NL1008023C2

NL1008023C2 - Koelinrichting voor een infrarooddetector.

Info

Publication number: NL1008023C2
Application number: NL1008023A
Authority: NL
Inventors: Antonius Hendricus Mar Olbertz
Original assignee: Hollandse Signaalapparaten Bv
Priority date: 1998-01-14
Filing date: 1998-01-14
Publication date: 1999-07-15
Also published as: JP2002510034A; TR200002053T2; ZA9811929B; KR20010034075A; CN1288593A; WO1999036960A1; EP1048073A1; AU2717199A; IL137005A0; AU749208B2

Description

Koelinrichting voor een infrarooddetector

De uitvinding heeft betrekking op een koelinrichting voor een infrarooddetector.

5

Koelinrichtingen van dit type worden bijvoorbeeld toegepast voor het koelen van infrarooddetectors gebruikt in infraroodsensoren. De sensor kan hierbij bestaan uit een camerahuis waarin de infrarooddetector is aangebracht. Een 10 in het camerahuis aangebracht lenzenstelsel focuseert de infraroodstraling op de infrarooddetector. De infrarooddetector omvat doorgaans een focal plane array van detector elementen. Als detector elementen in de array kan voor speciale toepassingen gebruik gemaakt worden van diode 15 elementen van het type Kwik-Cadmium-Telluride (Hg-Cd-Te). Deze stof is bijzonder geschikt voor het lange-golflengte infraroodgebied (8-12 μιη) en het medium-golflengte infra-roodgebied (3-5 ^m). Teneinde te kunnen functioneren wordt de detector array onder operationele omstandigheden gekoeld 20 tot een temperatuur van 80 Kelvin. Hierbij wordt gebruik gemaakt van koelinrichtingen van het type zoals beschreven in de kop van conclusie 1. Veelgebruikte koelinrichtingen zijn hierbij van het type cryogene koelers, zoals Stirling-koelers. Andere koelinrichtingen zijn van het Peltier type 25 of van het Joule Thomson type. Bij koelinrichtingen van het Peltier type realiseert een Peltier element een bepaald temperatuurverval. Door meerdere Peltier elementen achter elkaar te schakelen kan een veel groter temperatuurverval worden gerealiseerd dan met individuele elementen mogelijk 30 is. Koelinrichtingen van het Joule-Thomson type werken op basis van afkoeling door een expanderend gas.

Het is, met het oog op slijtage en energieverbruik, in het algemeen ongewenst om de koelinrichting continu aan te 35 laten staan als de sensor niet wordt gebruikt. In dat geval 2 zal de koelinrichting worden uitgeschakeld, waardoor de temperatuur van de infrarooddetector stijgt tot een omgevingstemperatuur. Onder omstandigheden kan deze omgevingstemperatuur hoog oplopen, bijvoorbeeld door 5 inwerking van zonnestraling op de camera waarin de detector is aangebracht. Met name in militaire omgevingen is dit het geval. De temperatuur kan hierbij wel tot boven de 50 graden Celcius oplopen. Een probleem dat zich echter bij detectoren van het type (Hg-Cd-Te) blijkt voor te doen, is 10 dat deze bij hogere temperaturen dan kamertemperatuur gaan desintegreren door diffusie effecten in de detectie diodes. De desintegratiesnelheid neemt daarbij toe met de temperatuur. De effectiviteit van de detectie diodes neemt daarbij onomkeerbaar af. Dit is met name een probleem omdat 15 detectoren van dit type zeer kostbaar zijn. Dit heeft tot gevolg dat de levensduur van de detectorarray ernstig wordt bekort. De bekende koelinrichtingen hebben dus het bezwaar dat deze niet geschikt zijn voor toepassing bij detector arrays waarvan de levensduur ernstig wordt bekort bij 20 hogere temperatuur.

Volgens de uitvinding wordt aan dit bezwaar tegemoet gekomen middels de koelinrichting zoals omschreven in conclusie 1.

25

Het voordeel hiervan is dat de detectorarray op een aanvaardbare stand-by temperatuur gehouden kan worden, zonder dat de koelinrichting te veel energie verbruikt.

30 In een bijzondere uitvoeringsvorm omvat de koelinrichting één koeler welke in de stand-by mode op een gereduceerd koelvermogen werkt ten opzichte van de operationele mode.

Een verder gunstige uitvoeringsvorm is als omschreven in 35 conclusie 3. Hierbij wordt de temperatuur van de 3 infrarooddetector gemeten en toegevoerd aan een regelaar, welke het koelvermogen van de koelinrichting regelt. De regelaar houdt de temperatuur zo goed mogelijk constant op de operationele temperatuur of de stand-by temperatuur.

5

Een verder gunstige uitvoeringsvorm is als omschreven in conclusie 6. De uitvindersgedachte wordt hierbij op simpele wijze geïmplementeerd door in de stand-by mode minder Peltier elementen in te schakelen dan in de operationele 10 mode.

Alternatieve doeltreffende uitvoeringsvormen zijn als omschreven in conclusie 7, 8 en 9. Hierbij wordt de uitvindersgedachte gerealiseerd onder toepassing van een 15 hoofdkoeler voor de operationele mode en een hulpkoeler voor de stand-by mode.

De uitvinding zal nu verder worden toegelicht aan de hand van de figuren, waarin: 20 fig. 1 een split-Stirling koeler weergeeft voorzien van een regelaar voor het regelen van het koelvermogen in twee operationele modes; fig.2 een split-Stirling koeler weergeeft voorzien van een additionele koeler volgens het Joule-Thomson 25 principe fig.3 een Peltier koeler voorzien van een regelaar weergeeft;

In figuur 1 is een koelinrichting volgens de uitvinding 30 weergegeven, omvattende een split-Stirlingkoeler 1, welke in een operationele en een stand-by mode werkzaam kan zijn. De split-Stirlingkoeler omvat hierbij een compressor 2, welke middels een split-pijp 3 is verbonden met een koude vinger 4. De koude vinger 4 is voorzien van een verdringer 35 en een regenerator, welke niet in de figuur zijn 4 aangegeven. De compressor 2, split-pijp 3 en koude vinger 4 vormen een gesloten systeem dat is gevuld met een cryogeen gas, zoals helium. De compressor 2 genereert een variërende druk in het systeem, door middel van twee zuigers 5, 6. De 5 zuigers 5, 6 worden aangedreven door niet aangegeven lineaire electromotoren aan welke een wisselspanning wordt aangeboden waardoor de twee zuigers in wederzijds tegengestelde richting 7 oscillerend gaan bewegen met de frequentie van de wisselspanning en met een amplitude 10 afhankelijk van de amplitude van de wisselspanning. In responsie op deze variërende druk vinden in de koude vinger 4 opeenvolgende Stirling cyclussen plaats, op een wijze dat warmte van het koude gedeelte 8 naar het warme gedeelte 9 wordt gepompt. De koude zijde 8 van de koude vinger 4 15 bereikt hierdoor een temperatuur van 70 tot 80 Kelvin. De koude vinger 4 kan worden geplaatst in een niet aangegeven camera huis voorzien van een lens. De lens focuseert infraroodlicht op een staring array 10 van detectiediodes van het Hg-Cd-Te (Kwik-Cadmium-Telluride) type, welke aan 20 de koude zijde van de koude vinger is aangebracht.

Het koelvermogen van de koelinrichting wordt geregeld door de amplitude van de compressorzuigerbeweging te variëren. Daartoe is voorzien in een regelaar ll die een versterker 25 12 aanstuurt, die de wisselspanning voor de compressormotor genereert. De regelaar 11 is voorzien van een niet aangegeven keuzeschakelaar, waarmee de koelinrichting kan worden ingesteld in naar believen de operationele mode en de stand-by mode. In de operationele mode wordt het 30 koelvermogen zodanig ingesteld dat de koude zijde van de koude vinger 4 een temperatuur van ongeveer 70 tot 80 Kelvin bereikt en in de stand-by mode een temperatuur van tussen de -20 en 40 graden Celcius, en bij voorkeur niet hoger dan 20 graden Celcius. Ter plaatse van de koude zijde 35 8 van de koude vinger kan eventueel een temperatuursensor 5 13 worden aangebracht die is verbonden met de regelaar 11. De regelaar 11 kan dan op basis van temperatuurmetingen het koelvermogen naar de gewenste waarde regelen.

5 In figuur 2 is een alternatieve uitvoeringsvorm van de koelinrichting volgens de uitvinding weergegeven. Daarbij omvat de koelinrichting een hoofdkoeler, in het voorbeeld uitgevoerd als een split-Stirling koeler 2, 3, 4 en een hulpkoeler 14, in het voorbeeld uitgevoerd als een koeler 10 werkend volgens het Joule-Thomson principe. Daartoe wordt via een toevoerleiding 15 een expanderend gas langs de staring array 10 geblazen. In de operationele mode koelt de hoofdkoeler de staring array 10 tot een werktemperatuur van 70 tot 80 Kelvin. In de stand-by mode wordt de hoofdkoeler 15 uitgeschakeld en wordt de hulpkoeler 14 geactiveerd. De koeling van de hulpkoeler is voldoende om te voorkomen dat de staring array 10 desintegreert.

In figuur 3 is een uitvoeringsvorm van de uitvinding 20 weergegeven, waarbij de koelinrichting een opeenstapeling van Peltier elementen E,, ..., En omvat. Ieder Peltier element Ej realiseert een zeker temperatuurverval. Een te koelen staring array 10 is aan het uiteinde van de opeenstapeling aangebracht. De Peltier elementen worden 25 individueel middels aansluitingen At, ..·, An van stroom voorzien door middel van een stroombron (16). De stroombron kent een operationele mode en een stand-by mode. In de operationele mode worden alle Peltier elementen van stroom voorzien en in de stand-by mode slechts een beperkt aantal, 30 maar voldoende om de staring array op een temperatuur te houden waarbij deze praktisch niet meer kan desintegreren. Bij voorkeur worden dan slechts de Peltier elementen ingeschakeld die het dichtst bij de staring array 10 zijn geplaatst, bijvoorbeeld de eerste 1 a 3 elementen. De te 35 koelen zijde kan eventueel worden voorzien van een 6 temperatuursensor (niét in de figuur aangegeven) welke kan worden verbonden met de stroombron, die op basis van de gegevens van de temperatuursensor Peltier elementen aan of uitschakelt.

Claims

1. Koelinrichting voor een infrarooddetector, voor het in een operationele mode koelen van de infrarooddetector 5 althans in hoofdzaak tot een operationele temperatuur Tl, met het kenmerk, dat de koelinrichting tevens is ingericht voor het in een stand-by mode koelen van de infrarooddetector tot althans in hoofdzaak een stand-by temperatuur T2, waarbij T2 veel hoger is dan Tl. 10

2. Koelinrichting volgens conclusie l, met het kenmerk, dat deze één koeler omvat welke in de stand-by mode op een gereduceerd koelvermogen werkt ten opzichte van de operationele mode. 15

3. Koelinrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat deze, een temperatuursensor omvat voor het meten van een temperatuur van het infrarooddectectie-element en een regelaar voor het in de operationele mode en in de stand-by 20 mode regelen van het koelvermogen in responsie op signalen van de temperatuursensor.

4. Regelaar voor toepassing in een koelinrichting volgens conclusie 3. 25

5. Koelinrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de koeler van een Stirling type, van een Joule Thomson type of van een Peltier type is.

6. Koelinrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat deze een aantal in serie geschakelde Peltier elementen omvat en dat voor het realiseren van het gereduceerde koelvermogen in de stand-by mode minder Peltier elementen werkzaam zijn dan in de operationele mode. 35

7. Koelinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat deze een hoofdkoeler omvat voor het koelen van de infrarooddetector in de operationele mode en een hulpkoeler voor het koelen van de infrarooddetector in de stand-by 5 mode.

8. Koelinrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de hulpkoeler van het Joule Thomson type is.

9. Koelinrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de hulpkoeler een toevoerleiding omvat voor het toevoeren van een expanderend gas aan de infrarooddetector.