MD172Y

MD172Y - Senzor cu fibra optica pentru inregistrarea radiatiei infrarosii

Info

Publication number: MD172Y
Application number: MDS20090207A
Authority: MD
Inventors: Ion Culeac; Mihail Iovu; Iurie Nistor; Andrei Andries
Original assignee: Institutul De Fizica Aplicata Al Academiei De Stiinte A Moldovei
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2010-03-31
Also published as: MD172Z

Abstract

Inventia se refera la optoelectronica, in special la dispozitivele cu fibra optica, si poate fi aplicata in industrie, tehnica militara, cercetari stiintifice pentru inregistrarea si masurarea intensitatii fluxurilor mici de radiatie infrarosie. Senzorul cu fibra optica pentru inregistrarea radiatiei infrarosii contine o fibra optica, ce cuprinde capatul de intrare, unit cu o sursa de lumina coerenta, suprafata laterala pentru actionarea radiatiei infrarosii si capatul de iesire, unde in campul indepartat al fibrei optice este amplasat un fotoreceptor, conectat la un bloc de inregistrare pentru formarea semnalului de iesire, valoarea caruia este determinata de intensitatea radiatiei infrarosii inregistrate.

Description

Invenţia se referă la optoelectronică, în special la dispozitivele cu fibră optică, şi poate fi aplicată în industrie, tehnica militară, cercetări ştiinţifice pentru înregistrarea şi măsurarea intensităţii fluxurilor mici de radiaţie infraroşie.

Sunt cunoscute dispozitive pentru înregistrarea radiaţiei infraroşii, care au la bază diferite principii de funcţionare - termoelectrice, fotoelectrice, piroelectrice, fotorezistive sau mixte. De exemplu, în cazul receptorilor termoelectrici se înregistrează tensiunea electrică ce apare într-un termocuplu la formarea diferenţei de temperatură la acţiunea radiaţiei infraroşii, iar în cazul receptorilor bolometrici intensitatea radiaţiei infraroşii este pusă în corelaţie directă cu rezistenţa unui strat subţire metalic sau semiconductor. Pentru receptorii piezoelectrici intensitatea radiaţiei infraroşii este pusă în corelaţie cu tensiunea electrică ce apare pe o placă piezoelectrică la acţiunea unui flux de radiaţie infraroşie [1].

Dezavantajul acestor dispozitive este sensibilitatea înaltă la interferenţa câmpurilor electromagnetice.

Cea mai apropiată soluţie de invenţia propusă este un dispozitiv de măsurare a intensităţii fluxului de lumină, în care se utilizează un senzor cu fibre optice pentru înregistrarea intensităţii radiaţiei optice, care conţine un set de fibre optice aranjate într-o reţea, care formează un plan, iar capetele de ieşire ale fibrelor optice sunt conectate la un receptor. Radiaţia optică cade pe suprafaţa laterală a fibrelor optice, se propagă prin ele şi ajunge la receptor, care serveşte pentru măsurarea intensităţii radiaţiei optice. În acest dispozitiv reţeaua de fibre optice reprezintă un colector al radiaţiei de lumină [2].

Dezavantajul acestei soluţii constă în dependenţa sensibilităţii de pierderile de lumină în fibra optică şi, în consecinţă, sensibilitatea redusă în special în spectrul infraroşu, unde majoritatea materialelor folosite la fabricarea fibrelor optice posedă pierderi sporite, determinate de prezenţa unor benzi de absorbţie greu de înlăturat prin metodele de purificare.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în mărirea sensibilităţii de înregistrare a radiaţiei infraroşii (IR) şi lărgirea intervalului dinamic al dispozitivului.

Senzorul cu fibră optică pentru înregistrarea radiaţiei infraroşii, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine o fibră optică, ce cuprinde capătul de intrare, unit cu o sursă de lumină coerentă, radiaţia căreia este ghidată în fibra optică în formă de două sau mai multe moduri de propagare, suprafaţa laterală pentru acţionarea radiaţiei infraroşii şi capătul de ieşire, unde în câmpul îndepărtat al fibrei optice este amplasat un fotoreceptor, conectat la un bloc de înregistrare pentru formarea semnalului de ieşire, valoarea căruia este determinată de intensitatea radiaţiei infraroşii înregistrate.

Senzorul este dotat cu un dispozitiv de răcire şi stabilizare a temperaturii.

Rezultatul invenţiei constă în mărirea sensibilităţii de înregistrare a radiaţiei infraroşii şi lărgirea intervalului dinamic al intensităţilor înregistrate.

Rezultatul se datorează aplicării efectului de interferenţă a modurilor de propagare în câmpul îndepărtat al unei fibre optice pentru înregistrarea radiaţiei IR. Intensitatea radiaţiei infraroşii este determinată prin punerea în corelaţie directă a imaginii speckle în câmpul îndepărtat al fibrei optice cu intensitatea radiaţiei infraroşii, care acţionează pe suprafaţa laterală a fibrei. Răcirea fibrei optice permite mărirea sensibilităţii imaginii speckle în raport cu intensitatea radiaţiei IR pentru înregistrarea unor fluxuri de radiaţie infraroşie de intensitate extrem de redusă. Rezultatul obţinut se datorează faptului că radiaţia IR ce cade pe suprafaţa laterală a fibrei optice produce schimbări de fază ale modurilor de propagare în fibra optică şi, în consecinţă, varierea intensităţii imaginii speckle din câmpul îndepărtat. Radiaţia IR care este absorbită în fibra optică duce la variaţii locale ale temperaturii şi, în consecinţă, la modificarea indicelui de refracţie şi a distanţei optice parcurse de fiecare mod de propagare în fibră. Ca rezultat are loc schimbarea distribuţiei modale a intensităţii în imaginea speckle din câmpul îndepărtat. Procesarea imaginii speckle permite de a pune în corelaţie funcţională univocă amplitudinea semnalului de ieşire cu intensitatea radiaţiei infraroşii. Dat fiind că distanţa optică parcursă de modurile de propagare în fibra optică este mare, sensibilitatea imaginii de interferenţă a modurilor la acţiunea radiaţiei infraroşii creşte în mod spectaculos.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-7, care reprezintă:

- fig. 1, schema senzorului;

- fig. 2, imaginea de interferenţă în câmpul îndepărtat al fibrei optice;

- fig. 3, modificarea semnalului la declanşare a radiaţiei IR;

- fig. 4, schema senzorului cu blocul de înregistrare;

- fig. 5, dependenţa semnalului de ieşire de intensitatea radiaţiei IR pentru temperatura fibrei T = 290 K;

- fig. 6, schema senzorului cu dispozitivul de răcire şi stabilizare a temperaturii;

- fig. 7, dependenţa semnalului de ieşire de intensitatea radiaţiei infraroşii pentru temperaturile T = 290 K şi T = 278 K.

Senzorul cu fibră optică pentru înregistrarea radiaţiei infraroşii (fig. 1) conţine o sursă de lumină coerentă 1 cuplată la o fibră optică 2. La capătul de ieşire al fibrei optice 2 în câmpul îndepărtat este amplasat un fotoreceptor 3, care înregistrează intensitatea fascicolului de lumină coerent 6 în câmpul îndepărtat după propagarea prin fibra optică 2 în funcţie de intensitatea radiaţiei IR 4. Fotoreceptorul 3 este conectat la blocul de înregistrare 5, care formează semnalul de ieşire. Blocul de înregistrare 5 este format din matricea de captare/setare a imaginii de referinţă F0 7, matricea imaginii curente Fk 8, scăderea matricelor Fk-F0 9, scăderea matricelor Fk şi F0 10, matricea valorilor absolute ale diferenţei de imagini 11, sumarea elementelor matricei Fdk 12 şi vizualizarea semnalului de ieşire 13. Senzorul este dotat cu un dispozitiv de răcire şi stabilizare a temperaturii, executat ca un termostat răcit cu vapori de azot lichid 15.

Dispozitivul funcţionează în modul următor.

Fluxul de radiaţie infraroşie 4 este direcţionat spre suprafaţa laterală a fibrei optice 2. Fascicolul de lumină de la sursa laser 1, injectat în capătul de intrare al fibrei optice 2, se propagă prin aceasta şi formează în câmpul îndepărtat al fibrei imaginea de interferenţă a modurilor de propagare - imaginea speckle (fig. 2). Imaginea speckle în câmpul îndepărtat este dependentă de intensitatea radiaţiei infraroşii ce cade pe suprafaţa laterală a fibrei optice 2. Distribuţia modurilor de propagare în fibra optică 2 este determinată de indicele de refracţie al ei, diametrul miezului şi de susceptibilitatea acestor parametri la radiaţia infraroşie. Astfel distribuţia intensităţii luminii de probă în câmpul îndepărtat al fibrei optice conţine informaţie despre perturbaţiile, care acţionează asupra fibrei optice. Radiaţia infraroşie, care acţionează asupra fibrei, produce schimbări ale temperaturii fibrei şi, în consecinţă, schimbări ale distanţei optice parcurse de modurile de propagare. Ca rezultat are loc variaţia fazei pentru modurile individuale de propagare şi respectiv variaţia distribuţiei intensităţii imaginii de interferenţă în câmpul îndepărtat. Fotoreceptorul 3 plasat în câmpul îndepărtat înregistrează intensitatea luminii de probă în raport cu intensitatea radiaţiei IR, care acţionează asupra fibrei optice. În felul acesta este pus în corelaţie directă semnalul de ieşire al fotoreceptorului 3 cu intensitatea radiaţiei IR, care acţionează asupra fibrei optice 2.

În calitate de fotoreceptor 3 este folosit un senzor CCD, iar în calitate de bloc de înregistrare - un calculator, care procesează imaginea speckle din câmpul îndepărtat şi formează semnalul de ieşire în raport cu intensitatea radiaţiei infraroşii, care acţionează asupra suprafeţei laterale a fibrei optice. Astfel, imaginea de interferenţă din câmpul îndepărtat pentru fiecare moment tk este pusă în corelaţie directă cu o matrice de date Fk. Fiecare element <xiyi> al acestei matrice, numită în continuare matricea curentă Fk, reprezintă intensitatea la momentul tk într-un anumit pixel al senzorului CCD, având coordonatele xiyi. Semnalul de ieşire al senzorului este format prin sumarea valorilor absolute ale tuturor elementelor matricei Fdk care, la rândul ei, reprezintă diferenţa dintre matricea curentă Fk şi matricea de referinţă F0. Matricea de referinţă F0 corespunde imaginii iniţiale captate în momentul t0, când este declanşat programul.

Algoritmul pentru procesarea imaginii speckle este bazat pe principiul comparării imaginii de referinţă, captate de CCD în momentul t=0 cu fiecare din imaginile ulterior captate în momentul tk. Fotoreceptorul CCD captează imaginea speckle în momentul t0 şi această imagine este stocată în memoria - tampon în calitate de imagine de referinţă. Aici şi în continuare, când este vorba despre stocarea şi procesarea imaginilor, se subînţelege stocarea şi procesarea matricelor imaginilor respective. Următorul cadru al imaginii speckle este captat în momentul tk. Fiecare din imaginea curentă Ik este scăzută pixel-cu-pixel din imaginea de referinţă I0 conform relaţiei:

i = 1,2,3..., r1, j = 1,2,3..., r2,

unde: reprezintă valoarea absolută a diferenţei semnalului corespunzător momentului tk pentru pixelul n cu coordonatele (x, y). Următorul pas al operaţiei de procesare este sumarea tuturor semnalelor de la M-pixeli (M = r1 × r2) şi determinarea valorii absolute Sk pentru momentul tk:

, unde

r1 şi r2 reprezintă rezoluţia pe axele X şi Y respectiv. Valoarea numerică a sumei Sk este afişată pe monitor în formă grafică în calitate de semnal de ieşire al senzorului pentru fiecare moment tk (fig. 3). Algoritmul de procesare a imaginii speckle şi formarea semnalului de ieşire sunt ilustrate în fig. 4.

Senzorul cu fibră optică conform invenţiei este ilustrat în fig. 1. Un fascicol de lumină de la o sursă coerentă 1 este injectat în capătul de intrare al fibrei optice 2. La capătul de ieşire al fibrei optice în câmpul îndepărtat este poziţionat un fotoreceptor 3. Fascicolul de radiaţie IR, care urmează a fi înregistrat, este direcţionat pe suprafaţa laterală a fibrei optice. Fotoreceptorul 3 este conectat la blocul de înregistrare 5, care pune în corelaţie directă intensitatea imaginii speckle cu intensitatea radiaţiei infraroşii direcţionate pe fibra optică. Fascicolul de lumină 6 se propagă în fibra 2 în formă de două sau mai multe moduri şi formează în câmpul îndepărtat al fibrei optice imaginea de interferenţă (speckle) a cel puţin două moduri (fig. 2). Intensitatea în fiecare punct al imaginii speckle este dependentă funcţional de intensitatea radiaţiei infraroşii 4, care acţionează pe suprafaţa laterală a fibrei optice 2. Radiaţia infraroşie, ce acţionează asupra fibrei optice 2, produce schimbări ale distanţei optice parcurse de fiecare mod de propagare în fibra optică. În consecinţă, are loc modificarea fazei pentru modurile de propagare individuale, care interferă în câmpul îndepărtat. Astfel variaţia intensităţii radiaţiei infraroşii, care acţionează asupra fibrei optice, produce variaţii ale intensităţii şi distribuţiei spaţiale a imaginii speckle în câmpul îndepărtat. În consecinţă, distribuţia intensităţii în câmpul îndepărtat al fibrei optice 2 poartă informaţie despre intensitatea radiaţiei IR, care acţionează asupra fibrei optice. Fotoreceptorul 3 poziţionat în câmpul îndepărtat captează imaginea de interferenţă (imaginea speckle), care este procesată de blocul de înregistrare 5 şi care formează semnalul de ieşire, determinat funcţional şi univoc de intensitatea radiaţiei infraroşii direcţionate pe fibra optică.

Astfel după declanşarea radiaţiei IR semnalul de ieşire creşte rapid de la valoarea „0” până la valoarea staţionară, determinată univoc de intensitatea radiaţiei IR care acţionează asupra fibrei optice. Dependenţa amplitudinii semnalului de ieşire de intensitatea radiaţiei IR poartă un caracter liniar (fig. 5).

Exemplul 1

Un laser HeNe de tip ЛГ - 113 injectează în capătul de intrare al fibrei optice 2 un fascicol de lumină coerent 6, iar în câmpul îndepărtat al fibrei optice este poziţionat un fotoreceptor 3 CCD, conectat la blocul de înregistrare 5 (fig. 4). Fotoreceptorul CCD reprezintă un senzor tip HDCS-1020 CMOS cu dimensiunile unui pixel 7,4 x 7,4 µm şi dimensiunile imaginii VGA 640x480. Blocul de înregistrare 5 este reprezentat de un calculator PC, care formează semnalul de ieşire funcţional şi univoc determinat de intensitatea radiaţiei IR, ce cade pe suprafaţa laterală a fibrei optice. Lungimea fibrei optice cu profilul indicelui de refracţie parabolic este 1 m, diametrul miezului este de 50 µm. Pentru formarea semnalului de ieşire imaginea speckle din câmpul îndepărtat pentru fiecare moment tk se pune în corelaţie directă cu o matrice de date curente Fk. Fiecare din elementele xiyi ale matricei de date curente Fk reprezintă valoarea intensităţii înregistrate de pixelul cu coordonatele xiyi al senzorului CCD. Semnalul de ieşire este format prin sumarea valorilor absolute ale tuturor elementelor matricei Fdk, iar matricea Fdk, la rândul ei, reprezintă diferenţa dintre matricea curentă Fk şi matricea de referinţă F0 obţinută în momentul t0.

Algoritmul pentru procesarea imaginii speckle din câmpul îndepărtat este bazat pe compararea imaginii de referinţă, captate de CCD în momentul t=0, cu fiecare din imaginile ulterior captate în momentul tk. Senzorul CCD captează imaginea de interferenţă în momentul t0 şi această imagine este stocată în memoria-tampon. Următorul cadru al imaginii de interferenţă este captat în momentul tk. Fiecare imagine curentă Ik este scăzută pixel-cu-pixel din imaginea iniţială (de referinţă) I0 conform relaţiei:

i = 1,2,3..., r1, j = 1,2,3..., r2,, unde:

reprezintă valoarea absolută a diferenţei semnalului pentru pixelul n cu coordonatele x,y, corespunzător două imagini luate în momentul tk şi în momentul t0. Următorul pas al operaţiei de procesare reprezintă sumarea tuturor semnalelor pentru M-pixeli şi determinarea valorii absolute Sk corespunzătoare momentului tk:

, unde:

r1 şi r2 reprezintă rezoluţia senzorului CCD pe axele X şi Y respectiv. Valoarea numerică a sumei Sk este afişată pe monitor în formă grafică în calitate de semnal de ieşire al senzorului pentru fiecare moment tk (fig. 3).

Exemplul 2

Un laser HeNe de tip ЛГ-113, la lungimea de undă 633 nm, injectează în capătul de intrare al unei fibre optice 2 un fascicol de lumină coerent 6, iar în câmpul îndepărtat al fibrei optice este poziţionat un fotoreceptor 3 tip CCD, conectat la blocul de înregistrare 5, care pune în corelaţie directă distribuţia spaţială a imaginii de interferenţă în câmpul îndepărtat cu intensitatea radiaţiei infraroşii 4 direcţionate pe suprafaţa laterală a fibrei optice 2 (fig. 6). CCD reprezintă un receptor tip HDCS-1020 CMOS cu dimensiunile unui pixel 7,4x7,4 µm şi dimensiunile imaginii VGA 640 x 480. Fibra optică 2 este plasată într-un termostat 15, care este răcit cu vapori de azot lichid. Lungimea fibrei optice cu profilul indicelui de refracţie parabolic este de 1 m, diametrul miezului este de 50 µm.

La o intensitate constantă a radiaţiei IR răcirea fibrei optice duce la creşterea diferenţei intermodale de fază, şi respectiv la creşterea semnalului de ieşire. Creşterea semnalului de ieşire la răcirea fibrei optice este ilustrată în fig. 7. De exemplu, pentru intensitatea radiaţiei infraroşii PIR=10-2 mW/cm2, răcirea fibrei optice de la 290 K până la 278 K duce la creşterea semnalului de ieşire de ≈ 5 ori (fig. 7).

1. Ишанин О. Е. Источники и приемники излучения. Москва, Радио и связь, 1991, 311 с.

2. «Измеритель мощности светового потока», http://tm.ua/show_art.php?who=207, regăsit în Internet la 2010.01.25

Claims

1. Senzor cu fibră optică pentru înregistrarea radiaţiei infraroşii, care conţine o fibră optică, ce cuprinde capătul de intrare, unit cu o sursă de lumină coerentă, suprafaţa laterală pentru acţionarea radiaţiei infraroşii şi capătul de ieşire, unde în câmpul îndepărtat al fibrei optice este amplasat un fotoreceptor, conectat la un bloc de înregistrare pentru formarea semnalului de ieşire, valoarea căruia este determinată de intensitatea radiaţiei infraroşii înregistrate.

2. Senzor, conform revendicării 1, care este dotat cu un dispozitiv de răcire şi stabilizare a temperaturii.