Селективный преобразователь ИК-изображений

(51) МПК (2009) 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 Зыков Григорий Люцианович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Селективный преобразователь ИК-изображений, содержащий объектив, расположенную на подложке матрицу микрокольцевых волноводных резонаторов, ячейки которой содержат, по меньшей мере, два микрокольцевых волноводных резонатора разной длины, объединенные 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, поглощающие ИК-излучение пленки, оптически связанные с объективом, отражающую металлическую пленку, расположенную на нижней 61752010.04.30 стороне подложки, отличающийся тем, что микрокольцевые волноводные резонаторы большей длины расположены на подложке через буферные слои на кольцевых выступах с отверстиями, а микрокольцевые волноводные резонаторы меньшей длины расположены внутри их на подложке через буферные слои, причем геометрические длины микрокольцевых волноводных резонаторов выбраны из условия совпадения их максимальной спектральной чувствительности с окнами прозрачности атмосферы, а высота кольцевых выступов обеспечивает отсутствие оптической связи между раздельно объединенными по строкам и столбцам внутренними и внешними микрокольцевыми волноводными резонаторами, на поверхности которых расположены поглощающие ИК-излучение пленки. 2. Селективный преобразователь ИК-изображений по п. 1, отличающийся тем, что кольцевые выступы подложки с отверстиями выполнены теплоизолирующими. Полезная модель относится к области тепловизионной техники и может быть использована в системах обнаружения объектов, измерения распределения температуры, а также для визуализации ИК-изображений. Известно устройство 1, которое включает множество ИК-сенсоров, каждый из которых связан с несколькими плечами одной из антенн, причем антенны выполнены из четырех или восьми равномерно по углу диаметрально расположенных плеч, соединенных по два или по четыре, предназначенных для приема ИК-излучения различной поляризации,при этом проводящие шины электрически связывают выполненные в виде диода ИК-сенсоры вместе с соответствующими антеннами, расположенными в шахматном порядке неперекрывающихся строк и столбцов матричной структуры, образуя информационный канал. Данное устройство имеет низкую эффективность преобразования электромагнитного излучения ИК-диапазона в электрический сигнал, так как в каждой антенне все плечи электрически соединены между собой параллельно по два или по четыре, что увеличивает выходную емкость каждой антенны. Более того, антенные ИК-сенсоры с электронным съемом информации подвержены влиянию электромагнитных помех. Наиболее близким по технической сущности является преобразователь ИК-изображений исследуемого объекта, спектральный диапазон излучения которого находится в пределах от 2 до 15 мкм, в электрический сигнал 2, 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 2 61752010.04.30 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. Данное устройство имеет не одинаковую чувствительность на разных участках спектрального диапазона исследуемых объектов. Техническая задача - повышение спектральной чувствительности за счет одновременного съема информации, как минимум, в двух разных участках спектра входного излучения. Поставленная техническая задача достигается тем, что селективный преобразователь ИК-изображений, содержащий объектив, расположенную на подложке матрицу микрокольцевых волноводных резонаторов, ячейки которой содержат, по меньшей мере, два микрокольцевых волноводных резонатора разной длины, объединенные 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,поглощающие ИК-излучение пленки, оптически связанные с объективом, отражающую металлическую пленку, расположенную на нижней стороне подложки, микрокольцевые волноводные резонаторы большей длины расположены на подложке через буферные слои на кольцевых выступах с отверстиями, а микрокольцевые волноводные резонаторы меньшей длины расположены внутри их на подложке через буферные слои, причем геометрические длины микрокольцевых волноводных резонаторов выбраны из условия совпадения их максимальной спектральной чувствительности с окнами прозрачности атмосферы, а высота кольцевых выступов обеспечивает отсутствие оптической связи между раздельно объединенными по строкам и столбцам внутренними и внешними микрокольцевыми волноводными резонаторами, на поверхности которых расположены поглощающие ИКизлучение пленки. Для эффективного решения поставленной технической задачи кольцевые выступы подложки с отверстиями выполнены теплоизолирующими. Совокупность указанных признаков в предлагаемом устройстве позволяет увеличить информативность за счет избирательности спектральной чувствительности как минимум в двух разных участках спектра входного излучения для каждого элемента изображения исследуемого объекта и тем самым получения большего количества информации. Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, на которой представлено расположение элементов устройства, и фиг. 2 - разрез устройства, где 1 - объектив,2 - матрица микрокольцевых волноводных резонаторов,3 - электрооптический коммутатор,4 - волноводы столбцов,5 - волноводы строк,6 - линейка фотоприемников,7 - подложка,8 - блок обработки информации,9 - перестраиваемый лазер,10 - поглощающие ИК-излучение пленки,11 - отражающая металлическая пленка,12 - внешние микрокольцевые волноводные резонаторы,3 61752010.04.30 13 - буферные слои,14 - кольцевые выступы подложки с отверстиями,15 - внутренние микрокольцевые волноводные резонаторы. В устройстве объектив 1 оптически, посредством ИК-излучения связан с матрицей 2,элементы которой представляют собой вложенные друг в друга микрокольцевые волноводные резонаторы, на поверхности которых через буферные слои 13 расположены поглощающие ИК-излучение пленки 10. Внешние микрокольцевые резонаторы 12,расположенные через буферные слои 13 на кольцевых выступах с отверстиями 14 подложки 7, и внутренние микрокольцевые волноводные резонаторы 15, расположенные через буферные слои 13 на подложке 7 параллельно через соответствующие волноводы строк 5 оптически связаны с электрооптическим коммутатором 3, а через волноводы столбцов 4 с элементами линейки фотоприемников 6. Управляющие входы электрооптического коммутатора 3, а также выходы линейки фотоприемников 6 подключены к блоку обработки информации 8, к которому электрически подсоединен управляющий вход перестраиваемого лазера 9, а выход последнего оптически связан с входом электрооптического коммутатора 3. В кольцевых выступах подложки 14 выполнены отверстия для волноводов строк 5 и столбцов 4. Все указанные выше элементы устройства (кроме объектива 1) 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 микрокольцевых волноводных резонаторов 2 - это структура изячеек, каждая из которых состоит, как минимум, из двух микрокольцевых волноводных резонаторов, вложенных друг в друга. Все волноводы изготовлены изна подложке 7 изс буферным слоем 13 из , как в 3. Геометрические длины внешних 12 и внутренних 15 кольцевых волноводных микрокольцевых резонаторов выбраны из условия попадания максимума спектральной чувствительности каждого из них в один из, как минимум, двух спектральных полос прозрачности атмосферы. Электрооптический коммутатор 3 - это волновод из , выполненный аналогично описанному выше, вдоль которого расположены оптически последовательно связанные пары ответвителей и управляемые брэгговские отражатели, выполненные как в прототипе методами фотолитографии на поверхности волновода. Количество пар ответвителей равно числу горизонтальных рядов вложенных друг в друга микрокольцевых волноводных резонаторов. В непосредственной близости от каждого брэгговского отражателя выполнены управляющие металлические электроды. Волноводы столбцов 4 и строк 5 - это выполненные методами фотолитографии ортогонально расположенные волноводы из , как указано выше. Фотоприемники 6 - это набор изфотоэлементов, выполненных 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. Поглощающие ИК-излучение пленки 10 - это покрытия, выполненные методами фотолитографии в виде колец золотой черни на верхней поверхности каждого резонатора матрицы 2. На противоположной стороне подложки 7 выполнена отражающая металлическая пленка 11 из А. Кольцевые выступы подложки с отверстиями 14 выполнены из пористого кремния. Работа устройства осуществляется следующим образом. В исходном состоянии по сигналам управления из блока обработки информации 8 включаются первая брэгговская решетка электрооптического коммутатора 3 и перестраиваемый лазер 9, излучение которого на длине волны 1,52 мкм поступает на оптический вход электрооптического 4 61752010.04.30 коммутатора 3. Отраженное от первой брэгговской решетки электрооптического коммутатора 3 излучение поступает параллельно через первую пару волноводов строк 5 в соответствующие микрокольцевые волноводные резонаторы матрицы 2 первой строки в соответствии с их коэффициентами оптической связи. Длина волны этого считывающего излучения совпадает с одной из резонансных частот внешних 12 и внутренних 15 микрокольцевых резонаторов первой строки матрицы 2. Затем из каждого микрокольцевого волноводного резонатора матрицы 2 первой строки считывающее излучение через все волноводы столбцов 4 попадает на соответствующие входы линейки фотоприемников 6. Амплитуды оптических сигналов, определяемые собственными резонансными частотами внешних 12 и внутренних 15 микрокольцевых волноводных резонаторов матрицы 2 для данной температуры окружающей среды, в линейке фотоприемников 6 преобразуются в соответствующие им электрические сигналы, которые поступают в блок обработки информации 8 и их амплитуды там запоминаются. Из волноводов столбцов 4 считывающее излучение не ответвляется во внешние 12 и внутренние 15 микрокольцевые волноводные резонаторы других строк, так как последние имеют собственные резонансные частоты,отличные от частот первой строки. Далее по сигналу из блока обработки информации 8,перестраиваемый лазер 9 изменяет частоту выходного излучения и точно также повторяется процесс опроса для второй строки матрицы 2 внешних 12 и внутренних 15 микрокольцевых волноводных резонаторов и т.д. Таким образом, в блоке обработки информации 8 имеем исходный массив данных, соответствующий исходному состоянию исследуемого объекта при температуре окружающей среды. При поступлении входного ИК-излучения от исследуемого объекта через объектив 1 на матрицу микрокольцевых волноводных резонаторов 2 на внешних 12 и внутренних 15 микрокольцевых волноводных резонаторах формируется тепловое поле в виде распределения интенсивностей электромагнитного поля широкого спектрального диапазона с длинами волн 215 мкм. Основная часть этого излучения (90 ) нагревает поглощающие ИК-излучение пленки 10, расположенные на внешней поверхности каждого волновода микрокольцевых резонаторов 12 и 15 матрицы 2 микрокольцевых волноводных резонаторов. Оставшаяся часть ИК-излучения проходит через подложку 7 на отражающую металлическую пленку 11 и возвращается снова в поглощающие ИК-излучение пленки 10, тем самым повышается эффективность его поглощения. Поглощающие ИК-излучение пленки 10 эффективно поглощают длины волн, сравнимые и кратные их диаметру, т.е. представляют собой резонансные элементы. Поэтому каждая из кольцевых, поглощающих ИК-излучение пленок 10 эффективно нагревается излучением соответствующего спектрального диапазона входного излучения. Так как поглощающие ИК-излучение пленки 10 термически связаны с внешними 12 и внутренними 15 микрокольцевыми волноводными резонаторами, то последние также нагреваются. В результате этого происходит соответствующее изменение оптической длины каждого из микрокольцевых волноводных резонаторов матрицы 2, что приводит к адекватному изменению их собственных резонансных частот. После этого производится считывание информации аналогично как в исходном состоянии до поступления ИК-излучения от исследуемого объекта. В блоке обработки информации 8 происходит сравнение полученного массива данных с исходным и формирование полезной информации, поступающей от исследуемого объекта. Повышение спектральной избирательности в устройстве достигается за счет одновременного съема информации в двух разных участках спектра входного ИК-излучения, а именно длинноволнового - 815 мкм - внешними резонаторами, коротковолнового 26 мкм - внутренними резонаторами. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6