БОЛОМЕТР, ТЕПЛОВОЙ ДАТЧИК, ТЕПЛОВИЗОР, СПОСОБ РАБОТЫ БОЛОМЕТРА, СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО ДАТЧИКА Российский патент 2023 года по МПК G01J5/20 H01L27/14 

Область техники

Настоящее изобретение относится к съемке тепловых изображений, а именно к болометру, тепловому датчику и тепловизору.

Описание предшествующего уровня техники

Традиционные датчики изображения ИК диапазона (тепловые сенсоры), доступные на рынке, используют традиционное электронное считывание сигнала, то есть данные получают посредством измерения тока или напряжения. Основные требования, предъявляемые к подобным устройствам - это высокая чувствительность, малый размер болометра и совместимость с технологией КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник). Известные из уровня техники датчики, совместимые с КМОП, имеют более низкую чувствительность, чем несовместимые с КМОП аналоги. Их чувствительность ограничена шумом Джонсона и может быть снижена только за счет охлаждения датчика. Снижение затрат на изготовление таких датчиков может быть достигнуто с помощью технологий СБИС (сверхбольших интегральных схем), для которых требуется конструкция, совместимая с КМОП.

Из уровня техники известны неохлаждаемые микроболометры с электронным считыванием (например, документ US 8610070 В2, дата публикации 17.12.2013). В таких устройствах ИК излучение нагревает чувствительный элемент болометра, подвешенный на термоизоляционных ножках, и изменяет его электрическое сопротивление, которое регистрируется электронной схемой считывания. Недостатками известного решения является несовместимость конструкции микроболометра с технологией КМОП.

Из уровня техники известны фотонные микроболометры (документ US 7667200 B1, дата публикации 23.02.2010). В таких устройствах ИК излучение нагревает оптический микрорезонатор (MR), удерживаемый на теплоизолирующей вертикальной ножке, и за счет термо-оптического эффекта сдвигает его резонансную частоту; изменение резонансной частоты, пропорциональное изменению температуры микрорезонатора, определяется с помощью фотонного считывания: сдвиг резонанса приводит к изменению оптического пропускания волновода, связанного с микрорезонатором. Недостатками известного решения являются несовместимость конструкции как одиночного фотонного датчика с одним волноводом для возбуждения и зондирования, так и их массива, с технологией КМОП.

Известные конструкции одиночного болометра предполагают наличие вертикальных элементов для удержания микрорезонатора и его теплоизоляции от подложки, а также для соединения микрорезонатора с поглотителем инфракрасного излучения. Изготовление вертикальных элементов крайне затруднено в планарной КМОП технологии. Каждый микрорезонатор в линии массива микрорезонаторов, соединенной с одиночным волноводом, должен изготавливаться с уникальным радиусом с гарантированной уникальной резонансной длиной волны. Индивидуальная адресация микрорезонатора в массиве основана на его уникальной резонансной длине волны. Типичные вариации изготовления микрорезонаторов в КМОП-процессе приводят к случайной дисперсии (разбросу) резонансов микрорезонаторов, превышающей необходимое расстояние между резонансами для предлагаемой схемы адресации. Такая схема считывания данных не может быть реализована в КМОП-совместимом технологическом процессе из-за неизбежного попадания нескольких резонансов в некий диапазон, что приведет к невозможности различить резонаторы.

Предлагаемые в уровне техники схемы индивидуальной адресации пикселей основаны на возможности изготовления резонаторов с предельной точностью, недоступной в КМОП-совместимом технологическом процессе. Современные передовые КМОП интегральные схемы считывания не могут использоваться вместе с существующими фотонными решениями, поскольку сенсоры изображения на основе кремния не имеют фотоотклика в спектральном диапазоне NIR (ближний инфракрасный диапазон).

Использование КМОП интегральной схемы считывания ограничено электрической связью элементов ИК-детектора с электронным считывателем, что раскрыто, например, в документе US 7551059 B2 (дата публикации 23.06.2009). В указанном документе раскрыт гибридный датчик изображения, включающий в себя массив инфракрасных детекторов и КМОП интегральную схему считывания. КМОП интегральная схема считывания соединена по меньшей мере с одним детектором из массива ИК-детекторов, например, с помощью контактного соединения индием. Каждый пиксель КМОП интегральной схемы считывания включает в себя первую схему усилителя с относительно низким коэффициентом усиления и широким динамическим диапазоном, которая оптимизирована для линейного отклика на входные сигналы высокого уровня освещенности от ИК-детектора. Каждый пиксель также включает в себя вторую схему усилителя с относительно более высоким коэффициентом усиления и более низким динамическим диапазоном, которая оптимизирована для обеспечения высокого отношения сигнал/шум для входных сигналов с низким уровнем освещенности от ИК-детектора (или от второго ИК-детектора). Недостатками известных устройств являются сложность конструкции, а также электрическое считывание, для которого минимальный различимый сигнал ограничен шумом Джонсона.

Таким образом, основная проблема данной области техники заключается в том, что уменьшение размера болометра, используемого в тепловизоре, приводит к ухудшению чувствительности из-за меньшей чувствительной области и высокого шума Джонсона. Поэтому необходима компактная экономичная конструкция массива болометров, подходящая для массового производства тепловизоров с высокой чувствительностью, высоким разрешением и минимальными размерами.

Сущность изобретения

Предлагается болометр, содержащий: термостабилизированную прозрачную подложку; термоизолирующие мостики, расположенные на термостабилизированной подложке или углубленные в нее; микрорезонатор, представляющий собой диск из нелинейного оптического материала, способного поглощать инфракрасное излучение, причем микрорезонатор удерживается термоизолирующими мостиками приподнятым над термоизолирующей подложкой, причем диск микрорезонатора содержит выводную дифракционную решетку, причем на термоизолирующей прозрачной подложке между термоизолирующими мостиками и микрорезонатором расположен термоизолирующий слой; волновод, расположенный над микрорезонатором с зазором от микрорезонатора, для передачи излучения в микрорезонатор; лазер, выполненный с возможностью направлять излучение в волновод и генерировать излучение на известной длине волны, соответствующей длине волны резонанса микрорезонатора; по меньшей мере один фотоприемник, выполненный с возможностью приема излучения, выходящего из выводной дифракционной решетки микрорезонатора. Причем выводная дифракционная решетка может быть расположена внутри диска микрорезонатора вдоль окружности диска. Выводная дифракционная решетка может быть расположена непосредственно на окружности диска микрорезонатора. В качестве выводной дифракционной решетки могут использоваться естественные шероховатости диска микрорезонатора. Микрорезонатор может быть выполнен из Si₃N₄. Фотоприемник может представлять собой датчик видимого изображения. Фотоприемник может представлять собой кремниевый фотодиод. Причем толщина и радиус микрорезонатора выбираются такими, что совпадают: а) эффективный показатель преломления для моды излучения лазера, попавшего в микрорезонатор и эффективный показатель преломления моды, на которой распространяется излучение оптической гармоники, и б) спектральное положение резонансов излучения лазера, попавшего в резонатор, и оптической гармоники. Лазер может представлять собой перестраиваемый лазер. Термоизолирующий слой может представлять собой воздух. Термоизолирующий слой может представлять собой вакуум.

Предлагается способ работы предлагаемого болометра, содержащий этапы, на которых: а) направляют излучение известной длины волны от лазера в волновод, причем длина волны излучения лазера соответствует длине волны резонанса диска микрорезонатора, для прохождения по волноводу и попадания в микрорезонатор через зазор с последующей циркуляцией излучения в диске микрорезонатора с эффективной генерацией оптической гармоники; выводят выводной дифракционной решеткой излучение оптической гармоники из диска микрорезонатора на по меньшей мере один фотоприемник; б) детектируют посредством по меньшей мере одного фотоприемника мощность излучения оптической гармоники при отсутствии измеряемого ИК излучения от внешней среды; в) детектируют посредством по меньшей мере одного фотоприемника мощность излучения оптической гармоники при наличии измеряемого ИК излучения от внешней среды; г) определяют изменение мощности излучения оптической гармоники между мощностью излучения оптической гармоники при отсутствии измеряемого ИК излучения от внешней среды, определенной на этапе (б) и мощностью излучения оптической гармоники при наличии измеряемого ИК излучения от внешней среды, определенной на этапе (в), посредством пересчитывания изменения мощности излучения в сдвиг длины волны резонанса; по значению сдвига длины волны резонанса определяют интенсивность ИК излучения от внешней среды.

При дальнейшей работе болометра дополнительно осуществляют этап (в) для непрерывного получения значений интенсивности ИК излучения от внешней среды.

Предлагается тепловой датчик, содержащий: двумерную матрицу, состоящую из столбцов и строк, в которых расположены предлагаемые болометры, причем все болометры используют один и тот же лазер; причем двумерная матрица установлена на поверхность датчика видимого изображения, имеющего управляющие выводы, причем в качестве фотоприемника для каждого болометра из двумерной матрицы выступает один из пикселей датчика видимого изображения, причем управляющие выводы подключены к каждому из пикселей датчика видимого изображения; контроллер, подключенный к лазеру и управляющий выводами датчика видимого изображения. Причем лазер является перестраиваемым лазером, причем контроллер выполнен с возможностью осуществлять поочередную перестройку длины волны лазера для ее соответствия резонансным длинам волн всех микрорезонаторов матрицы болометров. Для всех болометров двумерной матрицы может использоваться один волновод. Для каждого болометра двумерной матрицы может использоваться отдельный волновод, причем все волноводы подключены к одному лазеру через разветвитель. Причем контроллер может быть выполнен с возможностью определения температуры каждого болометра.

Также предлагается способ работы теплового датчика, содержащий этапы, на которых: снимают с помощью теплового датчика первую картину исходного спектрального положения резонансов болометров без воздействия внешнего ИК излучения, причем упомянутая первая картина представляет собой первый массив данных с матрицы фотоприемников датчика видимого изображения; снимают с помощью предлагаемого теплового датчика вторую картину спектрального положения резонансов болометров под воздействием внешнего ИК излучения, причем упомянутая картина представляет собой второй массив данных с матрицы фотоприемников датчика видимого изображения; получают, с помощью контроллера, третий массив данных, содержащий величины сдвига резонанса в каждом болометре между элементами первого массива данных и второго массива данных, причем упомянутая величина сдвига резонанса в каждом болометре пропорциональна интенсивности внешнего ИК излучения в каждом болометре; преобразуют, с помощью контроллера, упомянутый массив данных в тепловое изображение.

Предлагается тепловизор, содержащий: оптическую систему, формирующую изображение внешней среды в своей фокальной плоскости в среднем ИК спектральном диапазоне; предлагаемый тепловой датчик, расположенный в фокальной плоскости оптической системы; причем тепловой датчик выполнен с возможностью получать тепловое изображение предлагаемым способом. Причем оптическая система может представлять собой линзу. Причем оптическая система может представлять собой объектив. Тепловизор может содержать камеру, выполненную с возможностью съемки изображений в видимом спектральном диапазоне, причем тепловой датчик и камера расположены таким образом, что тепловое изображение накладывается на изображение, получаемое от камеры в режиме реального времени.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:

Фиг. 1 схематично изображен болометр (a) и его продольный разрез (b).

Фиг. 2 схематично иллюстрирует работу одного болометра.

Фиг. 3 иллюстрирует варианты вывода излучения из микрорезонатора, когда: (а) дифракционная решетка расположена внутри диска микрорезонатора вдоль окружности, (b) дифракционная решетка расположена непосредственно вдоль окружности диска микрорезонатора, (с) излучение выводится шероховатостями диска микрорезонатора.

Фиг. 4 схематично иллюстрирует расположение одного болометра над пикселями датчика видимого изображения;

Фиг. 5 иллюстрирует график эффективности генерации гармоники.

Фиг. 6 (а) схематично иллюстрирует конструкцию теплового датчика, (b) схематично иллюстрирует матрицу болометров с использованием одного волновода, (с) схематично иллюстрирует расположение одного болометра над пикселями датчика видимого изображения.

Фиг. 7 схематично иллюстрирует конструкцию тепловизора.

Подробное описание изобретения

Предлагаемое изобретение представляет собой тепловизор, содержащий тепловой датчик, состоящий из матрицы болометров, каждый из которых имеет размеры, совместимые с технологией КМОП. Предлагаемые тепловизор, тепловой датчик, болометр имеют компактные размеры и повышенную чувствительность.

Предлагаемый тепловой датчик представляет собой двумерную матрицу (массив), элементами которой являются болометры. Двумерная матрица болометров установлена на поверхность датчика видимого изображения, причем в качестве фотоприемника для каждого болометра из двумерной матрицы может выступать один или несколько пикселей датчика видимого изображения. Тепловой датчик осуществляет измерение теплового изображения - распределения интенсивности внешнего ИК излучения по плоскости матрицы болометров.

На фиг. 1 схематично изображена структура одного болометра (a) и продольный разрез (b) болометра. Болометр содержит волновод 1, микрорезонатор 2, представляющий собой диск из нелинейного оптического материала и расположенный на термоизолирующих мостиках 3, термоизолирующие мостики поддерживают микрорезонатор 2 над подложкой 4 и уменьшают отдачу тепла от микрорезонатора 2 к термостабилизированной прозрачной подложке 4. Необходимо заметить, что подложка 4 должна быть термостабилизированной, то есть температура по всей подложке должна быть одинаковая, чтобы не вносить искажения в работу микрорезонатора. Стабилизация температуры подложки может осуществляться любым подходящим способом, известным из уровня техники, например, с помощью пассивного радиатора или активного радиатора.

На фиг. 1 показан термоизолирующий слой 4а, который в простейшем случае является воздухом, либо может быть слоем материала с низкой теплопроводностью, либо является вакуумом.

На термостабилизированной прозрачной подложке 4 расположены термоизолирующие мостики 3 в виде выступов над термостабилизированной прозрачной подложкой. Микрорезонатор 2 расположен на термоизолирующих мостиках 3. Микрорезонатор 2 может быть утоплен в термостабилизированную прозрачную подложку 4 и может быть термоизолирован от нее с помощью мостиков 3 и термоизолирующего слоя 4а. А также микрорезонатор может располагаться над термостабилизированной прозрачной подложкой 4 и может быть термоизолирован от нее только с помощью мостиков 4. Болометр содержит лазер 5, оптически соединенный с волноводом 1. Волновод 1 расположен над микрорезонатором с зазором 6, через который, как будет описано ниже, излучение из лазера 5 попадает в микрорезонатор 2. Под термостабилизированной прозрачной подложкой 4 расположен по меньшей мере один фотоприемник 7, на который попадает излучение из микрорезонатора, выводимое выводной дифракционной решеткой 8. Диск микрорезонатора 2 содержит выводную дифракционную решетку 8, расположенную вдоль окружности диска.

Лазер генерирует излучение с известной длиной волны, соответствующей длине волны резонанса микрорезонатора 2, излучение лазера направлено в волновод 1.

Термостабилизированная прозрачная подложка 4, мостики 3 могут быть выполнены из любого подходящего материала, например, из оксида кремния. Волновод 1 и микрорезонатор 2 выполняются из нелинейного оптического материала, например, из нитрида кремния.

Болометр может быть изготовлен по известным из уровня техники технологиям, (например, US 20160327743 A1, дата публикации 10.11.2016 или https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-3-1-20&id=335237).

В результате известных из уровня техники технологических операций на термостабилизированной прозрачной подложке формируется болометр. То есть предлагаемое изобретение позволяет использовать стандартные СБИС и КМОП-процессы для изготовления болометра, которые значительно уменьшают размеры теплового датчика, состоящего из болометров, а значит и размеры тепловизора, и снижают затраты на их производство.

Одним из важнейших параметров болометра является теплопроводность термоизолирующих мостиков, которая должна быть достаточно низкой, чтобы аккумулировать тепло в микрорезонаторе и улучшать чувствительность (то есть температурное изменение микрорезонатора при той же мощности ИК излучения), и не слишком низкой, чтобы обеспечить отвод тепла на подложку и обеспечить высокую частоту получения значений интенсивности среднего ИК излучения, падающего на поверхность матрицы болометров, измеренных в точках расположения болометров. Теплоизоляционные структуры, из которых состоят термоизолирующие мостики 3, могут быть реализованы различными известными способами с помощью двухстороннего или одностороннего травления в рамках процесса КМОП.

Размер болометра, который возможно получить при изготовлении, может составлять порядка 10 мкм. Каждый болометр работает как антенна и увеличивает сечение поглощения ИК излучения микрорезонатором, что положительно сказывается на отношении сигнал-шум, то есть на чувствительности. Необходимо также отметить, что уменьшение размера болометра приводит к увеличению разрешения получаемого тепловым датчиком ИК изображения. Совместимость болометра с КМОП позволяет производить множество дешевых устройств за счет использования СБИС с высоким уровнем интеграции.

На Фиг. 2 схематично проиллюстрирован болометр, являющийся единичным болометром из массива болометров теплового датчика. Для ввода излучения в микрорезонатор используется волновод 1. Для считывания интенсивности ИК излучения используются один или несколько фотоприемников 7, которые представляют собой пиксели датчика видимого изображения.

Микрорезонатор 2 выполнен из нелинейного оптического материала и представляет собой нелинейный резонатор. Микрорезонатор 2 представляет собой диск, в котором могут существовать так называемые моды шепчущей галереи (явление известное из уровня техники), когда излучение распространяется по внешнему краю окружности диска и не излучается наружу из-за полного внутреннего отражения от поверхности диска микрорезонатора. Если нет потерь, то излучение, попав в такой микрорезонатор, будет неограниченно долго распространяться вдоль окружности микрорезонатора, как и в случае обычного резонатора из двух зеркал с коэффициентом отражения 1. Для этого необходимо, чтобы излучение возвращалось в исходную точку с одинаковой фазой, то есть длина оптического пути на одном «проходе» вдоль окружности микрорезонатора должна быть равна целому числу длин волн, которое определяет резонанс диска микрорезонатора. Резонансная длина волны (либо резонансная частота) определяется длиной окружности (то есть, радиусом диска микрорезонатора) и эффективным показателем преломления моды шепчущей галереи, который в свою очередь определяется показателями преломления материалов диска микрорезонатора и внешней среды. Эффективный показатель преломления - это число, характеризующее скорость распространения света в данной моде, оно находится в пределах от показателя преломления внешней среды до показателя преломления самого материала микрорезонатора. Эффективный показатель преломления моды шепчущей галереи, которая распространяется по резонатору, зависит от того, как конкретно распределены электрические поля световой волны, поскольку они частично выходят из микрорезонатора наружу, при этом является важным соотношение показателя преломления материала, находящегося снаружи микрорезонатора (воздуха и/или материала подложки) и показателя преломления материала микрорезонатора. В настоящем изобретении материал микрорезонатора выбирается таким образом, что показатель преломления зависит от температуры материала, поэтому условия резонанса можно менять, меняя температуру материала микрорезонатора. Изменение показателя преломления материала микрорезонатора изменяет длину оптического пути и резонансную длину волны излучения, распространяющегося в микрорезонаторе. Показатель преломления зависит от температуры (термооптический эффект), поэтому изменение температуры микрорезонатора меняет его резонансную длину волны.

Напряженность электрического поля круговой моды экспоненциально затухает снаружи диска микрорезонатора. Точно так же экспоненциально затухает снаружи волновода и поле световой волны, распространяющейся по прямому волноводу. Если расположить волновод и диск микрорезонатора достаточно близко друг к другу, то экспоненциальный хвост затухающего поля волновода проникнет в диск микрорезонатора, и часть света из волновода уйдет в диск микрорезонатора. Это явление известно из уровня техники и называется “evanescence field coupling” (связь через затухающее поле) (см. (2008) Optical Microresonator Theory. In: Optical Microresonators. Optical Sciences, vol 138. Springer, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-0-387-73068-4_3). Благодаря этому явлению излучение лазера попадает из волновода в микрорезонатор.

Длина волны излучения лазера 5 должна попадать внутрь ширины резонанса микрорезонатора 2. Резонансная длина волны зависит в том числе и от радиуса диска микрорезонатора 2, а также существует технологический разброс размеров дисков микрорезонаторов, поэтому заранее невозможно точно сказать, на какой длине волны будет резонанс у конкретного диска микрорезонатора. Поэтому в качестве лазера 5 целесообразно использовать перестраиваемый лазер с диапазоном перестройки, покрывающим технологический разброс резонансов диска.

Как показано на фиг. 2, излучение от лазера 5 попадает в волновод 1. Волновод 1 расположен на расстоянии около 500 нм от микрорезонатора 2. Как известно из уровня техники - это типичная величина зазора между волноводом и резонатором, обеспечивающая связь через затухающее поле, как было описано выше. Излучение проходит по волноводу 1 и попадает в микрорезонатор через зазор 6 между волноводом 1 и микрорезонатором за счет связи через затухающее поле (связь по полю). Зазор 6 между микрорезонатором и волноводом меньше характерной длины экспоненциального затухания электрического поля световой волны, поэтому именно в этом месте обеспечивается связь через затухающее поле. Если длина волны излучения лазера 5 совпадает с длиной волны резонанса диска микрорезонатора 2, то излучение из волновода 1, заходящее в диск микрорезонатора 2 через зазор 6, начинает в нем циркулировать, следуя моде шепчущей галереи (как было разъяснено выше) причем излучение лазера 5 сохраняет направление своего распространения в микрорезонаторе 2 на резонансной длине волны.

Как было отмечено выше, микрорезонатор выполняется из нелинейного оптического материала, то есть сконфигурирован для эффективной генерации нелинейных оптических гармоник в видимом диапазоне (генерируются вторая или третья оптические гармоники). Например, при преобразовании излучения лазера с длиной волны около 1.55 мкм вторая гармоника имеет длину волны 775 нм (красный свет), а третья - 517 нм (зеленый свет).

Необходимо отметить, что в микрорезонаторе может генерироваться либо вторая, либо третья гармоники, что зависит от выбранной толщины и радиуса микрорезонатора. Меняя толщину и радиус (геометрию) микрорезонатора, можно менять эффективные показатели преломления соответствующих мод. Если геометрия такова, что эффективный показатель преломления основной моды лазера совпадает с эффективным показателем преломления моды для излучения второй гармоники, то будет генерироваться вторая гармоника. Если геометрия такова, что эффективный показатель преломления основной моды лазера совпадает с эффективным показателем преломления моды для излучения третьей гармоники, то будет генерироваться третья гармоника. Как известно из уровня техники, длина волны второй гармоники равна длине волны лазера, деленной на два, длина волны третьей гармоники равна длине волны лазера, деленной на три. Кроме того, вторая и третья гармоники различаются модой, то есть конфигурацией пространственного распределения электрического поля световой волны.

Гармоника генерируется внутри микрорезонатора и находится в резонансе с микрорезонатором, следуя модам шепчущей галереи. То есть излучение от лазера 5, циркулирующее внутри микрорезонатора 2, благодаря свойствам нелинейного оптического материала микрорезонатора, индуцирует генерацию второй или третьей оптической гармоники. Из уровня техники известно, что генерацию второй или третьей гармоник возможно наблюдать, поскольку такая генерация имеет достаточную эффективность. Каждая следующая более высокая гармоника генерируются примерно на порядок слабее предыдущей и, соответственно, на более коротких длинах волн, на практике в описываемой структуре болометра гармоники более высоких порядков экспериментально не наблюдались.

Как упоминалось выше, генерация второй или третьей оптических гармоник индуцируется благодаря тому, что материал резонатора имеет ненулевую величину нелинейной восприимчивости (характеристика материала, известная из уровня техники). То есть, например, для генерации второй гармоники необходимо, чтобы материал обладал нелинейной восприимчивостью второго порядка, то есть поляризация среды микрорезонатора должна быть связана с квадратом напряженности поля.

Поляризация P - дипольный момент единицы объема среды, индуцированный электрическим полем световой волны. Напряженность поля E - напряженность поля световой волны, распространяющейся в среде и индуцирующей поляризацию P. Из уровня техники известно, то, каким образом P связано с E, полностью определяется свойствами среды (смещениями зарядовой плотности внутри среды под действием периодического поля световой волны). В общем случае, поляризация P, возникающая в среде под действием света на какой-то заданной частоте ω, является сложной неизвестной функцией E. Как и любую функцию, ее можно разложить в ряд (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D1%8F%D0%B4_%D0%A2%D0%B5%D0%B9%D0%BB%D0%BE%D1%80%D0%B0) по степеням E:

P=χ⁽¹⁾E·exp(iωt) + χ⁽²⁾(E·exp(iωt))²+χ⁽³⁾(E·exp(iωt))³ + …

Обычно, когда интенсивность света (и, соответственно, напряженность поля E) мала, достаточно ограничиться первым членом разложения - это обычная линейная оптика, линейный оптический отклик среды определяется диэлектрической восприимчивостью χ⁽¹⁾ первого порядка, она же определяет диэлектрическую постоянную (и показатель преломления) среды. А поправки второго, третьего и более высоких порядков по полю пренебрежимо малы. В этом случае поляризация содержит только частотные компоненты на исходной частоте света ω.

В случае, когда напряженность поля E достаточно велика (это может происходить, в частности, в микрорезонаторах из-за их высокой добротности и малого - сравнимого с длиной волны - размера моды), поправки второго и третьего порядка становятся существенными. Физически это соответствует случаю, когда амплитуда колебаний зарядовой плотности в среде перестает линейно расти с напряженностью поля E (обычно она насыщается). Соответственно, в поляризации P возникают частотные компоненты на удвоенной (с амплитудой, пропорциональной χ⁽²⁾E², χ⁽²⁾ - нелинейная восприимчивость второго порядка) или на утроенной (с амплитудой, пропорциональной χ⁽³⁾E³, χ⁽³⁾ - нелинейная восприимчивость третьего порядка) частоте, потому что (exp(iωt))²=exp(i2ωt) и (exp(iωt))³=exp(i3ωt). Далее, эти компоненты поляризации выступают источником вторичного электромагнитного поля. Если по мере распространения излучения на основной частоте эти вторичные электромагнитные поля генерируются и складываются синфазно (а это как раз и определяется показателями преломления на исходной частоте и частоте гармоники), то получается эффект генерации оптической второй или третьей гармоники. Таким образом, в поляризации среды должны возникать квадратичные по полю световой волны компоненты для второй гармоники. Для третьей гармоники должны возникать компоненты, пропорциональные третьей степени электрического поля.

Величины χ⁽ⁱ⁾ связывают компоненты вектора P и результат перемножения компонентов вектора E в различных комбинациях (для случая второго и более высоких порядков), т.е. являются материальными тензорами соответствующего ранга. В случае, если симметрия среды допускает наличие ненулевых компонентов тензора третьего ранга χ⁽²⁾ (третьего, так как он связывает один вектор “на выходе” с двумя векторами “на входе”), в такой среде теоретически может наблюдаться генерация как второй, так и третьей гармоники, тензор 4 ранга χ⁽³⁾ не имеет таких жестких симметрийных ограничений и имеет ненулевые компоненты даже для среды с самой высокой симметрией, поэтому генерация третьей гармоники теоретически может происходить в любом материале. Тогда то, какая конкретно гармоника будет генерироваться, определяется тем, на какую из них настроен синхронизм. Кратко описанный механизм возникновения второй и третьей гармоник известен из уровня техники и используется во многих областях оптической техники.

Для изготовления микрорезонатора, в котором возможна генерация второй или третьей гармоники, можно использовать любые подходящие материалы, известные из уровня техники, в частности, хорошие результаты показывает материал Si₃N₄. Подходящий материал должен иметь достаточную величину нелинейной восприимчивости. Кроме того, геометрия микрорезонатора (то есть его толщина и радиус, задаваемые на этапе изготовления) должна быть такой, что совпадают:

а) эффективный показатель преломления для моды излучения лазера, попавшего в микрорезонатор, и эффективный показатель преломления моды, на которой распространяется излучение второй или третьей гармоники, благодаря чему обеспечивается фазовый синхронизм, то есть распространение излучения лазера и гармоники с одинаковой скоростью, значит для генерации второй гармоники нужно обеспечить синхронизм между модами излучения лазера и второй гармоники, а для генерации третьей гармоники нужно обеспечить синхронизм между модами излучения лазера и третьей гармоники, что достигается подбором геометрии микрорезонатора на этапе изготовления; и

б) спектральное положение резонансов излучения лазера, попавшего в резонатор, и второй или третьей гармоники.

Для выполнения условий (а) и (б) необходимо при изготовлении соблюдать геометрию микрорезонатора, чтобы она соответствовала следующей системе уравнений:

R - радиус диска микрорезонатора, m₁ - номер моды излучения лазера, m₂- номер моды гармоники, λ_NIR - длина волны излучения лазера, λ_VIS- длина волны гармоники, n_eff - эффективный показатель преломления соответствующей моды микрорезонатора.

Обеспечение фазового синхронизма возможно при генерации гармоники (любой, второй или третьей) в моду более высокого порядка, которая обычно имеет меньший эффективный показатель преломления, что компенсирует типичный рост показателя преломления материала с ростом частоты света. Мода в данном случае - решение уравнений Максвелла для электрического и магнитного полей световой волны, которая может распространяться в микрорезонаторе без потери своего состояния. Каждая мода (каждое решение) характеризуется распределением полей в пространстве и соответствующим эффективным показателем преломления. Таких решений может быть несколько. При этом основная (первая, фундаментальная) мода характеризуется максимальной локализацией поля световой волны внутри микрорезонатора, на сечении плоскостью, перпендикулярной направлению распространения, поле будет максимально внутри микрорезонатора вблизи края диска и экспоненциально затухает снаружи диска и к его центру. Поскольку показатель преломления материала микрорезонатора больше показателя окружающего пространства (воздух), такая мода имеет самый больший среди всех решений эффективный показатель преломления. Тем не менее, он меньше показателя материала микрорезонатора, т.к. часть поля световой волны проникает в среду вокруг него, экспоненциально затухая там. Следующие решения (моды более высокого порядка) менее локализованы внутри микрорезонатора, на сечении плоскостью, перпендикулярной направлению распространения, имеют два и более максимумов, а проникновение электрического поля световой волны в окружающее микрорезонатор пространство увеличивается с ростом номера моды. Поэтому моды более высокого порядка имеют меньший эффективный показатель преломления.

Никакой другой свет, кроме как являющийся решением уравнений Максвелла, не может распространяться по микрорезонатору без потери своего состояния. Поэтому гармоника генерируется в моду с определенной конфигурацией полей, являющейся решением уравнений Максвелла, и только в том случае, если эффективный показатель преломления этой моды на длине волны гармоники равен эффективному показателю преломления моды, на которой распространяется излучение лазера.

Излучение лазера на длине волны λ₀ попадает в микрорезонатор. Излучение на длине волны λ₀/2, соответствующее второй гармонике, необходимо сгенерировать внутри микрорезонатора, частота этого излучения в два раза больше, чем у излучения лазера. Показатель преломления материала микрорезонатора на длине волны λ₀/2 больше, чем на длине волны λ₀ из-за дисперсии. Поэтому эффективный показатель преломления первой моды на длине волны λ₀/2 всегда больше, чем эффективный показатель преломления первой моды на длине волны λ₀. В таких условиях вторая гармоника не будет генерироваться, потому что не выполняются условия синхронизма. То есть, для генерации второй гармоники необходимо сделать микрорезонатор таким, чтобы эффективный показатель преломления первой моды на длине волны λ₀ был равен эффективному показателю преломления любой следующей моды на длине волны λ₀/2, поскольку эффективный показатель преломления падает с ростом номера моды из-за меньшей локализации поля. Обычно на практике синхронизм проще всего достигается между основной модой накачки и третьей модой гармоники.

Совпадение резонансов излучения лазера и гармоники (любой второй или третьей) возможно за счет подбора такой длины оптического пути в микрорезонаторе (то есть подбора геометрии микрорезонатора) на которой и для излучения лазера, и для гармоники укладывается целое число длин волн.

Как разъяснено выше, для генерации гармоник в микрорезонаторе необходимо выполнение двух условий:

1)Осуществление синхронизма между излучением лазера и оптической гармоникой, той которую необходимо сгенерировать, внутри микрорезонатора, то есть фазы распространения этих двух излучений должны быть одинаковыми:

∆k(λ)L=0 (1)

L - длина оптического пути на одном полном проходе по микрорезонатору, λ - длина волны лазерного излучения, ∆k - разность волновых векторов лазерного излучения и гармоники (определяется длиной волны и эффективными показателями преломления лазерного излучения и гармоники).

2) Резонансы диска микрорезонатора должны совпадать и для видимого света и для света, излучаемого лазером:

k(λ)L=2 πm, (2)

L - длина оптического пути на одном полном проходе по микрорезонатору, k - волновой вектор соответствующего излучения, λ - длина волны лазерного излучения, m - любое целое число (разное для излучения лазера и гармоники).

То есть, как упоминалось выше, на длине окружности микрорезонатора должно укладываться целое число длин волн для видимого света и для ближнего инфракрасного света.

Как отмечалось выше, электрическое поле световой волны моды волновода/микрорезонатора имеет затухающие края снаружи волновода/микрорезонатора. Чтобы осуществить синхронизм, то есть распространение излучения лазера и гармоники по краю резонатора в фазе (с одинаковыми скоростями и эффективными показателями преломления), необходимо обеспечить внутри микрорезонатора для видимого света и ближнего инфракрасного света близкие эффективные показатели преломления соответствующих мод. Для этого, лазер, интегрированный с волноводом, излучает в моду волновода, причем связь между волноводом и резонатором обеспечивает ввод излучения лазера из волновода в первую моду резонатора, то есть в основную моду, то есть в моду с наибольшим эффективным показателем преломления, что соответствует наибольшей локализации света внутри микрорезонатора. Видимое излучение будет циркулировать внутри микрорезонатора на модах более высокого порядка. Обычно показатель преломления растет с уменьшением длины волны, поэтому для видимого света эффективный показатель преломления основной моды будет выше, чем для излучения накачки. Поэтому генерация видимого света возможна в какую-то моду более высокого порядка, поскольку в таких модах поле световой волны менее локализовано внутри микрорезонатора и больше попадает в пространство, окружающее микрорезонатор, поэтому эффективный показатель преломления мод высокого порядка меньше, чем показатель преломления основной моды. Чем больше номер моды, тем меньше показатель преломления и это позволяет согласовать показатели преломления для видимого света и для инфракрасного света.

Предлагаемый болометр работает следующим образом (см. фиг. 2). Измеряемое инфракрасное излучение от внешней среды, в которой находятся объекты, которые необходимо детектировать, поглощается микрорезонатором 2, в результате температура микрорезонатора 2 повышается. Нагрев микрорезонатора 2 сдвигает его резонансную длину волны за счет термооптического эффекта.

При работе болометра на микрорезонатор 2 одновременно попадает:

а) лазерное излучение, распространяющееся по волноводу 1.

б) ИК излучение от внешней среды, интенсивность которого измеряется, попадает на микрорезонатор извне.

Этапы (а) и (б) происходят одновременно.

Если на микрорезонатор 2 падает ИК излучение, то температура микрорезонатора 2 становится немного выше температуры термостабилизированной прозрачной подожки 4, если ИК излучение не падает на болометр, то температура микрорезонатора 2 равна температуре подожки 4. Резонансная длина волны микрорезонатора 2, на который падает ИК излучение, отличается от резонансной длины волны микрорезонатора 2, на который не падает ИК излучение, поскольку внешнее ИК излучение сдвигает резонанс диска микрорезонатора 2. Кроме того, если на микрорезонатор 2 падает ИК излучение, резонансы для излучения лазера и второй и третьей гармоник также расходятся (сдвигаются температурой на разную величину). Это приводит к быстрому спаду эффективности генерации оптической гармоники. В этом случае излучение, которое выводится выводной дифракционной решеткой 8, будет происходить с меньшей эффективностью по сравнению с излучением, выходящим из микрорезонатора без воздействия ИК излучения.

Излучение от лазера 5 необходимо, чтобы увидеть сдвиг резонанса диска микрорезонатора 2. Как упоминалось выше, если на болометр не падает ИК излучения, а длина волны лазера 5 соответствует длине волны резонанса диска микрорезонатора 2, излучение лазера 5 из волновода 1 попадает в диск микрорезонатора 2, где происходит эффективная генерация оптической гармоники в видимом диапазоне, то есть выводная дифракционная решетка 8 в этот момент выводит часть излучения гармоник, представляющее собой видимое излучение из микрорезонатора (происходит «вспышка» болометра). Выведенное излучение детектируется расположенным под болометром фотоприемником (в частности, удобно использовать датчик видимого изображения.

Как показано на фиг. 3, выводная дифракционная решетка 8:

(а) может располагаться внутри диска микрорезонатора, вдоль окружности диска;

(b) может располагаться непосредственно на окружности диска микрорезонатора;

(с) может быть образована естественными шероховатостями диска микрорезонатора, и излучение может выводится такими шероховатостями.

В случаях (a) и (b) дифракционная решетка может быть литографически изготовлена непосредственно вместе с микрорезонатором по технологиям, известным из уровня техники.

В случае (с) естественные шероховатости диска выступают в роли выводной дифракционной решетки, тогда излучение будет выводиться вдоль края диска, где распространяется гармоника, во все стороны и будет представлять собой изотропное рассеяние света. Практика показывает, что варианты вывода излучения (a) и (b) наиболее оптимальны, поскольку дифракционную решетку можно выполнить так, чтобы выходящий рассеянный свет направлялся прямо на фотоприемники практически без потерь.

На фиг. 4 схематично показано расположение одного болометра над пикселями датчика видимого изображения (над фотоприемниками 7, мостики 3 на фиг. 4 не указаны). Основная мода лазерного излучения (первая мода шепчущей галереи, на фиг. 4 обозначена как ОМ) распространяется вдоль края диска микрорезонатора 2, это область диска, в которой в основном локализовано поле световой волны. Мода для видимого излучения гармоники (на фиг. 4 обозначена как МВИ), генерируемая в микрорезонаторе и выводимая выводной дифракционной решеткой 8, является модой шепчущей галереи более высокого порядка, чем первая мода шепчущей галереи, она меньше прижимается к краю диска, чем излучение лазера. При этом основная мода излучения лазера (ОМ) (первая мода шепчущей галереи) практически «не чувствует» дифракционную решетку 8, то есть первая мода шепчущей галереи затухает раньше, чем начинается выводная дифракционная решетка 8, значит излучение лазера не выводится выводной дифракционной решеткой, а продолжает циркулировать внутри диска микрорезонатора 2. При этом мода гармоники (МВИ) «чувствует» выводную дифракционную решетку, то есть поле световой волны гармоники, хотя постепенно и затухает к центру диска, но попадает в место, где расположена выводная дифракционная решетка 8. Поэтому излучение гармоники хорошо выводится выводной дифракционной решеткой (выводимое излучение обозначено на фиг. 4 как (ВывИ)) и направляется к фотоприемникам 7 датчика 11 изображения через прозрачную термостабилизированную подложку 4.

Если нагрев от ИК излучения внешней среды (обозначено на фиг. 4 как ИВн) слабый и резонанс сдвигается слабо (на величину, меньшую ширины резонанса), снижается эффективность генерации гармоники за счет несоответствия резонансов излучения накачки и гармоники, и, как следствие, мощность излучения, выводимого выводной дифракционной решеткой существенно снижается. Предлагаемое изобретение позволяет получить повышенную чувствительность болометра к малым изменениям параметров микрорезонатора, вызванных воздействием внешней среды, благодаря использованию нелинейной оптической среды для изготовления микрорезонатора.

Из уровня техники известны формулы, с помощью которых можно оценить эффективность нелинейного преобразования излучения, попавшего в материал микрорезонатора, во вторую гармонику (например, Levy, J. S., Foster, M. A., Gaeta, A. L., & Lipson, M. (2011). Harmonic generation in silicon nitride ring resonators. Optics Express, 19(12), 11415. doi:10.1364/oe.19.011415).

На фиг. 5 проиллюстрирован график эффективности генерации гармоники. По оси y отложена длина волны лазерного излучения, по оси x снизу отложена относительная расстройка (отстройка) от резонанса. Если n0 - эффективный показатель преломления, который удовлетворяет условиям (1) и (2), указанным выше, то Δn/n₀ - относительная расстройка от резонанса, где Δn показывает изменение эффективного показателя преломления мод от n₀, вызванное внешними факторами, например, изменением температуры. То есть, на нижней оси отложена мера отклонения резонатора от состояния, в котором одновременно выполняются оба условия для генерации гармоники. В примере, приведенном на фиг. 5 дан расчет для второй гармоники, выраженный в относительном изменении показателя преломления.

На верхней оси x отложено изменение температуры микрорезонатора, которое обеспечивает упомянутую расстройку от резонанса микрорезонатора (относительное изменение показателей преломления) из-за термооптического эффекта. Изменение температуры вызвано падающим внешним ИК излучением.

Две пунктирные прямые показывают изменение длины волны резонансов диска (максимумов резонансного контура) в зависимости от изменения показателя преломления. C_p - это резонансный контур для излучения лазера (p - pump, накачка). C_sh - резонансный контур для излучения второй гармоники (SH - second harmonic - вторая гармоника). В точке, где расстройка равна 0, обе прямые пересекаются, то есть выполняется условие (2) совпадения резонансов.

Резонансный контур в данном случае - это зависимость запасенной в резонаторе мощности световой волны от ее длины волны. Она максимальна, когда длина волны равна резонансу, и быстро спадает в обе стороны от него. Резонансные контуры можно определить, проведя сечение этого графика вертикальной линией. Например, если задать сечение линией T=6 K и отобразить зависимость цвета от длины волны, то на таком графике получатся два пика (два резонансных контура) - сильный (от излучения лазера) и слабый (от гармоники). По мере приближения линии сечения к центру эти пики будут сближаться друг с другом, ровно в центре (где Δn=0) они совпадут.

Эффективность генерации гармоники определяется, в том числе, и произведением резонансных контуров для излучения лазера и гармоники. В состоянии, когда оба условия (1) и (2) для генерации гармоники выполнены и Δn=0, спектр генерации представляет собой произведение квадрата резонансного контура излучения лазера и резонансного контура гармоники.

В случае очень слабого изменения температуры микрорезонатора, а следовательно очень слабой расстройки от резонанса в микрорезонаторе, чувствительность болометра определяется производной резонансного контура эффективности генерации по длине волны ().

Из графика на фиг. 5 видно, что, например, что при увеличении температуры микрорезонатора на 1 градус (верхняя ось x), то есть, когда на микрорезонатор падает внешнее ИК излучение, относительно случая, когда на микрорезонатор не падает внешнее ИК излучение, сдвиг резонанса составляет менее 0.1 нм (вертикальная ось y), но при этом эффективность генерации гармоники, то есть мощность детектируемого фотоприемником видимого сигнала) падает примерно в 10 раз.

Таким образом, предлагаемый болометр с микрорезонатором из нелинейного оптического материала имеет повышенную чувствительность к малым изменениям параметров внешнего падающего детектируемого ИК излучения.

Как показано на фиг. 6, двумерная матрица 9 болометров 10 (фиг. 6 (b)), состоящая из столбцов и строк, в которых располагаются болометры 10 с одним волноводом 1 и на одной термостабилизированной прозрачной подложке 4, устанавливается прямо на поверхность датчика 11 (фиг. 6 (c)) видимого изображения, представляющего собой матрицу 12 фотоприемников 7. Такая конструкция образует тепловой датчик 13 (фиг. 6(a)).

Для передачи лазерного излучения в одном из вариантов воплощения изобретения на каждый из микрорезонаторов 2 матрицы 9 болометров возможно использовать только один общий волновод 1, который проходит через все болометры 10 матрицы 9 болометров.

В одном из вариантов воплощения возможно использовать отдельные волноводы для каждой строки или столбца матрицы болометров. В этом случае волноводы могут быть через разветвитель подсоединены к одному общему лазеру.

Датчик 11 видимого изображения может представлять собой интегральную схему считывания и является обычным датчиком видимого изображения. Пиксели датчика видимого изображения 11 представляют собой фотоприемники 7. Возможно использование любого подходящего датчика видимого изображения, известного из уровня техники, например, датчика изображения, пиксели которого представляют собой фотоприемники, раскрыт в документе US 10,819,927 B1 (дата публикации 27.10.2020).

Генерируемое видимое излучение внутри каждого микрорезонатора выводится выводной дифракционной решеткой 8 или шероховатостями диска решетки 8, как было описано выше, рассеивается на датчик 11 изображения (фиг. 6с, мостики 4 на фиг. 6с не указаны). Поскольку размер болометра 10 больше размера фотоприемников 7 датчика 11 изображения, то излучение может попадать на несколько фотоприемников 7. Та область видимого изображения, на пиксели которого попадает излучение от конкретного болометра 10, формирует одну точку в тепловом изображении. То есть область видимого изображения, над фотоприемниками 7 которого расположен конкретный болометр 10, даст одну точку теплового изображения - сигнал с этого болометра.

Как было разъяснено выше, если длина волны излучения лазера 5 совпадает с резонансом диска микрорезонатора 2, в нем возникает генерация гармоники в видимом диапазоне, то есть микрорезонатор «вспыхивает» в этот момент. По спектральному положению резонанса определяется температура соответствующего участка изображения. Температура определяется контроллером. Контроллер подключается к датчику 11 видимого изображения через управляющие выводы, а также к перестраиваемому лазеру 5, осуществляющему перестройку длины волны лазера для ее соответствия резонансным длинам волн всех микрорезонаторов матрицы 9 болометров 10 теплового датчика. То есть, при использовании одного перестраиваемого лазера 5 для всей матрицы 9 в один и тот же момент времени резонанс будет происходить только в одном болометре 10 из матрицы 9 болометров 10, поскольку контроллер перестроит длину волны для конкретного болометра 10, а все остальные болометры будут бездействовать.

Контроллер также используется для синхронного считывания изображения с датчика видимого изображения. То есть один контроллер через управляющие выводы подключен и к датчику 11 видимого изображения и к лазеру 5. Контроллер перестраивает длину волны лазера 5 для одного из болометров 10 (микрорезонаторов) матрицы 9 болометров и подает команду считывать изображение с фотоприемников 7, к которым относится данный болометр 10. На датчике 11 изображения отображается пульсация вспышек резонанса в разных болометрах 10. Вспышки резонансов происходят, когда меняющаяся длина волны лазера совпадает с резонансом. Матрица пикселей фиксирует эту вспышку и соответствующую длину волны, таким образом возможно узнать на какой длине волны произошел резонанс.

То есть, длина волны лазера 5 непрерывно изменяется, например, линейно со временем, так, чтобы покрыть необходимый диапазон для конкретного болометра. Сначала необходимо определить все резонансы в матрице 9, то есть длины волн, на которых происходит вспышка каждого микрорезонатора 2, в исходном состоянии в темноте, т.е. без падающего ИК излучения. Затем при падении ИК излучения на болометры 10 их резонансы сдвигаются, и вся картина «вспышек» изменится, т.е. каждый микрорезонатор 2 будет вспыхивать на другой длине волны. По сдвигу резонансной длины волны можно судить о нагреве каждого резонатора, т.е. об интенсивности падающего ИК излучения.

Видимая картина на датчике изображений не соответствует тепловому изображению внешней среды, а показывает только сдвиги и изменения интенсивностей резонансов отдельных болометров, из которых далее нужно получить температуры микрорезонаторов, обусловленные их нагревом внешним ИК излучением. Считывание таких резонансных «вспышек» каждого микрорезонатора и определение его температуры выполняется автоматически известным из уровня техники образом. Таким образом, датчик видимого изображения служит только для фиксации видимых гармоник, по которым определяется нагрев каждого микрорезонатора матрицы болометров, вызванный падением внешнего ИК излучения на микрорезонаторы. При этом болометры в матрице физически расположены над пикселями датчика видимого изображения, и считывание с датчика видимого изображения картины «вспышек» автоматически содержит информацию о том, из какого места в матрице болометров приходит сигнал.

Чтобы сформировать тепловое изображение, то есть массив данных с матрицы болометров, нужно:

1. Снять темновую картину «вспышек», для того, чтобы узнать исходное спектральное положение резонансов, то есть первую картину исходного спектрального положения резонансов болометров в матрице болометров без воздействия внешнего ИК излучения, причем упомянутая картина представляет собой первый массив данных с матрицы фотоприемников датчика видимого изображения;

2. Снять картину вспышек с внешним ИК излучением, падающим на матрицу болометров, для того, чтобы узнать спектральное положение резонансов после воздействия ИК излучения на матрицу болометров. То есть снимают вторую картину спектрального положения резонансов болометров под воздействием внешнего ИК излучения, причем упомянутая картина представляет собой второй массив данных с матрицы фотоприемников датчика видимого изображения.

3. Определить величину сдвига резонанса (по изменению спектрального положения и уровня сигнала). Величина сдвига в каждом болометре матрицы пропорциональна изменению его температуры - то есть интенсивности внешнего ИК излучения в данной точке плоскости матрицы болометров. То есть, получают, с помощью контроллера, третий массив данных со всех фотоприемников, содержащий величины сдвига резонанса в каждом болометре между первой картиной (первым массивом данных) и второй картиной (вторым массивом данных), причем упомянутая величина сдвига резонанса пропорциональна интенсивности внешнего ИК излучения в каждом болометре;

преобразуют, с помощью контроллера, упомянутый массив данных в тепловое изображение.

Предлагаемое изобретение можно использовать для изготовления миниатюрных тепловизоров, и использовать в мобильных приложениях для съемки видео и фото в условиях ограниченной видимости или низкой освещенности.

На фиг. 7 схематично изображена конструкция тепловизора 14. Для изготовления тепловизора используется тепловой датчик 13 и ИК оптическая система 15, формирующая тепловое изображение (изображение в среднем ИК). Тепловой датчик 13 расположен в фокальной плоскости ИК оптической системы 15. ИК оптическая система 15 отображает карту распределения внешнего ИК излучения в своей фокальной плоскости. То есть с помощью оптической системы на матрицу болометров передается тепловая картина внешней среды. Каждый болометр 10 измеряет одну точку в этом изображении. Все болометры вместе дают полное ИК изображение. Видимая картина «вспышек» болометров - это просто вспомогательные промежуточные данные, из которых рассчитываются температурные сдвиги и соответствующая интенсивность падающего ИК излучения, как было разъяснено выше. Дополнительно, измеренную интенсивность ИК излучения можно пересчитать в распределение температуры объектов, которые являются источниками ИК излучения во внешней среде.

ИК оптическая система 15 необходима, чтобы сформировать физическое изображение 16(а) объектов 16 внешней среды в ИК диапазоне, причем изображение 16(а) объекта 16 внешней среды после прохождения ИК оптической системы отображается в фокальной плоскости ИК оптической системы, где и располагается матрица 9 болометров теплового датчика 13. Тепловой датчик 13 всегда показывает распределение интенсивности ИК излучения по плоскости матрицы 9 болометров, при этом без ИК оптической системы 15 такое распределение не несет никакой информации и только с ИК оптической системой 15 такое распределение соответствует изображению объектов 16 внешней среды в ИК диапазоне. Тепловой датчик 13 определяет сформированное ИК оптической системой 15 тепловое изображение в точках, в которых расположены болометры 10, после пересчета с помощью контроллера 17 величины сдвига длины волны резонанса в каждом болометре 10 в интенсивность падающего теплового (ИК) излучения.

Тепловизор 14 представляет собой аналог фото- или видеокамеры, в которой используется предлагаемый тепловой датчик с оптической системой, формирующей тепловое изображение внешней среды. В таких камерах электроника обрабатывает упомянутый получаемый массив данных способами, известными из уровня техники. Если необходимо передать изображение на внешний дисплей, то электроника должна сформировать соответствующий видеосигнал по одному из стандартов, известных из уровня техники. В этом случае массив данных с матрицы фотоприемников последовательно кодируется и передается по аналоговому или цифровому интерфейсу на дисплей. Если необходимо сохранить полученное изображение, то получаемый массив данных просто записывается в память. В любом случае изображение, которое может видеть пользователь, - это массив данных с матрицы фотоприемников, в котором значения чисел в определенном месте расположения соответствующего болометра пропорциональны интенсивности падающего на него ИК излучения.

Изображение, полученное с теплового датчика, можно накладывать на изображение, полученное от обычного датчика видимого изображения, то есть на изображение, полученное от обычной камеры в телефоне, пользователь получает отчетливое изображение в условиях плохой видимости в режиме реального времени. То есть тепловизор дополнительно содержит камеру (возможно, например, использование камеры смартфона), выполненную с возможностью съемки изображений. Тепловой датчик и камера располагаются таким образом, что тепловое изображение от теплового датчика накладывается на видимое изображение от камеры в режиме реального времени.

Наложение видимого и ИК изображений возможно использовать для различных целей, это целая отдельная наука, в которой есть множество разных алгоритмов, преследующих совершенно разные цели, вот несколько примеров использования такого наложения в уровне техники https://link.springer.com/article/10.1007/s12559-017-9529-6, а также https://www.mdpi.com/1424-8220/19/17/3727/htm.

С помощью такого наложения также возможно улучшать качество фотографий и видео в условиях плохой видимости и низкой освещенности. Такой вариант исполнения удобно использовать, например, в автомобиле при ночной навигации на дороге. Изобретение может быть использовано в медицине, например для биометрии вен, а также для определения заболевания отдельных органов, для определения их температуры.

Изобретение может быть использовано в быту, например, для контроля рассеивания тепла, при изготовлении рамных конструкций в домах. С помощью смартфона возможно будет определить, откуда дует холодный воздух в раме окна.

Хотя изобретение описано с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, коррекции и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.

Кроме того, изобретение включает в себя все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменятся в процессе рассмотрения.

Изобретение относится к болометру, тепловому датчику, тепловизору компактных размеров. Болометр согласно изобретению содержит термостабилизированную прозрачную подложку, термоизолирующие мостики, микрорезонатор, волновод, лазер и фотоприемник. Микрорезонатор представляет собой диск из нелинейного оптического материала, причем микрорезонатор удерживается термоизолирующими мостиками приподнятым над термоизолирующей подложкой, причем диск микрорезонатора содержит выводную дифракционную решетку, волновод расположен над микрорезонатором с зазором от микрорезонатора, лазер выполнен с возможностью направлять излучение в волновод и генерировать излучение на известной длине волны, фотоприемник выполнен с возможностью приема излучения, выходящего из выводной дифракционной решетки микрорезонатора. Тепловой датчик содержит двумерную матрицу болометров и котроллер. Тепловизор содержит тепловой датчик, оптическую систему, причем тепловой датчик расположен в фокальной плоскости оптической системы. Изобретение обеспечивает болометр, тепловой датчик, тепловизор, имеющие компактные размеры и повышенную чувствительность. 5 н. и 18 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Болометр, содержащий:

термостабилизированную прозрачную подложку;

термоизолирующие мостики, расположенные на термостабилизированной подложке;

микрорезонатор, представляющий собой диск из нелинейного оптического материала, способного поглощать инфракрасное излучение, причем микрорезонатор удерживается термоизолирующими мостиками приподнятым над термоизолирующей подложкой, причем диск микрорезонатора содержит выводную дифракционную решетку,

причем на термоизолирующей прозрачной подложке между термоизолирующими мостиками и микрорезонатором расположен термоизолирующий слой;

волновод, расположенный над микрорезонатором с зазором от микрорезонатора, для передачи излучения в микрорезонатор;

лазер, выполненный с возможностью направлять излучение в волновод и генерировать излучение на известной длине волны, соответствующей длине волны резонанса микрорезонатора;

по меньшей мере один фотоприемник, выполненный с возможностью приема излучения, выходящего из выводной дифракционной решетки микрорезонатора.

2. Болометр по п. 1, в котором выводная дифракционная решетка расположена внутри диска микрорезонатора вдоль окружности диска.

3. Болометр по п. 1, в котором выводная дифракционная решетка расположена непосредственно на окружности диска микрорезонатора.

4. Болометр по п. 1, в котором в качестве выводной дифракционной решетки используются естественные шероховатости диска микрорезонатора.

5. Болометр по любому из пп. 1-4, в котором микрорезонатор выполнен из Si₃N₄.

6. Болометр по любому из пп. 1-5, в котором фотоприемник является датчиком видимого изображения.

7. Болометр по любому из пп. 1-6, в котором фотоприемник является кремниевым фотодиодом.

8. Болометр по любому из пп. 1-7, в котором толщина и радиус микрорезонатора выбираются такими, что совпадают:

а) эффективный показатель преломления для моды излучения лазера, попавшего в микрорезонатор, и эффективный показатель преломления моды, на которой распространяется излучение оптической гармоники, и

б) спектральное положение резонансов излучения лазера, попавшего в резонатор, и оптической гармоники.

9. Болометр по любому из пп. 1-8, в котором лазер является перестраиваемым лазером.

10. Болометр по любому из пп. 1-9, в котором термоизолирующий слой представляет собой воздух.

11. Болометр по любому из пп. 1-10, в котором термоизолирующий слой представляет собой вакуум.

12. Способ работы болометра по любому из пп. 1-11, содержащий этапы, на которых:

а) направляют излучение известной длины волны от лазера в волновод, причем длина волны излучения лазера соответствует длине волны резонанса диска микрорезонатора, для прохождения по волноводу и попадания в микрорезонатор через зазор с последующей циркуляцией излучения в диске микрорезонатора с эффективной генерацией оптической гармоники;

выводят выводной дифракционной решеткой излучение оптической гармоники из диска микрорезонатора на по меньшей мере один фотоприемник;

б) детектируют посредством по меньшей мере одного фотоприемника мощность излучения оптической гармоники при отсутствии измеряемого ИК излучения от внешней среды;

в) детектируют посредством по меньшей мере одного фотоприемника мощность излучения оптической гармоники при наличии измеряемого ИК излучения от внешней среды;

г) определяют изменение мощности излучения оптической гармоники между мощностью излучения оптической гармоники при отсутствии измеряемого ИК излучения от внешней среды, определенной на этапе (б), и мощностью излучения оптической гармоники при наличии измеряемого ИК излучения от внешней среды, определенной на этапе (в), посредством пересчитывания изменения мощности излучения в сдвиг длины волны резонанса;

по значению сдвига длины волны резонанса определяют интенсивность ИК излучения от внешней среды.

13. Способ по п. 12, дополнительно содержащий этап, на котором при дальнейшей работе болометра осуществляют этап (в) для непрерывного получения значений интенсивности ИК излучения от внешней среды.

14. Тепловой датчик, содержащий:

двумерную матрицу, состоящую из столбцов и строк, в которых расположены болометры, каждый из которых выполнен по п. 1;

причем все болометры используют один и тот же лазер;

причем двумерная матрица установлена на поверхность датчика видимого изображения, имеющего управляющие выводы, причем в качестве фотоприемника для каждого болометра из двумерной матрицы выступает по меньшей мере один из пикселей датчика видимого изображения, причем управляющие выводы подключены к каждому из пикселей датчика видимого изображения;

контроллер, подключенный к лазеру и управляющий выводами датчика видимого изображения.

15. Тепловой датчик по п. 14, в котором лазер является перестраиваемым лазером, причем контроллер выполнен с возможностью осуществлять поочередную перестройку длины волны лазера для ее соответствия резонансным длинам волн всех микрорезонаторов матрицы болометров.

16. Тепловой датчик по любому из пп. 14, 15, в котором для всех болометров двумерной матрицы используют один волновод.

17. Тепловой датчик по любому из пп. 14, 15, в котором для каждого болометра двумерной матрицы используют отдельный волновод, причем все волноводы подключены к одному лазеру через разветвитель.

18. Тепловой датчик по любому из пп. 14-17, в котором контроллер выполнен с возможностью определения температуры каждого болометра.

19. Способ работы теплового датчика по любому из пп. 14-18, содержащий этапы, на которых:

снимают с помощью теплового датчика первую картину исходного спектрального положения резонансов болометров без воздействия внешнего ИК излучения, причем упомянутая первая картина представляет собой первый массив данных с матрицы фотоприемников датчика видимого изображения;

снимают с помощью теплового датчика по любому из пп. 14-18 вторую картину спектрального положения резонансов болометров под воздействием внешнего ИК излучения, причем упомянутая картина представляет собой второй массив данных с матрицы фотоприемников датчика видимого изображения;

получают, с помощью контроллера, третий массив данных, содержащий величины сдвига резонанса в каждом болометре между элементами первого массива данных и второго массива данных, причем упомянутая величина сдвига резонанса в каждом болометре пропорциональна интенсивности внешнего ИК излучения в каждом болометре;

преобразуют, с помощью контроллера, упомянутый массив данных в тепловое изображение.

20. Тепловизор, содержащий:

оптическую систему, формирующую изображение внешней среды в своей фокальной плоскости в среднем ИК спектральном диапазоне;

тепловой датчик по любому из пп. 14-18, расположенный в фокальной плоскости оптической системы;

причем тепловой датчик выполнен с возможностью получать тепловое изображение способом по п. 19.

21. Тепловизор по п. 20, в котором оптическая система является линзой.

22. Тепловизор по п. 20, в котором оптическая система является объективом.

23. Тепловизор по любому из пп. 20-22, дополнительно содержащий камеру, выполненную с возможностью съемки изображений в видимом спектральном диапазоне, причем тепловой датчик и камера расположены таким образом, что тепловое изображение накладывается на изображение, получаемое от камеры в режиме реального времени.