FI107407B - Alimillimetriaalloilla toimiva kuvausjärjestelmä - Google Patents

Description

107407

Alimillimetriaalloilla toimiva kuvausjärjestelmä - En vid submillimeterväg-längden funktionerande avbildningssystem

Keksintö kohdistuu millimetri- ja alimillimetriaallonpituuksilla tehtävään havain-5 nointiin, erityisesti alimillimetriaaltoalueella toimiviin kuvaaviin ratkaisuihin.

Nykyisin kätkettyjen aseiden ja muiden salakuljetettavien tavaroiden etsintään käytetään tyypillisesti metallinilmaisimia ja fyysistä henkilöön kohdistuvaa tutkimusta. Näillä menetelmillä on useita haittapuolia. Metallinilmaisimet antavat herkästi vääriä hälytyksiä, eivätkä ne havaitse ei-metallisia kohteita, kuten räjähteitä ja huumei-10 ta. Fyysinen tullivirkamiehen suorittama tutkimus on puolestaan hidas. Röntgensäteitä tai muuta ionisoivaa säteilyä ei voida käyttää henkilöiden tarkastamiseen ionisoivan säteilyn aiheuttamien terveysriskien vuoksi. Kohdetta koskemattoman, kohteelle ja tarkastajalle vaarattoman tarkastusmenetelmän tarve onkin voimakkaassa kasvussa.

15 Kohdetta koskemattomaan tarkastukseen käytetään useimmiten sähkömagneettista säteilyä tai hiukkassäteilyä. Säteilyn vuorovaikutus kudoksen kanssa on oltava mahdollisimman pieni, jotta tarkastusmenetelmä olisi mahdollisimman turvallinen. Tämä vaatimus estää käytännössä ionisoivan säteilyn, kuten esimerkiksi röntgensäteilyn, neutronien tai varattujen hiukkasten käytön. Hyvin matalaenergisen röntgensä-20 teilyn sirontaa käytetään jonkin verran, mutta siihenkin liittyvä terveysriski ja pelkkä ajatus ionisoivan säteilyn käytöstä ihmisten tarkastukseen estävät tällaisten järjestelmien laajamittaisen käytön. Ultraäänen hyödyntämiseen perustuvat laitteet ovat täysin turvallisia, mutta niillä saavutettava kuvan laatu ja resoluutio eivät ole riittävän hyviä.

25 Eräs hyvin lupaava tapa ihmisten ja esineiden tarkastukseen on alimillimetrialueen säteilyn käyttö. Tämä sähkömagneettisen spektrin alue on pitkäaaltoisen infrapuna-säteilyn ja mikroaaltosäteilyn välialuetta, jossa säteilyn aallonpituus on tyypillisesti 100 - 1000 pm, taajuus 0,3 - 3 THz ja fotonien energia 1,2 - 12 meV suuruusluokkaa. Tällä spektrin alueella useimmat dielektriset materiaalit, kuten vaatteet, paperi, 30 muovit ja nahka, ovat miltei läpinäkyviä. Suhteellisen pienen aallonpituuden ansiosta diffraktio ei juurikaan rajoita saavutettavaa resoluutiota suhteellisen pieniaukkoi-sellakaan optiikalla. Yksi parhaimpia tämän aaltoalueen ominaisuuksia on se, että tarkastus voidaan suorittaa täysin passiivisella järjestelmällä, jolloin tutkittava kohde on havaittavan säteilyn lähde.

2 107407

Kaikki kappaleet emittoivat sähkömagneettista säteilyä. Kappaleiden lähettämä säteily noudattaa jatkuvaa, mustan kappaleen säteilynä tunnettua spektriä. Säteilyn intensiteetti riippuu kappaleen lämpötilasta ja myös hyvin voimakkaasti siitä, kuinka tehokkaasti kappale säteilee. Tämä tehokkuus, emissiivisyys, on lähellä ykköstä ve-5 sipitoisilla materiaaleilla kuten iholla. Metalleilla emissiivisyys on puolestaan hyvin lähellä nollaa. Kaikki muut materiaalit ovat näiden ääripäiden välillä, ja niitä voidaan havainnoida niiden radiometrisen lämpötilan mukaan. Metalliset ja monet muoviset kappaleet voidaan saattaa näyttämään radiometrisesti "kuumilta" tai "kylmiltä" kappaleiden omasta lämpötilasta riippumatta, koska ne emittoivat hyvin 10 vähän säteilyä ja heijastavat suurimman osan niihin osuvasta lämpösäteilystä, joka puolestaan voi olla "kuumaa" tai "kylmää". Vesipitoiset materiaalit emittoivat hyvin tehokkaasti ja vastaavasti heijastavat hyvin vähän, jolloin ne ruumiinlämpötilassa näyttävät radiometrisesti "kuumilta" huoneen lämpötilassa oleviin kappaleisiin verrattuna. Tällaisia intensiteettieroja voidaan mitata herkällä detektorilla, ja detektori-15 matriisin avulla mittauskohteesta voidaan muodostaa kuva.

Alimillimetrialueella toimivia detektoreita on useita eri tyyppejä. Radiotekniikkaan perustuvat heterodyne- ja suoramuunnosvastaanottimien (engl. direct-detection receiver) taajuusalue rajoittuu nykytekniikalla 200 GHz alapuolelle. Näiden lisäksi käytössä on useita eri bolometrityyppejä sekä Golayn kennoja ja pyroelektrisiä de-20 tektoreita. Antennikytketyt bolometrit sopivat erittäin hyvin kuvaaviin sovelluksiin, koska niiden signaalikohinasuhde on hyvä, pienen aikavakionsa ansiosta ne ovat nopeita ja niiden valmistuskustannukset ovat alhaiset. Antennikytkettyjen bolomet-rien aallonpituusalue voidaan valita hyvin vapaasti, koska herkkyys eri aallonpituuksilla määräytyy olennaisesti vain antennin rakenteen mukaan.

25 Tunnettu tekniikka toimii tyypillisesti 80 GHz - 140 GHz alueella, koska niillä taajuuksilla voidaan käyttää perinteistä mikroaaltotekniikkaa. Tällaisia ratkaisuja kuvataan esimerkiksi artikkelissa P.F. Goldsmith, C.-T. Hsieh, G.R. Huguenin, J. Kapitzky, E.L. Moore, "Focal Plane Imaging Systems for Millimeter Wavelengths", IEEE transactions on microwave theory and techniques, vol. 41, no. 10, Oct. 1993, 30 s. 1664 - 1675, sekä patenttijulkaisuissa US-5 047 783 ja US-5 227 800. Artikkelissa G.R. Huguenin, C.-T. Hsieh, J. Kapitzky, E.L. Moore, K.D. Stephan, A.S. Vickery, "Contraband detection through clothing by means of millimeter-wave imaging", Proceedings of Underground and Obscured Object Imaging and Detection, 15.-16. Apr. 1994, Orlando, Florida, SPIE proceedings series vol. 1942, 35 s. 117 - 128, esitetään skannaavaa kuvanmuodostusta käyttävä 94 GHz taajuusalueella toimiva järjestelmä. Perinteisellä mikroaaltotekniikalla on se haittapuoli, 3 107407 että detektorit ovat kalliita, jolloin suuren detektorimatriisin valmistuskustannukset nousevat hyvin korkeiksi. Lisäksi tällaisten detektorien tehonkulutus on suuri. Eräs haitta tällä taajuusalueella on lisäksi se, että suhteellisen pitkän aallonpituuden seurauksena diffraktio rajoittaa resoluution vaatimattomaksi.

5 Kuvassa 1 esitetään antennikytketun bolometrin 10 perusrakenne. Antennikytketty bolometri 10 koostuu tyypillisesti antennielementistä, jossa on kaksi antennihaaraa 12, jotka vastaanottavat sähkömagneettista säteilyä, sekä bolometrielementistä 11, jossa vastaanotettu sähkömagneettinen säteily muuttuu lämmöksi. Sähkömagneettisen säteilyn energian aiheuttama bolometrielementin 11 lämpötilanmuutos havaitaan 10 bolometrielementin 11 resistanssin muutoksena. Bolometrielementti voi myös koostua useammasta kuin yhdestä osasta, jolloin sähkömagneettisen säteilyn energian lämpöenergiaksi muuttava termalisointivastus ja termalisointivastuksen lämpöti-lanmittauselin ovat erillisiä.

Antennikytketty bolometri on periaatteessa laajakaistainen, mutta kaistanleveyteen 15 voidaan vaikuttaa antennielementin haarojen 12 muotoilulla. Erilaisia antenniele-menttiratkaisuja tunnetaan useita, joista kuvassa 1 esitetty rakenne on vain eräs esimerkki. Kuvassa 1 esitetyn spiraalimaisen rakenteen lisäksi tunnetaan mm. log-periodinen rakenne sekä kulma-, dipoli- ja kaksoisdipolirakenne. Monet näistä antennityypeistä toimivat hyvin myös komplementaarisina rakenteina. Tällaisia 20 komplementaarisia rakenteita on esimerkiksi rakoantenni, joka on dipoliantennin komplementaarinen muoto, ja kaksoisrakoantenni, joka on kaksoisdipoliantennin komplementaarinen muoto. Antennirakenteen valinnalla voidaan vaikuttaa antennin ja sitä kautta antennikytketyn bolometrin ominaisuuksiin, kuten esimerkiksi taajuuskaistaan ja suuntakuvioon.

25 Erilaisia bolometriratkaisuja, mm. niissä käytettäviä materiaaleja kuvataan review-tyyppisessä artikkelissa P. L. Richards, "Bolometers for infrared and millimeter waves", Journal of Applied Physics, 76 (1994) 1 - 24. Erilaisia integroitujen piirien valmistustekniikoilla toteutettavia muunlaisia antenniratkaisuja kuvataan esimerkiksi ' artikkelissa G.M. Rebeiz, "Millimeter-Wave and Terahertz Integrated Circuit 30 Antennas", Proceedings of the IEEE, Vol. 80, No. 11, November 1992, p. 1748 -1769.

Keksinnön tavoitteena on toteuttaa alimilllimetriaaltoalueella toimiva kuvausjärjestelmä. Keksinnön tavoitteena on myös toteuttaa järjestelmä, jossa kuvan muodostukseen ei tarvita skannausta. Lisäksi keksinnön tavoitteena on toteuttaa järjestelmä, 35 jonka resoluutio on tunnetun tekniikan mukaisia järjestelmiä suurempi. Keksinnön 4 107407 tavoitteena on edelleen toteuttaa edellisten tavoitteiden mukainen jäijestelmä, jonka tehonkulutus on tunnetun tekniikan mukaisia järjestelmiä pienempi. Keksinnön tavoitteena on myös toteuttaa kuvan muodostava järjestelmä, joka on yksinkertaisempi kuin tunnetun tekniikan mukaiset ratkaisut.

5 Tavoitteet saavutetaan käyttämällä detektoreina antennikytkettyjä bolometreja, joita voidaan muodostaa detektorisubstraatille suuria määriä kerrallaan tavanomaisilla mikropiirien valmistustekniikoilla, ja muodostamalla detektorisubstraattiin tai sen pinnalle bolometrilinssejä tai muita sovituselimiä sähkömagneettisen säteilyn bolo-metreihin kytkeytymisen parantamiseksi. Säteily kohdistetaan bolometreihin peilin 10 tai linssin avulla, joka edullisesti rajoittavat bolometreihin kohdistuvan sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuskaistaa.

Keksinnön mukaiselle järjestelmälle on tunnusomaista, että se käsittää - useamman kuin yhden detektorin, jotka detektorit ovat antennikytkettyjä bolometreja, 15 - ainakin yhden oleellisesti tasomaisen bolometrisubstraatin, jolloin mainitut detek torit on muodostettu mainitulle ainakin yhdelle bolometrisubstraatille, - optisen elementin sähkömagneettisen säteilyn keräämiseksi ja kohdistamiseksi mainittuihin detektoreihin, sekä - yhden linssin kutakin detektoria kohden mainittuun ainakin yhteen bolometrisubst-20 raattiin kohdistuvan säteilyn mainittuihin detektoreihin kytkeytymisen parantamiseksi.

Keksinnön mukaisessa järjestelmässä käytetään detektoreina antennikytkettyjä bolometreja yhdessä aallonpituusselektiivisen optiikan kanssa. Detektorimatriisi on edullisesti kaareva kuvausvirheiden vähentämiseksi. Kaarevan detektorimatriisin 25 muodostamiseksi detektorimatriisi muodostetaan tasomaisista alimatriiseista, joissa kussakin on yksi tai useampi integroitu antennikytketty bolometri. Havaittavaa taajuusaluetta rajoitetaan edullisesti kahdessa vaiheessa, ensiksi aallonpituusselektiivisen optiikan avulla ja toiseksi antennikytketyn bolometrin antennin toimintakaistan avulla. Tulevan säteilyn bolometreihin kohdistamisen ja mahdollisimman tehokkaan 30 kytkemisen vuoksi bolometrisubstraattiin on kiinnitetty tai bolometrimatriisin pintaan tai sisälle on muodostettu kunkin bolometrin kohdalle bolometrilinssi tai vastaava optinen elementti.

Seuraavassa selostetaan keksintöä yksityiskohtaisemmin viitaten esimerkkinä esitettyihin edullisiin suoritusmuotoihin ja oheisiin kuviin, joissa 5 107407 kuva 1 esittää antennikytketyn bolometrin perusrakennetta, kuva 2 esittää keksinnön erään edullisen toteutusmuodon rakennetta, kuva 3 esittää keksinnön erään toisen edullisen toteutusmuodon rakennetta, ja kuva 4 esittää keksinnön erään edullisen toteutusmuodon mukaisen alimatrii-5 siyksikön rakennetta.

Kuvissa käytetään toisiaan vastaavista osista samoja viitenumerolta ja -merkintöjä.

Kuvassa 2 esitetään keksinnön erään edullisen toteutusmuodon rakenne. Tässä so-vellusmuodossa kontrastia kuvattavan kohteen ja ympäristön välillä voidaan parantaa valaisemalla kohdetta säteilylähteen 112 ja diffusoijan 113 avulla, tai antamalla 10 kohteen heijastaa kylmän kappaleen 111 säteilyä. Kohdetta voidaan kuvata myös passiivisesti, ilman aktiivista valaisua tai kylmän kappaleen käyttöä apuna. Kohteesta emittoitunut, heijastunut tai sironnut säteily kerätään aallonpituusselektiivi-sellä parabolisella peilillä 110. Peili 110 keskittää säteilyn kuvatasoon sijoitetulle detektorimatriisille 108. Detektorimatriisiin 108 kohdistuvaa säteilyä moduloidaan 15 mekaanisella tai elektro-optisella katkojalla 109. Mekaanisena katkojana 109 voi olla esimerkiksi pyöreä kappale, jonka reunaan on muodostettu lovia, jotka kappaletta pyöritettäessä katkovat detektorien havaitsemaa säteilyä.

Elektro-optisena katkojana 109 voi toimia esimerkiksi piikiekko, jonka varaustiheyt-tä moduloidaan. Tällaisen ratkaisun toiminta perustuu siihen, että piikiekon läpinä-20 kyvyys alimillimetriaaltoalueella riippuu voimakkaasti piikiekon varaustiheydestä. Piikiekolle voidaan muodostaa varauksia esimerkiksi laservalon avulla tai jollain muulla tunnetulla varausinjektiomenetelmällä. Kun kiekon yli kytketään biasjännite, muodostetut varauksenkuljettajat kulkeutuvat jännitenapoihin, jolloin varaukset purkautuvat. Piikiekon varaustiheyttä voidaan siten moduloida moduloimalla varauksia 25 synnyttävää laservaloa.

. ·. Detektorimatriisin substraattiin, detektoreihin nähden substraatin vastakkaiselle puo lelle on muodostettu substraattilinssejä 115, yksi kutakin detektoria kohden. Tässä sovellusmuodossa ei jokaista detektoria kohden ole yhtä vahvistinta, vaan yksi vahvistin, tarkemmin vahvistinketju vahvistaa useamman kuin yhden detektorin anto-30 signaalia. Tätä varten kunkin detektorin antosignaali viedään multiplekserille 107, joka valitsee yhden detektorin antosignaalin kerrallaan vahvistettavaksi. Vahvistin-ketju käsittää edullisesti esi vahvistimen 106 ja lock-in-vahvistimen 105. Lock-in-vahvistin seuraa myös katkojan 109 taajuutta ja vaihetta, ja vahvistaa katkojan 109 6 107407 taajuuden kanssa olennaisesti samantaajuisia signaaleja. Lock-in-vahvistimen jälkeen signaali alipäästösuodatetaan 104 ja viedään tietojenkeruuyksikölle 101. Ali-päästösuodattimen 104 asemesta tai lisäksi järjestelmässä voidaan käyttää myös muita alan ammattimiehen tuntemia signaalinkäsittelytoimintoja ja -menetelmiä.

5 Tietojenkeruuyksikkö 101 voi esimerkiksi olla tietokone 101, johon on liitetty A/D-muunnin mittaussignaalin muuntamiseksi digitaaliseen muotoon. Tietojenkeruuyksikkö 101 edullisesti tallentaa mittaussignaalit ja muodostaa mittaussignaalien perusteella kohteen kuvan tietojenkeruuyksikön näytölle. Tietojenkeruuyksikkö 101 voi myös muokata dataa ja suorittaa alan ammattimiehen tuntemia kuvankäsittely-10 toimintoja laitteiston käyttäjälle esitettävän kuvan selkeyttämiseksi. Multiplekserin 107, vahvistimien 106, 105 sekä alipäästösuotimen 104 muodostamia vahvistin-ketjuja olla myös useampi kuin yksi, jolloin kukin vahvistinketju vahvistaa tietyn detektoriryhmän signaaleja. Koska bolometrin antama signaali on hyvin heikko, tyypillisesti joitakin nanovoltteja, etuvahvistimen 106 on oltava pienikohinainen. 15 Etuvahvistin 106 voidaan toteuttaa matalakohinaisella jännitevahvistimella, esimerkiksi piirillä Burr-Brown INA 103 tai muulla vastaavalla piirillä.

Parabolinen heijastin 110 muodostaa kuvan tarkasteltavan kohteen 114 eri kohdista kuvatasolle. Eräänä heijastimen 110 tarkoituksena on kerätä kohteesta, tarkemmin eri resoluutioelementeistä emittoituvaa tai heijastuvaa säteilyä mahdollisimman suu-20 resta avaruuskulmasta. Optisen säteilyä keräävän elementin pinta-alan maksimoinnin vuoksi on edullisinta käyttää aukkosuhteeltaan pientä optiikkaa. Kuvattava kohde voi olla suhteellisen suuri, esimerkiksi ihminen. Kuvausetäisyyden on edullista olla suhteellisen pieni, ihmisen kuvaamisen tapauksessa edullisesti esimerkiksi 3-5 metriä, kohteesta emittoituneen tai heijastuneen säteilyn mahdollisimman te-25 hokkaan keräämisen mahdollistamiseksi ja ilmakehän absorption vaikutuksen minimoimiseksi. Näistä ehdoista seuraa, että kuvatasoon sijoitetun detektorimatriisin on edullista olla suhteellisen suuri. Optiselta akselilta poikkeamisen aiheuttamien vääristymien minimoimiseksi detektoritaso voidaan edullisesti muodostaa kaarevaksi, esimerkiksi paraboliseksi tai hyperboliseksi. Tässä hakemuksessa käytetään termiä 30 detektoritaso riippumatta detektoritason muodosta, eikä tällä termivalinnalla rajoiteta detektoritason käsitettä pelkästään tasomaisiin detektoritasoihin. Heijastimen tai linssin 110 mitoituksesta riippuen sen polttotaso ja samoin myös detektoritaso voi olla joko kupera tai kovera. Tällainen detektoritaso voidaan edullisesti toteuttaa jakamalla detektorimatriisi alimatriiseihin, esimerkiksi 10 x 10 alimatriisiin, joissa 35 kussakin on joukko detektoreita, esimerkiksi 8x8 detektoria. Tällaiset alimatriisit voidaan sijoittaa siten, että ne muodostavat likimain halutun pinnan. Tällaisella rakenteella on se etu, että alimatriisit voivat olla keskenään samanlaisia ja tasomaisia, 7 107407 jolloin niiden valmistaminen on yksinkertaista, mutta niillä voidaan silti riittävällä tarkkuudella muodostaa halutun muotoinen kaareva pinta. Alimatriisit voivat olla myös muun muotoisia kuin nelikulmioita halutusta detektoritason muodosta riippuen. Esimerkiksi pallokalotin muotoinen detektoritaso voidaan tunnetulla tavalla 5 muodostaa säännöllisistä monikulmioista geodeettisen pallonkuoren tavoin.

Kuten kuvassa 2 esitetään, kohteen kontrastia voidaan parantaa aktiivisen valaisun avulla. Eräs mahdollinen valaisuun soveltuva säteilylähde 112 on paluuaalto-oskil-laattori (backward-wave oscillator, BWO). Muita mahdollisia säteilylähteitä ovat esimerkiksi gunn-oskillaattorit, erilaiset gunn-oskillaattorien ja taajuuskertojien yh-10 distelmät, IMPATT-oskillattorit, erilaiset transistorioskillaattorit sekä putkioskillaat-torit kuten heijastusklystronit. Kohteeseen kohdistuvan säteilyn on edullista olla diffuusia häiritsevän kirkkaiden heijastusten vähentämiseksi. Eräässä keksinnön edullisessa toteutusmuodossa paluuaalto-oskillaattorin tuottamaa säteilyä diffusoi-daan esimerkiksi sirottamalla sitä dielektristen levyjen avulla, joiden sisällä tai pin-15 nalla on pieniä, halkaisijaltaan säteilyn aallonpituuden suuruusluokkaa tai sitä hieman pienempiä olevia johtavia kappaleita. Tällaisina kappaleina voidaan käyttää esimerkiksi 0,1-1 mm suuruisia metallinpalasta. Tällaisten dielektristen levyjen koko määräytyy kulloisenkin sovelluksen geometrian mukaan. Eräässä toisessa keksinnön edullisessa toteutusmuodossa säteilyä sirotetaan revitetyillä metallilevyillä, 20 joiden reiät ovat halkaisijaltaan säteilyn aallonpituuden suuruusluokkaa tai sitä hieman pienempiä, esimerkiksi 0,1-1 mm suuruisia.

Keksinnön eräässä edullisessa sovellusmuodossa säteilylähteen 112, esimerkiksi paluuaalto-oskillaattorin, säteily kohdistetaan kappaleeseen yhden tai useamman • peilin tai linssin avulla. Tällaisessa sovellusmuodossa säteilylähde 112 on edullisesti 25 sijoitettu peili- tai linssijärjestelmän polttopisteeseen, jolloin säteily voidaan haluttaessa fokusoida pieneen osaan kohdetta, tai levittää koko kohteen laajuiseksi. Tällöin myös kohteeseen kohdistuvan säteilyn lähteen halkaisija on olennaisesti sama kuin mainitun peili- tai linssijärjestelmän halkaisija. Mikäli tämä peili- tai linssijärjestelmän halkaisija on kohteeseen verrattuna samaa suuruusluokkaa, säteilylähteen ja 30 peili- tai linssijärjestelmän muodostama valaistus on olennaisesti tasainen, jolloin häiritsevän kirkkaita heijastuksia esiintyy olennaisesti vähemmän kuin lähes pistemäistä valaistuksen lähdettä käytettäessä.

Keksinnön eräässä toisessa edullisessa sovellusmuodossa säteilylähteen 112 säteily diffusoidaan karheiden peilien avulla. Tällaisessa sovellusmuodossa peilien RMS-;·· 35 karheus voi edullisesti olla 2 pm - 100 pm suuruusluokkaa, jolloin alimillimetrialu- een säteily heijastuu peileistä diffuusisi!.

8 107407

Kuten kuvassa 2 esitetään, eräs mahdollisuus lisätä kohteen havaittavaa kontrastia on kylmän kappaleen käyttö. Kylmän kappaleen käyttö perustuu siihen, että esimerkiksi vaatteiden alle piilotetut kohteet havaitaan lähinnä kehon lämpötilan ja kohteesta heijastuvan ympäristön lämpötilan mukaisen säteilyn erojen avulla. Havaitta-5 vaa lämpötilaeroa voidaan kasvattaa muuttamalla ympäristön lämpötilaa tai ympäristön osan lämpötilaa esimerkiksi kylmän kappaleen avulla, jolloin tutkittavan kohteen havaittava kontrasti paranee sen heijastaessa tämän kylmän kappaleen säteilyä. Jos käytettävän kylmän kappaleen lämpötila on alle 0 °C, kylmä kappale on edullista lämpöeristää vesihöyryn kondensoitumisen ja jäätymisen estämiseksi. Tällaisessa 10 tapauksessa jääkerros haittaisi järjestelmän toimintaa, koska jääkerroksen pintalämpötila on tällöin väistämättä korkeampi kuin kylmän kappaleen lämpötila, ja jääpinnan emissiivisyys on suuri, jolloin kylmän kappaleen ja kehon koko lämpötilaeroa ei päästä hyödyntämään. Tällainen kylmä kappale voidaan muodostaa eristetyn neste-typpiastian avulla. Astian materiaalina voidaan käyttää esimerkiksi 10-200 mm 15 vahvuista solupolystyreeniä tai vastaavaa materiaalia, mikä samalla toimii eristeenä. Eristemateriaalin on oltava alimillimetrialueella hyvin läpinäkyvä. Eräänä sopivana eristemateriaalina voidaan mainita esimerkiksi polystyreenivaahto, mutta myös muita huokoisia dielektrisiä materiaaleja voidaan käyttää. Eristeenä voidaan käyttää myös esimerkiksi riittävää määrää ohuita polymeerikalvoja, esimerkiksi 3 pm -20 100 pm paksuisia polyimidikalvoja.

Kuvassa 3 esitetään sellainen keksinnön edullinen toteutusmuoto, jossa kuvan muodostavana optisena elementtinä 110 on peilin asemesta linssi 110. Tällainen linssi voi olla esimerkiksi tavanomainen kupera linssi tai alan ammattimiehen hyvin tuntema Fresnel-linssi. Kuvan 3 toteutusmuodon rakenne ja toiminta on muilta osin ku-25 van 2 toteutusmuodon kaltainen. Linssimateriaaliksi sopivat sellaiset materiaalit, joiden taitekerroin on suurempi kuin ilman taitekerroin ja joiden läpäisevyys alimilli-metriaaltoalueella on hyvä. Tällaisia materiaaleja ovat mm. PTFE ja monet keraamit.

Kuvassa 4 esitetään keksinnön erään edullisen toteutusmuodon mukainen ratkaisu 30 tällaisen alimatriisiyksikön rakenteeksi. Alimatriisiyksikkö käsittää detektorialimat-riisin 200, jossa on yksi tai useampia detektoreita. Detektorialimatriisi voidaan kytkeä muuhun alimatriisiyksikköön esimerkiksi flip-chip-bondauksen avulla. Tätä varten detektorialimatriisissa 200 on kytkentäkohta jokaista muodostettavaa kytkentää kohden, eli tyypillisesti nelipistemittausta käytettäessä neljä kytkentäkohtaa de-35 tektoria kohden. Nelipistemittauksessa bolometrin resistanssiin syötetään biasvirta

• 1 I

‘ ensimmäistä johdinparia pitkin, ja biasvirran synnyttämä jännite resistanssin yli mi- 9 107407 tataari toista johdinparia pitkin. Keksinnön mukaisessa järjestelmässä voidaan käyttää myös yksinkertaisempaa kaksipistemittausta, jossa biasvirta johdetaan resistanssiin samaa johdinparia pitkin, jota käytetään resistanssin yli vaikuttavan jännitteen mittaamiseen. Nelipistemittaus on kuitenkin tunnetusti tarkempi tapa resistanssin 5 mittaamiseen. Biasvirta on edullisesti olennaisesti vakio, jolloin biasvirran aiheuttama lämpenemisefekti pysyy myös vakiona. Alimatriisiyksikössä on piirilevy 210, jonka ensimmäisellä, detektorialimatriisin puoleisella puolella on flip-chip-tekniikan mukaiset juotosnystyt detektorialimatriisin kytkentäkohtia vastaavilla kohdilla. Piirilevyn 210 toisella puolella on multiplekseri 107, juotosnystyjen ja multiplekserin 10 väliset sähköä johtavat yhteydet ja detektorien biasvirtajohtimet, jotka edullisesti eivät kulje multiplekserin kautta, sekä edullisesti liittimen 220, 220' ensimmäinen osa 220. Multiplekseripiirin 107 lisäksi piirilevyllä 210 voi olla myös muita signaa-linkäsittelytoimintoja kuten suodattimia ja vahvistimia, esimerkiksi multiplekseripiirin 107 osana tai erillisinä piireinä (ei piirretty kuvaan 4). Näin detektorimatriisi 15 200, piirilevy 210 sekä piirilevyllä 210 oleva signaalinkäsittelyelektroniikka ja liitin 220 muodostavat alimatriisiyksikön ensimmäisen lohkon. Alimatriisiyksikön toinen lohko muodostuu liittimen 220, 220' toisesta osasta 220', yhdestä tai useammasta vahvistinyksiköstä 230 ja toisesta liittimestä 240. Vahvistinyksikkö 230 käsittää edullisesti kuvan 2 yhteydessä selostetun esivahvistimen 106, lock-in-vahvistimen 20 105 ja suodattimen tai muun vastaavan signaalinkäsittely-yksikön 104. Vahvistin- yksikköjä 230 voi olla yksi tai useampia, edullisesti esimerkiksi kaksi kuten kuvassa 4 esitetään. Vahvistinyksikköjen määrä on luonnollisesti sovelluskohtainen ja riippuu lähinnä detektorialimatriisin 200 detektorien määrästä, yhdelle vahvistinyksi-kölle sijoitettujen vahvistinketjujen määrästä sekä siitä, kuinka monen detektorin 25 lähtösignaali multipleksataan yhdelle vahvistinketjulle multiplekserissä 107. Keksinnön mukaisessa rakenteessa voi myös olla yksi vahvistinketju kutakin detektoria kohden, jolloin multiplekseriä 107 ei tarvita. Alimatriisiyksikössä voi olla yksi vah-vistinyksikkö 230 kutakin detektoria kohden, jos alivahvistinyksiköissä 230 on kussakin vain yksi esivahvistimen 106 ja lock-in-vahvistimen 105 muodostama vahvis-30 tinketju. Koko alimatriisiyksikkö voidaan kytkeä muuhun laitteistoon liittimen 240 *. avulla. Tällainen kahdesta lohkosta koostuva alimatriisiyksikkörakenne on edullinen myös siksi, että jonkin detektorin vahingoittuessa riittää, että vaihdetaan kyseisen alimatriisiyksikön ensimmäinen, detektorialimatriisin 200 käsittävä lohko.

Kuvassa 4 esitetty rakenne voidaan edullisimmin toteuttaa siten, että vahvistinyksi-35 köt 230, liittimet 220, 220', 240 ja piirilevy 210 ovat samanlevyisiä tai kapeampia kuin detektorialimatriisi 200. Tällaisessa ratkaisussa alimatriisiyksikön sivusuuntai-nen koko määräytyy olennaisesti vain detektorialimatriisin 200 mukaan. Tällöin 10 107407 alimatriisiyksikköjä voidaan asentaa rinnakkain siten, ettei detektorialimatriisien väliin jää hukkatilaa, vaan kahden vierekkäisen alimatriisiyksikön reunimmaisten detektorien välit ovat olennaisesti samat kuin detektorien välit yhdessä alimatrii-siyksikössä.

5 Alimatriisirakenteen käytössä on myös sellainen etu, että sellaisella rakenteella voidaan taloudellisesti muodostaa suuria detektorimatriiseja. Antennikytkettyjen bolo-metrien valmistusprosessi on hyvin herkkä, jolloin suuria detektorimääriä esimerkiksi 6 tuuman puolijohdekiekolle valmistettaessa yhdelle kiekolle helposti syntyy useita toimimattomia detektoreja. Mikäli tällainen kiekko käytettäisiin yhtenä kap-10 paleena, tuotantoprosessin saanto olisi huono, koska muutamankin toimimattoman detektorin esiintyminen pilaisi koko kiekon. Kun tällainen kiekko leikataan ali-matriiseiksi, voidaan sellaiset yksittäiset alimatriisit hylätä, joissa on yksi tai useampi toimimaton detektori. Tällöin voidaan hyödyntää suurin osa sellaisestakin puoli-johdekiekosta, joka olisi hylättävä, mikäli sitä käytettäisiin yhtenä suurena matrii-15 sinä.

Keksinnön erään toisen edullisen suoritusmuodon mukaisessa alimatriisiyksikössä on kaikki signaalinkäsittelytoiminnot, kuten edellämainitut esivahvistin 106, lock-in-vahvistin 105 ja suodatin 104, asennettu samalle piirilevylle 210 multiplekserin 107 kanssa. Tällainen rakenne on edullinen sellaisessa tapauksessa, joissa nämä signaa-20 linkäsittelytoiminnot on integroitu hyvin pieneen määrään mikropiirejä, esimerkiksi jopa samaan integroituun piiriin multiplekserin 107 kanssa. Vahvistinketju voidaan myös integroida detektorin kanssa samalle piisubstraatille, esimerkiksi siten, että kunkin detektorin yhteyteen on integroitu koko vahvistinketju tai sen osa, esimerkiksi esivahvistin.

25 Keksinnön eri toteutusmuodoissa voidaan käyttää myös muunlaisia alimatriisiyksi-köitä kuin kuvassa 4 esitetyn esimerkinomaisen rakenteen mukaisia. Esimerkiksi, jos tarvittavat vahvistin-ja suodatinrakenteet 104, 105, 106 integroidaan hyvin pieneen määrään mikropiirejä, alimatriisiyksikkö voi olla lähes tasomainen. Tällaisista lähes tasomaisista alimatriisiyksiköistä voidaan helposti muodostaa erilaisia kaarevia de-30 tektoritasoratkaisuja.

Lock-in-vahvistin mahdollistaa moduloidun, laajakaistaisen THz-luokan signaalin hyvin pienikohinaisen ilmaisun. Modulaatiotaajuuden on edullista olla yli 300 Hz jäähdyttämättömille bolometreille tyypillisen 1/f-kohinan vaimentamiseksi. Keksinnön eräässä edullisessa sovellusmuodossa bolometrimatriisiin kohdistuvaa säteilyä 35 moduloivana katkojana 109 käytetään pyörivää tai värähtelevää mekaanista suljinta, 11 107407 joka katkoo tulevaa säteilyvuota. Modulointiin voidaan käyttää myös mitä tahansa muuta välinettä, jolla voidaan periodisesti vaimentaa säteilyä. Sellaisessa keksinnön toteutusmuodossa, jossa käytetään kohteen aktiivista valaistusta, modulointi voidaan kohdistaa kohdetta valaisevaan säteilyyn, jolloin katkoja 109 tai vastaava elin on 5 kohteen 114 ja säteilylähteen 112 välissä. Kuvan 2 esittämässä sovellusmuodossa eräs edullinen katkojan sijoituskohta on paluuaalto-oskillaattorin 112 ja diffusoijan 113 välissä. Sellaisessa sovellusmuodossa, jossa käytetään moduloitavaa säteilylähdettä, ei erillistä katkojaa tarvita, koska tarvittava säteilyn modulaatio voidaan toteuttaa säteilylähteen ohjauksella esimerkiksi erillisen modulaatio-ohjaussignaalin 10 avulla tai esimerkiksi katkomalla oskillaattorin käyttöjännitettä.

Keksinnön erään edullisen toteutusmuodon mukaisesti järjestelmän aallonpituusse-lektiivisyys voidaan toteuttaa kaksivaiheisesti ilman erillistä suodatinelementtiä. Ensiksi, detektorit voidaan suunnitella siten, että niiden herkkyys putoaa voimakkaasti 100 μιη pienemmillä aallonpituuksilla. Antennikytketyillä bolometreilla tämä 15 voidaan toteuttaa alan ammattimiehen tuntemalla tavalla antennin muotoilulla ja mitoituksella. Toiseksi, heijastimesta 110 voidaan tehdä aallonpituusselektiivinen. Heijastimen aallonpituusselektiivisyys voidaan toteuttaa tekemällä heijastimen pinta sopivasti epätasaiseksi esimerkiksi noin 10 μπι skaalalla, edullisesti sattumanvaraisesti epätasaiseksi, jolloin 100 μιη lyhyemmät aallonpituudet heijastuvat diffuusisti, 20 mutta 100 pm pidemmät aallonpituudet heijastuvat spekulaarisesti. Toinen vaihtoehto on muodostaa heijastimen 110 heijastava pinta sähköä johtavasta verkosta tai revitetystä levystä, jolloin pinta toimii aallonpituusselektiivisenä heijastimena. Alle 100 pm aallonpituisen säteilyn poisto on edullista, koska alle 100 pm pituiset aallot läpäisevät vaatteita ja muita dielektrisiä kerroksia hyvin huonosti.

25 Mikäli optisena elementtinä 110 käytetään heijastimen 110 asemesta linssiä 110, voidaan linssillä toteuttaa vastaava aallonpituusselektiivisyys karhentamalla linssin 110 pinta epätasaiseksi noin 10 pm skaalalla. Tällöin noin 100 pm lyhyemmät aallonpituudet taittuvat ilman ja linssin rajapinnasta karhennuksen takia sattumanvaraisiin suuntiin, jolloin optinen elementti 110 ei tällaisille aallonpituuksille toimi 30 linssinä.

Keksinnön eräässä edullisessa toteutusmuodossa heijastimelta 110 tai linssiltä 110 tuleva säteily kohdistetaan kuhunkin antennikytkettyyn bolometriin bolometrikoh-taisen kvasioptisen elementin eli sovituselementin avulla. Tällainen elementti on edullisesti bolometrisubstraatille kiinnitetty tai substraattiin muodostettu linssi, jota 35 jatkossa kutsutaan nimellä bolometrilinssi. Toinen mahdollisuus on käyttää aalto-putkimatriisia, jossa kutakin bolometria kohden on yksi aaltoputki. Optisen elemen- 12 107407 tin tarkoituksena on maksimoida tulevan säteilyn kytkeytyminen bolometrin antenniin ja minimoida eri rajapinnoista aiheutuvat heijastukset, sekä vähentää säteily-energian hukkaantumista erilaisiin substraattimoodeihin heijastumisten seurauksena. Tällainen optinen elementti on edullisinta toteuttaa substraatin vastakkaiselle puolel-5 le bolometriin nähden, koska piisubstraatille muodostettujen antennikytkettyjen bo-lometrien suuntakuvio painottuu voimakkaasti substraatin puolelle.

Eräässä keksinnön edullisessa muodossa tällaisena optisena elementtinä käytetään syöttötorvirakenteita. Esimerkkinä tällaisesta rakenteesta voidaan mainita bolometri-substraattiin bolometrin kohdalle työstetty kartio, jonka sisäpinta on höyrystämällä 10 tai sputteroimalla päällystetty metallikerroksella, jolloin tämä metallikartio keskittää tulevan säteilyn detektorille.

Bolometrilinssi voidaan edullisesti valmistaa samasta materiaalista kuin bolometri-detektorien substraatti. Mikäli substraattimateriaalina on korkearesistiivinen pii, linssien valmistaminen on kuitenkin kallista, varsinkin kun suurta detektorimatriisia 15 käytettäessä linssejä tarvitaan suuri määrä. Keksinnön eräässä edullisessa toteutus-muodossa bolometrilinssit on valmistettu seoksesta korkean dielektriivisyysvakion omaavaa jauhetta ja epoksia, jolla on alhainen dielektrisyysvakio ja joka ei olennaisesti aiheuta häviöitä. Eräinä tähän tarkoitukseen soveltuvina epokseina voidaan mainita esimerkiksi kaupalliselta nimeltään Styecast-epokseina tunnetut epoksit. 20 Korkean dielektriivisyysvakion omaavana jauheena voidaan käyttää esimerkiksi pii-karbidia tai titaanidioksidia. Tällaisesta seoksesta voidaan muodostaa bolometrilins-sejä injektoimalla symmetrisiä, pyöreitä pisaroita esimerkiksi suoraan bolometri-substraatille tai erilliselle PTFE-levylle. Epoksin voidaan antaa kuivua valmistusolo-suhteissa tai injektoituja pisaroita voidaan erikseen paahtaa kuivumisen nopeutta-25 miseksi. PTFE-levyä käytettäessä valmiit bolometrilinssit voidaan irroittaa levyltä ja liimata erikseen bolometrisubstraatille. Bolometrilinssien muoto voidaan määrätä esimerkiksi säätämällä seoksen viskositeettia, mahdollisesti laimentamalla seosta, säätämällä injektointisuuttimen etäisyyttä substraatista sekä paahtolämpötilan ja in-jektointipaineen avulla. Tämä valmistusmenetelmä mahdollistaa automaattisen, • 30 pneumaattisen injektointijärjestelmän käytön suurien bolometrilinssimäärien valmis tamiseen.

Keksinnön eräässä toisessa edullisessa suoritusmuodossa bolometrilinssi on muodostettu bolometrisubstraattiin muuttamalla substraatin dielektrisyysvakiota sopivalta alueelta ja syvyydeltä. Tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi ioni-implantoimalla 35 tai diffusoimalla yhtä tai useampaa sopivaa alkuainetta, kuten esimerkiksi happi- tai typpiatomeja substraatin sisään yhden tai useamman aallonpituuden syvyyteen.

13 107407 Tällainen ratkaisu on hyvin kompakti, koska substraatista erillisiä optisia elementtejä ei tarvita.

Eräs mahdollisuus ehkäistä säteilyenergiaa hukkaavien pintamoodien syntyminen on muodostaa substraatin pinnalle diffraktiivisella binäärioptiikalla toteutettu bolo-5 metrilinssi. Tällainen voidaan toteuttaa muodostamalla halutun linssikuvion mukainen kuvioitu metallikerros tavanomaisten mikropiirien valmistustekniikoiden avulla.

Keksinnön mukaisen järjestelmän bolometrilinsseinä voidaan käyttää myös myös esimerkiksi mikromekaanisilla työstömenetelmillä muodostettuja lähes tasomaisia Fresnel-linssejä, joilla on riittävä kaistanleveys keksinnön mukaisessa järjestelmässä 10 käytettäväksi.

Säteilyenergiaa hukkaavien pintamoodien syntymistä vähentävänä sovituselementti-nä voidaan bolometrilinssien ohella käyttää myös erityisellä heijastuksenestokerros-rakenteella. Tällainen kerrosrakenne voidaan toteuttaa muodostamalla bolometri-substraatin pintaan kerroksia siten, että kerrosten dielektrisyysvakio pienenee siirryt-15 täessä substraatista kerrosten kautta pintaa kohden. Tällaisessa kerrosrakenteessa yhdenkään rajapinnan dielektrisyysvakioiden ero ja siten myöskään taitekerroin eivät ole suuria, jolloin kokonaisheijastuksen rajakulma on esimerkiksi substraatin ja ensimmäisen tällaisen kerroksen rajapinnalla merkittävästi suurempi kuin substraatin ja ilman rajapinnalla. Tämä pienentää tulevan säteilyenergian kytkeytymistä 20 pintamoodeihin ja parantaa tulevan säteilyenergian kytkeytymistä detektoreihin. Tällainen pintakerros, jossa dielektrisyysvakio pienenee pintaa kohden askelmittani tai lähes jatkuvasti, voidaan toteuttaa myös esimerkiksi ioni-implantoimalla tai diffusoimalla yhtä tai useampaa sopivaa alkuainetta, kuten esimerkiksi happi- tai typpiatomeja substraattiin eri syvyyksille. Tällaisella rakenteella on se haittapuoli 25 bolometrilinssejä käyttävään ratkaisuun verrattuna, että tällainen kerrosrakenne ei kerääjä kohdista säteilyä bolometriin bolometria suuremmalta alalta.

Keksinnön eräässä edullisessa sovellusmuodossa detektorimatriisi havaitsee useam-. . man kuin yhden aallonpituusalueen sähkömagneettista säteilyä. Tällainen detekto rimatriisi voidaan toteuttaa muodostamalla eri aallonpituusalueille mitoitettuja bolo-30 metrejä samalle substraatille. Detektorien integrointi samaan kuvaustasoon mahdollistaa samanaikaisen ja samaan kuva-alaan kohdistuvan kuvauksen kahdella tai useammalla aallonpituusalueella, kuten infrapuna-alueella ja alimillimetriaaltoalu-eella. Tällaisessa sovellusmuodossa kutakin bolometria vastaava bolometrilinssi tai vastaava optinen elementti on edullisesti optimoitu kyseisen bolometrin havaitse- 14 107407 malle aallonpituuskaistalle, jolloin myös bolometrilinssejä tai vastaavia elementtejä voi samalla substraatilla olla useampaa kuin yhtä tyyppiä.

Useamman kuin yhden aaltoalueen bolometrien integroinnilla samalle substraatille voidaan vähentää antennien keskinäisinduktanssin aiheuttamia ongelmia antennien 5 suunnittelussa. Esimerkiksi, jos kahden ensimmäiselle aaltoalueelle mitoitetun an-tennielementin välissä on toiselle aaltoalueelle mitoitettu antennielementti, näiden ensimmäiselle aaltoalueelle mitoitettujen antennielementtien välinen keskinäisin-duktanssi on pienempi kuin sellaisessa tapauksessa, jossa tällaista toiselle aalto-alueelle mitoitettua elementtiä ei näiden välissä ole.

10 Eri aallonpituusalueille optimoitujen antennikytkettyjen bolometrien antenniele-mentit voivat esimerkiksi olla samanmuotoisia ja mutta erikokoisia, omille aallonpituusalueilleen pelkästään elementin koon avulla viritettyjä. Eri aaltoalueiden elementit voivat myös olla erityyppisiä. Esimerkiksi, jos ensimmäisellä aallonpituusalueella tarvitaan mahdollisimman laajaa kuvaukseen käytettävää aallonpituuskais-15 taa kerättävän energian maksimoimiseksi ja toisella aallonpituusalueella tulevan säteilyn polarisaatiosta riippuvaa vastetta, voidaan ensimmäisen aallonpituusalueen antennielementtinä käyttää kuvan 1 mukaista spiraalielementtiä, mutta toisella aallonpituusalueella dipolielementtiä.

Samalle substraatille voidaan muodostaa myös samalle aallonpituusalueelle mitoitet-20 tuja, mutta tietyiltä ominaisuuksiltaan erilaisia antennikytkettyjä bolometreja kahden tai useamman erilaisen kuvan muodostamiseksi samalla aallonpituusalueella. Esimerkiksi, samalle substraatille voidaan muodostaa kahteen toisiinsa nähden kohtisuoraan suuntaan suunnattuja dipoliantennielementillä varustettuja bolometreja, jolloin eri suuntaan suunnatut bolometrit vastaanottavat eri suuntiin polarisoitunutta 25 säteilyä. Tällaisella detektorimatriisilla voidaan toteuttaa esimerkiksi sellainen kuvausjärjestelmä, jolla voidaan muodostaa ensimmäinen kuva vaakapolarisoituneen säteilyn avulla ja toinen kuva pystypolarisoituneen säteilyn avulla.

Keksinnön sellaisessa edullisessa toteutusmuodossa, joka muodostaa useamman kuin yhden kuvan, samaa kuva-alkiota vastaavat eri kuvan detektorit voivat hyödyn-30 tää samaa bolometrilinssiä. Edellä mainitussa esimerkissä, jossa järjestelmän ensimmäiseen suuntaan suunnatut bolometrit muodostavat vaakapolarisaatiokuvan ja jossa toiseen suuntaan suunnatut bolometrit muodostavat pystypolarisaatiokuvan, järjestelmä voi käsittää yhden bolometrilinssin yhtä bolometriparia kohden, jolloin tässä bolometriparissa on samaa kuva-alkiota vastaavat eri suuntiin suunnatut bolometrit.

15 107407

Keksinnön mukaisella järjestelmällä on monia etuja tunnettuun tekniikkaan nähden. Perinteiseen radiotekniikkaan, kuten heterodynevastaanottimen käyttöön perustuviin ratkaisuihin nähden etuina ovat pienempi kuvausaallonpituus, jolloin samaa optiikkaa käytettäessä diffraktiokulma on pienempi. Lisäksi tehonkulutus on merkittävästi 5 pienempi, vain joitakin milliwatin osia kuva-alkiota kohden verrattuna heterodynevastaanottimen kuluttamaan watin suuruusluokkaa olevaan tehoon kuva-alkiota kohden.

Suurien, tiheästi pakattujen detektorimatriisien valmistaminen antennikytkettyjen bolometrien avulla on halvempaa ja luotettavampaa kuin perinteisellä RF-teknii-10 kalla. Detektorimatriisin detektoritiheys on kriittinen tekijä kuvan laadun kannalta, koska optiikan aukkosuhde on pieni, jolloin kuvausakselista poikkeavilla suunnilla ilmenevät vääristymät rajoittavat voimakkaasti käyttökelpoisen kuvatason kokoa. Lisäksi huoneenlämpötilaisen kappaleen säteilemän mustan kappaleen säteilyn intensiteetti on alimillimetriaaltoalueella suoraan verrannollinen taajuuden neliöön, 15 alimillimetriaaltoalueella toimiva bolometri havaitsee Rayleigh-Jeansin lain mukaan huoneenlämpötilaisen kohteen kirkkaampana kuin 100 GHz alueella toimiva RF-tekniikkaan perustuva vastaanotin, minkä vuoksi antennikytkettyjä bolometreja hyödyntävät ratkaisut ovat passiivisessa kuvauksessa tehokkaampia.

Keksinnön mukaista järjestelmää voidaan käyttää huoneenlämpötilassa, jolloin kal-20 liiden ja monimutkaisten jäähdytyslaitteistojen käyttö ei ole tarpeen.

Keksinnön mukaista järjestelmää voidaan käyttää aseiden ja salakuljetustavaroiden etsinnän lisäksi myös alimillimetrialueen spektroskopiaan, metallien ilmaisuun, dielektristen materiaalien paksuuden ja kosteuspitoisuuden mittaukseen, pinnanmuodostuksen mittauksiin, kohteen lämpötilan kartoitukseen ja moniin muihin so-25 velluksiin. Antennikytketyn bolometrin suuri nopeus mahdollistaa niiden käytön nopeutta vaativissa sovelluksissa, joissa vaadittava kuvanopeus on hyvin suuri. Eräänä tällaisena sovelluksena voidaan mainita kohteeseen itseohjautuvien ohjusten kuva-päät, joissa nykytekniikalla käytetään passiivisia infrapunasäteilyä havaitsevia de-• *·. tektoreita. Tällaisessa sovelluksessa tarvittavien kuvapisteiden määrä ei ole suuri, 30 mutta kuvataajuuden on oltava hyvin suuri. Tällaisten ohjauslaitteistojen toimintaa voidaan parantaa käyttämällä alimillimetriaaltoaluetta, koska ilman läpäisevyys on alimillimetrialueella kohtuullinen, ja alimillimetriaaltoalueella tapahtuva havainnointi on epäherkempi vastatoimille, kuten savulle ja soihduille, koska alimillimetri-säteily läpäisee sadetta, sumua ja savua infrapunasäteilyä paremmin. Tällaisen ku-35 vapään toimintaa voidaan edelleen parantaa käyttämällä detektorimatriisia, jossa on useamman kuin yhden aaltoalueen detektoreita, esimerkiksi kaukoinfrapuna-alueen 16 107407 ja alimillimetriaaltoalueen detektoreita. Keksinnön mukaista järjestelmää voidaan käyttää myös passiiviseen ja aktiiviseen miinojen ja miinankaltaisten kohteiden ilmaisuun. Tällaisessakin sovelluskohteessa järjestelmässä voidaan edullisesti käyttää ainakin kahden aaltoalueen detektoreita, kuten esimerkiksi 8-12 pm kaukoinfrapu-5 na-alueen ja alimillimetriaaltoalueen detektoreita.

Edellä keksintöä on selostettu eräisiin sen edullisiin sovellusmuotoihin viittaamalla, mutta on selvää, että keksintöä voidaan muunnella monin eri tavoin oheisten patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen mukaisesti.

Claims (14)

17 107407

1. Avbildningssystem, kännetecknat av att det innefattar - flera än en detektor, vilka är antennkopplade bolometrar, - ätminstone ett väsentligen plant bolometersubstrat, varvid nämnda detektorer bildats pä nämnda ätminstone ena bolometersubstrat, 20. ett optiskt element (110) för att samla el-magnetisk straining och rikta den mot . nämnda detektorer, samt - en lins för varje detektor för att förbättra kopplingen av strälningen mot nämnda ätminstone ena bolometersubstrat tili nämnda detektorer.

1. Kuvausjärjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää - useamman kuin yhden detektorin, jotka detektorit ovat antennikytkettyjä bolomet-reja, 5. ainakin yhden oleellisesti tasomaisen bolometrisubstraatin, jolloin mainitut detek torit on muodostettu mainitulle ainakin yhdelle bolometrisubstraatille, -optisen elementin (110) sähkömagneettisen säteilyn keräämiseksi ja kohdistamiseksi mainittuihin detektoreihin, sekä - yhden linssin kutakin detektoria kohden mainittuun ainakin yhteen bolometrisubst-10 raattiin kohdistuvan säteilyn mainittuihin detektoreihin kytkeytymisen parantamiseksi.

2. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att det dessutom innefattar ett 25 reflexhindrande skikt som bildats pä bolometersubstratets yta. • »

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää bolometrisubstraatin pintaan muodostetun heijastuksenestokerroksen.

3. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att nämnda lins bildats pä bolo-metersubstratet med jonimplantation.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että mainittu linssi 15 on muodostettu bolometrisubstraattiin ioni-implantaatiolla.

4. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att nämnda lins bildats med en blandning av epoxi och pulver, varvid pulvret bildats av ett material med en given 30 dielektricitetskonstant. 19 107407

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen jäijestelmä, tunnettu siitä, että mainittu linssi on muodostettu epoksin ja jauheen seoksesta, joka jauhe on muodostettu materiaalista, jolla on tietty dielektrisyysvakio.

5. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att det dimensionerats att detek-tera el-magnetisk straining med en väglängd mellan ca 100 pm och 1 mm.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että se on mitoi-20 tettu havaitsemaan sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on noin 100 pm - 1 mm. ·. 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että mainitulla si näkin yhdellä bolometrisubstraatilla on ainakin kaksi antennikytkettyä bolometria, joista antennikytketyistä bolometreista ainakin yksi on mitoitettu havaitsemaan en-25 simmäisen aallonpituusalueen sähkömagneettista säteilyä ja ainakin yksi on mitoitettu havaitsemaan toisen aallonpituusalueen sähkömagneettista säteilyä. . ·· 7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää useamman kuin kaksi bolometrisubstraattia, ja siitä, että mainitut bolometrisubstraatit on jäljestetty muodostamaan likimain tie-30 tyn kaarevan pinnan muotoinen detektoripinta, jolloin mainittu tietty kaareva pinta on olennaisesti mainitun optisen elementin (110) polttotaso. 1 Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että mainittu optinen elementti (110) on järjestetty rajoittamaan bolometrisubstraattiin kohdistuvan sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuskaistaa. 18 107407

6. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att nämnda atminstone ena bolo 5 metersubstrat har atminstone tvä antennkopplade bolometrar, av vilka atminstone en dimensionerats att detektera el-magnetisk straining inom ett första väglängdsomräde och atminstone en dimensionerats att detektera el-magnetisk straining inom ett andra väglängdsomräde.

7. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att det innefattar flera än tvä 10 bolometersubstrat, och av att nämnda bolometersubstrat inrättats att bilda en detektoryta med ungefär formen av en given krökt yta, varvid nämnda givna krökta yta är väsentligen fokalplanet hos nämnda optiska element (110).

8. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att nämnda optiska element (110) 15 inrättats att begränsa väglängdsbandet hos den el-magnetiska strälningen mot bolo- metersubstratet.

9. System enligt patentkrav 8, kännetecknat av att ätminstone en av ytoma hot, nämnda optiska element (110) är grov, varvid nämnda yta har en väsentligen forut-bestämd grovhet.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että ainakin yksi mainitun optisen elementin (110) pinnoista on karhea, jolloin mainitun pinnan karheus on oleellisesti tietyn ennalta määrätyn arvon suuruinen.

10. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att nämnda optiska element (110) är en lins. ’· 11. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att nämnda optiska element (110) är en spegel.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että mainittu opti-5 nen elementti (110) on linssi.

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että mainittu optinen elementti (110) on peili.

12. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att det innefattar en kali yta för 25 att förstora kontrasten mellan det avbildade objektet och dess bakgrund.

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää kylmäpinnan kuvattavan kohteen ja sen taustan välisen kontrastin suurentamiseksi.

13. System enligt patentkrav 12, kännetecknat av att den kalla ytan utförts med tillhjälp av en behällare för flytande kväve, varvid behällaren värmeisolerats med ett material som är väsentligen transparent pä det detekterbara väglängdsbandet.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että kylmäpinta on toteutettu nestetyppisäiliön avulla, jonka säiliön lämpöeristeenä on havaittavalla aallonpituuskaistalla oleellisesti läpinäkyvää materiaalia.

14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää säteilylähteen ja diffusoijan kuvattavan kohteen valaisemiseksi.

15 Patentkrav

14. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att det innefattar en strälnings-30 kalla och en diffusor för att belysa det avbildade objektet.