CN118285109A - 红外成像装置 - Google Patents

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Abstract

本描述涉及一种红外成像装置(200)，其包括具有光轴(A)的红外相机(210)，所述相机旨在检测通过对所述红外辐射透明的元件(132)的光谱范围内的红外辐射，透明元件相对于图像捕获方向(C)以大于0°且小于90°或小于0°且大于‑90°的倾斜角(α)倾斜；装置还包括折射器元件(230)，该折射器元件对于光谱范围内的红外辐射是透明的并且适于定位在透明元件和红外相机之间，所述折射器元件包括折射器元件的虚拟出射分面，在所述折射器元件的隧道图中对应于折射器元件的出射分面(234)，所述虚拟出射分面基本上平行于折射器元件的入射分面(232)。

Description

红外成像装置
技术领域
本公开总体上涉及红外成像领域，尤其涉及一种红外相机，其中图像由所述红外相机通过对红外辐射透明的舷窗进行检测。
背景技术
在红外成像领域，可以使用适于捕获场景的热图像的红外相机(“IR相机”)。IR相机通常包括形成像素阵列的红外敏感探测器的排列。像素阵列的每个像素将在像素处测量的温度转换成相应的电压信号，该电压信号由数模转换器(ADC)转换成数字输出信号。微测辐射热计是用于非冷的红外像素阵列相机的像素的一个示例，适于捕获场景的热图像。
在某些应用中，IR相机可以定位在壳体内，或者至少布置在壁后面，使得IR相机通过壁检测辐射。该壁可以相对于竖直方向以非零角度倾斜。当壁的材料对IR辐射不透明时，壁设置有对红外辐射透明的元件，例如舷窗，该舷窗被定位成使得IR相机可以通过所述舷窗接收IR辐射。通常地，这种舷窗具有最小可能的横向尺寸。
然而，当壁倾斜时，舷窗也倾斜。具有减小的光瞳的倾斜舷窗的存在可能在由IR相机捕获的图像上产生不希望的渐晕现象，即图像的边缘的亮度降低(换句话说，图像的边缘上的不透明度增加)。随着舷窗和IR相机之间的距离增加，这种现象可能会恶化。
发明内容
需要控制旨在定位在倾斜壁后面的红外相机的渐晕现象。
一个实施例克服了上述所有或部分缺点。
一个实施例提供了一种红外成像装置，其包括具有光轴的红外相机，所述相机旨在检测通过对所述红外辐射透明的元件的光谱范围内的红外辐射，透明元件相对于图像捕获方向以大于0°且小于90°或小于0°且大于-90°的倾斜角倾斜；该装置还包括折射器元件，该折射器元件对光谱范围内的红外辐射透明并且能够定位在透明元件和红外相机之间，所述折射器元件包括折射器元件的虚拟出射分面，其在所述折射器元件的隧道图中对应于折射器元件的出射分面，所述虚拟出射分面基本上平行于折射器元件的入射分面。
透明元件包括两个表面，入射表面和出射表面，优选地基本上是平面的并且彼此平行。
根据一个实施例，入射分面适于折射穿透到折射器元件中的光谱范围内的红外线，并且旨在定位在透明元件的前面，出射分面适于对从折射器元件出来的红外线进行折射，并且定位在红外相机的前面，折射器元件还包括至少一个中间分面，该中间分面适于在入射分面和出射分面之间反射红外线。
根据一个实施例，中间分面的内表面涂覆有适于增加所述内表面上的红外辐射的反射的反射涂层，例如金属涂层。
根据一个实施例，中间分面包括至少一个适于校正光学像差的表面，例如自由形式类型的不平坦表面，例如非轴对称的不平坦表面。
根据一个实施例，折射器元件和红外相机相对于彼此定位成折射器元件的折射光轴基本平行于红外相机的光轴或与红外相机的光轴基本重合。
根据一个实施例，红外相机的光轴在垂直于所述折射光轴的方向上相对于折射器元件的折射光轴偏移一定距离。
根据一个实施例，入射分面的外表面和/或出射分面的外表面涂覆有抗反射涂层。
根据一个实施例，折射器元件是棱镜。根据一个示例，棱镜不产生色散。
根据一个具体实施例，棱镜是道威(Dove)棱镜类型的，所述棱镜具有带有截顶矩形基底的金字塔形状，包括第一基底、第二基底，该第二基底的表面积小于所述第一基底的表面积、联接第一和第二基底并相对于第一基底以第一角度倾斜的第一侧平面、联接第一和第二基底的第二侧平面，该第二侧平面面向第一侧平面并相对于第一基底以第二角度倾斜，第二角度与第一角度相反，第一角度大于0°并小于90°，例如在30°和60°之间，第一侧平面形成入射分面，第二侧平面形成出射分面，并且第一基底形成中间分面。
根据一个具体实施例，棱镜是鲍尔芬德(Bauernfeind)棱镜类型的半五棱镜，所述棱镜包括形成入射分面的基底、布置在基底的前面并形成中间分面的第一侧平面以及联接基底和第一侧平面并形成出射分面的第二侧平面。根据一个示例，这些分面相对于彼此定向成红外线以与出射分面的入射角相等的角度折射通过入射分面。
根据一个实施例，折射器元件的入射分面的表面积大于或等于透明元件的表面积。
根据一个实施例，折射器元件的入射分面基本上平行于透明元件。
根据一个实施例，出射分面的表面积基本上等于入射分面的表面积。
根据一个实施例，出射分面的表面积小于入射分面的表面积。
根据一个实施例，红外相机还包括至少一个透镜和透镜安装件，所述至少一个透镜由所述透镜安装件保持，至少一个透镜和/或透镜安装件包括适于定位在折射器元件的出射分面的前面的截顶表面，该截顶表面例如基本平行于出射分面。
根据一个实施例，红外相机包括：
-至少一个透镜和透镜安装件，所述至少一个透镜由所述透镜安装件保持；
-对光谱范围内的红外辐射敏感的图像传感器；
图像传感器和至少一个透镜限定红外相机的光轴，图像传感器基本上布置在所述至少一个透镜的图像焦平面中。
根据特定实施例，至少一个透镜至少部分地被透镜安装件包围。
根据一个实施例，透明元件被安装件包围，并且适于与所述安装件一起***壁的开口中，透明元件***其中的壁的至少一部分以与透明元件相同的倾斜角倾斜。
透明元件优选地包括在由壁开口释放的容积中，即对应于壁开口的容积中。例如，透明元件不在开口的两侧横向地突出。
优选地，壁围绕开口以倾斜角倾斜。例如，壁以倾斜角完全地倾斜。
根据特定实施例，该装置包括用于附接折射器元件的器件，该器件适于将所述折射器元件附接到壁或附接到安装件。
根据一个具体实施例，该装置包括适于在红外相机和安装件之间形成接口的接合元件，所述接合元件还适于将折射器元件保持在透明元件和红外相机之间。
根据一个实施例，接合元件的至少一个内表面以这样的方式成形，以减少由所述接合元件朝向相机发射红外辐射。
根据一个实施例，接合元件的至少一个内表面由适于减少由所述接合元件朝向相机发射红外辐射的材料制成。
根据一个实施例，接合元件的至少一个内表面涂覆有适于减少由所述接合元件朝向相机发射红外辐射的涂层。
根据一个实施例，接合元件包括第一端，该第一端适于例如通过与所述框架的形状互补而与透明元件的安装件接合。
根据一个实施例，接合元件包括第二端，该第二端适于例如通过与所述红外相机的至少一部分形状互补而与红外相机接合。
根据一个实施例，接合元件包括成形为与安装件接合的第一端和成形为与相机接合的第二端。例如，接合元件包括位于第一端和第二端之间的主体。
根据一个实施例，接合元件由组装在红外相机的两侧上的两个部分组成。根据一个具体实施例，接合元件是单件式的。
根据一个实施例，接合元件具有中空形状。
根据红外相机包括至少一个透镜和透镜安装件的实施例，所述至少一个透镜由所述透镜安装件保持，接合元件的第二端适于例如通过与所述透镜安装件的形状互补而与透镜安装件接合。
根据红外相机包括至少一个透镜和透镜安装件的实施例，所述至少一个透镜由所述透镜安装件保持，接合元件和透镜安装件形成为单件。
根据一个实施例，接合元件设置有至少一个温度探头。例如，至少一个温度探头联接到用于处理杂散光通量(例如，由装置发射的杂散光通量)的模块。
根据一个实施例，该装置包括例如组装到接合元件和/或布置在折射器元件和红外相机之间的适于关闭红外相机的可移除的快门元件。根据一个示例，快门元件在所述快门元件的位于红外相机的前面的表面上涂覆有发射涂层。
根据一个实施例，接合元件包括至少一个发射内表面，该发射内表面面向红外相机并适于靠近透明元件(例如抵靠透明元件的安装件)定位。根据一个示例，所述内表面例如在其位于红外相机的前面的表面上涂覆有发射涂层。
根据一个实施例，接合元件包括适于定位在透明元件的区域(例如所述透明元件的边缘)的前面的部分，以便在透明元件的所述区域和红外相机之间形成屏幕，所述部分包括面向红外相机的发射表面。根据一个示例，所述发射表面涂覆有发射涂层。
上述两个实施例使得能够有意地降低红外相机的视场区域上的渐晕，优选地降低对于目标应用不重要的区域上的渐晕，并且形成接合元件的面向视场的所述降低区域的内表面的图像。由图像传感器在视场的这个退化区域中确定的温度然后可以在杂散光通量处理模块中使用。
根据一个实施例，红外相机包括像素阵列的图像传感器，该像素阵列的图像传感器包括适于捕获源自接合元件的面向图像传感器的内部区域和角像素的视场的光通量的角像素，例如适于定位在透明元件周围的内部区域。根据一个示例，所述内部区域涂覆有发射涂层。
角像素是指杂散光通量或杂热通量检测像素，其是具有相对于像素阵列的图像像素的视场而修改的视场的像素，以有利于捕获杂散光。例如，每个杂散热检测像素被布置成比像素阵列的每个图像像素捕获更大部分的杂散热量。
一个实施例提供了一种***，其包括：
-根据实施例的红外成像装置，以及
-对光谱范围内的红外辐射透明的元件；
该装置的红外相机适于检测穿过透明元件的光谱范围内的红外辐射；
该透明元件相对于图像捕获方向以大于0°且小于90°或小于0°且大于-90°的倾斜角倾斜。
根据一个实施例，透明元件被安装件包围，并且与所述安装件一起***到壁的开口中，透明元件***其中的壁的至少一部分以与透明元件相同的倾斜角倾斜。
透明元件包括两个表面，入射表面和出射表面，优选地基本上是平面的并且彼此平行。
优选地，壁围绕开口以倾斜角倾斜。例如，壁完全地以倾斜角倾斜。
附图说明
前述特征和优点以及其它特征和优点将在特定实施例的公开内容的其余部分中详细描述，这些特定实施例参考附图以说明性而非限制性的方式给出，其中：
图1A和
图1B是示出了布置在倾斜壁后面的红外相机的示例的横截面视图；
图2A是示出根据一个实施例的红外成像装置的示例的横截面视图；
图2B示出了图2A的红外成像装置的棱镜的隧道图的视图；
图2C是示出了图2A的红外成像装置的示例的变型的横截面视图；
图3是示出根据一个实施例的红外成像装置的另一个示例的横截面视图；
图4是示出根据一个实施例的红外成像装置的另一个示例的横截面视图；
图5是示出根据一个实施例的红外成像装置的另一个示例的横截面视图；
图6A是示出根据一个实施例的红外成像装置的另一个示例的横截面视图；
图6B示出了图6A的红外成像装置的棱镜的隧道图的视图。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的特征由相同的附图标记表示。特别地，在各种实施例中共同的结构和/或功能特征可以具有相同的附图标记，并且可以布置相同的结构、尺寸和材料性能。
为清楚起见，仅仅示出并详细说明了对理解所述实施例有用的那些步骤和元件。具体而言，光学器件(例如透镜及其安装件)和图像传感器(例如微测辐射热计的阵列的形式或光电二极管的阵列的形式的阵列图像传感器)未详细描述，这是本发明领域的技术人员已知的。
除非另有明确规定，当提及连接在一起的两个元件时，这表示除了导体之外不存在任何中间元件的直接连接，而当提及联接在一起的两个元件时，这表示这两个元件可以连接或者其可以经由一个或更多个其他元件联接。
在以下描述中，当提及限定绝对位置的术语时，比如术语“前部”，“后部”，“顶部”，“底部”，“左”，“右”等，或者相对位置，比如术语“在……上方”，“在……下方”，“在……上部”，“在……下部”等，或限定方向的术语，比如术语“水平”，“竖直”等，除非另有明确规定，否则其指代的是图纸的定向或者处于正常使用位置的IR成像装置。
当提及术语“输入/输出”、“上游/下游”、“前/后”、“在……前方/在……后方”时，指的是光线/辐射在装置中(即从透明元件到红外相机)的传播方向。
当提及角度值时，必须理解这些值是在三角方向上，在附图中由带“+”号的四分之一圆箭头表示。因此，负角度值对应于顺时针方向的角度。
在以下描述中，水平X、Y和竖直Z方向是在红外相机的参照系中定义的。
当提及“图像捕获方向”时，它是指光线在透明元件的上游的光路，该光路在穿过透明元件和折射器元件之后，与相机的光轴重合或平行。
当提及透明元件或舷窗的“折射光轴”时，它是指在图像捕获方向上发射的光线被所述透明元件折射的光路。
当提及棱镜的“折射光轴”时，它是指在图像捕获方向上发射的光线被透明元件折射并且然后被所述棱镜折射的光路。
当提及“棱镜隧道图”或“隧道图”时，它是指通过展开棱镜获得的二维图，展开是通过棱镜的平面对称来进行的，对称的平面是在其上发生内部反射的分面(在展开模式中，反射光轴不偏离)，为了构建隧道图，对每个内部反射进行此类展开。换句话说，隧道图以直线的形式示出了光线在棱镜内在所述棱镜的入射分面和出射分面之间的光路。在隧道图中，这样定义了虚拟出射分面，但也显示了实际的入射分面。
除非另有说明，表述“大约”、“近似”、“基本上”和“……左右”表示正负10％，优选地正负5％。
红外(IR)相机的一个示例如图1A和图1B所示。红外相机110包括外壳112，该外壳包括对红外辐射敏感的图像传感器114，以及窗口116，该窗口位于图像传感器114的前方并且能够透射IR相机使用的光谱范围内的IR辐射，该光谱范围例如在1至20μm的范围内，优选地从8至14μm，或者甚至从8至12μm。图像传感器有利地是由微测辐射热计的阵列形成的阵列图像传感器。替代地，图像传感器是由基于半导体材料的光电二极管的阵列形成的阵列图像传感器。
IR相机还包括多个透镜118(仅示出了一个，但通常有多个)，这些透镜能够在相机使用的光谱范围内操作，以在图像传感器上形成图像(相机位于透镜的图像焦平面中)，这些透镜被保持在组装到外壳112的透镜安装件119中。透镜安装件119被定位成使得窗口116被布置在所述安装件和图像传感器114之间。传感器和透镜限定了相机的光轴A。在所示的示例中，光轴A位于水平X方向上。
IR相机110可以定位在壳体中，或者至少布置在壁130后面，使得由IR相机检测通过所述壁的辐射。这种壳体或壁可以实现相机的机械和/或热保护功能，和/或保护相机免受环境影响的功能，和/或空气动力学功能，和/或用户保护功能(例如，屏蔽件，特别是挡风玻璃)，或者甚至美学功能(例如，遮蔽相机)。
如图所示，壁130可以是平面壁。替代地，它可以在相机的附近局部地包括至少一个平面壁部分。
该壁对于IR辐射可能是不透明的，它可能不适合于透射图像，例如，它可能是粗糙的或散射的，或者它也可能在IR相机使用的光谱范围内无法透射以足够的质量的IR辐射。在这种情况下，可以将对IR相机使用的光谱范围内的IR辐射透明的舷窗132***壁的开口中。例如，舷窗132可以借助于舷窗安装件134***壁中。
舷窗132适于将IR辐射传输到IR相机110。例如，舷窗可以由硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、硅(Si)、锗(Ge)、氟化钡(BaF2)、氟化钙(CaF2)、蓝宝石、硫族玻璃或对在IR相机的使用光谱范围内的IR辐射透明的任何其他材料的板形成。
舷窗132的特征在于具有给定占据面积(称为“光瞳”)的两个基本平行的表面，这两个表面相隔一段距离(厚度)。两个表面的尺寸(光瞳尺寸)例如在大约一厘米或十厘米，厚度在大约几毫米。
在某些应用中，壁130和舷窗132可以相对于竖直方向倾斜角度θ。角度θ在0°和90°之间，更具体地在30°和70°之间，例如大约60°。换句话说，壁130和舷窗132可以相对于图像捕获方向C以角度α倾斜，该图像捕获方向在水平X方向上示出。角度α与角度θ互补，因此它在0°和90°之间，更具体地说在20°和60°之间，例如大约30°或大约40°。
此外，有时希望舷窗的光瞳尽可能小。实际上，假设由壁占据的表面积因由舷窗以及可能的舷窗安装件占据的表面积而减少，这降低了壁实现其功能的能力，例如其保护或美学功能。此外，增加舷窗光瞳可以改变壁的机械完整性。此外，用于形成舷窗光瞳的材料具有不可忽略的成本，希望通过减小光瞳尺寸并在较小程度上减小其厚度来降低成本。
然而，当舷窗倾斜时，舷窗光瞳尺寸的减小具有限制IR相机的视场(称为“FOV”)的后果和缺点，从而导致渐晕现象，因为视场的端部处的光线被舷窗的边缘阻挡。特别地，由于舷窗的倾斜，竖直视场(“VFOV”)相对于水平视场(“HFOV”)可能会退化。
随着舷窗和IR相机之间的距离增加，渐晕现象可能恶化。因此，在IR相机110和壁130之间的间隔限度内(该限度由图1A和图1B中的虚线圆圈标记)，将IR相机尽可能地靠近舷窗定位是有利的。倾斜角θ越大(或余角α越小)，该间距越小。
此外，如图1A所示，如果IR相机110的光轴A以舷窗132的折射光轴B(即在所述舷窗中折射偏转后的光轴)为中心，则IR相机可能呈现不对称的竖直渐晕，例如有利于竖直视场的上部部分的渐晕。如图1B所示，通过将IR相机110的光轴A相对于舷窗132的折射光轴B竖直地偏移距离D，可以获得对称渐晕。然而，通过比较图1A和图1B可以看出，这可能会进一步减小IR相机与壁之间的间距。
因此，为了控制渐晕现象，需要消除红外相机和倾斜壁之间的间距限制。
发明人提供了一种能够满足这些需求的红外成像装置。
下文将描述红外成像装置的示例。这些示例是非限制性的，并且基于本说明书的指示，本领域技术人员将会想到各种变型。
图2A是示出根据一个实施例的红外成像装置的示例的横截面视图，该红外成像装置包括在壁130(该壁不构成该装置的一部分)后面示出的红外相机210。
类似于结合图1A和图1B描述的红外相机110，红外相机210包括外壳212，该外壳包含对红外辐射敏感的图像传感器214以及位于图像传感器214前面并能够透射在IR相机的使用光谱范围内的IR辐射的窗口216。有利地，图像传感器是包括微测辐射热计的阵列的阵列图像传感器。替代地，图像传感器是包括基于半导体材料的光电二极管的阵列的阵列图像传感器。
在本公开的其余部分中，为了简洁起见，IR相机的使用光谱范围可以被指定为“光谱范围”。
IR相机还包括能够在光谱范围内操作以在图像传感器上形成图像的多个透镜218，相机位于透镜的图像焦平面上。透镜被保持在组装到外壳212的透镜安装件219中，透镜安装件219被定位成使得窗口216被布置在所述安装件和传感器214之间。传感器和透镜限定了相机的光轴A，基本上在水平X方向上示出。
壁130类似于图1A和图1B所示的壁。因此，它包括舷窗132(也称为“透明元件”)，该舷窗对于光谱范围内的红外辐射是透明的。舷窗132与舷窗安装件134一起***壁130的开口中。该壁可以是屏蔽件，例如挡风玻璃。该壁可以是壳体的壁，例如封闭的壳体，特别是适于热调节的封闭的壳体。
例如，舷窗可以通过由硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、硅(Si)、锗(Ge)、氟化钡(BaF2)、氟化钙(CaF2)、蓝宝石、硫族化物玻璃或在IR相机使用的光谱范围内对IR辐射透明的任何其他材料制成的板形成。
壁130和舷窗132相对于图像捕获方向C以角度α倾斜，该图像捕获方向基本上在水平X方向上示出。倾斜角α在0°和90°之间，更具体地在20°和60°之间，例如大约30°或大约50°。
规定透明元件(例如舷窗)的特征在于两个表面，即入射表面和出射表面，这两个表面基本上是平面的并且彼此平行。此外，规定壁的倾斜角局部地对应于舷窗的倾斜角，即至少在透明元件***壁中的位置处对应于舷窗的倾斜角。
红外相机适于通过倾斜的舷窗捕获场景的热图像。
红外成像装置200还包括对光谱范围内的辐射透明的折射棱镜230(折射器元件)。棱镜230定位在舷窗132和IR相机210之间。
所示的棱镜230是Dove棱镜。它具有带有截顶矩形基底的金字塔形状，包括第一基底236(大基底)、表面积小于所述第一基底且基本平行于第一基底236的第二基底238(小基底)、联接第一和第二基底并相对于第一基底236以角度β倾斜的第一侧平面232(入射分面)、联接第一和第二基底的第二侧平面234(出射分面)，该第二侧平面面向第一侧平面并相对于第一基底236以与角度β相反的角度-β倾斜。角度β大于0°并且小于90°，例如在30°和60°之间。第一侧平面232形成入射分面，第二侧平面234形成出射分面，并且大基底236形成中间分面。
在图2A所示的示例中，入射分面和出射分面基本上具有相同的尺寸，但这不是限制性的，这将在关于图3的描述中看到。
入射分面232适于折射穿透到棱镜中的光谱范围内的红外线，并定位在透明元件132的前面。出射分面234适于折射从棱镜出来的红外线，并定位在红外相机210的前面。中间分面236适于在入射分面和出射分面之间反射红外线。
根据一个示例，选择棱镜230的角度β，使得所述棱镜可以***倾斜舷窗132和红外相机210之间。角度β可以选择为基本上等于壁的倾斜角α：在这种情况下，棱镜230的大基底236可以定位在水平X方向上，如图2C的构造所示。然而这不是限制性的，棱镜230的大基底236可以相对于水平X方向倾斜，如图2A所示，其中棱镜的角度β不同于倾斜角α。
根据另一示例，角度β被施用，并且红外相机210被定位成捕获由棱镜230的出射分面234折射的红外辐射。
根据一个示例，可以定义棱镜230的长度L，即棱镜的大基底236在XZ平面上的长度，使得棱镜的折射光轴B穿过入射分面232和出射分面234的中心。根据另一个示例，可以定义棱镜230的长度L，使得棱镜的折射光轴B相对于入射分面232和出射分面234的中心是偏心的。
在图2A所示的示例中，棱镜230和红外相机210相对于彼此定位，使得棱镜230的折射光轴B基本上与红外相机的光轴A重合，但这不是限制性的，这将在关于图2C的描述中看到。
为了限制渐晕现象，特别是与红外相机和舷窗之间的距离相关的渐晕现象，在舷窗和IR相机之间使用比如棱镜230的折射器元件能够使来自IR相机的视场末端的IR线变窄。这使得能够避免IR相机的视场末端处的IR线被舷窗的边缘遮挡，或者至少限制这种现象。这进一步使得能够消除IR相机和壁之间的间距限制，并且显著地减轻其重量，这与壁的倾斜角α无关。IR相机和壁之间的间距限制转移到棱镜和IR相机之间，如图2A中的虚线圆所示，但是其限制较少，因为由于棱镜的折射，IR相机不需要抵靠棱镜，以便所述相机捕获舷窗的边缘处的IR线。
该装置包括用于将棱镜组装到壁上，例如组装到舷窗安装件上的器件(未示出)。
结合图2A的装置200描述的一个或多个以下示例也可以应用于根据一个实施例的装置的另一个示例，例如下文结合图6A描述的棱镜600：
-折射器元件(例如棱镜230)可以由与舷窗132相同的材料制成；
-折射器元件(例如棱镜230)可以由硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、硅(Si)、锗(Ge)、氟化钡(BaF2)、氟化钙(CaF2)、蓝宝石、硫族化物玻璃制成；
-折射器元件的中间分面的内表面(例如棱镜230的中间分面236的内表面236B)可以覆盖有适于增加所述内表面上的红外辐射的反射的反射涂层，例如金属涂层；
-折射器元件的中间分面(例如棱镜230的中间分面236)可以包括至少一个适于校正光学像差的表面，例如自由形式类型的不平坦、非轴对称表面；
-折射器元件的入射分面的外表面(例如棱镜230的入射分面232的外表面232A)可以覆盖有抗反射涂层；
-折射器元件的出射分面的外表面(例如棱镜230的出射分面234的外表面234A)可以覆盖有抗反射涂层；
-与光学功能无关的折射器元件的表面(例如棱镜230的小基底238的外表面和/或内表面和/或大基底236的外表面)可以根据抗杂散光功能进行磨砂和/或结构化。
Dove棱镜具有限制光学像差和色散的优点。具体而言，这可以限制由相机捕获的图像中的模糊。如下所述，该优点是由于出射分面相对于入射分面的定位。
图2B示出了图2A的红外成像装置的棱镜230的隧道图的视图。在该图中，虚拟棱镜230’通过在每次内反射时虚拟地展开棱镜230而获得，以形成平行于入射分面232的虚拟出射分面234’。这种构造赋予棱镜230非色散特性。
图2C是示出了图2A的红外成像装置的示例的变型的横截面视图。图2C的装置201与图2A的装置200的不同之处主要在于相机210的光轴A在竖直Z方向上与棱镜230的折射光轴B偏离一定距离D。在某些情况下，这可以使得相机210的视场对称，以便不使上部视场优于下部视场，或者下部视场优于上部视场。
棱镜230通过相对于光轴A将图像反转180°来操作。图像被IR相机的透镜进一步反转180°，从而恢复所捕获场景的初始定向。例如，如果希望下部视场更优，则可以向下定向移位，如图所示；相反，如果希望上部视场更优，则可以向上定向移位。
图3是示出根据一个实施例的红外成像装置300的另一示例的横截面视图，其与图2C的红外成像装置201的不同之处主要在于Dove棱镜330的小基底338不平行于大基底336(中间分面)。结果，入射分面332和出射分面334不具有相同的表面积。然而，从棱镜330的隧道图的虚拟棱镜330’可以看出，虚拟出射分面334’始终平行于入射分面332。
根据一个示例，入射分面332可以具有基本上等于舷窗132的光瞳的表面积，而出射分面334可以具有较小的表面积。
根据一个实例，可以定义棱镜330的长度L，使得棱镜的折射光轴B穿过入射分面332和较小尺寸的出射分面334的中心。
图4是示出根据一个实施例的红外成像装置400的另一个示例的横截面视图，该红外成像装置与图2C的红外成像装置201的不同之处主要在于它还包括定位在红外相机210和舷窗安装件134之间的接合元件440。接合元件440适于在所述红外相机和所述舷窗安装件之间形成接口。该接合元件还适于将折射棱镜230保持在舷窗132和红外相机210之间。
接合元件440使得能够在光轴A的方向(所示示例中的水平X方向)上和在垂直于光轴A的方向(所示示例中的竖直Z方向)上相对于舷窗132精确地定位红外相机210，以及相对于舷窗并相对于红外相机精确地定位棱镜230。在图4所示的示例中，相机210的光轴A相对于棱镜的折射光轴B在竖直方向Z上偏移。根据类似于图2A的另一个示例，相机的光轴A可以与棱镜的折射光轴B重合。
所示的接合元件440是刚性的单件式元件，具有外部截顶的柱形形状，适于***舷窗安装件134和IR相机210之间。所示的接合元件440包括：
-第一端442，该第一端被成形为通过与所述安装件形状互补而与舷窗安装件134接合，从而围绕舷窗132装配到壁130；
-第二端444，该第二端被成形为通过与所述透镜安装件的形状互补而与透镜安装件219接合；
-第一端和第二端之间的主体446。
根据替代示例，接合元件的第二端可以被成形为与IR相机的外壳212接合，或者与透镜安装件219并与外壳212两者接合。
主体446形成封装件，该封装件优选地对给定光谱范围内的光辐射不透明。因此，所述封装件优选地适于阻挡来自壁130的背面的全部或部分杂散光，这些杂散光可能穿透到所述壁和IR相机210之间的空间中，例如在舷窗132和IR相机210之间的光路中，杂散光线能够在图像传感器214上产生重影图像。
保持环447在主体446内延伸，并且被成形为支承抵靠棱镜230以保持棱镜并将其居中在舷窗132和红外相机210之间的给定位置。优选地，保持环447支承在棱镜的表面上，而不是入射分面和出射分面上，例如支承在大基底和/或小基底上，和/或支承在垂直于Y方向的一个或多个侧分面上。
在所示示例中，接合元件440是与壁130以及与红外相机210分离的元件。这使得能够容易地更换壁的不同元件和/或IR成像装置的不同元件，例如在维护的情况下，或者当接合元件必须被改变以能够将红外相机放置在不同壁后面或具有不同倾斜角的同一壁后面时，或者当壁必须被更换时，例如如果其在使用期间被损坏。
虽然图4示出了接合元件的实施例的示例，但是下面描述的其他设计示例也可以应用于接合元件。
根据一个示例，接合元件可以与透镜安装件形成为单件，或者甚至与红外相机的外壳形成为单件。
根据有利的示例，接合元件可以适于在舷窗安装件和IR相机之间形成不透流体的密封。这可以减少在舷窗和IR相机之间的空间中以及包含在所述接合元件中的气体(例如空气)的成分的变化。例如，这可以减少所述空间中的湿度、颗粒和/或灰尘，以便提供尽可能恒定的图像质量，或者至少限制图像质量变化。例如，在被封闭在接合元件中之前，舷窗和IR相机之间的空间可以被氮气饱和，具有低浓度的颗粒和/或灰尘。这也可以保护棱镜免受某些环境条件的影响。根据一个示例，棱镜可以由具有强的热光学特性的材料制成，并且可能需要部分地热调节。根据一个示例，棱镜可以由水溶性材料制成，并且在相对湿度较高的环境中必须得到保护以免劣化。
根据一个示例，接合元件的至少第一内表面由在IR相机的使用光谱范围内吸收的材料形成，或者覆盖有在所述光谱范围内吸收的涂层。
根据一个示例，接合元件的至少第二内表面由在IR相机的使用光谱范围内反射的材料形成，例如金属，或者覆盖有在所述光谱范围内反射的涂层，例如金属涂层。
根据一个示例，接合元件包括至少一个第一内表面和至少一个第二内表面，该第一内表面由在IR相机的使用光谱范围内吸收的材料形成或者覆盖有在所述光谱范围内吸收的涂层，并且该第二内表面由在所述光谱范围内反射的材料形成，例如金属材料，或者覆盖有在所述光谱范围内反射的涂层，例如金属涂层。
例如，根据对杂散光辐射的曝光和/或根据可能影响它们的温度梯度来定义第一和第二表面。
根据一个示例，接合元件的全部或部分内表面被成形为限制由所述接合元件朝向IR相机发射杂散光辐射，例如，接合元件的朝向相机倾斜的内表面被减小或甚至被排除。
根据一个示例，接合元件在所述元件内部包括至少一个适于限制由所述接合元件朝向相机发射杂散光辐射的结构，例如屏幕、掩模和/或光阱类型的结构。它可以是在接合元件中围绕光轴规则地排列的结构，或者是在接合元件中围绕光轴不规则地排列的结构。
根据一个示例，接合元件由具有低热导率的材料制成，例如热导率低于10W.m-1.K-1。这能够有利于舷窗和IR相机之间的隔热以及棱镜的隔热。实际上，舷窗周围的环境可能经历温度变化，特别是根据壁的外部的条件，这种温度变化可能降低红外相机的性能和/或在像素阵列(对于像素阵列红外相机)中的不同像素之间的响应中产生不均匀性，特别是通过产生杂散热通量。例如，当壁是能够被热调节的壳体的一部分时，壳体中的热调节和接合元件的热绝缘的组合能够获得红外相机的改进性能。
根据一个示例，接合元件设置有至少一个温度探头。温度探头可以优选地布置在所述接合元件的内部，但是也可以布置在所述接合元件的外部。例如，多个温度探头可以定位在接合元件的不同点处，以便能够确定温度梯度。
根据一个示例，至少一个温度探头联接到用于处理杂散光通量的模块，杂散光通量即由红外相机捕获但源自场景以外的至少一个源的光通量，例如由装置和/或舷窗发射的杂散光通量。杂散光通量处理模块可以包括在图像处理模块中或者联接到该图像处理模块，以便例如通过校正杂散光通量来确定基本上源自场景的光通量。
替代地，可以在没有温度探头的情况下确定全部或部分杂散光通量，从而简化红外成像装置。例如，接合元件可以包括：
-至少一个发射内表面，该发射内表面面向红外相机并靠近透明元件定位，例如抵靠透明元件的安装件，所述内表面例如在其面向红外相机的表面上覆盖有发射涂层；和/或
-定位在透明元件的区域(例如所述透明元件的边缘)的前面的部分，使得在透明元件的所述区域和红外相机之间形成屏幕，所述部分包括面向红外相机的发射表面，例如覆盖有发射涂层。
根据一个示例，红外相机可以包括像素阵列的图像传感器，该像素阵列的图像传感器包括角像素，该角像素适于捕获源自接合元件的面向图像传感器的内部区域并且在所述角像素的视场内的光通量，例如定位在透明元件周围的内部区域，该区域例如覆盖有发射涂层。
在国际专利申请WO2019234215A1和WO2019234216A1中描述了具有杂散热通量检测像素的红外相机、用于校准这种红外相机的方法以及校正由这种红外相机捕获的图像的方法的示例。
接合元件的实施例的这些示例以及其他示例在同一申请人于2021年9月24日提交的申请号为FR2110092的申请“infrared imaging device(红外成像装置)”中进行了描述。
图5是示出根据一个实施例的红外成像装置500的另一示例的横截面视图，该红外成像装置与图2A的装置200的不同之处主要在于红外相机510的至少一个透镜518包括面向棱镜230的出射分面234的截顶表面517。透镜安装件(未示出)也被截顶。这使得红外相机210能够尽可能地靠近棱镜230定位。通过减小红外相机和棱镜之间的距离，红外相机和舷窗之间的光学距离减小，并且如果需要的话，渐晕现象可以进一步减小。根据一个示例，截顶表面517基本平行于出射表面234。
优选地，透镜截顶被设计成不会降低透镜的光学性能。根据一个示例，截顶的透镜具有至少一个例如自由形式的不平坦的光学表面。不平坦的光学表面优选地至少是非轴对称的。
图6A是示出根据一个实施例的红外成像装置600的另一示例的横截面视图，该红外成像装置与图2A的装置200的不同之处主要在于折射器元件是Bauernfeind棱镜630，而不是Dove棱镜。
Bauernfeind棱镜630是半五棱镜，包括形成入射分面的基底632、定位在基底的前面并形成中间分面的第一侧平面636以及联接基底和第一侧平面并形成出射分面的第二侧平面634。入射分面632定位在舷窗132的前面。出射分面634定位在红外相机210的前面。棱镜630的分面632、634、636相对于彼此定向，使得红外线以等于出射分面的入射角的角度折射通过入射分面。
红外相机210被定位成捕获由棱镜630的出射分面634折射的红外辐射。
在所示示例中，棱镜630和红外相机210相对于彼此定位，使得棱镜的折射光轴B与红外相机的光轴A基本重合。
根据另一个示例，相机210的光轴A可以在竖直Z方向上偏离棱镜的折射光轴B。
类似于图2A的棱镜230，在舷窗和IR相机之间使用折射器元件比如棱镜630能够使源自IR相机的视场的末端的IR线变窄，以限制渐晕现象，特别是限制与红外相机和舷窗之间的距离相关的渐晕现象。这使得能够避免IR相机的视场末端处的IR线被舷窗的边缘遮挡，或者至少限制这种现象。这也能够消除IR相机和壁之间的间距限制，并显著减轻其重量，并且这与壁的倾斜角α无关。
结合图2A-2C、图4和图5的装置描述的其他特征和示例可以适用于Bauernfeind棱镜。
Bauernfeind棱镜具有限制光学像差和色散的优势，这有助于限制由相机捕获的图像中的模糊。如下所述，该优点是由于出射分面相对于入射分面的定位。
图6B示出了图6A的红外成像装置的棱镜的隧道图的视图。在该图中，虚拟棱镜630’通过在每次内反射时虚拟地展开棱镜630而获得，以形成平行于入射分面632的虚拟出射分面634’。这种构造赋予棱镜630非色散特性。
与Dove棱镜相比，Bauernfeind棱镜的使用具有更紧凑的优点，尤其能够降低材料成本。
已描述了各种实施例和变型。本领域技术人员应当理解，可以组合这些不同实施例和变型的某些特征，并且本领域技术人员能够想到其他变型。具体而言，所有实施例都可以在红外相机的光轴和折射器元件的折射光轴之间存在或不存在偏移的情况下实施。此外，在实施例中，图像传感器外壳和透镜安装件可以形成为单件。
最后，基于上文给出的功能指示，所述实施例和变型的实际实施方式在本领域技术人员的能力范围内。

Claims (19)

1.一种红外成像装置(200，201，300，400，500，600)，其包括具有光轴(A)的红外相机(210，510)，所述相机旨在检测通过对所述红外辐射透明的元件(132)的光谱范围内的红外辐射，所述透明元件相对于图像捕获方向(C)以大于0°且小于90°或小于0°且大于-90°的倾斜角(α)倾斜；
所述装置还包括折射器元件(230，330，630)，所述折射器元件对所述光谱范围内的红外辐射透明并且能够定位在所述透明元件(132)和红外相机(210，510)之间，所述折射器元件包括折射器元件的虚拟出射分面(234’，334’，634’)，所述虚拟出射分面在所述折射器元件的隧道图中对应于折射器元件的出射分面(234，334，634)，所述虚拟出射分面基本上平行于所述折射器元件的入射分面(232，332，632)；
所述透明元件(132)具有基本上平面的且彼此平行的入射分面和出射分面，所述透明元件被安装件(134)包围，并且适于与所述安装件一起***到壁(130)的开口中，所述透明元件***其中的壁的至少一部分以与所述透明元件相同的倾斜角(α)倾斜。
2.根据权利要求1所述的装置(200，201，300，400，500，600)，所述入射分面(232，332，632)适于对进入所述折射器元件的光谱范围内的红外线进行折射，并且旨在定位在所述透明元件(132)的前面，所述出射分面(234，334，634)适于对从所到述折射器元件出来的红外线进行折射，并且定位在所述红外相机(210，510)的前面，所述折射器元件(230，330，430)还包括适于在所述入射分面和出射分面之间反射所述红外线的至少一个中间分面(236，336，636)。
3.根据权利要求2所述的装置(200，201，300，400，500，600)，所述中间分面(236，336，636)的内表面(236B，336B，636B)涂覆有适于增加所述内表面上的红外辐射的反射的反射涂层，例如金属涂层。
4.根据权利要求2或3所述的装置，所述中间分面包括至少一个适于校正光学像差的表面，例如自由形式类型的不平坦表面，例如非轴对称的不平坦表面。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置(200，201，300，400，500，600)，所述折射器元件(230，330，630)和红外相机(210，510)相对于彼此定位成所述折射器元件的折射光轴(B)基本上平行于所述红外相机的光轴(A)或基本上与所述红外相机的光轴重合。
6.根据权利要求5所述的装置(201，300，400)，所述红外相机(210)的光轴(A)在垂直于所述折射光轴的方向(Z)上相对于所述折射器元件的折射光轴(B)偏移一定距离(D)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置(200，201，300，400，500，600)，所述入射分面(232，332，632)的外表面(232A，332A，632A)和/或所述出射分面(234，334，634)的外表面(234A，334A，634A)涂覆有抗反射涂层。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置(200，201，300，400，500，600)，所述折射器元件(230，330，630)是棱镜，例如不产生色散的棱镜。
9.根据与权利要求2结合的权利要求8所述的装置(200，201，300，400，500)，所述棱镜(230，330)是Dove棱镜类型，所述棱镜具有带有截顶矩形基底的金字塔形状，包括：第一基底(236，336)；第二基底(238，338)，所述第二基底的表面积小于所述第一基底的表面积；第一侧平面(232，332)，所述第一侧平面联接所述第一基底和第二基底并相对于第一基底(236，336)倾斜第一角度(β)；第二侧平面(234，334)，所述第二侧平面联接所述第一基底和第二基底，在所述第一侧平面的前面并相对于所述第一基底(236，336)倾斜第二角度(-β)，所述第二角度与第一角度相反，所述第一角度(β)大于0°且小于90°，例如在30°和60°之间，所述第一侧平面形成入射分面，所述第二侧面形成出射分面，并且所述第一基底形成中间分面。
10.根据与权利要求2结合的权利要求8所述的装置(600)，所述棱镜(630)是Bauernfeind棱镜类型的半五棱镜，所述棱镜包括：形成入射分面的基底(632)、布置在所述基底的前面并形成中间分面的第一侧平面(636)；以及联接所述基底和第一侧平面并形成出射分面的第二侧平面(634)，这些分面例如相对于彼此定向成红外线以等于所述出射分面的入射角的角度折射通过所述入射分面。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置(200，201，300，400，500，600)，所述折射器元件(230，330，632)的入射分面(232，332，632)的表面积大于或等于所述透明元件(132)的表面积。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置(200，201，300，400，500，600)，所述折射器元件(230，330，632)的入射分面(232，332，632)基本上平行于所述透明元件(132)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置(200，201，400，500)，所述出射分面(234)的表面积基本上等于所述入射分面(232)的表面积。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的装置(300，600)，所述出射分面(334，634)的表面积小于所述入射分面(332，632)的表面积。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置(500)，所述红外相机(510)还包括至少一个透镜(518)和透镜安装件，所述至少一个透镜由所述透镜安装件保持，所述至少一个透镜(518)和/或透镜安装件包括适于定位在所述折射器元件(230)的出射分面(234)的前方的截顶表面(517)，所述截顶表面(517)例如基本上平行于所述出射分面(234)。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的装置(200，201，300，400，500，600)，所述红外相机(210，510)包括：
-至少一个透镜(218，518)和透镜安装件(219)，所述至少一个透镜由所述透镜安装件保持；
-图像传感器(214，514)，所述图像传感器对光谱范围内的红外辐射敏感；
所述图像传感器和至少一个透镜(218，518)限定红外相机的光轴(A)，所述图像传感器基本上布置在所述至少一个透镜的图像焦平面中。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的装置(400)，所述装置包括用于附接所述折射器元件(230)的器件，所述器件适于将所述折射器元件附接到所述壁(130)或附接到所述安装件(134)。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的装置(400)，所述装置包括接合元件(440)，所述接合元件适于在所述红外相机(210)和安装件(134)之间形成接口，所述接合元件还适于将所述折射器元件(230)保持在所述透明元件(132)和红外相机(210)之间。
19.一种红外成像***，其包括：
-根据权利要求1至18中任一项所述的红外成像装置(200，201，300，400，500，600)，以及
-对光谱范围的红外辐射透明的元件(132)；
所述装置的红外相机(210，510)适于检测穿过透明元件的光谱范围内的红外辐射；
所述透明元件(132)相对于图像捕获方向(C)以大于0°且小于90°或小于0°且大于-90°的倾斜角(α)倾斜，
所述透明元件(132)包括入射表面和出射表面，所述入射表面和出射表面基本上是平面的并且彼此平行，所述透明元件被安装件(134)包围，并且与所述安装件一起***到壁(130)的开口中，所述透明元件***其中的壁的至少一部分以与所述透明元件相同的倾斜角(α)倾斜。
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