用于紧凑、轻量以及按需红外校准的多层先进碳纳米管黑体

摘要

公开了用于产生黑体光谱的装置、方法以及薄膜结构。该装置的第一层(302)被配置成响应于所施加的电压而生成热。第二层(306)被配置成响应于来自第一层的热，发射黑体辐射光谱。热扩散层(304)被布置在第一层和第二层之间。热扩散层包括石墨烯片，用于减小热扩散层的平面中的热的空间变化。第一层可以是碳纳米管层。

说明书

背景技术

本公开内容涉及生成辐射光谱，并且特别地涉及用于生成黑体辐射光谱的方法和设备。

在各种光学系统中，在光学传感器处接收来自物体的光信号，并且在光学传感器处获得光信号的测量以确定物体的特性。为了获得准确的测量，经常有必要使用一个或更多个标准波长处的已知光子通量来校准光学传感器。一种用于提供标准波长处的光子通量的方法包括：将一个或更多个黑体辐射器加热到所选择的温度；以及使用光学滤波器来选择校准波长。然而，使用黑体源来校准光学传感器提出了尺寸、重量和功率(SWaP)的挑战。首先，传统的黑体辐射器需要在使用于校准之前被加热相对长的时间，以便使黑体辐射器到达所选择的温度并且保持所选择的温度。传统的黑体源因此消耗了大量的功率。其次，传统的黑体源及支持它们的光学结构通常体积大，并且使用它们中的一个或更多个要求精确的光学机构，以将每个黑体发射光谱成像到经历校准的传感器上。第三，这样的黑体辐射器校准系统及其附随的光学机构通常笨重而麻烦。

发明内容

根据本公开的一种实施方式，一种用于产生黑体光谱的装置包括：第一层，所述第一层被配置成响应于所施加的电压而生成热；第二层，所述第二层被配置成响应于来自所述第一层的热，发射黑体辐射光谱；以及第一层和第二层之间的热扩散层，所述热扩散层包括石墨烯片，用于减小热扩散层的平面中的热的空间变化。

根据本公开内容的另一实施方式，一种用于生成黑体辐射光谱的膜包括：第一层，所述第一层被配置成响应于所施加的电压而生成热；第二层，所述第二层被配置成响应于来自所述第一层的热，发射黑体辐射光谱；以及第一碳纳米管层和第二碳纳米管层之间的热扩散层，所述热扩散层包括石墨烯片，用于减小所述热扩散层的平面中的热的空间变化。

根据本公开内容的另一实施方式，一种用于产生黑体辐射光谱的方法包括：向薄膜装置的第一层施加电压以在所述第一层处生成热，所述薄膜装置包括第一层、第二层以及被布置在所述第一层和所述第二层之间的至少一个石墨烯片；以及使用至少一个石墨烯片以减少所述薄膜装置的平面中的热的空间变化，其中具有减小的空间变化的热在所述第二层激发光子以产生黑体辐射光谱。

通过本公开内容的技术实现了附加的特征和优点。本公开内容的其他实施方式和方面被详细地描述于此，并且被认为是请求保护的本公开的一部分。为了更好地理解本公开的优点和特征，请参考说明书和附图。

附图说明

被视为本公开内容的主题被特别地指出，并且在说明书的结论处的权利要求书中被明确地要求保护。结合附图，根据以下具体实施方式，本公开内容的前述以及其他特征和优点是明显的，在附图中：

图1示出了根据示例实施方式的用于检测光或光信号的示例光学系统；

图2示出了图1所示的示例校准设备的详细视图；

图3示出了图2的示例薄膜结构的详细视图；

图4图示了当向本公开内容的示例碳纳米管膜施加电流时达到平衡温度的响应时间；

图5示出了一个表格，该表格图示了向图4的示例碳纳米管膜施加的电流和产生的碳纳米管膜的空间及时间平衡温度之间的关系；以及

图6示出了在替选实施方式中本公开的薄膜结构的截面视图。

具体实施方式

图1示出了根据示例实施方式的用于检测光或光信号的示例光学系统100。光学系统100包括传感器102，例如光学传感器或光学检测器。在传感器102处检测从选择的物体或目标110沿着光路104传播的光或光信号。为了保持传感器的准确性，校准装置106(校准器)被移动到光路104中。在示例实施方式中，光学系统100可以在感测模式下操作，在所述感测模式中，校准装置106被定位在光学传感器102的光路104之外的第一位置A。光学系统100也可以在校准模式下操作，在所述校准模式中，校准装置106被移动到光学传感器102的光路104中的第二位置B。一旦处于光路104中时，校准装置106阻挡来自于物体110的光或光信号到达光学传感器102。然后，操作校准装置106以向传感器102提供一个或更多个校准波长处的光，以便校准传感器102。当校准装置106处在第二位置B时，滤波器112被示出为被放置在校准装置106和传感器102之间。滤波器112允许与校准波长对应的所选择的波长窗口之内的光子通量到达传感器102，以便将传感器102校准到校准波长。在示例实施方式中，波长窗口是约3微米至约5微米。

图2示出了图1所示的示例校准装置106的详细视图。示例校准装置106包括薄膜结构200，该薄膜结构200提供用于发射一定波长范围的光或光子扩展的表面区域。薄膜结构200可以由支撑结构202界定，该支撑结构202耦合到薄膜结构200的边缘。在示例实施方式中，支撑结构202被配置成在薄膜结构200的平面中施加轻微的向外力，以便保持薄膜结构200的大体上平整的表面。支撑结构202的端部203和204可以经由诸如螺丝、螺栓等的紧固装置205耦合或紧固到单元206。当紧固到单元206时，端部203和204进一步耦合到杆210的上端212。杆210包括：上端212，用于经由支撑端203和204耦合到薄膜结构200；以及下端214，其在壳体220之内延伸。杆210可以在壳体220之内旋转，并且壳体220的致动器组件228用来使杆210并且从而使薄膜结构200旋转经过选择的角度θ。校准装置106可以相对于传感器102取向，使得杆210的经过角度θ的旋转将薄膜结构200从第一位置(例如图1中的位置A)移动到第二位置(例如图1中的位置B)。替选地，校准装置106可以在第一位置和第二位置之间线性地移位。

在各种实施方式中，电线222和224穿过杆和/或壳体的内部到达支撑结构202。沿着支撑结构202的右侧202R布置的电线222提供到薄膜结构200的一个边缘的电耦合。沿着支撑结构202的左侧202L布置的电线224提供到薄膜结构200的相对边缘的电耦合。在远离支撑结构202的位置处，电线222和224耦合到可控电源230的相反的电极。因此，电流回路完成，以将来自电源230的正极的电流通过电线222提供到支撑结构202的右侧202R中、穿过薄膜结构200到达支撑结构202的左侧202L的电线224中，并且到达电源230的负极中。可变电压经由可控电源230被供应到薄膜结构200。在各种方面中，向薄膜结构200施加电流使薄膜结构200的温度升高。在选择的温度下，薄膜结构200一般发射具有特征黑体辐射光谱的光子，其中黑体辐射光谱包括特征波长，所述特征波长指示光谱的峰值发射并且与薄膜结构200的温度有关。一般地，黑体辐射器发射的光子的总数，以及由选择的波长范围之内的黑体辐射发射的光子的数目，与其温度有关。当温度上升时，总光子通量和所选择的波长范围之内的光子通量也增长。操作者可以控制可控电源230处的电压或电流，以使选择的黑体辐射光谱在薄膜结构200处被发射。辐射光谱的特征波长和其他特征与施加的电压的幅值或量有关。然后可以在光学传感器102处测量所选择的波长范围之内的光子通量以校准光学传感器102。

图3示出了图2的示例薄膜结构200的详细视图。在示例实施方式中，薄膜结构200包括第一碳纳米管层302。第一碳纳米管层302包括碳纳米管片，其一般被取向为位于第一碳纳米管层302的平面之内。第一碳纳米管层302的一端耦合到可控电源320的正极，并且第一碳纳米管层302的相对端耦合到可控电源320的负极，以便完成通过第一碳纳米管层302的电路。第一导热层304耦合到第一碳纳米管层302的顶面，其中，顶面是朝向IR发射箭头315的第一碳纳米管层302的表面。第二导热层308耦合到第一碳纳米管层302的底面，其中，底面是背离IR发射箭头315的第一碳纳米管层302的表面。在各种实施方式中，第一和第二导热层304和308由诸如陶瓷材料等的电绝缘材料制成。第二碳纳米管层306与第一碳纳米管层302相对地耦合到第一导热层304。第二碳纳米管层306被配置成响应于在第一碳纳米管层302处生成的热，如IR发射箭头315所指示的那样在选择的方向上发射光子。第二碳纳米管层306包括多个碳纳米管312a-312m，其被取向成使得多个碳纳米管312a-312m的纵向轴线基本垂直于第二碳纳米管层306的表面。一般地，在第二碳纳米管层306处激发的光子被发射到包含指示性的IR发射箭头315的第二碳纳米管层306上面的半空间中。如由IR发射箭头315指示的那样，在由IR发射箭头315指示的垂直方向上发射的那些光子被用于校准。在各种实施方式中，第二碳纳米管层306的发射率大于约0.995。低发射率金属膜310与第一碳纳米管层302相对地耦合到第二导热层308的表面。在各种实施方式中，低发射率金属膜310被配置成防止热从校准装置薄膜结构200的后端辐射。

为了操作示例薄膜结构200，可控电源320供应电流到第一碳纳米管层302，其响应于供应的电流而生成热。在第一碳纳米管层302处生成的热的量和温度直接与施加的功率的量有关。如下面参照图4讨论的那样，当适合获得平衡温度的电流被施加时，第一碳纳米管层302迅速响应以达到选择的平衡温度。在示例实施方式中，第一碳纳米管层302在施加电流到第一碳纳米管层302的几秒钟内到达平衡温度。在第一碳纳米管层302的表面处的温度一般具有空间变化，如下面参照图5所描述的那样。空间变化在几个开尔文的温度范围内。在第一层碳纳米管层302处生成的热通过第一导热层304被分散，以在第二碳纳米管层306处激发宽范围的波长的光子。第一导热层304在第一导热层304的平面中分散在第一碳纳米管层302处生成的热。因此，一旦热到达第二碳纳米管层306，在第一碳纳米管层302处的温度和热生成中的任何变化都基本上是平滑的。在各种实施方式中，第二碳纳米管层306处的温度在第二碳纳米管层306的表面上具有小于1.0开尔文的空间变化。在另一实施方式中，空间变化小于0.5开尔文。在又一实施方式中，空间变化小于0.1开尔文。因此，在第二碳纳米管层306处的多个碳纳米管312a-312m中的每一个从第一导热层304接收基本上相同的热量。在第二碳纳米管层306处接收的热激发出光子，所述光子沿着多个碳纳米管312a-312m的纵向轴线被引导，并且因此大体上沿着IR发射箭头315指示的方向传播。此外，一定通量的光子也在偏离的方向上发射。从第二碳纳米管层306产生的光谱因此基本上等效于被加热到基本均匀的温度的传统黑体的黑体辐射光谱。

图4图示了当向本公开内容的示例碳纳米管薄膜200施加电流时用于在第一碳纳米管层302处实现平衡温度的响应时间。以开尔文为单位沿着纵坐标标绘温度，并且以秒为单位沿着横坐标标绘时间。在时间t＝0(402)时向第一碳纳米管层302施加电压。在时间t＝0秒之前，没有供应电流并且第一碳纳米管层302处在室温，即，约290K。在时间t＝0(402)时供给电流使第一碳纳米管层302的温度在大约t＝2秒(404)时上升到大约550K的平衡温度。

相比之下，传统的黑体源需要几分钟至几小时以达到平衡温度。此外，由于使传统的黑体源到达平衡温度所需的时间的长度，当不在校准模式时，传统的黑体源一般被保持在它们的平衡温度下或其附近，以便当需要校准时基本上准备就绪。使用传统黑体源的校准系统因此消耗了大量的功率。由于本公开内容的薄膜结构能够在相对短的时间内(即小于大约20秒)到达平衡温度，所以没有必要在非校准的时间期间将薄膜结构保持在平衡温度。此外，薄膜结构可以因此被用来在可接受的时间帧(例如在小于20秒)内校准传感器。然而将会意识到的是，薄膜结构的使用不需要限于其中用于完成相关任务的期望时间帧是20秒或更少的操作。因此，使用本公开内容的示例薄膜结构来校准光学传感器可以被按需使用，这相对于使用传统黑体源的校准方法可以节省大于约90％的操作成本。

图5示出了一个表格，该表格图示了供应到示例碳纳米管薄膜200的电流与薄膜结构200的第一碳纳米管层302的平衡温度之间的关系。第一列指示施加到第一碳纳米管层302的电流的量(以安培为单位)。第二列指示在施加了选择的电流时所期望达到的目标温度(以开尔文为单位)。第3、4和5列分别示出了当向第一碳纳米管层302施加了选择的电压时在10秒、60秒和180秒的时间处达到的测量温度(以开尔文为单位)。温度的空间变化也由第3、4和5列中的每一列中提供的秒数(即“±1”，“±6，”等)示出。实际温度表明温度的相对小的空间变化，并且在所示时间(即，10秒、60秒和180秒)上稳定。将热从第一碳纳米管层302扩散通过第一导热层304将空间变化减少到选择的范围内，该范围在不同实施方式中少于约1.0开尔文、约0.5开尔文或约0.1开尔文。因此，第二碳纳米管层306被均匀加热，并且多个碳纳米管312a-312m中的每一个都发射与基本上相同的温度相对应的黑体辐射光谱。选择供应到第一碳纳米管层302的电流的量因此基本上控制了在第二碳纳米管层306处产生的黑体辐射光谱。因此，在合适的校准时间帧之上，薄膜结构可以被用来提供适合用于校准传感器的大体上的黑体辐射光谱。在替选实施方式中，从第一碳纳米管层302通过第一导热层304的热的扩散可以被用来将空间变化减少到约2开尔文或约3开尔文的范围内。将会意识到的是，即使在其中不需要这样的温度的空间变化的减少的操作中，薄膜结构也可以被用来将温度的空间变化减少到约1.0开尔文之内。

由于薄膜结构对施加的功率的相对快的响应，通过校准装置106提供的黑体辐射光谱可以在相对快的时间量内被改变。因此，校准装置106可以被用来将多个黑体辐射光谱快速提供到传感器。

在示例校准过程中，通过校准装置106的薄膜结构200的第一碳纳米管层302发送第一电压，以生成第一黑体辐射光谱的第一组光子。然后传感器102在选择的校准波长下(即，在与选择的校准波长相对应的波长窗口之上)被校准到来自第一黑体辐射光谱的第一光子通量。随后通过薄膜结构200发送第二电压，以生成第二黑体辐射光谱的第二组光子。然后传感器102在选择的校准波长下被校准到来自第二黑体辐射光谱的第二光子通量。在完成校准过程之前，可以在所选择的波长下以任意数目的光子通量使用相同的薄膜结构200来校准传感器102而重复这个过程任意次数。在替选实施方式中，使用多个校准波长，并且在多个校准波长中的每一个波长下测量多个光子通量以校准传感器。在校准过程的结尾，将校准装置106移动或旋转到传感器102的光路104之外，使得传感器102可以用于其预期的目的。薄膜结构200的提供多个校准波长的能力使得比使用多个传统黑体辐射源的已知校准装置更小和更轻的校准装置设计成为可能。

图6示出了替选实施方式中的本公开的薄膜结构200的截面视图。该薄膜结构200包括与电极604a和604b电接触的第一层(在本文中称为“第一碳纳米管层602”)。电极604a、604b可以连接到电源(未示出)，以供给通过第一碳纳米管层602的电流。出于说明和解释的目的,在图6中，薄膜结构200的顶侧和薄膜结构200的底侧被标记。顶侧通常在正z方向上，如由坐标系625所指示的。第一碳纳米管层602以及薄膜结构200的其他层，被认为位于坐标系625的xy平面中。第一碳纳米管层602包括在第一碳纳米管层602的平面中取向的碳纳米管。当向第一碳纳米管层602施加电压时，产生热量，该热量流出第一碳纳米管层602的顶面602a或第一碳纳米管层602的底面602b。热扩散层606被布置在第一碳纳米管层602的顶面602a上。第二碳纳米管层608(在本文中称为“第二碳纳米管层608”)与热扩散层606邻接，以使热扩散层606被夹在第一碳纳米管层602和第二碳纳米管层608之间。第二碳纳米管层608包括：在xy平面中排列的平坦表面614；以及多个碳纳米管616，其附接到平坦表面614的顶部并且垂直于平坦表面排列(即，多个碳纳米管616的纵向轴线在z方向上排列)。在一种实施方式中，平坦表面614是氧化铝(Al₂O₃)基板的层。

在操作薄膜结构200中，所施加的电压在第一碳纳米管层602处生成热量。热通过热扩散层606传输到第二碳纳米管层608。在第二碳纳米管层608处，热从多个碳纳米管616激发出光子，这些光子在正z方向上发射。发射的光子生成黑体辐射光谱。

由第一碳纳米管层602生成的热量的空间分布趋向于在xy平面内变化。热扩散层606的功能是在热到达第二碳纳米管层608时减少xy平面内的热的变化，以使温度并且从而使光子发射通量在第二碳纳米管层608的表面上均匀。热扩散层606的结构被选择以实现这样的空间热变化的减少。

特别地，热扩散层606包括至少一个石墨烯片，用于分布从第一碳纳米管层602的顶面602a发散出的热量。该石墨烯片是石墨烯薄片的压缩层。石墨烯片以高效率传导热量。因此，石墨烯片是高度热各向异性的，这意味着热根据第一热导率在石墨烯片的平面流动、根据第二热导率垂直于石墨烯片的平面流动，第二热导率比第一热导率要小得多。由于这种热各向异性，石墨烯用来减少石墨烯平面中的热密度的任何空间变化。由于石墨烯片在xy平面内排列，在xy平面中变化被平滑。

在一种实施方式中，热扩散层606包括在第一碳纳米管层602和第二碳纳米管层608之间的单个石墨烯片。在另一实施方式中，热扩散层606包括石墨烯片的叠层。在图6的说明性实施方式中，叠层至少包括第一石墨烯片610a和第二石墨烯片610b。第一石墨烯片610a和第二石墨片610b可通过粘合层612a接合。粘合层612A是热绝缘的，尽管不一定是热各向异性的，并且允许第一石墨烯片610a和第二石墨烯片610b之间的热传递。此外，粘合层612b可以被布置在第一碳纳米管层602和第一石墨烯片612a之间，并且粘合层612c可以被布置在第二碳纳米管层608和第二石墨烯片612b之间。粘合层612b和612c可以类似地为热绝缘的，尽管不一定是热各向异性的。当热量远离于第一碳纳米管层602的顶面602a传播时，热量在xy平面中的第一石墨烯片610a上分布。然后热量从第一石墨烯片610a被引导到第二石墨烯片610b。第二石墨烯片610b进一步将热量分布在xy平面中。因此，在减少xy平面的热量的空间变化中，第一石墨烯片601a和第二石墨烯片601b二者都被采用。虽然在图6中示出了两个石墨烯片，但是应当理解的是，在其他实施方式中，可以在热扩散层606中使用任何数目的石墨烯片。使用多个石墨烯片有助于减少xy平面中的热的空间变化的非均匀性。

薄膜结构200还包括反射器620，其被布置在第一碳纳米管层602的底面602b上。反射器620从底面602b发散出的热量引导回第一碳纳米管层602的方向中。反射的热量从而通过热扩散层606并且用于在第二碳纳米管层608处激发光子。在一种实施方式中，石墨烯片622和粘合层624可以被布置在第一碳纳米管层602和反射器620之间。因此，反射的热通过石墨烯片622空间地分布。

图6的薄膜结构200重量轻(通常小于约40克)，并且具有为约25密耳(0.635毫米)的厚度。因此，薄膜结构可以在其中空间被限制和/或其中设备的重量是关注的问题的各种操作或设备中使用。在第二碳纳米管层608的表面上，从第二碳纳米管层608的顶表面发射的能量的温度变化小于约0.05K。

在此使用的专业术语仅以描述特定实施方式为目的，而不打算限制本发明。如在本文中使用的那样，单数形式“一个”、“一”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指示。将会进一步理解的是，在本说明书中使用时，术语“包括”指定了所述特征、单体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或更多个其他特征、单体、步骤、操作、元件部件和/或其组合的存在或添加。

以下的权利要求中的所有功能性装置或方法元素的相对应的结构、材料、动作以及等同旨在包括用于与具体要求保护的的那样的其他要求保护的元件相结合地执行功能的任何结构、材料或动作。本发明的说明书以说明和描述为目的而被提出，但是不旨在是穷尽的或被限制到所公开的形式的本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变型对于本领域的普通技术人员将会是明显的。选择并且描述了实施方式，以便最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使得本领域的其他普通技术人员能够理解本发明，其中，具有各种修改的示例实施方式适用于所期待的特定用途。

本文描述的流程图仅是一个示例。对于在其中描述的图或步骤(或操作)，可以存在许多变型而不脱离本发明的精神。例如，步骤可以用不同的顺序执行，或者步骤可以被增加、删除或修改。所有这些变型都被认为是要求保护的本发明的一部分。

虽然已描述了本发明的示例实施方式，但是将会理解的是，本领域的技术人员无论现在还是将来都可以进行各种改进和增强，这些改进和增强都落在所附权利要求的范围之内。这些权利要求应当被解释为维持对首次描述的本发明的恰当保护。