ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ В ВИДИМОЙ И ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТЯХ СПЕКТРА

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована при испытаниях и контроле параметров многоканальных оптико-электронных систем, работающих в видимой и инфракрасной (ИК) областях спектра.
В процессе испытаний и контроля многоканальных оптико-электронных систем, в частности, при их настройке и калибровке, необходимо осуществлять юстировку и сведение оптических осей каналов, работающих в разных спектральных диапазонах. Это необходимо ужесточает требования как к используемым при решении этой задачи источникам излучения, так и к коллимационным устройствам оптико-электронных систем, в фокальных узлах которых конструктивно располагаются указанные источники излучения.
Так, желательно использовать источник излучения, обеспечивающий одновременное испускание излучения в широкой спектральной области (под широкой спектральной областью здесь понимается спектральный интервал, включающий видимый и инфракрасный диапазоны спектра), вместо набора ряда источников, излучающих в разных узких участках спектра. Это позволит успешно решить задачу создания компактного фокального узла коллимационного устройства.
Использование в качестве источников излучения ламп накаливания в комбинации с набором светофильтров формирует требуемый состав излучения в широкой спектральной области, однако имеет и ряд недостатков, основным из которых, помимо громоздкости, является существенное падение энергии излучения в средней и дальней ИК областях спектра. В результате такие источники излучения непригодны для настройки систем с инфракрасными каналами.
Наиболее близким устройством того же назначения, что и заявляемое, по совокупности существенных признаков, является источник излучения в видимой и ИК областях спектра, описанный в [Патент РФ №2511204, дата приор. 13.06.2012, опубл. 20.12.2013, Бюл. №35], выбранный нами в качестве прототипа. Устройство содержит корпус с диафрагмой, а также размещенные в корпусе инфракрасный излучатель в ИК области спектра и источник видимого излучения, в качестве которого могут быть использованы светодиод или лампа накаливания. В качестве излучателя в ИК области спектра в известном устройстве используется термомодуль, состоящий из элемента Пельтье, а также плата подсветки и нагрева, установленная на «горячей» пластине термомодуля с обеспечением теплового контакта, представляющая собой пластину из теплопроводного изоляционного материала. Плоский тепловой элемент (нагреваемая пластина) установлен в устройстве с возможностью облучения диафрагмы тепловым излучением. Источник видимого излучения оптически сопряжен с диафрагмой.
Источник излучения функционирует следующим образом. После подключения напряжения питания к пластинам термомодуля (элемента Пельтье), последние начинают набирать температурный контраст. Установленная на «горячей» пластине термомодуля теплопроводная пластина с установленным на ней светодиодом нагревается. При установке диафрагмы с помощью механических подвижек на входе в тепловизионный канал тепловое излучение нагретой пластины облучает диафрагму и проходит далее в тепловизионный канал устройства, содержащего источник излучения. Схемы питания светодиода и термомодуля от источника электропитания согласованы. Видимое излучение, испускаемое светодиодом, также облучает диафрагму. При установке диафрагмы с помощью механических подвижек на входе в телевизионный канал устройства видимое излучение проходит далее в телевизионный канал.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются размещенные в корпусе прибора плоский элемент, являющийся тепловым излучателем, установленный с возможностью облучения диафрагмы, и светодиод, излучающий в видимой области спектра, оптически сопряженный с диафрагмой.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании известного технического решения, относятся следующие.
Вследствие конструктивного размещения светодиода в известном устройстве на нагреваемом плоском элементе существенно ограничивается рабочий диапазон температур инфракрасного излучателя, верхняя граница которого не должна превышать эксплуатационной температуры светодиода для предотвращения возможного выхода из строя последнего (по оценкам указанная температура составляет порядка 110°С). Также вследствие экранирования нагреваемого плоского элемента корпусом светодиода испускаемое ИК излучение неравномерно распределено в пространстве. Что касается видимого излучения, то оно также неравномерно распределено в пространстве вследствие узости диаграммы направленности излучения светодиода. Указанная неравномерность распределения в пространстве инфракрасного и видимого излучений влечет за собой неравномерность распределения в пространстве этих излучений и после прохождения диафрагмы на входе в тепловизионный и телевизионный каналы. К недостаткам известного устройства можно отнести определенную его усложненность и громоздкость конструкции, связанных, в том числе, с применением элемента Пельтье, включая источники обеспечения функционирования элемента Пельтье.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является неравномерность распределения в пространстве излучения в видимой и ИК областях спектра, ограниченный рабочий диапазон температур излучения в ИК области спектра, сложность и громоздкость конструкции источника излучения в видимой и ИК областях спектра.
Техническим результатом, который достигается при реализации заявляемой полезной модели, является создание источника излучения, обеспечивающего высокую равномерность распределения в пространстве излучения в видимой и ИК областях спектра, расширение рабочего диапазона температур в ИК области спектра, а также упрощение конструкции при существенном уменьшении габаритных размеров источника излучения. Конструкция устройства позволяет обеспечить одновременное прохождение видимого и ИК-излучения через диафрагму в корпусе устройства, при этом пучки лучей видимого и ИК-диапазонов, падающих на диафрагму, формируются одним участком поверхности плоского теплового излучателя. Благодаря этому повышается точность в задачах контроля оптических осей каналов, работающих в разных спектральных диапазонах.
Указанный технический результат достигается тем, что в источнике излучения в видимой и инфракрасной областях спектра, содержащем корпус с диафрагмой, размещенные в корпусе плоский тепловой излучатель и светодиод, при этом тепловой излучатель установлен с возможностью облучения диафрагмы, а светодиод оптически сопряжен с диафрагмой и излучает в видимой области спектра, в соответствии с заявляемым техническим решением плоскость теплового излучателя составляет угол 45° с плоскостью диафрагмы, светодиод установлен на внутренней поверхности корпуса так, что излучение светодиода освещает излучающую поверхность плоского теплового излучателя, при этом ось диаграммы направленности излучения светодиода составляет угол 45° с плоскостью излучающей поверхности теплового излучателя и проходит через его центр, в качестве плоского теплового излучателя используется чип-резистор, излучающая поверхность которого выполнена шероховатой.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, где 1 - корпус, 2 - диафрагма, 3 - плоский тепловой излучатель, 4 - светодиод, 5 - электрические выводы плоского теплового излучателя, 6 - электрические выводы светодиода.
Работа устройства поясняется на примере конкретного выполнения.
Источник излучения в видимой и ИК областях спектра включает корпус 1 с диафрагмой 2 (фиг. 1). Плоский тепловой излучатель 3 располагается внутри корпуса 1 так, что плоскость теплового излучателя составляет угол 45° с плоскостью диафрагмы 2. В качестве теплового излучателя 3 использован чип-резистор. Чип-резистор для поверхностного монтажа, выполненный по SMD (surface mounted device) - технологии, представляет собой миниатюрный резистор, в нашем случае применен резистор smd 2512.
На поверхности чип-резистора создавался шероховатый поверхностный слой. Для этого поверхность чип-резистора обрабатывалась шлифовальным порошком, имеющим зернистость М7 по ГОСТ 3647-80 (или F800 по стандарту FEPA) с размером зерна основной фракции (5-7) мкм. После такой обработки поверхность резистора имела микрорельеф, характеризующийся параметром Rz=1,25-1,75 мкм [Справочник технолога оптика. - Справочник / И.Я. Бубис, В.Л. Вейденбах, И.И. Духопел и др. под общей редакцией д.т.н. С.М. Кузнецова, к.х.н. М.А. Окатова. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983. - 414 с ил.]).
Светодиод 4 был установлен на внутренней поверхности корпуса так, что излучение светодиода освещало шероховатую поверхность плоского теплового излучателя 3. Ось диаграммы направленности излучения светодиода 4 составляла угол 45° с плоскостью излучающей поверхности теплового излучателя 3 и проходила через его центр. При таких условиях отраженное от шероховатой поверхности излучение равномерно заполняло диафрагму 2 без существенных потерь в интенсивности.
Плоский тепловой излучатель 3 и светодиод 4 крепились на корпусе 1 с помощью уголковых держателей.
При подаче напряжения питания на электрические выводы теплового излучателя 3 и светодиода 4 осуществляется, соответственно, нагрев поверхности чип-резистора и испускание излучения светодиода в видимой области спектра. Поверхность чип-резистора начинает излучать в ИК области спектра. Освещенная излучением светодиода 4 нагретая поверхность теплового излучателя 3 одновременно является диффузным рассеивателем для видимого излучения от светодиода. При этом через диафрагму 2 одновременно выходят два пучка лучей, видимого и ИК-диапазонов, формируемые при этом одним участком поверхности теплового излучателя 3.
Замена излучения с узкой диаграммой направленности на излучение с рассеянием от шероховатой поверхности обеспечивает лучшую равномерность индикатрисы видимого излучения, включая углы падения и наблюдения, близкие к 45°. Интенсивность видимого излучения, проходящего через диафрагму, вполне достаточна для реализации задачи юстировки и сведения оптических осей.
Для обеспечения нагрева чип-резистора и питания светодиода в реализованном устройстве был использован двухканальный источник питания постоянного тока, связанный с электрическими выводами светодиода и контактами чип-резистора. Источник имеет режимы регулировки и стабилизации по току и напряжению для обеспечения требуемой мощности излучения светодиода и тепловой мощности, выделяемой на чип-резисторе.
Предложенное техническое решение позволяет существенно повысить равномерность распределения в пространстве индикатрисы теплового излучения вследствие однородности по поверхности коэффициента излучения плоского теплового излучателя и равномерность распределения видимого излучения вследствие диффузного характера рассеяния излучения на шероховатой поверхности плоского теплового излучателя. Кроме этого, обеспечивается расширение температурного диапазона теплового источника излучения. Границы испускаемого теплового излучения в ИК диапазоне и длина волны максимума излучения определяются температурой, допустимой для плоского теплового излучателя (в нашем случае до 210°С). Спектральный состав излучения в видимой области определяется типом светодиода.
Как уже упоминалось выше, пучки лучей видимого и ИК-диапазонов, падающих на диафрагму, формируются на одном участке поверхности плоского теплового излучателя, что гораздо предпочтительней для настроек многоканальных систем. В этом случае отсутствует влияние различных участков поверхности на распределение видимого и теплового излучения в пучках, проходящих через диафрагму, что ведет впоследствии к минимизации ошибок согласования осей юстируемой многоканальной системы.
В сравнении с устройством-прототипом предложенное техническое решение позволяет отказаться от использования довольно сложного и дорогого в изготовлении термомодуля, состоящего из элемента Пельтье и блоков обеспечения его функционирования. Предложенный широкополосный источник излучения характеризуется упрощением конструкции при существенном уменьшении габаритных размеров.