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Verfahren zur Sichtbarmachung von im Dunkeln befindlichen oder durch Nebel verdeckten
Objekten im infraroten Licht.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Apparat zur Sichtbarmachung von Objekten, die durch Nebel verdeckt oder nicht sichtbar beleuchtet sind. Zwecks Erzielung dieses Ergebnisses werden im Sinne der Erfindung Phänomene, die bei der Einwirkung infraroten Strahlen auf erregte Phosphore in Erscheinung treten, ausgenutzt.
Phosphore haben die Eigenschaft, Liehtenergie aufzuspeichern und sie als sichtbares Licht wieder spontan abzugeben. Diese Lichtemission wird durch die Einv irkung infrc rcter Strahlen beeinflusst, doch ist die Art der Beeinflussung je nach der Natur der Phosphcre verschieden.
Bei einer Gruppe von Phosphoren wird die Lichtemission durch infrarotes Licht herabgesetzt, so dass das getroffene Feld weniger stark leuchtet als die spontan emittierende Umgehung. Wenn die Intensität des infraroten Lichtes gross ist, geht bei einigen Phosphoren dieser Gruppe der Verdunklung ein kurzes Aufleuchten voraus. Misst man die Lichtmenge, die bis zur völligen Verdunkelung verausgabt wird, so zeigt sich, dass sie wesentlich kleiner ist als die während der Erregung gespeicherte Lichtsumme.
Die gespeicherte Lichtenergie wird also zu einem erheblichen Teil nicht wieder als Licht abgegeben, sondern auf anderem Wege vernichtet. Das Phänomen, das bei der Einwirkung infraroten Lichtes auf Phosphore dieser Gruppe in Erscheinung tritt, wird meistens als Auslösehen"bezeichnet.
Bei einer zweiten Gruppe von Phosphoren hat die Infrarotbestrahlung eine Verstärkung des Leuchtens zur Folge. Die gespeicherte Lichtenergie wird bei diesen Phosphoren unter der Einwirkung der infraroten Strahlen in der Hauptsache wieder als sichtbares Licht abgegeben und nur zum geringsten Teil auf anderem Wege vernichtet. Dabei verstärkt sich die Lichtemission um so mehr, je grösser die Intensität der Infrarotbestrahlung ist. Ist die gasp ? icherte Lichtsumme durch Infrarotbestrahlung vollständig ausgetrieben, so erscheint die getroffene Stelle dunkel. Phosphore, bei welchen die gespeicherte Lichtenergie im Masse der Intensität des infraroten Lichtes unter Lichtemission ausgetrieben wird, nennt man Phosphore mit guter Ansleuchtung.
In der optischen Telegraphie hat man von der Eigenschaftinfraroter Strahlen, das Phosphoreszenzlicht gewisser Phosphore auszulöschen, bereits Gebrauch gemacht. Ein bekannter Apparat dieser Art besteht aus einem Transportband, das mit einem Phosphor belegt ist, einer Lichtquelle zur Erregung des Phosphors und einem Teleskop, das auf einen an der Sendestation aufgestellten Infrarotscheinwerfer gerichtet ist, der periodisch in Tätigkeit gesetzt wird, um das Phosphoreszenzlicht periodisch auszulöschen.
Das beim bekannten Apparat auf dem erregten Phosphor erscheinende Bild des Scheinwerfers ist ein Negativ. Negative Bilder sind weniger kontrastreich als positive Bilder und lassen daher die Einzelheiten des Objektes schwerer erkennen. Dies insbesondere dann, wenn sich die Objekte während der Beobachtung bewegen. Zur Behebung dieses Übelstandes werden im Sinne der Erfindung die Voraussetzungen für die Entstehung positiver Bilder geschaffen. Im wesentlichen besteht die Erfindung darin, dass mit Hilfe eines optischen Systems einreelles Bild auf einem erregten Phosphoreszenzschirm erzeugt wird, dessen Phosphoreszenz im Verhältnis zur Intensität des infraroten Lichtes angefacht wird.
Für das Verfahren gemäss der Erfindung brauchbare Phosphore sind die Sulfide, Oxyde und Selenide der Erdalkalimetalle, weiters von Zink, Kadmium und Magnesium mit Zusätzen von sehr geringen Sehwermetallmengen, wie Antimon, Wismut, Mangan, Blei, Nickel. Auch die seltenen Erden sind als Zusätze verwendbar. Es können auch einem einzigen Grundmaterial mehrere Metalle zugesetzt
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werden. Gegebenenfalls können verschiedene Salze, die teilweise auch als Flussmittel wirken, z. B. Kalziumfluorid, Natriumfluorid, Lithiumphosphat zugesetzt werden. Als besonders geeignet haben sich Nitrate der Alkalimetalle und Mischungen derselben erwiesen, sowie andere oxydierende Stoffe, wie Natriumperoxyd. Manche Grundmaterialien lassen sich durch Zusätze von Silikaten oder Silikatverbindungen günstig beeinflussen.
Unter diesen Phosphoren zeigen viele gute Ausleuchtung, so z. B. besonders CaSPb, CaSSb, CaSNi, SrSBi in der von Lenard eingeführten Bezeichnungsweise, sowie Mischungen von derartigen Phosphoren und sogenannte Mischphosphore. Solche Mischphosphore bringen bei geeigneter Lage der Emissionsbanden und Ausleuchtungsgebiete noch einen besonderen Vorteil mit sich : Die Verschiedenheit der Emission abgebildeter Gegenstände für verschiedene infrarote Spektralbereiche wird durch Buntheit des entstehenden Bildes wiedergegeben.
Geeignete Phosphore sind ferner auch die Alkalihalogenide, welche mit oder ohne Metallzusätzen verwendet werden können. Als Metallzusätze eignen sieh besonders Silber, Thallium, Blei, Kupfer, Manran. Ein solcher Phosphor ist z. B. Natriumehlorid mit S ! lberzusatz oder Kaliumchlorid mit Thalliumzusatz. Werden die Alkalihalcgenide ohne Metallzusatz verwendet, so ist das Vorhandensein
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flüsse hervorgerufen werden.
Zur Erregung der Phosphore sind im allgemeinen verschiedene Strahlenarten brauchbar. Für viele Phosphore, z. B. die Kllziumsulfidphosphore, genügt sichtbares Licht oder langwelliges Ultraviolett, wie es eine Quarzlampe liefert. Für andere Phosphore, z. B. die Alkalihalogenidphosphore, sind kürzerwellige Strahlungen. z. B. Funkenlicht oder Röntgenstrahlen, vorteilhafter. In den meisten Fällen, z. B. bei den S1Ifatphosphoren, ist die Erregung durch Kathodenstrahlung besonders günstig.
Auch die Strahlen radioaktiver Substanzen wirken auf fast alle Phosphore erregend. Bei manchen Phosphoren, z. B. den Alkllihalogenidphosphoren, ist es vorteilhaft, sie nacheinander mit verschiedenen Strahlenarten zu erregen, z. B. zuerst mit Kathodenstrahlen und dann mit sichtbarem oder ultraviolettem Licht oder zuerst mit sehr kurzwelligem und dann mit längerwellgem Licht.
Nach der Erregung emittieren die Phosphore spontan Licht. Diese Emission hängt meist von der Temperatur ab ; sie ist bei tiefer Temperatur fast immer schwächer und dauert länger, bei hoher Temperatur erfolgt sie intensiv, ist aber kurzdauernd. Wenn die Temperatur tief genug ist, kann die spontane Emission praktisch unterbunden sein. Die Menge des spontan emittierten Lichtes, die "Lichtsumme", ist indessen von der Temperatur meistens unabhängig.
Die Lichtsumme entsprechend tief gekühlter Phosphore kann lange Zeit hindurch aufgespeichert bleiben. Man nennt diesen Zustand den"unteren Momentanzustand"des Phosphors. Er liegt bei verschiedenen Emissionsbanden der verschiedenen Phosphore verschieden hoch. Bei den a-Banden der Kalziumoxydphosphore (in Lenards Terminologie) z. B. nahe der Zimmertemperatur. Bei den oc-Banden der Kalziumsulfidphosphore meist erheblich unter dieser (ungefähr bei der Temperatur flüssiger Luft). Bei Selenidphosphoren noch tiefer.
Phosphore, die nach der Erregung schon bei Zimmertemperatur kräftig leuchten, heissen Phosphore "normaler Temperaturlage". Phosphore, die über Zimmertemperatur erhitzt werden müssen, damit die Emission sichtbar werde, heissen Phosphore "hoher Temperaturlage".
Der Einfluss der Temperatur auf die Emission der Phosphore kann zur Steigerung des Kontrast- reichtums der Bilder ausgenutzt werden. Man unterbindet die spontane Emission, indem man entweder bei Zimmertemperatur Phosphore hoher Temperaturlage verwendet oder Phosphore normaler Tempe- raturlage entsprechend tief kühlt. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, die Erregung bei höheren Tempera- turen vorzunehmen als die Ausleuchtung. Mit dem Temperaturverhalten hängt es auch zusammen, dass es manchmal von Vorteil ist. zwischen Erregung und Ausleuchtung eine Pause von bestimmter Dauer einzuschalten, in der ein Teil der Erregung"abklingt".
Das"Ausleuchten"der Phosphoreszenz ist bei manchen Phosphoren eine Erscheinung, die nach der Ultrarotbelichtung verschwindet, bei andern Phosphoren überdauert das Ausleuchten die Belichtung. Für die Betrachtung beweglicher Objekte kommen Phosphore mit starker Ausleuchtung und kurzer"Naehdauer"in Betracht, z. B. der Lenardphosphor CaSPb oder entsprechend erregtes
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Rubidiumehlorid oder Kaliumchlorid.
Je nach den Temperatureigenschaften des Phosphors kann es zweckmässig sein, die zur Erregung dienende Anordnung und die das infrarote Bild erzeugende Anordnung in einem Apparat zu vereinigen, so dass Erregung und Ausleuchtung bzw. Tilgung mehr oder weniger rasch nacheinander, eventuell sogar gleichzeitig, erfolgen können. Bei Phosphoren mit guter Aufspeicherung (Phosphore hoher Temperaturlage) ist es meisten. vorteilhafter, den Erregungs-und Ausleuchtungsvorgang räumlich und zeitlich zu trennen.
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Die Betrachtung des Bildes auf den Phosphoren kann in der Durchsicht erfolgen, wenn die Phosphorschichte genügend durchlässig für das emittierte Licht ist, andernfalls muss Nie Betrachtung in Aufsicht erfolgen. Die Betrachtung kann durch optische Hilfsmittel, wie Lupen, Spiegel, Prismen, erleichtert werden.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Apparaten dargestellt, die zur Betrachtung von Gegenständen im infraroten Licht geeignet sind. Fig. 1 zeigt einen Apparat mit einem für das Phosphoreszenzlicht durchlässigen Leuchtschirm im Längenschnitt. Fig. 2 einen Schnitt durch einen Apparat zur Bstrachtungder Bilder in Aufsicht. Fig. 3 zeigtim Horizontalschnitt nach der Linie III-Ill der Fig. 4 einen mit einer Erregungsvorrichtung vereinigten Betrachtungsapparat. Fig. 4 einen Vertikalschnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 3. Fig. 5 zeigt im Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines mit einer Erregungsvorrichtung vereinigten Betrachtungsapparates.
Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 5, Fig. 7 eine Einzelheit in Draufsicht. Fig. 8 einen Apparat zur Abbildung von Objekten auf elektronenoptischem Wege in Vereinigung mit einem Apparat gemäss der Erfindung und Fig. 9 eine weitere Ausführungsform der vereinigten Apparate.
Der in Fig. 1 dargestellte Apparat ist ähnlich einer photographischen Kamera ausgebildet, deren Mattscheibe durch einen für das Phosphoreszenzlicht durchlässigen Phosphoreszenzschirm 1 ersetzt ist. Ein in die einstellbare Vorderwand eingesetztes Objektiv 2 entwirft von dem zu beobachtenden Gegenstand, der infrarotes Licht aussendet oder reflektiert, ein reelles Bild auf dem Schirm, das mittels des in die einstellbare Rückwand eingesetzten Okulars 3 betrachtet werden kann. Um von dem Schirm Licht. das nicht von dem zu betrachtenden Gegenstand ausgeht, abzuhalten, ist zwischen dem Schirm und dem Objektiv ein Balg 4 und zwischen dem Schirm und dem Okular ein Balg 5 vorgesehen. Ferner ist das Okular mit einer Fassung 6 ausgestattet, an die das Auge lichtdicht angelegt werden kann.
Wenn der Apparat in Benutzung genommen werden soll, wird der Leuchtschirm durch eine entsprechende Lichtquelle, z. B. eine Quarzlampe, die vor das Objektiv gestellt wird, erregt und hierauf der Apparat auf das zu beobachtende Objekt eingestellt. Wenn sich das Objektim Dunkeln befindet, so wird es mit einem Infrarotseheinwerfer beleuehtet. Dureh das Objektiv 2 wird auf dem Schirm ein reelles positives Bild entworfen, das durch das Okular 3 beobachtet werden kann.
Die Vorrichtung gemäss Fig. 2 ist zur Betrachtung eines Schirmes in Aufsicht eingerichtet.
Mit Hilfe eines Objektivs 7 und eines Prismas 8 wird das Objekt auf einem Phosphoreszenzschirm 9 abgebildet. Zur Betrachtung dient das Okular 10 und das Prisma 11. Die phosphoreszierende Schichte ist auf eine Scheibe aufgetragen, die mit einem zylindrischen, in einem Gefäss 12 untergebrachten Untersatz 1. 3 aus einem Stück besteht. Wenn Phosphore tiefer Temperaturlage benutzt werden, so füllt man das Gefäss 12 mit einem Kühlmittel, z. B. flüssiger Luft, um den Phosphor auf so niedriger Temperatur zu erhalten, dass die spontane Lichtemission unterbunden ist.
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gegen die zur Betrachtung dienende Optik (Prisma 17 und Okular 15') im Winkel verstellt ist.
Ferner sind noch eine um ihre Achse drehbare zylindrische Blende 18 mit drei Öffnungen 19, 20, 21 und eine zur Erregung des Phosphors geeignete Lichtquelle 22 vorgesehen, deren Licht durch eine Sammellinse 23 und ein Prisma 24 zum Phosphoreszenzschirm abgelenkt wird. Die Relativle ge der Schlitze 19, 20, 21 ist derart, dass die zylindrische Blende 18 den Zutritt des erregenden Lichtes zum Phosphoreszenzschirm sperrt, wenn sich die Schlitze 19, 20 in jener Stellung befinden, bei welcher die Betrachtung des projizierten Bildes möglich ist.
Befindet sich hingegen der Schlitz 21 in Deckung mit der Sammellinse 23 der Lichtquelle, so ist sowohl das Objektiv 15 als auch das Okular 15'durch die Blende 18 abgedeckt. Wenn man die geschlitzte zylindrische Blende 7S um ihre Achse schrittweise dreht, wechseln sonach Perioden der Erregung des L ? uchtschirmes mit Perioden, während welcher die Betrachtung der Abbildung möglich ist.
Bei dem in den Fig. 5-7 dargestellten Apparat ist eine Kreisscheibe 25, in die vier Phosphoreszenz- schirme 26,26', 26"und 26'"eingesetzt sind, um eine vertikale Achse 27 innerhalb eines die Scheibe eng umschliessenden Gehäuses 28 mittels eines Knopfes 29 drehbar. Zur einen Seite der Achse 27 ist auf das Gehäuse ein liehtdichter Kasten 30 aufgesetzt, der die zur Abbildung des Objektes und zur Betrachtung des Bildes erforderlichen Hilfsmittel enthält, und zur andern Seite der Achse ein Kasten 31, in dem eine zur Erregung des Phosphors geeignete Lichtquelle 32 untergebracht ist. Die zur Abbildung des Objektes dienende optische Einrichtung besteht aus einem Spiegel 33 und einem Linsensystem 34.
Das auf dem Phosphoreszenzschirm entstehende Bild wird durch ein Okular 35 im Spiegel 36 betrachtet. In den Boden des Gehäuses 28 ist innerhalb des Kastens 30 ein massiver zylindrischer Metallkörper 37 eingesetzt, der mit den Objektivlinsen 34 gleichachsig angeordnet ist. Der Metallkörper 37 taucht in die in einem Gefäss 38 untergebrachte Kühlflüssigkeit, z. B. flüssige Luft, und wird dadurch auf sehr tiefer Temperatur gehalten.
Wenn der Phosphor auf sehr tiefe Temperatur gebracht wird, ist es zweckmässig, Vorkehrungen zu treffen, durch die das Niederschlagen von Reif auf den Phosphoreszenzschirmen und den optischen
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Elementen des Apparates verhindert wird. Man kann z. B. in dem Kasten ? Feuchtigkeit anziehende Substanzen, z. B. Phosphorpentoxyd, unterbringen, die in kleine Behälter 39 eingefüllt werden. Die im Kasten 0 eingeschlossene Luft wird dadurch trocken gehalten. Es ist ferner vorteilhaft, die in der Decke des Gahäuses 28 oberhalb des Metallkörpers 37 vorgesehene Fensteröffnung 40 mit einem Glashohlkörper 41 abzudecken, der gleichfalls kleine Behälter 39 enthält, die mit Feuchtigkeit anziehenden Substanzen gefüllt sind.
Ein solcher Glashohlkörper erweist sich zweckmässiger als eine Glasplatte, weil sich seine obere Wand von der Kühleinrichtung in grossem Abstand befindet und daher weniger tief gekühlt wird.
Ein Niederschlagen von Reif an den Phosphoreszenzschirmen ist dadurch wirksam verhindert, dass die die Schirme tragende Scheibe 2J in dem sehr engen Gehäuse 28 untergebracht ist, das nur sehr wen@g Luft fassen kann.
Wenn der Phosphor während der Erregung gekühlt werden soll, so wird unterhalb der Erregungsverrichtung eine Kühleinrichtung angecrdnet, die in gleicher Weise ausgebildet ist wie die auf den der Betrachtung unterzogenen Schirm wirkende Einrichtung. Im allgemeinen ist es zweckmässig, den Phosphor während der Erregung auf höherer Temperatur zu halten, als während der Betrachtung.
Das Gehäuse 28 für die Scheibe 25 weist an der Stelle, auf welche die Erregungseinrichtung aufgesetzt ist, in der Decke eine zweite Öffnung 42 auf, damit das erregende Licht auf den Phosphor einwirken kann. Diese Öffnung wird zweckmässig durch ein Filter 4. 3 für infrarotes Lieht abgedeckt. um während der Erregunginfrarote Strahlen, die die Phosphoreszens auslöschen, vom Phosphor abzuhalten.
Der Apparat wird in der Weise benutzt, dass die Scheibe 25 nach entsprechenden Zeitabschnitten um 900 verdreht wird. In den Stillstandsperioden wird ein Phosphoreszenzschirm, z. B. der Schirm 26, durch die Lichtquelle 32 erregt, während der diametral gegenüberliegende Phosphoreszenzsehirm 26" betrachtet wird. Beide Schirme 26 und 26"werden dabei gekühlt. Zweckmässig wird der Schirm 26
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folgenden Stillstandsperiode wird auf ihm das Bild des zu beobachtenden Gegenstandes entworfen.
Erliegt dabei auf dem Kühlkörper 37 auf und wird so tief gekühlt, dass die spontane Emission praktisch unterbunden ist.
Gegebenenfalls kann Vorsorge getroffen werden, dass der Phosphor schon tief gekühlt in die Betrachtungsstellung einlangt.
Der in den Fig. 5 und 6 dargestellte Apparat bietet den Vorteil, dass die Beobachtung der Objekte beliebig lange Zeit nahezu ununterbrochen erfolgen kann, obgleich die durch die Erregung des Phosphors speicherbare L-chtsumme beschränkt ist und die erschöpfte Liehtsumme durch Erregung des Phosphors wieder erneuert werden muss.
Der Apparat gemä Fig. 8 besteht zum Teil aus einem bekannten Bildwandler mit einer Photckathode 44 und einem Fluoreszenzschirm 45, die einander gegenüberliegend angeordnet sind. Eine Linse 46 entwirft auf der Photokathode ein Bild, wodurch Elektronen ausgelöst werden, die, durch ein elektrisches Feld beschleunigt, auf dem Flucreszenzschirm ein sichtbares Bild erzeugen, das durch ein Okular betrachtet werden kann. Damit dieses Lichtbild eine scharfe Wiedergabe des Lichtbildes auf der Photokathode ist, wird die Photokathode entweder sehr nahe an den Fluorrszenzsehirm herangebracht oder, wie dies beim dargestellten Beispiel vorausgesetzt ist, durch magnetische oder elektrische
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bild auf der Photokathode in ein kräftiges Bild auf dem Fluoreszenzschirm verwandelt.
Da gewisse Photokathoden auch für Infrarotlicht empfindlich sind, lässt sich mit Hilfe des Bildwandlers auch ein unsichtbare Infrarotbild in ein sichtbares umwandeln. Der Wirksamkeit dieser bekannten Anordnung sind indessen insofern Grenzen gesetzt, als die bekannten Photokathoden für infrarotes Licht nur beschränkt empfindlich sind. Die Grenze ihrer Empfindlichkeit liegt bei
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um die Wirksamkeit des bekannten Bildwandlers zu verbessern. Zu diesem Zwecke entwirft man vom Objekt ein infrarotes reelles Bild auf einem Phosphoreszenzschirm und lässt das Phosphoreszenzlicht, für das die Photokathode durchaus empfindlich ist, auf die Photokathode einwirken.
Gemäss Fig. 8 ist der Phosphoreszenzschirm 47 auf der Aussenfläche der die Photokathode tragenden Wand angeordnet, Gamäss Fig. 9 wird der Phosphoreszenzschirm 47 durch eine Optik auf der Photokathode 44 abgebildet. Das in dieser Weise erzeugte Elektronenbild auf der Photokathode ist kräftiger als bei unmittelbarer Einwirkung des infraroten Lichtes, weil gewisse vom Objekt ausgehende Strahlen, die bei unmittelbarer Einwirkung auf die Photokathode eine Auslösung von Elektronen nicht herbeiführen, durch den Phosphor in für die Photokathode wirksame Strahlen umgewandelt werden.