Преобразователь инфракрасного изображения исследуемого объекта в видеосигнал

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИНФРАКРАСНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ИССЛЕДУЕМОГО ОБЪЕКТА В ВИДЕОСИГНАЛ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Преобразователь инфракрасного изображения исследуемого объекта в видеосигнал,содержащий объектив, оптически связанный с расположенной на подложке матрицей диэлектрических резонаторов, объединенных по строкам и столбцам волноводами, причем волноводы строк оптически связаны с линейкой фотоприемников, а волноводы столбцов с соответствующими элементами линейки лазеров, каждый из которых имеет свою частоту излучения, совпадающую с собственной резонансной частотой резонаторов соответствующего столбца, а также блок обработки информации, электрически связанный с линейкой лазеров и линейкой фотоприемников, и термостат, находящийся в тепловом контакте с подложкой, отличающийся тем, что каждый из резонаторов выполнен микрокольцевым и 14914 1 2011.10.30 расположен на своем диэлектрическом основании, отделенном теплоизолирующим слоем от указанной подложки, выполненной диэлектрической, поверх каждого из резонаторов расположено отдельное верхнее диэлектрическое основание, на котором сформирован полосковый кольцевой резистор с нанесенным на него диэлектрическим слоем, а также два кольцевых вибратора с собственными резонансными частотами, соответствующими двум окнам прозрачности атмосферы, один из которых расположен на диэлектрическом слое, а второй - непосредственно на верхнем диэлектрическом основании, при этом выходы плеч вибраторов направлены диаметрально противоположно и электрически связаны с соответствующими секторами полоскового кольцевого резистора. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что каждый резонатор выполнен с размером поперечного сечения, равным трети длины волны излучения соответствующего элемента линейки лазеров. Изобретение относится к области интегральной оптики и может быть использовано в системах обнаружения объектов, измерения распределения температуры, для визуализации ИК-изображений широкого спектрального диапазона и т.д. Известно устройство преобразования ИК-изображений в видеосигнал 1, которое состоит из объектива, оптически связанного с фоточувствительным прибором с зарядовой связью (фотоматрицей ПЗС-элементов с барьерами Шоттки), соединенным с холодильником и подключенным к блоку аналоговой обработки, который связан с блоком аналогоцифрового преобразования, последний соединен с блоком цифровой обработки, связанным с цифроаналоговым преобразователем, причем элементы устройства, кроме объектива и холодильника, соединены с блоком управления. Данное устройство имеет недостаточные помехозащищенность и чувствительность из-за влияния дестабилизирующих факторов, таких как электромагнитные наводки, ионизирующее излучение, высокие температуры окружающей среды и т.д. Наиболее близким по технической сущности является устройство преобразования ИК-изображений в видеосигнал 2, содержащее линейку фотоприемников, линейку лазеров, блок обработки информации, термостат, объектив, оптически связанный с матрицей преобразующих элементов, выполненных на основе микродисковых резонаторов, объединенных по строкам и столбцам волноводами, причем входы волноводов столбцов оптически связаны с соответствующими элементами излучения линейки лазеров, каждый из которых имеет свою частоту излучения, собственные резонансные частоты микродисковых резонаторов каждого столбца равны частоте излучения соответствующего элемента излучения линейки лазеров, а волноводы строк оптически соединены с линейкой фотоприемников, электрически подключенной к блоку обработки информации, электрически соединенному с линейкой лазеров, при этом матрица микродисковых резонаторов имеет тепловой контакт с термостатом. Устройство не обладает достаточными чувствительностью и быстродействием из-за значительной теплоемкости микродискового резонатора и недостаточно эффективного поглощения принимаемого инфракрасного излучения в тонком слое диэлектрического материала микродискового резонатора. Техническая задача - увеличение чувствительности и быстродействия при одновременном расширении функциональных возможностей. Поставленная техническая задача достигается тем, что, в преобразователе инфракрасного изображения исследуемого объекта в видеосигнал, содержащем объектив, оптически связанный с расположенной на подложке матрицей диэлектрических резонаторов, объединенных по строкам и столбцам волноводами, причем волноводы строк оптически связаны с линейкой фотоприемников, а волноводы столбцов - с соответствующими элементами линейки лазеров, каждый из которых имеет свою частоту излучения, совпадающую с собственной резонансной частотой резонаторов соответствующего столбца, а также 2 14914 1 2011.10.30 блок обработки информации, электрически связанный с линейкой лазеров и линейкой фотоприемников, и термостат, находящийся в тепловом контакте с подложкой, каждый из резонаторов выполнен микрокольцевым и расположен на своем диэлектрическом основании, отделенном теплоизолирующим слоем от указанной подложки, выполненной диэлектрической, поверх каждого из резонаторов расположено отдельное диэлектрическое основание, на котором сформированы полосковый кольцевой резистор с нанесенным на него диэлектрическим слоем, а также два кольцевых вибратора с собственными резонансными частотами, соответствующими двум окнам прозрачности атмосферы, один из которых расположен на диэлектрическом слое, а второй - непосредственно на верхнем диэлектрическом основании, при этом выходы плеч вибраторов направлены диаметрально противоположно и электрически соединены с соответствующими секторами полоскового кольцевого резистора. Для эффективного решения поставленной технической задачи каждый резонатор выполнен с размером поперечного сечения, равным трети длины волны излучения соответствующего элемента линейки лазеров. Совокупность указанных признаков в предлагаемом устройстве позволяет повысить его чувствительность и быстродействие за счет более эффективного поглощения инфракрасного излучения и уменьшения теплоемкости преобразующих элементов, сокращения тепловых потерь, а также одновременно расширить функциональные возможности за счет возможности приема инфракрасного излучения, как минимум, в двух диапазонах длин волн. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где приведена структурная схема устройства. На фиг. 2 представлена проекция преобразующего элемента, на фиг. 3 - разрез преобразующего элемента. В преобразователе инфракрасного изображения исследуемого объекта в видеосигнал(фиг. 1) объектив 2 оптически связан с матрицей 3 преобразующих элементов 7, распложенной на диэлектрической подложке 1, имеющей тепловой контакт с термостатом 9. Преобразующий элемент 7 (фиг. 2, 3) представляет собой диэлектрический микрокольцевой резонатор 11, расположенный между двумя диэлектрическими основаниями 12, нижнее из которых расположено на диэлектрической подложке 1 через теплоизолирующий слой 14, а на внешней поверхности верхнего диэлектрического основания 12 последовательно расположены и термически с ним связаны полосковый кольцевой резистор 15, диэлектрический слой 16 и, как минимум, два кольцевых вибратора 13, один из которых расположен непосредственно на верхнем диэлектрическом основании 12, а второй - на диэлектрическом слое 16, причем выходы их плеч расположены диаметрально противоположно и электрически соединены с соответствующими секторами полоскового кольцевого резистора 15, диэлектрические микрокольцевые резонаторы 11 оптически связаны волноводами столбцов 5 и волноводами строк 6 соответственно с соответствующим элементом линейки лазеров 4 и элементом линейки фотоприемников 8, блок обработки информации 10 электрически соединен с линейкой лазеров 4 и линейкой фотоприемников 8. В конкретном исполнении диэлектрическая подложка 1 - это стандартная пластина высокоомного кремния, объектив 2 - это набор линз из германия. Матрица 3 преобразующих элементов 7 - это набор диэлектрических микрокольцевых резонаторов 11, выполненных измежду диэлектрическими основаниями 12 из 2 по интегральной технологии. Все диэлектрические микрокольцевые резонаторы 11 каждого столбца матрицы 3 имеют свою собственную резонансную частоту, соответствующую связанному оптически с ним элементу излучения линейки лазеров 4. Линейка лазеров 4 - это набор полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью, генерирующих длины волн в спектральном диапазоне от 1,3 до 1,51 мкм, соответствующие рабочему спектральному диапазону частот линейки фотоприемников 8. Волноводы столбцов 5 и строк 6 - это оптические планарные волноводы шириной и толщиной по 0,5 мкм из , выполненные по интегральной технологии аналогично диэлектрическим микрокольцевым резонаторам 11. Длины участков оптического взаимодействия волноводов столбцов 5 и диэлектрических 3 14914 1 2011.10.30 микрокольцевых резонаторов 11 определяют коэффициенты ответвления излучения в диэлектрические микрокольцевые резонаторы 11. Расположение волноводов столбцов 5 и волноводов строк 6 на диэлектрической подложке 1 выбирается из условия эффективного экранирования линеек лазеров 4 и фотоприемников 8 с их электронным обрамлением. Линейка фотоприемников 8 выполнена по стандартной интегральной технологии в диэлектрической подложке 1. Волноводы строк 6 выполнены сужающимися в местах ввода излучения в линейку фотоприемников 8 3. Термостат 9 выполнен аналогично блоку термостабилизации задающего кварцевого генератора в промышленно выпускаемых частотомерах и имеет аналогичное назначение. Блок обработки информации 10 - это набор серийно выпускаемых линейных и цифровых микросхем. Диэлектрические основания 12 выполнены из 2 толщиной 0,5 мкм, при этом на верхних их плоскостях методами интегральной технологии выполнены и последовательно расположены полосковый кольцевой резистор 16, представляющий собой кольцеобразный нанослой нихрома толщиной 60 нм. Диэлектрический слой 16 выполнен из 2, а кольцевые вибраторы 13 (резонансные структуры) - из меди с топологией, представленной на фиг. 2. Геометрические размеры каждого кольцевого вибратора 13 (внешнего и внутреннего) выбраны в соответствии с длинами волн окон прозрачности атмосферы. Теплоизолирующие слои 14 выполнены травлением из пористого кремния. Работает устройство следующим образом. В линейке лазеров 4 включается первый элемент (каждый элемент излучения линейки лазеров 4 имеет собственную резонансную частоту излучения), и его выходное излучение с длиной волны, например, 11,3 мкм поступает в волновод первого столбца матрицы 3 преобразующих элементов 7. В каждый из диэлектрических микрокольцевых резонаторов 11 первого столбца, имеющих собственную резонансную частоту, соответствующую частоте излучения первого элемента линейки лазеров 4, поступает мощность оптического сигнала, равная, где- мощность на входе преобразующего -го элемента в волноводе первого столбца 5, а- коэффициент ответвления лазерного излучения в преобразующий -й элемент, задаваемый длиной участка оптического взаимодействия волновода 5 первого столбца с -м диэлектрическим микрокольцевым резонатором 11, принадлежащим этому столбцу, где 1, а- число столбцов устройства. Так как резонансные частоты диэлектрических микрокольцевых резонаторов 11 каждого столбца отличаются друг от друга, то сигналы первого столбца по волноводам строк 5 без ответвлений поступают на линейку фотоприемников 8 и затем,преобразованные в соответствующие электрические сигналы, - в блок обработки информации 10. После этого включается второй элемент линейки лазеров 3 с излучением на длине волны 2, отличающейся от 1, и дальше все происходит аналогично, как описано выше. Точно так же все остальные элементы линейки лазеров 3 включаются последовательно друг за другом. В результате в блоке обработки информации 10 сформируется исходный (опорный) видеосигнал, содержащий информацию о разбросе параметров всех элементов устройства. Затем через объектив 2 на поверхность матрицы 3 преобразующих элементов 7 проецируется ИК-изображение исследуемого объекта, спектральный диапазон которого соответствует, как минимум, двум окнам прозрачности атмосферы. Под действием электрического поля указанного электромагнитного излучения во всех кольцевых вибраторах 13 возникают электрические токи соответствующих частот, протекающие через сектора полосковых кольцевых резисторов 15, к которым подключены выходы плеч этих кольцевых вибраторов. Электрический ток, проходящий через полосковые кольцевые резисторы 15, вызывает их нагревание. За счет процесса теплопередачи происходит нагревание верхних диэлектрических оснований 12 вместе с диэлектрическими микрокольцевыми резонаторами 11. Нагревание диэлектрических микрокольцевых резонаторов 11 приводит к изменению их линейных размеров, что, в свою очередь, вызывает изменение их оптической длины и тем самым смещение их собственных резонансных частот. Это означает, что светопропускание каждого диэлектрического микрокольцевого резонатора 11 изменится пропорционально падающей на соответствующий преобразующий эле 4 14914 1 2011.10.30 мент 7 интенсивности оптического излучения ИК-изображения исследуемого объекта. После преобразования всех оптических сигналов линейкой фотоприемников 8 в блоке обработки информации 10 получим видеосигнал, состоящий из опорной и информационной частей. После сравнения обоих видеосигналов в блоке обработки информации 10 получаем видеосигнал, адекватный ИК-изображению исследуемого объекта. Термостат 9 поддерживает температурный режим работы устройства на линейном участке характеристики. В предлагаемом изобретении существенно увеличивается поглощение ИК-излучения исследуемого объекта, так как коэффициент полезного действия кольцевых вибраторов может достигать 90 и более. Процесс преобразования поглощенной ИК-энергии в тепло происходит только в полосковом кольцевом резисторе 15, который быстро и эффективно нагревает диэлектрический микрокольцевой резонатор 11. Нагревание происходит за единицы миллисекунд. Так как наноразмерные по толщине кольцевые вибраторы 13 и полосковые кольцевые резисторы 15 занимают только часть поверхности диэлектрического основания 12, то теплоемкость преобразующего элемента 7 меньше и нагревание диэлектрических микрокольцевых резонаторов 11 происходит быстрее. Источники информации 1. Арутюнов В.А., Васильев И.С., Иванов В.Г. и др. Перспективы разработок монолитных охлаждаемых матричных ИК-приборов для комплексированных многоспектральных систем обнаружения в диапазоне 1,5-5 и 8-12 мкм. 2. Патент РБ 10398, 2008 (прототип). 3. Парос О., Сычугов В.А., Тихомиров А.Е. и др. Оптимизация решеточного узла ввода-вывода излучения из тонкопленочного волновода, сформированного на кремниевой подложке // Квантовая электроника. 1994. - Т. 21. -11. - С. 1089-1092. Фиг. 3 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5