EA011914B1

EA011914B1 - Оптико-акустический приемник

Info

Publication number: EA011914B1
Application number: EA200801851A
Authority: EA
Inventors: Григорий Иванович Кропотов; Владимир Анатольевич Дмитренко; Валерий Александрович Николаев
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Тидекс"
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2009-06-30
Also published as: EA200801851A1

Abstract

Предлагается оптико-акустический приемник, содержащий приемную камеру, снабженную входным окном, поглощающей излучение пленкой и зеркальной мембраной; и оптический микрофон. Оптический микрофон включает источник вспомогательного излучения, оптический растр, детектор излучения и оптическую систему. Перед входным окном приемной камеры в предлагаемом оптико-акустическом приемнике установлен оптический конус. Приемник может быть заключен в корпус, который снабжен универсальным держателем оптических компонентов, размещенным перед оптическим конусом.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к приемникам электромагнитного излучения, в частности к неселективным оптико-акустическим приемникам.

Предшествующий уровень техники

Оптико-акустические приемники (ОАП) являются наиболее чувствительными из известных неохлаждаемых приемников инфракрасного и дальнего инфракрасного излучения. ОАП имеет в своей основе конструкцию, впервые предложенную Голеем (М.1.Е. Оо1ау) в 1947 г. и часто называемую ячейкой Голея. Идея подобных приемников состоит в том, что в результате поглощения электромагнитного излучения происходят колебания давления среды в ячейке, и далее указанные колебания каким-либо образом регистрируются.

Из публикации в журнале Кеу. 8с1. 1и81г., 1969, 40, р. 733, известно устройство для обнаружения ИК-излучения, полученное путем комбинирования приемной камеры (представляющей собой ячейку Голея) и оптического микрофона. Детектируемое излучение попадает в приемную камеру, где поглощается, при этом в камере изменяется температура и, соответственно, давление наполняющего газа. Колебания регистрируются посредством оптического микрофона, в состав которого входят источник вспомогательного излучения, приемник излучения, растр, конденсор и объектив.

Последующее развитие ОАП было направлено на увеличение чувствительности приемника, расширение регистрируемого диапазона длин волн, общее снижение уровня шума приемника. Одним из решений, наиболее близким к заявленному изобретению, является ОАП, описанный в публикации «Современные оптико-акустические приемники излучения», Оптический журнал, № 5, 1994, стр. 5, 6. В указанном ОАП, который также содержит камеру, в которой поглощается электромагнитное излучение и возникают колебания давления, поглощение происходит неселективно в широкой области от 1 до 3000 мкм. Пульсации давления вызывают колебания зеркальной мембраны, представляющей собой одну из стенок приемной камеры. Колебания мембраны регистрируются с помощью оптического микрофона, состоящего из источника вспомогательного излучения, конденсора, прозрачного растра, зеркала и фотоприемника. Через растр на мембрану конденсором проецируется изображение вспомогательного источника излучения, которое затем через вторую половину растра и конденсора направляется зеркалом через диафрагму на фотоприемник. Такая конструкция позволяет заметно улучшить чувствительность приемника. В то же время, при исследовании источников и приемников ИК-излучений, мониторинге и контроле полей ИК-излучений, измерении слабых потоков ИК-излучения в спектрометрии и низкотемпературной пирометрии, а также в иных научных задачах, требующих регистрации низкоэнергетических сигналов в диапазоне длин волн от 15 мкм до 6-8 мм, существует необходимость в еще более эффективных и чувствительных устройствах.

Из уровня техники известна попытка усовершенствования указанного выше базового решения, описанная в патентном документе КН 2169911. Решение, раскрытое в данном документе, направлено на повышение уровня информационного сигнала и чувствительности оптического микрофона в составе ОАП путем введения светоделителя и дополнительных конденсора и фотоприемника. Однако данное решение не приводит к заметному повышению эффективности, так как из-за дополнительных элементов сильно увеличиваются потери сигнала и возрастает уровень шума. Возрастает также общая сложность конструкции, требования к точности выполнения сборки компонентов.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на совершенствование оптико-акустических приемников (ОАП) электромагнитного излучения, повышение их чувствительности и увеличение полезного сигнала (увеличение отношения сигнал/шум). С этой целью предлагается ОАП, содержащий приемную камеру, снабженную входным окном, поглощающей излучение пленкой и зеркальной мембраной, и оптический микрофон. Оптический микрофон включает источник вспомогательного излучения, оптический растр, детектор излучения и оптическую систему, выполненную с возможностью обеспечения прохождения вспомогательного излучения от указанного источника через оптический растр к зеркальной мембране, обратного прохождения отраженного вспомогательного излучения через растр и поступления отраженного излучения на детектор излучения. Данный оптико-акустический приемник отличается тем, что для обеспечения максимального улавливания регистрируемого излучения входное окно приемной камеры снабжено оптическим конусом.

Оптические конусные концентраторы (оптические конусы) ранее использовались, например, в установках, где применяются технологии формирования светового импульса с использованием широкополосных источников света. Известно использование оптических конусов в устройствах ввода света в оптические волноводы. Однако в ОАП указанные элементы ранее не применялись.

Вообще говоря, при установке собирающего оптического конуса на входное окно приемной камеры увеличивается концентрация энергии исследуемого излучения на площадку входного окна, а значит и на поглощающую пленку. В результате увеличивается амплитуда колебаний зеркальной мембраны, а значит и амплитуда переменной составляющей информационного сигнала. Однако уровень шумового излучения, поступающего на вход приемной камеры, при этом также увеличивается, и в случае попытки установки оптического конуса на традиционный ОАП никакого выигрыша в эффективности регистрации

- 1 011914 поступающего сигнала не произошло бы.

Однако неожиданно было обнаружено, что при предлагаемой комбинации оптического конуса, приемной камеры и оптического микрофона в соответствии с настоящим изобретением, поступающие на вход и усиливающиеся помехи не оказывают заметного влияния на итоговую чувствительность ОАП. По результатам опытной проверки было подтверждено, что отношение сигнал/шум в заявленном изобретении не только не уменьшается, а напротив, возрастает до величины порядка 1,3 раза относительно ближайшего аналога. Чувствительность при этом увеличивается в 1,6-1,8 раза в сравнении с ближайшим аналогом.

Применяемый в данном случае оптический конус предпочтительно выполнен в виде осесиметричного усеченного конусного тела вращения с полированной внутренней рабочей поверхностью. Внутренняя поверхность отражает поступающее излучение преимущественно в направлении вершины, что ведет к повышению концентрации энергии излучения по мере приближения к вершине конуса. Верхнее основание оптического конуса при этом представляет собой входное окно камеры.

ОАП предпочтительно смонтирован в корпусе, который может снабжаться универсальным держателем оптических элементов. Такой держатель устанавливается непосредственно перед входным окном и позволяет легко и оперативно устанавливать требуемые дополнительные оптические элементы, такие как фильтры, фокусирующая или светоделительная оптика, диафрагмы и т. д.

Оптическая система ОАП может состоять, например, из конденсора, объектива, диафрагмы и зеркала. Предпочтительно, прозрачный оптический растр ОАП размещен между конденсором и объективом, а диафрагма размещена между зеркалом и детектором излучения. Указанный растр при этом находится в фокальной плоскости объектива.

Входное окно приемной камеры может быть выполнено из кристаллического полимера, пропускающего излучение с длиной волны от порядка 0,3 до порядка 8000 мкм. Это позволяет обеспечить дополнительный технический результат, заключающийся в значительном расширении диапазона длин волн регистрируемого излучения. Высокий коэффициент пропускания кристаллического полимера способствует значительному увеличению чувствительности ОАП.

Кристаллический полимер может представлять собой поли-4-метилпентен-1, международное обозначение - ТРХ. Этот материал на сегодняшний день применяется для изготовления медицинского оборудования, печатных схем, как изоляционный материал. Характеристики входного окна улучшаются тем, что при изготовлении входного окна прозрачный материал полируется, а не молируется (отливается из разогретой пластиковой массы).

Перечень чертежей

На фиг. 1 представлена принципиальная схема ОАП в соответствии с вариантом осуществления изобретения; на фиг. 2 представлен внешний вид ОАП в корпусе согласно варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 3 - универсальный держатель оптических элементов, выполняемый на корпусе ОАП в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

В соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения оптико-акустический приемник функционирует следующим образом.

Для того чтобы получить на выходе переменный электрический сигнал, который более предпочтительно регистрировать по сравнению с постоянным сигналом, подлежащее регистрации излучение подвергается модуляции известным из уровня техники способом. Модуляция может заключаться, например, в периодическом прерывании потока излучения с заданной частотой. Модулированный поток излучения проходит через входной конус 1, благодаря чему усиливается, и через входное окно 2, выполненное, например, из полимера ТРХ, попадает на полупрозрачную поглощающую излучение пленку 3, расположенную в центральной части приемной камеры. Поглощающая излучение пленка 3, как вариант, может быть выполнена из нитроцеллюлозы и покрыта тонким слоем алюминия. Поглощенная пленкой 3 энергия передается газу, наполняющему камеру, в результате чего в камере возникают пульсации давления газа с частотой, равной частоте прерывания потока падающего излучения. Эти пульсации передаются через канал 4 на зеркальную мембрану 5.

В оптическом микрофоне ОАП вспомогательное излучение от источника 9 вспомогательного излучения проходит через прозрачный оптический растр 7 и фокусируется на зеркальной мембране. Источником 9 вспомогательного излучения, как вариант, может служить излучающий светодиод. Как вариант, вспомогательное излучение формируется в пучок и далее направляется через растр посредством конденсора 6. При этом объектив 8 осуществляет непосредственное проецирование пучка вспомогательного излучения на зеркальную мембрану 5.

Далее вспомогательное излучение отражается от зеркальной мембраны 5, идет обратно через оптическую систему и растр 7 и направляется на детектор 12 излучения, представляющий собой, например, фотодиод. В данном варианте осуществления изобретения отраженное от мембраны вспомогательное излучение направляется на указанный детектор 12 с помощью зеркала 10 через диафрагму 11. В других вариантах осуществления конденсор может быть опущен при соответствующей реализации источника 9 вспомогательного излучения, обеспечивающего подходящий пучок излучения, а перед объективом могут

- 2 011914 быть предусмотрены дополнительные диафрагмы. Вместо зеркала 10 может быть предусмотрена призма, либо подходящая система зеркал. В значительной степени реализация оптической системы обусловлена взаимным размещением конструктивных элементов в корпусе ОАП.

Под действием пульсаций давления газа зеркальная мембрана 5 колеблется, получаемое на детекторе 12 вспомогательного излучения изображение прозрачных штрихов верхней половины оптического растра 7 периодически смещается относительно непрозрачных штрихов нижней половины растра 7. Оптический растр 7, как известно в данной области техники, представляет собой, например, прозрачное стекло, на котором по всей поверхности нанесены непрозрачные полосы одинаковой толщины с постоянным шагом. Как результат, возникают колебания фототока, которые усиливаются посредством предварительного усилителя и выводятся далее на внешнее регистрирующее устройство. Предварительный усилитель представляет собой известное в данной области техники устройство, например предварительный усилитель на операционном усилителе и сдвоенном полевом транзисторе, при этом сопротивление нагрузки фотодиода включается в цепь отрицательной обратной связи усилителя.

В рассматриваемом варианте осуществления изобретения входное окно 2 ОАП выполнено из полимера поли-4-метилпентен-1, название в соответствии с международной классификацией - ТРХ. Данный полимер имеет высокую прозрачность в видимом, инфракрасном и в терагерцовом диапазоне, что делает его весьма подходящим для целей настоящего изобретения. Могут использоваться и другие полимеры, обеспечивающие пропускание излучения в нужном диапазоне. Традиционно изделия из подобных полимеров изготавливаются посредством молирования, представляющего собой способ формования стекла или пластмассы, основанный на способности разогретой до пластического состояния стекольной массы деформироваться под действием собственного веса или пресса. При молировании заготовка из стекла или пластмассы, нагретая до температуры размягчения, приобретает конфигурацию опорной формы. Однако оптические свойства получившегося изделия, в частности его внешних поверхностей, недостаточно высоки. Поэтому в данном варианте осуществления изобретения твердый материал входного окна полируется, в результате снимается внешний слой вещества и обеспечивается однородность оптических характеристик.

Далее на фиг. 2 представлен общий вид оптико-акустического приемника по настоящему изобретению, заключенного в корпус 13. Для удобства работы и облегчения процесса интеграции в состав различных оптических систем на корпусе 13 ОАП устанавливается держатель 14 оптических компонентов. Данный держатель устанавливается непосредственно перед оптическим конусом приемника и позволяет легко и оперативно производить монтаж таких элементов как фильтры, фокусирующая или светоделительная оптика, диафрагмы и пр. Как показано на фиг. 3, держатель 14 и его посадочное место имеют стандартные внешнее резьбовое соединение 15 и внутреннее резьбовое соединение 16, что позволяет без их доработки и модернизации использовать другие дополнительные элементы оптических систем.

Разумеется, приведенный вариант осуществления изобретения является лишь примером, и на практике возможны различные видоизменения и модификации, остающиеся в рамках изобретения, определяемого формулой изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Оптико-акустический приемник, содержащий приемную камеру, снабженную входным окном, поглощающей излучение пленкой и зеркальной мембраной, и оптический микрофон, включающий источник вспомогательного излучения, оптический растр, детектор излучения и оптическую систему, выполненную с возможностью обеспечения прохождения вспомогательного излучения от указанного источника через оптический растр к зеркальной мембране, обратного прохождения отраженного вспомогательного излучения через оптический растр и поступления отраженного вспомогательного излучения на детектор излучения, отличающийся тем, что входное окно приемной камеры снабжено оптическим конусом.
2. Приемник по п.2, отличающийся тем, что смонтирован в корпусе, причем указанный корпус снабжен универсальным держателем оптических компонентов, размещенным перед оптическим конусом.
3. Приемник по п.1 или 2, отличающийся тем, что оптическая система образована конденсором, объективом, диафрагмой и зеркалом, при этом прозрачный растр размещен между конденсором и объективом, а диафрагма размещена между зеркалом и детектором излучения.
4. Приемник по п.1 или 2, отличающийся тем, что входное окно приемной камеры выполнено из кристаллического полимера, пропускающего излучение с длиной волны от порядка 0,3 до порядка 8000 мкм.
5. Приемник по п.4, отличающийся тем, что кристаллический полимер представляет собой поли-4метилпентен-1.
6. Приемник по п.4, отличающийся тем, что входное окно приемной камеры получено путем полировки кристаллического полимера.