ФОТОПРИЕМНИК Российский патент 1997 года по МПК G01J1/04 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее к фотоприемникам, чувствительным к излучению в различных областях спектра, и может использоваться для регистрации и измерения излучения различного спектрального состава, а также в системах построения изображения.

Известны фотоприемники, в которых регистрируемое излучение собирается на фоточувствительный элемент (фчэ) с помощью плоско-сферического концентратора. Такая конструкция проста и надежна при эксплуатации практически в любых условиях. Фчэ может быть размещен как непосредственно на плоской поверхности концентратора (иммерсионный фотоприемник), так и за ней [1]
Такой фотоприемник имеет ограниченное применение. В частности, он не может использоваться в системах построения изображения с многоплощадным фчэ, а его использование для регистрации и измерения излучения заданной области спектра требует применения специальных фильтров, причем в ряде случаев фильтры необходимо охлаждать для улучшения пороговых характеристик приемника.

Известна конструкция фотоприемника более широкого применения, в котором лучистый поток, идущий от источника, преобразуется и собирается с помощью оптической системы. Может использоваться как одноплощадочный, так и многоплощадочный фчэ. Оптическая система представляет собой зеркальный плоскосферический объектив, оптически сопряженный с фчэ. Зеркальное покрытие на плоской поверхности расположено по оптической оси объектива [2] Эта конструкция принята за прототип.

Недостаток такой конструкции заключается в ее относительной сложности, необходимости тщательной юстировки оптических элементов.

Изобретение решает задачу создания простой и надежной конструкции высокочувствительного фотоприемника самого широкого применения: от специальных систем, предназначенных для построения изображения объекта, до обычных измерительных и регистрирующих приборов, работающих в различных спектральных диапазонах.

Для решения этой задачи в известном фотоприемнике, содержащем оптически связанные фчэ и зеркальный плоско-сферический объектив, в котором зеркальное покрытие на плоской поверхности расположено по оптической оси объектива, плоско-сферический объектив выполнен в виде единой линзы, на плоскую и сферическую поверхности которой снаружи нанесены отражающие покрытия, при этом в зеркальном покрытии на сферической поверхности по оптической оси линзы выполнено окно, а фчэ размещен по ходу излучения за этим окном.

Предлагаемая конструкция может быть реализована в двухцветном варианте, когда фотоприемник обладает чувствительностью одновременно в 2-х спектральных диапазонах. Для этого фотоприемник снабжен вторым фчэ и дополнительным зеркалом, размещенным последовательно за первым фчэ, причем первый и второй фчэ отделены друг от друга светонепроницаемой перегородкой.

Для работы в активных системах, где используется сочетание источника излучения (светодиода) и принимающего фчэ, предлагаемая конструкция снабжена источником излучения, расположенном в фокусе зеркального плоско-сферического объектива, а зеркало на сферической поверхности линзы выполнено полупрозрачным для излучения источника.

На фиг. 1 представлены варианты конструкции предлагаемого фотоприемника: на фиг. 1, а обычный вариант, на фиг. 1, б иммерсионный вариант, на фиг. 1, в двухцветный вариант; на фиг. 2, а охлаждаемый двухцветный вариант; на фиг. 2, б вариант фотоприемника для активных систем; на фиг. 3 (а, б, в) приведены спектральные характеристики чувствительности предлагаемого фотоприемника в обычном и двухцветном вариантах соответственно; на фиг. 4 представлена топология многоплощадочного фчэ.

Предлагаемый фотоприемник содержит линзу 1, соосно с которой со стороны ее сферической поверхности размещен фчэ 2, который может размещаться в специальной оправе на некотором расстоянии от линзы 1 (фиг. 1, а), а может находиться в непосредственном оптическом контакте с линзой 1, например приклеиваться на плоскую лыску, выполненную в центре сферической поверхности линзы 1 по размеру фчэ, или напыляться на центральную часть сферической поверхности линзы 1 (фиг. 1, б). На центральную часть плоской поверхности линзы 1 по ее оси соосно с фчэ 2 (так, чтобы экранировать фчэ 2 от прямой засветки), нанесено зеркальное покрытие 3. На часть сферической поверхности линзы 1 нанесено зеркальное покрытие 4 так, что в центральной части по оси линзы образуется окно, за которым размещен фчэ 2.

При реализации варианта конструкции фотоприемника, чувствительного одновременно в двух спектральных диапазонах, последовательно за первым фчэ 2 размещен второй фчэ 5, отделенный от первого фчэ 2 светонепроницаемой перегородкой 6. За вторым фчэ 5 расположено дополнительное зеркало 7. С внешней стороны зеркало 3 закрыто экраном 8 для предотвращения от прямой засветки фчэ 2.

Подложки первого 2 и второго 5 фоточувствительных элементов могут быть склеены между собой через тонкую зеркальную пленку, выполняющую роль светонепроницаемой перегородки 6 (фиг. 1, в), а могут размещаться отдельно (фиг. 2, а).

В случаях применения предлагаемого фотоприемника в измерительных или пороговых системах необходимо применять охлаждение для расширения динамического диапазона линейности фоточувствительности и снижения шумов фотоприемника.

В представленном на фиг. 2, а охлаждаемом двухцветном варианте конструкции охлаждение осуществляется термоэлектрическим охладителем 9 через хладопровод 10. Фотоприемник с охладителем размещен в герметичном корпусе 11 с входным окном 12. Для эффективной работы фотоприемник снабжен блендой 13 и экраном 8.

Для создания узкополосного фотоприемника спектральные характеристики зеркал 3 с коэффициентом отражения и 4 с коэффициентом отражения должны иметь узкие совпадающие области отражения, при этом результирующая характеристика фотоприемника имеет еще более узкую область чувствительности и сильное подавление фона (фиг. 3, б). Для этого зеркала 3 и 4 выполняются в виде многослойных интерференционных систем из материалов с отличающимися показателями преломления (например, SiO₂ и Ta₂О₅). В этом случае фчэ должен быть защищен от прямой засветки блендой и экраном (фиг. 2, а). При регистрации интегрального светового потока наличие бленды и экрана не обязательно, хотя их использование и в этом случае улучшает характеристики фотоприемника.

Фоточувствительный элемент в предлагаемой конструкции может быть выполнен многоплощадочным в виде линейки или матрицы, поскольку оптическая система может формировать на поверхности фчэ изображение источника. В этом случае фотоприемник можно использовать для построения изображения и определения направления на источник излучения.

При использовании в активных системах фотоприемник снабжается источником излучения 14, размещенным в фокусе линзы 1. При этом зеркало 4 на сферической поверхности линзы 1 выполнено полупрозрачным для излучения источника 14.

Предлагаемый фотоприемник работает следующим образом.

Регистрируемое излучение поступает на плоскую поверхность линзы 1 и через участки, свободные от зеркального покрытия 3, проходит через линзу 1 и попадает на участки зеркального покрытия 4. Отражаясь от них, излучение собирается на зеркало 3, откуда концентрируется на фчэ 2. Съем сигнала с контактов фчэ (не показаны) и его обработка производится любым из известных методов.

Предлагаемая конструкция позволяет регулировать спектральный состав излучения, поступающего на фчэ 2. Для этого зеркала 3 и 4 выполняются в виде дихроичных интерференционных зеркал. Спектральный состав излучения, поступающего на фчэ, в этом случае определяется спектральными характеристиками отражения дихроичных зеркал (их произведением), а спектральная чувствительность фотоприемника имеет вид
,
где F_l спектральная чувствительность фотоприемника;
v_l спектральная чувствительность фчэ;
t_l коэффициент спектрального пропускания материала линзы;
коэффициент спектрального отражения дихроичного зеркала на сферической поверхности линзы;
коэффициент спектрального отражения дихроичного зеркала на плоской поверхности линзы.

Изменяя соответствующим образом , возможно расширять или сужать выделяемую спектральную зону излучения, попадающего на фотослой, и отказаться от светофильтра, обычно устанавливаемого перед объективами. Важно отметить, что эффективность спектральной фильтрации увеличивается вследствие увеличения крутизны спектральных фронтов (двухкратное перемножение спектральных характеристик) и установления побочных длинноволновых максимумов.

В двухцветном варианте предлагаемого фотоприемника реализовано свойство дихроичных зеркал к пространственно-спектральному разделению падающего излучения. Дихроичное зеркало 4 отбрасывает в сторону зеркала 3 и фчэ 2 излучение определенного спектрального состава, формирующего чувствительность первого спектрального канала (фчэ 2), а все остальное излучение пропускает через себя в сторону зеркала 7, откуда оно поступает на фчэ 5 и формирует чувствительность второго канала. Таким образом, обеспечивается чувствительность фотоприемника одновременно в двух разных областях спектра (кривые А и Б фиг. 2, в).

Предлагаемая конструкция обеспечивает реализацию в монолитном исполнении функций, свойственных зеркальному объективу, иммерсионной линзе и узкополосному фильтру. Это позволяет создать надежный фотоприемник самого широкого применения.

Были изготовлены и опробованы различные варианты конструкции предлагаемого фотоприемника.

1. Фотоприемник для регистрации интегрального потока излучения в широком диапазоне спектра (спектральная чувствительность фотоприемника соответствует спектральной чувствительности фчэ).

Фотоприемник выполняется в иммерсионном варианте по схеме, приведенной на фиг. 1, б. Линза изготавливалась из лейкосапфира и имела диаметр 16 мм и толщину 10 мм. Фчэ представлял собой слой сульфида свинца, осажденный на подложку из кварца. Контакты выполнялись из напыленного золота. Подложка размером 3х3 мм приклеивалась оптическим клеем к плоской поверхности круговой лыски диаметром 3 мм, выполненной на сферической поверхности линзы 1. Зеркала 3 и 4 изготавливались путем напыления алюминия по стандартной технологии. Зеркало 3, имевшее диаметр 5 мм, с внешней поверхности слоя алюминия покрывалось черной матовой краской, выполнявшей роль экрана.

Так как сапфировая линза и алюминиевые зеркала имеют неселективные спектральные характеристики пропускания и отражения в области чувствительности сульфида цинка, фотоприемник регистрирует излучение в широком диапазоне спектра (от 0,4 до 3,0 мкм).

Испытания показали, что по своим параметрам предлагаемый фотоприемник превосходит серийный иммерсионный фотоприемник из сульфида свинца с полусферической линзой диаметром 3,0 мм из титаната стронция более чем в 15 раз, что примерно соответствует эффекту оптического усиления за счет различия эффективного сечения захвата излучения иммерсионными линзами диаметром 16 и 3 мм.

Спектральная чувствительность такого фотоприемника приведена на фиг. 3, а.

2. Фотоприемник для регистрации излучения в узком диапазоне спектра (спектральная чувствительность фотоприемника соответствует спектральной зоне поглощения паров воды).

Конструкция выполнялась по схеме, представленной на фиг. 1, б.

Линза и фчэ выполнялись также, как и в предыдущем примере. Зеркала 3 и 4 выполнялись дихроичными и представляли собой многослойные интерференционные структуры из чередующихся четвертьволновых (λ/4) пленок кремния и двуокиси кремния (Si SiO₂). Толщина слоев этих компонентов в зеркалах 3 и 4 различная, что определяет спектральные различия кривых отражения этих зеркал (фиг. 3, б).

Качественное отличие данного варианта фотоприемника состоит в том, что его спектральная характеристика чувствительности F_l имеет вид узкой полосы (фиг. 3, б). Такой фотоприемник может быть использован, например, для анализаторов влажности твердых тел, содержащих поглощенную воду древесины, бумаги, сена и т. п. В спектре отражения этих тел в области возле линии поглощения воды (λ = 1,93 мкм) наблюдается провал, причем по интенсивности поглощения легко судить о количестве поглощенной воды.

3. Фотоприемник для регистрации излучения одновременно в двух спектральных диапазонах (спектральная чувствительность: в диапазоне 1,0 2,2 мкм канал А, фиг. 3, в, в диапазоне 2,5 3,5 мкм канал Б, фиг. 3, в).

Фотоприемник выполнялся в охлаждаемом варианте (фиг. 1, г).

Две подложки со слоями сульфида свинца склеивались друг с другом спинками через тонкую зеркальную пленку золота, выполнявшую роль светонепроницаемой перегородки 6. С помощью фчэ 2 реализуется канал Б, а с помощью фчэ 5 канал А. Для выделения излучения спектрального состава 2,5 3,5 мкм зеркала 3 и 4 выполнены как однотипные дихроичные интерференционные покрытия, представляющие собой 9-ти слойные структуры из четвертьволновых (λ/4) слоев кремния и двуокиси кремния (Si SiO₂). Линза 1 изготавливалась из лейкосапфира и имела диаметр 16 мм и толщину 10 мм. Дополнительное зеркало 7 имело неселективное отражающее покрытие из алюминия. Для стабилизации параметров фчэ и расширения динамического диапазона проводилось охлаждение фчэ с помощью термоэлектрических охладителей 9 (ТЭО), которые охлаждали линзу 1 до 5^oC через хладопровод 10. Корпус фотоприемника 11 сопрягался с блендой 13 и входным окном 12, предотвращавшим запотевание линзы 1 при ее охлаждении. Спектральная чувствительность каналов А и Б такого фотоприемника показана на фиг. 3, в. Динамический диапазон линейности световой характеристики такого фотоприемника при охлаждении не менее 10⁶. Фотоприемник данного типа предназначен для использования в дистанционных измерительных системах типа пирометров, работающих на принципе сравнения измерений от нагретого тела в двух разных спектральных диапазонах. Удобным свойством такой конструкции является узкое поле фотоприемника (≈ 4^o), что позволяет исследовать отдельные части большого объекта (например, элементы доменных печей).

4. Многоэлементный фотоприемник для анализа положения объекта (для систем целеуказания).

Фотоприемник выполнялся по варианту, проведенному на фиг. 1, в. Зеркальные покрытия 3, 4 и 7 изготавливались из напыленного алюминия и являлись неселективными. Фчэ 2 и 5 изготавливались по топологии, приведенной на фиг. 4, и представляли собой конструкцию из восьми фоточувствительных секторов, выполненных из осажденных на стеклянную подложку слоев сульфида кадмия. Фчэ 2 и 5 склеивались между собой через непрозрачную металлическую фольгу, играющую роль непрозрачной перегородки 6, спинками по отношению друг к другу таким образом, что азимутальные координаты секторов совпадали. В этом случае изображение объекта (например, солнца) в виде точки располагается в центральной области подложки фчэ 2 и 5, где фоточувствительный слой отсутствует (фиг. 4). Оптическая ось линзы 1 направлена на объект. При смещении объекта с оптической оси его изображение попадает на один из секторов фчэ 2 и противоположный по диаметру сектор фчэ 5, так как в оптическом плече фчэ 2 находятся два зеркала 3 и 4, а в оптическом плече фчэ 5 одно зеркало 7. Соответствующие сектора фчэ 2 и 5 включены в плечи мостовой схемы, которая разбалансируется при отклонении оптической оси линзы 1 от объекта. По сигналу разбалансировки соответствующих пар секторов фчэ осуществляется автоматическая отработка направленности платформы, на которой жестко укреплен фотоприемник, на нулевой сигнал с помощью электродвигателей. Такая система может использоваться, например, в устройствах гелиотехники.

5. Фотоприемник локатор для рефлексопирометрии.

Фотоприемник выполняется в варианте, представленном на фиг. 1, д. В качестве источника излучения 14 использовался импульсный полупроводниковый диод из арсенида галлия, излучающий на длине волны 0,84 мкм. Линза 1 толщиной 10 мм и диаметром 16 мм изготавливалась из оптического стекла ЛК-16. Фотоприемник выполняется в иммерсионном варианте (фиг. 1, б). Зеркало 3 представляло собой непрозрачный слой алюминия, полученный методом напыления в вакууме. Зеркало 4 представляло собой полупрозрачный слой алюминия и являлось светоделителем. Коэффициенты пропускания и отражения этого зеркала примерно равны между собой. Импульсное излучение от светодиода, сформированное линзой 1 в виде параллельного пучка, поступает на исследуемый объект (не показан), отражается от него и по тому же пути возвращается на зеркало 4. Отраженная от зеркала 4 часть излучения поступает на фиг. 2. Полученный от него сигнал характеризует тепловой состояние объекта.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет создать простой и надежный фотоприемник самого разнообразного применения.

Литература
1. Хадсон Р. Инфракрасные системы. М. Мир, 1972, с. 215, рис. 7.6.

2. Лазарев Л. П. Инфракрасные и световые приборы самонаведения и наведения летательных аппаратов. М. Машиностроение, 1966, с. 221, рис. 8.13.

Использование: оптическое приборостроение. Сущность изобретения: в фотоприемнике, зеркальный плоскосферический объектив выполнен в виде единой линзы, на плоскую и сферическую поверхности которой нанесены зеркальные покрытия, обращенные зеркальной поверхностью к излучению, нанесены снаружи, на сферической поверхности линзы на оптической оси выполнено окно, за которым по ходу излучения могут быть введены второй чувствительный элемент и зеркало или источник излучения, в этом случае зеркальное покрытие на сферической поверхности линзы выполнено полупрозрачным или дихроичным. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Фотоприемник, содержащий оптически связанные фоточувствительный элемент и зеркальный плоскосферический объектив, в котором зеркальное покрытие на плоской поверхности расположено по оптической оси объектива, отличающийся тем, что зеркальный плоскосферический объектив выполнен в виде единой линзы, на плоскую и сферическую поверхности которой зеркальные покрытия, обращенные зеркальной поверхностью к излучению, нанесены снаружи, причем в зеркальном покрытии на сферической поверхности по оптической оси линзы выполнено окно, а фоточувствительный элемент размещен по ходу излучения за этим окном. 2. Фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что в него введены второй фоточувствительный элемент и зеркало, размещенные последовательно за первым фоточувствительным элементом, при этом фоточувствительные элементв отделены друг от друга светонепроницаемой перегородкой, перед зеркальным покрытием, нпанесенным на плоскую поверхность линзы, размещен непрозрачный экран, а зеркальное покрытие на сферической поверхности линзы выполнено полупрозначным или дихроичным. 3. Фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что в него введен источник излучения, расположенный в фокусе зеркального плоского сферического объектива, а зеркало на сферической поверхности линзы выполнено полупрозрачным для излучения источника.