ВИЗУАЛИЗАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2009 года по МПК H01L31/14 

Изобретение относится к области электрооптического (радиооптического) приборостроения и может быть использовано для получения видимых изображений объектов, испускающих или рассеивающих инфракрасное (ИК) и субмиллиметровое (СМ) электромагнитные излучения (ЭМИ).

Из широкого (от рентгеновского до СВЧ-диапазона) спектра электромагнитных излучений, испускаемых природными или искусственными объектами, человеческий глаз способен видеть изображения объектов, только в диапазоне длин волн 0.45÷0.75 мкм.

Для видения за пределами этого диапазона разрабатываются различные визуализаторы электромагнитных излучений (ВЭИ), например, радиометры изображения или отображающие радиометры (imaging radiometers) для ЭМИ СМ диапазонов, электронно-оптические преобразователи (ЭОП^ы) и тепловизоры, соответственно для ближней и средней ИК-областей спектра.

ВЭИ, как правило, содержат:

- линзовую или зеркальную антенну (или объектив), строящую невидимое глазом изображение в плоскости матричной или сплошной мишени;

- мишень, каждый элемент разложения изображения которой преобразует поглощенное им ЭМИ, в конечном итоге, в электрический сигнал, пропорциональный мощности (энергии) поглощенного ЭМИ;

- устройство для построения (по электрическим сигналам) видимого глазом изображения объектов, испускающих невидимые ЭМИ (монитор у тепловизоров, люминесцентный экран у ЭОП^ов).

Известен [S.V.Shitov, A.N.Vystavkin. An integrated array antenna for a TES imaging radiometer: general concept and simulations. // Proc. of 16th Intern. Symp. on Space Terahertz Technology, 31 April - 4 May, 2005] визуализатор электромагнитных излучений СМ диапазона - радиометр изображения (imaging radiometer), мишень которого выполнена в виде матрицы сверхпроводящих болометров на основе двухслойных структур «сверхпроводник - нормальный металл». Болометры из слоев «молибден - медь» с нанометровыми толщинами (10-100 нм) имеют предельную чувствительность 4·10^-19÷4·10^-21 Вт/Гц^1/2 и работают при температурах 0.4÷0.08 К. Болометры включены в антенную матрицу, каждая ячейка (пиксель) которой образована пересекающимися парами щелевых антенн, длина которых соизмерима с длиной принимаемой волны ЭМИ. Каждая пара антенн соединена микрополосковой линией. В разрыв каждой микрополосковой линии включен болометр. Под действием ЭМИ СМ диапазона в каждой антенне возбуждаются СВЧ-токи, (соответствующие облученности этой ячейки), которые нагревают болометр этой ячейки до температуры, соответствующей ее облученности. В результате изменяется сопротивление каждого болометра и изменяется ток (напряжение) в цепи каждого болометра. Видимое изображение на мониторе строится по электрическим сигналам, вырабатываемым каждым болометром.

Основным недостатком этого ВЭИ является, что он не пригоден для визуализации ЭМИ ИК диапазона, к другим недостаткам этого ВИ можно отнести необходимость сверхглубокого охлаждения болометров, что делает этот прибор уникальным. Кроме того, для визуализации изображения требуется осуществлять вращение СМ- изображения в плоскости матрицы, (т.к. для уменьшения теплопритоков болометры каждой строки включены последовательно), что дополнительно усложняет и удорожает ВЭИ СМ диапазона.

Наиболее близким к изобретению, является ВЭИ, представляющий собой смотрящий тепловизор [Ж. Гроссорг. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. // М., Мир, 1968, с.312].

Недостатком тепловизоров можно считать то, что они непригодны для визуализации СМ ЭМИ.

Задачами изобретения является следующее

- обеспечение возможности отдельно визуализировать субмиллиметровое или инфракрасное излучение;

- обеспечение возможности одновременно визуализировать субмиллиметровое и инфракрасное излучение на одном дисплее (так называемый комплексированный режим).

Поставленные задачи решаются тем, что в визуализатор дополнительно введена линзовая антенна, в фокальной плоскости которой установлена плоская мишень, каждый элемент разложения которой под действием поглощенного излучения субмиллиметрового диапазона нагревается до температуры, однозначно зависящей от его облученности, при этом b - поперечный размер мишени и f - фокусное расстояние линзовой антенны выбираются таким образом, чтобы выполнялось следующее соотношение: α=2·arctg (b/2·f), где α - угол поля зрения тепловизора, причем мишень расположена внутри термоизолирующего вакуумируемого корпуса, в котором со стороны, обращенной к антенне, имеется окно, прозрачное для излучений субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов длин волн, между окном и линзовой антенной введено первое плоское зеркало, угол между плоскостью мишени и плоскостью зеркала составляет 45 градусов, подложка зеркала прозрачна для субмиллиметрового излучения, сторона подложки, обращенная к мишени, имеет покрытие, отражающее инфракрасное излучение, причем максимальное отражение обеспечивается в спектральной полосе 8÷14 мкм при угле падения лучей 45 градусов, оптическая ось объектива тепловизора, пересекающаяся с оптической осью линзовой антенны в геометрическом центре отражающего слоя зеркала, образует угол 45 градусов с нормалью к отражающей поверхности зеркала, L - сумма расстояний от этой точки пересечения оптических осей до мишени и объектива равна L=b/2·tg (α/2), между объективом тепловизора и первым зеркалом установлено второе плоское зеркало, отражающее излучение в спектральной полосе 8÷14 мкм при угле падения лучей 45 градусов, так чтобы оно могло быть введено в поле зрения тепловизора и выведено из него, при этом, когда зеркало введено в поле зрения тепловизора, его отражающая поверхность образует угол 90 градусов с плоскостью подложки первого зеркала и обращена в сторону объектива тепловизора.

С целью обеспечения возможности отдельно визуализировать инфракрасное излучение с максимальной чувствительностью второе плоское зеркало визуализатора изготовлено с максимальным коэффициентом отражения в спектральной полосе 8÷14 мкм при угле падения лучей 45 градусов.

С целью обеспечения возможности одновременно визуализировать субмиллиметровое и инфракрасное излучение на одном дисплее, второе плоское зеркало визуализатора сделано частично прозрачным в спектральной полосе 8÷14 мкм при угле падения лучей 45 градусов.

С целью повышения спектральной селективности и чувствительности, мишень визуализатора выполнена в виде матрицы антенн, расположенных в одной плоскости, имеющих размеры, соизмеримые с длиной волны субмиллиметрового диапазона, причем электрической нагрузкой каждой антенны является пленка, изготовленная из резистивного материала, расположенная в плоскости матрицы.

Поясним принцип работы визуализатора излучений.

Плоская мишень, помещенная в термоизолирующую камеру, может быть выполнена в виде сплошной или разделенной узкими канавками резистивной пленки, нанесенной на тонкую (толщиной доли, мм) диэлектрическую подложку, сделанную, например, из кварца, или представлять собой антенную матрицу, в которой электрическими нагрузками каждой из антенн являются резистивные пленки.

Линзовая антенна строит изображение (в СМ диапазоне длин волн) наблюдаемого объекта в плоскости мишени. Каждый элемент разложения изображения в плоскости мишени (размеры которого соизмеримы с длиной волны излучения субмиллиметрового диапазона) под действием поглощенного излучения субмиллиметрового диапазона нагревается до температуры, однозначно зависящей от его облученности. Часть инфракрасного излучения каждого элемента разложения мишени с помощью первого зеркала (при этом второе зеркало выведено из поля зрения тепловизора) направляется в объектив тепловизора, который преобразует температурное поле мишени в видимое изображение, воспроизводимое монитором. (Поскольку температуры элементов разложения мишени, нагреваемых СМ излучением, мало отличаются от температуры окружающей среды, для визуализации температурного поля мишени целесообразно использовать тепловизор, работающий в полосе 8-14 мкм). Для того чтобы получить изображение наблюдаемого объекта, излучающего в ИК диапазоне, в поле зрения тепловизора вводится второе зеркало, которое направляет часть ИК - излучения наблюдаемого объекта в объектив тепловизора.

Выполнение соотношений: α=2·arctg(b/2·f) и L=b/2·tg(α/2), (где L - сумма расстояний от точки пересечения оптических осей линзовой антенны и объектива тепловизора до мишени и объектива; b - поперечный размер мишени; α - угол поля зрения тепловизора) обеспечивает равенство углов полей зрения субмиллиметрового и инфракрасного каналов ВЭИ.

Для повышения спектральной селективности и чувствительности ВЭИ к излучению с заданной длиной волны и, следовательно, повышения помехозащищенности в визуализаторе излучений по п.2 мишень может быть выполнена в виде матрицы антенн, расположенных в одной плоскости и имеющих размеры, соизмеримые с длиной волны субмиллиметрового диапазона. Таким образом, каждая антенна определяет геометрические размеры элемента разложения изображения наблюдаемого объекта в плоскости мишени в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Антенны могут быть изготовлены из металлической пленки, причем электрической нагрузкой каждой антенны является пленка, изготовленная из резистивного материала, расположенная в плоскости матрицы.

Под действием ЭМИ СМ диапазона в каждой антенне возбуждаются резонансные СВЧ-токи, (соответствующие облученности этого элемента разложения), которые нагревают изготовленную из резистивного материала пленку, являющуюся электрической нагрузкой антенны до температуры, соответствующей облученности антенны. Часть инфракрасного излучения каждой пленки с помощью первого зеркала (при этом второе зеркало выведено из поля зрения тепловизора) направляется в объектив тепловизора, который преобразует температурное поле мишени в видимое изображение, воспроизводимое монитором. Причем в процессе преобразования яркость каждого элемента разложения видимого изображения на экране монитора определяется температурой резистивной пленки, оптически сопряженной с этим элементом.

Излучения СМ диапазона с длинами волн, отличающимися от заданных геометрическими размерами антенны, практически не возбуждают СВЧ-токи в антеннах и, следовательно, не приводят к нагреву резистивных пленок и не фиксируются тепловизором. В результате повышается помехозащищенность ВЭИ. Следует отметить, что антенны, нагруженные на резистивную пленку, принимают СМ излучение более эффективно, чем сама резистивная пленка, что повышает чувствительность ВЭИ.

В ряде случаев для лучшей идентификации объекта желательно иметь возможность совмещения его изображений в СМ и ИК диапазонах, т.е. визуализировать субмиллиметровое излучение одновременно с инфракрасным излучением. Для реализации этой задачи необходимо, чтобы в ВЭИ по п.1 второе плоское зеркало было частично прозрачным в спектральной полосе 8-14 мкм при угле падения лучей 45 градусов и было введено в поле зрения тепловизора.

Действительно, выполнение соотношений: α=2·arctg(b/2·f) и L=b/2·tg(α/2) обеспечивает равенство углов полей зрения субмиллиметрового и инфракрасного каналов ВИ и позволяет с помощью введения второго зеркала в поле зрения тепловизора совмещать на мониторе тепловизора изображения объекта, наблюдаемого в СМ и ИК диапазонах.

Таким образом, с помощью описанных выше дополнительно введенных и установленных определенным образом элементов, ВЭИ на основе тепловизора оказывается пригодным для визуализации не только инфракрасного, но и субмиллиметрового излучений. При этом обеспечивается возможность совмещения изображений объектов, наблюдаемых в СМ и ИК диапазонах, т.е. обеспечивается возможность для лучшей идентификации объекта визуализировать субмиллиметровое излучение одновременно с инфракрасным излучением.

На фиг.1 показана схема визуализатора электромагнитных излучений по п.1 формулы изобретения.

Визуализатор имеет следующие основные элементы: линзовую антенну 1, в фокальной плоскости которой находится плоская мишень 4, зеркало 2, прозрачное для СМ излучения и отражающее ИК излучение в полосе 8÷14 мкм, вакуумированный термоизолирующий корпус 5, с окном 3, прозрачным для СМ и ИК излучений, зеркало 6, изготовленное с возможностью перемещения в положение А или В, смотрящий тепловизор, содержащий объектив 7, матричный приемник с электронным блоком обработки 8, монитор 9.

Сущность визуализатора электромагнитных излучений по п.2 формулы изобретения поясняется фиг.1. Для обеспечения возможности отдельно визуализировать инфракрасное излучение с максимальной чувствительностью, в визуализаторе изображений по п.1 второе плоское зеркало изготовлено с максимальным коэффициентом отражения в спектральной полосе 8÷14 мкм при угле падения лучей 45 градусов и установлено в положение А.

Сущность визуализатора электромагнитных излучений по п.3 формулы изобретения поясняется фиг.1.

Для обеспечения возможности одновременного наблюдения объекта в двух спектральных диапазонах зеркало 6 изготавливается полупрозрачным в полосе 8÷14 мкм и устанавливается в положение В.

Сущность выполнения мишени визуализатора по п.4 формулы изобретения поясняется фиг.2, где: 1 и 2 - горизонтальный и вертикальный провода дипольных антенн [А.З.Фрадин. Антенно-фидерные устройства. // М., «Связь», 1977]; 3-резистивная пленка, электрически соединенная с проводами дипольных антенн. На фиг.2 показана мишень, содержащая матрицы, образованные взаимно перпендикулярными дипольными антеннами, между проводами которых находятся квадратные пленки из резистивного материала. Подобное расположение антенн обеспечивает прием излучения с любой поляризацией. Каждая пара горизонтальных и вертикальных проводов, нагруженных на резистивный квадрат, представляет собой элемент разложения (разрешения) мишени.

Следует отметить, что антенная матрица мишени может быть образована не только с помощью дипольных антенн, но и с помощью антенн других видов, например, щелевых [А.З. Фрадин. Антенно-фидерные устройства. // М., «Связь», 1977].

Визуализатор по п.1 формулы изобретения работает следующим образом.

Линзовая антенна 1 принимает СМ излучение от наблюдаемого объекта. Это излучение проходит через зеркало 2 и окно 3 вакуумируемого термоизолирующего корпуса 5, фокусируется в виде точек изображения этого объекта на поверхности мишени 4, каждый элемент разложения которой преобразует падающую на него энергию СМ излучения, в конечном итоге, в тепло, в результате чего его температура повышается в соответствии с величиной поглощенной энергии СМ излучения. Часть инфракрасного излучения от каждого элемента разложения мишени падает на зеркало 2 и после отражения от него попадает в объектив 7 тепловизора (при этом зеркало 6 выведено из поля зрения тепловизора и находится в положении А), который строит ИК изображение температурного поля мишени 4 на поверхности матричного приемника тепловизора, каждый пиксель которого преобразует энергию ИК излучения в электрический сигнал. Электрические сигналы от каждого пикселя матричного приемника после обработки поступают из блока 8, содержащего матричный приемник с блоком обработки информации, на монитор 9, который создает видимое изображение объекта, излучающего в СМ области спектра.

Визуализатор по п.2 формулы изобретения работает следующим образом.

Для наблюдения объекта, излучающего в ИК области спектра, зеркало 6 вводится в поле зрения тепловизора (устанавливается в положение В). В этом случае инфракрасное излучение объекта (в спектральной полосе 8-14 мкм) после отражения от зеркала 6 попадает в объектив тепловизора и воспроизводится в видимой области спектра на мониторе тепловизора.

Визуализатор по п.3 формулы изобретения работает следующим образом. Для обеспечения возможности одновременного наблюдения объекта в двух спектральных диапазонах зеркало 6, изготавливается полупрозрачным в полосе 8-14 мкм и устанавливается в положение В.

Причем вследствие того, что углы поля зрения субмиллиметрового и инфракрасного каналов визуализатора равны между собой, на мишени тепловизора совмещаются два инфракрасных (в полосе 8-14 мкм) изображения, геометрически сопряженных с наблюдаемым объектом: изображение температурного поля мишени 4, обусловленное СМ излучением наблюдаемого объекта, и изображение наблюдаемого объекта, образованное его ИК излучением. Суперпозиция этих изображений (комплексированное изображение) воспроизводится в видимой области спектра на мониторе 9.

Для более детального пояснения сущности изобретения сделаем оценку возможных конструктивных размеров ВЭИ. Пусть требуется разработать ВЭИ со следующими характеристиками.

Визуализируемые излучения:

СМ диапазон λ_СМ≈100 мк

ИК диапазон λ_ИК=8…14 мкм.

Пространственное разрешение 100×100 точек.

Пример реализации подобного ВЭИ по п.1 формулы изобретения.

Поперечный размер мишени b≈k·λ_СМ·100, где k≈1.5-4 - коэффициент, учитывающий размеры аберрационного пятна в фокальной плоскости линзовой антенны. При k≈2, получим b≈200 мм.

Пусть α≈30°, тогда f≈1.86·b≈372 мм.

L=373 мм, f_т≈28 мм, b_т≈15 мм, где f_т и b_т, соответственно, фокусное расстояние и поперечный размер матричного приемника тепловизора.

Пример реализации ВЭИ по п.2 формулы изобретения

Пусть мишень представляет собой антенную матрицу с топологией, показанной на фиг.2. Тогда при поперечных размерах мишени b≈200 мм и пространственном разрешении 100×100 точек, размеры каждого элемента разложения изображения мишени, образованного двумя взаимно перпендикулярными дипольными антеннами, электрической нагрузкой которых является резистивная пленка, могут быть равны 200 мм/100=2 мм, при длине провода каждого диполя 0.75 мм и стороне квадрата резистивной пленки, равной 0.5 мм.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для получения видимых изображений объектов, испускающих или рассеивающих инфракрасное (ИК) и субмиллиметровое (СМ) электромагнитные излучения (ЭМИ). Технический результат - визуализация субмиллиметрового и инфракрасного излучений. Для достижения данного результата в устройство дополнительно введена мишень, преобразующая изображения объектов, излучающих в СМ диапазоне. На основе дополнительно введенных и установленных определенным образом оптических элементов (линзовой антенны и двух зеркал) обеспечена визуализация не только ИК, но и СМ излучений. При этом обеспечивается возможность совмещения изображений объектов, наблюдаемых в СМ и ИК диапазонах. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Визуализатор электромагнитных излучений, содержащий смотрящий тепловизор, отличающийся тем, что в визуализатор дополнительно введена линзовая антенна, в фокальной плоскости которой установлена плоская мишень, каждый элемент разложения которой под действием поглощенного излучения субмиллиметрового диапазона нагревается до температуры, однозначно зависящей от его облученности, при этом b - поперечный размер мишени и f - фокусное расстояние линзовой антенны выбираются таким образом, чтобы выполнялось следующее соотношение: α=2·arctg (b/2·f), где α - угол поля зрения тепловизора, причем мишень расположена внутри термоизолирующего вакуумируемого корпуса, в котором со стороны, обращенной к антенне, имеется окно, прозрачное для излучений субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов длин волн, между окном и линзовой антенной введено первое плоское зеркало, угол между плоскостью мишени и плоскостью зеркала составляет 45°, подложка зеркала прозрачна для субмиллиметрового излучения, сторона подложки, обращенная к мишени, имеет покрытие, отражающее инфракрасное излучение, причем максимальное отражение обеспечивается в спектральной полосе 8÷14 мкм при угле падения лучей 45°, оптическая ось объектива тепловизора, пересекающаяся с оптической осью линзовой антенны в геометрическом центре отражающего слоя зеркала, образует угол 45° с нормалью к отражающей поверхности зеркала, L - сумма расстояний от этой точки пересечения оптических осей до мишени и объектива равна L=b/2·tg(α/2), между объективом тепловизора и первым зеркалом установлено второе плоское зеркало, отражающее излучение в спектральной полосе 8÷4 мкм при угле падения лучей 45°, так, чтобы оно могло быть введено в поле зрения тепловизора и выведено из него, при этом, когда зеркало введено в поле зрения тепловизора, его отражающая поверхность образует угол 90° с плоскостью подложки первого зеркала и обращена в сторону объектива тепловизора.

2. Визуализатор электромагнитных излучений по п.1, отличающийся тем, что второе плоское зеркало выполнено с максимальным коэффициентом отражения в спектральной полосе 8÷14 мкм при угле падения лучей 45°.

3. Визуализатор электромагнитных излучений по п.1, отличающийся тем, что второе плоское зеркало выполнено частично прозрачным в спектральной полосе 8÷14 мкм при угле падения лучей 45°.

4. Визуализатор электромагнитных излучений по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что мишень выполнена в виде матрицы антенн, расположенных в одной плоскости, имеющих размеры, соизмеримые с длиной волны субмиллиметрового диапазона, причем электрической нагрузкой каждой антенны является пленка, изготовленная из резистивного материала, расположенная в плоскости матрицы.