Двухканальный матричный инфракрасный приемник излучения фасеточного типа
Владельцы патента RU 2692934:
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Гириконд" (RU)
Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается приемника инфракрасного излучения. Двухспектральный инфракрасный приемник излучения содержит тонкопленочную матричную структуру планарных фотогальванических элементов на основе селенида свинца, снабженных оптическими фильтрами и расположенных вокруг единой оси по окружности с чередованием фотогальванических элементов двух разных каналов спектральной чувствительности. Фотогальванические элементы в четном количестве, не менее 12, выполненные на отдельных подложках в виде прямоугольников и равнобедренных треугольников, скомпонованы в объемную матричную структуру, размещенную на конструкционной основе, имеющей форму правильной усеченной пирамиды. Фотогальванические элементы, выполненные в виде прямоугольников, размещены на боковых гранях правильной усеченной пирамиды, а фотогальванические элементы, выполненные в виде равнобедренных треугольников, размещены на верхнем основании правильной усеченной пирамиды. Технический результат: увеличение поля зрения и применение селекции источника излучения как по спектральным характеристикам, так и по пространственному расположению. 5 ил., 1 табл.
Изобретение относится к приемникам инфракрасного излучения и может быть использовано в оптоэлектронных датчиках контрольно-измерительных приборов, таких как тепловизоры, пирометры и детекторы пламени.
Заявляемый двухспектральный приемник излучения имеет в своем составе фотогальванические элементы на основе селенида свинца с оптическими фильтрами, обладающие чувствительностью в двух разных заданных спектральных участках инфракрасного диапазона от 1 до 5 мкм. Конструктивное исполнение выполнено в виде многоэлементного матричного фотоприемного устройства с чередующимися элементами разных спектральных каналов, размещенных под разными углами к оптической оси фотоприемного устройства, и представляет собой устройство фасеточного типа. Наличие двух спектральных каналов обеспечивает возможность избирательного приема излучения заданного источника и отсеивание излучения помех, осуществляя спектральную селекцию полезного сигнала. Пространственная разнонаправленность элементов матрицы и соответствующих им полей зрения создает условия для избирательного контроля различных областей в пределах полного поля зрения фотоприемного устройства, без использования механических сканирующих систем.
В системах оптического контроля и обнаружения известны различные многоэлементные устройства, состоящих из различных фоточувствительных элементов, которые при совместном взаимодействии позволяют осуществлять спектральную селекцию контролируемого сигнала и пространственную селекцию источника излучения.
Известна оптико-пеленгационная система (патент RU 2365063), включающая в своем составе блок электронного сканирования пространства, состоящий из N оптико-электронных каналов, объективы которых равномерно расположены в азимутальной плоскости на окружности. Поля обзора этих объективов перекрывают сканируемое пространство в азимутальной плоскости без пропусков. Дополнительно имеется оптико-электронный канал механического сканирования пространства. Система работает в двух спектральных диапазонах и предназначена для кругового обзора, что определяется ее военным назначением. На базе данной конструкции построение фотоприемного устройства с широким полем зрения для контрольно-измерительных приборов представляется труднодостижимым по причине сложности оптико-механических элементов.
Известны способ определения двух угловых координат светящегося ориентира и многоэлементный фотоприемник для его реализации (патент RU 2509290). Описываемый фотоприемник характеризуется тем, что элементарные фотоприемники располагаются в потоке излучения светящегося ориентира с заданным угловым шагом относительно некоторой оси, что позволяет определять угловые координаты источника излучения. Конструкция фотоприемного устройства разработана с перспективой размещения интегральных схем обработки во внутренней части кристалла и создания на его основе датчика угловых координат. Данная особенность отразилась на параметрах фотоприемной части - она выполнена с небольшой эффективной фоточувствительной площадью и фоточувствительными элементами одного спектрального диапазона. Спектральная селекция реализуется за счет спектральной характеристики фоточувствительного элемента, что не позволяет эффективно бороться с излучением оптических помех.
Известна конструкция двухкоординатного солнечного датчика с полусферическим полем зрения (В.Д. Глазков, В.А. Котцов «Фасеточные датчики солнечной ориентации»). Базовыми элементами в данной конструкции являются фотоэлектрические преобразователи планарного типа, размещенные на боковых гранях правильной усеченной пирамиды. Наращивание числа граней пирамидальных структур с разной крутизной граней и соответствующих базовых элементов позволяет формировать заданное поле зрения фотоприемного устройства и уменьшать погрешность измерения. Данная конструкция построена на основе фотоэлементов одного спектрального диапазона, что не позволяет осуществлять спектральную селекцию полезного сигнала на фоне оптических помех. Эффективная площадь фоточувствительной области не является оптимальной, т.к. значительно меньше общей площади фотоприемного устройства.
Известен матричный многоспектральный приемник для детекторов пламени (Пат. РФ. №2296370, кл. G08B 17/12) представляющий собой четырехэлементную матрицу фоточувствительных элементов в виде поликристаллических тонких пленок на основе селенида свинца, фоточувствительные элементы расположены в виде квадратной плоской матрицы и снабжены каждый своим фильтром. В приемнике реализованы два спектральных канала - основной и вспомогательный, обеспечивающие спектральную селекцию пламени на фоне оптических помех. В данной конструкции имеется несогласованность угловых характеристик спектральных каналов и отсутствует возможность пространственной селекции различных источников излучения.
Известен двухспектральный матричный инфракрасный приемник излучения оптоэлектронных датчиков (патент RU 2634805), представляющий собой фотоприемник на основе планарных фотогальванических элементов двух различных инфракрасных диапазонов, расположенных на плоскости попарно в виде круговой матрицы вокруг единого центра. Фотоприемник обеспечивает реализацию спектральной селекции излучения с широким полем зрения и согласованными угловыми характеристиками двух спектральных каналов. Данная конструкция является наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению и взята в качестве прототипа. При создании контрольно-измерительных приборов инфракрасного диапазона прототип имеет следующие недостатки:
1. Угловая характеристика фоточувствительности имеет максимум в направлении оси приемника излучения и снижается по другим направлениям в пределах поля зрения, что усложняет проектирование установки контрольно-измерительных приборов на объекте и приводит к избыточному их количеству.
2. Излучение оптических помех, действующее с любых отдельных направлений в пределах поля зрения, влияет на работу приемника излучения по всем направлениям, что создает дополнительную чувствительность к помехам и снижает функциональные характеристики контрольно-измерительных приборов.
3. Поле зрения фиксировано и определяется пространственным расположением приемника, выборочный контроль отдельных направлений в пределах поля зрения не предусмотрен, что не позволяет осуществлять локализацию источника излучения.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение широкого поля зрения с равномерной фоточувствительностью по всем направлениям, а также реализация спектральной и пространственной селекции источников полезного сигнала и оптических помех. Контрольно-измерительные приборы построенные с использованием предлагаемого конструктивного исполнения позволяют получать дополнительную информацию о контролируемом объекте. Для тепловизионной и пирометрической аппаратуры это означает получение пространственного распределения теплового излучения не только в виде контраста теплового поля источника излучения, но и в виде непосредственно распределения температуры источника излучения. Для детекторов пламени - расширение поля зрения детектора при возможности интеллектуального выборочного контроля отдельных направлений и снижения влияния возможных оптических помех с других направлений.
Технический результат достигается за счет нового конструктивного исполнения заявляемого приемника излучения, а именно, за счет формирования из единичных планарных фотогальванических элементов, выполненных на отдельных подложках, объемной матричной структуры в виде правильной усеченной пирамиды.
Заявляемая матричная структура содержит четное количество, не менее 12, планарных фотогальванических элементов, принадлежащих двум разным каналам спектральной чувствительности. Половина фоточувствительных элементов выполнена в форме прямоугольников одинакового размера и расположена на боковых гранях правильной усеченной пирамиды, вторая половина выполнена в виде равнобедренных треугольников и расположена на верхнем основании пирамиды в виде круговой матричной структуры. Изменение угла наклона боковых граней позволяет варьировать форму поля зрения фотоприемного устройства в соответствии с конкретными техническими требованиями.
Спектральная чувствительность спектральных каналов определяется применяемыми фоточувствительными материалами фотогальванических элементов и оптическими фильтрами. Фоточувствительные элементы в заявляемой матричной структуре расположены с чередованием двух разных каналов спектральной чувствительности как на боковых гранях, так и на верхнем основании пирамиды.
Таким образом, за счет компоновки единичных планарных фотогальванических элементов двух спектральных каналов по фасеточному принципу получена объемная матричная структура, имеющая форму правильной усеченной пирамиды.
Предложенное конструктивное исполнение вносит следующие изменения в конструкцию прототипа:
1. Планарные фотогальванические элементы, снабженные оптическими фильтрами, и принадлежащие двум разным спектральным каналам с отличающимися спектральными характеристиками чувствительности, компонуются в объемную матричную структуру в форме правильной усеченной пирамиды, на боковых гранях и на верхнем основании, максимально заполняя площадь поверхности.
2. Фотогальванические элементы двух разных спектральных каналов размещаются в чередующемся порядке таким образом, что ближайшими элементами одного канала являются элементы второго канала как по окружности вокруг оптической оси, так и в радиальном направлении.
Заявляемая конструкция обеспечивает широкий угол обзора фотоприемного устройства, единое поле зрения двух спектральных каналов, возможность обработки принимаемого фотосигнала как в одноканальном, так и двухканальном режиме, возможность выборочного контроля определенных направлений, большую эффективную фоточувствительную площадь и минимизирует выявленные недостатки прототипа.
Рассмотрим вариант исполнения заявляемого приемника излучения представленный на Фиг. 1. и Фиг. 2, при котором объемная матрица фотогальванических элементов формируется на конструкционной основе в виде правильной усеченной пирамиды.
Планарные фотогальванические элементы создаются на отдельных диэлектрических подложках с помощью последовательно осуществляемых операций:
- вакуумного термического напыления тонких поликристаллических слоев селенида свинца или его твердых растворов. На данном этапе тип фоточувствительного материала определяет диапазон спектральной чувствительности элементов.
- фотолитографии для выделения фоточувствительных площадок с топологией чувствительных областей в виде меандра, обеспечивающей наилучшую квантовую эффективность.
- ионно-плазменного напыления материала токоведущих электродов с целью создания омических контактов.
В качестве оптических фильтров используются пластины абсорбционных монокристаллических, поликристаллических, аморфных материалов или интерференционные фильтры, сформированные методами вакуумного осаждения на подложку пленок с различными показателями преломления.
Объемная матричная структура сформирована из 20 фотогальванических элементов и соответствующих им оптических фильтров двух разных спектральных каналов. Половина фоточувствительных элементов, изготовленных в виде равнобедренных треугольников, расположена в секторах круга на верхнем основании пирамиды (1) и создает поле зрения, направленное по оси фотоприемника. Вторая часть фоточувствительных элементов, изготовленных в виде прямоугольников, расположена по кругу на боковых гранях пирамиды (2) и создает общее тороидальное поле зрения. Угол наклона граней в данном примере составляет 30° от оси фотоприемника. Фоточувствительные элементы разных спектральных каналов (3) и (4) чередуются, что обеспечивает единое поле зрения и согласованные угловые характеристики чувствительности.
Конструкция заявляемого двухспектрального инфракрасного приемника излучения фасеточного типа обладает характеристиками
предпочтительными для создания тепловизионной и пирометрической аппаратуры, а также для детекторов пламени с широким углом обзора. Функционирование фотоприемника осуществляется в нескольких режимах:
- При суммировании сигналов всех фоточувствительных элементов приемник работает как одноэлементный приемник излучения
- При совместной обработке сигналов фоточувствительных элементов одного направления возможна пространственная селекция источника излучения и определение его координат
- При раздельном суммировании сигналов двух спектральных каналов возможно осуществление спектральной селекции полезного сигнала путем учета и исключения сигнала помех
- При обработке фотосигналов отдельных элементов разных спектральных каналов возможно осуществление как спектральной селекции, так и пространственной селекции за счет выбора фоточувствительных элементов заданного направления
В таблице 1 приведено сравнение существенных признаков заявляемого конструктивного исполнения с конструктивным исполнением прототипа.
Как видно из таблицы, отличительные признаки заявляемого технического решения свидетельствуют о новизне и изобретательском уровне.
В качестве доказательства промышленной применимости рассмотрим пример конкретного исполнения фотоприемного устройства, в котором для создания объемной матрицы фоточувствительных элементов используется конструкционная основа с углублением в виде правильной усеченной пирамиды с углом наклона боковых граней 30°, как показано на Фиг. 3. Представленный вариант матричного фотоприемника предназначен для детекторов пожара, работающих по принципу спектральной селекции. Основной спектральный канал, выполненный на основе фотогальванических элементов из селенида свинца и снабженный интерференционным фильтром, имеет фоточувствительность в диапазоне длин волн 2,2..3,2 мкм и предназначен для регистрирования характерного максимума излучения пламени углеводородов. Дополнительный спектральный канал, выполненный на основе фотогальванических элементов из селенида свинца и снабженный германиевым фильтром, регистрирует общий фоновый поток излучения 1,5..4,0 мкм. Наличие второго спектрального канала обеспечивает защиту от воздействия оптических помех. Объемная матрица скомпонована из 16 фоточувствительных элементов: 8 элементов выполнены в виде равнобедренных треугольников как показано на Фиг. 4, другие 8 элементов -в виде прямоугольников как показано на Фиг. 5.
Угловая характеристика чувствительности созданного фотоприемника выровнена по всем направлениям во всем поле зрения равном полусфере, что отличает ее в лучшую сторону от угловой характеристики прототипа. Указанная особенность позволяет увеличить контролируемую площадь одним детектором пламени и снизить затраты на установку противопожарной системы. При этом за счет возможности избирательного контроля сигналов отдельных фоточувствительных элементов детектор пожара способен определять координаты и локализовать расположение пламени, что позволит принять меры по ликвидации пожара на более ранних стадиях.
Прилагаемые чертежи
Фиг. 1 - пример конкретного исполнения заявляемого приемника излучения с 20 фоточувствительными элементами в форме выпуклой матричной структуры (вид спереди)
Фиг. 2 - пример конкретного исполнения заявляемого приемника излучения с 20 фоточувствительными элементами в форме выпуклой матричной структуры (аксонометрия)
Фиг. 3 - пример конкретного исполнения заявляемого приемника излучения с 16 фоточувствительными элементами в форме вогнутой матричной структуры (аксонометрия)
Фиг. 4 - пример конкретного исполнения фотогальванического элемента в виде равнобедренного треугольника для приемника излучения с 16 фоточувствительными элементами
Фиг. 5 - пример конкретного исполнения фотогальванического элемента в виде прямоугольника для приемника излучения с 16 фоточувствительными элементами
Двухспектральный инфракрасный приемник излучения, содержащий тонкопленочную матричную структуру планарных фотогальванических элементов на основе селенида свинца, снабженных оптическими фильтрами и расположенных вокруг единой оси по окружности с чередованием фотогальванических элементов двух разных каналов спектральной чувствительности, отличающийся тем, что фотогальванические элементы в четном количестве, не менее 12, выполненные на отдельных подложках в виде прямоугольников и равнобедренных треугольников, скомпонованы в объемную матричную структуру, размещенную на конструкционной основе, имеющей форму правильной усеченной пирамиды, при этом фотогальванические элементы, выполненные в виде прямоугольников, размещены на боковых гранях правильной усеченной пирамиды, а фотогальванические элементы, выполненные в виде равнобедренных треугольников, размещены на верхнем основании правильной усеченной пирамиды.
