讨论的单个FPA或多个FPA时，还可以使用由各个再成像透镜128a创建的图像来执行视差的补偿。在不同方向上彼此间隔开的FPA也是有用的。大于2个，例如，3或4个或更多个FPA可以用于建立用于视差校正的视差。在某些实施例中，两个中心FPA和一个角FPA用于视差校正。在某些实施例中，这些FPA可以具有基本相似或相同的光谱特性，例如，具有带相似或相同透射光谱的滤光器或根本没有滤光器。
本文描述的实施例的另一个能力是执行气体云的体积估计的能力。这可以通过使用(代替补偿或否定)上述视差引起的效果来实现。在这种情况下，两个或更多个类似光谱响应图像(例如，两个或更多个通道或FPA)之间的测量视差可以用于估计成像系统与气体云之间或成像系统与系统的视场中的物体之间的距离。根据等式z＝-sz'/d，两个图像之间的视差引起的横向图像移位d与云或物体110与成像系统之间的距离z相关。这里，s是两个相似光谱响应图像之间的间隔，并且z'是从后透镜到图像平面的距离。z'的值通常近似地等于成像系统的透镜的焦距f。一旦计算出云与成像系统之间的距离z，就可以基于放大率m＝f/z来确定气体云的尺寸，其中气体云上的每个图像像素Δx'对应于物体空间中的物理尺寸Δx＝Δx'/m。为了估计气体云的体积，可以假设基于云的物理尺寸的云厚度的特定对称性。例如，云图像可以围绕穿过云图像的中心轴旋转，以创建气体云尺寸的三维体积估计。值得注意的是，在本文描述的实施例中，仅需要单个成像系统来进行这种体积估计。实际上，由于关于系统看到气云的角度的信息在视差效应中被解码的事实，图像数据包括关于由系统观看的与至少两个角度相关联的成像场景的信息。
当时间差分算法用于处理所采集的成像数据时，可能无意中在结果图像中突出显示不是由目标物质引起的场景变化。在各种实施例中，对该误差的补偿利用对目标物质基本上同等光谱敏感的两个FPA之间的时间差异。在这种情况下，时间差分图像将突出显示其强度在时间上(而不是在波长上)已发生变化的那些像素。因此，在对目标物质基本上同等光谱敏感的两个FPA上减去与这些像素对应的数据以形成结果图像排除了目标物质对结果图像的贡献。因此，可能出现以下区分：(i)由于目标物质的存在而引起的场景变化和(ii)由与目标物质无关联的背景变化引起的场景变化。在一些实施例中，具有相同或基本相似的光谱响应以便对目标物质基本上同等光谱敏感的这两个通道可以包括使用可见光进行操作的FPA。还应该注意的是，利用可见光FPA(当作为另外的IR成像系统的一部分存在时)采集的数据也可以用于促进这种对运动引起的成像误差的区分和补偿。可见相机通常具有比IR相机低得多的噪声因数(至少在白天期间)。因此，通过使用来自可见光FPA的图像数据获得的时间差分图像可以非常准确。例如，只要在光谱的可见区域中可以观察到移动物体，可见FPA就可以用于补偿系统中的运动以及由于人、车辆、鸟类和蒸汽引起的运动导致的场景中的许多潜在误报。这具有在不降低系统灵敏度的情况下提供附加水平的误报抑制的额外益处，因为诸如气体云的许多目标在可见光谱区域中无法被观察到。在各种实施方式中，IR相机可以用于补偿运动伪像。
检测气体的另一种方法是使用光谱解混(unmixing)方案。光谱解混方案假设在检测器像素处测量的光谱由分量光谱的总和(例如，甲烷和其它气体)组成。该方案试图估计导出测量光谱所需的这些分量的相对权重。分量光谱通常取自预定的光谱库(例如，取自经验组装的数据集合)，但有时也可以使用场景来估计这些相对权重(通常被称为“端元(endmember)确定”)。在各种实施例中，由检测器像素获得的图像是辐射光谱并且提供关于物体的亮度的信息。为了识别场景中的气体云的含量和/或估计气体云中各种气体的浓度，可以通过将测量的亮度与估计的预期亮度进行比较来获得各种感兴趣的气体的吸收/发射光谱。光谱解混方法也可以受益于时间、视差和运动补偿技术。
在各种实施例中，识别物体中目标物质的存在的方法包括在指示目标物质的存在的光谱区域中从物体获得辐射光谱(或吸收光谱)并通过将获得的辐射光谱(或吸收光谱)与目标物质的参考光谱相关联来计算相关性(例如，相关系数)。可以基于相关量(例如，相关系数的值)来确定目标物质的存在或不存在。例如，如果相关量或相关系数的值大于阈值，则可以确认物体中目标物质的存在。在各种实施方式中，辐射光谱(或吸收光谱)可以通过获得滤光的光学通道和/或另一个滤光的光学通道/未滤光的光学通道或其任何组合之间的光谱差分图像来获得。
例如，被配置为检测气体云中甲烷的存在的系统的实施例包括光学部件，使得多个光学通道中的一个或多个被配置为收集IR辐射以提供与位于对应于甲烷的吸收峰的约7.9μm和约8.4μm之间的波长范围内的离散光谱带对应的光谱数据。在一个或多个光学通道中获得的多光谱数据可以与在约7.9μm和8.4μm之间的波长范围内的甲烷的预定吸收光谱相关。在各种实施方式中，甲烷的预定吸收光谱可以保存在系统可访问的数据库或参考库中。基于相关的量(例如，相关系数的值)，可以检测气体云中甲烷的存在或不存在。
实际实施例和操作的示例
图3的实施例300被配置为采用12个光学通道和12个对应的微辐射热测量计FPA336以在执行校准测量之后基本上立即捕获视频序列。视频序列对应于标准实验室场景的图像，并且通过使用包括两个快门的参考源来执行校准测量，如以上所讨论的，一个处于室温，另一个处于高于室温5℃。使用12个FPA允许增加同时检测和估计场景处存在的约8或9种气体浓度的机会。在各种实施例中，FPA336的数量可以取决于操作要求和成本考虑之间的平衡而变化。
由于在光谱的IR范围内操作的具体情况，优选使用所谓的噪声等效温度差(或NETD)，并且其类似于可见光谱仪器中常用的SNR。微辐射热测量计FPA 336的阵列的特征在于在1.2的f-值(f-number)下在NETD≤72mK下执行。每个测量是通过对四个连续帧求和来进行的，并且由于这种求和而预期的NETD值的减少将由对应的因子√4＝2来描述。因此，在理想的测量条件下，FPA NETD应该为约36mK。
值得注意的是，在本文描述的系统的各种实施例中使用光学滤光的FPA可以提供具有更多数量的像素的系统。例如，包括单个大格式微辐射热测量计FPA阵列的实施例可以为系统提供大量像素。本文描述的系统的各种实施例还可以为相当少量的光学通道供应高光通量(optical throughput)。例如，本文描述的系统可以为4个到50个之间的多个光学通道提供高光通量。通过具有较少数量的光学通道(例如，在4个到50个光学通道之间)，本文描述的系统具有更宽的光谱区间，这允许在每个光谱区间内采集的信号具有更大的集成强度。
本文描述的实施例相对于被配置用于目标物质检测(例如，气体云检测)的各种基于扫描的超光谱系统的优势在于：可以以快照模式(例如，在通过FPA阵列进行一个图像帧采集期间)解析整个光谱。该特征使得本文描述的成像系统的实施例能够利用诸如上述视差和运动补偿算法之类的补偿算法。实际上，由于实现这些算法所需的成像数据与目标物质相关数据同时收集，因此补偿算法是针对目标物质相关数据而不是针对在另一个时间间隔采集的数据而执行的。这种快速数据收集因此提高了数据补偿处理的准确性。此外，数据采集的帧速率要高得多。例如，本文描述的成像系统的实施例可以以约5Hz和更高的视频速率进行操作。例如，本文描述的各种实施例可以以约5Hz至约60Hz或200Hz的帧速率进行操作。因此，用户能够在图像中识别气体混合典型的缕(wisps)和漩涡(swirls)，而不会模糊这些动态图像特征以及在长时间测量期间由场景(无论是空间的还是光谱的)变化引起的其它伪像。相比之下，基于扫描的成像系统涉及超过单拍快照时间的一段时间内的图像数据采集，并且因此可能模糊图像中的目标气体特征并且不可避免地降低否则可实现的检测灵敏度。该结果与本文描述的能够检测到气体的局部浓度而不会在较薄气体浓度的区域被涂抹的成像系统的实施例形成对比。此外，更高的帧速率还使得能够对气体的泄漏更快地响应(当检测这种泄漏是目标时)。例如，警报可以在几分之一秒内而不是几秒钟内触发。
为了证明本文描述的成像系统的操作和气体检测能力，根据图3A的实施例300构造原型并将其用于在大约10英尺的距离处检测丙烯的烃气云。图7图示了表示从t＝1到t＝12的序列中的气体云检测输出710(被视为光的条纹(streak))的视频帧1到12。图像1到12是所选择的取自以15帧/秒的视频速率捕获的视频数据序列的帧。检测到的丙烯气体被显示为每个图像中心附近的光710的条纹(以红色突出显示)。第一张图像是在气体从含气体的喷嘴喷出之前拍摄的，而最后一张图像表示在喷嘴已经被关闭之后不久的系统输出。
系统的相同原型还可以通过用已知的温差对系统(实验室)周围的场景进行成像来证明上述动态校准改进。实现动态校正过程的结果显示在图8A、8B中，其中标记为“obj”(或“A”)的曲线表示场景中识别出的区域的温度估计。图8A、8B的每个图中的横坐标指示FPA的数量，而纵坐标对应于温度(以℃表示)。因此，可以预期当所有检测器元件接收到当被解释为物体的温度时指示由所有检测器元件感知的物体的温度相同的辐射数据时，任何给定曲线将是基本上平坦的线。对应于多个“obj”曲线中的每一个的数据取自彼此分开大约0.5秒的视频帧(总共50帧)的流。图8A中所示的记录的“obj”曲线指示检测器元件关于物体的温度不一致，并且不同检测器元件感知的物体的温度的差异高达约2.5℃。此外，所有的温度估计都在不时地逐帧漂移。被标记为“ref”(或“C”)的曲线对应于检测器对图3A的实施例300的孔径338的温度估计。在每个检测器像素已经经过上述动态校准过程之后执行的辐射检测结果用标记为“obj corr”(或“B”)的曲线表示。现在，检测器元件中物体的估计温度差异被减小到约0.5℃(从而将原始读数改进至少5倍)。
图8B表示对应于场景中的不同地点(处于比图3A的孔径338的估计温度高约9℃的温度的地点)的类似测量的结果。如图所示，上面讨论的校正算法可操作且有效并且适用于保持在不同温度的物体。因此，该算法基本上与温度无关。
动态校准元件和参考
图9A和9B分别示意性地图示了包括各种温度校准元件以促进FPA的动态校准的成像系统的不同实施方式900和905。温度校准元件可以包括反射镜975a、975b(被表示为M1A、M9A等)以及参考源972a和972b。实施方式900可以与实施例300类似地配置，并且包括一个或多个前物镜、分开的孔径、一个或多个光谱滤光器、成像透镜阵列928a和成像元件936。在各种实施方式中，成像元件936(例如，相机块)可以包括相机阵列。在各种实施方式中，相机阵列可以包括光学FPA单元。光学FPA单元可以包括单个FPA、FPA阵列。在各种实施方式中，相机阵列可以包括一个或多个检测器阵列，其被表示为图9A和9B中的检测器阵列1、检测器阵列5、检测器阵列9。在各种实施例中，检测器阵列1、5、9中的每一个的FOV可以被划分为中心区域和外围区域。在不失一般性的情况下，检测器阵列1、5、9中的每一个的FOV的中心区域可以包括其中所有检测器阵列1、5、9的FOV重叠的区域。在图9A所示的实施例中，参考源972a和972b放置在例如距检测器阵列1、5、9的一定距离处，并且可以将它们成像到检测器阵列上的反射镜975a和975b然后放置在场景参考孔径的地点(例如，图3A的338)。
在图9A中，反射镜975a和975b被配置为反射来自参考源972a和972b(被表示为refA和ref B)的辐射。反射镜975a和975b可以被设置远离检测器阵列1、5、9的中心FOV，使得中心FOV不被参考源972a和972b的图像阻挡或遮挡。在各种实施方式中，检测器阵列5的FOV可以大于检测器阵列1和9的FOV。在这样的实施方式中，反射镜975a和975b可以被设置在远离检测器阵列5的中心FOV的地点，使得参考源972a和972b由检测器阵列5进行成像。反射镜975a和975b可以包括具有光学功率的将参考源972a和972b成像到检测器阵列1和9上的成像光学元件。在该示例中，参考源972a和972b可以被设置在与再成像透镜928a相同的平面中，但是，参考源972a和972b可以被设置在不同的平面中或不同的地点中。例如，参考源972a和972b可以被设置在与其中设置检测器阵列1、检测器阵列5和检测器阵列9的平面共轭的平面中，使得参考源972a和972b的聚焦图像由检测器阵列形成。在一些实施方式中，参考源972a和972b可以被设置在与共轭平面间隔开的平面中，使得参考源972a和972b的散焦图像由检测器阵列形成。在各种实施方式中，参考源972a和972b不需要被设置在同一平面中。
如以上所讨论的，在一些实施例中，参考源972a和972b被成像到检测器阵列1和检测器阵列9上，而没有太多模糊，使得参考源972a和972b被聚焦。作为对照，在其它实施例中，在检测器阵列1和检测器阵列9上形成的参考源972a和972b的图像被模糊，使得参考源972a和972b被散焦，从而提供一些平均、平滑和/或低通的滤光。参考源972a和972b可以包括已知温度的表面，并且可以包括或不包括与其附接或与其热连通的加热器或冷却器。例如，参考源972a和972b可以分别包括加热器和冷却器，或者可以包括具有温度传感器的表面和分别与其直接热连通以控制参考表面的温度的加热器和传感器。在各种实施方式中，参考源972a和972b可以包括温控器，该温控器被配置为将参考源972a和972b维持在已知温度。在一些实施例中，参考源972a和972b可以与一个或多个传感器相关联，该传感器测量参考源972a和972b的温度并将测量的温度传送给温控器。在一些实施方式中，一个或多个传感器可以将测量的温度传送给数据处理单元。在各种实施方式中，参考源972a和972b可以包括未知温度的表面。例如，参考源可以包括包含成像系统的外壳的壁。在一些实施方式中，参考源972a和972b可以包括不需要与传感器、温控器相关联的表面。但是，在其它实施方式中，参考源972a和972b可以包括可以与传感器、温控器相关联的表面。
在图9B中，温度校准元件包括距检测器阵列1、5、9一定距离设置的温控元件972a和972b(例如，热控发射器、加热带、加热器或冷却器)。在各种实施例中，温控元件972a和972b可以被设置远离检测器阵列1、5、9的中心FOV，使得中心FOV不被参考源972a和972b的图像阻挡或遮挡。从参考源972a和972b发射的辐射也由检测器阵列936与从物体入射的辐射一起成像。取决于参考源972a和972b的位置，由参考源的检测器阵列获得的图像可以被模糊(或散焦)或锐化(或聚焦)。温控元件972a和972b的图像980a、980b、980c、980d、980e和980f可以用作动态校准相机阵列中的一个或多个相机的参考。
在图9A和9B所绘出的实施方式中，检测器阵列1、5和9被配置为查看(或成像)参考源972a和972b。因此，图像序列内的多个帧(例如，每个帧或基本上每个帧)包含图像中的一个或多个区域，其中物体图像具有已知的热和光谱属性。这允许校准相机阵列内的多个(例如，大多数或每个)相机与对相同的(一个或多个)参考源或(一个或多个)表面成像的其它(例如，大多数或每个其它)相机一致。例如，可以校准检测器阵列1和9以使其彼此一致。作为另一个示例，可以校准检测器阵列1、5和9以使其彼此一致。在各种实施例中，透镜928a在检测器阵列1和9上提供参考源972a、972b的模糊(或散焦)图像，因为参考源的地点不完全在检测器阵列1和9的共轭平面中。虽然透镜928a被描述为提供模糊或散焦图像，但是在各种实施例中，参考源或表面在没有这种模糊和散焦的情况下在检测器阵列1、5、9上成像，并且替代地是聚焦图像。此外，可以使用光学元件，诸如例如图9A中所示的反射镜，以提供这种聚焦图像。
参考源972b、972a的温度可以不同。例如，参考源972a可以处于温度TA，并且参考源972b可以处于比温度TA低的温度TB。可以在温控元件972a下方提供加热器以将其维持在温度TA，并且可以在温控元件972b下面提供冷却器以将其维持在温度TB。在各种实施方式中，图9A和9B中所示的实施例可以被配置为对单个参考源972进行成像，而不是对维持在不同温度下的两个参考源972a和972b进行成像。应该理解的是，单个参考源不需要进行热控。例如，在各种实施方式中，检测器阵列中的多个检测器可以被配置为对其热和光谱属性未知的至少一个校准元件的相同表面进行成像。在这样的实施方式中，多个检测器中的一个可以被配置为参考检测器，并且可以使用由参考检测器获得的辐射光谱来估计由多个检测器成像的至少一个校准元件的表面温度。可以校准剩余的多个检测器，使得它们的温度和/或光谱测量与参考检测器一致。例如，可以校准检测器阵列1和9以使其彼此一致。作为另一个示例，可以校准检测器阵列1、5和9以使其彼此一致。
参考源972a和972b可以涂覆有材料以使其基本上表现为黑体(对于任何给定温度，其发射光谱是已知的)。如果在每个参考源的地点使用温度传感器，则可以在这些地点跟踪温度。因此，可以定义每个相机的图像中的区域(例如，在检测器阵列1和9上)，其中物体具有这样的已知温度(并且因此光谱)。因此可以使用校准过程，使得如此操作的大多数相机(如果不是每个相机的话)对于由这两个源表示的温度下的物体在操作上与大多数或每个其它相机一致。使用两种不同温度下的源来校准红外相机被称为“两点”校准，并假设给定像素处的测量信号与入射辐照度(irradiance)线性相关。由于该校准可以在序列的多个帧、更多个帧或甚至每个帧期间执行，因此它被称为“动态校准”。
动态校准过程的示例如下。如果参考源或参考表面上有温度传感器，则可以使用这些温度传感器获得的温度测量值来确定其预期的发射光谱。对于源/表面A、B和C的“参考温度”，这些温度测量值被标记为TA[R]、TB[R]和TC[R]。这些温度测量值可以用作标量校正因子以应用到给定相机的整个图像，从而迫使它与参考温度一致。将给定像素的温度估计从T校正到T'可以使用类似于下面参考图10A、10B、10C讨论的公式。如果没有使用直接温度传感器，则可以替代地使用一个相机。该相机可以被称为“参考相机”。在这种情况下，可以使用与下面段落中提供的公式相同的公式，但是其中TA[R]和TB[R]表示如由参考相机估计的参考源/表面A和B的温度。通过应用动态校准校正公式，迫使所有其它相机匹配参考相机的温度估计。
在图9B所示的配置中，参考源972a和972b被放置成使得检测器阵列上的源的图像被模糊。图9A中所示的配置类似于图4中所示的系统400，其中参考源被放置在中间图像平面(例如，共轭图像平面)处。在该配置中，参考孔径阵列(类似于图4中的参考孔径438a)将具有伴随的参考源阵列或参考表面，使得参考源或表面(例如，每个参考源或表面)被成像到相机或检测器阵列(诸如FPA 1、5、9)上。利用这种方案，参考源或表面图像处于共轭图像平面，并且因此不会明显模糊，使得可以使它们的图像阻挡每个相机视场的较小部分。
“静态”校准(其中场景在很大程度上被诸如图9A和9B中的移动快门960之类的参考源阻挡，使得未知场景的成像不能与校准并行地执行的过程)允许多个相机(例如，大多数或每个相机)在校准完成之后立即准确地估计多个元件(例如，场景中的大多数或每个元件)的温度。但是，它不能防止相机的估计在对未知场景呈现的过程期间彼此漂移。动态校准可以用于减少或防止这种漂移，使得对场景成像的所有相机可能被迫同意参考源/表面的温度估计，并且在每帧期间调整该校正。
图10A示意性地图示了成像系统的相关实施例1000，其中一个或多个反射镜M0A、...M11A和M0B、...M11B被放置在一个或多个相机0，...，11的视场内，部分地阻挡视场。相机0，...，11被布置为形成外环相机，包括围绕中心相机5和6的相机0、1、2、3、7、11、10、9、8和4。在各种实施方式中，中心相机5和6的FOV可以小于或等于外环相机0、1、2、3、7、11、10、9、8和4的FOV。在这样的实施方式中，一个或多个反射镜M0A、...M11A和M0B、...M11B可以放置在相机5和6的中心FOV之外，并且放置在不与相机5和6的中心FOV重叠的相机0、1、2、3、7、11、10、9、8和4的相机外环的外围FOV中，使得参考源A和B不被相机5和6成像。在各种实施方式中，中心相机5和6的FOV可以大于外环相机0、1、2、3、7、11、10、9、8和4的FOV。在这样的实施方式中，一个或多个反射镜M0A、...M11A和M0B、...M11B可以放置在确实与外环相机0、1、2、3、7、11、10、9、8和4的中心FOV重叠的相机5和6的外围FOV中，使得参考源A和B被相机5和6成像。
该设计是对图3A和4A中所示的系统300和400的增强。在图10A所示的系统1000中，两个或更多个成像元件(例如，曲面镜)的阵列安装在距FPA一定距离处，例如，在图3A中所示的参考孔径160的平面中。这些元件(反射镜或成像元件)用于将一个或多个温控参考源A和B成像到两个或更多个相机的检测器元件上。实施例1000与实施例300或400之间的主要区别在于，现在阵列中的多个或大部分或全部外环相机可以对参考源A和B两者进行成像，而不是对两个参考源A和B中的一个进行成像。因此，大多数或所有外环相机对相同的参考源或相同的参考源集合(例如，参考源A和B两者)进行成像，而不是如图3A和4A所示使用不同的参考源用于不同的相机或对参考源的不同部分进行成像。因此，该方案提高了校准的稳健性，因为它消除了由于具有估计每个参考源的附加热传感器而导致的潜在故障和误差。
系统1000中的成像元件(在图10A和10B中显示为反射镜)将一个或多个受控温度参考源或校准元件的表面(在图10A和10B中显示为A和B)成像到相机视场的阻挡区域中。图10B示出了示例，其中反射镜M0A将源/表面A成像到相机0上，并且反射镜M0B将参考源/表面B成像到相机0上，并且对于相机1、2和3也同样。以这种方式，每个反射镜用于将参考源/表面成像到相机的检测器阵列上，使得图像序列内的许多、大多数或每个帧包含图像中的一个或多个区域，其中物体图像具有已知的热和光谱属性。该方案允许校准相机阵列内的大多数相机(如果不是每个相机的话)以与对相同的一个或多个参考源进行成像的大多数或每个其它相机一致。例如，可以校准相机0、1、2、3、7、11、10、9、8和4以使其彼此一致。作为另一个示例，可以校准相机0、1、2和3以使其彼此一致。作为又一个示例，可以校准相机0、1、2、3、7、11、10、9、8、4、5和6以使其彼此一致。因此，在各种实施方式中，可以校准两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个、十一个或十二个相机以使其彼此一致。但是，在某些实施例中，并非所有相机都被校准为彼此一致。例如，可以不校准一个、两个或更多个相机以使彼此一致，但可以校准其它相机以使其彼此一致。在各种实施例中，这些反射镜可以被配置为将参考源/表面A和B成像到给定FPA的不同相应像素上。在不失一般性的情况下，图10A和10B表示图9A中所示实施例的顶视图。
图10C示意性地图示了成像系统的相关实施例1050，其中一个或多个参考源R0A、...、R11A和R0B、...、R11B布置在检测器0、...、11的阵列周围。在各种实施方式中，一个或多个参考源R0A、...、R11A和R0B、...、R11B可以是由检测器0、...、11成像的单个参考源。在各种实施方式中，中心检测器阵列5和6可以具有等于或小于外环检测器0、1、2、3、7、11、10、9、8和4的FOV的FOV。在这样的实施方式中，参考源R0A、...、R11A可以被设置远离检测器阵列5和6的中心FOV，使得来自参考源R0A、...、R11A的辐射仅由外环检测器0、1、2、3、7、11、10、9、8和4进行成像。在各种实施方式中，中心检测器阵列5和6可以具有大于外环检测器0、1、2、3、7、11、10、9、8和4的FOV的FOV。在这样的实施方式中，参考源R0A、...、R11A可以被设置在检测器阵列5和6的外围FOV中，使得来自参考源R0A、...、R11A的辐射仅由外环检测器0、1、2、3、7、11、10、9、8和4进行成像。因此，来自参考源R0A、...、R11A的辐射由外环检测器0、1、2、3、7、11、10、9、8和4以及中心相机5和6进行成像。在不失一般性的情况下，图10C表示图9B中所示实施例的顶视图。
在各种实施方式中，加热器可以设置在参考源/表面A的下方、与其相邻或热连通，以使其具有更高的温度TA，并且冷却器可以设置在参考源B的下方、与其相邻或热连通，以使其具有更低的温度TB。在各种实施方式中，图10A、10B和10C中所示的实施例可以被配置为对单个参考源A而不是维持在不同温度的两个参考源A和B进行成像。如以上所讨论的，图10A、10B和10C中所示的实施例可以被配置为对校准元件的相同表面进行成像。在这样的实施方式中，不需要知道校准元件的表面温度。许多、大多数或每个参考源/表面可以涂覆有材料以使其大致上表现为黑体，对于任何给定温度对于该黑体发射光谱是已知的。如果相机阵列中的许多、大多数或每个相机对参考A和B两者进行成像，使得这些相机的图像中存在其中物体具有已知温度(因此具有已知光谱)的已知区域，则可以执行校准过程。该过程可以使得如此操作的许多、大多数或每个相机对于由这两个源表示的温度下的物体与各种、大多数或每个其它相机一致。例如，可以校准两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个、十一个或十二个相机以使它们彼此一致。但是，在某些实施例中，并非所有相机都被校准为彼此一致。例如，可以不校准一个、两个或更多个相机使其彼此一致，但是可以校准其它相机以使其彼此一致。如以上所讨论的，使用两个不同温度下的源对红外相机的校准被称为“两点”校准，并假设给定像素处的测量信号与入射辐照度线性相关。
动态校准用于使用以下公式根据在相机中的每个像素处估计的初始温度T获得校正温度T'：
T'[x，y，c]＝(T[x，y，c]-TA[R])G[c]+TA[R]
其中，TA[R]是动态偏移校正因子，并且
Figure BDA0002094797270000441
是动态增益校正因子。上面讨论的术语c是识别其数据正在被校正的相机的相机索引。
III.移动DAISI系统的示例
根据一些实施例，本文公开的DAISI系统可以被配置为长期安装在合适的地点处。例如，上面第II部分中公开的DAISI系统可以固定在被安装在地点处的地面的固定装置上，以连续地或定期地监测该地点处气体或化学物的存在。在一些实施例中，例如，DAISI系统可以附接到待监测地点处的杆子(pole)、立柱(post)或任何合适的固定装置。在这样的布置中，DAISI系统可以连续地或定期地捕获场景的多光谱、多路复用图像数据，并且板载或远程的计算单元可以处理所捕获的图像数据以识别或表征该地点处的气体或化学物。通信模块可以将与识别出的气体或化学物相关的数据传送到任何合适的外部系统，诸如中央计算服务器等。对于DAISI系统的这种长期安装，安装站点可以包括电源(例如，连接到站点处的接线盒的电力传输线路)和网络通信装备(例如，网络布线、路由器等)，以提供DAISI系统和外部系统之间的网络通信。
提供被配置为由用户穿戴或携带的移动DAISI系统可能是有利的。例如，在一些地点长期安装DAISI系统可能是不合适的或不可取的。作为示例，一些油井站点可能不具有足够的基础设施(诸如电源或网络通信装备)以支持DAISI系统。此外，将DAISI系统从一个站点移动到另一个站点以监测不同地点可能具有挑战性。例如，当系统连接到要监测的站点处的基础设施时，从该站点安装和移除DAISI系统以进行传输可能涉及用户的大量工作和时间。因此，可能期望提供DAISI系统，该系统可以独立于要监测的站点的设施或基础设施使用。另外，以形状因子并且具有可以由用户携带或穿戴的重量来实现DAISI系统可能是有利的。例如，移动DAISI系统可以使用户能够轻松地将系统从一个站点运输到另一个站点，同时实时监测气体或化学物的存在。
应该认识到的是，本文公开的每个系统可以用于监测任何合适的安装站点中的潜在气体泄漏，包括但不限于钻井平台、炼油厂、管道、运输系统、船舶或其它船只(诸如，离岸石油钻井平台、火车、油罐车、石油化工厂、化学工厂等)。此外，诸如以上例如关于图1-10C在本文公开和图示的每个实施例和方面可以与本文关于图11A-14C公开和图示的每个实施例组合使用。
图11A是图示被配置为由人类用户1275携带或穿戴的移动红外成像系统1000(例如，移动或便携式DAISI系统)的示意图。当用户1275行进到待监测的站点(诸如油井站点、炼油厂等)时，用户1275可能戴帽子或头盔1200。图11A中所示的系统1000通过支撑件1204附接到头盔1200，支撑件1204将系统1000牢固地安装到头盔1200。例如，支撑件1204可以包括紧固件、带子或任何其它合适的结构。有利地，将系统1000安装到头盔1200可以使用户1275能够通过将他的头部转到面向待监测的特定地点来捕获系统视场(FOV)内的图像。例如，用户1275可以穿过该站点并且可以捕获该站点的每个部分(例如，可能易受气体或化学泄漏影响的各种结构，诸如阀门、配件等)的视频图像。因此，在如图11A所示的该实施例中，用户1275可以通过面向要成像的区域并确保系统1000被激活来对站点的每个部分进行成像。此外，通过将系统1000安装到用户的头盔1200，用户1275可以在系统1000对站点进行成像的同时将他的手用于其它任务。虽然图11A的系统1000被示出为安装到用户的头盔1200，但是应该认识到的是，系统1000可以替代地穿戴在用户衣服的其它部分上或者可以由用户例如在袋子、箱子或其它合适的容器中携带。另外，在一些实施例中，可以例如在用户的衣服上和/或在系统1000上或附近向用户提供风传感器。风传感器可以用于估计安装站点处的风况，这可以用于改进气体泄漏的检测。在其它实施例中，系统1000可以耦接到外壳或用外壳来形成，该外壳限定“枪”状结构，该结构可以由用户在特定方向上瞄准或指向。
如本文所解释的，可以通过将系统1000指向气体云1202并且当云1202在系统1000的FOV内时捕获气体云1202的图像来对从站点处的结构发射的气体云1202进行成像。与其它系统不同，系统1000可以利用单个快照来捕获一系列IR波长上的单个场景的多光谱图像数据，如本文进一步详细解释的。可以在短时间帧内捕获单个快照，例如，小于约3秒、小于约2秒、或小于约1.5秒(例如，在一些实施例中，在约1秒内)。可以在大于约5毫秒、大于约0.2秒或大于约0.5秒内捕获单个快照。所捕获的图像数据可以在系统1000上由处理单元处理，如本文进一步详细解释的。例如，处理单元可以处理来自不同光学通道的图像数据，并且可以将捕获的光谱信息与已知化学物的数据库进行比较，以识别和/或表征气体云1202中所包含的气体。
系统1000上板载的通信模块可以将与识别出的气体或化学物相关的信息发送到任何合适的外部设备。例如，通信模块可以将信息无线地(例如，通过蓝牙、WiFi等)传送到合适的移动计算设备，诸如电子眼镜装置1201、平板计算设备1212、移动智能电话、膝上型电脑或笔记本计算机1203或任何其它合适的移动计算设备。在一些实施例中，如果检测到气体云，则系统1000可以通过向移动设备(例如，平板计算设备1212或移动智能电话)发送信号来警告用户。移动设备可以发出可听见的铃声和/或可以振动以向用户通知潜在的气体泄漏。在图11A的实施例中，电子眼镜装置1201可以包括用户接口，该用户接口包括用户1275在他访问该站点时可以实时查看的显示器。在一些实施例中，电子眼镜装置1201包括包含显示器的眼镜。电子眼镜装置1201还可以被配置为将图像从该显示器呈现给佩戴者。电子眼镜装置1201可以例如包括将图像投影到眼睛的投影光学器件。电子眼镜装置1201可以包括头戴式显示器光学器件，其将图像呈现在眼镜的(一个或多个)透镜部分上，使得佩戴者可以观看图像并且也可以透过眼镜看到并凝视远处的物体。其它配置是可能的。在一些布置中，眼镜装置1201可以包括由加利福尼亚州山景城(Mountain View)的谷歌公司(Google Inc.)出售的谷歌眼镜(Google Glass)设备。
处理单元可以配置经处理的图像数据，使得在眼镜装置1201的显示器上向用户1275显示识别出的气体的类型。例如，在一些实施例中，颜色编码数据可以表示不同类型的气体或特定气体的浓度，并且可以覆盖在场景的可见光图像上。例如，用户可以在电子眼镜装置1201上看到颜色编码数据和气体云图像。在各种实施例中，还可以向用户1275显示关于气体云1202的组成的文本数据和统计数据。因此，用户1275可以在该站点行走并且可以基本上实时地查看气体云1202中的不同类型的气体。有利地，气体云1202的组成的这种实时显示可以使用户1275能够快速报告紧急事件，诸如有毒气体或化学物的泄漏。在一些实施例中，有毒泄漏的检测可以触发警报，该警报可以使紧急救援人员帮助疏散站点和/或修复泄漏。
在一些实施例中，经处理的图像数据可以从系统1000发送到平板计算设备1212、膝上型计算机1203和/或智能电话。用户1275可以与桌面计算设备1212或膝上型计算机1203进行交互，以对成像和经处理的气体云1202进行附加分析。另外，还可以将关于气体云的信息(包括经处理的数据和/或原始图像数据)发送到中央服务器以进行集中收集、处理和分析。在各种布置中，全球定位系统(GPS)模块也可以安装在系统1000上和/或移动计算设备(诸如平板计算设备、智能电话等)上。当捕获特定图像时，GPS模块可以识别用户1275的坐标。捕获的图像数据的地点数据可以存储在中央服务器上以供进一步分析。
因此，图11A中所示的系统1000可以使用户1275能够对待监测的特定站点(诸如油井站点)的多个地点进行成像。有利地，系统1000的光学部件、处理部件和通信部件可以集成在可以由用户1275携带或穿戴的相对小的外壳内。例如，在各种实施例中，系统1000不包括用于移动的复杂机械部件，诸如万向节、致动器、马达等。没有这样的部件，系统1000的尺寸可以相对于其它系统减小。
与其中系统部件庞大或被组装在大形状因子上的其它系统不同，移动系统1000的尺寸和形状可以以使得当用户1275围绕站点移动时容易被移动和操纵的方式设计。实际上，将各种系统部件集成在小的形状因子中可能非常具有挑战性。有利地，系统1000可以由人类用户穿戴或携带。例如，系统1000的部件可以被一起包含在数据采集和处理模块1020中，数据采集和处理模块1020可以包括支撑系统部件的外壳。系统1000的部件(包括光学或成像部件、焦平面阵列、板载处理电子器件和通信部件)可以在数据采集和处理模块1020中封装或组装，并且可以占据小于约300立方英寸、小于约200立方英寸、或小于约100立方英寸的体积。在各种实施例中，系统1000的部件(包括光学或成像部件、焦平面阵列、板载处理电子器件和通信部件)可以在数据采集和处理模块1020中封装或组装，并且可以占据大于约2立方英寸或大于约16立方英寸的体积。
数据采集和处理模块1020(其中或其上安装有系统部件)的尺寸和形状可以被设计为适合具有维度X x Y x Z的盒形边界内。例如，包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件的数据采集和处理模块1020可以被包括在封装中，该封装的尺寸和形状被设计为适合在具有维度X x Y x Z的盒形边界内。该封装还可以包含电源，诸如电池和/或太阳能模块。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合小于8英寸x 6英寸x 6英寸的盒形边界内。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合小于7英寸x 5英寸x 5英寸的盒形边界内，例如，小于7英寸x 3英寸x 3英寸的盒形边界内。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合小于6英寸x 4英寸x 4英寸的盒形边界内。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合小于2英寸x 2英寸x 6英寸的盒形边界内。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合具有大于4英寸x 2英寸x 2英寸的维度的盒形边界内。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合具有大于3英寸x 3英寸x 7英寸的维度的盒形边界内。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合具有大于2英寸x 1英寸x 1英寸的维度的盒形边界内。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有小于2英寸x 2英寸x 6英寸的维度。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有大于1英寸x 1英寸x 3英寸的维度。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有大于2英寸x 2英寸x 4英寸的维度。所述数据采集和处理模块具有小于6英寸x 3英寸x 3英寸的维度。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有小于4英寸x 3英寸x 3英寸的维度。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有小于3英寸x 2英寸x 2英寸的维度。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件可以)可以具有大于2英寸x 1英寸x 1英寸的维度。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有大于1英寸x 0.5英寸x 0.5英寸的维度。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有小于30立方英寸的体积。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有小于20立方英寸的体积。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有小于15立方英寸的体积。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有小于10立方英寸的体积。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有大于1立方英寸的体积。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有大于4立方英寸的体积。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有大于5立方英寸的体积。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有大于10立方英寸的体积。该封装还可以包含电源(包括电池和/或太阳能模块)、通信模块或两者，并且适合于上述维度。应该认识到的是，本文公开的维度可以不对应于图11A中关于X、Y和Z所示的方向。
另外，系统1000可以具有足够小的质量(mass)和重量，以使用户1275能够在站点容易地携带或穿戴数据采集和处理模块1020。因此，图11A中所示的实施例的尺寸和形状可以被设计和配置为具有使人类用户能够容易且有效地操纵系统1000的质量。
图11B是图示可以由多个红外成像系统1000(例如，DAISI系统)监测的安装站点(例如，油井站点等)的示意图。例如，如图11B所示，成像系统1000A可以安装到站点处的杆子1309或其它固定结构。成像系统1000B可以由多个用户1275穿戴或携带，成像系统1000C可以安装在卡车1500上，和/或成像系统1000D可以安装在高空平台1501上，诸如无人驾驶飞行器(UAV)或驾驶飞机。在一些布置中，UAV可以包括飞机、直升机(诸如四头直升机)等。本文公开的实施例可以利用由安装站点处的系统1000A-1000D的任何组合捕获的图像数据以高效的方式对整个安装站点进行成像。实际上，每个安装站点可以包括任何合适数量和类型的系统1000A-1000D。例如，每个安装站点可以包括多于两个系统1000A-1000D、多于五个系统1000A-1000D、多于十个系统1000A-1000D、多于二十个系统1000A-1000D。每个安装站点可以包括少于约100个系统1000A-1000D。
例如，中央服务器可以基于特定系统的GPS坐标或者关于系统的静止地点的预定知识来跟踪每个成像系统1000A-1000D的实时地点。成像系统1000A-1000D的分布式性质可以向中央服务器提供关于遍布多个安装站点的气体泄漏的类型和地点或其它问题的丰富信息。虽然图11B图示了安装到固定装置的固定系统1000A、由人穿戴或携带的便携式系统1000B、基于卡车的系统1000C和基于天线的系统1000D，但是应该认识到的是，其它类型的系统可能是合适的。例如，在一些实施例中，机器人车辆或行走机器人可以用作本文公开的系统1000的平台。在各种实施例中，浮动平台(诸如船)可以用作本文公开的系统1000的平台。还应该认识到的是，本文公开的系统可以利用平台的任何组合(例如，诸如杆子之类的静态固定装置、(一个或多个)人类用户、(一辆或多辆)卡车或其它车辆、(一个或多个)空中平台、(一个或多个)浮动平台、(一个或多个)机器人平台等)来支持系统1000。
图11B中所示的系统1000可以包括移动DAISI系统，其类似于图11A中所示的系统。在其它实施例中，系统1000可以包括被配置为相对长期地使用的更大的DAISI系统。例如，图11B中所示的固定成像系统1000A可以安装在杆子1309或其它合适的结构上，用于监测储罐1301。可以在系统1000处或附近提供太阳能面板1300，以帮助向系统1000提供电力。天线1303可以电耦合到系统并且可以在系统1000和任何其它外部实体(诸如中央服务器)之间提供无线通信，用于存储和/或处理由系统1000捕获的数据。
如果期望的话，诸如系统1000的DAISI系统可以耦合到调整系统1000的平移、倾斜、旋转、高度或其它位置的单元。作为示例，系统1000可以安装到平移和倾斜单元。平移和倾斜单元可以能够左右旋转系统1000的前部(例如，左右偏转系统1000)并且能够上下旋转系统1000的前部(例如，上下俯仰系统1000)，从而使系统1000能够聚焦在周围环境的特定部分上，并且在期望时，扫描周围环境的不同区域(即，移动通过期望的扫描路径)。平移和倾斜单元(或调整系统1000的位置的任何其它单元)可以包括马达、致动器或其它合适的机构以驱动系统1000的移动。平移和倾斜单元(或调整系统1000的位置的任何其它单元)的操作可以由系统1000、由平移和倾斜单元、由远程系统、由能够控制一个或多个系统1000和/或对应的平移和倾斜单元的控制系统、或由任何合适的和期望的控制系统控制。
静态红外成像系统1000A可以被编程为连续地或定期地监测站点。如果气体云1302从储罐1301逸出，诸如通过从破裂的阀门泄漏，则系统1000A可以捕获气体云1302的多光谱、快照图像或系列图像(例如，视频流)。与图11A的实施例一样，成像系统1000A可以包括系统1000A上板载的成像、处理和通信部件，以识别和表征云1302中的气体的类型并将经处理的数据例如通过天线1303发送到中央服务器。
由多个用户1275穿戴或携带的成像系统1000B可以有利地捕获和处理每个用户1275访问的安装站点的部分的多光谱图像数据。应该认识到的是，不同的用户1275可以在一段时间内在安装站点的不同部分(以及多个安装站点)中工作或行进。当由用户1275穿戴或携带的成像系统1000B被激活时，它可以连续地或定期地捕获用户1275行进到的(一个或多个)安装站点处的不同地点的多光谱图像数据。如本文所解释的，系统1000B可以将图像数据和捕获图像的地点发送到中央服务器。如果系统1000B或中央服务器检测到问题(诸如气体泄漏)，则中央服务器可以将该泄漏与特定地点和时间相关联。
另外，因为中央服务器可以从不同地点处的多个用户接收图像数据和地点数据并且从不同的角度观看，因此中央服务器可以创建气体泄漏的组织范围的映射，其包括例如多个安装站点中的任何站点中的气体泄漏的地点、泄漏的每种气体的类型和浓度以及范围或程度、捕获图像数据的特定用户1275、以及拍摄图像时的时间。因此，携带或穿戴便携式成像系统1000B的每个用户1275可以向中央服务器贡献信息，该信息当由中央服务器聚合时，提供关于跨整个组织中的任何安装站点处的任何气体泄漏的状态的丰富细节。
车载成像系统1000C可以安装到卡车或其它类型的车辆(诸如汽车、货车、全地形车辆等)。如图11B所示，成像系统1000C可以连接到被安装到卡车1500的可伸展杆或延伸构件的一端。系统1000C可以通过控制系统被升高和降低，以使系统1000C能够对安装站点的广阔区域进行成像。在一些实施例中，可以提供致动器以改变系统1000C的角度朝向，例如其俯仰和偏转。还可以提供振动隔离或减小机构以减少可能干扰成像处理的振动。系统1000C可以是电池供电的和/或可以由卡车供电；在一些实施例中，发电机可以用于向系统1000C供电。用户可以在整个安装站点驾驶卡车1500以对站点的各个部分进行成像来检测泄漏。此外，用户可以将卡车1500驾驶到其它安装站点来检测气体泄漏。如本文所解释的，卡车1500的地点可以被传送到中央服务器，并且卡车1500的地点可以与每个捕获的图像相关联。卡车1500可以包括GPS电子器件，以在用户从一个地方驾驶到另一个地方时协助跟踪随着时间的推移卡车1500和/或系统1000C的地点。类似地，空中平台1501(诸如无人驾驶飞行器或UAV)可以支持成像系统1000D。可以将空中平台1501(远程地或非远程地)导航到多个安装站点以捕获多光谱图像数据来检测气体云。
因此，系统1000A-1000D可以提供关于跨组织的多个安装处的泄漏的存在的大量数据。跨组织、站点、区域或整个国家同时或并发地监测多个相机可以至少部分地通过在系统1000A-1000D与一个或多个中央服务器之间提供无线(或有线)通信来实现。有利地，从多个源和多个平台收集图像数据可以使得组织能够创建潜在的气体泄漏、正在泄漏的气体的类型和量、泄漏的地点以及捕获泄漏的图像数据的时间的实时映射。在一些布置中，关于站点的数据的聚合可以提高安装站点的安全性。例如，如果在特定安装处检测到气体泄漏，则本文公开的实施例可以提醒适当的工作人员，该工作人员可以开始安全和/或疏散过程。另外，跨组织(诸如石油服务公司)的数据的聚合可以提供站点范围、区域范围和/或公司范围的性能度量。例如，给定设施可以监测随着时间的总排放量，并使用结果数据来帮助确定设施的整体性能。给定区域(诸如大都市区、州等)可以监测随时间的排放趋势，从而提供决策所依据的值。同样地，公司可以查看其所有设施处的排放性能，并且可以决定某些设施是否应该进行新的投资以改善性能，和/或整个公司是否应该进行各种改进。因此，本文公开的移动系统1000可以提供用于决策的普遍存在的监测系统。此外，本文公开的系统1000可以用在反馈控制处理中，以基于由(一个或多个)系统1000检测到的气体改进各种制造过程。因此，可以提供控制模块来根据由系统1000测量的气体调整制造过程和/或参数。
本文公开的移动红外成像系统1000的实施例提供了优于其它系统的各种优点。如上所述，关于站点的数据的聚合及其潜在的气体泄漏可以提供潜在问题的组织范围或系统范围的映射。另外，自动检测气体泄漏(以及识别气体云中的气体)可以简化系统1000的操作，并且可以降低用户在尝试手动检测或识别气体云时的错误风险。另外，本文公开的系统1000的小尺寸比其它系统更容易由用户携带或穿戴。此外，本文公开的系统1000可以将识别出的气体云覆盖在场景的可见图像上，并且可以根据例如气体类型、浓度等对气体云进行颜色编码。
图12是示出根据一个实施例的移动红外成像系统1000(例如，移动DAISI系统)的示意性系统框图。成像系统1000可以包括被配置为由人穿戴或携带的数据采集和处理模块1020。数据采集和处理模块1020可以包括、包含或容纳光学系统1015、处理单元1021、电源1026、通信模块1025和GPS模块1025。在其它实施例中，数据采集和处理模块1020可以被配置为安装到要监测的站点处的结构，诸如立柱。可以在系统1000上提供电源单元1026。电源单元1026可以被配置为向各种系统部件(诸如光学系统1015、处理单元1021、通信模块1024和/或GPS模块1025)提供电力。在一些实施例中，电源单元1026可以包括一个或多个电池(其可以是可再充电的)以向系统部件供电。在一些实施例中，电源单元1026可以包括太阳能系统，该太阳能系统包括一个或多个太阳能面板，用于通过太阳光为系统供电。在一些实施例中，电源单元1026可以包括各种电力电子电路，用于将由标准电力传输线供应的AC电力转换成用于向系统部件供电的DC电力。其它类型的电源可以适用于电源单元1026。
系统1000可以包括被配置为在单个快照中捕获多光谱图像数据的光学系统1015，如本文所解释的。光学系统1015可以对应于任何合适类型的DAISI系统，诸如但不限于上面在图1-10C中所示的光学系统和装置和/或下面在图13A-13B中所示的光学系统1015。例如，光学系统1015可以包括限定在空间上和光谱上彼此不同的至少两个光学通道的部件和光学焦平面阵列(FPA)单元。该两个光学通道可以被定位成将入射在光学系统上的IR辐射朝光学FPA传输。多个通道可以用于多路复用同一场景的不同光谱图像，并且用于在FPA单元上对不同光谱图像进行成像。
处理单元1021还可以在数据采集和处理模块1020上提供。处理单元1021可以包括处理器1023和存储器1022。处理器1023可以与存储器1022可操作地协作，存储器1022可以包含计算机可读代码，该计算机可读代码当被加载到处理器1023上时，使得处理器1023能够从在光学系统1015的光学FPA单元处接收到的IR辐射采集表示气体或化学物的目标物质的多光谱光学数据。存储器1022可以是存储由光学系统1015捕获和/或由处理单元1021处理的数据的任何合适类型的存储器(诸如非瞬态计算机可读介质)。存储器1022还可以存储在处理器1023上执行的软件。处理器1023可以被配置为执行处理由光学系统1015捕获的多光谱图像数据的软件指令。例如，处理器1023可以分析由FPA检测到的不同图像，并且可以将所捕获的数据与各种类型的气体或化学物的已知签名进行比较。基于对捕获的图像数据的分析，处理器可以被编程以确定气体云中的气体的类型和浓度。另外，如本文所解释的，处理器1023可以分析由光学系统1015提供的校准数据，以提高测量的准确度。
有利地，处理器1023可以包括一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)，该一个或多个FPGA被配置为执行在分析由光学系统1015捕获的图像时使用的方法。例如，FPGA可以包括被设计为快速实现用于检测气体云中的气体类型的计算的逻辑门和读取存取存储器(RAM)块。FPGA的小尺寸/重量和高性能特性可以实现由用户穿戴或携带的数据采集和检测单元1020内的板载计算和分析。使用系统1000上板载的FPGA(或类似的电子器件)可以降低与使用场外中央服务器或更大的计算设备进行图像分析计算相关联的成本。此外，用可穿戴系统板载的一个或多个FPGA设备实现计算还可以防止或减少与在一些实施例中可以使用的将大量原始数据从系统1000无线地发送到远程服务器或计算机相关联的通信瓶颈。
通信模块1024可以被配置为与物理上与数据采集和处理模块1020分离的至少一个设备进行通信。例如，通信模块1024可以包括被配置为与至少一个单独的设备进行无线通信的无线通信模块。无线通信模块可以被配置为通过无线网络(例如，WiFi互联网网络、蓝牙网络等)和/或通过电信网络(例如，3G网络、4G网络等)提供无线通信。
在一些实施例中，例如，无线通信模块可以提供数据采集和处理模块1020与移动设备(诸如电子眼镜装置、平板计算设备、移动智能电话、膝上型电脑或笔记本计算机或任何其它合适的移动计算设备)之间的数据通信。如本文所解释的，移动设备可以包括显示器，在该显示器上可以向用户显示经处理的图像数据。例如，气体云中的气体的类型(和/或浓度)可以在显示器上例如通过颜色编码或其它合适的图示方案示出。在一些布置中，经处理的数据可以覆盖场景的可见图像。在一些实施例中，无线通信模块可以提供系统1000和远离系统1000的外部设备(诸如中央服务器)之间的数据通信。例如，经处理的图像数据和/或原始图像数据可以通过电信网络被发送到中央服务器以供存储和/或进一步分析。在一些实施例中，可以将经处理的图像数据或原始图像数据上传到移动设备(例如，笔记本计算机、智能电话、平板计算设备等)，该移动设备进而可以将图像数据传送到中央服务器。
GPS模块1025可以被配置为确定在特定时间数据采集和处理模块1020的地点。处理单元1021可以存储地点数据，并且可以在一些布置中将地点数据与由光学系统1015捕获的特定图像相关联。在一些布置中，与所捕获的图像相关联的地点数据可以由通信模块1024(或由外部设备)发送到中央服务器。
光学系统1015、处理单元1021、电源1026、通信模块1024和/或GPS模块1025可以被包含或容纳在可以由用户携带或穿戴的数据采集和处理模块1020中。系统1000的部件(包括光学部件、处理部件和通信部件)可以在数据采集和处理模块1020中封装或组装，并且可以占据小于约300立方英寸、小于约200立方英寸、或小于约100立方英寸的体积。在各种实施例中，系统1000的部件(包括光学部件、处理部件和通信部件)可以在数据采集和处理模块1020中封装或组装，并且可以占据大于约2立方英寸、或大于约16立方英寸的体积。包括电池和/或太阳能模块的电源也可以被包括在数据采集和处理模块1020中所封装或组装的部件中，并且适合于上述体积维度。
数据采集和处理模块1020(其中或其上安装有系统部件，包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合具有维度X x Y x Z的盒形边界内。例如，在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合小于8英寸x6英寸x 6英寸的盒形边界内。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合小于7英寸x 5英寸x 5英寸的盒形边界内。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合小于6英寸x 4英寸x 4英寸的盒形边界内。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合具有大于4英寸x 2英寸x 2英寸的维度的盒形边界内。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合具有大于2英寸x 1英寸x 1英寸的维度的盒形边界内。包括电池和/或太阳能模块的电源、通信模块或两者可以被包括在数据采集和处理模块1020中并且适合于上述维度。应该认识到的是，本文公开的维度可能不对应于图11A中关于X、Y和Z所示的方向。另外，系统1000可以具有足够小的质量和重量，以便使得用户1275能够在站点处容易地携带或穿戴数据采集和处理模块1020。
图13A是根据各种实施例的被配置为在本文公开的移动红外成像系统1000中使用的光学系统1015的示意性系统图。如本文所解释的，图13A中所示的光学系统1015可以在由用户穿戴或携带的数据采集和处理模块1020中提供。光学系统1015可以被配置为捕获物体1007的多光谱图像数据，诸如气体云、化学物溢出等。图13A中所示的光学系统1015的部件可以与本文参考图1-10C说明的光学系统和设备的部件类似或相同。光学系统1015可以包括焦平面阵列(FPA)单元1008，其被配置为记录由系统1000捕获的红外图像数据。如图13A所示，FPA单元1008可以有利地是非冷却的，例如，没有冷却系统。
光学系统1015可以包括前窗1006，来自物体1007的光穿过该前窗1006来传递。可以提供第一可移动黑体源1003和第二可移动黑体源1004以使得能够校准光学系统1015。可移动源1003、1004可以在视场前移动，使得光学器件对这些源进行成像以进行校准。例如，第一黑体源1003和第二黑体源1004可以以稳定的方式维持在不同的已知温度。例如，加热器和温度传感器可以附接到每个黑体源1003、1004来提供反馈以在源的不同空间区域之间创建稳定且已知的温差(例如，在一些布置中至少50mK)。
此外，光学系统1000可以包括动态地校准系统1000的动态校准装置。如图13A所示，可以提供一个或多个校准源1009、1010。校准源1009、1010可以包括热电控制(TEC)材料，其上附接有温度传感器。校准源1009、1010可以涂覆有光谱测量的涂层或涂料。来自校准源1009、1010的光可以从一个或多个反射镜1005反射并被引导通过透镜阵列1002(下面描述)以在FPA单元1008的一部分上进行成像，以(例如，在对目标气体云的图像进行成像的同时)协助动态地校准系统1000。
光学系统1000可以包括透镜阵列1002，以将传入光聚焦到FPA单元1008上。如图13A所示，透镜阵列1002的每个透镜可以至少部分地限定由FPA单元1008成像的光学通道中或被包括在该光学通道中。为了改进移动成像系统1000的移动性和便携性，透镜阵列1002可以包括由单个整体形成或组装到单个整体中的集成单元。这样的集成透镜阵列1002可以减小成像系统1015的尺寸，并因此减小系统1000的尺寸，以至少部分地使得系统1000能够由用户穿戴或携带。透镜阵列1002可以以任何合适的方式单片形成。例如，在各种实施例中，透镜阵列1002可以由金刚石铣削工具形成。在一些实施例中，透镜阵列1002可以包括单片透明材料，其具有成形为弯曲折射表面的单独区域，用于产生单独的透镜。在一些实施例中，可以将透镜插入到板或基板中形成的开口阵列中以产生透镜阵列1002。
光学系统1000还可以包括红外(IR)滤光器阵列1001，其被配置为以适当的方式过滤红外光的波长。本文例如关于图5A-6D公开了IR滤光器和滤光技术的示例。如图13A所示，IR滤光器1001可以被设置在透镜阵列1002和FPA单元1008之间。IR滤光器1001可以至少部分地限定要由FPA单元1008成像的多个光学通道。在一些实施例中，IR滤光器1001可以位于透镜阵列1002与第一可移动黑体源1009和第二可移动黑体源1010之间。
图13B是根据各种实施例的被配置为在本文公开的移动红外成像系统1000中使用的光学系统1015的示意性系统图。如本文所解释的，图13B中所示的光学系统1015可以在由用户穿戴或携带的数据采集和处理模块1020中提供。图13B中所示的光学系统1015的部件可以与本文关于图1-10C和13A说明的光学系统和设备的部件类似或相同。
图13B的光学系统1015可以包括FPA单元1408，该FPA单元1408被配置为对物体1409(诸如气体云或化学泄漏)进行成像。与图13A所示的实施例一样，图13B的系统1015可以包括前窗1406(来自物体1409的光穿过该前窗1406)、第一可移动黑体源1403和第二可移动黑体源1404、IR滤光器阵列1401和透镜阵列1402。与图13A的实施例一样，透镜阵列1402可以包括整体或单片体。在图13B的实施例中，透镜阵列1402可以被设置在滤光器阵列1401和FPA单元1408之间。在其它布置中，滤光器阵列1401可以被设置在透镜阵列1402和FPA单元1408之间。
图13B的光学系统1015可以包括冷却单元1430，该冷却单元1430被配置为冷却FPA单元1408。冷却单元1430可以包括冷却指状物(cooling finger)，该冷却指状物被配置为以各种布置低温冷却FPA阵列1408。如图13B所示，滤光器阵列1401、透镜阵列1402和FPA单元1408可以被设置在冷却区域1440中。黑体源1403、1404和前窗1406可以被设置在非冷却区域1450中。将黑体源1403、1404设置在非冷却温度并且将滤光器阵列1401、透镜阵列1402和FPA单元1408设置在冷却温度下可以有助于系统1000的定期校准。
图14A是根据各种实施例的安装到头盔1200的移动红外成像系统1000(例如，移动DAISI系统)的示意性透视图。图14B是图14A中所示的移动红外成像系统1000的放大示意性透视图。头盔1200可以包括用户的个人防护装备的一部分，并且还可以有利地用作成像系统1000的平台。如上所述，当用户访问要监测的特定安装站点(诸如油井站点，炼油厂等)时，用户可以穿戴头盔1200。可以激活系统1000以连续监测和分析用户访问的站点。因此，系统1000可以在用户访问的任何地方连续且主动地搜索气体泄漏，并且如果检测到泄漏则可以发起警报或其它通知。
在图14B所示的实施例中，成像系统1000可以包括外壳1590，数据采集和处理模块1020(参见例如图12和相关联的描述)安装或耦合在外壳1590内或者安装或耦合到外壳1590。支撑件1592可以耦合到外壳1590或与外壳1590一起形成，并且可以被配置为附接到头盔1200或任何其它合适的平台。例如，在一些实施例中，支撑件1592可以包括一个或多个安装孔，用于通过例如螺钉、螺栓或其它紧固件附接到头盔1200。此外，如图14B所示，前窗1506可以设置在外壳1590的前端。前窗1506可以对IR辐射透明，并且可以至少部分地限定系统1000的孔径。在一些实施例中，窗口1506包括锗。可以在窗口1506上设置类金刚石涂层(DLC)或其它涂层或层，以提供耐久性表面。
如本文所解释的，系统1000可以被配置为由人类用户穿戴或携带。因此，数据采集和处理模块1020可以适当地确定维度，使得用户可以容易地穿戴或携带系统1000。例如，数据采集和处理模块1020可以至少部分地由维度X x Y x Z限定，如图14A和14B所示。
与其中系统部件庞大或者被组装在大形状因子上的其它系统不同，移动系统1000的尺寸和形状可以以使得当用户围绕站点移动时容易被移动和操纵的这种方式设计。实际上，将各种系统部件集成在小的形状因子中可能非常具有挑战性。有利地，本文公开的系统1000可以由人类用户穿戴或携带。例如，系统1000的部件可以被一起包含在数据采集和处理模块1020中，数据采集和处理模块1020可以包括支撑系统部件的外壳1590。系统1000的部件(包括光学或成像部件、焦平面阵列、板载处理电子器件和通信部件)可以在数据采集和处理模块1020中封装或组装，并且可以占据小于约300立方英寸、小于约200立方英寸、或小于约100立方英寸的体积。在各种实施例中，系统1000的部件(包括光学或成像部件、焦平面阵列、板载处理电子器件和通信部件)可以在数据采集和处理模块1020中封装或组装，并且可以占据大于约2立方英寸或大于约16立方英寸的体积。在一些实施例中，系统1000的部件(包括光学或成像部件、焦平面阵列、板载处理电子器件和通信部件)可以在数据采集和处理模块1020中封装或组装，并且可以占据约4立方英寸至约15立方英寸范围内的体积。在一些实施例中，系统1000的部件(包括光学或成像部件、焦平面阵列、板载处理电子器件和通信部件)可以在数据采集和处理模块1020中封装或组装，并且可以占据约5立方英寸至约12立方英寸范围内的体积。在一些实施例中，系统1000的部件(包括光学或成像部件、焦平面阵列、板载处理电子器件和通信部件)可以在数据采集和处理模块1020中封装或组装，并且可以占据约4立方英寸至约6.5立方英寸范围内的体积，例如在一个实施例中约5.63立方英寸的体积。在一些实施例中，系统1000的部件(包括光学或成像部件、焦平面阵列、板载处理电子器件和通信部件)可以在数据采集和处理模块1020中封装或组装，并且可以占据约9立方英寸至约13立方英寸范围内的体积，例如在一个实施例中约11.25立方英寸的体积。在一些实施例中，系统1000的部件(包括光学或成像部件、焦平面阵列、板载处理电子器件和通信部件)可以在数据采集和处理模块1020中封装或组装，并且可以占据约6立方英寸至约10立方英寸范围内的体积。
数据采集和处理模块1020(其中或其上安装有系统部件)的尺寸和形状可以被设计为适合具有维度X x Y x Z的盒形边界内。例如，包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件的数据采集和处理模块1020可以被包括在封装中，该封装的尺寸和形状被设计为适合在具有维度X x Y x Z的盒形边界内。该封装还可以包含电源，诸如电池和/或太阳能模块。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合小于8英寸x 6英寸x 6英寸的盒形边界内。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合小于7英寸x 5英寸x 5英寸的盒形边界内。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合小于6英寸x 4英寸x 4英寸的盒形边界内。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合小于6英寸x 2英寸x 2英寸的盒形边界内。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合具有大于4英寸x 2英寸的x 2英寸的维度的盒形边界内。在一些实施例中，数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)的尺寸和形状可以被设计为适合具有大于2英寸x 1英寸x 1英寸的维度的盒形边界。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有小于3英寸x 2英寸x 2英寸的维度。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有大于1英寸x 0.5英寸x 0.5英寸的维度。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有小于30立方英寸的体积。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有小于20立方英寸的体积。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有小于15立方英寸的体积。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有小于10立方英寸的体积。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有大于1立方英寸的体积。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有大于4立方英寸的体积。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有大于5立方英寸的体积。数据采集和处理模块1020(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以具有大于10立方英寸的体积。该封装还可以包含电源(包括电池和/或太阳能模块)、通信模块或两者，并且适合于上述维度。应该认识到的是，本文公开的维度可以不对应于图11A中关于X、Y和Z所示的方向。该封装还可以包含电源(包括电池和/或太阳能模块)、通信模块或两者，并且适合于上述维度。应该认识到的是，本文公开的维度可能不对应于图11A中关于X、Y和Z所示的方向。
在一些实施例中，图14B中所示的维度X可以在约2英寸至约7英寸的范围内，或者更具体地，在约2英寸至约4英寸的范围内，例如在一个实施例中为约2.5英寸。在一些实施例中，图14B中所示的维度X可以在约4英寸至约6英寸的范围内，例如，在一个实施例中为约5英寸。在一些实施例中，图14B中所示的维度Y可以在约1英寸至约5英寸的范围内，或者更具体地，在约1英寸至约3英寸的范围内，例如在一个实施例中为约1.5英寸。在一些实施例中，图14B中所示的维度Z可以在约1英寸至约5英寸的范围内，或者更具体地，在约1英寸至约3英寸的范围内，例如，在一个实施例中为约1.5英寸。
另外，系统1000可以具有足够小的质量和重量，以使用户1275能够在站点容易地携带或穿戴数据采集和处理模块1020。例如，系统1000的重量可以在约0.5磅至5磅的范围内，或者更具体地，在约0.5磅至2磅的范围内，或者更具体地，在约0.25磅至约2磅的范围内，或者更具体地，在约0.25磅至约1.5磅的范围内。在一个实施例中，例如，系统1000可以重约1磅。在另一个实施例中，例如，系统1000可以重约0.5磅。因此，图11A中所示的实施例的尺寸和形状可以被设计和配置为具有使人类用户能够容易且有效地操纵系统1000的质量。
图14C是图14A-14B中所示的移动红外成像系统1000的透视横截面图。移动红外成像系统1000可以包括窗口1506后面的一个或多个可移动快门1503(例如，两个快门)和(一个或多个)快门1503后面的透镜组件1502。滤光器阵列1501可以被设置在第二透镜阵列1502B的后面(或前面)，并且光学焦平面阵列(FPA)单元1508可以被设置在滤光器阵列1501的后面。光学FPA单元1508可以与一个或多个基板1586机械和电耦合，基板1586可以包括印刷电路板或PCB基板。在各种实施例中，FPA单元1508包括单个FPA或检测器阵列。此外，如本文所解释的，透镜组件1502、滤光器阵列1501和光学FPA单元可以至少部分地限定在空间上和光谱上不同的一个或多个光学通道。光学通道的数量可以是至少4个、至少5个、至少8个、至少9个、至少12个、至少13个或至少20个。在一些实施例中，光学通道的数量在4到50之间。
一个或多个电池1588可以通过(一个或多个)基板1586向系统1000供电。此外，可见光成像传感器1580可以被设置在外壳1590中，并且可以被配置为提供由系统1000正在捕获的场景的可见光图像。经处理的IR图像数据可以覆盖在可见光图像上。在各种实施例中，可见光成像传感器1580可以用于减少场景运动引起的检测误差，例如，检测进入视场并且会干扰正在收集的数据的运动物体(诸如动物或人)。
如本文所解释的，(一个或多个)可移动快门1503可以被配置为向系统1000提供光谱辐射度校准。(一个或多个)快门1503可以被配置为定期地移入和移出透镜组件1502的视场，例如，在约1分钟至约15分钟的范围内，或者更具体地，在约3分钟至约7分钟的范围内，例如约5分钟的时间段中。虽然在图14C中图示了一个快门1503，但是应该认识到的是，可以提供两个或更多个快门。(一个或多个)快门1503可以用在静态校准过程中，以向系统提供绝对温度值。在一些实施例中，仅执行静态校准，例如，不执行动态校准。在一些实施例中，执行静态校准过程和动态校准过程两者。
透镜组件1502可以包括第一透镜阵列1502A和第二透镜阵列1502B。在一些实施例中，透镜组件1502可以包括由第一阵列1502A和第二阵列1502B表示的两部分透镜的阵列。在一些实施例中，透镜组件1502可以包括由由第一阵列1502A和第二阵列1502B表示的两个单独透镜的阵列。透镜阵列1502A、1502B中的每一个可以包括4x3透镜阵列，每个透镜阵列可以对应于FPA单元1508中的特定检测器区域，并且可以限定系统1000的光学通道。第一透镜阵列1502A中使用的透镜可以与第二透镜阵列1502B中使用的透镜不同。透镜可以是任何合适类型的透镜，包括例如球面透镜、非球面透镜、棒透镜等或其任何组合。例如，第一透镜阵列1502A中使用的透镜可以包括非球面透镜，并且第二透镜阵列1502B中使用的透镜可以包括棒透镜。虽然图14C中所示的透镜组件1502包括两个透镜阵列，但是应该认识到的是，可以使用附加的透镜阵列，例如，三个透镜阵列、四个透镜阵列、五个透镜阵列等。此外，为了辅助实现小的系统尺寸，组件1502中的每个透镜的直径可以小于约0.5”，例如，在约0.1”至约0.5”的范围内。每个透镜的f-值可以小于约2，例如，在约0.2至2的范围内，或者更具体地，在约0.5至2、或1.0至2、或1.1至2的范围内。
第一透镜阵列1502A和第二透镜阵列1502B可以通过安装板1584彼此耦合，安装板1584的尺寸和形状被设计为支撑或接纳每个透镜阵列1502A、1502B。例如，第一透镜阵列1502A可以安装在安装板1584的一侧，并且第二透镜阵列1502B可以安装在安装板1584的相对侧。安装板1584可以被加工成具有约+/-25微米的直径公差(tolerance)。可以用可固化的环氧树脂将阵列1502A、1502B的透镜固定到安装板1584。例如，透镜可以装配在安装板1584中形成的孔的相对侧中。
光学FPA单元1508可以包括任何合适类型的检测器阵列，该检测器阵列被配置为检测波长例如大于1微米、或大于2微米、或大于3微米或大于5微米、或大于6微米且可能小于20微米、或15微米、或13微米、或12微米或10微米的红外辐射，并且可以是冷却的或非冷却的。在一些实施例中，光学FPA单元1508包括一个或多个微辐射热测量计阵列，该一个或多个微辐射热测量计阵列可以是非冷却的。例如，在本文公开的实施例中可以使用约1000x 1000个微辐射热测量计阵列的阵列。诸如由弗吉尼亚州阿灵顿的DRS技术公司(DRSTechnologies)和新泽西州费尔菲尔德的Sofradir EC公司(Sofradir EC,Inc.)制造的微辐射热测量计阵列可适用于本文公开的实施例。例如，在一些实施例中可以使用由DRS技术公司制造的DRS U8000FPA。在一些布置中，微辐射热测量计阵列可以具有1024 x 768的分辨率，其中像素间距为12微米。透镜阵列可以形成具有形成阵列的一部分的图像检测区域的单独通道。例如，在检测器阵列(微辐射热测量计阵列)上的1024 x 768像素阵列中可以包括12个通道，对于12个通道中的每一个，存在例如250 x 250像素。可以采用具有更多或更少像素的检测器阵列。类似地，通道的数量可以大于或小于12，并且单个通道的检测器阵列上的检测区域可以大于或小于250 x 250个像素。例如，检测区域可以包括每个检测区域100-200像素x 100-200像素之间。例如，检测区域可以包括每个检测区域100-200像素x100-200像素、每个检测区域200-300像素x200-300像素、或者300-400像素x 300-400像素、或者400-500像素x 400-500像素。同样地，通道的检测区域可以测量一侧上的100-200像素、一侧上的200-300像素、一侧上的300-400像素、一侧上的400-500像素或更大或更小。
在一些布置中，微辐射热测量计的光谱带可以是约7.5微米至14微米，或者可以是约3微米至14微米或3至8微米。微辐射热测量计阵列可以以约30Hz的帧速率进行操作，并且可以在约-40℃至+70℃的操作温度下进行操作。在各种实施例中，微辐射热测量计阵列是不包括冷却器的非制冷微辐射热测量计。微辐射热测量计在F/1下的灵敏度可以<约40mK。本文公开的系统1000可以用于检测约1微米至约20微米范围内的波长。例如，本文公开的系统1000可以用于检测高于约6微米的波长，例如，在约6微米至约18微米的范围内、在约3微米至约14微米的范围内，或更具体地，在约7微米至约14微米或3至8微米的范围内。在各种实施例中，微辐射热测量计阵列的各个检测器元件可以相对靠近地隔开，以至少部分地实现小型紧凑系统。例如，阵列的相邻检测器元件可以间隔开约7微米至约15微米范围内的距离，或更具体地，约9微米至约13微米范围内，例如约11微米。各个透镜可以间隔开约20mm至约35mm范围内的距离，例如约24mm至约30mm范围内，例如，约27.5mm。同样地，空间上和光谱上间隔的通道可以物理地间隔开20至35mm、24mm至30mm等。虽然系统的各种实施例被描述为包括FPA(其包括例如微辐射热测量计阵列)，但是某些实施例包括多个FPA。在一些实施例中，使用单个光学FPA。在一些实施例中，光学FPA的检测器被配置为检测相同IR波长带中的辐射。
数据采集和处理模块1020的板载处理电子器件可以处理IR光学数据，以从在光学FPA处接收到的IR辐射检测和/或识别目标物质。例如，模块1020可以被配置为采集多光谱图像数据并分析所采集的图像数据以识别目标物质。例如，本文公开的移动成像系统1000可以被配置为以约0.04m的分辨率在约17m的距离处对10m x10m的物体区域进行成像。在该示例中，系统1000可以检测和/或识别生成尺寸至少约1.5英寸的气体云的任何气体泄漏。检测和识别方法可以基本上实时地执行，使得如果识别出任何泄漏则可以提醒用户。
如上所述，可以在成像系统1000的数据采集和处理模块1020上处理由系统1000捕获的红外图像数据。提供较小系统1000的一种方式是使用一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)来处理图像数据，该现场可编程门阵列被配置为执行在分析由光学系统1015捕获的图像中使用的方法。在一些实施例中，代替FPGA或者作为FPGA的附加，可以使用一个或多个专用集成电路(ASIC)。例如，ASIC芯片可以包括FPGA。(一个或多个)FPGA(和/或(一个或多个)ASIC)可以安装到图14C中所示的(一个或多个)基板1586并与(一个或多个)基板1586电耦合，并且可以物理地位于光学系统附近。例如，FPGA可以包括被设计为快速实现用于检测气体云中的气体类型的计算的逻辑门和读取存取存储器(RAM)块。FPGA的小尺寸/重量和高性能特性可以实现由用户穿戴或携带的数据采集和检测单元1020内的板载计算和分析。使用系统1000上板载的FPGA(或类似的电子设备)可以降低与使用场外中央服务器或更大的计算设备进行图像分析计算相关联的成本。有利地，即使在FPGA提供的有限计算平台上实现复杂方法可能具有挑战性，本文公开的实施例也使得能够进行板载计算。
此外，用可穿戴系统板载的一个或多个FPGA设备实现计算还可以防止或减少与将大量原始数据从系统1000无线发送到远程服务器或计算机相关联的通信瓶颈。例如，本文公开的红外光学系统1015可以以每秒30帧生成高达约380Mbps的原始图像数据，并且可见传感器1580可以以每秒30帧生成约425Mbps的原始图像数据。得到的约800Mbps的数据速率比大多数常规无线技术更快。虽然数据压缩和/或预处理可以降低可见图像和IR图像的原始数据速率，但是在一些实施例中，IR图像数据可以仅以约2:1的比率进行压缩。常规的无线通信设备可能无法有效地发送得到的约192Mbps的总体数据速率。因此，在系统1000上(例如，在数据采集和处理模块1020上)执行图像处理计算可以减少由将原始图像数据无线传送到场外中央服务器而生成的瓶颈的发生或避免该瓶颈。
实现移动成像系统的一个挑战是系统的每个部件(包括例如IR光学系统1015、可见传感器1580、处理电子器件、无线通信模块等)的功率要求。有利地，本文公开的移动红外成像系统1000可以被配置为通过电池电源长时间操作而无需再充电或更换电池1588。在一些布置中，一个或多个电池1588可以包括具有相对高的能量密度的锂离子电池。此外，为了帮助降低系统1000内的功耗，可以有利地对数据采集和处理模块1020的FPGA进行编程，使得功耗低于用于其它类型的处理电子器件的功耗。
本文公开的系统1000可以有利地操作8小时至36小时而无需再充电或更换电池，或更具体地在约10小时至24小时之间而无需再充电或更换电池。在一些实施例中，系统1000可以操作至少约12小时而无需再充电或更换电池。数据采集和处理模块1020的部件(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)可以被配置为在相对低的电功率水平下进行操作，例如，在约3W至约10W范围内、或更具体地在约4W至约7W的范围内、或在约4W至约6W的范围内，例如在一些实施例中在约5W的功率水平下操作。数据采集和处理模块1020的部件(包括成像光学器件、焦平面阵列和板载处理电子器件)也可以被配置为在电池1588的单次充电的相对低的总能量水平下进行操作，例如，在约60瓦特小时(Wh)至约100Wh范围内、或更具体地在约80Wh至约95Wh范围内、或在约85Wh至约90Wh范围内的能量水平下进行操作。
此外，对于本文公开的每个实施例，可以实现各种运动检测和/或补偿技术以考虑用户在使用期间移动他或她的头部引起的相对大规模的运动。例如，当用户正在访问井场或其它设施时，用户可以连续地行走并且朝不同方向看(例如，通过旋转他或她的头部)。此外，可以由用户的自然不稳定性引入振动。这种移动可以以相对快的速率连续地改变系统的视场，这可以影响用于确定气体云或其它物体中的物质的身份的方法的准确性。因此，可能期望提供改进的运动检测和/或补偿技术来减少与用户移动相关联的误差。
IV.移动DAISI系统的附加示例
在本部分中提供移动分孔径红外光谱成像(DAISI)系统的附加示例。例如，图15A-24D中所示的系统1000可以与上面公开的任何实施例(包括例如图11A-14C中所示的移动DAISI系统1000的实施例)一起使用。而且，图15A-24D中使用的成像部件可以与图1-10C的任何实施例结合使用。有益地，本文公开的系统1000可以提供使得多光谱快照模式成像系统能够由人穿戴或携带的各种改进。
与上述实施例一样，图15A-24D的系统1000可以包括限定在空间上和光谱上彼此不同的至少两个光学通道的部件和光学焦平面阵列(FPA)。该至少两个光学通道可以被定位成向FPA传输红外(IR)辐射。包括处理器和/或处理电子器件的处理单元可以从接收到的IR辐射采集表示目标物质的多光谱图像数据。光学系统和处理单元可以被一起包含在数据采集和处理模块中，该数据采集和处理模块被配置为由人穿戴或携带。在本部分公开的一些实施例中，成像系统可以被固定在期望的位置处，诸如在石油精炼厂、油井站点等处。
A.系统概述
图15A是根据各种实施例的系统1000的示意性透视图。图15B是图15A中所示的系统1000的示意性后透视图。系统1000可以包括数据采集和处理模块1020，其可以类似于上述数据采集和处理模块。例如，数据采集和处理模块1020可以包括外壳1640，系统1000的光学部件容纳在外壳1640内。系统1000可以包括光学窗口1606和可见光成像系统1680。窗口1606可以被配置为将红外辐射从物体透射到外壳1640内的内部光学部件。在一些实施例中，窗口1606包括锗。窗口1606和可见光成像系统1680可以与上述窗口和可见光系统相同或相似。
如图15B所示，数据采集和处理单元1020可以包括到计算设备的任何合适数量的电力和/或信号连接。例如，数据采集和处理单元1020可以包括数据连接器1681，以提供数据采集和处理单元1020与计算设备之间的数据通信。数据采集和处理单元1020还可以包括电源连接器1682，以向数据采集和处理单元1020提供电力。在一些布置中，数据采集和处理单元1020可以包括通信模块1024，该通信模块1024可以提供与外部计算设备(诸如膝上型计算机、平板计算机、智能电话等)的无线(和/或有线)数据通信。此外，数据采集和处理单元1020可以包括一个或多个电池，以向系统1000提供电力。
数据采集和处理单元1020可以被配置为由人穿戴或携带。本文描述的部件的组合可以有利地使得光学部件和处理电子器件能够适合在足以由人穿戴或携带的小形状因子内。例如，数据采集和处理单元1020可以具有所选择的以便由人类用户容易地穿戴或携带到任何合适地点(例如，用于监测石油设施处潜在的气体泄漏和进行红外成像)的维度和重量(或质量)。如图15A所示，数据采集和处理单元1020的尺寸和形状可以被设计为适合具有维度长度X x高度Y x宽度Z的盒形边界内。数据采集和处理单元1020的体积可以在5立方英寸至40立方英寸的范围内、在9立方英寸至30立方英寸的范围内、在10立方英寸至30立方英寸的范围内、在10立方英寸至25立方英寸的范围内、在10立方英寸至20立方英寸的范围内、或者在10立方英寸至15立方英寸的范围内。在一些实施例中，数据采集和处理单元1020的体积可以在15立方英寸至25立方英寸的范围内、在17立方英寸至24立方英寸的范围内、或者在19立方英寸至23立方英寸的范围内。
长度X可以在3英寸至8英寸的范围内、在3.5英寸至6英寸的范围内、在4英寸至6英寸的范围内、或者在5英寸至6英寸的范围内。高度Y可以在1英寸至5英寸的范围内、在1英寸至3英寸的范围内、在1.5英寸至2.5英寸的范围内、或者在2英寸至2.5英寸的范围内。宽度Z可以在1英寸至5英寸的范围内、在1英寸至3英寸的范围内、在1英寸至2.5英寸的范围内、或者在1英寸至2英寸的范围内。例如、宽度Z可以在1.25英寸至2英寸的范围内、在1.5英寸至2英寸的范围内、或者在1.6英寸至1.9英寸的范围内。
数据采集和处理单元1020的重量可以在0.5磅至5磅的范围内、在0.5磅至3磅的范围内、在0.75磅至2.5磅的范围内、在1磅至2.5磅的范围内、在1磅至2磅的范围内、或者在1.25磅至1.75磅的范围内。
图15C是根据各种实施例的系统1000的示意性前透视图。图15C的系统1000的部件可以与图15A-15B的部件相同。但是，在图15C的实施例中可以包括外壳1640A，该外壳1640A被配置为与被分类在国家电气规范(NEC)的第1类第1部分(可在necconnect.org上获得)中的地点结合使用。例如，图15C的外壳1640A可以充分密封，以便防止气体进入外壳1640A。作为另一个示例，图15C的外壳1640a可以是通常被认为是防爆的类型。数据采集和处理单元1020内的处理电子器件和其它部件可以被动地冷却，而不需要外部气流从外部环境(例如，周围环境空气)进入到数据采集和处理单元1020中。在一些实施例中，数据采集和处理单元1020可以填充有气体以冷却内部部件。例如，在一些实施例中，数据采集和处理单元1020和外壳1640A可以填充有氮气。图15C中所示的系统1000可以固定在永久地点(例如，油井站点或其它石油设施)，或者可以被配置用于移动用户(例如，由用户穿戴或携带)。
图15D是移动计算设备1600的示意性系统图，该移动计算设备1600具有第一端口1602，该第一端口1602被配置为与DAISI系统1000(诸如本文公开的任何移动DAISI系统)电耦合和物理耦合。移动计算设备1600可以是任何合适类型的移动计算设备，例如，被配置为由人穿戴或携带的计算设备。例如，移动计算设备1600可以包括移动智能电话、平板计算设备、膝上型计算机等。
DAISI系统1000可以包括如本文描述的数据采集和处理单元1020。数据采集和处理单元1020可以被包含在外壳1640B中和/或与外壳1640B耦合。DAISI系统1000可以包括被包含在数据采集和处理单元1020和/或外壳1640B中的光学系统1610。光学系统1610可以包括DAISI系统的各种光学部件，这些光学部件协作以采集多光谱图像数据，这些光学部件包括例如光学滤光器、透镜和光学检测器。例如，光学系统1610可以包括多个光谱上和空间上不同的光学通道，红外辐射可以沿着这些光学通道被传输到检测器。
在一些实施例中，数据采集和处理单元1020和/或外壳1640B可以包括处理单元1611，处理单元1611具有处理电路系统，处理电路系统被配置为分析所采集的图像数据以检测和/或识别目标物质。在所示实施例中，分析所采集的图像数据的处理单元1611被设置在数据采集和处理单元1020和/或外壳1640B中和/或与数据采集和处理单元1020和/或外壳1640B耦合。但是，在其它实施例中，处理单元1611可以被设置在移动计算设备1600中并且可以形成移动计算设备1600的一部分。
数据采集和处理单元1020和/或外壳1640B可以包括第二端口1603，第二端口1603被配置为与移动计算设备1600的第一端口1602配合。端口1602、1603可以是任何合适类型的数据和/或电源端口。例如，端口1602、1603可以包括用作移动智能电话和/或平板计算设备上的常规电源端口、音频端口或其它端口的端口。在各种实施例中，端口1602、1603可以符合各种工业标准，诸如通用串行总线(USB)标准(例如，USB Type-C、USB 3.1等)(可在usb.org上获得)。作为另一个示例，端口1602、1603可以是利用任何期望的无线技术(例如，通过蓝牙、WiFi等)的无线通信端口，这样移动计算设备1600和DAISI系统1000甚至可以在没有物理连接的情况下进行通信。
有益地，图15D中所示的布置可以使用户能够获得即插即用的移动DAISI系统1000，并且可以将系统1000与他或她的个人移动计算设备1600可移除地连接。系统1000可以预先加载有软件指令，该软件指令与移动计算设备1600的操作系统协作以操作移动计算设备1600的光学和处理部件。在其它布置中，用户可以将软件下载到移动计算设备1600，并且下载的软件指令可以控制DAISI系统1000的操作。在一些实施例中，DAISI系统1000包括光学部件和处理电子器件(例如，数据采集和处理单元1020)两者，使得系统1000可以执行图像采集和数据处理以检测和/或识别目标物质。系统1000可以将关于检测到的和/或识别出的物质的数据发送到移动计算设备1600，该移动计算设备1600可以通过合适的用户接口(例如，显示器和/或扬声器)向用户显示信息。在一些实施例中，DAISI系统1000可以包括用户接口(例如，显示器和/或扬声器)，使得即使当移动计算设备1600不耦合到DAISI系统1000时，系统1000也可以直接向用户提醒检测到的和/或识别出的物质。仅作为一个示例，DAISI系统1000可以包括在检测到一个或多个目标物质时和/或在检测到一个或多个目标物质的浓度大于预定的阈值浓度时提醒用户(即，为用户提供警报)的显示器(诸如闪光灯)和/或扬声器。
在其它实施例中，DAISI系统1000可以仅包括光学部件(例如，光学窗口、多个光学滤光器、多个透镜和光学检测器)，并且处理电子器件可以容纳在移动计算设备1600中。在这样的布置中，DAISI系统1000可以被配置为(利用或不利用有预处理技术)从场景采集图像数据，并且可以将所采集的图像数据发送到移动计算设备1600。移动计算设备1600的处理电子器件可以配置有软件指令，该软件指令当由处理电子器件执行时，处理所采集的图像数据以检测和/或识别一个或多个目标物质。可以通过用户接口(例如，显示器和/或扬声器)将检测到的和/或识别出的目标物质发送给用户。在一些实施例中，外壳可以包括光学系统和处理单元，处理单元具有处理电路系统，处理电路系统被配置为分析所采集的图像数据以检测和/或识别目标物质。
因此，在各种实施例中，DAISI系统1000可以包括其中设置有光学系统1610的外壳1640B。光学系统1610可以包括本文描述的光学部件，包括例如限定多个光谱上和空间上不同的光学通道(诸如多个滤光器和与滤光器间隔开的多个透镜)的光学部件和光学检测器。如本文所解释的，多个光学通道中的每个光学通道可以定位成将入射在光学系统1610上的IR辐射朝光学检测器传输。第二端口1603可以与光学检测器进行数据通信，并且被配置为电连接和物理连接到移动计算设备1600，以将由光学检测器采集的图像数据发送到移动计算设备1600。此外，外壳1640B可以包括与第二端口1603进行通信的电子电路系统1616。电子电路系统1616可以被配置为从移动计算设备1600接收指示或向移动计算设备1600发送指示，该指示指示移动计算设备1600例如通过第一端口1602与端口1603电连接和物理连接。
外壳的电子电路系统1616可以被配置为核实从移动计算设备1600发送的标识符，以认证移动计算设备1600被授权接收所采集的图像数据。例如，当用户将第二端口1603与第一端口1602连接时，移动计算设备1600中的对应电路系统可以向外壳的电子电路系统发送标识符以请求访问所捕获的图像数据并核实与移动计算设备1600相关联的用户的真实性。如果移动计算设备1600由电子电路系统1616核实，则电子电路系统1616可以包括允许所采集的图像数据通过端口传输到移动计算设备1600的切换电路系统。在一些实施例中，电子电路系统1616可以是处理单元1611的一部分。
因此，图15D中所示的系统1000可以充分小型化，以便可以用于小型移动计算设备，诸如移动智能电话和平板计算机。在各种实施例中，例如，其中设置有光学系统1610和处理单元1611的外壳1640B可以具有在0.25立方英寸至10立方英寸的范围内、在0.25立方英寸至8立方英寸的范围内、在0.5立方英寸至8立方英寸的范围内、在0.5立方英寸至5立方英寸的范围内、在0.5立方英寸至3立方英寸的范围内、或者在0.5立方英寸至2立方英寸的范围内的体积。
系统1000可以以各种方式被小型化。在一些实施例中，光学系统和/或处理单元可使用晶片级或芯片级处理技术来生产。例如，如本文在部分IV.E.1中所解释的，可以使用诸如沉积、光刻和蚀刻的半导体处理技术来图案化光学系统的滤光器阵列。在一些实施例中，透镜阵列和检测器阵列也可以使用这种晶片级或芯片级技术来制造。
图15E是根据另一个实施例的移动计算设备1600的示意性系统图。在图15E中，DAISI系统1000集成在外壳1640C内，外壳1640C限定移动计算设备1600的主体。图15E的移动计算设备1600可以包括任何合适类型的移动计算设备，诸如移动智能电话或平板计算机。DAISI系统1000和移动计算电子设备1601可以一起设置在移动计算设备1600的外壳1640C内。DAISI系统1000可以包括本文公开的任何移动DAISI系统。移动计算电子设备1601可以包括处理电子器件，该处理电子器件被配置为控制常规移动计算设备1600的操作。例如，移动计算电子器件1601可以包括各种通信平台，包括被配置为发送和接收蜂窝数据(例如，语音数据和/或多媒体数据)、无线数据分组等的电路系统。移动计算电子器件1601可以包括用在诸如移动智能电话和/或平板计算机之类的移动设备中的各种其它应用。
图16A是可以根据本文公开的任何实施例使用的DAISI系统1000的示意图。图16A的系统1000可以包括与处理单元1611电连通的光学系统1610。图16A图示了单个光学通道1626；但是，如本文所解释的，系统1000可以包括在光谱上和空间上彼此不同的多个光学通道1626。光学系统1610可以包括滤光器1620、包括多个透镜元件L1、L2、L3的透镜1622、光学窗口1623和光学检测器1624。滤光器1620可以包括本文描述的任何滤光器，该滤光器可以是红外滤光器。虽然在图16A中仅图示了单个滤光器1620，但是DAISI系统1000可以包括多个空间上和光谱上不同的滤光器，这些滤光器可以以二维阵列布置，如本文所解释的。
所示光学通道1626的透镜1622可以包括多个透镜元件L1、L2、L3，L1、L2、L3沿着光轴相邻设置或相对于彼此设置，例如，在物体1625(例如，气体云)和检测器1624之间。如本文所解释的，可以选择性地设计透镜元件L1、L2、L3的维度，以便提高光学系统1610的灵敏度并改善图像质量。与滤光器1620一样，多个透镜1622可以以二维阵列布置，并且可以沿着光轴相对于滤光器1620设置或者与滤光器1620间隔开。光学窗口1623可以被设置在透镜1622的后面，并且检测器1624可以被设置在光学窗口1623的后面，并且可以被配置为将采集的红外图像数据转换成电流。检测器1624可以是任何合适类型的检测器，包括本文公开的那些检测器，诸如光学焦平面阵列(FPA)。作为示例，检测器1624可以包括一个或多个微辐射热测量计。检测器1624可以与处理单元1611电连通。光学设计的变化是可能的。例如，可以包括附加元件，诸如挡板和/或光阑。诸如滤光器1620和其它滤光器的滤光器可以与透镜和/或窗口组合。
图16B是DAISI系统1000的示意性前透视图，其中外壳仅为了图示的目的而被移除。图16C是图16B的系统1000的示意性后透视图。如图16B和16C所示，快门1621可以被设置在光学窗口1606的后面。如下所述，快门1621可以包括旋转快门，该旋转快门旋转以在一个或多个校准模式和操作成像模式之间切换。光学系统1610可以被设置在快门1621的后面，并且处理单元1611可以被设置在光学系统1610的后面。光学系统1610可以包括本文描述的光学部件，该光学部件使得能够采集多光谱红外图像数据。处理单元1611包括处理电子器件，该处理电子器件可以被配置为处理所采集的多光谱红外图像数据以检测和/或识别目标物质。例如，处理单元1611可以包括或类似于图12的处理单元1021和相关联的公开内容。
在图16B以及图15C的示例中，可见光成像系统1680被图示为紧密地定位到分孔径红外光谱成像(DAISI)系统(例如，恰好在其上方)。如果期望的话，可以提供其它合适的布置。作为示例，可以完全省略可见光成像系统1680。作为另一个示例，外壳1640A(参见图15C)可以被划分成两个或更多个部分，其中一个部分可以包含可见光成像系统模块，并且其中一个部分可以包含DAISI系统。这样的布置可以便于系统1000的服务，包括根据用户的需要和期望用另一个可见光成像系统替换可见光成像系统1680。作为示例，可以提供系统1000以使用户能够将可见光成像系统1680的至少一部分置换为具有变焦透镜。系统1000可以通过提供与DAISI系统相对分离和/或被包含在外壳1640A的单独部分中的可见光成像系统1680来促进这种置换。
可见光成像系统1680可以包括任何期望的焦距透镜，包括具有变化焦距的变焦透镜。可见光成像系统1680中的变焦透镜可以包括致动器、马达或其它类似设备，这些设备驱动变焦透镜内的透镜元件以响应于控制信号(该控制信号通常本地地由系统1000中的电路系统或者远程地由外部设备并且由系统1000通过通信信道接收)来调节透镜的焦距(例如，放大倍率)。
图16D是光学系统1610的示意性前透视图。如图16D所示，光学系统1610可以包括快门1621、支撑体1626和光学检测器1624。在图16D中，诸如滤光器1620和透镜1622的光学部件可以被设置在支撑体1626中。图16E是光学系统1610的示意性透视横截面图，其中为了图示的目的省略了快门。图16E图示了滤光器阵列1620和正在由支撑体1626支撑的透镜1622的透镜元件L1、L2、L3。如图16E所示，滤光器阵列1620可以适合在透镜架1627的孔径内。下面详细描述光学系统1610的附加特征。
如图16E所示，透镜元件L1通常可以位于共同平面中。类似地，透镜元件L2、L3和滤光器1620通常可以位于它们自己的共同平面中。如果期望的话，与光谱通道中的一个或多个相关联的一些或全部光学部件(例如，透镜元件L1、L2和L3以及滤光器1620)可以在沿着系统1000的光轴的方向上(即，在垂直于共同平面的方向上)从剩余光谱通道的光学部件偏移。通常，根据期望，任何通道可以在任何方向上(朝向检测器或远离检测器)偏移以及偏移任何量。作为示例，一个或多个通道的光学部件可以偏移更靠近检测器1624大约10微米、大约10-20微米、大约20微米、大约20-30微米、大约30微米、大约10-30微米、大约10-50微米、大约10-100微米、大于大约100微米、小于100微米、小于50微米、小于30微米、大于30微米、大于50微米等。一个或多个通道的光学部件也可以从检测器1624移开类似的量。
在至少一些布置中，滤光器1620相对于透镜元件L1、L2和L3的位置也可以在每个通道的基础上改变。作为示例，对于一些通道，第一组滤光器1620可以在透镜元件L1、L2和L3中的一个或多个后面，并且在其它通道中，第二组滤光器1620可以被设置在透镜元件L2、L2和L3的前面。
将至少一个光谱通道的光学元件移位到更靠近(或更远离)检测器1624可以有助于更宽或特定范围的红外波长的成像。在一些实施例中，一个或多个光谱通道的透镜可以朝检测器1624大约20微米。透镜位置移位约20微米可以使这些通道能够适当地聚焦具有3和8微米之间的波长的入射IR辐射(incident IR radiation)。剩余的(即，未移位的)透镜可以适当地聚焦具有约8至14微米的较长波长的入射IR辐射。
作为示例，系统1000的角落中的四个通道的透镜元件L1、L2和L3(图19透视图中的通道1、4、9和12)可以从其它通道朝红外检测器1624偏移大约20微米。角落中的四个通道的偏移可以使偏移通道能够对具有与剩余通道不同(例如，更短)波长的物体进行成像。特别地，偏移通道可以传播较短波长的光。L1、L2、L3中使用的材料的折射率可以随波长变化。因此，这些通道中的成像光学器件的焦距可以更短。在不减小成像光学器件和检测器阵列之间的距离的情况下，图像将失焦。类似地，通过减小到检测器阵列的该距离，图像可以更加聚焦。因此，可以通过将透镜(例如，L1、L2、L3)移动到更靠近检测器阵列并且从而为更短的波长(诸如从8微米向下延伸到3微米的波长)提供更好的聚焦(例如，与波长8至14微米相比)来减小该距离。因此，沿着光轴的偏移可以为入射到检测器1624上的不同波长的红外辐射提供增加的聚焦。因此，沿着光轴的偏移可以减小在不同波长下操作的通道的聚焦差异。
B.旋转快门
如上面关于图1-4所解释的，提供一个或多个参考表面用于校准DAISI系统可能是重要的。例如，如上所述，在一些实施例中，本文公开的系统可以利用具有已知和/或测量温度的一个或多个快门。为了校准系统，可以沿着系统的光轴放置一个或多个快门(或(一个或多个)其它参考表面)，并且光学检测器阵列可以采集快门的红外图像数据。检测器阵列处的测量值可以用于估计像素的增益和/或偏移，以便准确地估计物体(诸如气体云)的浓度。在一些实施例中，如上所述，系统可以利用处于对应的多个已知和/或测量温度的多个快门或表面。可以在检测器阵列处测量快门或表面之间的绝对温差，并且如本文所解释的，可以利用测量的温差来测量物体处的温度。
图17A是图16B和16D中所示的快门1621的前视平面图。图示的快门1621可以包括旋转快门组件，该旋转快门组件被配置为绕平行于系统的光轴的轴旋转。快门1621(或快门组件)可以包括快门框架1706和可旋转地安装到快门框架1706的快门主体1701。例如，快门1621可以包括被设置在快门框架1706的孔径内的转轴(shaft)1705。可以激活快门驱动系统1708以使转轴1705绕平行于系统的光轴的轴旋转。驱动系统1708可以包括任何合适的驱动部件用于向转轴1705施加旋转。例如，驱动系统1708可以包括驱动马达和一个或多个齿轮(或其它离合器机构)以将旋转施加到转轴1705。转轴1705可以被固定到快门主体1701，使得转轴1705的旋转将旋转向快门主体1701施加旋转。
快门主体1701可以包括在快门主体1701上彼此周向间隔开的多个分离且不同的区域1702、1703、1704、1710。在所示实施例中，例如，快门主体1701可以包括第一参考区域1702、第二参考区域1703、红外成像区域1704和可见成像区域1710。在一些实施例中，第一参考区域1702和/或第二参考区域1703可以对红外辐射不透明。系统1000可以包括红外成像孔径1709，该红外成像孔径1709可以对应于系统1000的前孔径。例如，在系统1000的操作期间，至少来自物体的红外辐射可以穿过红外成像孔径1709并到达系统1000的光学元件(例如，滤光器、透镜等)。系统1000还可以包括可见成像孔径1711，至少来自物体的可见光通过该孔径进行传递。可见成像孔径1711至少对于可见光是透明的，使得来自物体的可见光穿过孔径1711并到达可见光成像系统1680，可见光成像系统1680可以包括可见光传感器以从物体捕获可见光图像数据。
可以在处理单元1611中提供处理电子器件以控制驱动系统1708的操作。处理电子器件可以包括一个或多个处理器，该一个或多个处理器被编程为指示马达使转轴1705绕其旋转轴进行旋转。转轴1705和快门主体1701的旋转使得区域1702、1703、1704、1710也旋转。为了校准系统1000，驱动系统1708可以旋转快门主体1701，使得第一参考区域1702与红外成像孔径1709大致对准。第一参考区域1702可以处于已知或测量的第一温度。例如，在一些实施例中，第一参考区域1702可以通过一个或多个加热或冷却元件主动地维持在预定温度。在一些实施例中，可以(在存在或不存在主动加热或冷却的情况下)通过一个或多个温度传感器(例如，热电偶等)监测第一参考区域1702的第一温度。因此，系统1000可以准确地测量或以其它方式存储第一参考区域1702的近似温度。当第一参考区域1702与红外成像孔径1709对准时，光学检测器可以采集表示第一参考区域1702的第一温度的第一校准图像数据。
类似地，可以激活驱动系统1708以使快门主体1701旋转，使得第二参考区域1703与红外成像孔径1709大致对准。与第一参考区域1702一样，第二参考区域1703可以通过一个或多个加热或冷却元件主动地维持在第二预定温度。在一些实施例中，可以(在存在或不存在主动加热或冷却的情况下)通过一个或多个温度传感器(例如，热电偶等)监测第二参考区域1703的第二温度。因此，系统1000可以准确地测量或以其它方式存储第二参考区域1703的近似温度。当第二参考区域1703与红外成像孔径1709对准时，光学检测器可以采集表示第一参考区域1703的第二温度的第二校准图像数据，第二温度可以与第一参考区域1702的第一温度相差已知和/或预定的量。
在操作期间(例如，当校准完成并且用户希望采集物体的图像数据时)，驱动系统1708可以使快门主体1701旋转，使得红外成像区域1704与DAISI系统1000的红外成像孔径1709大致对准。快门主体1701的可见成像区域1710可以相对于快门主体1701的红外成像区域1704间隔开，使得当红外成像区域1704与系统1000的红外成像孔径1709对准时，可见成像区域1710也与系统1000的可见成像孔径1711对准。当红外成像区域1704和可见成像区域1710与相应的孔径1709、1711对准时，来自物体的红外辐射可以穿过红外成像区域1704和红外成像孔径1709并到达红外成像光学器件。类似地，当红外成像区域1704和可见成像区域1710与相应的孔径1709、1711对准时，来自物体的可见光辐射可以穿过可见成像区域1710和可见成像孔径1711并且到达可见光成像系统1680。
快门主体1701可以包括任何合适数量的参考区域，并且参考区域可以被设置在主体1701上的任何合适的位置。另外，快门主体1701可以包括用于控制各种部件的操作的嵌入式处理电子器件，诸如(一个或多个)温度传感器、驱动系统1708、主动加热和/或冷却元件等。有利地，图17A的实施例使得本文公开的DAISI系统1000能够通过旋转单个旋转轮快门来高效地校准系统。
C.双快门
图17B是根据一些实施例的快门1621A的示意性透视分解图。图17C是处于闭合配置的快门1621A的前视图。图17D是处于打开配置的快门1621A的前视图。快门1621A可以与本文公开的任何DAISI系统1000一起使用。
快门1621A可以包括驱动系统1708，驱动系统1708包括第一驱动元件1708A和第二驱动元件1708B。第一驱动元件1708A和第二驱动元件1708B可以包括马达，该马达被配置为将旋转施加到对应的第一快门主体1701A和第二快门主体1701B。第一驱动元件1708A和第二驱动元件1708B可以沿着横向方向彼此间隔开。第一驱动元件1708A和第二驱动元件1708B可以具有连接到相应的驱动齿轮1721A、1721B的驱动转轴，每个驱动齿轮可以具有多个齿轮齿。马达的驱动转轴(未示出)(齿轮1721A、1721B连接到该驱动转轴)可以被设置在框架1720的对应凹槽(recess)1725中。如图17C和17D所示，驱动齿轮1721A、1721B可以被设置在快门主体1701A、1701B上方。驱动齿轮1721A、1721B可以通过框架1720与驱动元件1708A、1708B分离。
滑环1722A、1722B可以被设置在框架1720的对应孔(hole)1726中。在一些实施例中，滑环1722A、1722B可以被配置为在孔1726内旋转。各个齿轮转轴1727A、1727B可以安装到滑环1722A、1722B的对应凸缘(flange)上。第一快门主体1701A和第二快门主体1701B可以被固定到对应的快门齿轮1723A、1723B。可以提供保持垫圈(retaining washer)1724A、1724B以将快门主体1701A、1701B和齿轮1723A、1723B固定到齿轮转轴1727A、1727B。
如图17C和17D所示，驱动齿轮1721A、1721B可以与快门齿轮1723A、1723B可操作地接合。为了旋转快门主体1701A、1701B，可以激活驱动元件1708A、1708B以引起驱动齿轮1721A、1721B的旋转，这进而可以使快门齿轮1723A、1723B旋转。例如，驱动齿轮1721A、1721B的齿轮齿可以与快门齿轮1723A、1723B的对应齿轮齿啮合或交错。快门齿轮1723A、1723B的旋转可以使快门主体1701A、1701B绕与DAISI系统1000的光轴平行的各个轴旋转。例如，在一些布置中，快门主体1701A、1701B的旋转可以使滑环1722A、1722B在孔1726内旋转。
与图17A的实施例一样，在图17B-17D的实施例中，快门1621A可以用于校准DAISI系统1000。例如，第一快门主体1701A可以处于已知或测量的第一温度。例如，在一些实施例中，第一快门主体1701A可以通过一个或多个加热或冷却元件主动地维持在预定温度。在一些实施例中，可以(在存在或不存在主动加热或冷却的情况下)通过一个或多个温度传感器(例如，热电偶等)监测第一快门主体1701A的第一温度。因此，系统1000可以准确地测量或以其它方式存储第一快门主体1701A的近似温度。当第一快门主体1701A与红外成像孔径1709对准时，光学检测器可以采集表示第一快门主体1701A的第一温度的第一校准图像数据。
类似地，第二快门主体1701B可以处于已知或测量的第二温度。例如，在一些实施例中，第二快门主体1701B可以通过一个或多个加热或冷却元件主动地维持在预定温度。在一些实施例中，可以(在存在或不存在主动加热或冷却的情况下)通过一个或多个温度传感器(例如，热电偶等)监测第二快门主体1701B的第二温度。因此，系统1000可以准确地测量或以其它方式存储第二快门主体1701B的近似温度。当第二快门主体1701B与红外成像孔径1709对准时，光学检测器可以采集表示第二快门主体1701B的第二温度的第二校准图像数据。
在图17C中，快门1621A被图示为处于闭合配置，其中快门主体1701A、1701B中的一个或多个与红外成像孔径1709对准。在闭合配置中，快门主体1701A可以沿着横向方向被设置在两个旋转轴之间的横向区域中。在所示的布置中，快门主体1701A、1701B两者与孔径1709对准。在其它布置中，驱动系统1708可以独立地将快门主体1701A、1701B中的每一个与孔径1709对准。例如，系统1000可以旋转第一快门主体1701A以与孔径1709对准来采集第一校准测量，如图17D所示。同时，系统1000可以将第二快门主体1701B旋转到其闭合位置(即，与孔径1709对准)，或者可以将第二快门主体170B旋转到其打开位置。为了采集第二校准测量，系统1000可以旋转第一快门主体1701A以暴露孔径1709，并且可以旋转第二快门主体1701B以与孔径1709对准。在其闭合配置中，快门主体1701B可以沿着横向方向被设置在两个旋转轴之间的横向区域中。当校准完成时，驱动系统1708可以将快门主体1701A、1701B两者旋转到它们各自的打开位置，以暴露红外成像孔径1709，如图17D所示。如以上所解释的，来自物体(诸如气体云)的红外辐射可以进入孔径1709并照射(impinge)到成像光学器件(诸如滤光器1620、透镜等)上。
D.透镜阵列
本文描述的分孔径红外光谱成像(DAISI)系统，包括上面部分II中公开的DAISI系统和上面部分III中公开的移动DAISI系统，可以包括特征，诸如用单片透镜基板形成的透镜阵列、用个体透镜基板形成的透镜阵列、图案化的光学滤光器、个体光学滤光器的阵列、以及耦合到诸如光学焦平面阵列(FPA)单元和透镜组件的部件的冷却模块。
如本文所述，DAISI系统可以包括包含透镜阵列1002的透镜组件1502。如结合图18A所公开的，透镜阵列1002的每个透镜可以至少部分地限定或被包括在要由FPA单元1008成像的光学通道中。
在至少一些实施例中，可以提供挡板2500(例如，在安装板1584中)以减少或阻挡杂散光。挡板2500可以减少或阻挡经由一个光学通道(其可以与一个透镜相关联)进入的光经由另一个光学通道(其可以与另一个透镜相关联)离开透镜组件1502。挡板2500可以由任何期望的材料形成并使用任何期望的技术。作为一个示例，挡板2500可以包括具有通过机械或激光切割形成的透镜开口的金属板。如果期望的话，挡板2500可以用具有与基板2501的热膨胀系数(CTE)相似或匹配的CTE的材料形成。通过具有相似或匹配的CTE，挡板2500和基板2501可以在宽温度范围内维持光学性能。
1.用于透镜的单片基板
如图18A和18B所示，透镜阵列1002可以由一个或多个单片基板2501形成。换句话说，透镜阵列1002中的多个透镜(即，一些或全部透镜)可以共享单个共同基板。可以以提供与多个光学通道相关联的透镜的方式形成单片基板。如图18B所示，透镜阵列1002的所有透镜可以由单个单片基板2501形成。以这种方式，单片透镜基板2501可以包括与DAISI系统中的每个光学通道的透镜对应的部分。例如，单片基板2501可以包括与第一光学通道对应的透镜部分2502A、与第二光学通道对应的透镜部分2502B等。
虽然图18B图示了单片透镜基板2501具有由基板的相应成形(例如，球形)部分形成的多个透镜部分，但单片透镜基板2501也可以是基于梯度折射率的光学基板(即，透镜基板2501可以形成GRIN透镜)。在这样的布置中，单片基板2501可以用平坦表面形成，但是与常规成形的透镜相同的方式，以使光通过每个透镜部分2502A、2502B等聚焦的方式，具有形成透镜的基板材料的折射率的变化。诸如单片基板2501的透镜基板也可以用透镜形成的成形部分和基板材料的折射率的透镜形成的变化的组合形成。
透镜基板2501可以由任何合适的材料形成，材料包括但不限于硅、锗、硫属元素玻璃、氟化钙、硒化锌、硫化锌、砷化镓、碲化镉、黑色金刚石-2TM(BLACK DIAMOND-2TM)(由锗、锑和硒的非晶态混合物制成的硫属元素化物)、AMTIRTM(透射红外辐射的非晶态材料)、溴化铊碘化物、IR熔融石英、氯化钠、溴化钾、氯化钾、蓝宝石、水晶石英、UV熔融石英、钡氟化物、氟化钙、氟化镁、氟化锂等。透镜基板2501可以优选地由对红外波长和/或系统1000被配置为检测的其它波长透明的材料形成，并且可以由玻璃物质、晶体物质和/或其它合适的物质形成。
可以将透镜基板2501模制成期望的形状(即，可以通过模制处理形成各个透镜部分2502A、2502B等)。当透镜基板2501由玻璃或其它非晶态材料形成时，模制处理可能是特别合适的。透镜基板2501也可以被研磨或切割成期望的形状(即，可以通过金刚石切割或其它方法形成各个透镜部分2502A、2502B等)。当透镜基板2501由晶态物质或其它类似物质形成时，研磨和切割处理可能是特别合适的。通常，无论透镜基板2501是由非晶态物质、晶态物质还是其它物质形成，都可以使用模制、研磨、切割和其它类似处理的组合来成形透镜基板2501。
2.个体透镜基板
如图18C以及图18D-18E所示，透镜阵列1002可以由个体透镜基板的阵列形成，诸如透镜基板2504A、2504B等(本文也称为个体透镜)。通过从个体透镜的阵列形成透镜阵列1002，可以简化透镜阵列1002的制造(即，至少在一些情况下，生产多个个体透镜可能比生产包括多个透镜部分的单片基板更简单)。透镜阵列1002中的个体透镜2504A、2504B等可以由任何合适的材料形成，包括本文结合单片透镜基板2501描述的那些材料。透镜阵列1002中的个体透镜2504A、2504B等可以使用任何合适的技术来形成，包括本文结合单片透镜基板2501描述的那些技术。
透镜阵列1002，无论是由个体的透镜基板还是单片透镜基板形成，都可以安装在透镜架1584(本文也称为安装板)中。透镜架1584可以由任何期望的材料并使用任何期望的技术来形成。作为一个示例，透镜架1584可以由金属形成，具有通过机械或激光切割形成的透镜开口。在至少一些实施例中，透镜架1584可以由具有与透镜阵列1002中的透镜的热膨胀系数(CTE)相似或匹配的CTE的材料形成。通过具有相似或匹配的CTE，透镜架1584和透镜阵列1002中的透镜可以在宽温度范围内维持光学性能。换句话说，通过具有相似或匹配的CTE，即使整个系统的温度变化，透镜架也能够维持透镜部分2502A、2502B等或个体透镜2504A、2504B等的光学对准。作为具体示例，透镜架1584可以由可伐合金
Figure BDA0002094797270000891
(具有与锗基本上类似的CTE特性的镍-钴铁合金)形成。
Figure BDA0002094797270000901
可以具有大约5.5 x10-6/开氏度的CTE(在低于200℃的温度下)，而硼硅酸盐玻璃可以具有大约3至6 x 10-6/开氏度的CTE(在低于200℃的温度下)。
图18D示出了图18C的成像系统的分解透视图。图18E示出了图18C的成像系统的横截面视图。如图18D和18E所示，透镜阵列1002可以包括多个光学层，诸如前透镜2504A、2504B等；中间透镜2506A、2506B等；以及后透镜2508a、2508B等。此外，透镜阵列1002可以包括垫圈或其它安装结构2514和2516，当透镜阵列1002与透镜架1584组装在一起时，所述垫圈或其它安装结构2514和2516将前透镜、中间透镜和后透镜保持在一起。另外，成像系统可以包括滤光器外壳2510，滤光器外壳2510包括滤光器阵列2512A、2512B，其中每个滤光器阵列对应于特定光学通道和相应的前透镜、中间透镜和后透镜集合。在至少一些实施例中，前透镜、中间透镜和后透镜可以凹入到透镜架1584的前部并由滤光器外壳2510固定。图18D的布置可以减少杂散光(即，进入第一光学通道并越过进入到第二光学通道中的光)的可能性。换句话说，当透镜凹入在透镜架1584内时，透镜架1584可以作为杂散光阻挡挡板进行操作。
图18D中所示的中间透镜2506和后透镜2508可以使用与本文结合透镜2504描述的材料类似的材料形成。此外，中间透镜2506和后透镜2508可以使用与本文结合透镜2504描述的制造技术类似的制造技术来形成。在至少一些实施例中，中间透镜2506可以具有相对平坦的前表面和后表面，而前透镜2504和后透镜2508具有弯曲的前表面和后表面。在至少一些其它实施例中，前透镜、中间透镜和后透镜中的一些或全部由GRIN透镜形成。
E.滤光器阵列
如本文所讨论的，气体和化学物成像系统可以包括光学滤光器的阵列2550，诸如图19中所示的阵列2550，该阵列定义光谱上不同的子图像。这些光学滤光器可以各自通过不同的波长或波长范围或波段或波长集合或波长范围集合或入射光波段。在至少一些实施例中，光学滤光器中的一些或全部包括使红外范围内的入射光的不同波长或波长集合(例如，通常在波长上从大约1微米延伸到大约20微米)通过的滤光器。结合图6A、6B、6C和6D示出和描述了可用于本文所述类型的气体和化学物成像系统的光学滤光器的透射特性的理论图。结合图6A、6B、6C和6D示出和描述的光学滤光器仅仅是说明性的。
虽然滤光器和滤光器阵列2550在本文中通常被描述为与光学透镜阵列1002(以及透镜2502、2504、2506或2508)分离，但是如果期望的话，滤光器可以被结合到光学透镜阵列1002的一些或全部透镜中或者在光学透镜阵列1002的一些或全部透镜上。特别地，滤光器阵列2550可以作为涂层被提供在透镜阵列1002的一些或全部透镜上。在透镜阵列1002由单片基板形成的布置中，滤光器阵列2550可以由涂覆在单片基板上或集成在单片基板内的图案化滤光器阵列(如本文所述)形成。在透镜阵列1002由个体透镜形成的布置中，滤光器阵列2550可以由涂覆在一些或全部个体透镜上或集成在一些或全部个体透镜内的个体滤光器形成。
1.图案化的滤光器阵列
如图19所示，可以提供滤光器阵列2550，其包括被图案化以形成个体光学滤光器2512A、2512B等(在图19中也标记为1、2、...12)并且具有被设置在各个光学滤光器之间的红外阻挡材料2558的基板2501。滤光器阵列2550在本文中也可以被称为滤光器阵列454。每个个体光学滤光器2512A、2512B等可以仅针对其相应的光学通道和其相应的红外检测器通过期望的红外辐射。在至少一些实施例中，各个光学滤光器选择性地通过在大约1至20微米波长的红外范围内、在大约7-14微米的红外范围内、或在大约3-14微米或3-8.5微米的红外范围内的至少一个波长或波长范围或波段或波长集合或波长范围或波段集合。作为示例，系统1000中的一个或多个光谱通道可以具有(可以由多个滤光器形成的)红外滤光器，其通过3微米至4微米范围和6至8微米范围(或7微米至8.5微米范围、或7至8微米范围、或其它合适范围)两者中的红外光。换句话说，系统1000可以包括至少一个光谱通道中的双陷波红外滤光器。即使没有来自系统1000中的其它光谱通道的信息，这种双陷波滤光器在检测特定气体的红外特征(诸如甲烷)时也特别有用。陷波滤光器通常可以衰减落在其通过范围之外的波长。作为示例，通过3至4微米和6至8.5微米范围两者中的红外光的双陷波滤光器可以衰减短于3微米的波长、4和6微米之间的波长、以及长于8.5微米的波长。红外阻挡材料2258可以帮助减少其中红外光进入第一光学通道但是非期望地越过第二光学通道的光学串扰或杂散光。
可以使用任何合适的技术或技术的组合在基板2501上形成个体光学滤光器2512A、2512B等。作为示例，可以通过改变在每个光学滤光器的地点处沉积的一种或多种材料的类型、在每个光学滤光器的地点处形成的一种或多种材料的厚度、在每个光学滤光器的地点处的一种或多种材料的层数等来调节各个光学滤光器的光学透射特性。在至少一些实施例中，光学滤光器可以是干涉滤光器并且可以是带通滤光器、高通滤光器、低通滤光器或带阻滤光器。在至少一些实施例中，光学滤光器可以由确定滤光器的光学透射特性的一个或多个薄膜层形成。可以使用具有不同设计(例如，具有不同数量或布置的层、不同材料、不同厚度层等)的干涉涂层。形成个体光学滤光器2512A、2512B等可能涉及诸如掩模、蚀刻、沉积、平坦化、掺杂、剥离掩模材料等的处理步骤。以这种方式，可以选择性地处理一个或多个光学滤光器，同时保护一个或多个其它光学滤光器)。
红外阻挡材料2558可以用作挡板、孔径光阑或者场光阑，并且可以在滤光器2512之间的空间中被图案化到基板2501上。红外阻挡材料2558可以由任何合适的材料形成，诸如铬，该材料阻挡包括滤光器2512之间的杂散光的光。在至少一些实施例中，可以形成红外阻挡材料2558以实现变迹(apodization)(即，平滑变化的透射分布、根据滤光器阵列中的位置平滑地变化的透射分布等)。特别地，红外阻挡材料2558可以提供缓慢变化的梯度挡板、孔径光阑或者场光阑，其在滤光器的中心附近具有最大透射率，在滤光器之间的空间中具有最小或零透射率，并且在滤光器的边缘附近具有一些中间透射率。可以使用合适的图案化和处理技术以这种方式形成红外阻挡材料2258。
2.个体或切割滤光器
图20A-20C图示了滤光器阵列2550的替代布置，其中滤光器阵列2550由个体滤光器形成。在这种布置中，使用合适的处理步骤(如本文结合图案化滤光器所描述的)创建滤光器批次。每批可以包括特定滤光器的多个副本(即，滤光器2512A、2512B等中的一个)。在形成批次之后，可以分离或切割该特定滤光器的多个副本，以创建该特定滤光器的个体副本。然后可以将形成滤光器阵列2550的每个滤光器的各个副本(这些副本已经从它们相应的批次分离或切割)组装成滤光器阵列2550。利用这种类型的布置，每个批次的处理可以被稍微简化，因为正在处理的每个基板仅包括单个类型的滤光器。简化批次处理的益处可能超过分离或切割以及随后将各个滤光器组装到滤光器阵列2550中所涉及的任何附加的复杂性。
如图20B和20C的后视图所示，滤光器外壳2510可以包括对准结构2560A、2560B等，其中安装和对准各个滤光器2512A、2512B等。对准结构2560A、2560B可以由滤光器外壳2510中的凹槽、配准特征、立柱、其它合适的元件或这些和其它元件的组合形成。在至少一些实施例中，当被组装到安装板1584上时，各个滤光器可以通过压力固定到外壳2510。如果期望的话，各个滤光器也可以或替代地通过压力(即，通过在外壳2510的凹槽部分中卡入到位)、粘合剂、螺钉、夹子或其它紧固元件固定到外壳2510。
F.检测器阵列
如本文所讨论的，气体和化学物成像系统可以包括检测器，诸如光学焦平面阵列(FPA)1508。FPA 1508可以从空间上分离的多个光学通道并且例如借助于滤光器阵列2550接收光，并且该光可以在光谱上不同。在至少一些实施例中，FPA 1508可以由被配置为检测红外辐射的一个或多个微辐射热测量计阵列形成，如本文更详细地讨论的。在至少一些实施例中，个体透镜2502、2504等和滤光器2512可以横向间隔开约2mm至约20mm的范围内、约3mm至约10mm的范围内、约4mm至约8mm的范围内、约4.3mm的距离，或一些其它合适的距离。同样地，FPA 1508的空间上和光谱上间隔的通道可以物理地间隔约2至20mm、3至10mm、4至8mm、约4.3mm等。
图21还图示了成像系统可以包括诸如FPGA板2590、信号调节板2592和数据通信板2594的部件。FPGA板2590和信号调节板2592可以被配置为执行在如本文所讨论的由光学系统捕获的图像的分析中使用的方法(参见例如图12的处理单元1021的讨论)。数据通信板2594可以被配置为与和成像系统物理分离的至少一个设备(例如，通过有线或无线连接)进行通信，如本文所讨论的(参见例如图12的通信模块1024的讨论)。
1.TEC冷却
如图21所示，FPA 1508可以使用利用珀耳帖(Peltier)效应的热电冷却(TEC)设备2570(其也可以作为加热器进行操作)或使用其它冷却和/或加热设备来主动冷却、加热、进行温度稳定和/或主动热控制。TEC设备2570可以耦合到散热器2572和散热器风扇2574。在操作中，TEC设备2570可以将热能从FPA 1508递送到散热器2572，并且散热器风扇2574可以将热能传输到周围环境中。如果期望的话，除了散热器风扇2574之外或代替散热器风扇2574，可以通过液体冷却来冷却散热器2572。成像系统可以包括热耦合到FPA 1508或TEC设备2570的温度传感器。温度传感器可以集成到FPA 1508中、集成到TEC设备2570中，或者可以是单独的设备。TEC设备2570可以被配置为使用温度传感器来监测FPA 1508的温度，并且作为响应，将FPA 1508维持在目标温度。通过保持FPA 1508的温度相对恒定，可以改进或优化FPA 1508的校准。特别地，可以在TEC设备2570将FPA 1508冷却到期望的操作温度之后校准FPA 1508，然后TEC设备2570可以将FPA 1508保持在操作温度以维持校准。替代地，TEC设备2570可以在最大或其它预设冷却功率下进行操作，以维持尽可能低的FPA 1508的温度。替代地，TEC 2570可以将FPA 1508的温度维持在某个期望的范围内，例如，低于第一温度、高于第二温度等。在一些实施例中，TEC 2570可以低温冷却FPA 1508。在其它实施例中，TEC2570可以将FPA 1508冷却至非低温温度，诸如环境温度、低于环境温度10℃、低于环境温度20℃、低于环境温度30℃等，或者与环境无关的温度，诸如-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃等，以及这些温度的任何组合内的任何范围。TEC设备2570可以是单级TEC冷却器，或者可以包括多级(例如，具有由较大的第二TEC级冷却的“热侧”的第一TEC级，第一TEC级本身具有由散热器冷却的热侧)。TEC单元2570冷却FPA 1508的温度(无论是绝对温度还是相对于环境的温度)可以被预先配置、可以由用户设置、或者可以作为校准处理的一部分被确定。作为示例，校准处理可以涉及确定FPA 1508需要被冷却到某个温度(无论是绝对温度还是相对于环境的温度)以达到期望的性能水平。作为响应，成像系统中的冷却控制器可以基于校准的结果对其自身进行配置以将FPA 1508维持在该温度。以这种方式，可以提高FPA 1508的气体和化学检测的准确度。
成像系统可以包括一个或多个控制器，该一个或多个控制器控制冷却单元(诸如TEC单元2570和2580)的操作。控制器可以接收来自耦合到正在被冷却的元件的温度计(即，温度传感器)、确定环境温度的温度计、成像系统中的其它处理器和控制器的输入、来自TEC单元或其它冷却单元的反馈等。控制器可以实时调整TEC单元的操作，以便维持冷却性能和正在被冷却的元件的期望温度。
2.光学器件的TEC冷却
如果期望的话，可以使用利用珀耳帖效应的热电冷却(TEC)设备2580或使用另一个冷却/或加热设备来主动冷却和/或加热包括诸如透镜阵列1002、安装板1584和滤光器外壳2510之类的元件的透镜组件1502。TEC设备2580可以耦合到散热器2582和散热器风扇2584。在操作中，TEC设备2580可以将热能从透镜组件1502递送到散热器2582，并且散热器风扇2584可以将热能传输到周围环境中。如果期望的话，除了散热器风扇2584之外或代替散热器风扇2584，可以通过液体冷却来冷却散热器2582。TEC设备2580可以设置有任何特征，并且可以使用本文结合TEC设备2570所讨论的任何技术进行操作。作为示例，TEC设备2580可以主动地将透镜组件1502冷却到低温或非低温温度、可以利用温度计来监测透镜组件1502的温度、可以是单级或多级TEC设备、可以促进校准和维护校准性能等。通过主动冷却透镜组件1502，可以提高FPA 1508的气体和化学检测的准确度。
如通过热连接2586示意性所示，透镜组件1502可以可选地由TEC设备2570主动冷却。热连接2586可以是热管2582或其它设备。换句话说，TEC设备2570可以通过热管2586、通过将透镜组件1502安装到FPA 1508和/或TEC设备2570、或者经由其它设备向FPA 1508提供初级冷却和向透镜组件1502提供次级冷却。
G.减少串扰
DAISI系统(无论是安装在固定地点还是移动DAISI系统)可以包括用于通过光学检测器对物体(诸如气体云)进行成像的透镜阵列。例如，如本文结合图18A-18E所述，DAISI系统可以包括透镜组件1502，透镜组件1502包括至少部分地限定或被包括在要由FPA单元1008成像的光学通道中的透镜阵列2504、2506和2508。在贯穿本申请描述的一些实施方式中，DAISI系统被配置为用于对物体进行成像的红外(IR)成像系统。被配置为对IR辐射进行成像的FPA可能是昂贵的，因此为了增加或最大化FPA单元1008的可用区域，将光学通道紧密定位在一起或者尽可能地物理上靠近在一起可能是有利的。但是，将光学通道紧密定位在一起可能导致来自一个光学通道的非期望的杂散光线越过进入相邻的光学通道，本文中也称为“光学串扰”。在各种实施例中，透镜可以边缘到边缘间隔开0mm至2mm的范围内、0mm至1mm的范围内、0mm至0.5mm的范围内、或0.05mm至0.5mm的范围内，例如，约0.1mm的距离。
例如，图22A是图示图18D的透镜组件1502的光学通道之间的光学串扰的一个示例的光线轨迹图。除非另有说明，否则图22A中的相同的标号表示与图18A-18E中的相同编号部件相同或相似的部件。图22A图示了结合图18A-18E描述的各种光学元件作为光学表面的集合(在图22A中表示为平面)。例如，透镜组件1502可以包括透镜2504、透镜2506、透镜2508、滤光器2512和光学窗口2607。(图22A示意性地图示了光学窗口2607以及透镜2504、2506和2508中的每一个的前表面和后表面)。透镜组件1502可以用于对沿着光学检测器2610的轴2680与透镜组件1502间隔开的物体2601进行成像。图22A描绘了与沿着轴2680A设置的光学通道2602A对应的透镜2504A、2506A和2508A。虽然图22A描绘了9个不同的光学通道2602，但任何数量(两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十二个或更多个)光学通道2602是可能的。
每个光学通道2602被配置为从物体2601收集光并沿着其对应的轴2680朝光学检测器2610传输光(被表示为光线2605)。光学检测器2610可以生成表示与针对每个光学通道2602接收的光对应的图像的数据。但是，如图22A所示，由于光在光学表面上的入射角和透镜的折射性质，一些光可能在相邻光学通道之间穿过。例如，光线2605A和2605B被透镜2504折射到相邻光学通道中并从期望的光学通道2605(在图22A中，中心光学通道)中折射出来。因此，入射在一个光学通道上的光的一部分可以穿过进入相邻的光学通道(例如，光学通道2602A)，并且在被相邻光学通道传输到光学检测器2610时被添加到来自物体2601的光。来自相邻光学通道的附加光可能使与给定光学通道2602对应的数据失真、损坏或以其它方式被干扰。
因此，在包括紧密封装的光学通道的透镜阵列的DAISI系统中，控制杂散光线是重要的。本文公开的各种实施例采用可以提供这种控制以增加、改进或优化光学检测器的照明，同时减少杂散光对所得图像的影响的各种技术。例如，DAISI系统可以被配置为在光学检测器处提供光学通道的图像的渐晕，以去除或至少部分地减少光学通道之间的光学串扰。DAISI系统可以通过光学通道的外围或边缘处的光的亮度或照明的至少部分减小来引起渐晕。例如，DAISI系统可以包括一个或多个挡板或孔径元件，该一个或多个挡板或孔径元件被配置为至少部分地阻挡杂散光在光学通道之间穿过，同时允许光学通道传输入射在该光学通道上的光。一个或多个挡板或孔径元件也可以被配置为至少部分地阻挡已经在光学通道之间穿过的杂散光到达光学检测器。在紧密封装的透镜阵列系统中减少光学通道之间的光学串扰可能是重要的，因为当光学通道被紧密放置在一起时，光学通道之间的光学串扰可能增加，从而降低所获得的数据的质量。
在各种实施例中，本文公开的每个系统可以用于监测任何合适的安装站点中的潜在气体泄漏，安装站点包括但不限于钻井平台、炼油厂、管道、运输系统、船舶或其它船只(诸如，离岸石油钻井平台、火车、油罐车、石油化工厂、化学工厂等)。另外，本文公开的每个系统还可以与任何移动DAISI系统一起使用，移动DAISI系统包括但不限于由用户穿戴或携带的系统。此外，本文例如关于图22A-22G公开和图示的每个实施例和方面可以与通过本申请公开和图示的任何特征或任何特征组合进行组合使用。
图22B是被配置为至少部分地减少光学串扰的透镜组件2702的分解透视图，该组件可以与DAISI系统结合使用。透镜组件2702基本上类似于图18A-18E的透镜组件1502。除非另有说明，否则图22B中的相同标号表示与图18A-18E中相同编号的部件相同或相似的部件。虽然结合透镜组件1502描述了透镜组件2702，但是本文描述的各种特征可以与任何其它合适类型的光学系统结合使用。例如，结合图18A-18E描述了图22B中所示的各种透镜和透镜阵列和部件。但是，透镜组件2702可以包括可以与如本文所述的多个空间上和光谱上不同的光学通道对应的任何数量的透镜和光学元件或透镜和光学元件的任何组合。
透镜组件2702可以被设计为阻挡已经在一个光学通道和另一个光学通道之间穿过进入另一个光学通道的杂散光线。在一些实施方式中，透镜组件2702还可以被配置为允许入射在给定光学通道上的光线通过该光学通道传输到光学检测器的对应区域(例如，如下面结合图22D所述的检测区域)。在各种实施例中，光学检测器可以包括单个焦平面阵列。在各种其它实施例中，光学检测器可以包括多个焦平面阵列。例如，透镜组件2702可以包括至少一个挡板2630，其被配置为控制杂散光以在光学检测器处提供图像的至少部分渐晕。在一些实施例中，透镜组件2702可以包括两个挡板2620和2630。除非另有说明，否则挡板2620和2630可以基本上类似于图18A-18E的挡板2500，并且被配置为至少部分地阻挡光在光学通道之间穿过。挡板2620和2630可以被配置为至少部分地阻挡已经从相邻光学通道穿过的杂散光被传输到光学检测器。在各种实施方式中，挡板被配置为在光学检测器阵列或其部分处基本上使图像渐晕。
例如，挡板2620可以被配置为减少或至少部分地阻挡经由一个光学通道进入的光经由另一个光学通道离开透镜组件2702。在一些实施例中，挡板2620被配置为基本上减少穿过光学通道之间的光。挡板2620可以被定位在光学通道2602的前部。在一些实施例中，挡板2620可以被设置在透镜2504附近和/或在透镜2504和物体之间(图22B中未示出)。在另一个实施例中，替代地或组合地，挡板2620可以被设置在滤光器外壳2510和物体之间。在一些实施例中，挡板2620可以形成为滤光器外壳2510的一部分或者集成到滤光器外壳2510的凹槽中(图18D中示出)。在一种实施方式中，挡板2620在制造公差内被设置尽可能地靠近滤光器外壳2510。
如结合图18A-18E所述，挡板2620可以包括光衰减或光阻挡表面，例如，包括光衰减或阻挡材料(例如，金属或塑料)的片或板，其例如通过机械或激光切割形成有多个开口2622(例如，也称为孔径)。每个开口2622A、2622b等可以沿着相应光学通道的轴(例如，图22A的轴2680)而设置。开口2622可以被配置为通过修改进入光学通道的光路来控制入射在光学通道上的光线。例如，每个开口2622可以被配置为阻挡杂散光线，否则这些杂散光线将入射在对应光学通道的外边缘处。开口2622还可以被配置为允许入射在光学通道的中心区域处的光线经由光入射在其上的光学通道被传输到光学检测器(图22B中未示出)。因此，光线至少部分地被阻挡或基本上被阻挡，使得杂散光不穿过进入相邻的光学通道中。
虽然多个开口2622在图22B中被图示为具有圆形形状，但是应该认识到的是，开口2622可以具有任何合适的形状(例如，卵形、矩形、正方形等)，以便使光学检测器处的图像渐晕。开口2622的形状、维度和位置可以基于透镜组件2702中的元件的光学属性和布置。例如，透镜组件2702可以包括光学光阑层2650，该光学光阑层2650包括与每个光学通道对应的多个光学光阑2655a、2655b等。在一个实施例中，光学光阑层2650可以设置在透镜2504和2506之间。多个开口2622的维度可以至少部分地基于光学光阑层2650在透镜组件2702内的位置。例如，对于图22B所示的实施例，每个开口2622具有在3mm至6mm范围内或在4mm至5mm范围内，例如，维度为约4.4毫米，公差为约+/-0.010的横向尺寸(例如，直径、侧面等)。挡板的厚度可以在0.05mm至0.5mm的范围内、在0.1mm至0.3mm的范围内，例如，约0.2mm。虽然本文将开口2622描述为各自具有相同的维度，但是应该认识到的是，这不旨在是限制性的，并且每个开口2622可以具有不同的维度和/或形状。在一些实施例中，挡板2620的结构和地点可以基于已针对任何合适的应用进行了优化的光学系统。
在一些实施例中，提供了挡板2630，该挡板可以类似于挡板2620并且也被配置为至少部分地提供物体的图像的渐晕。挡板2630可以被定位在光学通道的后部，更靠近光学检测器阵列而不是透镜组件的前部元件。在一些实施例中，挡板2630可以被设置在透镜2508附近并且被设置在透镜2508和光学检测器之间。在另一个实施例中，替代地或组合地，挡板2630可以被设置在图18D的透镜架1584和透镜2508之间。在一些实施例中，挡板2630可以形成为透镜架1584的一部分或者附接在其中。在一种实施方式中，挡板2630在制造公差内被设置尽可能地靠近光学检测器。
类似于挡板2620，挡板2630可以包括光衰减或光阻挡表面，诸如金属或塑料片或板，其具有例如通过机械或激光切割形成的多个开口2632。每个开口2632a、2632b等(例如，也被称为场光阑)可以沿着透镜组件2702的光学通道的轴而设置。开口2632可以被配置为通过修改到光学通道的光路来控制通过光学通道传输的光线。例如，每个开口2632可以被配置为阻挡已经在光学通道之间穿过的杂散光线，使得这些杂散光线不被传输到光学检测器。开口2632也可以被配置为允许入射在给定光学通道上的光线通过给定光学通道传输，以到达相关联的光学检测器。例如，挡板2630可以不影响入射在给定光学通道的中心区域的光线和/或具有允许光线将通过给定光学通道进行传输的入射角的光线。因此，光线被阻挡，使得它们不干扰由相邻光学通道形成的图像。
虽然多个开口2632在图22B中示出为具有矩形形状，但是应该认识到的是，开口2632可以具有任何合适的形状(例如，卵形、圆形、正方形等)，以便使光学检测器处的图像渐晕。如上面关于挡板2620所述，开口2632的形状、维度和位置可以基于透镜组件2702中的光学元件的光学属性和布置。因此，多个开口2632的维度可以至少部分地基于光学光阑层2650的位置和维度。例如，对于图22B所示的实施例，每个开口2632具有1mm至5mm、2mm至5mm的范围内、或者3mm至4mm的范围内，例如，约3.2毫米的横向维度(例如，直径、侧面等)。在各种布置中，开口2632可以是多边形(例如，正方形或矩形)或圆角形(例如，椭圆形或圆形)。虽然开口2632在本文中被描述为各自具有相同的维度，但是这不旨在是限制性的，并且每个开口2632可以具有不同的维度和/或形状。在一些实施例中，挡板2630可以被配置用于针对任何合适的应用而设计或优化的光学系统，并且具有基于光学系统的部件的设计。
透镜组件2702可以与包括任何合适的光学布置的光学系统结合使用，诸如将光传输到光学检测器的一个或多个透镜(例如，多个透镜)和/或一个或多个滤光器(例如，多个滤光器)。透镜组件2702是结合各种DAISI系统描述的设计的一个实施例，其可以在设计特性上变化(例如，DAISI系统可以是移动的或固定的)。但是，可以根据期望结合任何合适类型的成像应用来修改透镜组件2702内的位置和光学部件。例如，透镜组件2702可以与任何合适类型的红外成像系统或相机一起使用来控制杂散光以维持系统的光学性能。基于期望的应用，透镜组件2702可以针对具有任何元件的组合或布置的任何特定应用进行优化。因此，对于任何合适的应用，透镜组件2702的各种光学元件可以被修改、移动、移除等。例如，针对特定应用，例如可以改变光学光阑2650的位置，或者可以修改透镜2504、2506和/或2508的光功率和/或位置。
在一些实施例中，对于给定应用，控制杂散光并增加透镜组件2702的灵敏度可以是反向相关的(例如，阻挡光束可能反向影响在光学检测器处接收到的总光量)。因此，在一些实施方式中，设计透镜组件2702使得挡板被配置为将图像边缘处的光阻挡或减少到在图像的中心处入射在光学检测器上的光量的大约0.1％可能是有利的(例如，如下面结合图22F和22G所述)。在另一种实施方式中，替代地或组合地，将透镜组件2702配置为使得来自物体的光的至少约50％或至少约60％被传输到光学检测器可能是有利的(例如，如下面结合图22G所述)。虽然透镜组件2702被描述为包括两个挡板2620和2630，但是应该认识到的是，透镜组件2702可以包括适合于针对合适的应用在光学检测器处使图像渐晕的任何数量的挡板。
图22C是光学检测器2610的前向示意图，该前向示意图描绘了相邻光学通道之间的光学串扰以及由于串扰而导致的可用图像尺寸的潜在结果不均匀性的另一个示例。检测器2610可以包括多个照明区域2616，每个照明区域可以对应于光学通道2602和相关联的部件(诸如透镜或透镜元件2504、2506、2508)。例如，每个照明区域2616可以表示检测器2610的区域，进入相关联的光学通道2602的第一元件的光入射在该区域上。在一些实施例中，不同地点处的光学通道2602(例如，透镜)的宽度可以小于照明区域2616的对应宽度。在图22C所示的布置中，光学通道2602(包括例如透镜阵列的透镜)可以以大致均匀的间隔在二维阵列中间隔开。例如，相邻光学通道之间在垂直方向上的间隔可以是近似均匀的，并且相邻光学通道之间在水平方向上的间隔也可以是近似均匀的。
由于图22C中的光学通道的间隔，照明区域2616可以重叠，如图22C中的重叠区域2618所示。可以发生重叠区域2618，因为由照明区域2616中的透镜产生的图像通常大于相关联透镜和光学通道的其它光学元件的对应区域。重叠区域2618可以指示相邻光学通道之间的光学串扰，并且可以引入非均匀图像区域，该图像区域减小了未被来自其它通道的串扰污染的可用图像的有效尺寸。例如，图22C描绘了不同尺寸的矩形区域，其中重叠区域2618围绕每个矩形区域而设置。矩形区域可以限定用于对物体(诸如气体云)进行成像的可用图像区域2615。
例如，第一光学通道将光传输到光学检测器2610的与照明区域2616A对应的部分。相邻光学通道也在对应的照明区域2616B、2616C、2616D内传输光。但是，因为光学通道一起紧密地间隔开，因此至少照明区域2616B和2616D的光可以进入相邻的照明区域2616A，反之亦然。这产生了图22C中所示的多个重叠区域2618。
在图22C所示的布置中，每个光学通道2602还限定光学检测器2610的检测区域2612。每个检测区域2612包括正方形，该正方形的中心可以与通过与光学通道对应的透镜组件的光轴或中心轴重合。检测区域2612可以包括多个像素并且可以在空间上彼此分离。例如，在所示的布置中，检测区域2612可以分离大约0.136毫米并且可以具有4.25毫米乘4.25毫米的维度。在一些实施例中，照明区域2616可以具有6.01毫米的直径。
因此，特定通道的照明区域2616可以延伸超过该通道的检测区域2612并进入相邻通道的检测区域2612，从而产生重叠区域2618。因此，重叠区域2618可以指示光学通道2602之间的光学串扰。虽然上面已经描述了具体的示例维度，但是这些维度不旨是限制性的，而仅仅是光学检测器2610的一个示例。例如，在所示实施例中，检测区域2612的宽度或高度可以在大约3mm至大约6mm的范围内、或者在3.5mm至5mm的范围内，例如，大约4.250mm。可用图像区域2615的高度可以在大约2毫米至6毫米的范围内，例如，在2mm至5mm的范围内，或者在2mm至4mm的范围内。可用图像区域2615的宽度可以在大约2毫米至5毫米的范围内，例如，在2mm至4mm的范围内。但是，可以修改透镜组件2702的设计来为每个可用区域2615提供更大(或更小)的表面区域。
如图22C所示，在一些布置中，可用图像区域2615在检测器2610处可以是非均匀的。例如，对于检测器2610的内部区域中的照明区域2616(诸如照明区域2616A)，重叠区域2618可以将可用图像区域2615A减小到比相邻可用图像区域2615B、2615C、2615D更大的程度。即，图像区域2615B-2615D可以大于图像区域2615A。另外，图像区域2615C可以大于图像区域2615B、2615D，因为图像区域2615C被设置在检测器2610的角落中，使得仅在检测区域2612的两侧存在图像重叠2618。作为对照，图像区域2615B、2615D的尺寸由于检测区域2612的三个侧面上的图像重叠2618而减小，并且图像区域2615A的尺寸由于检测区域2612的四个侧面上的图像重叠2618而减小。
因此，图像区域2615A-2615D的不同形状和轮廓在检测器2610处产生非均匀的图像区域。在图22C的布置中，检测器2610处的最大图像尺寸可以受到检测器2610上的最小可用图像区域2615(例如，检测器2610的图像区域2615A)的限制。例如，在所示的布置中，可用图像区域2615A可以是沿着x方向的162个像素和沿着y方向的162个像素，其可以表示用于在检测器2610上进行成像的最大可用区域。为了提高系统1000的图像质量和气体检测能力，增加检测器2610的可用图像区域2515可能是重要的。
图22D描绘了指示从物体传输到光学检测器的光的照明区域2616，其中透镜组件可以被配置为以减少的渐晕来增加光学检测器2610处的可用图像区域。图22E是示例透镜组件2702的前视平面图，其维度被设计为将辐射传输到图22D所示的照明区域2616。与图22C的布置一样，图22D的每个照明区域2616可以表示在光学检测器2610处接收来自相应光学通道和相关联透镜的光的区域。照明区域2616可以大于光学通道2602中的对应透镜。如上所述，由于光学通道2602的间隔，照明区域2616重叠，如重叠区域2618所示。重叠区域2618可以指示相邻光学通道之间的光学串扰。与图22C一样，重叠区域2618可以限定可用图像区域2615，该可用图像区域2615在图22D中是矩形(例如，近似正方形)。在图22D所示的实施例中，与图22C所示的实施例不同，这些可用图像区域2615的尺寸大致相同，其中朝向焦平面阵列中心的更多检测区域小于焦平面阵列外围处的检测区域。
在图22D和22E的实施例中，与图22C的布置相比，透镜组件2702可以被设计为增加可用图像区域2615。透镜组件2702中的各种光学元件的光学属性和位置彼此影响并且对得到的可用区域2615产生影响。例如，与图22C中的形成可用图像区域2615的光学通道2602相比，图22E中的光学通道2602(例如，透镜2504、2506、2508)可以间隔得更远。例如，透镜组件2702中的相邻透镜之间的水平(中心到中心)间距dx可以在2mm至6mm的范围内。透镜组件2702中的相邻透镜之间的垂直(中心到中心)间距dy可以在2mm至6mm的范围内。水平间距dx可以与垂直间距dy相同或不同。在一些实施例中，间距dx、dy可以在检测器2610的中心附近较小，并且可以在检测器2610的边缘附近逐渐变大。这样的布置可以使可用图像区域2615更远地移位，以便减少光学串扰并增加每个可用区域2615的面积。在其它布置中，间距dx、dy可以跨透镜组件2702是大致均匀的。在还有的其它布置中，间距dx、dy可以在检测器2610的中心附近较大并且在检测器2610的边缘附近逐渐变小，这可以减少光学串扰和/或增加每个可用区域2615的面积。图22D的可用图像区域2615的宽度可以在2.5mm至5mm的范围内、在3mm至4mm的范围内、在3mm至3.5mm的范围内，例如，约3.357毫米。图22D的可用图像区域2615的高度可以在3mm至4mm范围内，例如，约3.523mm。图22D的图像区域2615可以在9mm2至16mm2的范围内，或者在9mm2至13mm2的范围内。
另外，光学检测器2610可以包括有效成像区域2610A，其包括用于从传输到检测器2610的IR辐射采集图像数据的有效成像元件或像素。例如，有效成像区域2610A可以包括检测器2610上的区域，该区域包括用于感测由处理电子器件处理以检测目标物质的图像的有效像素。在一些实施例中，有效成像区域2610A可以包括检测器2610的全部或基本上全部区域。在其它实施例中，有效成像区域2610A可以显著地小于检测器2610的正面的总面积。在图22E所示的实施例中，检测器的有效成像区域2610A可以包括总有效成像面积AI，AI可以由有效成像区域2610A的水平宽度Dx和垂直高度Dy定义(例如，AI＝Dx*Dy)。类似地，透镜组件2702可以定义表示透镜组件2702的近似横向覆盖区(footprint)的光学覆盖区面积AO。在所示实施例中，光学覆盖区面积AO可以由透镜组件2702的水平覆盖区Lx和垂直覆盖区Ly来定义(例如，AO＝Lx*Ly)。水平覆盖区Lx可以基于透镜组件2702的横向最外侧范围来定义，如图22E所示。类似地，垂直覆盖区Ly可以基于透镜组件2702的垂直最外侧范围来定义，如图22E所示。
在图22E的实施例中，光学覆盖区面积AO可以大于有效成像面积AI。另外，透镜组件2702可以限定N个光学通道2602，每个通道2602对检测器2610上可以略大于相关联透镜的直径或横向维度的的光束(beam)或光斑(spot)尺寸面积Ab进行成像。在图22E中，光斑尺寸面积Ab被示出为与光学通道2602共同延伸，但是应该认识到的是，光斑尺寸面积Ab可以由于例如衍射而不同。照射在检测器上的光的总光束面积AT可以基于照射在检测器2610的有效面积上的每个光束或通道的部分来计算。总光束面积AT可以小于有效成像面积AI。换句话说，可能存在活动成像面积AI的不接收来自透镜组件2702的光的区域。总光束面积AT可以小于总有效成像面积AI的98％。在各种实施例中，总光束面积AT可以小于总有效成像面积AI的95％、小于总有效成像面积AI的90％、或小于总有效成像面积AI的75％。在一些实施例中，总光束面积AT可以在总有效成像面积AI的50％至98％的范围内、在总有效成像面积AI的55％至75％的范围内、或者在总有效成像面积的57％至67％的范围内，例如，总有效成像面积AI的约62％。在一些实施例中，有效成像面积AI可以小于光学覆盖区面积AO的98％、小于光学覆盖区面积AO的95％、小于光学覆盖区面积AO的90％、小于光学覆盖区面积AO的85％、小于光学覆盖区面积AO的80％、或小于光学覆盖区面积AO的75％。在一些实施例中，有效成像面积AI可以在光学覆盖区面积AO的50％至98％的范围内、在光学覆盖区面积AO的65％至95％的范围内、或者在光学覆盖区面积AO的55％至65％的范围内(例如，约62％)。
在图22D和22E所示的实施例中，光学通道被间隔开，使得检测器区域2612在空间上靠近在一起(例如，在一些实施例中，间隔大约为0.136毫米)，同时还增加或最大化可用区域2615的尺寸。如图22D和22E所示，光学通道2602可以被配置为使得可用区域2615以非均匀的空间布置间隔开，但具有大致均匀的尺寸。例如，从中央可用区域2615A，可用区域2615可以被设计为越来越靠近其检测器区域2612的一个或多个边缘并且越来越远离相邻可用区域2615。有益地，图22E中的透镜组件2702的尺寸设计可以通过减少重叠区域2618和串扰来增加有效可用成像区域2615。
例如，基于每个可用区域2615的位置和/或如上所述定位挡板2620和2630，可用区域2615可以具有在约3mm至4mm范围内的宽度和长度，例如，如图22D的实施例所示的约3.523毫米乘3.357毫米的宽度和长度。这可以对应于每个可用区域2615内的多个可用像素，例如，207个像素乘197个像素，这比图22C的可用区域2615大了约55％。虽然本文已经描述了可用区域2615和透镜组件2702的具体示例，但是可以针对任何合适的应用来修改和/或优化可用区域2615和透镜组件2702。上述透镜组件2702仅仅是一个实施例，并且可以根据期望结合任何其它合适类型的成像应用来修改透镜组件2702内的部件的光学属性。
在一些实施方式中，包括可以至少部分地基于图22D的可用区域2615的挡板2620和2630(如上文结合图22B所描述的)可能是有利的。例如，挡板2620和2630可以被配置为使得光在可用区域2615内被传输到光学检测器2610，同时基本上阻挡杂散光，这些杂散光否则将被传输到重叠区域2618内的光学检测器。在各种实施例中，挡板2620、2630可以移除重叠区域中的光，使得图像区域边缘处或附近的辐照度接近零(或者可以忽略不计)。在各种实施例中，挡板可以限定重叠区域。例如，挡板2620和2630可以被配置为使得在可用区域2615的中心2617A(参见图22D)处接收到的光的量相对地大于在边缘2617B处接收到的量(参见图22D)。因此，挡板2620和2630可以被配置为使得可用区域2615上的光的相对强度随着距中心2617A的距离而减小(例如，如图22F所示)，下文中称为“强度滚降(intensityroll-off)”。在一些实施例中，强度滚降可以是相对滚降，其中边缘2617B处的光的量相对于中心2617A处的量被控制。例如，中心处的光的量可以被认为是100％，并且边缘2617B处的光的量可以被设计为滚降到大约0％。因此，每个可用区域2615可以指示与光学通道对应的图像，该光学通道基本上独立于在相邻光学通道之间穿过的光或不受在相邻光学通道之间穿过的光的影响。
在各种实施例中，光学检测器2601可以包括检测器阵列，该检测器阵列包括单个FPA或FPA阵列。在各种实施例中，光学检测器2601可以包括多个光敏设备。在一些实施例中，多个光敏设备可以包括二维成像传感器阵列，该二维成像传感器阵列对波长在1μm和20μm之间(例如，在近红外波长范围、中红外波长范围或长红外波长范围)的辐射敏感。在各种实施例中，多个光敏设备可以包括CCD或CMOS传感器、辐射热测量计、微辐射热测量计或对红外辐射敏感的其它检测器。
虽然已经结合图22B-22G描述了透镜组件2702的具体实施例，但是应该认识到的是，透镜组件2702可以被设计用于任何合适的应用。透镜组件2702和由此产生的可用区域2615是结合各种DAISI系统(例如，DAISI系统可以是移动的或固定的)所描述的一个实施例。但是，光学部件及其在透镜组件2702内的位置(例如，孔径和光阑的数量、尺寸和位置)可以根据期望结合任何其它合适类型的成像应用进行修改。例如，透镜组件2702可以与任何合适类型的红外成像系统或相机一起使用来控制杂散光以维持系统的光学性能。基于期望的应用，可以针对具有任何期望元件的任何特定应用来配置或优化透镜组件。
图22F是跨图22D的可用区域2615的强度滚降的示例模拟。图22F示出了作为可用区域2615上的地点的函数的光学检测器2610处的相对照明度(例如，强度)(表示为线2695)。例如，水平轴表示距中心2617A的位置，单位为毫米。线2695可以表示在中心2617A和边缘2617B之间延伸的任何线(例如，沿着水平或垂直线的位置或沿着与其成一定角度的线)。在一些实施例中，线2695表示基于在光学检测器2610处使图像渐晕的强度滚降。在一些实施例中，可以经由透镜组件2702中的挡板2620和/或2630引起图像的渐晕。模拟结果可以通过光学模拟软件(例如，FREDTM软件)获得。
图22F图示了对于上面结合图22D和22E描述的实施例，在可用区域2615的边缘处接收到的光相对于最大检测强度或照明度下降到0。例如，在可用区域2615A的中心2617A(图2690上的位置0毫米)处，由光学检测器2610接收到的光的量。可以将光的量归一化以提供最大值为1.0(或100％)。虽然图22F中所示的示例描绘了中心2617A处的最大值，但是归一化不需要位于中心2617A处并且可以位于可用区域2615上的其它位置。
如上所述，该模拟测量了相对于在中心2617A处接收的量，跨可用区域2615接收到的光的量。图22F图示了在边缘2617B处接收到的光的量可以被减少到在中心2617A处接收到的光的大约0.01(或0.1％)。边缘2617B处的杂散光的减少可以基于实施挡板2620和/或2630中的一个或多个以及优化透镜组件2702，如上面结合图22D和22C所述。例如，品质因数可以被评估为透镜组件的各种参数，包括以下选择：透镜表面的曲率、透镜的位置、透镜的厚度，以及(一个或多个)孔径/(一个或多个)光阑的数量、尺寸和位置，改变这些参数以确定具有适当渐晕的合适设计。例如，品质因数可以考虑其渐晕和/或效果。在一些实施方式中，至少部分地基于挡板2620和/或2630，可以基本上阻挡杂散光在光学通道之间穿过。
图22G图示了场景2720的图像的示例渐晕。图22G示出了模拟的可用区域2715(表示为正方形)，可用区域2715基本上类似于图22D-22E的可用区域2615。如图22G所示，被包含在可用区域内的图像看起来更鲜明和清晰，而图像2720在可用区域2715之外的部分更暗。图像2720在边缘处的变暗指示使图像渐晕，以减少或阻挡在图像的边缘2715b处接收到的光，而不牺牲图像2720的中心2715a处的透镜组件2702的清晰度或性能。
在本文公开的实施例中，可以制造透镜组件2702的透镜或透镜元件2504、2506、2508(参见本文中的图18D)以满足精确的公差，这可以显著改善系统1000的性能。本文公开的透镜组件可以有利地通过为组件中的每个个体透镜选择公差并且通过选择将透镜组件2702视为整体的公差(例如，通过考虑透镜制造误差、挡板尺寸误差等)来设计。例如，本文公开的实施例可以利用平方根(RSS)和蒙特卡罗(Monte Carlo)技术中的一个或多个来选择透镜公差。可以选择公差，使得大于或等于90％的均方根(rms)光斑尺寸小于成像光斑的衍射限制艾里斑(Airy disk)。这种相对保守的标准可以确保改进的系统性能，这也可根据本文公开的制造技术进行制造。
本文公开的透镜组件2702可以被设计和制造成对于每个光学通道具有非常低的f-值(f/#)。本文公开的低f-值系统可以有利地为每个光学通道显著地改善系统的灵敏度(例如，至少约44％)。在一些实施例中，例如，可以为系统1000设计透镜以对每个通道实现f/1，其中焦距与有效系统孔径的宽度大致相同。在各种实施例中，透镜组件2702可以被设计为实现在f/1到f/3的范围内、在f/1到f/2的范围内、在f/1到f/1.5的范围内、或在f/1到f/1.2的范围内的f-值。这种低f-值可以有利地使得能够检测低浓度的目标物质，诸如甲烷。例如，在每小时零英里的风速(例如，近似很小或几乎无风的条件)下，本文公开的系统1000对甲烷的敏感性可以具有在0.00001ft3/hr至0.0006ft3/hr的范围内、在0.00005ft3/hr至0.0006ft3/hr的范围内、在0.00005ft3/hr至0.0004ft3/hr的范围内、在0.0001ft3/hr至0.0005ft3/hr的范围内、在0.0001ft3/hr至0.0004ft3/hr的范围内、在0.0002ft3/hr至0.0006ft3/hr的范围内、或在0.0002ft3/hr至0.0004ft3/hr的范围内的最小流速或泄漏率。作为另一个示例，在15mph的风速下，本文公开的系统1000对甲烷的敏感性可以具有在0.01ft3/hr至0.3ft3/hr的范围内、在0.05ft3/hr至0.25ft3/hr的范围内、在0.1ft3/hr至0.25ft3/hr的范围内、在0.2ft3/hr至0.2ft3/hr的范围内、或在0.14ft3/hr至0.22ft3/hr的范围内的最小流速或泄漏率。
由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使甲烷的最小检测水平能够在100ppm-m至400ppm-m的范围内、在200ppm-m至300ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约250ppm-m，其中ppm-m以百万分之一米为单位提供。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使乙酸的最小检测水平能够在100ppm-m至200ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约180ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使氨的最小检测水平能够在5ppm-m至20ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约13.5ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使苯的最小检测水平能够在100ppm-m至150ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约125ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使丁二烯的最小检测水平能够在100ppm-m至150ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约125ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使丁烷的最小检测水平能够在200ppm-m至300ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约250ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使二氧化碳的最小检测水平能够在1050ppm-m至1100ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约1079ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使氯苯的最低检测水平能够在10ppm-m至40ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约25ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使二氯苯的最低检测水平能够在25ppm-m至75ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约50ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可使得1、2二氯乙烷的最低检测水平能够在100ppm-m至150ppm-m的范围内，例如最小检测水平为约125ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使乙烷的最小检测水平能够在200ppm-m至300ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约250ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使乙醇的最低检测水平能够在5ppm-m至25ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约15ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使乙烯的最小检测水平能够在200ppm-m至300ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约250ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使肼的最小检测水平能够在100ppm-m至150ppm-m的范围内，例如最小检测水平为约125ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使异丁烯的最小检测水平能够在100ppm-m至150ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约125ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使异戊烷的最小检测水平能够在30ppm-m至50ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约40ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使甲醇的最小检测水平能够在5ppm-m至20ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约10ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可使得N-戊烷的最小检测水平能够在10ppm-m至30ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约20ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使丙烷的最小检测水平能够在400ppm-m至600ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约500ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使丙烯的最小检测水平能够在100ppm-m至150ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约125ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使环氧丙烷的最低检测水平能够在150ppm-m至250ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约200ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使二氧化硫的最小检测水平能够在10ppm-m至30ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约20ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可使得六氟化硫的最低检测水平能够在4ppm-m至12ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约7ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使甲苯的最小检测水平能够在100ppm-m至200ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约150ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可以使氯乙烯的最小检测水平能够在1ppm-m至5ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约2.5ppm-m。由本文公开的实施例提供的相对低的f-值可使得对二甲苯或间二甲苯的最低检测水平能够在10ppm-m至30ppm-m的范围内，例如，最小检测水平为约20ppm-m。上述范围适用于横向尺寸为1m或更小的气体云。可以在较低的检测水平下检测大于1m的气体云(例如，可以在25ppm-m的浓度下检测10m的甲烷云)。
可以选择透镜2504、2506和2508的维度以实现与这种改进的气体检测性能相关联的低f-值。例如，每个透镜2504、2506、2508可以具有面向物体的第一表面S1和面向检测器2610的第二表面S2。每个透镜2504、2506、2508的每个表面S1、S2可以具有可以明显影响透镜组件2702的性能的相关联的表面曲率。表面S1被定位成面向物体，并且表面S2被定位成面向检测器。
例如，透镜2504的表面S1的曲率(即，曲率半径)可以在5.5mm至7.5mm的范围内、在6mm至7mm的范围内、在6.25mm至6.75mm的范围内、在6.4mm至6.5mm的范围内、或在6.41mm至6.44mm的范围内(例如，在一些实施例中为6.429mm)。透镜2504的表面S1的曲率的公差可以在±0.005mm至±0.015mm的范围内或者在±0.008mm至±0.012mm的范围内，例如，约为±0.010mm。透镜2504的表面S2的曲率可以在6.5mm至8.5mm的范围内、在7mm至8mm的范围内、在7.25mm至7.75mm的范围内、在7.5mm至7.6mm的范围内、或者在7.55mm至7.65mm的范围内(例如，在一些实施例中为7.562mm)。透镜2504的表面S2的曲率的公差可以在±0.005mm至±0.015mm的范围内或者在±0.008mm至±0.012mm的范围内，例如，约为±0.010mm。
透镜2506的表面S1的曲率(即，曲率半径)可以在-30mm至-36mm的范围内、在-31mm至-35mm的范围内、在-32mm至-34mm，在-32.5mm至-33.8mm的范围内、或在-33mm至-33.7mm的范围内(例如，在一些实施例中为-33.374mm)。透镜2506的表面S1的曲率的公差可以在±0.1mm至±0.5mm的范围内或在±0.25mm至±0.35mm的范围内，例如，约为±0.300mm。透镜2506的表面S2的曲率可以在-9mm至-17mm的范围内、在-10mm至-16mm的范围内、在-11mm至-15mm的范围内、在-12mm至-14mm范围内、在-12.5mm至-13.5mm的范围内、或在-12.8mm至-13.2mm的范围内(例如，在一些实施例中为-13.026mm)。透镜2506的表面S2的曲率的公差可以在±0.03mm至±0.07mm的范围内或者在±0.04mm至±0.06mm的范围内，例如，约为±0.050mm。
透镜2508的表面S1的曲率(即，曲率半径)可以在-3mm至-7mm的范围内、在-4mm至-6mm的范围内、在-4.5mm至-5.5mm的范围内、在-4.9mm至-5.15mm的范围内、或在-5mm至-5.1mm的范围内(例如，在一些实施例中为-5.060mm)。透镜2508的表面S1的曲率的公差可以在±0.01mm至±0.02mm的范围内或在±0.013mm至±0.0.017mm的范围内，例如，约为±0.015mm。透镜2508的表面S2的曲率可以在-3mm至-7mm的范围内、在-4mm至-6mm的范围内、在-4.5mm至-5.5mm的范围内、在-4.9mm至-5.15mm的范围内、或在-5mm至-5.1mm的范围内(例如，在一些实施例中为-5.068mm)。透镜2508的表面S2的曲率的公差可以在±0.005mm至±0.015mm的范围内或者在±0.008mm至±0.012mm的范围内，例如，约为±0.010mm。在各种实施例中，一个或多个表面可以是平面的或平坦的。
系统(包括透镜和透镜元件)可以具有有助于改善系统性能的其它特征。例如，限定每个通道的透镜的有效焦距或焦距(例如，由透镜元件2504、2506、2508限定的组合透镜的焦距)可以在1mm至10mm的范围内、在1.5mm至7mm的范围内、或在3mm至6mm的范围内，例如，约为4mm。由系统成像的光谱区域可以在7.5微米至14微米的范围内、或者可以在3微米至14微米的范围内，例如在红外成像带内。完整的水平系统视场可以在40度至60度的范围内、在45度至55度的范围内、在46度至40度的范围内，例如，约为48度。完整的垂直系统视场可以在40度至60度的范围内、在42度至55度的范围内、或者在44度至50度的范围内，例如，约为46度。每个透镜的直径可以在1mm至10mm的范围内、在1mm至8mm的范围内、在2mm至6mm的范围内、或在3.5mm至5mm的范围内，例如，约为4.4毫米。透镜的长度(例如，由透镜元件2504、2506、2508限定的长度)可以在5mm至25mm的范围内、在5mm至15mm的范围内、在6mm至14mm的范围内、在8mm至14mm的范围内、或在9mm至13mm的范围内，例如，约为12mm。
总图像失真可以小于10％、小于5％或小于1％。图像之间的杂散光可以小于5％、小于2％、小于1％、小于0.5％、或小于0.1％。在各种实施例中，图像的均方根(rms)光斑尺寸可以小于1个像素。因此，可以适当地选择透镜和其它系统参数，以便改善系统性能。
H.无热(Athermal)成像特征
DAISI系统(无论是安装在固定地点还是移动DAISI系统)可以如本文所述在白天或夜晚期间在极端天气条件下在不同地点进行操作。因此，提供被配置为在宽温度范围下(诸如在-40℃至+80℃之间)进行操作的DAISI系统可能是有利的。例如，DAISI系统可以长期安装在一些地点处，诸如油井站点。油井站点可以在沙漠中，沙漠在白天和夜晚之间经历大范围的温度差异。光学元件由于环境温度波动而变形，这可能导致光学元件膨胀、收缩或以其它方式改变维度。另外，对于移动或便携式DAISI系统，用户可能随着时间的推移将成像系统穿戴或携带到不同的环境中，这也经历温度波动。
因此，光热稳定性在变化的热环境中是重要的。本文公开的各种实施例采用各种无热化特征，该无热化特征可以提供这种光热稳定性以维持和/或改善光学系统的性能。无热化(或“无热系统”)可以降低光学系统对环境或其它热变化的敏感性，即，当在不同温度下使用时，光学系统的性能不会明显降低。在红外成像系统中，无热化可能是特别重要的，因为大多数IR材料的折射率随温度的变化(dn/dT)比用于可见光的材料的数量级高，从而产生折射率的大的变化。无热系统可以取决于所使用的材料(包括外壳材料和/或光学元件的材料)的热膨胀系数(CTE)，以及折射率随温度的变化(dn/dT)。因此，可能期望提供一种无热DAISI系统来实现光热稳定性。例如，无热DAISI系统可以确保在极端温度波动下在不同远程安装地点处和/或具有移动DAISI系统的用户可以行进到的不同地点处的系统的正常操作。
如以上所讨论的，本文公开的各种系统可以用于监测任何合适的安装站点中的潜在气体泄漏，其中安装站点包括但不限于钻井平台、炼油厂、管道、运输系统、船舶或其它船只(诸如，离岸石油钻井平台、火车、油罐车、石油化工厂、化学工厂等)。另外，本文公开的系统还可以与移动DAISI系统一起使用，包括但不限于，由用户穿戴或携带的系统。此外，本文公开和图示的各种实施例和方面可以与本文关于图23A-23D公开和图示的每个无热化特征组合使用。
无热系统可以取决于材料的热膨胀系数(CTE)和折射率随温度的变化(dn/dT)。由于温度变化引起的材料的膨胀和收缩由材料的CTEα控制，其具有ppm/℃(或10-6m/℃)的单位。由于温度变化(ΔT)引起的材料的长度(ΔL)的变化可以被表达为:
ΔL＝αLΔT
热散焦(Δf)是由于折射率随温度的变化(dn/dT)和材料的膨胀引起的焦点位置随温度变化(ΔT)的变化。量化空气中透镜的焦距(f)随温度的变化的等式可以被表达为:
Δf＝βfΔT
其中β是光学透镜的热光系数，其可以被表达为:
β＝αg-1/(n-1)dn/dT，
其中αg是玻璃的CTE。空气折射率随温度变化的项不包括在上述等式中，因为该值相对小。
图23A是可以与DAISI系统结合使用的无热化系统2000的示意性侧视图。图23A的光学无热化系统2000可以被配置为维持光热稳定性，即，维持不同温度下的光学性能。系统2000可以包括光学检测器2001、光学透镜2002、第一热元件2003、第二热元件2004、基座结构(base structure)2006、外壳元件2007和光学窗口2008。系统2000可以用于对沿着轴2005与透镜2002和检测器2001间隔开的物体2009(诸如气体云)进行成像。系统2000可以被设计为在宽温度范围下进行操作，同时降低传输到检测器2001的光相对于检测器2001不明显散焦的可能性。系统2000可以与包括任何合适的光学布置的光学系统结合使用，诸如将光传输到检测器2001的一个或多个透镜(例如，多个透镜)和/或一个或多个滤光器(例如，多个滤光器)。虽然结合各种DAISI系统(例如，无论DAISI系统是移动的还是固定的)描述了无热化系统2000，但是无热化系统2000可以与任何其它合适类型的光学系统结合使用。例如，无热化系统2000可以与任何合适类型的红外成像系统或相机一起使用，以维持系统的聚焦特性和光学性能。
图23A所示的光学透镜2002是单物镜。但是，在各种实施例中，光学透镜2002可以包括多个透镜，多个透镜可以对应于如本文描述的多个空间上和光谱上不同的光学通道。
第一热元件2003可以沿着第一热臂(thermal arm)2020而设置，并且第二热元件2004可以沿着第二热臂2021而设置。在图23A-23B的实施例中，每个热臂2020、2021仅提供一个热元件。但是，在其它布置中，每个热臂2020、2021可以具有一个或多个热元件。热臂2020、2021可以沿着横切轴2005的方向彼此间隔开，并且可以通过横向(transverse)连接器2019进行连接，该横向连接器2019用于机械地连接臂2020、2021。
例如，第二热元件2004可以在第一端部处机械地和热耦合到横向连接器2019(并且由此连接到第一热元件2003)并且在第二端部处耦合到透镜2002。第一热元件2003可以在第一端部处机械地和热耦合到横向连接器2019(并且由此连接到第二热元件2004)并且在第二端部处耦合到基座结构2006。第一热臂2020和第二热臂2021(以及因此相应地，第一热元件2003和第二热元件2004)可以在一些布置中被设置为大致彼此平行。因此，透镜2002的位置可以基于第一热臂2020的长度变化和第二热臂2021的长度变化来确定，第一热臂2020和第二热臂2021通过共同介入的横向连接器2019耦合在一起。
有利地，第一热元件2003可以具有第一CTE，第一CTE不同于第二热元件2004的第二CTE。在所示实施例中，第一CTE小于第二CTE。如本文所解释的，这种布置可以允许第二热元件2004补偿在第一热元件2003中引起的长度变化，这可以有利地补偿光学系统的焦平面的变化。在各种布置中，第一热元件2003可以具有第一CTE在10ppm/℃至60ppm/℃的范围内，或更特别地在15ppm/℃至30ppm/℃的范围内，例如在20ppm/℃至25ppm/℃的范围内。在所示实施例中，第一热元件2003可以包括CTE约为23ppm/℃的铝(例如，Al或铝合金)。第二热元件2004可以具有第二CTE在75ppm/℃至200ppm/℃的范围内，或者更特别地在95ppm/℃至180ppm/℃的范围内，例如在110ppm/℃至130ppm/℃的范围内。例如，在所示实施例中，第二热元件2004可以包括具有约为120ppm/℃的CTE的
Figure BDA0002094797270001201
(聚甲醛)。在各种实施例中，第一热元件和第二热元件可以是不同的材料，其中第二CTE大于第一CTE。
光学透镜2002可以收集来自物体2009的光并将光传输到检测器2001。在各种实施例中，检测器2001可以包括包含单个FPA或FPA阵列的检测器阵列。在各种实施例中，检测器2001可以包括多个光敏设备。在一些实施例中，多个光敏设备可以包括二维成像传感器阵列，该二维成像传感器阵列对波长在1μm和20μm之间(例如，在近红外波长范围、中红外波长范围或长红外波长范围)的辐射敏感。在各种实施例中，多个光敏设备可以包括CCD或CMOS传感器、辐射热测量计、微辐射热测量计或对红外辐射敏感的其它检测器。
图23A中示出的检测器2002可以安装到基座结构2006。在一些实施例中，基座结构2006可以包括陶瓷。检测器2002还可以被封闭在至少部分地由外壳元件2007和光学窗口2008限定的腔体中。在一些实施例中，光学窗口2008可以包括锗窗口。外壳元件2007可以包括
Figure BDA0002094797270001202
外壳。
Figure BDA0002094797270001203
是一种特性良好的金属注射成型材料，其广泛用于密封封装包装的光电应用中。
Figure BDA0002094797270001211
的CTE约为5.5ppm/℃，与锗的约为5.7ppm/℃的CTE相当。
Figure BDA0002094797270001212
的热膨胀特性通常可与硼硅酸盐玻璃的热膨胀特性相匹配，从而使得其可以用于金属玻璃或金属陶瓷接口。在各种实施例中，外壳元件2007可以由具有在1ppm/℃至20ppm/℃的范围内的类似CTE的
Figure BDA0002094797270001213
的其它材料制成，并且光学窗口2008可以由具有与锗类似的CTE在1ppm/℃至20ppm/℃的范围内的其它材料制成。
如图23B所示，光学透镜2002可以收集来自物体2009的光并将光传输到检测器2001。当环境的温度改变或者如果移动DAISI系统的用户移动到不同温度下的地点时，光学透镜2002的焦距可以响应于温度变化而变化。例如，如果DAISI系统200的温度增加，则透镜2002的焦距可能更短，并且因此可能沿着轴2005更靠近透镜2002聚焦，这可能导致成像系统的散焦和降低的性能。由于温度变化(ΔT)引起的第一热元件的长度变化(ΔL1)为ΔL1＝α1L1ΔT，而由于温度变化(ΔT)引起的第二热元件的长度变化(ΔL2)为ΔL2＝α2L2ΔT。由于α2大于α1，并且L2与L1相当，因此ΔL2大于ΔL1。由于ΔL2和ΔL1之间的差异，即，第二热元件2004的膨胀大于第一热元件2003的膨胀，由此当温度升高时光学透镜2001移动至更靠近检测器2002(如图23B中从左移动到右所示)。特别地，光学透镜2001移动更靠近检测器，移动距离为D，如图23B中所标记的，D近似等于(ΔL2-ΔL1)。反之亦然，当温度降低时，光学透镜2001可以远离检测器2002移动，移动距离为D，D等于(ΔL2-ΔL1)。由于温度变化(ΔT)引起的光学透镜2001的热散焦(Δf)可以被表示为:Δf＝βfΔT，其中β是光学透镜2001的热光系数，其可以被表示为:β＝αz-1/(n-1)dn/dT，其中αs是玻璃的CTE。当第二热元件2004的ΔL2与第一热元件2003的ΔL1之间的差值(ΔL2-ΔL1)与光学透镜2002的焦距变化(Δf)大致相同时，在存在温度变化的情况下，可以减少或有效地消除散焦的程度。
图23C是无热化系统2000的另一个实施例的侧视图。与图23A-23B的实施例一样，图23C的系统可以与DAISI系统结合使用，或与任何其它合适的光学系统结合使用。除非另有说明，否则图23C中的相同标号表示与图23A-23B中相同编号的部件相同或相似的部件。与图23A-23B不同，第三热元件2010可以沿着第一臂2020被设置在第一热元件2003和基座结构2006之间。例如，第三热元件2010可以被大致线性地设置在第一热元件2003和基座结构2006之间，使得第一热元件2003和第三热元件2010的线性变形引起第一热元件2003和第三热元件2010沿着同一方向变形。
与图23B一样，第二臂2021可以包括第二热元件2004。在图23C中，第一热元件2003通过介入的第三热元件2010间接地耦合到基座结构2006。例如，第一热元件2003可以在第三热元件2010的部分的第一端处耦合到第三热元件2010。第三热元件2010可以在第三热元件2010的第二端部处耦合到基座结构2006。有利地，第三热元件2010可以具有与第一热元件2003的第一CTE不同(例如，更大)的第三CTE。例如，在一些实施例中，第三CTE可以等于或大致类似于第二热元件2004的第二CTE。这样的布置可以允许第二热元件2004补偿在第一热元件2003和第三热元件2010中引起的长度变化，这可以有利地补偿光学系统的焦平面中温度引起的变化。
由于温度变化(ΔT)引起的第一热元件的长度变化(ΔL1)为ΔL1＝α1L1ΔT，由于温度变化(ΔT)引起的第二热元件的长度变化(ΔL2)为ΔL2＝α2L2ΔT，并且，当温度升高时，由于温度变化(ΔT)引起的第三热元件的长度变化(ΔL3)为ΔL3＝α3L3ΔT。当温度升高时，光学透镜2001移动更靠近检测器，移动距离为D，如图23C中所标记的，D等于(ΔL2-ΔL1-ΔL3)。反之亦然，当温度降低时，光学透镜2001可以远离检测器2002移动，移动距离为D，D等于(ΔL2-ΔL1-ΔL3)。由于温度变化(ΔT)引起的光学透镜2001的热散焦(Δf)被表示为:Δf＝βfΔT，其中β是光学透镜2001的热光系数，其可以被表示为:β＝αg-1/(n-1)dn/dT，其中zg是玻璃的CTE。
通过调整每个热元件的长度并为每个热元件选择具有期望CTE的热材料，可以调整第一元件2003、第二元件2004和第三元件2010的组合来补偿由于光学透镜2001中所使用的不同材料和不同的温度变化范围而引起的光学透镜2001的不同程度的散焦。例如，第三热元件2010可以并入在系统中以抵消由第二热元件2004提供的相对大的移动。例如，如果透镜2002被定位成足够靠近窗口2008，则在没有第三热元件2010的情况下，过度的温度升高可以迫使透镜2002进入到窗口2008中。第三热元件2010可以通过减小第二热元件2004和透镜2002的移动来补偿这种大的移动。
在各种布置中，第三热元件2010可以具有第三CTE在75ppm/℃至200ppm/℃的范围内，或者更特别地在95ppm/℃至180ppm/℃的范围内，例如在110ppm/℃至130ppm/℃的范围内。例如，在所示实施例中，第三热元件2010可以包括具有约为120ppm/℃的CTE的
Figure BDA0002094797270001231
在各种实施例中，第三热元件和第二热元件可以是具有相似CTE的相同或类似材料。
虽然在图23C中图示了三个热元件2003、2004、2010，但是可以包括任何合适数量的热元件。例如，可以沿着第一臂2020和/或第二臂2021来提供附加的热元件。实际上，每个热臂2020、2021可以包括任何合适数量的任何合适的材料、CTE和长度的热元件。有利地，可以选择热臂2020、2021，以便提供透镜2002的精确的被动位置控制来适应由于温度变化引起的散焦。
图23D是无热化系统2000的另一个实施例的侧视图。在图23D中，系统2000的热模型2030被图示为在光学部件上方。除非另有说明，否则图23D中的相同标号表示与图23A-23C中相同编号的部件相同或相似的部件。与图23A-23C的系统2000不同，图23D的光学透镜2001可以包括多个(例如，三个)透镜元件L1、L2、L3。该系统还可以包括前孔径2022、一个或多个滤光器2023、光阑2028和场光阑2027。本文描述了这些部件的附加细节。
与图23A-23C的实施例一样，系统2000可以包括第一热臂2020和第二热臂2021，它们形成所示热模型2030的一部分。第一热臂2020可以包括第一热元件2003和第三热元件2010。第二热臂2021可以包括第二热元件2004。光学部件(例如，滤光器2023、滤光器架2024、透镜元件L1-L3、支撑透镜元件L1-L3的透镜架2035、光学窗口2008和外壳2007)可以沿着第三臂2032而设置。气隙(airgap)2026可以被设置在第一热臂2020和第二热臂2021之间。第三臂2032可以与第一热臂2020和第二热臂2021间隔开并且可以大致平行于第一热臂2020和第二热臂2021而设置。如图23D所示，第二横向连接器2037可以将第二热臂2021与透镜2002(例如，透镜元件L1-L3)连接，使得第二热臂2021(例如，第二热元件2004)中的长度变化可以使透镜2002更靠近或更远离检测器2006。在所示的布置中，检测器2006的基座可以充当共同连接点，其它部件相对于该共同连接点而移动。例如，透镜可以通过第三热元件2010被物理地安装到检测器2006的边缘，第三热元件2010可以包括Delrin夹(clip)，该Delrin夹可以被拧到检测器2006的基座的边缘上。窗口2008也可以被安装到检测器2006的基座并且可以随着温度变化而移动。与图23A-23C的实施例一样，第一热臂2020和第二热臂2021可以协作以减少或消除透镜2002的热引起的散焦。
因此，图23A-23D的实施例中所示的系统2000可以被认为是热补偿的，如本文所使用的一般无热系统。本文公开的系统2000可以有益地降低在存在温度变化的情况下的散焦程度。例如，系统2000可以在-60℃至100℃的范围内，或者更特别地，在-50℃至80℃的范围内，例如在-40℃至60℃的范围内的温度下进行操作。当在这些范围内的任何温度下的环境中进行操作时，系统2000可以减少图像散焦的量，使得有效焦距变化的量在1微米至100微米的范围内，或者更特别地，在1微米至50微米的范围内。当在这些范围内的任何温度下的环境中进行操作时，系统2000可以产生均方根(RMS)光斑尺寸，该尺寸小于艾里斑光斑尺寸的10倍，例如，小于系统的艾里斑光斑尺寸的5倍，或者小于5波的像差。
I.运动补偿技术
如本文所解释的，移动DAISI系统可以被设计尺寸并被配置为由人类用户穿戴或携带。当系统1000正在由用户穿戴或携带时，用户可以保持大致静止或者可以移动。本文公开的系统1000可以被配置为补偿用户的移动，以便维持系统1000的准确性，以便在各种移动程度下进行目标物质检测和识别。通常，在不受理论限制的情况下，与相对较小的用户移动相比，相对较大的用户移动可以更大程度降低物质检测的准确性。提供自动地补偿用户和/或系统1000的移动的运动补偿技术可能是重要的。
图24A是可以包括运动补偿系统1730的DAISI系统1000(诸如移动DAISI系统)的示意性系统图，运动补偿系统1730可以与处理单元1611和/或光学系统1610进行通信。在所示实施例中，运动补偿系统可以包括运动传感器1731和相机1732。运动传感器1731可以包括一个或多个运动传感器。在一些实施例中，例如，运动传感器1731可以包括陀螺仪、加速度计、罗盘等中的一个或多个。例如，在一些实施方式中，运动传感器1731可以包括九轴运动传感器。在一些实施例中，相机1732可以包括可见光相机。在一些实施例中，相机1732可以形成本文描述的可见光成像系统1680的一部分。在一些实施例中，相机1732可以与可见光成像系统1680分离。在一些实施例中，运动补偿系统1730可以包括其自己的专用处理电子器件，该处理电子器件被配置为估计每帧的运动的量。在一些实施例中，运动补偿系统1730可以利用处理单元1611的处理电子器件来估计每帧的运动的量。在一些实施例中，运动补偿系统1730可以与处理单元1611和光学系统1610被一起包含在数据采集和处理模块1020中，该数据采集和处理模块1020可以被配置为由人穿戴或携带。
当运动补偿系统1730针对每帧检测和/或估计系统1000的移动程度时，处理单元1611可以包括被配置为重新对准所采集的图像数据以补偿估计的运动的电路系统。例如，基于所估计的系统运动，处理单元1611可以基于所估计的系统运动来移位和/或旋转像素数据。所采集的图像数据的对准可以在两个像素或更少的像素内完成。
在一些实施例中，系统1000可以具有激活(activated)模式以及停用(de-activated)模式，在激活模式中系统1000进行操作以检测和/或识别目标物质，在停用模式中系统1000不主动进行操作来检测和/或识别目标物质。在一些实施例中，当用户通常静止或移动相对小的量和/或以小的速率移动时，可能期望将系统1000置于激活模式。类似地，在一些情况下，当用户移动相对大的量和/或以大的速率移动时，可能需要将系统1000置于停用模式。有益地，可以在静止和/或相对小的移动中改善目标物质的检测和/或识别，并且可以通过在系统1000的相对大量的时间或移动速率期间禁用目标物质的检测和/或识别来降低功耗。
在一些实施例中，运动补偿系统1730可以被配置为自动地确定用户和/或系统1000是否正在以低于阈值的量和/或速率移动。如果用户和/或系统1000以低于阈值的量和/或速率移动，则系统1000可以被置于或维持在其中系统1000能够操作以检测目标物质的激活模式中。如果用户和/或系统1000正在以高于阈值的量和/或速率移动，则系统1000可以被置于或维持在其中系统1000不能操作来检测目标物质的停用模式中。在各种实施例中，本文公开的运动补偿技术可以补偿大规模和/或小规模的运动。
图24B是图示可以用于限定前述阈值的边界B的曲线图。可以基于经验和/或理论运动值来估计边界B，在该理论运动值处系统1000可以准确地重新对准图像数据和/或以其它方式补偿系统运动。例如，在所示实施例中，穿戴示例运动补偿系统1730的人类用户的样本保持相对静止。在所示示例中，用户在头盔上穿戴运动补偿系统1730。在该示例中，用户正常呼吸，其中有很小的头部移动或没有头部移动。运动传感器1731监测穿戴示例运动补偿系统1730的用户的运动。特别地，测量用户头部从一帧到另一帧的角度变化的速率，以度数表示倾斜(T)、平移(P)和旋转(R)。用于图24B的示例的采样帧速率是15Hz，但是应该认识到的是，可以使用其它合适的帧速率。用户的运动M的测量值被绘制为图24B中的散点图。
图24B中所示的边界B是可以设置所有测量的运动M的最小球体。在所示实施例中，边界B可以由T2+P2+R2≤B表示。在所示实施例中，B为大约0.25。在各种实施例中，B可以在0.1到1的范围内、在0.1到0.8的范围内、在0.1到0.5的范围内、或者在0.15到0.3的范围内。在该示例校准期间所确定的边界B可以用于将系统1000置于激活模式或停用模式。作为另一个示例，用于确定是否将系统1000置于激活模式或停用模式的边界B可以基于用户在站点的行走。换句话说，只要系统1000的运动不超过与行走通过典型站点的典型用户相关联的运动的量和/或速率，运动补偿系统1730就可以将系统1000置于激活模式。
图24C是图示用于补偿DAISI系统1000的运动的示例方法1750的流程图。方法1750可以在方框1752中开始以估计帧之间(例如从一帧到后一帧)的系统运动。在其它布置中，系统可以估计特定帧的一部分内的系统运动。运动传感器1731可以使用任何合适类型的传感器来估计系统1000和/或用户的移动。例如，运动传感器1731可以估计系统1000从一帧到另一帧的旋转、倾斜和/或平移的量。在其它布置中，可以测量其它运动分量(诸如线性位置、线速度、线性加速度等)。方框1752中的估计系统运动也可以或替代地涉及分析来自可见光成像系统1680和/或光学系统1610(例如，红外检测器1624中的一些或全部红外检测器)的图像，以测量系统1000的运动的量和/或速率。
移动到方框1754，可以做出关于估计的系统运动是否在预定边界(诸如边界B)内的决定。边界B可以表示可以为其对系统1000进行充分补偿的最大或期望的运动量。例如，当系统运动在边界B内时，系统1000可以准确地检测和/或识别目标物质。如果系统运动不在边界内，例如，如果整个系统移动超过预定边界B或阈值，则方法1750移动到方框1756，其中系统1000被置于其中禁用气体检测和/或识别的停用模式。对于后续帧，方法1750可以返回到方框1752以估计帧之间的系统运动。系统1000可以保持禁用，直到运动的量或程度在系统运动边界B内为止。系统1000可以在禁用时消耗更少的功率，从而节省和增加移动DAISI系统中的电池寿命。
如果在方框1754中做出系统运动在边界B内的决定，则方法1750移动到方框1758，其中处理电子器件执行图像配准和/或对准。例如，处理单元1611可以适当地平移和/或旋转像素图像数据以补偿系统运动。
移动至方框1760，系统1000可以被置于激活模式以激活系统1000的气体检测和/或识别能力。系统1000可以基于运动补偿和对准的图像数据来准确地检测和/或识别目标物质。对于后续帧，可以估计系统运动并且可以重复方法1750。在一些布置中，可以跨多个帧的集合而不是在每个相邻帧之间测量系统运动的量。例如，在一些实施例中，可以在N个帧的平均值上估计运动的量。
图24D是本文描述的运动补偿系统和方法的误差分布图。特别地，图24D的垂直轴是残余帧中像素值的最大幅度。图24D的横轴是帧编号。如图24D所示，所公开的运动补偿系统和方法可以有益地将所测量的误差值维持在最大允许误差之下。维持这种减小的误差值可以有益地改善整体系统性能和目标物质的识别。
本文公开的每个实施例可以用于估计由本文公开的红外成像系统进行成像的气体泄漏中存在的气体的各种特性。
本说明书中通篇对“一个实施例”、“实施例”、“相关实施例”或类似语言的引用意味着结合所引用的“实施例”描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书中通篇出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可以但不一定全部引用相同的实施例。应该理解的是，本公开内容的任何部分，无论是其本身还是可能与图结合，都不旨在提供对本发明的所有特征的完整描述。
在附图中，相同的数字用于尽可能地表示相同或相似的元件。所描绘的结构元件通常不按比例绘制，并且出于强调和理解的目的，某些部件相对于其它部件被放大。应该理解的是，没有单个附图旨在支持对本发明的所有特征的完整描述。换句话说，给定的附图通常仅描述本发明的一些(通常不是全部)特征。为了简化给定的附图和讨论，并且将讨论引导到作为该附图中的特征的特定元件，给定的附图和本公开中包含引用该附图的描述的相关联部分通常不包含特定视图的所有元素或者可以在该视图中呈现的所有特征。本领域技术人员将认识到的是，可以在没有一个或多个特定特征、元件、部件、结构、细节或特性的情况下，或者在使用其它方法、部件、材料等的情况下实践本发明。因此，虽然本发明的实施例的特定细节可能未必在描述这样的实施例的每个附图中示出，但是除非说明书的上下文另有要求，否则可以暗示附图中存在该细节。在其它情况下，众所周知的结构、细节、材料或操作可能未在给定附图中示出或详细描述，以避免模糊正在讨论的本发明的实施例的各方面。另外，所描述的本发明的单个特征、结构或特性可以在一个或多个其它实施例中以任何合适的方式进行组合。
另外，如果包括示意性流程图，则通常将其阐述为逻辑流程图。由此，所描绘的顺序和逻辑流程的标记步骤指示所呈现的方法的一个实施例。可以设想在功能、逻辑或效果上等同于所示方法的一个或多个步骤或其部分的其它步骤和方法。此外，提供所采用的格式和符号以解释方法的逻辑步骤，并且这些格式和符号不应被理解为限制方法的范围。虽然在流程图中可以采用各种箭头类型和线类型，但是应该理解它们不限制对应方法的范围。实际上，可以使用一些箭头或其它连接器来仅指示方法的逻辑流程。例如，箭头可以指示所描绘方法的枚举步骤之间的未指定持续时间的等待或监测时段。在不失一般性的情况下，处理步骤或特定方法发生的顺序可以或可以不严格遵守所示的对应步骤的顺序。
本公开所附权利要求中所述的特征旨在根据本公开作为整体进行评估。
可以控制本发明的设备的至少一些元件-并且在操作中可以利用由存储在存储器中的指令控制的可编程处理器来实现本发明的方法的至少一些步骤。存储器可以是适用于存储控制软件或其它指令和数据的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存或任何其它存储器或其组合。本领域技术人员还应该容易地认识到，定义本发明的功能的指令或程序可以以多种形式被递送到处理器，包括但不限于永久存储在不可写存储介质(例如，计算机内的只读存储器设备，诸如ROM，或由计算机I/O附件可读的设备，诸如CD-ROM或DVD盘)上的信息、可更改地存储在可写存储介质(例如，软盘、可移动闪存和硬盘)上的信息，或通过通信介质(包括有线或无线计算机网络)被传递到计算机的信息。此外，虽然本发明可以用软件实施，但是实现本发明所必需的功能可以可选地或替代地部分或全部地使用固件和/或硬件部件来实施，诸如组合逻辑、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它硬件，或硬件、软件和/或固件部件的某种组合。
虽然已经参考气体云检测、监测和量化(包括但不限于温室气体，诸如二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物以及烃类气体，诸如甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、新戊烷、硫化氢、六氟化硫、氨、苯、对二甲苯和间二甲苯、氯乙烯、甲苯、环氧丙烷、丙烯、甲醇、肼、乙醇、1、2-二氯乙烷、1、1-二氯乙烷、二氯苯、氯苯等)讨论了本发明的系统和方法的实施例的示例，但是本发明的实施例可以容易地适于其它化学检测应用。例如，检测液体和固体化学物溢出、生物武器、基于其化学成分跟踪目标、卫星和空间碎片的识别、眼科成像、显微镜和细胞成像、内窥镜检查、霉菌检测、火灾和火焰检测，以及农药检测在本发明的范围内。
如本文所使用的，引用项目列表中的“至少一个”的短语是指这些项目的任何组合，包括单个成员。作为示例，“a，b或c中的至少一个”旨在涵盖：a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c。
如果用软件实现，则可以将功能作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上或通过计算机可读介质传输。本文公开的方法或算法的步骤可以在处理器可执行软件模块中实现，该处理器可执行软件模块可以驻留在计算机可读介质上。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，通信介质包括使得能够将计算机程序从一个地方传送到另一个地方的任何介质。存储介质可以是可以由计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限制，这样的计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁存储设备，或可以用于以指令或数据结构的形式存储期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其它介质。而且，任何连接都可以被适当地称为计算机可读介质。如本文所使用的，盘(disk)和碟(disc)包括紧凑碟(CD)、激光碟、光碟、数字通用碟(DVD)、软盘和蓝光光碟，其中盘通常以磁性方式再现数据，而碟利用激光而光学地再现数据。以上的组合也可以被包括在计算机可读介质的范围内。此外，方法或算法的操作可以作为代码和指令的一个或任何组合或代码和指令集合而驻留在机器可读介质和计算机可读介质上，这些介质可以并入到计算机程序产品中。
对于本领域技术人员来说，对本公开中描述的实施方式的各种修改是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其它实施方式。因此，权利要求不旨在限于本文所示的实施方式，而是与符合本公开、本文公开的原理和新颖特征的最宽范围相一致。
在本说明书中在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实现。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施方式中实现。另外，虽然上面的特征可以被描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此声明，但是在某些情况下可以从组合中切除所要求保护的组合中的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。

Claims (5)

1.一种红外IR成像系统，包括：
光学检测器，具有包括能够感测IR光的像素的总有效成像面积；
沿着光轴与所述光学检测器间隔开的多个空间上和光谱上不同的光学通道，多个光学通道被布置成将来自物体的IR辐射传输到所述光学检测器，其中输入到光学通道的IR光被光学通道引导到所述光学检测器上；以及
处理电子器件，被配置为处理来自所述光学检测器的表示所述IR辐射的图像数据以检测目标物质，
其中所述处理电子器件处理来自与所述多个光学通道中的相应光学通道对应的所述总有效成像面积的多个可用部分的图像数据，与相应多个光学通道对应的所述可用部分的尺寸或形状被设计为是均匀的，其中所述总有效成像面积包括所述总有效成像面积的仅从一个光学通道接收光的部分，并且所述总有效成像面积的所述可用部分包括正方形区域。
2.如权利要求1所述的红外IR成像系统，其中所述总有效成像面积的所述可用部分包括具有在3mm至4mm范围内的宽度的正方形区域。
3.如权利要求2所述的红外IR成像系统，其中所述总有效成像面积的所述可用部分被接收来自至少两个光学通道的光的相应重叠区域围绕。
4.如权利要求1所述的红外IR成像系统，其中所述总有效成像面积的所述可用部分包括在3mm至4mm范围内的高度的正方形区域。
5.如权利要求1所述的红外IR成像系统，其中所述光学检测器包括红外焦平面阵列（FPA）。
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