Преобразователь ИК-изображений исследуемого объекта, спектральный диапазон излучения которого находится в пределах от 2 до 15 мкм, в электрический сигнал

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИК-ИЗОБРАЖЕНИЙ ИССЛЕДУЕМОГО ОБЪЕКТА, СПЕКТРАЛЬНЫЙ ДИАПАЗОН ИЗЛУЧЕНИЯ КОТОРОГО НАХОДИТСЯ В ПРЕДЕЛАХ ОТ 2 ДО 15 МКМ,В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пилипович Владимир Антонович Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Гончаренко Игорь Андреевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Преобразователь ИК-изображений исследуемого объекта, спектральный диапазон излучения которого находится в пределах от 2 до 15 мкм, в электрический сигнал, содержащий объектив, оптически связанный с расположенной на подложке матрицей оптически связанных микрокольцевых резонаторов, ячейки которой объединенны по строкам и столбцам волноводами, причем волноводы строк оптически соединены с соответствующими элементами линейки фотоприемников, выходы которых электрически подключены к блоку обработки информации, а входы волноводов столбцов - к соответствующим выходам электрооптического коммутатора, вход которого оптически соединен с выходом перестраиваемого лазера, при этом управляющие входы электрооптического коммутатора и перестраиваемого лазера электрически соединены с выходами блока обработки информации, ячейки матрицы содержат по меньшей мере два микрокольцевых резонатора разной длины, оптические длины которых выбраны из условия совпадения резонансных частот в микрокольцевых резонаторах ячейки, внутри микрокольцевые резонаторы содержат поглощающие ИК-излучение пленки, а на нижней поверхности подложки расположена отражающая металлическая пленка. 11142 1 2008.10.30 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что подложка между соседними ячейками матрицы оптически связанных микрокольцевых резонаторов выполнена пористой. Изобретение относится к области тепловизионной техники и может быть использовано в системах обнаружения объектов, измерения распределения температуры, а также для визуализации ИК-изображений. Известно устройство преобразования ИК-изображений в пучок электронов 1, состоящее из расположенной в фокальной плоскости матрицы, соединенной с холодильником и содержащей первую и вторую поверхности, первая из которых включает окно,прозрачное для ИК-излучения, вторая - площадки, прозрачные для ИК-излучения и фотопроводящий слой, изменяющий сопротивление в ответ на ИК-фотоны, попадающие на него с указанным фотопроводящим слоем связан граничный слой, соединенный с излучающим слоем, который посредством пучка фотогенерированных электронов через граничный слой связан с проводящим слоем, а также содержит анод, который вместе с излучающим слоем соединен с источником напряжения, при этом на излучающем слое расположен контактный слой, являющийся прозрачным для электронов причем излучающий и контактный слои соединены со вторым источником напряжения. Устройство имеет низкую помехозащищенность и чувствительность из-за влияния дестабилизирующих факторов, таких как электромагнитные наводки, ионизирующее излучение, высокие температуры и т.д. Наиболее близким по технической сущности является устройство преобразования ИКизображений в видеосигнал 2, которое содержит элементы излучения линейки лазеров,каждый из которых оптически соединен через волноводы столбцов с микродисковыми резонаторами матрицы микродисковых резонаторов, расположенными по столбцам и имеющими различные собственные частоты, соответствующие частотам элементов линейки лазеров, при этом первый элемент линейки лазеров соединен с первым столбцом матрицы микродисковых резонаторов и т.д., объектив, оптически связан с микродисковыми резонаторами матрицы и проецирует на нее ИК-изображение исследуемого объекта,причем линейка фотоприемников оптически соединена с матрицей микродисковых резонаторов через волноводы строк. Блок обработки информации 8 электрически соединен с линейкой лазеров и линейкой фотоприемников. Термостат имеет тепловой контакт с матрицей микродисковых резонаторов. Данное устройство имеет недостаточную чувствительность из-за различия рабочих частот микродисковых резонаторов в матрице, а также ограниченный динамический диапазон преобразования. Техническая задача - увеличение чувствительности при одновременном расширении динамического диапазона преобразования. Поставленная техническая задача достигается тем, что преобразователь ИК-изображений исследуемого объекта, спектральный диапазон излучения которого находится в пределах от 2 до 15 мкм, в электрический сигнал, содержащий объектив, оптически связанный с расположенной на подложке матрицей оптически связанных микрокольцевых резонаторов, ячейки которой объединены по строкам и столбцам волноводами, причем волноводы строк оптически соединены с соответствующими элементами линейки фотоприемников, выходы которых электрически подключены к блоку обработки информации,а входы волноводов столбцов - к соответствующим выходам электрооптического коммутатора, вход которого оптически соединен с выходом перестраиваемого лазера, при этом управляющие входы электрооптического коммутатора и перестраиваемого лазера электрически соединены с выходом блока обработки информации, ячейки матрицы содержат по меньшей мере два микрокольцевых резонатора разной длины, оптические длины которых выбраны из условия совпадения резонансных частот в микрокольцевых резонаторах ячейки, внутри микрокольцевые резонаторы содержат поглощающие ИК-излучение пленки, а на нижней поверхности подложки расположена отражающая металлическая пленка. 2 11142 1 2008.10.30 Для эффективного решения поставленной технической задачи подложка между соседними ячейками матрицы оптически связанных микрокольцевых резонаторов выполнена пористой. Совокупность указанных признаков в предлагаемом устройстве позволяет увеличить чувствительность при одновременном расширении динамического диапазона преобразования за счет повышения эффективности поглощения ИК-излучения и достижения максимально возможной теплопередачи, а также считывания информации, как минимум, на трех длинах волн. Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой приведена структурная схема устройства, где 1 - объектив, 2 - матрица оптически связанных микрокольцевых резонаторов, 3 - электрооптический коммутатор, 4 - волноводы столбцов, 5 - волноводы строк, 6 линейка фотоприемников, 7 - подложка, 8 - блок обработки информации, 9- перестраиваемый лазер, 10 - матрица составных поглощающих ИК-излучение пленок, 11 - отражающая металлическая пленка. В устройстве объектив 1 оптически, посредством ИК-излучения, связан с матрицей 2 оптически связанных микрокольцевых резонаторов и поглощающими ИК-излучение пленками 10. Каждый элемент матрицы оптически связанных микрокольцевых резонаторов 2 оптически связан с волноводами столбцов 4, которые оптически соединены с выходами электрооптического коммутатора 3, и волноводами строк 5, которые оптически соединены с соответствующими элементами линейки фотоприемников 6. Управляющие входы электрооптического коммутатора 3, а также выходы линейки фотоприемников 6 подключены к блоку обработки информации 8, к которому подсоединен управляющий вход перестраиваемого лазера 9, а выход оптически связан с входом электрооптического коммутатора 3. Внутри каждого элемента матрицы оптически связанных микрокольцевых резонаторов 2, представляющих собой, как минимум, два микрокольцевых резонатора разных геометрических размеров, расположены поглощающие ИК-излучение пленки 10,оптически не связанные с соответствующими микрокольцевыми резонаторами 2. Все указанные выше элементы устройства расположены на верхней стороне подложки 7. На нижней стороне подложки 7 находится отражающая металлическая пленка 11. В конкретном исполнении объектив 1 - это набор линз из германия. Матрица оптически связанных микрокольцевых резонаторов 2 - это структура изпреобразовательных элементов, каждый из которых состоит, как минимум, из двух микрокольцевых резонаторов, волноводы которых изготовлены изна подложке изс буферным слоем , как в 3. Для задания симметричного распределения поля на поверхности волноводов выполнен буферный слой . Электрооптический коммутатор 3 - это волновод из , выполненный аналогично описанному выше, вдоль которого расположены оптически последовательно связанные по числу столбцов ответвители и управляемые брэгговские отражатели, каждый из которых представляет собой дифракционную решетку с периодом 0, 22 мкм и длиной 0,2 мм, выполненную методами фотолитографии на поверхности волновода. В непосредственной близости от каждого брэгговского отражателя выполнены управляющие металлические электроды. Волноводы 4 столбцов и строк 5 - это выполненные методами фотолитографии ортогонально расположенные волноводы из , как указано выше. Фотоприемники 6 - это набор изфотоприемников,выполненных в подложке изкак стандартные диодные структуры с металлическими выходными электродами. Подложка 7 - это пластина высокоомногостандартной толщины. Блок обработки информации 8 - это стандартное устройство на основе микропроцессорной техники с интерфейсом, выполненным из серийных линейных и цифровых интегральных схем. Перестраиваемый лазер 9 - это волноводный лазер, выполненный на основе управляемой брэгговской решетки, как в 4. Матрица составных поглощающих ИК-излучение пленок 10 - это покрытия, выполненные методами фотолитографии в виде островков 2 внутри оптически связанных микроколец резонаторов столщиной слоя 1 мкм. На противоположной стороне подложки 7 выполнена отражающая металлическая пленка 11 из А. 3 11142 1 2008.10.30 Работа устройства осуществляется следующим образом. По сигналам управления из блока обработки информации 8 включаются первая брегговская решетка электрооптического коммутатора 3 и перестраиваемый лазер 9, излучение которого на длине волны 1,52 мкм, поступает на оптический вход электрооптического коммутатора 3. Так как включена только первая брэгговская решетка электрооптического коммутатора 3, то после отражения от нее это излучение поступает через первый ответвитель электрооптического коммутатора 3 в первый волновод столбцов 4 на первый столбец матрицы оптически связанных микрокольцевых резонаторов 2. В результате этого во всех ячейках первого столбца матрицы оптически связанных микрокольцевых резонаторов 2 устанавливаются собственные резонансные частоты, т.е. те для которых полный оптический путь лазерного излучения кратен целому числу длин волн. Затем через волноводы строк 5 лазерное излучение попадает на линейку фотоприемников 6, где амплитуды оптических сигналов, соответствующих собственным резонансным частотам для данной температуры окружающей среды, преобразуются в соответствующие им электрические сигналы, которые поступают в блок обработки информации 8 и их амплитуды там запоминаются. Точно также процесс повторяется для всех остальных столбцов матрицы оптически связанных микрокольцевых резонаторов 2. После этого ИК-излучение от исследуемого объекта через объектив 1 поступает на матрицу оптически связанных микрокольцевых резонаторов 2 и матрицу поглощающих ИК-излучение пленок 10 в виде распределения интенсивностей электромагнитного поля широкого спектрального диапазона с длинами волн 215 мкм. Не поглотившаяся при первом проходе часть ИК-излучения проходит через подложку 7 на отражающую металлическую пленку 11 и возвращается снова в матрицу составных поглощающих пленок 10, тем самым повышается эффективность его поглощения. В результате этого каждый из элементов ,матрицы составных поглощающих пленок 10 нагревается и на основании явления теплопередачи передает тепло соответствующим элементам ,матрицы оптически связанных микрокольцевых резонаторов 2, т.е. достигается максимально возможная передача тепла. Это приведет к соответствующему изменению показателя преломления во всех элементах матрицы оптически связанных микрокольцевых резонаторов 2 и, тем самым, к изменению в них условия резонанса. Следовательно, амплитуды их собственных оптических резонансных частот изменятся, т.е. будут соответствовать распределению температуры исследуемого объекта. После этого производится считывание информации аналогично как и до поступления ИК-излучения от исследуемого объекта, сначала на длине волны лазерного излучения 1,52 мкм - 0,2 нм,затем на длинах волн лазерного излучения 1,52 мкм и 1,52 мкм 0,2 нм. Каждой из этих длин волн соответствует свой интервал температур. Переход на другую длину волны считывания информации осуществляется за счет изменения управляющего напряжения, подаваемого из блока обработки информации 8 на перестраиваемый лазер 9 и электрооптический коммутатор 3. Источники информации 1. Патент США 4914296. 2. В.А. Пилипович, А.К. Есман, И.А. Гончаренко, В.К. Кулешов. Устройство преобразования ИК-изображений объектов в видеосигнал. Заявка а 20060213 от 2006.06.14. 3. , , В.Е. ,. //. 2001.. 13. . 49-51. 4. В.А. Пилипович, А.К. Есман, И.А. Гончаренко, В.К. Кулешов // Квантовая электроника. - 32. -5 (2002). - С. 428-432. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4