СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD TO VISUALISE ELECTROMAGNETIC RADIATIONS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Cпособ визуализации электромагнитных излучений и устройство для его реализации
Область техники
Изобретение относится к области электрооптического (радиооптического) приборостроения и, в частности, к визуализации электромагнитного излучения.
Предшествующий уровень техники
Из всего спектра электромагнитных излучений, испускаемых природными или искусственными объектами, человеческий глаз способен видеть изображения объектов только в диапазоне длин волн 0.45÷0.75 мкм (видимый спектр).
Для решения задачи визуализации за пределами этого видимого диапазона и в зависимости от области спектра используются различные устройства - визуализаторы электромагнитных излучений, например радиометры изображения или отображающие радиометры, радиоинтроскопы, электронно-оптические преобразователи (ЭОПы), радиовизоры и тепловизоры.
Известен, например, мультиспектральный датчик, раскрытый в документе US 2011/194100 A1, включающий в себя вспомогательную подложку металл-окисел-полупроводник, по меньшей мере, одно устройство с комбинацией приемных антенн для детектирования излучения в терагерцовом диапазоне, по меньшей мере, один дополнительный болометр для детектирования излучения в среднем инфракрасном диапазоне и, по меньшей мере, один диод для детектирования излучения в диапазоне от видимого до околоинфракрасного. Однако применение на одной подложке одновременно нескольких детектирующих элементов, таких как антенна, болометр и инфракрасный фотодиод, усложняет конструкцию приемной матрицы, увеличивает ее габариты при уменьшении разрешающей способности регистрируемого изображения. Одновременно для такой приемной матрицы требуется создание фокусирующей системы с пропускной способностью в широком диапазоне частот, что становится непреодолимым препятствием при создании данного устройства.
Из патента RU 2218560 C2 известна система формирования изображения, которая включает в себя более чем один приемник на, по меньшей мере, одной подложке и оптический элемент для сбора электромагнитного излучения и для фокусировки его на указанные приемники, выполненные в виде болометров с сопрягающей антенной. Размеры антенн выбраны таким образом, что чувствительность болометров снижена на длинах волн, меньших заданного значения. Система дополнительно содержит, по меньшей мере, один адаптивный элемент для улучшения сопряжения излучения с болометрами. Оптический элемент выполнен с возможностью ограничения полосы длин волн электромагнитного излучения, падающего на подложку для болометров. В результате система обладает двухступенчатой селективностью по отношению к длине волны. Однако такая система имеет низкое разрешение при больших габаритных размерах устройства, при этом получаемое изображение имеет заметную инерционность. Кроме того, существует определенное ограничение использования прибора при комнатной температуре, без использования дорогостоящих охлаждающих устройств, связанное с тем, что нагревательная нагрузка болометра приемной антенны, имеет тепловую инерционную составляющую с передачей тепла на лепестки антенн. При этом лепестки антенн, в свою очередь, достигнув определенной температуры, начнут отдавать тепло на сам нагревательный элемент болометра, что препятствует проведению визуализации динамических процессов.
Из патента №2356129 известен «Визуализатор электромагнитных излучений», наиболее близкий к заявляемому изобретению. Известный визуализатор содержит в качестве воспринимающей излучения мишени - антенную матрицу, преобразующую падающую на нее энергию излучения в электрическую энергию тока, который, в свою очередь, нагревает резистивную пленку, преобразуя, таким образом, электрическую энергию в тепло (энергию инфракрасного излучения), а в качестве преобразователя тепловой энергии в электрическую - тепловизор, который строит инфракрасное (тепловое) изображение температурного поля на поверхности своего матричного приемника, который, в свою очередь, преобразует энергию ИК излучения в необходимый электрический сигнал. Недостатком такого визуализатора является его невысокая чувствительность по отношению к естественному излучению исследуемых объектов в субмиллиметровом диапазоне излучения. Другим недостатком является низкая разрешающая способность визуализации вследствие необходимости конструктивного исполнения каждого элемента разложения антенной матрицы по размерам, зависящим от длины волны визуализируемого излучения, что приводит к громоздкости мишени с элементами разложения и, соответственно, всего устройства в целом, без какого-либо увеличения разрешающей способности визуализатора. Дополнительным недостатком визуализатора известного уровня техники является повышенная сложность конструкции камеры мишени вследствие необходимости ее термоизоляци. Кроме того, наличие в данном устройстве большого количества нетермоизолированных линз, полупрозрачных зеркал, а также незначительность самой тепловой информации элемента разложения мишени приводит к большим шумовым помехам и искажениям. Так как исследуемое электромагнитное излучение проходит несколько этапов трансформации в различные виды энергии, в том числе через тепловое преобразование поглощенной энергии излучения, проявляется дополнительная инерционность и размытость изображения объекта.
Таким образом, по меньшей мере, указанные выше недостатки известного устройства не обеспечивают достоверной визуализации исследуемых объектов в субмиллиметровом диапазоне в динамическом и статическом режимах.
На преодоление указанных и других недостатков направлено настоящее изобретение.
Из уровня техники известно явление комбинированной автоэлектронной эмиссии с предварительным возбуждением электронов, заключающееся в испускании электронов в вакуум с поверхности твердого тела (катода) или другой среды под воздействием сильного электрического поля. При этом для того чтобы электрон покинул границу катод-вакуум, ему необходимо преодолеть потенциальный барьер (Фурсей Г.Н. Автоэлектронная эмиссия. Соросовский образовательный журнал, том 6, №11, 2000).
Известны также радиопоглощающие материалы, эффективно поглощающие энергию радиоволн (Советская военная энциклопедия, Воениздат, т.7, с.15-16, 1979), а также применение таких материалов, например, в качестве промежуточного элемента преобразования электромагнитного излучения в энергию электрического заряда, пропорциональную мощности излучения (патент RU 21253276C1).
Кроме того, из уровня известны материалы, позволяющие повысить эффективность эмиссии электронов и снизить пороговое значение напряженности электрического поля, требуемого для эмиссии, до менее чем 1,5 В/мкм. В частности, таким материалом может быть графит или другие графитоподобные и углеродные материалы (Образцов А.Н. и др. Механизм холодной эмиссии электронов из углеродных материалов. Письма в ЖЭТФ, том 68, вып. 1, стр.56-60).
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является предоставление способа визуализации электромагнитного излучения с высокой разрешающей способностью, а также малогабаритного устройства для его воплощения.
Техническим результатом, достигаемым изобретением, является: повышение качества изображения за счет повышения разрешающей способности и уменьшения шумов; повышение чувствительности; снижение массы и размеров; уменьшение энергопотребления.
Поставленная задача согласно одному аспекту настоящего изобретения решается предоставлением устройства визуализации электромагнитных излучений, содержащего линзовую антенну, принимающую и фокусирующую электромагнитное излучение; вакуумированный диэлектрический корпус с экраном, имеющим пропускающее излучение окно, и вмещающий в себя чувствительный элемент, расположенный в фокальной плоскости линзовой антенны, и электронно-оптический преобразователь; электронный блок обработки и устройство воспроизведения изображения, причем чувствительный элемент содержит металлическое основание-подложку, электрически связанное с экраном вакуумированного диэлектрического корпуса, с диэлектрической прокладкой со стороны падающего излучения, с расположенным на ней набором элементов разложения, выполненных с возможностью поглощать сфокусированное электромагнитное излучение и преобразовывать его в переменные электрические заряды с частотой, заданной геометрическими размерами элемента разложения, причем каждый элемент разложения из набора элементов разложения имеет емкостную связь с металлическим основанием- подложкой, причем электронно-оптический преобразователь, для обеспечения эмиссии предварительно возбужденных электронов, выполнен с возможностью создания внешнего статического поля с энергией, равной:
А
в мат
в0
эми
Е=Е - Е- Е
где:
в мат
Е- энергия выхода электронов материала,
в0
Е - энергия покоя электрона,
эми
Е- переменная энергия заряда, сгенерированного на обкладке элемента разложения при приеме поглощенного визуализируемого электромагнитного излучения,
А
Е- энергия внешнего однородного статического электрического поля,
причем электронно-оптический преобразователь содержит элемент преобразования информационного потока электронов, причем каждый из элементов разложения выполнен из материала, обладающего высокой автоэлектронной эмиссией при низком значении напряженности электрического поля.
Согласно одному варианту воплощения визуализируемое излучение является излучением в СВЧ диапазоне.
Согласно другому варианту воплощения каждый из элементов разложения является элементарной антенной, выполненной из тонкопленочного токопроводящего материала.
Согласно другому варианту воплощения каждый из элементов разложения выполнен из графита.
Согласно другому варианту воплощения каждый из элементов разложения имеет принимающую часть, выполненную в форме круга или многоугольника, описываемого окружностью.
Согласно другому варианту воплощения набор элементов разложения содержит один элемент разложения, выполненный как сплошной однородный слой.
Согласно другому варианту воплощения набор элементов разложения содержит группы элементов, состоящие из элементов разных размеров и одинаковой геометрической формы.
Согласно другому варианту воплощения набор элементов разложения содержит группы элементов, состоящие из элементов, разных размеров и имеющих разную геометрическую форму.
Согласно другому варианту воплощения элементы разложения равномерно выступают из диэлектрической прокладки.
Согласно другому варианту воплощения, элементы разложения равномерно утоплены в диэлектрической прокладке.
Согласно другому варианту воплощения устройство дополнительно содержит зеркало для позиционирования устройства по его продольной оси параллельно воспринимаемому излучению.
Согласно другому варианту воплощения элементом преобразования информационного потока электронов является люминесцентный экран.
Согласно другому варианту воплощения, элемент преобразования информационного потока электронов преобразует информационный поток электронов в электрический сигнал, обеспечивающий формирование электронного изображения в виде сигнала, поступающего, после обработки электронным блоком обработки, в устройство воспроизведения изображения.
Согласно другому варианту воплощения элементом преобразования информационного потока электронов в электрический сигнал является электронно-возбуждаемая матрица прибора с зарядовой связью (ЭВПЗС) или электронно-чувствительная матрица ПЗС (ЭЧПЗС).
Поставленная задача, согласно второму аспекту настоящего изобретения, решается предоставлением способа визуализации электромагнитных излучений, содержащего этапы, на которых воспринимают электромагнитное излучение с помощью линзовой антенны, фокусируют воспринятое электромагнитное излучение на чувствительный элемент, содержащий металлическое основание-подложку с диэлектрической прокладкой и набор элементов разложения, преобразуют сфокусированное электромагнитное излучение в переменные электрические заряды с частотой, заданной геометрическими размерами элемента разложения, обеспечивают устойчивую эмиссию электронов посредством создания внешнего статического поля с энергией, равной:
А
в мат
в0
эми
Е=Е - Е- Е
где:
в мат
Е- энергия выхода электронов материала,
в0
Е - энергия покоя электрона,
эми
Е- переменная энергия заряда, сгенерированного на обкладке элемента разложения при приеме поглощенного визуализируемого электромагнитного излучения,
А
Е- энергия внешнего однородного статического электрического поля,
формируют изображение посредством элемента преобразования информационного потока электронов.
Согласно другому варианту воплощения, дополнительно, посредством зеркала, регулируют направление сфокусированного воспринятого электромагнитного излучения
Согласно другому варианту воплощения изображение формируют посредством люминесцентного экрана.
Согласно другому варианту воплощения этап формирования изображения включает в себя формирование электрического сигнала, обработку полученного электрического сигнала электронным блоком обработки, воспроизведение обработанного электрического сигнала с помощью устройства воспроизведения изображения.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых: фиг. 1 изображает схематический вид устройства визуализации излучения согласно первому предпочтительному варианту воплощения.
Фиг. 2 изображает схематический вид устройства визуализации излучения согласно второму предпочтительному варианту воплощения.
Фиг. 3 и 4 схематически изображают варианты воплощения чувствительного элемента с наборами элементов разложения.
Фиг. 5, 6, 7 схематически изображают варианты воплощения наборов элементов разложения с принимающей частью различной геометрии показаны при виде сверху.
Описание предпочтительных вариантов воплощения
Принцип работы одного предпочтительного варианта воплощения устройства визуализации СВЧ излучения основан на матричной емкостной или сплошной мишени, способной поглощать электромагнитное излучение и дополнительно обладающей возможностью комбинированной автоэлектронной эмиссии во внешнем сильном постоянном электрическом поле, с предварительным возбуждением электронов, пропорционально энергии поглощенного излучения.
Преимуществом используемого здесь эффекта комбинированной автоэлектронной эмиссии является то, что она практически безынерционна и обеспечивает получение изображения падающего электромагнитного излучения в реальном времени практически без шумов и с высоким разрешением.
Использование в качестве приемника электромагнитного излучения радиопоглощающих материалов с высокой поглощающей способностью позволяет повысить чувствительность визуализатора и уменьшить его массу и размеры.
Использование сочетания радиопоглощающих свойств и возможности комбинированной автоэлектронной эмиссии с предварительным возбуждением электронов позволяет значительно снизить энергопотребление устройства визуализации и при этом повысить качество изображения.
Устройство визуализации согласно первому предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения (фиг.1) содержит: линзовую антенну 1, в фокальной плоскости которой находится окно 2, вакуумированный диэлектрический корпус 3 с экраном 4, в котором расположено упомянутое окно 2, пропускающее электромагнитное излучение к чувствительному элементу 5, который, в свою очередь, содержит металлическое основание-подложку 6 с диэлектрической прокладкой со стороны падающего излучения, с набором элементов 7 разложения, расположенных на ней; электронно-оптический преобразователь 8; элемент преобразования информационного потока электронов в электрический сигнал 9; электронный блок 10 обработки, устройство 11 воспроизведения изображения.
Согласно первому предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения устройство визуализации электромагнитного излучения работает следующим образом.
Микроволновое излучение поступает через линзовую антенну 1 и фокусируется через окно 2 экрана 4 вакуумированного диэлектрического корпуса 3 в виде информационной картины исследуемого объекта на чувствительном элементе 5.
Чувствительный элемент 5, содержащий металлическое основание-подложку 6 с диэлектрической прокладкой с расположенным на ней набором элементов 7 разложения, принимает сфокусированное электромагнитное излучение. Таким электромагнитным излучением может быть, в частности, излучение СВЧ диапазона. Каждый из элементов 7 разложения является элементарной антенной, выполненной из тонкого токопроводящего материала с высокой автоэлектронной эмиссией (например, графита).
Согласно вариантам воплощения наборы элементов разложения выполнены равномерно утопленными в диэлектрической прокладке (фиг 3.) или выступают из нее (фиг. 4).
При этом каждый элемент 7 разложения, выполненный как емкостной элемент, поглощает падающее излучение визуализируемого диапазона. Он представляет собой элементарную антенну с принимающей частью, выполненной однослойной в форме круга, прямоугольника, трапеции, треугольника, шестигранника или другого многоугольника, описываемого окружностью. Варианты воплощения наборов элементов разложения с принимающей частью различной геометрии показаны на Фиг. 5, 6, 7. По всей поверхности чувствительного элемента 5 принимающие части элементов 7 разложения выстроены в регулярные столбцы и/или ряды. В предпочтительном варианте плоскости принимающих частей элементов 7 разложения совпадают с плоскостью диэлектрической подложки, в которой размещены элементы 7 разложения.
Согласно другому предпочтительному варианту воплощения для расширения спектра визуализируемого излучения, чувствительный элемент 5 состоит из набора элементов 7 разложения, содержащего элементы разных размеров и одинаковой геометрической формы.
th
th
2
Таким образом, согласно предпочтительному варианту воплощения принимающая часть элемента 7 разложения является информационной обкладкой конденсатора, второй обкладкой которого является металлическая подложка 6 и одновременно емкостной нагрузкой. В то же время, каждый из элементов 7 разложения изготовлен из материала, обладающего высокой автоэлектронной эмиссией электронов при низком значении напряженности электрического поля (например, графита). Емкостные элементы, выполненные по технологии печатных плат, могут быть очень тонкими, например выполненными из углеродных пленок, полученных методом газофазного химического осаждения. Упомянутые пленки обладают свойством высокой автоэлектронной эмиссии при относительно небольших значениях напряженности электрического поля. Так, пороговое значение напряженности Е электрического поля, вызывающего эмиссию электронов, составляет менее 1,5 В/мкм для графитоподобных пленок. Одновременно, уменьшение Еприводит к заметному увеличению эмиссионного тока, который достигает для графитоподобных пленок значения 1 мА/см уже при поле 4 В/мкм.
Графитоподобные пленки представляют собой достаточно однородный по электропроводности материал, и по данным электронной сканирующей микроскопии их поверхность не имеет значительных выступов (Образцов А.Н. и др. Механизм холодной эмиссии электронов из углеродных материалов. Письма в ЖЭТФ, том 68, вып. 1, стр.56-60).
Емкостные элементы, выполненные по такой технологии, имеют линейные размеры на порядок меньше длины падающих волн (патент RU 2125327).
Поскольку каждый элемент разложения, составляющий чувствительный элемент, способен частично поглощать падающее на него излучение, то этим свойством обладает и сам чувствительный элемент в целом.
Таким образом, каждый из элементов 7 разложения представляет собой упорядоченно расположенный электрический диполь, поглощающий излучение в заданном диапазоне, и является одновременно информационной обкладкой конденсатора, имеющей емкостную связь с общей металлической подложкой 6. Под действием воспринимаемого электромагнитного излучения каждый элемент 7 разложения генерирует на своих обкладках переменный электрический заряд с частотой, зависящей от геометрических размеров элемента 7 разложения.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту воплощения чувствительный элемент 5 выполнен с единым сплошным элементом разложения. В этом случае, электрический диполь представлен на атомном и молекулярном уровне, то есть сами атом и молекула сплошного элемента разложения являются электрическими диполями, работающими аналогично вышеописанному (Физика: Энциклопедия /Под ред. Ю.В.Прохорова. -М., Большая Российская энциклопедия, 2003.-944 с., стр.161-163).
Одновременно, для создания условия работы выхода электронов, с помощью электронно-оптического преобразователя 8 (ЭОП) создается внешнее электростатическое поле. При этом обеспечивается необходимое условие:
А
в мат
в0
эми
Е=Е - Е- Е
где:
в мат
Е- энергия выхода электронов материала,
в0
Е - энергия покоя электрона,
эми
Е- переменная энергия заряда, сгенерированного на обкладке элемента разложения при приеме визуализируемого электромагнитного излучения,
А
Е- энергия внешнего однородного статического электрического поля,
в0
А
эми
в0
А
в мат
эми
Сумма Е и Е выбирается такой, чтобы энергия Е и, соответственно, наведенный на элементе 7 разложения заряд в заданном диапазоне могли влиять на вероятность испускания электронов с поверхности элемента 7 разложения. Для этого, например, сумма Еи Е выбирается настолько близкой к Е, чтобы под воздействием Е энергия электрона максимально приближалась к потенциальному барьеру или превышала его.
Таким образом, когда на чувствительный элемент 5, находящийся под действием внешнего однородного статического поля, падает визуализируемое электромагнитное излучение и поглощается им, энергия электронов, находящихся на границе элемент разложения/вакуум, приближается к потенциальному барьеру или превышает его, и возникает эффект комбинированной автоэлектронной эмиссии, при котором электроны испускаются с поверхности элементов 7 разложения (Щука А.А. Электроника. - СПб., 2006. - 800 с, стр.58-59, 64-66).
Далее, ускоренные под действием ускоряющего электрического поля ЭОП 8 электроны переносятся на плоскость элемента 9 преобразования информационного потока электронов в электрический сигнал, воспроизводящего выходной информационный электрический сигнал визуализации. На пути электронного потока от чувствительного элемента 5 к элементу 9 внутри вакуумированного диэлектрического корпуса 3 на электроны воздействует фокусирующая система, заставляющая электроны двигаться строго по заданным траекториям и обеспечивающая формирование четко сфокусированного электронного изображения на элементе 9. Полученный таким образом информационный электрический сигнал, идентичный исходному излучению (поступившему на чувствительный элемент 5) преобразуется электронным блоком 10 обработки и регистрируется любым принимающим устройством 11 воспроизведения изображения.
Согласно второму предпочтительному варианту воплощения (Фиг.2) устройство дополнительно содержит зеркало 13 для позиционирования устройства по его продольной оси параллельно воспринимаемому излучению, при этом ЭОП содержит люминесцентный экран 14, на котором формируется четко сфокусированное электронное изображение. Каждая точка люминесцентного экрана 14 излучает свет с яркостью, пропорциональной энергии и скорости электронов, бомбардирующих эту точку и в зависимости от энергии, поглощенной элементом 7 разложения электромагнитного излучения. Далее, полученное таким образом изображение через окно 15 в экране 4 может восприниматься через окуляр 16 человеческим глазом.