Устройство регистрации теплового излучения

 

Изобретение относится к области тепловидения. Устройство содержит инфракрасный объектив, вакуумный корпус с просветленными фронтальным и тыльным окнами. Внутри корпуса размещены диафрагма, стабилизатор температуры и плоскопараллельная подложка из полупроводникового или диэлектрического материала, прозрачного для видимого света, с закрепленными на ее фронтальной поверхности светопоглощающими пластинами с поглощающей и зеркальной металлической поверхностью, обращенной к подложке. Особенность устройства заключается в том, что на фронтальную поверхность подложки нанесен прозрачный для видимого света проводящий слой и дополнительно введен источник напряжения, один выход которого подсоединен к прозрачному для видимого света проводящему слою, другой соединен с электопроводящим вакуумным корпусом, а светопоглощающие пластины выполнены из двух слоев материалов с разными коэффициентами термического расширения, причем через центр тяжести светопоглощающей пластины проходит линия, соединяющая точки крепления пластины. Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности устройства и улучшение однородности характеристик элементов матричного устройства. 3 ил.

Изобретение относится к области тепловидения и может использоваться как для наблюдения и регистрации тепловых изображений объектов, так и для измерения их температуры.

Известно тепловое фотоприемное устройство, использующее оптическое считывание информации, принцип действия которого основан на изменении положения пластины с поглощающей и зеркальной поверхностями (Tohru Ishizuya, Junji Suzuki,... "Optically Readable Bi-material Infrared Detector", SPIE, 2001, vol. 4369, p.342). Изменение положения пластины обеспечивается конструкцией крепления, содержащей термоизолирующий элемент и элемент из двух слоев материалов с разными коэффициентами термического расширения. При поглощении регистрируемого инфракрасного излучения изменяется температура пластины и элемента из двух слоев материалов с разными коэффициентами термического расширения, что приводит к его деформации и изменению положения (угла наклона к подложке) пластины. Зеркальная поверхность пластины (или массива пластин для матричного устройства) освещается источником видимого света, а отраженный свет, прошедший через специальную маску, регистрируется видеокамерой или непосредственно глазом наблюдателя.

Недостатками устройства являются значительный разброс чувствительности пикселей матрицы и относительно низкая чувствительность (порядка 0,5°C).

Известно устройство регистрации теплового излучения (патент РФ №2148802 от 27.01.1999 г.), состоящее из инфракрасного объектива, вакуумного корпуса с фронтальным и тыльным просветленными окнами, содержащего апертурную диафрагму, стабилизатор температуры подложки и саму плоскопараллельную полированную подложку, выполненную из диэлектрического или полупроводникового прозрачного для видимого света материала, с закрепленными на ее фронтальной поверхности посредством термоизолирующих элементов и элементов из двух слоев материалов с разными коэффициентами термического расширения светопоглощающими пластинами в количестве n×m, где n - число строк, m - число столбцов матрицы, с поглощающей и зеркальной металлической, обращенной к подложке, поверхностями. Устройство также содержит источник монохроматического видимого света, расположенный с тыльной стороны подложки, свет которого направлен на тыльную сторону подложки, проходит на фронтальную сторону подложки и зеркальную металлическую поверхность светопоглощающей пластины, и регистрирующий прибор, чувствительный к видимому свету, регистрирующий отраженные зеркальной металлической поверхностью каждой пластины и фронтальной поверхностью подложки интерферирующие между собой лучи.

Недостатками устройства является низкая по сравнению с теоретически рассчитанной (3 м·К) чувствительность и плохая воспроизводимость результатов, связанные как с конструктивными особенностями устройства, так и с несовершенством реальной технологии. Конструктивный недостаток заключается в том, что термоизолирующий элемент и элемент из двух слоев материалов с разными коэффициентами термического расширения расположены с одной стороны от светопоглощающей пластины. К названным элементам предъявляются противоречивые требования. С одной стороны, эти элементы должны обеспечить достаточную прочность и жесткость конструкции для предотвращения паразитных перемещений светопоглощающей пластины, что требует увеличения их сечения. С другой стороны, для повышения чувствительности эти элементы должны обеспечить максимальную тепловую развязку с подложкой, что требует уменьшения их сечения. Уменьшение сечения элементов приводит к увеличению разброса характеристик пикселей матрицы тем в большей степени, чем ближе размеры названных элементов к технологическим допускам.

Кроме того, материалы двухслойного элемента имеют не только разные коэффициенты термического расширения, но и разные коэффициенты теплопроводности, следовательно, суммарная теплопроводность элемента будет больше, чем элемента, выполненного из одного материала с меньшей теплопроводностью. Компенсировать этот проигрыш за счет увеличения длины термоизолирующего элемента не всегда возможно (особенно в матричных фотоприемниках) из-за ограниченных размеров фотоприемной ячейки (пикселя).

Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности устройства регистрации теплового излучения и улучшение однородности характеристик элементов матричного устройства.

Технический результат достигается тем, что в устройстве регистрации теплового излучения, состоящем из инфракрасного объектива, вакуумного корпуса с просветленными фронтальным и тыльным окнами, содержащего апертурную диафрагму, стабилизатор температуры и плоскопараллельную полированную подложку, выполненную из прозрачного для видимого света диэлектрического или полупроводникового материала, с закрепленными на ее фронтальной поверхности посредством термоизолирующих элементов светопоглощающих пластин в количестве n×m, где n - число строк, m - число столбцов, с поглощающей и зеркальной металлической поверхностью, обращенной к подложке, источник монохроматического видимого света, расположенный с тыльной стороны подложки, свет которого направлен на тыльную сторону подложки, проходит на фронтальную сторону подложки и зеркальную металлическую поверхность светопоглощающей пластины, и регистрирующий прибор, чувствительный к видимому свету, регистрирующий отраженные зеркальной металлической поверхностью каждой светопоглощающей пластины и фронтальной поверхностью подложки интерферирующие между собой лучи, причем на фронтальную поверхность подложки нанесен прозрачный для видимого света проводящий слой и дополнительно введен источник напряжения, один выход которого подсоединен к прозрачному для видимого света проводящему слою, другой выход соединен с электропроводящим вакуумным корпусом устройства, а светопоглощающие пластины выполнены из двух слоев материалов с разными коэффициентами термического расширения и закреплены на подложке посредством одной или нескольких пар термоизолирующих элементов, выполненных в виде растяжек, таким образом, что для каждой пары прямая линия, соединяющая точки крепления светопоглощающей пластины, проходит через ее центр тяжести.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства.

На фиг.2 показаны возможные конструкции пикселя.

На фиг.3 показан ход лучей при оптическом считывании.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, где (1) - инфракрасный объектив, (2) - фронтальное окно с просветляющими покрытиями, (3) - электропроводящий вакуумный корпус, (4) - апертурная диафрагма, (5) - поглощающее покрытие светопоглощающей пластины, (6) - светопоглощающая пластина из двух слоев материалов с разным коэффициентом температурного расширения, (7) - термоизолирующий элемент, (8) - зеркальная металлическая поверхность светопоглощающей пластины, (9) - прозрачный электропроводящий слой, (10) - подложка, (11) - стабилизатор температуры подложки, (12) - тыльное окно с просветляющими покрытиями, (13) - дополнительный объектив или окуляр, (14) - источники видимого света, (15) - регистрирующий прибор, (16) - источник напряжения.

На фиг.2 показаны возможные варианты конструкции пикселя, вид сверху на фронтальную поверхность подложки.

Видно, что термоизолирующие элементы-растяжки (7) расположены таким образом, что для каждой пары термоизолирующих элементов-растяжек, прямые линии (показаны пунктиром), соединяющие точки крепления светопоглощающей пластины (6) проходят через ее центр тяжести. Возможны и другие конструкции пикселя с разной формой светопоглощающей пластины и термоизолирующих элементов-растяжек.

На фиг.3 показан ход лучей при оптическом считывании. Здесь (17) - область крепления термоизолирующего элемента, (18) - "свободный" край светопоглощающей пластины, d₀ - расстояние между зеркальной металлической поверхностью светопоглощающей пластины вблизи точки крепления и фронтальной поверхностью подложки, d - расстояние между зеркальной поверхностью "свободного" края светопоглощающей пластины и фронтальной поверхностью подложки.

Рассмотрим работу устройства на примере одиночного фотоприемника (m=n=1). Пусть вначале тепловое излучение не попадает на фотоприемник, при этом светопоглощающая пластина (6) плоская. Если расстояние от ее зеркальной металлической поверхности (8) до фронтальной поверхности подложки (10) равно d=λ/4+k×λ/2, где λ - длина волны видимого света, k=0, 1, 2, 3,..., то интенсивность отраженного видимого света будет минимальной, а при R=1/3 будет равна нулю. Это будет выполняться в случае, если светопоглощающая пластина параллельна фронтальной плоскости подложки. При воздействии возмущающих факторов, таких как, например, сила тяжести или электростатические силы притяжения к подложке, параллельность может быть нарушена и интенсивность отраженного света будет зависеть от наклона пластины (в матричных устройствах наклон пластин отдельных пикселей может оказаться разным). Для устранения этого нежелательного эффекта на проводящий слой, нанесенный на фронтальную поверхность подложки (9), подается электрическое напряжение от источника (16). Если термоизолирующие элементы-растяжки (7) выполнены из диэлектрика (а это наиболее предпочтительный с точки зрения минимизации теплопроводности вариант), то под действием электрического поля наведенные на светопоглощающей пластине заряды будут притягиваться к проводящему слою (9). Светопоглощающая пластина (6) будет находиться в состоянии неустойчивого равновесия. При достаточной величине напряжения (его величина зависит от упругих свойств теплоизолирующих элементов-растяжек, от расстояния до подложки и определяется экспериментально в диапазоне 10-10000 В) светопоглощающая пластина коснется одним из своих свободных краев (18) проводящего слоя (9) и ее заряд станет одного знака с зарядом проводящего слоя. Возникшая сила электростатического отталкивания приведет светопоглощающую пластину в состояние устойчивого равновесия, и ее плоскость станет параллельной фронтальной поверхности подложки. Несмотря на это, возможны механические колебания пластины, которые вызовут изменение сигнала с пикселя с частотой колебаний, поэтому полезно применять известные способы демпфирования. Например, в вакууме можно применить демпфирование внешним магнитным полем, тогда возникающие в проводящем слое светопоглощающей пластины токи Фуко будут создавать собственное магнитное поле, взаимодействующее с внешним таким образом, что сила взаимодействия будет направлена против вектора перемещения светопоглощающей пластины. Для создания постоянного магнитного поля необходимо в устройство дополнительно ввести источник постоянного магнитного поля, имеющий в своем составе магнитопровод, постоянный магнит или электромагнит с источником его питания, имеющим управляющий вход, подсоединенный к выходу регистрирующего прибора (15).

Можно отказаться от демпфирования, если частота собственных колебаний светопоглощающей пластины будет много больше частоты кадров регистрирующего прибора. Тогда изменение сигнала за счет колебаний будет усреднено и не внесет ошибку в измеренное значение.

При регистрации теплового излучения оно проходит через инфракрасный объектив (1), просветленное окно (2), апертурную диафрагму (4) и поглощается в поглощающем покрытии (5). Выделившееся при этом тепло нагревает светопоглощающую пластину (6), состоящую из двух слоев материалов с разным коэффициентом температурного расширения, что приводит к ее деформации, при этом “свободные” края (18) светопоглощающей пластины (6) приблизятся к подложке (10) или удалятся от нее (это зависит от соотношения коэффициентов температурного расширения слоев). Величина суммарного светового потока, отраженного от пикселя, увеличится, т.к. для “свободных” краев уже не будет выполняться условие "гашения отраженного луча", d=λ/4+k×λ/2. Регистрирующий прибор (15) должен быть чувствителен в области спектра отраженного светового потока. В качестве регистрирующего прибора может использоваться телекамера, видеокамера, фотоаппарат или глаз наблюдателя.

Механическое напряжение, связанное с деформацией светопоглощающей пластины, направленное по линии, соединяющей точки крепления термоизолирующих элементов-растяжек, компенсируется силой натяжения последних.

Конструкция устройства допускает матричную организацию с числом пикселей (содержащих конструктивные элементы (5), (6), (7), (8)) n×m, n - число строк, m - число столбцов, размещенных на общей подложке (10). В реальных матричных устройствах числа n и m могут быть в диапазоне 1≤n≤10000, 1≤m≤10000.

Матрица фоточувствительных элементов (пикселей) изготовлена на подложке (10), выполненой из лейкосапфира. Светопоглощающие пластины (6) выполнены из двух слоев: слой алюминия и слой нитрида кремния. Слой алюминия при этом выполняет дополнительную роль зеркальной металлической поверхности (8). Поглощающее покрытие (5) выполнено напылением углерода. Термоизолирующие элементы-растяжки (7) выполнены из нитрида кремния.

Возможны варианты использования других слоев. Например, алюминий может быть заменен на серебро, медь, никель, цинк, а нитрид кремния - на карбид кремния или другие материалы с теплопроводностью менее 5 Вт/м•К. Зеркальная металлическая поверхность может быть выполнена напылением индия. Поглощающее покрытие (5) может быть изготовлено, например, из черненой платины или черненого серебра.

Инфракрасный объектив (1) изготовлен из кремниевых и германиевых линз, но может быть выполнен из других материалов, прозрачных для регистрируемого теплового излучения, или по зеркальной схеме. Окно (2) изготовлено из кремния, но может быть изготовлено из других материалов, прозрачных для регистрируемого теплового излучения. Окно (12) и объектив (окуляр) (13) - из оптического стекла. В качестве источника света (14) использован светодиод.

Прозрачный для видимого света проводящий слой (9) выполнен напылением окисла индия, In₂O₃, легированного оловом. Электропроводящий вакуумный корпус (3) выполнен из нержавеющей стали.

Стабилизатор температуры (11) изготовлен в виде массивного медного кольца, но может быть выполнен в виде блока, имеющего в своем составе нагреватель, холодильник, схему измерения температуры подложки, схемы питания, управления и регулирования режимов работы нагревателя и холодильника, управляющий вход, подключенный к выходу регистрирующего прибора (15).

Устройство может содержать в своем составе соединенные с регистрирующим прибором (15) блоки калибровки чувствительности и блоки измерения параметров окружающей среды, влияющих на точность измерения температуры объектов.

Источник постоянного напряжения (16) должен обеспечивать на своих выходах напряжение в диапазоне 10...10000 В при токе нагрузки порядка 1 мкА и может быть выполнен по известным схемам, например по схеме, аналогичной приведенной в статье: Ю. Виноградов, “Питание газоразрядного счетчика”, “Радио”, 1989 г., № 2, с.61.

Повышение чувствительности устройства обусловлено повышением теплового сопротивления термоизолирующего элемента-растяжки благодаря увеличению его длины и уменьшению его сечения. Теоретически рассчитанный уровень чувствительности для изготовленного устройства составил 2,5 ·К, что превышает известный уровень чувствительности для аналогичных устройств. Однородность характеристик элементов, таких как расстояние от зеркальной поверхности светопоглощающей пластины (центра и свободных краев) до фронтальной плоскости подложки, матричного устройства возросла на порядок величины.

Формула изобретения

Устройство регистрации теплового излучения, состоящее из инфракрасного объектива, вакуумного корпуса с просветленными фронтальным и тыльным окнами, содержащего апертурную диафрагму, стабилизатор температуры и плоскопараллельную полированную подложку, выполненную из прозрачного для видимого света диэлектрического или полупроводникового материала, с закрепленными на ее фронтальной поверхности посредством термоизолирующих элементов светопоглощающих пластин в количестве n×m, где n - число строк, m - число столбцов, с поглощающей и зеркальной металлической поверхностью, обращенной к подложке, источник монохроматического видимого света, расположенный с тыльной стороны подложки, свет которого направлен на тыльную сторону подложки, проходит на фронтальную сторону подложки и зеркальную металлическую поверхность светопоглощающей пластины, и регистрирующий прибор, чувствительный к видимому свету, регистрирующий отраженные зеркальной металлической поверхностью каждой светопоглощающей пластины и фронтальной поверхностью подложки интерферирующие между собой лучи, отличающееся тем, что на фронтальную поверхность подложки нанесен прозрачный для видимого света проводящий слой и дополнительно введен источник напряжения, один выход которого подсоединен к прозрачному для видимого света проводящему слою, другой выход соединен с электропроводящим вакуумным корпусом устройства, а светопоглощающие пластины выполнены из двух слоев материалов с разными коэффициентами термического расширения и закреплены на подложке посредством одной или нескольких пар термоизолирующих элементов, выполненных в виде растяжек таким образом, что для каждой пары прямая линия, соединяющая точки крепления светопоглощающей пластины, проходит через ее центр тяжести.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3