Optischer Empfänger
Die Erfindung betrifft einen optischen Empfänger mit einer Sammeloptik, einem Detektor, der die Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandelt, und Einrichtungen, um die Eintrittspupille der Sammeloptik auf den Detektor abzubilden.
Es sind viele Empfänger bekannt, die optische Strahlen in elektrische Signale transformieren. Im sichtbaren Bereich des Spektrums gibt es eine Anzahl hochempfindlicher Detektoren. Die durch die Erfindung gelösten Probleme haben in dem sichtbaren Bereich des Spektrums eine geringe Bedeutung, obgleich sich Detektoren, die von dem erfindungsgemässen Prinzip Gebrauch machen, auch im sichtbaren Bereich des Spektrums gut verwenden lassen. Im Infraroten und insbesondere im langwelligen Bereich des Infraroten sind die bekannten Detektoren nicht genügend empfindlich, was sich insbesondere bei geringer Strahlenintensität sehr nachteilig auswirkt.
Dies ist besonders bei der Verwendung von Thermistorbolometern der Fall, bei denen der Empfang durch einen wärmeempfindlichen Widerstand oder ein ähnliches Element bewirkt wird, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. In gleicher Weise tritt im Zusammenhang mit der Verwendung von Photoleitern, deren Widerstandsänderung von den Photonen der auftreffenden Strahlung herrührt, das gleiche Problem der beschränkten Empfindlichkeit auf. Deshalb werden viele Instrumente nahe an ihrer Brauchbarkeitsgrenze betrieben, die durch das Rauschen und andere Faktoren gesetzt ist. Aus diesem Grund ist eine Vergrösserung der Empfindlichkeit des Strahlen empfängers sehr wichtig. Mit einer grösseren Empfindlichkeit kann in manchen Fällen ein Instrumententyp für bestimmte Verwendungszwecke geeignet sein, für die er vorher zu unempfindlich war.
Einer der die Empfindlichkeit bestimmenden Faktoren ist die Grösse des die Strahlung empfangenden Elements (im Falle eines Thermistorbolometers die wärmeempfindliche Widerstandsfolie). Im allgemeinen ist unter sonst gleichen Verhältnissen die Empfindlichkeit eines Detektors der Quadratwurzel seiner Fläche umgekehrt proportional. Dadurch werden kleine Detektoren vorgezogen, was zu der allgemeinen Verwendung von sogenannten Immersionsdetektoren führte, bei denen der Empfänger in optischem Kontakt mit einer Linse angeordnet ist oder in der Linse ss eingebettet ist.
Wenn eine halbkugelförmige Linse verwendet wird, bei der der Empfänger auf der Rückseite der Linse in dem Krümmungszentrum der sphärischen Linsenfläche zentriert ist, wird eine Vergrösserung der Empfängerempfindlichkeit erreicht, die nahezu dem Brechungsindex des Linsenmaterials entspricht. Bei einem Hyperimmersionsempfänger, d. h. einem Empfänger, der in optischem Kontakt auf einer Linse an einer Stelle angeordnet oder eingebettet ist, die sich jenseits des Krümmungszentrums der Linsenoberfläche befindet, ist es bei geeigneter I Kon- struktion der anderen Elemente des optischen Systems möglich, eine Detektorernpfindlichkeit zu erhalten, die grösser als diejenige, die dem Brechungsindex des Linsenmaterials entspricht, ist.
Immersionsthermistorbolometer haben deshalb im Gerätebau eine wichtige Stelle eingenommen und werden immer mehr und mehr verwendet. Typische Immersionsthermistorbolometer werden in den US-Patentschriften 2983 888 und 2 994 053 beschrieben. Im infraroten Spektralbereichi wenn bei Wellenlängen länger als 1,8 p gearbeitet wird, werden üblicherweise Germaniumlinsen mit eingebetteten Detektor ren verwendet, wobei der hohe Brechungsindex von Germanium, 4, einen bedeutenden Empfindlichkeitsgewinn des Detektors ermöglicht.
Immersionsbolometer weisen trotz ihres praktischen Wertes immer noch gewisse Nachteile auf. Erstens sind mehrere Elemente für die Sammeloptik des Instrumentes, in dem sie verwendet werden, erforderlich. Zusätzlich zu der Sammeloptik selbst, die dioptrisch oder katoptrisch sein kann, sind in vielen Fällen eine Gesichtsfeld blende und Feldlinsen erforderlich und natürlich weist das Bolometer selbst eine Linse und den geeigneten Strahlendetektor auf. Die Feldlinse ist in den meisten Radiometern ein wesentlicher Bestandteil, wenn es erforderlich ist, dass die ganze Eintrittspupille des Instruments auf den Detektor abgebildet wird, um Schwierigkeiten zu vermeiden, die durch die Ungleichförmigkeit des Detektors bedingt sind und um eine maximale Energieausbeute zu erhalten.
Der zweite Nachteil ist in der Natur der Immersionsoptik selbst zu finden. Wenn eine maximale Empfindlichkeit durch Verwendung von Linsen mit sehr hohem Brechungsindex, wie z. B. aus Germanium, angestrebt wird, treten Reflexionsverluste ein. Hierfür sind zwar zufriedenstellende Antireflexionsüberzüge bekannt, aber solche Überzüge sind nur für einen begrenzten Wellenbereich brauchbar und bei Instrumenten, die über einen sehr grossen Wellenlängenbereich arbeiten sollen, stellen diese Reflexionsverluste einen wesentlichen Nachteil dar.
Der dritte Nachteil, der ebenfalls in Erscheinung tritt, wenn das Instrument über einen grossen Wellenlängenbereich arbeiten soll, ist durch ein chromatisches Phänomen bedingt. Während Germanium seinen Brechungsindex bei Wellenlängen, die wesentlich grösser sind als die, welche der Grenzfrequenz des Germaniums entsprechen, sehr wenig mit der Wellenlänge ändert, ist es dennoch nicht achromatisch und andere Linsenmaterialien zeigen hierin noch schlechtere Eigenschaften. Ein anderes chromatisches Phänomen ist das der Absorptionsbanden. Dies kann sehr schwerwiegend in Erscheinung bei Linsen aus Silizium treten und sogar Germanium beginnt bei sehr langen Wellenlängen die Strahlung unvollkommen durchzulassen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Instrument unter Verwendung von Detektoren mit vergrösserter Empfindlichkeit zu schaffen.
Erfindungsgemäss wird das bei einem optischen Empfänger mit einer Sammeloptik, einem Detektor, der die Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandelt, und eine Einrichtung, um die Eintrittspupille der Sammeloptik auf den Detektor abzubilden, dadurch erreicht, dass diese Einrichtung eine kegelstumpfförmige, die zu empfangende Strahlung reflektierende Oberfläche besitzt, wobei der Detektor am abgestumpften Ende dieser Oberfläche angeordnet ist und Kegelwinkel und Durchmesser der Abstumpfung so gewählt sind, dass ein mit dem Durchmesser der Abstumpfung als Seite gebildetes regelmässiges Bildpolygon, dessen Mittelpunkt mit der gedachten Kegelspitze zusammenfällt, einen Durchmesser besitzt, welcher gross ist im Verhältnis zur Seitenlänge.
Zwar ist der Wirkungsmechanismus nicht derselbe wie der eines eingebetteten Detektors, die Ergebnisse sind aber vergleichbar, d. h. die Energie wird bei einem gegebenen Gesichtsfeld auf eine sehr kleine Detektorfläche konzentriert. Auf diese Weise schafft die Erfindung eine Anordnung, die man das katoptrische Analogon der Immersion nennen kann. Zwar sind die Er gebisse beider Anordnungen vergleichbar; der Wirkungsmechanismus der efflndungsgemässen Anordnung beruht jedoch auf gänzlich verschiedenen Betriebsbedingungen als sie bei gewöhnlichen, eingebetteten Bolometern vorliegen.
Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht in der Anordnung eines Kegelstumpfes mit reflektierender Oberfläche, auf dessen an der schmaleren Stirnseite angeordnetem Boden der Strahlungsdetektor angeordnet ist Der Ort der Anordnung und die Konuswinkel müssen relativ genau aufeinander abgestimmt sein, um die Vorteile dieser erfindungsgemässen Massnahme auszunützen. Wie weiter unten ausgeführt werden wird, ist es möglich, unter Verringerung des Konuswinkels die Detektorgrösse bei einem bestimmten Gesichtsfeld ebenfalls zu verringern und damit dessen Empfindlichkeit zu vergrössern. Praktisch sind jedoch einer beliebigen Empfindlichkeitsvergrösserung hierdurch Grenzen gesetzt, da ein Konus mit sehr kleinem Neigungswinkel der Mantelfläche zu lang wird, als dass noch eine vernünftige Aperturöffnung für die Anordnung erhalten werden kann.
Praktisch verwertbare Instrumente sind hin sictlich ihrer maximalen Längsausdehnung in bestimmtem Umfang begrenzt und wenn eine solche Begrenzung gegeben ist, wurde gefunden, dass mit einem optimalen Konuswinkel oder einem kleinen Winkelbereich die besten Gesamtergebnisse erhalten werden können.
Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein optisches System, das eine Feld linse und einen Immersionsdetektor besitzt.
Figur 2 zeigt einen ähnlichen schematischen Schnitt durch die Optik und den Detektor nach der vorliegenden Erfindung und
Figur 3 zeigt den Konus und den Detektor in vergrössertem Massstab.
Figur 1 zeigt den üblichen optischen Aufbau eines mit einem'Immersionsbolometer ausgerüsteten Instruments. Die Sammeloptik ist als Cassegrain-System ausgebildet mit einem ersten Spiegel 1 und einem zweiten Spiegel 2, einer Gesichtsfeldblende 3, einer Linse 4 und einem eingebetteten Detektor 5. Der Detektor besteht aus zwei Arten von Elementen, einer Immersionslinse und den eigentlichen Detektorelementen. Wenn die Linse den elektrischen Strom leitet, wie es bei Germanium der Fall ist, kommt als drittes Element noch eine isolierende Schicht hinzu. Wenn man die Sammeloptik als ein Element ansieht, erfordert also dieses System wenigstens fünf Elemente, die Sammeloptik, die Gesichtsfeldblende, die Feldlinse, die Immersionslinse und den Detektor.
In Figur 2 ist ein ähnliches Instrument, das nach der Erfindung ausgebildet ist, dargestellt. Gleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen beziechnet. Die Cassegrain-Sammeloptik ist dieselbe wie in Figur 1. Sie ist als Typus einer üblichen Sammeloptik dargestellt. Anstelle der Gesichtsfeldblende, der Feldlinse und des Immersionsdetektors ist ein Kegelstumpf 6 mit einer stark reflektierenden Innenfläche angeordnet. Eine Detektorfolie 7 ist auf dem Boden 8 des Kegelstumpfes angeordnet. Der dargestellte Kegelstumpf bewirkt dieselbe Vergrösserung der Empfindlichkeit, d. h. dieselbe mögliche Verkleinerung der Detektorfläche wie bei der Anordnung in Figur 1. Es wird betont, dass anstelle von fünf Elementen beim Gerät nach Fig. 2 lediglich nur drei Elemente vorhanden sind. Der Kegelstumpf ersetzt die Gesichtsfeldblende, die Feld linse und die Immersionslinse.
Mit weniger Elementen wird also dieselbe Funktion erhalten oder anders ausgedrückt, durch die Verwendung des Konus werden die Gesiditsfeidblende und die Feldlinse ersetzt, jedoch deren Funktionen voll übernommen. Auf diese Weise wird der erste Nachteil üblicher linmersionsinstrumente, nämlich die verhältnismässig grosse Anzahl von Elementen beseitigt.
Der zweite Nachteil wird ebenfalls weitgehend reduziert, indem die Reflexionsverluste der Linsen und die unvollkommene Fokusierung bei Änderung der Wellen länge verringert oder beseitigt werden. Es ist möglich, reflektierende Oberflächen mit so grossem Reflexionsvermögen herzustellen, dass die Reflexionsverluste lediglich ein kleiner Bruchteil derjenigen sind, die bei Linsen auftreten, selbst wenn diese mit bestehen Antireflexionsüberzügen versehen sind.
Der dritte Nachteil, die ungleidimässige Durchlässigkeit in Abhängigkeit von verschiedenen Wellenlängen ist natürlich vollständig eliminiert, da der Konus vollständig achromatisch ist. Alle drei Nachteile üblicher Immersionsdetektoren sind deshalb weitgehend vermindert oder beseitigt.
Wie oben erwähnt wurde, kann in der beschriebenen Anordnung nicht ein beliebiger Konus in irgendeinem optischen System angeordnet werden. Es müssen sogar bestimmte, jedoch konstruktionsmässig sehr einfache Bedingungen beachtet werden. Erstens muss der Konus abgestumpft werden und die Stelle der Abplattung ist von Wichtigkeit für die Bestimmung des Ausmasses der Empfindlichkeitsvergrösserung des Detektors. Zweitens muss der Konus genau in optischer Flucht in dem System angeordnet werden. Diese letztere Forderung bedeutet ganz einfach, dass der Konus so angeordnet werden muss, dass seine Spitze (wenn er nichtabgestumpft wäre) in der Brennebene der Sammeloptik zu liegen kommt. t. Dies ist in Figur 2 erläutert, wo die Spitze des Konus, die durch die gestrichelt gezeichnete Verlängerung der Konusinnenfläche gegeben ist, in der Brennebene 9 angeordnet ist.
Diese Forderung ist zwar notwendig, stellt jedoch kein mechanisches Problem in einem katoptrischen System dar, da die Brennebene unabhängig von der Wellenlänge immer am selben Ort bleibt.
Es sind noch weitere wichtige Beziehungen in dem Konus zu beachten. Der Ort, an dem der Konusabgestumpft ist, oder vielmehr der Ort, an dem das Detektorelement angeordnet ist, bildet eine Seite eines regulären Vielecks, dessen Zentrum mit der Konusspitze zusammenfällt. Die Länge dieser Seite ist gleich dem Innendurchmesser des Konus an seinem abgestumpften Ende, in der vorliegenden Beschreibung als a Länge der Abstumpfung des konischen Hohlkörpers) zu bezeichnet. Das genannte Viel- eck wird als Bildpolygon bezeichnet und ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Diese Darstellungsweise ist zweckmässig, da ein Strahl der geradlinig durch den Körper des Konus auf das Bildpolygon auftreffen würde, zum Detektor reflektiert wird. Dies ist in Figur 3 erläutert, wo die Verlängerung von zwei solcher Strahlen 10 und
11 dargestellt ist.
Der Radius des das Bildpolygon umschreibenden Kreises stellt die Gesichtsfaldbegrenzung des Systems dar, wie in Figus 3 dargestellt. Deshalb übt der Konus nicht nur eine Funktion analog der Immersionslinse aus, sondern er ersetzt auch die Gesichtsfeldblende.
Die Verminderung der Detektorfläche wird durch Vergrösserung des Durchmessers des das Bildpolygon umschreibenden Kreises zu einer Seite desselben erreicht.
Physikalisch wird dieses Verhältnis durch zwei Faktoren bei der Konstruktion des Konus bestimmt, nämlich den Konuswinkel und den Ort, an dem der Konus abgestumpft und der Detektor angeordnet ist. Jedoch sind der Grösse dieses Verhältnisses praktische Grenzen gesetzt. Erstens muss ein bestimmter Bereich des Konus hinter der Abstumpfung frei bleiben und wenn der Konus einen halbwegs grossen Spitzenwinkel besitzt, ist ungenügend Reflexionsoberfläche vorhanden. Der Konuswinkel muss weniger als 900 betragen, sonst wird kein Gewinn erzielt. Ebenfalls sollte der Konuswinkel nicht viel grösser sein als der Winkel, der durch das Strahlenbündel der Sammeloptik gegeben ist. Zum Beispiel ist in Figur 2 der maximale Konuswinkel dargestellt, der noch die gesamte Energie von dem zweiten Cassegrain Spiegel empfängt.
Wenn ein sehr grosses Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Bildpolygons und einer Seite desselben erforderlich ist, muss der Konuswinkel kleiner gewählt werden, jedoch sind auch hier Grenzen gesetzt. Viele Instrumente erfordern ein bestimmtes, minimales Gesichtsfeld. Es ist ebenfalls unpraktisch, einen Konus von übermässiger Länge zu verwenden, da ein Instrument normalerweise für bestimmte Maximaldimensionen ausgelegt sein muss. Bei einer ganz bestimmten maximalen Länge nimmt die Wirkung des Konus ab, wenn der Konuswinkel zu klein wird, da bei diesen kleinen Winkeln die Verkleinerung der Aperturblende des Instruments etwa einer quadratischen Funktion gehorcht, während der Empfindlichkeitsgewinn annähernd einer linearen Funktion gehorcht. Dadurch ist dem Konuswinkel eine praktische untere Grenze gesetzt.
Deshalb soll in der Praxis das Verhältnis des Bildpolygonradius zu dem Radius der Detektorfolie den Wert von 12 bis 15 nicht wesentlich überschreiten. Bei diesen Werten wird eine Empfindlichkeitsvergrösserung erreicht, die mit der Empfindlichkeitsvergrösserun g vergleichbar ist, die günstigstenfalls mit den besten Hyperimmersionslinsen erhalten werden kann, wobei natürlich die schwerwiegenden Probleme der Linsenreflexion beseitigt wurden.
Die Erfindung wurde bisher in Zusammenhang mit einem katoptrischen System beschrieben. Im infraroten Spektralbereich haben diese Systeme so viele Vorteile, dass sie fast ausschliesslich verwendet werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf katoptrische Sammeloptiken zu verwenden, wie ein Linsenobjektiv, wobei entweder der Wellenlängenbereich eng gewählt wird oder wenn aus Gründen der Raumersparnis ein katodioptrisches System wünscheswert ist. Solche Systeme können deshalb auch in einem erfindungsgemässen System vorgesehen sein.
Bestimmte bekannte Instrumente arbeiten nicht mit Sammeloptiken und dies ist auch bei einem Instrument nach der vorliegenden Erfindung möglich. In diesem Fall stellt die Basis des Konus die Eingangspupille des optischen Systems dar.
Das beschriebene Instrument wurde in Zusammenhang mit einem Detektor erläutert, der auf dem metallischen Ende des abgestumpften Konus angeordnet ist.
Dies ermöglicht die Verwendung von Detektoren mit kurzen Zeitkonstanten, was in vielen Fällen vorteilhaft ist, insbesondere, wenn das empfangende System ein Thermistorbolometer ist. Bei einem Instrument, bei dem eine maximale Empfindlichkeit gefordert wird, und bei dem eine relativ lange Zeitkonstante in Kauf genommen werden kann, ist es möglich, die Detektorfolie unter Zwischenschaltung einer isolierenden Unterlage, wie z. B. einer Kunststoffunterlage, anzuordnen.