ИМИТАТОР ДВИЖУЩЕЙСЯ ТОЧКИ Российский патент 1996 года по МПК G02B26/08 

Изобретение относится к оптико-электронике, в частности к средствам имитации оптических подвижных как естественных (метеоритов или звезд), так и искусственных (например, летательных аппаратов) объектов (ПКО) по их тепловому излучению.

Известно устройство, в котором информация о пространственном положении ПКО отображается на экране монитора, расположенного в фокальной плоскости коллиматора [1] Экран монитора представляет собой матрицу из полупроводниковых источников излучения ИК-диапазона, к которым через коммутатор по командам с блока управления подключается источник постоянного тока.

Экран в виде многоэлементной матрицы соединен с коммутатором большим количеством электропроводников. Поэтому тепловыделение в цепях коммутации несет паразитный фон ИК-излучения и, как следствие, приводит к потере контраста воспроизводимой информации. Наличие гальванической связи элементов экрана с коммутатором и высокая теплопроводность электропроводников этой связи не позволяет осуществить охлаждение неработающих в момент имитации ПКР элементов матрицы с целью повышения контраста имитируемой точки по отношению к окружающему фону. Кроме того, спектр излучения полупроводниковых источников исключает возможность их использования в составе длинноволновой ИК-аппаратуры.

В качестве прототипа рассматривается ИК-имитатор, построенный на основе низкотемпературного АЧТ, у которого в качестве источника возбуждения экрана используется генератор оптического излучения, не имеющий с этим экраном гальванической связи [2]
В таком имитаторе экраном служит тонкий металлический диск с покрытием, обеспечивающим высокий коэффициент излучательной способности в ИК-области спектра. В качестве источника возбуждения (нагревания) экрана используется оптическое излучение галогенной лампы накаливания, направляемое на экран оптической системой.

Имитатор на основе монитора с экраном в виде низкотемпературного АЧТ позволяет обеспечить получение требуемых характеристик моделируемого ПКО в длинноволновой области ИК-спектра, однако не позволяет отобразить информацию о его пространственном положении.

В данном имитаторе движущейся точки, включающем экран монитора с устройством управления и источник энергии возбуждения экрана с блоком управления, в качестве источника энергии возбуждения экрана использован импульсный источник оптического излучения, экран выполнен в виде охлаждаемой, прозрачной для оптического излучения, температуропроводной подложки с нанесенными на ее лицевой поверхности изолированными друг от друга и поглощающими оптическое излучение дискретными элементами, размеры которых меньше размера изображения имитируемой точки; устройство управления экрана, выполненное в виде системы отклонения с элементами оптического согласования, установленной на одной оптической оси с экраном и источником оптического излучения, при этом экран монитора и система отклонения размещены в вакуумной камере, а система охлаждения экрана и источник оптического излучения расположены вне вакуумной камеры; вход запуска источника оптического излучения соединен электрически с блоком управления (блок управления любого типа).

Если систему отклонения выполнить в виде оптико-акустического дефлектора, управляющие элементы которого через усилитель соединены с блоком управления, то возможно повысить эксплуатационную надежность этой системы.

Для упрощения оптической юстировки элемент оптического согласования может быть выполнен в виде двух объективов с волоконно-оптической связью между ними, при этом один объектив установлен внутри вакуумной камеры, а другой снаружи.

Для снижения уровня рассеянного оптического излучения на подложке экрана со стороны источника оптического излучения установлена бленда, выполненная в виде сетки из металла, отражающего оптическое излучение, при этом ячейки сетки по размерам и местоположению соответствуют размерам и расположению дискретных элементов, поглощающих оптическое излучение.

Технический эффект при использовании предлагаемого имитатора заключается в повышении точности имитации путем увеличения контраста имитируемой точки по отношению к низкотемпературному фону и формировании теплового изображения движущейся точки с заданными спектральными характеристиками.

На чертеже приведена схема имитатора движущейся точки.

Имитатор движущейся точки содержит экран 1 монитора, расположенный в вакуумной камере 2, и источник 3 энергии возбуждения экрана в виде импульсного генератора оптического излучения, установленный вне вакуумной камеры. Экран 1 выполнен в виде подложки 4, прозрачной для оптического излучения. На лицевую поверхность подложки нанесены изолированные друг от друга дискретные элементы 5, поглощающие оптическое излучение. Со стороны источника оптического излучения на подложке установлена бленда 6, выполненная из металла, отражающего оптическое излучение. Экран 1 присоединен к системе 7 охлаждения.

Оптическое излучение источника возбуждения экрана введено в вакуумную камеру через элемент 8 оптического согласования, состоящий из входного 9 и выходного 10 объективов с волоконно-оптической связью 11 между ними. Волоконно-оптическая связь вмонтирована в стенку вакуумной камеры как транспортная оптическая среда и как вакуумная изоляция.

Для отклонения излучения источника энергии на заданный участок экрана между ними установлена система 12 отклонения в виде дефлектора, управляющие элементы которого соединены электрически с блоком 13 управления посредством усилителя 14. Одновременно блок управления соединен с входом запуска генератора оптического излучения.

Экран 1, система 12 отклонения, элемент 8 оптического согласования и источник 3 энергии возбуждения экрана установлены на одной оптической оси.

Устройство работает следующим образом (на примере конкретного выполнения имитатора движущейся точки).

В качестве источника оптического излучения использован лазер, работающий на длине волны 1,06 мкм и генерирующий импульсы с постоянной длительностью (100 мкс), частота повторения которых может изменяться в широких пределах в зависимости от частоты следования импульсов запуска, задаваемых генератором синхронизирующих импульсов.

Оптическое излучение лазера, имеющее, как правило, расходимость 20 угл. мин, посредством объектива проецируется на внешнюю плоскость волоконно-оптической связи, а уже внутри вакуумной камеры с выходной плоскости этой связи с помощью второго объектива оптическое излучение фокусируется на лицевой поверхности подложки в пятно, размеры которого соответствуют размерам имитируемой движущейся точки. Числовая апертура волоконно-оптической связи согласована с величинами относительных отверстий объективов без винъетирования лазерного излучения. Общее увеличение оптического элемента согласования уравнено соотношением размера имитируемой точки на лицевой поверхности подложки экрана с площадью торца лазера.

Прежде чем достигнуть экрана, оптическое излучение проходит через систему отклонения (дефлектор). Положение отклоняющих элементов дефлектора однозначно связано с запрограммированным в блоке управления положением ПКО на поверхности экрана. Использование дефлектора с оптико-акустической системой управления лазерным излучением исключает в предлагаемом имитаторе движущейся точки необходимость введения в вакуумированный объем камеры высоковольтных проводов, повышая тем самым безопасность эксплуатации устройства в целом.

Наличие в оптической системе элемента согласования с волоконно-оптической связью, во-первых, обеспечивает герметизацию ввода лазерного излучения в вакуумный объем камеры и, во-вторых, облегчает оптическую юстировку лазера с входом дефлектора благодаря наличию двух независимых входного и выходного объективов.

Подложка экрана выполнена из материала, прозрачного для лазерного излучения и при этом обладающего высокой температуропроводностью. Таким материалом может являться, например, сапфир, окись бериллия или ВТСП-керамика, обладающая высокотемпературной сверхпроводимостью на основе порогового фазового перехода.

Лазерное излучение, прошедшее подложку экрана, преобразуется в тепловое посредством поглощения в дискретных элементах, нанесенных на лицевую поверхность подложки. Эти дискретные элементы изготовлены из материала, максимально поглощающего лазерное излучение, например из окиси гальванического никеля, обладающего к тому же высоким коэффициентом излучения в диапазоне длин волн 10-15 мкм, достигающего значения 0,9. Дискретные элементы изолированы друг от друга. Их размеры меньше размера изображения имитируемой точки, что определяется общеизвестной закономерностью воспроизведения дискретной информации (формулой Котельникова).

Получение спектральных характеристик имитируемых ПКО выполняется за счет изменения энергетических параметров лазера, таких как энергия, частота повторения или длительность импульсов оптического излучения. Благодаря этому возможно регулировать величину радиационной температуры имитируемой точки в пределах, например, до 300 К.

Для снижения собственного фонового излучения экрана он подключен к системе охлаждения, что обеспечивает возможность получения его фоновых температур вплоть до криогенных значений (Т≃100 К).

Со стороны лазерного излучения подложка экрана может содержать бленду, выполненную в виде сетки из материала, отражающего оптическое излучение. Размеры и местоположение ячеек сетки соответствуют размерам и расположению дискретных элементов на лицевой поверхности экрана. Наличие такой бленды приводит к снижению величины рассеянного оптического излучения в подложке экрана и, следовательно, способствует уменьшению паразитного (фонового) излучения этой подложки.

Устройство, выполненное по описанной выше схеме, позволяет повысить контраст отображаемой информации благодаря возможности формировать изображение движущейся точки с температурой до Т≃300 К на низкотемпературном фоне, температура которого может быть снижена до значения Т≃100 К. В то же время устройство обеспечивает формирование теплового изображения движущейся точки с заданными спектроэнергетическими характеристиками.

Использование: имитация оптических подвижных объектов по их тепловому излучению на экране монитора, расположенного в фокальной плоскости коллиматора, предназначенного для измерений характеристик оптических и оптико-электронных приборов ИК-диапазона. Сущность изобретения: в качестве источника энергии возбуждения экрана использован импульсный источник оптического излучения, экран выполнен в виде охлаждаемой, прозрачной для оптического излучения, температуропроводной подложки с нанесенными на ее лицевой поверхности изолированными друг от друга и поглощающими оптическое излучение дискретными элементами, размеры которых меньше размера изображения имитируемой точки. Устройство управления экрана, выполненное в виде системы отклонения с элементами оптического согласования, установлено на одной оптической оси с экраном и источником оптического излучения, при этом экран монитора и система отклонения размещены в вакуумной камере, а система охлаждения экрана и источник оптического излучения расположены вне вакуумной камеры. Запуск источника оптического излучения соединен электрически с блоком управления. 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ИМИТАТОР ДВИЖУЩЕЙСЯ ТОЧКИ, содержащий экран монитора с устройством управления и источник оптического излучения с блоком управления, отличающийся тем, что источник оптического излучения выполнен импульсным, а экран - в виде прозрачной для оптического излучения температуропроводной подложки с нанесенными на ее лицевой поверхности изолированными друг от друга и поглощающими оптическое излучение дискретными элементами, размеры которых меньше размера изображения имитируемой точки, и связанной с системой охлаждения, при этом устройство управления экрана, выполненное в виде системы отклонения с элементом оптического согласования, установлено на одной оптической оси с экраном и источником оптического излучения, экран монитора и система отклонения размещены в вакуумной камере, а система охлаждения экрана и источник оптического излучения расположены вне вакуумной камеры, вход запуска источника оптического излучения соединен электрически с блоком управления. 2. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что система отклонения выполнена в виде оптико-акустического дефлектора, управляющие элементы которого через усилитель соединены с блоком управления. 3. Имитатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что элемент оптического согласования выполнен в виде двух объективов с волоконно-оптической связью между ними, при этом один объектив установлен внутри вакуумной камеры, а другой - снаружи. 4. Имитатор по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что на подложке экрана со стороны источника оптического излучения установлена бленда, выполненная в виде сетки из материала, отражающего оптическое излучение, при этом ячейки сетки по размерам и местоположению соответствуют размерам и расположению дискретных элементов, поглощающих оптическое излучение.