УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
INFRARED RADIATION VISUALISATION DEVICE

Изобретение относится к области измерений пространственного распределения электромагнитного излучения дальнего инфракрасного диапазона (включая терагерцовое).
Изобретение может быть использовано в системах ночного видения, обнаружения безоболочечных взрывных устройств, технической и медицинской диагностики.
Известно, что приемники излучения классификационно делятся на:
- класс фотонных (квантовых) фотоприемников, в которых энергия фотона преобразуется в некоторую первичную реакцию фотоприемника;
- класс тепловых, в которых энергия фотонов преобразуется в тепло, а реакция фотоприемника возникает как следствие повышения температуры чувствительного элемента.
Принципиальным недостатком фотонных фотоприемников является то обстоятельство, что энергия фотона обратно пропорциональна длине волны излучения (E=hc/λ где h - постоянная Планка; c - скорость света; λ - длина волны), что делает их применение невозможным при длинах волн более 20 мкм даже в случае криогенного охлаждения.
Тепловые фотоприемники имеют постоянную обнаружительную способность в диапазоне 1-2000 мкм, а в диапазоне 20-2000 мкм являются фактически единственным классом фотоприемных устройств, пригодных для практического применения (см., например, Киес Р.Дж. и др. Фотоприемники видимого и ИК-диапазонов. М. Радио и связь. 1985, с. 64, рис. 2.22).
В классе тепловых приемников особого внимания заслуживает приемник Голея, превосходящий по предельной обнаружительной способности пироэлектрические, термопарные и термисторные болометры, работающие без криогенного охлаждения в 5-15 раз и относящийся к числу наиболее широкополосных.
Ячейка Голея представляет собой заполненную газом камеру, один торец которой является входным окном для электромагнитного излучения, а противоположный торец закрыт гибкой мембраной с зеркальным покрытием с внешней стороны. Внутри камеры размещается поглощающий элемент. Термочувствительным элементом ячейки является газовая среда, которая при нагревании, вызванном поглощением электромагнитной энергии, расширяется, вызывая деформацию гибкой мембраны, на наружную поверхность которой нанесено светоотражающее покрытие. Считывающий световой поток отражается от элемента с изменяющейся кривизной и попадает на детектор положения.
В зависимости от конструкции поглощающего элемента ячейки Голея могут быть селективными, в которых излучение поглощает заполняющий камеру газ, и, как следствие, спектральная чувствительность устройства определяется спектром поглощения заполняющего камеру газа. В неселективных устройствах поглощение излучения осуществляется тонкими металлическими пленками, размещаемыми внутри камеры на органических пленках или стенках камеры.
Известно техническое решение, представленное в матричном приемнике терагерцового излучения (Патент RU №2414688, «Матричный приемник терагерцового излучения», МПК G01J 5/42, опубл. 20.03.2011). Приемник имеет матричную структуру с ячейками Голея, каждая из которых представляет собой заполненную газом камеру, один торец которой является входным окном для электромагнитного излучения, противоположный торец закрыт гибкой мембраной с зеркальным покрытием с внешней стороны, а внутри камеры размещен поглощающий элемент. Поглощающий элемент ячейки Голея выполнен в виде ультратонкого (не менее чем в 50 раз меньше длины волны терагерцового излучения) резонансного поглощающего слоя, содержащего высокоимпедансную поверхность, обращенную к входному окну ячейки. Матрица содержит ячейки с заданными оптическими характеристиками поглощающих слоев, обусловленными заданной топологией высокоимпедансных поверхностей.
Недостатком известного технического решения является использование классической голеевской схемы визуализации пространственного распределения электромагнитного излучения. Классическая система визуализации геометрического рельефа поверхности предусматривает наличие специализированного источника света, специальной оптики, формирующей считывающий и отраженный пучки.
Известно техническое решение, представленное в инфракрасном детекторе (патент США №7045784 «Method and apparatus for mikro-Golay cell infrared detectors», МПК G01J 5/00, опубл.  16.05.2006), выбранное в качестве прототипа. Детектор представляет собой герметизированную сборку элементарных ячеек Голея, выполненную на микроканальной пластине (МКП), заполненную газом, один торец которой является входным окном для электромагнитного излучения и закрыт недеформируемой мембраной, а противоположный торец закрыт гибкой мембраной с зеркальным покрытием с внешней стороны. Система визуализации пространственного распределения электромагнитного излучения в патенте не детализирована.
Недостатками известного технического решения являются отсутствие системы автоматической компенсации изменений внешней температуры и давления, отсутствие технически простой и компактной системы визуализации.
Задачей изобретения является создание устройства для визуализации пространственного распределения ИК-излучения в реальном масштабе времени.
Поставленная задача решается тем, что в устройство для визуализации инфракрасного излучения, содержащее матричную структуру из ячеек Голея, представляющая собой плотноупакованную систему герметизированных рабочих камер, наполненных рабочим газом, внутри которой располагается поглощающая излучение тонкая металлическая пленка, один торец матричной структуры закрыт входным окном для электромагнитного излучения с нанесенным на внешнюю сторону прозрачным просветляющим покрытием, а второй торец матричной структуры закрыт гибкой мембраной с тонким металлизированным проводящим, на внутреннюю поверхность выходного окна нанесено прозрачное проводящее покрытие, затем тонкий слой электролюминофора, при этом образован электролюминесцентный конденсатор, включающий прозрачное проводящее покрытие, слой электролюминофора и тонкий металлизированный проводящий слой гибкой мембраны, а рабочая камера выполнена в виде цилиндра с высотой цилиндра, равной его диаметру, причем электролюминесцентный конденсатор выполнен питающимся переменным током повышенной частоты, далее рабочий газ представляет собой газ с низкой теплоемкостью и высокой теплопроводностью, далее электролюминесцентный конденсатор выполнен содержащим внутренний объем, заполненный газом, компенсирующим давление на гибкую мембрану со стороны рабочей камеры.
Технический эффект заявляемого устройства заключается в повышении частоты исследуемого излучения, в обеспечении автоматической компенсации изменений внешней температуры и давления, а также в значительном снижении весогабаритных характеристик устройства, снижении стоимости изготовления и в расширении ассортимента устройств данного назначения.
На фиг. 1 представлена схема, поясняющая работу заявляемого устройства для визуализации инфракрасного излучения, где 1 - прозрачное просветляющее покрытие, 2 - входное окно, 3 - герметизирующий клеевой слой, 4 - металлическая пленка, 5 - матричная структура из ячеек Голея, 6 - гибкая мембрана, 7 - металлизированный проводящий слой, 8 - выходное окно, 9 - прозрачное проводящее покрытие, 10 - тоководы питания, 11 - слой электролюминофора, 12 - распорная шайба, 13 - внутренний объем, 14 - рабочие камеры.
Заявляемое устройство для визуализации инфракрасного излучения работает следующим образом. Анализируемое ИК-излучение проходит через входное окно 2, являющееся одним торцом матричной структуры, имеющее прозрачное просветляющее покрытие 1 на внешней стороне, причем входное окно 2 выполнено из прозрачного в исследуемом диапазоне длин волн материала, отсекающего коротковолновую часть спектра (монокристаллический германий), и проникает в матричную структуру из ячеек Голея 5, представляющая собой плотноупакованную систему рабочих камер 14. Второй торец матричной структуры закрыт гибкой мембраной 6 с тонким металлизированным проводящим слоем 7.
Система рабочих камер 14 выполнена из фотоситалла по технологии микроканальных пластин электронно-оптических преобразователей, причем сама рабочая камера 14 выполнена в виде цилиндра с высотой, равной его диаметру.
В каждой из рабочих камер 14 ИК-излучение поглощается тонкой металлической пленкой 4, нагревая ее. Нагретая тонкая металлическая пленка 4 нагревает рабочий газ, заполняющий рабочую камеру 14. Рабочий газ представляет собой газ с низкой теплоемкостью и высокой теплопроводностью, например ксенон. Рабочий газ внутри каждой из рабочих камер 14 нагревается пропорционально поглощенному излучению, и его давление увеличивается. Увеличение давления в рабочей камере приводит к деформации гибкой мембраны 6, покрытой тонким металлизированным проводящим слоем 7. Торцевые поверхности матричной структуры из ячеек Голея 5 герметизируются герметизирующим клеевым слоем 3.
Таким образом, пространственное распределение электромагнитной энергии преобразуется в геометрический рельеф поверхности гибкой мембраны 6. Дополнительно на внутреннюю поверхность выходного окна 8 нанесено прозрачное проводящее покрытие 9, затем тонкий слой электролюминофора 11, при этом образован электролюминесцентный конденсатор, включающий прозрачное проводящее покрытие 9, слой электролюминофора 11 и тонкий металлизированный проводящий слой 7 гибкой мембраны 6. Второй обкладкой конденсатора является тонкий металлизированный проводящий слой 7 гибкой мембраны 6. Расстояние между проводящими слоями, а именно металлизированным проводящим слоем 7 и прозрачным проводящим покрытием 9, нормируется распорной шайбой 12. Электролюминесцентный конденсатор выполнен содержащим герметизированный внутренний объем 13, заполненный газом, компенсирующим давление на гибкую мембрану 6 со стороны рабочей камеры 14. Питание электролюминофорного конденсатора осуществляется переменным током повышенной частоты через тоководы питания 10 электролюминесцентного конденсатора.
Классическая система визуализации геометрического рельефа поверхности предусматривает наличие специализированного источника света, специальной оптики, формирующей считывающий и отраженный пучки. В нашем случае эти элементы полностью исключаются и заменяются электролюминесцентным конденсатором. Таким образом, геометрический рельеф поверхности гибкой мембраны (являющейся одной из обкладок электрооптического конденсатора) преобразуется в двумерное распределение свечения люминофора (нанесенного на внутреннюю поверхность выходного окна) в видимой области спектра. Это преобразование осуществляется в реальном масштабе времени.