RU108151U1

RU108151U1 - DEVICE FOR DETECTION AND DETERMINATION OF COORDINATES OF SOURCES OF UV RADIATION

Info

Publication number: RU108151U1
Application number: RU2011114420/28U
Authority: RU
Inventors: Виллен Арнольдович Балоев; Маргарита Васильевна Дорофеева; Владимир Петрович Иванов; Владимир Вячеславович Липатов; Владимир Самуилович Яцык
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2011-09-10

Abstract

Устройство обнаружения и определения координат источников ультрафиолетового излучения, содержащее приемный объектив, спектральный фильтр, приемник излучения, ПЗС-матрицу, к выходу которой подключен электронный блок обработки сигнала, отличающееся тем, что дополнительно введен проекционный объектив, установленный между приемником излучения и ПЗС-матрицей, при этом приемник излучения выполнен в виде электронно-оптического преобразователя с фотокатодом, чувствительным к ультрафиолетовому излучению. A device for detecting and determining the coordinates of ultraviolet radiation sources, comprising a receiving lens, a spectral filter, a radiation receiver, a CCD matrix, to the output of which an electronic signal processing unit is connected, characterized in that a projection lens mounted between the radiation receiver and the CCD matrix is additionally introduced, wherein the radiation receiver is made in the form of an electron-optical converter with a photocathode sensitive to ultraviolet radiation.

Description

Полезная модель относится к приборостроению, в частности, к оптико-электронным приборам, предназначенным для поиска и обнаружения объектов, излучающих в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра, а также для определения их координат. Такими объектами могут быть коронные разряды в ЛЭП, факелы двигателей ракет и др. В ряде случаев УФ излучающие объекты необходимо обнаруживать в некоторой сравнительно широкой кольцевой зоне пространства (360° по азимуту, десятки градусов по углу места), либо в полусфере, либо в полной сфере. При обнаружении слабых потоков УФ излучения в условиях дневного освещения целесообразно работать в области спектра 190-290 нм (в так называемой «солнечно-слепой» области). Это основано на том, что солнечное излучение в этой области не проходит через земную атмосферу, сильно поглощаясь ее озоновым слоем, следовательно, в ней помехи от Солнца отсутствуют.The utility model relates to instrumentation, in particular, to optoelectronic devices designed to search and detect objects emitting in the ultraviolet (UV) range of the spectrum, as well as to determine their coordinates. Such objects can be corona discharges in power lines, torches of rocket engines, etc. In some cases, UV-emitting objects must be detected in a relatively wide annular zone of space (360 ° in azimuth, tens of degrees in elevation), either in the hemisphere or in full sphere. If weak fluxes of UV radiation are detected in daylight conditions, it is advisable to work in the spectral region of 190-290 nm (in the so-called “sun-blind” region). This is based on the fact that solar radiation in this area does not pass through the Earth’s atmosphere, being strongly absorbed by its ozone layer, therefore, there are no interference from the Sun in it.

Одним из способов анализа круговой зоны пространства является его последовательный просмотр путем оптико-механического сканирования. Известно устройство для обнаружения излучения в узком диапазоне спектра от 232 до 275 нм (см. патент DE 3816927 С2, МПК⁷ G01S 3/78, опубл. 17.07.2003). Устройство содержит сканирующее зеркало, вращающееся с помощью привода вокруг вертикальной оси, объектив и приемник излучения - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), на входном окне которого нанесен узкополосный фильтр. При вращении зеркала просматривается круговая по азимуту зона пространства шириной, определяемой величиной катода ФЭУ и фокусным расстоянием объектива. Недостатком устройства является наличие механического привода, уменьшающее надежность устройства при эксплуатации и увеличивающее его инерционность и габаритные размеры. Кроме того, недостатком устройства является неопределенность угловой координаты излучающего объекта в вертикальном направлении, поскольку ФЭУ не является координатно-чувствительным приемником.One of the methods for analyzing the circular zone of space is its sequential viewing through optical-mechanical scanning. A device for detecting radiation in a narrow range of the spectrum from 232 to 275 nm (see patent DE 3816927 C2, IPC ⁷ G01S 3/78, publ. 07.17.2003). The device comprises a scanning mirror rotating with a drive around a vertical axis, a lens and a radiation detector - a photoelectronic multiplier (PMT), on the input window of which a narrow-band filter is applied. When the mirror rotates, an azimuthal circular zone of space is viewed with a width determined by the magnitude of the PMT cathode and the focal length of the lens. The disadvantage of this device is the presence of a mechanical drive, which reduces the reliability of the device during operation and increases its inertia and overall dimensions. In addition, the disadvantage of this device is the uncertainty of the angular coordinates of the emitting object in the vertical direction, since the PMT is not a coordinate-sensitive receiver.

Другим способом анализа круговой зоны обзора пространства является ее разделение на отдельные части, каждая из которых обслуживается отдельным достаточно широкопольным прибором. Известно устройство для обнаружения УФ излучения с широким полем зрения (см. патент ЕР 1146324 А1, МПК⁷ G01J 1/42, опубл. 11.04.2001).Another way to analyze the circular zone of the space review is to divide it into separate parts, each of which is serviced by a separate rather wide-field device. A device for detecting UV radiation with a wide field of view (see patent EP 1146324 A1, IPC ⁷ G01J 1/42, publ. 11.04.2001).

Устройство содержит последовательно установленные оптическую систему, спектральный фильтр и фотоприемник в виде ФЭУ. Спектральный фильтр подавляет помеховое солнечное излучение вне «солнечно-слепой» области спектра и содержит поглощающие элементы и элементы с интерференционными покрытиями. Оптическая система выполнена в виде телескопа, который уменьшает углы падения лучей на спектральный фильтр и, тем самым, улучшает условия для подавления помехового излучения. Недостатком этого устройства является неопределенность угловых координат излучающего объекта в его поле зрения.The device contains a sequentially installed optical system, a spectral filter and a photodetector in the form of a PMT. The spectral filter suppresses interfering solar radiation outside the "sun-blind" region of the spectrum and contains absorbing elements and elements with interference coatings. The optical system is made in the form of a telescope, which reduces the angles of incidence of the rays on the spectral filter and, thereby, improves the conditions for suppressing interference radiation. The disadvantage of this device is the uncertainty of the angular coordinates of the radiating object in its field of view.

Известно устройство для обнаружения УФ излучения (см. патент ЕР 0651233, МПК В44F 1/12, опубл. 03.05.2003). Устройство содержит оптическую систему, состоящую из объектива и спектрального фильтра, ультрафиолетовый приемник излучения и электронный блок обработки информации. Анод приемника излучения выполнен в виде матрицы 100×100 пикселей, размеры которой соответствуют размерам изображения пространства объектов на фотокатоде приемника. По координатам пикселя матрицы, на котором возникает сигнал от УФ источника излучения, находящегося в поле зрения устройства, однозначно определяются угловые координаты этого источника. Недостатком устройства является его небольшое поле зрения (±4,5°).A device is known for detecting UV radiation (see patent EP 0651233, IPC B44F 1/12, publ. 03.05.2003). The device comprises an optical system consisting of a lens and a spectral filter, an ultraviolet radiation receiver and an electronic information processing unit. The anode of the radiation receiver is made in the form of a matrix of 100 × 100 pixels, the dimensions of which correspond to the dimensions of the image of the space of objects on the receiver's photocathode. The coordinates of the matrix pixel, on which the signal from the UV radiation source in the field of view of the device appears, uniquely determines the angular coordinates of this source. The disadvantage of this device is its small field of view (± 4.5 °).

Известно устройство обнаружения УФ излучения (см. патент ЕР 0635704 МПК G01J 1/42, опубл. 25.01.1995), выбранное в качестве прототипа. Устройство включает в себя объектив, спектральный фильтр, приемник излучения, в качестве которого используется фотоэлектронный умножитель, на выходе которого установлена ПЗС-матрица, и электронный блок обработки сигнала, подключенный к выходу ПЗС-матрицы.A known device for detecting UV radiation (see patent EP 0635704 IPC G01J 1/42, publ. 25.01.1995), selected as a prototype. The device includes a lens, a spectral filter, a radiation receiver, which is used as a photomultiplier tube, the output of which has a CCD array, and an electronic signal processing unit connected to the output of the CCD matrix.

Оптический фильтр содержит абсорбционный компонент, выполненный из цветного стекла, и компонент с интерференционным покрытием на его поверхностях. Оптический фильтр пропускает УФ излучение в «солнечной-слепой» области спектра с длиной волны менее 300 нм. Излучение от источника, находящегося в поле зрения объектива, выделенное оптическим фильтром, фокусируется на фотокатоде приемника излучения. Электроны, испускаемые фотокатодом в результате воздействия на него УФ излучения, переносятся на элемент ПЗС-матрицы, соответствующий координатам засвеченного участка фотокатода. Сигналы с ПЗС-матрицы передаются в электронный блок обработки сигнала.The optical filter contains an absorption component made of colored glass, and a component with an interference coating on its surfaces. The optical filter transmits UV radiation in the "sun-blind" region of the spectrum with a wavelength of less than 300 nm. Radiation from a source in the field of view of the lens, highlighted by an optical filter, focuses on the photocathode of the radiation receiver. The electrons emitted by the photocathode as a result of exposure to UV radiation are transferred to the element of the CCD matrix corresponding to the coordinates of the illuminated portion of the photocathode. Signals from the CCD are transmitted to the electronic signal processing unit.

Недостатком прототипа является то, что изображение анализируемого пространства, соответствующего угловому полю зрения объектива, переносится с фотокатода приемника излучения на ПЗС-матрицу без изменения масштаба. Угловое поле зрения устройства зависит от размеров ПЗС-матрицы и фокусного расстояния объектива. При уменьшении фокусного расстояния объектива уменьшается и диаметр его входного зрачка, а следовательно, и обнаружительная способность устройства. При заданном фокусном расстоянии объектива с увеличением размеров ПЗС-матрицы возрастает угловое поле зрения устройства. Однако ПЗС-матрицы, характеризующиеся высокой чувствительностью, обычно имеют небольшие размеры, что ограничивает угловое поле зрения устройства при условии обеспечения его заданной обнаружительной способности. Так например, угловое поле зрения устройства с объективом, имеющим фокусное расстояние f=11,6 мм и относительное отверстие 1:1,84, и ПЗС-матрицей формата 1/4" составляет 12°×12°.The disadvantage of the prototype is that the image of the analyzed space corresponding to the angular field of view of the lens is transferred from the photocathode of the radiation receiver to the CCD matrix without changing the scale. The angular field of view of the device depends on the size of the CCD and the focal length of the lens. With a decrease in the focal length of the lens, the diameter of its entrance pupil and, consequently, the detecting ability of the device also decrease. At a given focal length of the lens with increasing size of the CCD, the angular field of view of the device increases. However, CCD arrays, characterized by high sensitivity, are usually small in size, which limits the angular field of view of the device, provided that it has a given detecting ability. For example, the angular field of view of a device with a lens having a focal length f = 11.6 mm and a relative aperture of 1: 1.84, and a 1/4 "CCD matrix is 12 ° × 12 °.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение углового поля зрения устройства при обеспечении заданной обнаружительной способности.The task to which the utility model is directed is to expand the angular field of view of the device while providing a given detecting ability.

Указанная задача решается тем, что в устройстве обнаружения и определения координат источников ультрафиолетового излучения, содержащем приемный объектив, спектральный фильтр, приемник излучения, ПЗС-матрицу, к выходу которой подключен электронный блок обработки сигнала, дополнительно введен проекционный объектив, установленный между приемником излучения и ПЗС-матрицей, при этом приемник излучения выполнен в виде электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с фотокатодом, чувствительным к ультрафиолетовому излучению.This problem is solved by the fact that in the device for detecting and determining the coordinates of ultraviolet radiation sources containing a receiving lens, a spectral filter, a radiation receiver, a CCD matrix, to the output of which an electronic signal processing unit is connected, a projection lens mounted between the radiation receiver and the CCD is additionally introduced -matrix, while the radiation receiver is made in the form of an electron-optical converter (EOC) with a photocathode sensitive to ultraviolet radiation.

На фиг.1 показана оптическая схема устройства.Figure 1 shows the optical diagram of the device.

Устройство обнаружения и определения координат источников ультрафиолетового излучения содержит расположенные по ходу лучей приемный объектив 1 с широким полем зрения, спектральный фильтр 2, приемник излучения, выполненный в виде ЭОП 3 с фотокатодом, чувствительным к УФ излучению, проекционный объектив 4, установленный между приемником излучения - ЭОП 3 и ПЗС-матрицей 5, к выходу которой подключен блок обработки сигнала (БОС) 6. Фотокатод ЭОП 3 совмещен с фокальной плоскостью приемного объектива 1. Плоскость предметов проекционного объектива 4 совмещена с выходным экраном ЭОП 3, а плоскость изображений проекционного объектива 4 совмещена с ПЗС-матрицей 5. Спектральный фильтр 2 может быть выполнен из нескольких подложек, на поверхностях которых нанесены интерференционные покрытия. При этом часть подложек изготовлена из кварца, пропускающего УФ излучение, а часть - из цветного стекла, пропускающего излучение в рабочей «солнечно-слепой» области спектра и поглощающего излучение в нерабочей области. Совокупность интерференционных покрытий и цветного стекла с селективным пропусканием позволяет выделить «солнечно-слепую» область спектра и подавить фоновое солнечное излучение, которое не задерживается озоновым слоем земной атмосферы.The device for detecting and determining the coordinates of ultraviolet radiation sources contains a receiving lens 1 with a wide field of view located along the rays, a spectral filter 2, a radiation detector made in the form of an image intensifier tube 3 with a UV-sensitive photocathode, a projection lens 4 mounted between the radiation detector Image intensifier tube 3 and a CCD matrix 5, to the output of which a signal processing unit (BOC) is connected 6. The photocathode of the image intensifier tube 3 is aligned with the focal plane of the receiving lens 1. The plane of the objects of the projection lens 4 is aligned with the output screen of the image intensifier tube 3, and the image plane of the projection lens 4 is aligned with the CCD array 5. The spectral filter 2 can be made of several substrates, on the surfaces of which interference coatings are applied. In this case, part of the substrates is made of quartz, which transmits UV radiation, and part - of colored glass, which transmits radiation in the working “sun-blind” region of the spectrum and absorbs radiation in the non-working region. The combination of interference coatings and colored glass with selective transmission allows us to select the “sun-blind” region of the spectrum and suppress the background solar radiation, which is not delayed by the ozone layer of the earth’s atmosphere.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение от удаленного источника, содержащее УФ составляющую, поступает в приемный объектив 1, затем направляется на установленный в заднем отрезке объектива 1 спектральный фильтр 2, который пропускает излучение в «солнечно-слепой» области спектра и подавляет излучение вне этой области. Прошедшее через спектральный фильтр 2 УФ излучение собирается на чувствительном к УФ излучению фотокатоде ЭОП 3 в точке, координаты которой соответствуют угловому положению источника УФ излучения в поле зрения устройства. Электроны, выбитые из фотокатода ЭОП 3 под действием УФ излучения, создают на выходном люминесцентном экране ЭОП 3 изображение источника УФ излучения в видимой области спектра. Это изображение с выходного экрана ЭОП 3 затем переносится проекционным объективом 4 в плоскость ПЗС-матрицы 5, в результате чего на соответствующем пикселе ПЗС-матрицы 5 вырабатывается электрический сигнал, который передается в блок обработки сигнала 6. По координатам засвеченного пиксела в блоке обработки сигнала 6 вычисляются угловые координаты обнаруженного источника УФ излучения. Пространство объектов изображается на фотокатоде и на выходном люминесцентном экране ЭОП 3 в одном и том же масштабе. Изображение пространства объектов с экрана ЭОП 3 переносится проекционным объективом 4 в плоскость ПСЗ-матрицы 5 с уменьшением. Кратность уменьшения зависит от соотношения размеров фотокатода ЭОП 3 и ПЗС-матрицы фотоприемника 5. Таким образом, благодаря оптическому переносу с помощью проекционного объектива 4 изображения пространства объектов с экрана ЭОП 3 на ПЗС-матрицу 5, имеющую ограниченные размеры, можно использовать в устройстве ЭОП с увеличенными размерами фотокатода, что позволяет при выбранном фокусном расстоянии приемного объектива f=11,6 мм и ПЗС-матрицей формата 1/4" расширить угловое поле зрения устройства до 90°×90° без снижения обнаружительной способности устройства.The inventive device operates as follows. Radiation from a distant source containing a UV component enters the receiving lens 1, then is sent to a spectral filter 2 installed in the rear segment of the lens 1, which transmits radiation in the “sun-blind” region of the spectrum and suppresses radiation outside this region. UV radiation transmitted through spectral filter 2 is collected on the UV-sensitive photocathode EOP 3 at a point whose coordinates correspond to the angular position of the UV radiation source in the field of view of the device. Electrons knocked out of the image intensifier tube 3 under the influence of UV radiation create an image of the UV radiation source in the visible region of the spectrum on the output screen of the image intensifier tube 3. This image from the output screen of the image intensifier tube 3 is then transferred by the projection lens 4 to the plane of the CCD matrix 5, as a result of which an electric signal is generated at the corresponding pixel of the CCD matrix 5, which is transmitted to the signal processing unit 6. According to the coordinates of the illuminated pixel in the signal processing unit 6 the angular coordinates of the detected UV radiation source are calculated. The space of objects is depicted on the photocathode and on the output fluorescent screen of the image intensifier tube 3 at the same scale. The image of the space of objects from the screen of the image intensifier tube 3 is transferred by the projection lens 4 into the plane of the PSZ-matrix 5 with a decrease. The reduction ratio depends on the ratio of the sizes of the image intensifier tube 3 and the CCD matrix of the photodetector 5. Thus, due to the optical transfer of the image of the object space from the image intensifier screen 3 to the CCD matrix 5, which has limited dimensions, using the projection lens 4, it is possible to use the image intensifier device with the increased dimensions of the photocathode, which allows for a selected focal length of the receiving lens f = 11.6 mm and a 1/4 "format CCD to expand the angular field of view of the device to 90 ° × 90 ° without reducing the detection STI device.

Claims

A device for detecting and determining the coordinates of ultraviolet radiation sources, comprising a receiving lens, a spectral filter, a radiation receiver, a CCD matrix, to the output of which an electronic signal processing unit is connected, characterized in that a projection lens mounted between the radiation receiver and the CCD matrix is additionally introduced, wherein the radiation receiver is made in the form of an electron-optical converter with a photocathode sensitive to ultraviolet radiation.