Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Изобретение относится к технике контроля и измерения распределения полей и изображений инфракрасного диапазона и может быть использовано для прямого преобразования изображения среднего инфракрасного диапазона в изображение видимого или ближнего инфракрасного диапазона, где имеются стандартные средства визуализации, например электрооптические преобразователи.

Известны способы и устройства для визуализации поля инфракрасных лазеров при одновременном облучении антистоксового люминесцентного экрана вспомогательным оптическим излучением видимого диапазона (Архипова Э.Я., Малышев В.И. и др. Визуализация полей излучения ИК-лазеров при помощи антистоксовых люминофоров. Краткие сообщения по физике 1972. - №9. - С.60-64; Фридман С.А., Архипова Э.Я. и др. Люминисцентные методы визуализации длиноволнового излучения // Изв. АН СССР. Сер. физ. - 1973. - Т.37. - С.783-789).

Известен способ визуализации, основанный на формировании изображения инфракрасного диапазона на поверхности антистоксового люминесцентного экрана-преобразователя с последующей регистрацией преобразованного изображения в видимой части спектра любым стандартным способом, например фотографическим (Патент Франции №1532609, кл. G 01 j, опубл. 12.07.1968 г.).

Однако эти способы и устройства пригодны только для визуализации высокоинтенсивных инфракрасных изображений. Это обусловлено тем, что преобразование изображения осуществляется лишь в тонком поверхностном слое экрана-преобразователя, так как преобразование в толщине экрана приведет к дефокусировке и размытию изображения, а увеличение концентрации активных центров антистоксового преобразования ограничено концентрационным тушением люминесценции.

Для устранения этого эффекта возможно использование световолокон, легированных центрами антистоксового преобразования. Такое решение реализовано в оптическом преобразователе изображения (заявка ФРГ №1299782, М.кл. H 01 S 3/00, опубл. 24.07.1969 г.), выбранном в качестве прототипа. Оптический преобразователь изображения содержит последовательно установленные входной инфракрасный объектив, дихроичный светоделитель, антистоксовый преобразователь частоты, выполненный в виде набора активных световодов, а также источник излучения накачки, установленный со стороны передней торцевой поверхности набора активных световодов. В этом устройстве задача решается за счет того, что инфракрасное изображение формируется не на сплошном экране-преобразователе, а на входном торце набора активных световодов, выполненных из вещества, содержащего центры антистоксового преобразования. В этих световодах происходит преобразование частоты инфракрасного излучения, и изображение видимого диапазона без потери четкости формируется на выходном (противоположном) торце набора активных световодов.

Недостатками данного устройства являются низкая эффективность преобразования. Как сигнальное инфракрасное излучение, так и видимое излучение накачки вводятся с входного торца, что приводит к падению интенсивности излучения обеих частот при их распространении к выходному торцу и, соответственно, к уменьшению интенсивности излучения флюоресценции, используемого для построения видимого изображения, то есть к снижению яркости изображения и уменьшению эффективности преобразования.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются увеличение вдвое эффективной длины антистоксового преобразования, выравнивание интенсивности поля накачки по всей длине световодов набора, повышение эффективности использования источника накачки, что обеспечивает повышение эффективности преобразования и, как следствие, повышение яркости выходного изображения.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве визуализации инфракрасного изображения, содержащем последовательно установленные входной инфракрасный объектив, дихроичное зеркало, антистоксовый преобразователь частоты, выполненный в виде набора активных световодов, передняя торцевая поверхность которого, являющаяся входом антистоксового преобразователя частоты, совмещена с плоскостью изображения входного инфракрасного объектива, а также источник излучения накачки, согласно изобретению набор активных световодов выполнен с нанесением дихроичных покрытий на передней и задней торцевых поверхностях, при этом источник излучения накачки установлен со стороны задней торцевой поверхности или со стороны передней торцевой поверхности, которая является одновременно входом и выходом антистоксового преобразователя частоты.

Устройство отличается тем, что источник излучения накачки установлен со стороны задней торцевой поверхности набора активных световодов, при этом дихроичное покрытие передней торцевой поверхности набора активных световодов выполнено пропускающим в прямом направлении входное инфракрасное излучение, а в обратном направлении пропускающим выходное излучение антистоксового преобразователя частоты и отражающим излучение накачки, при этом дихроичное покрытие задней торцевой поверхности набора активных световодов выполнено в одном направлении пропускающим излучение накачки, а в другом направлении отражающим входное инфракрасное излучение и выходное излучение антистоксового преобразователя частоты.

А также тем, что источник излучения накачки установлен со стороны передней торцевой поверхности набора активных световодов, при этом дихроичное покрытие передней торцевой поверхности набора активных световодов выполнено пропускающим в прямом направлении входное инфракрасное излучение и излучение накачки, а в обратном направлении пропускающим выходное излучение антистоксового преобразователя частоты, при этом дихроичное покрытие задней торцевой поверхности набора активных световодов выполнено отражающим входное инфракрасное излучение и выходное излучение антистоксового преобразователя частоты.

Кроме того, тем, что дихроичное зеркало выполнено в виде покрытия, нанесенного на поверхности инфракрасного объектива, обращенной к антистоксовому преобразователю частоты, и пропускающего в одном направлении инфракрасное излучение, а в другом направлении отражающего выходное излучение антистоксового преобразователя частоты.

На фиг.1, 2 представлена схема устройства визуализации инфракрасного изображения.

Устройство визуализации инфракрасного изображения содержит последовательно установленные входной инфракрасный (ИК) объектив 1, дихроичное зеркало 2 и антистоксовый преобразователь частоты 3, выполненный в виде набора активных световодов (НАС) 4, изготовленных из вещества, содержащего центры антистоксового преобразования, например трехвалентные ионы редкоземельных элементов, а также источник 5 излучения накачки, в качестве которого может быть использован лазер. НАС 4 выполнен с нанесением на его передней 6 и задней 7 торцевых поверхностях дихроичных покрытий 8, 9 соответственно. Источник 5 излучения накачки может быть установлен либо со стороны задней торцевой поверхности 7 НАС 4 (положение 5а на фиг.1, 2), либо со стороны передней торцевой поверхности 6 НАС 4 (положение 5б на фиг.2), которая является одновременно входом и выходом антистоксового преобразователя частоты 3. На выходе устройства может быть установлен выходной объектив 10 и защитный фильтр 11.

Если источник 5 излучения накачки установлен со стороны задней торцевой поверхности 7 НАС 4 (положение 5а на фиг.1, 2), то дихроичное покрытие 8 передней торцевой поверхности 6 НАС 4 выполнено пропускающим в прямом направлении входное ИК-излучение, а в обратном направлении пропускающим выходное излучение антистоксового преобразователя частоты 3 и отражающим излучение накачки от источника 5. Дихроичное покрытие 9 задней торцевой поверхности 7 НАС 4 выполнено пропускающим в одном направлении излучение накачки от источника 5 и отражающим в другом направлении входное ИК-излучение и выходное излучение антистоксового преобразователя частоты 3.

В случае расположения источника 5 излучения накачки со стороны передней торцевой поверхности 6 НАС 4 (положение 5б на фиг.2) дихроичное покрытие 8 передней торцевой поверхности 6 НАС 4 выполнено пропускающим в прямом направлении входное ИК-излучение и излучение накачки от источника 5, а в обратном направлении пропускающим выходное излучение антистоксового преобразователя частоты 3. Дихроичное покрытие 9 задней торцевой поверхности 7 НАС 4 в этом случае выполнено отражающим входное ИК излучение, выходное излучение антистоксового преобразователя частоты 3 и излучение накачки от источника 5.

Дихроичное зеркало 2 может быть выполнено в виде покрытия, нанесенного на поверхности входного ИК-объектива 1, обращенной к антистоксовому преобразователю частоты 3, и пропускающего в прямом направлении входное ИК-излучение, а в обратном направлении отражающего выходное излучение антистоксового преобразователя частоты 3.

Устройство визуализации инфракрасного изображения работает следующим образом. Инфракрасное изображение сцены в диапазоне длин волн примерно от 3.0 до 12,0 мкм, проходя через входной ИК-объектив 1, дихроичное зеркало 2 и пропускающее в прямом направлении ИК-излучение дихроичное покрытие 8, формируется на передней торцевой поверхности 6 НАС 4, являющейся входом антистоксового преобразователя частоты 3. Одновременно на заднюю торцевую поверхность 7 НАС 4 через дихроичное покрытие 9 подается излучение накачки от источника 5, которое может находиться в ближней инфракрасной, видимой, или ультрафиолетовой области спектра. В результате при взаимодействии входного ИК-излучения с излучением накачки в каждом отдельном волокне НАС 4 за счет поглощения энергии излучения накачки центрами антистоксового преобразования происходит переход иона с основного уровня энергии на более высокий излучающий уровень, что приводит к спонтанному испусканию выходного оптического сигнала с более короткой длиной волны. За счет отражения излучения накачки от дихроичного покрытия 8 передней торцевой поверхности 6 НАС 4 формируется равномерное распределение поля накачки по всей длине НАС 4 и повышается эффективность использования источника 5 накачки. Входное ИК-излучение, распространяясь в НАС 4 и отразившись от дихроичного покрытия 9 задней торцевой поверхности 7, формирует на передней торцевой поверхности 6 НАС 4 изображение видимого или ближнего ИК-диапазона. За счет отражения от дихроичного покрытия 9 задней торцевой поверхности 7 НАС 4 входного ИК и преобразованного излучения достигается удвоение длины антистоксового преобразования, что обеспечивает повышение эффективности преобразования и позволяет увеличить яркость выходного изображения. Так как поле зрения входного ИК-объектива 1 согласовано с входной апертурой НАС 4, то дихроичное зеркало 2, выполненное в виде покрытия, нанесенного на поверхности входного ИК-объектива 1, обращенной к антистоксовому преобразователю частоты 3, также будет автоматически согласовано с этой апертурой. А поскольку частота преобразованного выходного излучения на порядок выше, чем частота входного ИК-излучения, то толщина дихроичного зеркала 2 будет много меньше длины волны входного ИК-излучения и, следовательно, не будет его ослаблять. Преобразованное выходное изображение через дихроичное зеркало 2, выходной объектив 10 и фильтр 11 может быть передано на усилитель изображения либо другое устройство обработки изображений.