ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК Российский патент 2001 года по МПК G01J5/42 

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, а именно к приемникам инфракрасного излучения в широком спектральном диапазоне.

Известно устройство для обнаружения ИК-излучения, содержащее камеру, в которой поглощается радиация и возникают колебания давления, и оптический микрофон, содержащий источник и приемник излучения, прозрачный растр, конденсор и объектив [1]. В известном устройстве применена децентрированная оптическая система, что приводит к значительным аберрациям и снижению уровня информационного сигнала и чувствительности оптического микрофона.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является оптико-акустический приемник [2], выбранный в качестве прототипа и также содержащий камеру, в которой поглощается радиация и возникают колебания давления, и оптический микрофон, содержащий объектив, в фокальной плоскости которого находится прозрачный растр. Через растр на мембрану конденсором проецируется изображение вспомогательного источника излучения, которое затем через вторую половину растра и конденсора отбрасывается зеркалом через диафрагму на фотоприемник. Основными недостатками этого устройства являются использование только одной полвины растра, что, так же как и в аналоге, приводит к значительным аберрациям и снижению уровня информационного сигнала и чувствительности оптического микрофона.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение уровня информационного сигнала и чувствительности оптического микрофона.

Для решения поставленной задачи предложен оптико-акустический приемник, содержащий камеру, имеющую входное окно, поглощающую пленку и зеркальную мембрану, оптический микрофон, диафрагму и основной фотоприемник. Оптический микрофон включает установленные последовательно источник излучения, основной конденсор, прозрачный растр и объектив, причем прозрачный растр установлен в фокальной плоскости объектива. В отличие от известного он снабжен дополнительными конденсором и фотоприемником, а также светоделительным элементом, установленным по ходу оптических лучей перед основным конденсором. При этом дополнительный конденсор расположен между источником излучения и светоделительным элементом, а дополнительный фотоприемник размещен на оси, перпендикулярной нормали к поверхности зеркальной мембраны и проходящей через центр светоделительной поверхности светоделительного элемента. Светоделительный элемент может быть выполнен с зеркальным покрытием, нанесенным на его светоделительную поверхность, в центре которой имеется прозрачная зона. При этом источник излучения и дополнительный конденсор установлены соосно с основным конденсором, а диафрагма с основным фотоприемником и дополнительный фотоприемник расположены соосно по разные стороны от светоделительного элемента. Кроме того, оптический элемент может быть выполнен с зеркальной зоной в центре его светоделительной поверхности, при этом источник излучения с дополнительным конденсором и дополнительный фотоприемник установлены соосно по разные стороны от светоделительного элемента, а диафрагма и основной фотоприемник расположены соосно с основным конденсором.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что установка дополнительного конденсора и светоделительного элемента с определенной геометрией зеркального покрытия, нанесенного на его светоделительную поверхность, позволяет использовать практически все излучение источника и значительно уменьшить аберрации оптической системы, т.к. она становится осесимметричной по отношению к проходящему через нее излучению. Кроме того, установка дополнительного фотоприемника позволяет компенсировать постоянную составляющую сигнала, снимаемого с основного фотоприемника. Все это увеличивает амплитуду переменной составляющей информационного сигнала и увеличивает чувствительность оптического микрофона оптико-акустического приемника.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено конкретное исполнение устройства оптико-акустического приемника, на фиг. 2 - разрез по линии АА на фиг. 1, на фиг. 3, 5 и 6 - варианты исполнения оптико-акустического приемника, на фиг. 4 приведен разрез по линии ББ на фиг. 3.

Оптико-акустический приемник на фиг. 1 содержит камеру 1, имеющую входное окно 2, поглощающую радиацию пленку 3 и зеркальную мембрану 4, являющуюся одной из стенок 1. Соосно с камерой 1 на некотором расстоянии от мембраны 4 установлен объектив 5, в фокальной плоскости которого находится растр 6. За растром 6 последовательно установлены основной конденсор 7, светоделительный элемент, в данном случае представляющий собой оптический кубик 8, на гипотенузной грани которого нанесено зеркальное покрытие 14 с прозрачной зоной 15 в центре (фиг. 2), а также дополнительный конденсор 9 и источник 10 излучения. На оси, перпендикулярной нормали к поверхности зеркальной мембраны 4 и проходящей через центр светоделительной поверхности по разные стороны от кубика 8 установлены основной фотоприемник 11 с диафрагмой 12 и дополнительный фотоприемник 13.

На фиг. 3 представлен вариант схемы устройства в случае, когда в качестве светоделительного элемента использован оптический кубик 8 с зеркальным покрытием в центре его гипотенузной грани, разрез по гипотенузной грани дан на фиг. 4, где изображены прозрачная зона 16 и зеркальное покрытие 17. Остальные обозначения элемента те же, что и на фиг. 1. В этом случае источник 10 излучения и дополнительный конденсор 9 расположены соосно с дополнительным фотоприемником 13 на оси, перпендикулярной нормали к поверхности зеркальной мембраны 4 и проходящей через центр светоделительной поверхности кубика 8, а диафрагма 12 и основной фотоприемник 11 установлены соосно с основным конденсором 7.

Светоделительный элемент может быть выполнен в виде плоскопараллельной пластины, установленной под углом к оптической оси устройства. На фиг. 5 показан вариант схемы устройства в случае, когда на одной из сторон пластины 18 нанесено зеркальное покрытие, имеющее в центре прозрачную зону В. При этом расположение элементов аналогично схеме на фиг. 1. Остальные обозначения элементов те же.

На фиг. 6 представлен вариант схемы устройства в случае, когда в качестве светоделительного элемента использована плоскопараллельная пластина 18 с зеркальным покрытием Г в центре одной из ее сторон. Расположение элементов аналогично схеме, представленной на фиг. 3. Остальные обозначения элементов те же.

Оптико-акустический приемник на фиг. 1 работает следующим образом. Прерывистый поток излучения проходит через окно 2 камеры 1 и поглощается тонким алюминиевым слоем, нанесенным на пленку 3. Пленка поглощает неселективно радиацию в широкой спектральной области. Возникающие колебания давления колеблют зеркальную мембрану 4, являющуюся одной из стенок камеры 1. Мембрана 4 облучается от источника 10 излучения с помощью дополнительного конденсора 9, проектирующего источник излучения в промежуточную плоскость через гипотенузную грань оптического кубика, на которой нанесено зеркальное покрытие 14 с прозрачной зоной 15 в центре (фиг. 2). Этим обеспечивается работа оптической схемы всей апертурой. Промежуточное изображение перепроектируется далее конденсором 7, облучающим прозрачный растр 6, находящийся в фокальной плоскости объектива 5. В результате после объектива 5 параллельный пучок падает на зеркальную мембрану 4, отражается от нее и идет в обратном направлении. При этом конструктивные параметры оптической схемы подобраны таким образом, что в обратном ходе размер облучаемой площадки зеркальной зоны 14 гипотенузной грани кубика значительно превышает размер прозрачной зоны 15 (фиг. 2). Таким образом, обеспечивается прохождение через диафрагму 12 и попадание на фотоприемник 11 около 90% излучения, прошедшего через растр 6 и конденсор 7 в обратном ходе. Очень небольшая часть излучения отражается от гипотенузной грани кубика и попадает на фотоприемник 13, который включается дифференциально с фотоприемником 11 для исключения постоянной составляющей информационного сигнала. Под действием пульсаций давления зеркальная мембрана 4 колеблется, меняя свой радиус кривизны. В результате этого изображение растра 6 периодически смещается вдоль оптической оси 00, а это вызывает колебание потока излучения, направляемого от источника 10 излучения на фотоприемник 11.

В приведенной на фиг. 1 схеме оптико-акустического приемника уровень сигнала значительно повышается по сравнению и с аналогом и с прототипом, т.к. его оптическая схема позволяет использовать весь излучаемый источником 10 излучения поток, практически не срезая его. Схема осесимметрична, т.к. и в прямом и в обратном направлении проходят осесимметричные пучки, что приводит к резкому уменьшению поперечных аберраций и также повышает уровень сигнала. Кроме того, как уже говорилось выше, введение дополнительного фотоприемника 13 позволяет избавиться от постоянной составляющей сигнала и повысить уровень переменного, информативного сигнала.

В случае, когда гипотенузная грань кубика 8 прозрачна, а зеркальное покрытие нанесено в ее центре (фиг. 3), очень небольшая часть излучения от источника 10 излучения (фиг. 4) попадает на второй фотоприемник 13, а основная часть направляется вдоль оси 00 на конденсор 7 оптического микрофона. Принцип работы оптико-акустического приемника на фиг. 3, так же как и оптико-акустических приемников на фиг. 5 и 6, не отличается от принципа работы оптико-акустического приемника на фиг. 1, различны только исполнения светоделительного элемента и, в следствие этого, схемы расположения элементов, находящихся правее конденсора 7.

Таким образом, во всех предложенных вариантах исполнения оптико-акустического приемника обеспечивается повышение чувствительности оптического микрофона за счет осесимметричности проходящего через оптическую систему потока излучения и уменьшение величины аберраций, а также повышение уровня информационного сигнала за счет использования всей апертуры источника излучения и дифференциального включения дополнительного фотоприемника.

Источники информации
1. Журнал "Rev. Sci. Instr.", 1969, 40, с. 733, фиг. 2.

2. Оптический журнал, 1994, N 5, с. 5, 6.

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, а именно к приемникам инфракрасного излучения в широком спектральном диапазоне. Оптико-акустический приемник содержит камеру, имеющую входное окно, поглощающую пленку и зеркальную мембрану, оптический микрофон, диафрагму и основной фотоприемник. Оптический микрофон включает последовательно установленные источник излучения, основной конденсор, прозрачный растр и объектив, причем прозрачный растр установлен в фокальной плоскости объектива. В отличие от известного он снабжен дополнительными конденсором и фотоприемником, а также светоделительным элементом, установленным по ходу оптических лучей перед основным конденсором. При этом дополнительный конденсор расположен между источником излучения и светоделительным элементом, а дополнительный фотоприемник размещен на оси, перпендикулярной нормали к поверхности зеркальной мембраны и проходящей через центр светоделительной поверхности светоделительного элемента. Светоделительный элемент может быть выполнен с зеркальным покрытием, нанесенным на его светоделительную поверхность, в центре которой имеется прозрачная зона. При этом источник излучения и дополнительный конденсор установлены соосно с основным конденсором, а диафрагма с основным фотоприемником и дополнительный фотоприемник расположены соосно по разные стороны от светоделительного элемента. Кроме того, оптический элемент может быть выполнен с зеркальной зоной в центре его светоделительной поверхности, при этом источник излучения с дополнительным конденсором и дополнительный фотоприемник установлены соосно по разные стороны от светоделительного элемента, а диафрагма и основной фотоприемник расположены соосно с основным конденсором. Техническим результатом является повышение уровня информационного сигнала и чувствительности оптического микрофона. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Оптико-акустический приемник, содержащий камеру, имеющую входное окно, поглощающую радиацию пленку и зеркальную мембрану, оптический микрофон, включающий последовательно установленные источник излучения, основной конденсор, прозрачный растр, размещенный в фокальной плоскости объектива, а также диафрагму и основной фотоприемник, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными конденсором и фотоприемником, а также светоделительным элементом, установленным по ходу оптических лучей перед основным конденсором, при этом дополнительный конденсор размещен между источником излучения и светоделительным элементом, а дополнительный фотоприемник размещен на оси, перпендикулярной нормали к поверхности зеркальной мембраны и проходящей через центр светоделительной поверхности светоделительного элемента. 2. Оптико-акустический приемник по п.1, отличающийся тем, что светоделительный элемент выполнен с зеркальным покрытием, нанесенным на его светоделительную поверхность, в центре которой имеется прозрачная зона, при этом источник излучения и дополнительный конденсор расположены соосно с основным конденсором, а диафрагма с основным фотоприемником и дополнительный фотоприемник установлены соосно по разные стороны от светоделительного элемента. 3. Оптико-акустический приемник по п.1, отличающийся тем, что светоделительный элемент выполнен с зеркальной зоной в центре его светоделительной поверхности, при этом источник излучения с дополнительным конденсором и дополнительный фотоприемник установлены соосно по разные стороны от светоделительного элемента, а диафрагма с основным фотоприемником расположены соосно с основным конденсором.