Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6743
(13) U
(46) 2010.10.30
(51) МПК (2009)
G 01J 5/00
H 04N 5/33
(54) УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИК-ИЗОБРАЖЕНИЙ
В ВИДЕОСИГНАЛ
(21) Номер заявки: u 20100383
(22) 2010.04.17
(71) Заявитель: Государственное науч-
ное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Есман Александр Константи-
нович; Кулешов Владимир Констан-
тинович; Зыков Григорий Люциано-
вич; Залесский Валерий Борисович
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физи-
ки имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(57)
Устройство преобразования ИК-изображений в видеосигнал, содержащее объектив,
оптически связанный с матрицей преобразующих элементов, блок обработки информа-
ции, элемент излучения, фотоприемники, отличающееся тем, что содержит линзу, опти-
чески связанную с фотоприемниками, чувствительными в ближней ИК-области,
выполненными в виде матрицы, соответствующей матрице преобразующих элементов, и
электрически подключенными к блоку обработки информации, фокусирующую оптику,
оптически связанную через зеркало с матрицей преобразующих элементов и линзой, при-
чем элемент излучения оптически соединен с фокусирующей оптикой, а преобразующие
элементы матрицы выполнены на основе микрорезонаторов Фабри-Перо, представляю-
щих собой по две тонкопленочные интерференционные микроструктуры, между которы-
ми расположен разделяющий слой, прозрачный в ИК-области.
(56)
1. Арутюнов В.А., Васильев И.С., Иванов В.Г. и др. Перспективы разработок моно-
литных охлаждаемых матричных ИК-приборов для комплексированных многоспектраль-
ных систем обнаружения в диапазоне 1,5-5 и 8-12 мкм // Прикладная физика. - 2005. - № 5. -
С. 47-52.
2. Патент РБ 10398, 2008 (прототип).
BY6743U2010.10.30

2. BY 6743 U 2010.10.30
2
Полезная модель относится к области оптики и может быть использована в системах
обнаружения объектов, измерения распределения температуры, для визуализации ИК-
изображений в широком спектральном диапазоне и т.д.
Известно устройство преобразования ИК-изображений в видеосигнал [1], которое со-
стоит из объектива, оптически связанного с фоточувствительным прибором с зарядовой
связью (фотоматрицей ПЗС-элементов с барьерами Шоттки), соединенным с холодильни-
ком и подключенным к блоку аналоговой обработки, который связан с блоком аналого-
цифрового преобразования, последний соединен с блоком цифровой обработки, который
связан с цифроаналоговым преобразователем, причем элементы устройства, кроме объек-
тива и холодильника, соединены с блоком управления.
Данное устройство имеет недостаточную помехозащищенность и чувствительность
из-за влияния дестабилизирующих факторов, таких как электромагнитные наводки, иони-
зирующее излучение, высокие температуры и т.д.
Наиболее близким по технической сущности является устройство [2], содержащее
объектив, оптически связанный с матрицей преобразующих элементов, линейку фотопри-
емников, линейку лазеров, блок обработки информации, термостат, а преобразующие
элементы матрицы выполнены на основе микродисковых резонаторов, объединенных по
строкам и столбцам волноводами, причем входы волноводов столбцов оптически связаны
с соответствующими элементами излучения линейки лазеров, каждый из которых имеет
свою частоту излучения, собственные резонансные частоты микродисковых резонаторов
каждого столбца равны частоте излучения соответствующего элемента излучения линейки
лазеров, а волноводы строк оптически соединены с линейкой фотоприемников, электри-
чески подключенной к блоку обработки информации, электрически соединенному с ли-
нейкой лазеров, при этом матрица микродисковых резонаторов имеет тепловой контакт с
термостатом.
Описанное устройство обладает недостаточно высокой помехозащищенностью, обу-
словленной импульсным управлением линейкой источников излучения, создающим поме-
хи во время опроса линейки фотоприемников, а также невысокой стабильностью частоты
опроса пикселей, влияющей на достоверность считываемой информации. Кроме того,
сложность изготовления устройства, так как необходимо оборудование с разрешением
менее 100 нм.
Техническая задача - повышение достоверности преобразования информации за счет
повышения помехозащищенности и одновременное упрощение изготовления устройства.
Поставленная техническая задача достигается тем, что устройство преобразования
ИК-изображений в видеосигнал, содержащее объектив, оптически связанный с матрицей
преобразующих элементов, блок обработки информации, элемент излучения, фотоприем-
ники, содержит линзу, оптически связанную с фотоприемниками, чувствительными в
ближней ИК-области, выполненными в виде матрицы, соответствующей матрице преоб-
разующих элементов, и электрически подключенными к блоку обработки информации,
фокусирующую оптику, оптически связанную через зеркало с матрицей преобразующих
элементов и линзой, причем элемент излучения оптически соединен с фокусирующей оп-
тикой, а преобразующие элементы матрицы выполнены на основе микрорезонаторов
Фабри-Перо, представляющих собой по две тонкопленочные интерференционные микро-
структуры, между которыми расположен разделяющий слой, прозрачный в ИК-области.
Совокупность указанных признаков в предлагаемом устройстве позволяет повысить
достоверность преобразования информации за счет увеличения помехозащищенности, а
также обеспечивает возможность его изготовления по хорошо освоенной промышленно-
стью технологии за счет снижения требований к размерам и точности выполнения как от-
дельных элементов, так и расстояний между ними.
Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой приведена структурная схема
устройства, где:

3. BY 6743 U 2010.10.30
3
1 - объектив,
2 - матрица преобразующих элементов,
3 - зеркало,
4 - линза,
5 - фотоприемники,
6 - блок обработки информации,
7 - фокусирующая оптика,
8 - элемент излучения.
В заявленном устройстве объектив 1 оптически связан с матрицей преобразующих эле-
ментов 2, с которой через фокусирующую оптику 7 и зеркало 3 оптически связан элемент
излучения 8. Матрица преобразующих элементов 2 через линзу 4 оптически связана с фото-
приемниками 5, которые электрически соединены с блоком обработки информации 6.
В конкретном исполнении объектив 1 - это набор линз из германия. Матрица преобра-
зующих элементов 2 - это набор микрорезонаторов Фабри-Перо, выполненных из череду-
ющихся пленок микрокристаллического кремния, составляющих два интерференционных
зеркала, между которыми расположен разделяющий слой аморфного кремния. Зеркало 3 -
это слой алюминия толщиной 0,25 мкм, нанесенный на стеклянную подложку по вакуум-
ной технологии. Линза 4 - это стандартный объектив, используемый в телекамерах для
построения изображения. Фотоприемники 5 - это промышленно выпускаемая матрица
ПЗС-фотоприемников с максимумом чувствительности на длине электромагнитной волны
0,9 мкм (ближний диапазон инфракрасного излучения). Блок обработки информации 6 -
это набор микросхем для управления ПЗС-фотоприемниками и усиления их выходных
сигналов, а также сопряжения их с микропроцессором. Фокусирующая оптика 7 представ-
ляет собой стандартный конденсор, состоящий из двух линз. Элемент излучения 8 - это
серийно выпускаемый светодиод с длиной волны излучения 0,9 мкм.
Работа устройства осуществляется следующим образом. В исходном состоянии ИК-
излучение на входе объектива 1 отсутствует, а оптическое излучение с длиной волны
0,9 мкм элемента 8 через фокусирующую оптику 7 и зеркало 3 равномерно освещает мат-
рицу преобразующих элементов 2. Каждый микрорезонатор Фабри-Перо матрицы преоб-
разующих элементов 2 отражает часть этого оптического излучения, которое через линзу
4 поступает на соответствующий ему фотоприемник 5 матрицы ПЗС. По сигналам управ-
ления из блока обработки информации 6 опрашиваются все фотоприемники 5 матрицы
ПЗС, выходные электрические сигналы которой после усиления в блоке обработки ин-
формации 6 запоминаются в нем и являются опорными сигналами для последующих цик-
лов работы устройства. После этого через объектив 1 информационное инфракрасное
изображение поступает на матрицу преобразующих элементов 2. Каждый микрорезонатор
Фабри-Перо матрицы преобразующих элементов 2 нагревается в соответствии с посту-
пившей на него мощностью преобразуемого инфракрасного излучения. Это приводит к
смещению резонансной характеристики каждого микрорезонатора Фабри-Перо, величина
которого определяется его собственной температурой, и тем самым к соответствующему
изменению его коэффициента отражения. В результате этого оптическое излучение с дли-
ной волны 0,9 мкм, отраженное от каждого из микрорезонаторов Фабри-Перо матрицы
преобразующих элементов 2, поступает на соответствующие фотоприемники 5. После
считывания информации со всех фотоприемников 5 матрицы ПЗС в блок обработки ин-
формации 6 поступают электрические сигналы, в результате сравнения которых с опор-
ными сигналами формируется видеосигнал, соответствующий преобразуемому инфра-
красному изображению исследуемого объекта.
В предлагаемой полезной модели существенно увеличивается помехозащищенность и
достоверность считывания информации за счет исключения помех при считывании ин-
формации и использования стандартных алгоритмов считывания информации с фотопри-
емников 5 при высокостабильной частоте опроса. Элементарные ячейки матрицы

4. BY 6743 U 2010.10.30
4
преобразующих элементов 2 имеют размеры 20×20 мкм с зазором между ними 10 мкм, что
позволяет их изготавливать с использованием стандартной технологии, освоенной про-
мышленностью.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.