DE19528094C2 - IR-Modulator und Wärmebildgerät mit diesem - Google Patents
IR-Modulator und Wärmebildgerät mit diesemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Modulator oder Verschluß im infraroten Wellenlän
genbereich, insbesondere für den Einsatz in Wärmebildgeräten.
Bei Wärmebildgeräten müssen während der Meßphase eines IR-Signals häu
fig Eichschritte durchgeführt werden, um beispielsweise die Temperaturdrift
eines IR-Detektors zu eliminieren. Hierzu werden in den für die Wärmestrah
lung der Szene nicht ausgenutzten Zeitintervallen eine oder mehrere Tempe
ratur-Referenzquellen in den Strahlengang eingespiegelt.
Dies geschieht häufig mittels geeignet im Strahlengang vor dem Detektor ein
gebauter mechanischer Verschlußkörper, die teilweise IR-transparent und teil
weise metallisch spiegelnd aufgebaut sind. Getaktet mit der Bildwechselzeit
des Detektors werden entweder die IR-durchlässigen oder die IR-reflektieren
den Bereiche des Verschlußkörpers in den Strahlengang eingebracht, so daß
entweder das Messignal oder das Referenzsignal auf den Detektor treffen
kann. In der DE 38 36 294 C2 ist der Verschlußkörper als umlaufende
Scheibe mit unterschiedlich transparenten bzw. reflektierenden Sektoren aus
gebildet. In der DE 40 29 643 C1 ist der Verschlußkörper ein umlaufendes
Endlosband mit unterschiedlich transparenten bzw. reflektierenden Flächen.
Derartige Anordnungen sind mechanisch aufwendig, haben einen relativ
hohen Platzbedarf sowie einen hohen Leistungsbedarf zum Antreiben der
mechanischen Teile. Sie führen insbesondere bei Messungen mit hoher
Empfindlichkeit zu Störungen wegen der unvermeidlichen Vibrationen.
In der US 45 45 641 ist ein IR-Modulator offenbart, der zwischen einem IR-Strahlung
transmittierenden und einem IR-Strahlung reflektierenden Zustand hin- und
herschaltbar ist, wobei die Umschaltung durch Temperaturveränderung einer
thermorefraktiven Schicht bewirkt wird.
Die Temperaturveränderung erfolgt mittels einer Heizschicht. Zwischen Heiz
schicht und thermorefraktiver Schicht ist eine weitere Schicht zur elektrischen
Isolation vorhanden. Der Heizschicht benachbart ist außerdem eine Wärme
isolationsschicht, mit der eine gleichmäßige Abfuhr der mit der Heizschicht er
zeugten Wärme in Richtung auf eine Wärmesenke erreicht wird.
In der US 47 95 240 ist ein weiterer IR-Modulator beschrieben, bei der eine
thermorefraktive Schicht durch eine Heizschicht erwärmt werden kann. Zwi
schen thermorefraktiver Schicht und Heizschicht ist eine elektrische Isolations
schicht vorhanden.
Die US 45 30 010 beschreibt einen IR-Modulator, bei dem die Umschaltung
der thermorefraktiven Schicht zwischen transmittierendem und reflektieren
dem Zustand durch Aufheizen mittels elektromagnetischer Strahlung erfolgt.
Zwischen thermorefraktiver Schicht und dem Substrat ist eine zusätzliche
Schicht zur Anpassung der unterschiedlichen Gitterkonstanten vorhanden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen IR-Modulator zu schaffen, der die genann
ten Nachteile überwindet und mit geringem Aufwand insbesondere eine
großflächige Modulation ermöglicht. Weiterhin soll ein Wärmebildgerät ge
schaffen werden, das auf einfache Weise einen Schutz des Wärmebilddetek
tors gewährleistet. Außerdem soll ein Wärmebildgerät angegeben werden,
das mit geringem Aufwand eine Eichung des IR-Detektors gestattet.
Diese Aufgaben werden mit einem IR-Modulator nach Anspruch 1 bzw. An
spruch 2 bzw. mit den Wärmebildgeräten nach Anspruch 6 und 7 gelöst. Vor
teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
Der erfindungsgemäße Modulator umfaßt eine Schicht aus thermorefraktivem
Material, also einem Material, dessen Durchlässigkeit für IR-Strahlung stark
von der Temperatur abhängig ist. Durch Veränderung der Temperatur dieser
thermorefraktiven Schicht kann die Durchlässigkeit des Modulators gezielt
gesteuert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Modulator, im folgenden auch als elektroopti
scher Modulator bezeichnet, ist es möglich, kompakte, preiswerte Wärme
bildgeräte zu bauen, die - sofern ungekühlte oder thermoelektrisch gekühlte
Detektoren verwendet werden - ohne mechanisch bewegte Baugruppen aus
kommen und dadurch eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer haben, wie
dies z. B. bei Überwachungsaufgaben und beim industriellen Prozeßeinsatz
notwendig ist.
Besonders vorteilhaft können Materialien verwendet werden, bei denen durch
die Erwärmung ein Phasenübergang induziert wird, z. B. von einem Halbleiter
verhalten (IR-transparent) zu einem Metallverhalten (IR-reflektierend). Da
durch kann innerhalb eines kleinen Temperaturintervalls eine große Verände
rung der Durchlässigkeit erreicht werden.
Vorteilhaft werden als thermorefraktive Materialien VO2, V2O3, NiS, NbO2,
FeSi2, Ti2O3, Ti4O7, Ti5O9 oder Fe3O4 oder Kombinationen daraus verwen
det. Die Phasenübergänge liegen dabei beispielsweise für VO2 bei 68°, bei
V2O3 bei -115°C und bei NiS um -23°C. Die Breite des Phasenübergangs
liegt bei der Beispielssubstanz VO2 im Einkristall unterhalb von 1°C, bei textu
rierten Dünnfilmen im Intervall von 2 bis 3°C Breite. Im Bereich des Phasenü
bergangs ändert sich die elektrische Leitfähigkeit des Materials um Größen
ordnungen, bei Einkristallen um bis zu 5 Größenordnungen, bei Dünnfilmen,
insbesondere bei texturierten Filmen, um 3 bis 4 Größenordnungen.
Die Schaltzeiten für den Phasenübergang von IR-transparent zu IR-reflektie
rend, nämlich die Erwärmungs- und Abkühlphase der thermorefraktiven
Schicht, sind bestimmend für die Taktzeiten der Modulation. Für thermorefrak
tive Schichten können diese Zeiten im Bereich von Mikrosekunden liegen.
Dabei kann durch Verwendung geringer Schichtdicken das Aufheizen und
Abkühlen sehr schnell erfolgen.
Die thermorefraktive Schicht wird thermisch an ein Wärmebad gekoppelt,
dessen Temperatur knapp unter der Übergangstemperatur des Phasenüber
gangs gehalten wird. Als Wärmebad dient bevorzugt eine Schicht aus Si, Ge,
ZnSe. Die Schichtdicke des Substrats wird wesentlich größer gewählt als die
Schichtdicke der thermorefraktiven Schicht. Die Si-Schicht des Wärmebads
dient gleichzeitig als Substrat für die thermorefraktive Schicht.
Die zusätzliche Erwärmung über die Temperatur des Wärmebandes hinaus zur
gezielten Steuerung der Durchlässigkeit des thermorefraktiven Materials er
folgt durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung. Hier werden sol
che Wellenlängenbereiche verwendet, in dem das Material der thermorefrakti
ven Schicht einen hohen Absorptionskoeffizienten aufweist. Vorteilhaft wird
z. B. sichtbares Licht eingesetzt. In einer weiteren Ausführung wird auf der
thermorefraktiven Schicht eine Absorptionsschicht aufgebracht, die die aufge
nommene Strahlung in Wärme umsetzt.
Vorteilhaft ist zwischen der thermorefraktiven Schicht und dem Substrat eine
Wärmeisolationsschicht z. B. aus NaF, CsBr oder LaF3 angeordnet. Durch
diese Isolationsschicht kann die benötigte Aufheizleistung verringert werden.
Dabei haben die genannten Materialien aufgrund ihrer Gitterkonstanten (z. B.
weist die Gitterkonstante des NaF nur 5% Abweichung gegenüber der Gitter
konstante des VO2 auf) den Vorteil, daß die Wärmeisolationsschicht auch als
Substrat für die thermorefraktive Schicht dienen kann. Ein zusätzliches Sub
strat für die thermorefraktive Schicht zwischen Wärmeisolationsschicht und
thermorefraktiver Schicht ist dann nicht notwendig. Dies führt zur Verminde
rung der Wärmekapazität der Anordnung und so zu einer weiteren Verminde
rung der für die Erwärmung notwendigen Eingangsleistung.
Insbesondere NaF weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hervorra
gende Transparenz im Bereich von 130 nm bis 12 µm auf. Vorteilhaft im Hin
blick auf die Herstellung des Schichtaufbaus ist, daß der Schmelzpunkt des
NaF mit 993°C deutlich über der Aufwachstemperatur der meisten thermo
refraktiven Materialien, z. B. VO2 von 500°C liegt.
Die Dicke der thermorefraktiven Schicht muß klein genug sein, um Absorp
tionseffekte der IR-Strahlung gering zu halten, wobei erfahrungsgemäß bis zu
10% Absorption toleriert werden können. Andererseits muß die Schichtdicke
groß genug sein, um im metallischen Zustand die IR-Strahlung weitgehend
vollständig zu reflektieren.
Vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Modulator in einem Wärmebildgerät
auch zum Schutz des IR-Detektors gegen intensiven Strahlungseinfall ver
wendet werden.
Wärmebildgeräte werden massiv durch Laserstrahlung bedroht. CO2-Laser
mit mittleren, heute gängigen Leistungsstärken sind ohne weiteres in der
Lage, IR-Detektoren zu blenden oder auch zu zerstören. Mit dem erfindungs
gemäßen Modulator kann neben der Modulator-Funktion gleichzeitig ein
Schutz gegen derartige Strahlung erreicht werden. Trifft Strahlung hoher In
tensität auf den Modulator, so wird die thermorefraktive Modulator-Schicht
durch oben erwähnte Absorptionseffekte erwärmt und schaltet in den reflektie
renden Zustand. Der IR-Detektor wird so vor Zerstörung geschützt. Ein äußerer
Regelmechanismus ist nicht notwendig. Besonders vorteilhaft an dieser
Schutzfunktion des Modulators ist, daß diese zumindest im Betriebsbereich
von IR-Detektoren wellenlängenunabhängig ist.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden anhand von Figur näher erläu
tert.
Es zeigen:
Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3 jeweils einen erfindungsgemäßen Modulator
Fig. 4 der zeitliche Temperaturverlauf der thermorefraktiven Schicht
eines erfindungsgemäßen IR-Modulators (berechnete Werte),
Fig. 5 der prinzipielle zeitliche Verlauf der Durchlässigkeit der thermo
refraktiven Schicht eines erfindungsgemäßen IR-Modulators.
Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen
IR-Modulators. Die thermorefraktive Schicht 10 ist auf einem Substrat 12, z. B.
aus Si, Ge, ZnSe angeordnet. Zwischen Substrat 12 und thermorefraktiver
Schicht 10 ist eine Wärmeisolationsschicht 14 aus einem thermisch isolieren
den Material angeordnet.
Die einzelnen Schichten weisen bevorzugt folgende Schichtdicken auf:
Substrat 12: 0,1 mm bis 10 mm
Wärmeisolationsschicht 14: 1 µm bis 100 µm
thermorefraktive Schicht 10: 20 bis 1000 nm
Wärmeisolationsschicht 14: 1 µm bis 100 µm
thermorefraktive Schicht 10: 20 bis 1000 nm
Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen IR-Modulator 2 innerhalb eines Wärme
bildgeräts. In dieser schematischen Zeichnung ist vom IR-Modulator 2 nur die
thermorefraktive Schicht 10 sowie eine im folgenden noch näher beschriebe
ne Absorptionsschicht 15 dargestellt. Ebenso sind nur die zum Verständnis
notwendigen Elemente des Wärmebildgeräts eingezeichnet. Weitere Einzel
heiten des Wärmebildgeräts, z. B. IR-Teleskop, Abtastelement sind z. B. der Fig.
1 der DE 38 36 294 C2 zu entnehmen. Der Modulator 2 sitzt vorzugsweise im
Zwischenfokus der Linsenanordnung 1a, 1b. In einer weiteren Ausführung, in
der Fig. 2 gestrichelt gezeichnet, sitzt der Modulator direkt vor dem Detektor.
Der Detektor 4 kann ein Einzeldetektor, ein Reihendetektor (Detektorzeile)
oder ein flächenhafte Detektor (Detektormosaik, Focal Plane Array) sein. Der
erfindungsgemäße IR-Modulator/Verschluß 2 ist hier mit seinen Oberflächen
senkrecht zur optischen Achse des Wärmebildgeräts angeordnet. Er wird
durch Zufuhr und Abfuhr von Wärme in seiner Durchlässigkeit von IR-durch
lässig bis IR-reflektierend verändert. Er läßt im Zustand IR-durchlässig (Auf-
Phase) Szene-Strahlung auf den Detektor 4 gelangen, während er im Zu
stand IR-reflektierend (Zu-Phase) die Strahlung auf beiden Seiten des IR-
Modulators 2 reflektiert. Die Umschaltung zwischen Auf-Phase und Zu-Phase
wird gesteuert durch Temperaturänderung der thermorefraktiven Schicht 10
innerhalb des IR-Modulators 2. Zur Heizung sind in dieser Ausführung zwei
Strahlungsquellen 8, 9 vorgesehen, deren Strahlung von einer Absorptions
schicht 15, die auf der thermorefraktiven Schicht 10 angeordnet ist, absorbiert
wird. Die Absorptionsschicht besteht in einer bevorzugten Ausführung aus
amorphem Silizium und weist eine Schichtdicke von 200 nm auf. Die Wellen
längen für die Heizstrahlung liegt bevorzugt im Bereich von 300 nm bis 600
nm.
Fig. 3 zeigt den erfindungsgemäßen IR-Modulator 2 innerhalb eines Wärme
bildgeräts mit Objektiv 1 und IR-Detektor 4. Das Wärmebildgerät umfaßt zu
sätzlich eine Referenzstrahlenquelle 6 zum Abgleich des Detektors 4, wie in
der Beschreibungseinleitung beschrieben. In dieser Ausführung ist der IR-
Modulator 2 schräg zur optischen Achse des Wärmebildgeräts gestellt.
Im Zustand IR-durchlässig des IR-Modulators 2 trifft die Szenestrahlung auf
den Detektor 4.
Im Zustand IR-reflektierend wird die Szenestrahlung an der einen 2a (dem
Detektor 4 abgewandten) Seite des Modulators 2 reflektiert. Die Strahlung
der Referenzstrahlenquelle 6 wird der anderen 2b (dem Detektor 4 zuge
wandten) Seite des Modulators reflektiert. Dabei ist der Modulator 2 gegen
über Referenzquelle 6 und Detektor 4 derart angeordnet, daß die Strahlung
der Referenzquelle 6 nach Reflexion an dem Modulators 2 auf den Detektor 4
gelangt.
In einer weiteren, nicht gezeigten Ausführung können noch weitere Modulato
ren hinzugefügt werden, um weitere Referenzquellen einzuspiegeln.
Fig. 4 zeigt die Ergebnisse einer Beispielrechnung für den Temperaturverlauf
T einer thermorefraktiven Schicht des IR-Modulators in Abhängigkeit von der
Zeit. Ebenfalls eingezeichnet ist der Verlauf der Heizleistung P.
Das Material der thermorefraktiven Schicht ist VO2, die Schichtdicke beträgt
500 nm. Die thermorefraktive Schicht ist auf einer 50 µm dicken NaF-Schicht
aufgebracht. Die Substrattemperatur (Wärmebad) wird konstant auf 60°C ge
halten.
Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Verlauf der Durchlässigkeit der thermorefraktiven
Schicht eines erfindungsgemäßen IR-Modulators in Abhängigkeit von der Zeit.
Während der Auf-Phase (t0 bis t1) hat die Transmission einen Wert nahe 1
und die Reflexion einen Wert nahe 0. Während der ersten Schaltphase (t1 bis
t2) wächst die Reflexion zu einem Wert nahe 1, während die Transmission zu
einem Wert nahe 0 sinkt. Diese Werte werden in der Zu-Phase (t2 bis t3) bei
behalten. Während der zweiten Schaltphase (t3 bis t4) kehren die Reflexions-
und Transmissionswerte zu den Anfangswerten zurück.
Claims (7)
1. IR-Modulator, der zwischen einem IR-Strahlung transmittierenden und
einem IR-Strahlung reflektierenden Zustand hin- und herschaltbar ist, mit
- 1. einer für Infrarotstrahlung transparenten Schicht (14) mit geringer Wärmeleitfähigkeit, auf der eine thermorefraktive Schicht (10) ange ordnet ist, die durch Temperaturänderung zwischen einem IR-Strah lung reflektierenden und einem IR-Strahlung transmittierenden Zu stand hin- und herschaltbar ist, und mit
- 2. einer Strahlungsquelle (8, 9), die Strahlung eines Wellenlängenbe reichs aussendet, der in der thermorefraktiven Schicht (10) absor biert wird, womit eine Temperaturerhöhung der thermorefraktiven Schicht (10) bewirkt wird.
2. IR-Modulator, der zwischen einem IR-Strahlung transmittierenden und
einem IR-Strahlung reflektierenden Zustand hin- und herschaltbar ist, mit
- 1. einer für Infrarotstrahlung transparenten Schicht (14) mit geringer Wärmeleitfähigkeit, auf der eine thermorefraktive Schicht (10) ange ordnet ist, die durch Temperaturänderung zwischen einem IR-Strah lung reflektierenden und einem IR-Strahlung transmittierenden Zu stand hin- und herschaltbar ist,
- 2. einer mit der thermorefraktiven Schicht (10) in Wärmekontakt stehen den Absorptionsschicht (15), die für IR-Strahlung durchlässig ist und Strahlung kürzerer Wellenlängen absorbiert, und mit
- 3. einer Strahlungsquelle (8, 9), die Strahlung des Wellenlängenbe reichs aussendet, der in der Absorptionsschicht (15) absorbiert wird, womit eine Temperaturerhöhung dieser Schicht bewirkt wird.
3. Modulator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die thermorefraktive Schicht
(10) aus einem Material besteht, welches bei Erwärmung einen Halblei
ter-Metall-Übergang durchläuft.
4. Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Ma
terial der thermorefraktiven Schicht (10) aus VO2, V2O3, NiS, NbO2,
FeSi2, Ti2O3, Ti4O7, Ti5O9 oder Fe3O4 oder einer Kombination hiervon
besteht.
5. Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die IR-
transparente Wärmeisolationsschicht (14) aus NaF, CsBr oder LaF3 ist.
6. Wärmebildgerät, bei dem die Wärmestrahlung über einen IR-Modulator
(2) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche auf einen Wärmebild-
Detektor (4) gerichtet wird und bei dem der IR-Modulator (2) bei intensi
vem Strahlungseinfall selbsttätig in den reflektiven Zustand wechselt, um
den Wärmebilddetektor (4) vor der einfallenden Strahlung zu schützen.
7. Wärmebildgerät, bei dem die Wärmestrahlung über einen IR-Modulator
(2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 auf einen Wärmebild-Detektor
(4) gerichtet wird und bei dem eine Referenzstrahlenquelle (6) zum Ab
gleich des Detektors (4) vorgesehen ist, wobei der Modulator (2) und die
Referenzstrahlenquelle (6) so angeordnet sind, daß der Modulator (2) im
IR-reflektiven Zustand die Wärmestrahlung des Wärmebildes vom Detek
tor (4) fernhält und gleichzeitig die Strahlung der Referenzstrahlenquelle
(6) auf den Detektor (4) einspiegelt.
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