Устройство преобразования ИК-изображений в видеосигнал

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Устройство преобразования ИК-изображений в видеосигнал, содержащее расположенную на подложке и оптически связанную с объективом матрицу микродисковых резонаторов, объединенную по строкам и столбцам волноводами, причем волноводы строк оптически связаны с соответствующими фотоприемниками линейки фотоприемников, линейку источников излучения, электрически подключенную к блоку обработки информации,который электрически соединен со всеми фотоприемниками линейки фотоприемников, отличающееся тем, что содержит линейку микродисковых резонаторных фильтров, оптически связанных с выходными волноводами источников излучения и волноводами столбцов, а микродисковые резонаторы матрицы и фильтров выполнены, по меньшей мере, из двух 12302 1 2009.08.30 вложенных друг в друга оптически связанных колец, радиусы которых кратны четному числу, при этом микродисковые резонаторы матрицы расположены на буферных слоях,закрепленных на теплоизолирующих выступах подложки, размеры которых, как и размеры буферных слоев, совпадают с проекцией микродисковых резонаторов на плоскость подложки, а поверх микродисковых резонаторов матрицы с соответствующими буферными слоями размещены микродисковые поглощающие ИК излучение пленки. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что теплоизолирующие выступы на подложке выполнены из пористого арсенида галлия. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что микродисковые резонаторные фильтры расположены между буферными слоями, размеры которых совпадают с проекцией фильтров на плоскость подложки. Изобретение относится к инфракрасной технике и может использоваться в системах безопасности, не чувствительных к электромагнитным помехам, в устройствах контроля процессов сварки и т.д. Известен инфракрасный преобразователь 1, имеющий подложку и ее тонкую часть,мембрану, ограничивающую внутреннюю полость, заполненную жидкостью с малой теплопроводностью, инфракрасный детектор, расположенный на верхней поверхности тонкой части подложки и состоящий из одной или множества термопар, горячие контакты которых расположены на мембране и имеют тепловой контакт с пленкой, поглощающей инфракрасное излучение, холодные контакты указанных термопар расположены на подложке, на которой также монтируется внутренняя полость инфракрасного преобразователя. Описанный преобразователь не обладает достаточно высокой эффективностью преобразования инфракрасного излучения в электрический сигнал, так как на множестве термопар с их металлическими проводниками и в выходных металлических шинах могут появляться электрические сигналы, наведенные внешними электромагнитными полями. Поэтому чувствительность и достоверность преобразования инфракрасного излучения не достаточны для большинства практических приложений. Наиболее близким по технической сущности является устройство преобразования ИКизображения исследуемого объекта, спектральный диапазон которого находится в пределах от 1,5 до 100 мкм, в видеосигнал 2, содержащее объектив, оптически связанный с матрицей микродисковых резонаторов, объединенных по строкам и столбцам волноводами и расположенных на подложке, причем волноводы строк оптически связаны с линейкой фотоприемников, а волноводы столбцов - с соответствующими элементами излучения линейки лазеров, каждый из которых имеет свою частоту излучения, совпадающую с собственной резонансной частотой микродисковых резонаторов соответствующего столбца,блок обработки информации, электрически подключенный к линейке лазеров и линейке фотоприемников, термостат, приведенный в тепловой контакт с матрицей микродисковых резонаторов. Преобразователь обладает низкой чувствительностью преобразования инфракрасного излучения в выходной видеосигнал, так как микродисковые резонаторы имеют чрезмерно эффективный тепловой контакт с подложкой, что снижает температурные изменения микродисковых резонаторов, полученных в результате воздействия информационного инфракрасного излучения. Техническая задача - увеличение чувствительности преобразования инфракрасного излучения в видеосигнал. Поставленная техническая задача решается тем, что устройство преобразования ИКизображения в видеосигнал, содержащее расположенную на подложке и оптически связанную с объективом матрицу микродисковых резонаторов, объединенную по строкам и 2 12302 1 2009.08.30 столбцам волноводами, причем волноводы строк оптически связаны с соответствующими фотоприемниками линейки фотоприемников, линейку источников излучения, электрически подключенную к блоку обработки информации, который электрически соединен со всеми фотоприемниками линейки фотоприемников, содержит линейку микродисковых резонаторных фильтров, оптически связанных с выходными волноводами источников излучения и волноводами столбцов, а микродисковые резонаторы матрицы и фильтров выполнены, по меньшей мере, из двух вложенных друг в друга оптически связанных колец,радиусы которых кратны четному числу, при этом микродисковые резонаторы матрицы расположены на буферных слоях, закрепленных на теплоизолирующих выступах подложки, размеры которых, как и размеры буферных слоев, совпадают с проекцией микродисковых резонаторов на плоскость подложки, а поверх микродисковых резонаторов матрицы с соответствующими буферными слоями размещены микродисковые поглощающие ИК излучение пленки. Для эффективного решения поставленной технической задачи теплоизолирующие выступы на подложке выполнены из пористого арсенида галлия. Для эффективного решения поставленной технической задачи микродисковые резонаторные фильтры расположены между буферными слоями, размеры которых совпадают с проекцией фильтров на плоскость подложки. Совокупность указанных признаков позволяет выполнить чувствительный элемент устройства термостабилизированным, более эффективно поглощающим ИК - излучение и неэффективно проводящим тепло в подложку и более надежными. Сущность изобретения поясняется на фигуре, где 1 - подложка,2 - линейка источников излучения,3 - волноводы столбцов,4 - волноводы строк,5 - линейка микродисковых резонаторных фильтров (ЛМРФ),6 - линейка фотоприемников,7- микродисковые резонаторы,8 - блок обработки информации,9 - объектив,10 - микродисковые поглощающие ИК излучение пленки,11 - буферные слои,12 - теплоизолирующие выступы,13 - выходные волноводы,14 - матрица микродисковых резонаторов. В заявленном устройстве, приведенном на фиг. 1, на подложке 1 расположены оптически последовательно связанные линейка источников излучения 2, выходные волноводы источников излучения 13, линейка микродисковых резонаторных фильтров 5, волноводы столбцов 3, микродисковые резонаторы 7, волноводы строк 4, линейка фотоприемников 6,которая электрически соединена с блоком обработки информации 8, подключенным также к линейке источников излучения 5. Микродисковые резонаторы 7 матрицы 14 вместе с окружающими их буферными слоями 11 расположены на теплоизолирующих выступах 12 подложки 1, а на самих микродисковых резонаторах 7 матрицы микродисковых резонаторов 14 через аналогичные буферные 11 слои размещены микродисковые поглощающие ИК излучение пленки 10, на фиг. 2 представлен разрез устройства. В конкретном исполнении подложка 1 - это стандартная пластина арсенида галлия,линейка источников излучения 2 - это ряд светодиодов, выполненных на подложке 1 и состыкованных с выходными волноводами 13 источников излучения 2. Волноводы столбцов 3, волноводы строк 4, выходные волноводы источников излучения 13 и волноводы микродисковых резонаторов 7, волноводы линейки микродисковых резонаторных фильт 3 12302 1 2009.08.30 ров 5 - это выполненные методами фотолитографии полосковые одномодовые волноводы шириной 0,5 мкм и толщиной 0,3 мкм из . Кроме этого, вложенные кольца линейки микродисковых резонаторных фильтров 5 и матрицы микродисковых резонаторов 14 имеют туннельный оптический контакт с внешними (диаметр которых больше) кольцами указанных элементов устройства. Линейка фотоприемников 6 - это ряд фотодиодов, выполненных на подложке 1 и состыкованных с волноводами строк 4. Блок обработки информации 8 собран на стандартных интегральных схемах серии 555. Обьектив 9 - это набор линз из германия, который прозрачен во всех диапазонах ИК-излучения. Микродисковые поглощающие ИК излучение пленки 10 - это напыленные в атмосфере водорода пленки окислов металлов свинца и висмута, как в 3. Буферные слои 11 - это слоитолщиной 2 мкм с геометрией, указанной на фигуре. Теплоизолирующие выступы 12 на подложке 1 - это выполненные травлением в выступах изпоры. Выходные волноводы источников излучения 13 выполнены так же, как и волноводы 3, 4. Матрица микродисковых резонаторов 14 - это двумерный набор микродисковых резонаторов 7 с нанесенными микродисковыми поглощающими ИК излучение пленками 10. Устройство преобразования ИК-изображений в видеосигнал, приведенное на фиг. 1 и 2, работает следующим образом. В исходном состоянии, когда отсутствует информационное инфракрасное излучение, подложка 1 и все элементы, расположенные на ней, имеют температуру окружающей среды Т 0 (соответствующую фону). При подаче электрического напряжения из блока обработки информации 8 на первый светодиод линейки источников излучения 2 он начинает излучать инфракрасное излучение с максимумом на длине волны 1,5 мкм, часть которого из соответствующего выходного волновода источников излучения 13 попадает в первый фильтр ЛМРФ 5 и далее - в волновод столбцов 3, так как оптическое излучение, спектральный состав которого совпадает с резонансной характеристикой соответствующего фильтра ЛМРФ 5 ответвляется в его замкнутые волноводы. Часть этого излучения, распространяясь через первый волновод столбцов 3, последовательно попадает во все микродисковые резонаторы 7 этого столбца, их резонансные характеристики (как и размеры) совпадают с аналогичными характеристиками ЛМРФ 5. Поэтому в исходном состоянии оптические сигналы в волноводах строк 4 и,соответственно, электрические сигналы на выходах линейки фотоприемников 6 будут одинаковыми. Коэффициенты оптической связи волноводов столбцов 3 и микродисковых резонаторов 7 задаются величиной зазора между этими элементами и выбираются 0,1. Поэтому для работы одного элемента матрицы микродисковых резонаторов 14 в рассматриваемом устройстве используется лишь незначительная часть выходной оптической мощности выбранного источника излучения, а оставшаяся может быть направлена в другие элементы матрицы микродисковых резонаторов 14. При появлении информационного инфракрасного излучения на входе обьектива 9 с интенсивностью, превышающей фоновую освещенность, это излучение поступает через него на поверхность поглощающих ИК излучение пленок 10 и их температура начинает увеличиваться (свыше 90 мощности инфракрасного излучения, падающего на их поверхность, поглощается). В результате процесса теплопередачи температура буферного слоя 11, находящегося в контакте под поглощающими ИК излучение пленками 10 изменяется. Так как каждый микродисковый резонатор 7, находится в тепловом контакте с буферным слоем 11, то его температура также изменится. Изменение температуры микродискового резонатора 7 приведет к изменению его геометрических размеров и, соответственно, к изменению его оптической длины. Как известно, изменение оптической длины резонатора приводит к смещению его собственной резонансной полосы пропускания. Таким образом, собственная резонансная полоса пропускания микродискового резонатора 7 смещается по отношению к начальной при изменении его температуры. В зависимости от величины этого смещения изменяется часть энергии линейки источников излучения 2 ближнего ИК-диапазона, ответвленного в 12302 1 2009.08.30 соответствующий волновод строки 4 из микродискового резонатора 7. Оптические сигналы поступающие на вход линейки фотоприемников 6, преобразуются в видеосигнал. Компенсация изменений температуры окружающей среды Т 0 происходит в устройстве за счет синхронных температурных изменений размеров в линейке микродисковых резонаторных фильтров 5 и соответствующих смещений их резонансных характеристик в пределах длин волн, излучаемых светодиодами линейки источников излучения 2. Увеличение чувствительности в устройстве достигается за счет уменьшения теплопередачи от микродисковых резонаторов 7, расположенных на теплоизолирующих выступах 12 подложки 1. Источники информации 1. Патент США 7005643. 2. Патент РБ 10398. 3. Синцов В.Н. Исследование свойств золотой черни // ЖПС. - 1966. - Т. . - Вып. 6. С. 503-508. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5