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Strahlungsmesser für den Infrarotbereich Die Erfindung betrifft einen
Strahlungsmesser für den Infrarotbereich mit einem unter dem Einfluß von änderungen
der auffallenden Strahlung seine Raumlage ändernden Spiegel und mit einem optischen
System, dessen von einer geräteeigenen Strahlungsquelle gelieferter, einer Fotozelle
zugeführter, von einem Raster stellenweise abgedeckter Strahlungsdurchsatz durch
den Spiegel verändert wird.
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Es sind verschiedene Bauformen solcher Strahlungsmesser bekannt,
die sich im einzelnen namentlich durch die gegenseitige Lage ihrer Einzelteile unterscheiden.
Ihnen allen ist jedoch der Nachteil gemeinsam, daß ihre Fertigung wegen der Notwendigkeit,
dabei außerordentlich geringe Abmessungstoleranzen innezuhalten, um die gegenseitige
Lage der Teile unveränderbar festzulegen, besonders kostspielig ist, wenn es überhaupt
gelingt, auch das geringste, namentlich bei Temperaturänderungen der Teile des Gerätes
die gegenseitige Lage seiner Einzelteile beeinflussende Spiel zwischen ihnen auszuschalten.
Diese Nachteile treten um so ungünstiger in Erscheinung, je empfindlicher der Strahlungsmesser
sein soll.
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Besonders gelten die vorstehenden Feststellungen auch für solche
bekannten Strahlungsmesser, die aus einem hohlkegeligen metallischen Strahlungsempfänger
bestehen, dessen durch die in ihn einfallende Strahlung bewirkte Temperaturänderung
sich als Längenänderung des Strahlungsempfängers auswirkt und über die Schwenkung
eines Spiegels die Beaufschlagung einer Fotozelle variiert.
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Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, einen Strahlungsmesser
der eingangs erwähnten Art unter Verwendung von weniger feinen Abmessungstoleranzen
seiner Einzelteile herzustellen, ohne daß dadurch die Empfindlichkeit des Gerätes
beeinträchtigt wird, wobei auch die Möglichkeit geboten werden soll, die erfindungsgemäße
Bauart des Strahlungsmessers bei bestimmten Ausbildungen von Strahlungsmessern anzuwenden,
bei denen es besonders auf Feinjustierungsmöglichkeiten des optischen Systems gegenüber
dem eigentlichen Meßorgan ankommt.
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Die vorgenannte Aufgabe wird in baulich einfacher Weise dadurch gelöst,
daß bei einem Strahlungsmesser der eingangs gekennzeichneten Art das optische System,
das Raster und der Spiegel in einem gemeinsamen, mit einem oder mehreren in Richtung
seines Umfanges sich erstreckenden Einschnitten versehenen Tubus befestigt sind.
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Dabei kann im einzelnen die Feinjustierbarkeit der einzelnen Teile
des Strahlungsmessers dadurch
ermöglicht werden, daß der Einschnitt den gesamten
Umfang des Tubus bis auf mindestens einen kurzen Umfangsbereich -umfaßt und in der
Mitte seiner Hälften Bohrungen enthält, in die konische Stellschrauben an einander
im wesentlichen gegenüberliegenden Stellen eingreifen.
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Zur Vermeidung von Kerbbeanspruchungen an den Enden des Einschnittes
oder der Einschnitte können dort zweckmäßigerweise Bohrungen angebracht sein. Eine
Erweiterung der Feinjustierungsmöglichkeiten kann dabei dadurch erreicht werden,
daß in dem Tubus beiderseits der die Einschnitte voneinander trennenden kurzen Umfangsbereiche
gegebenenfalls ebenfalls an ihren Enden mit Bohrungen versehene, zu den Einschnitten
parallel verlaufende Schlitze angeordnet sind.
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Die vorerwähnte erfindungsgemäße Ausbildung des Strahlungsmessers
findet insbesondere Anwendung auf eine Strahlungsmesserbauart, bei der ein Raster
mit der Kondensorlinse des optischen Systems vereinigt ist.
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Sie ist ferner anwendbar auf Strahlungsmesserbauarten, bei denen
das Raster aus einer Vielzahl von Prismenteilen gebildet ist, bei denen das Raster
unmittelbar auf der Oberfiäche der Kondensorlinse gebildet ist, bei denen das Raster
von auf der Oberfläche der Kondensorlinse ausgebildeten Flächengruppen gebildet
wird, die gegeneinander versetzt angeordnet sind, wobei die Lichtquelle und die
Fotozelle
durch einen Abdeckschirm voneinander getrennt in der
Nähe der optischen Achse des optischen Systems angeordnet sind, ferner auf einen
pneumatischen Strahlungsmesser mit einem in an sich bekannter Weise unter der Einwirkung
der nachzuweisenden Strahlung deformierbaren, eine von der Strahlung beaufschlagte
Gaskammer abschließenden Spiegel, wobei die Gaskammer mit einem Spiegel in einem
sich an der einen Stirnseite des Tubus abstützenden, in ihn hineinragenden mehrteiligen
Einsatz angeordnet ist, sowie auf eine Strahlungsmesserbauart, bei der das Raster
auf einer der Kondensorlinse vorgeschalteten und unmittelbar mit ihr verkitteten
ebenen Glasplatte angebracht ist.
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Die Erfindung wird in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
der beispielsweise einige ihrer Ausführungsformen darstellenden Zeichnung näher
erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform des Strahlungsmessers
nach der Erfindung, Fig. 1 a einen Schnitt nach der Linie 1 a-1 a in F i g. 1 bei
Betrachtung in Richtung der Pfeile, F i g. 2 einen Schnitt ähnlich dem Schnitt nach
Fig. la durch eine abgeänderte Ausführungsform, F i g. 3 eine Teilansicht von F
i g. 1 in vergrößertem Maßstab, F i g. 4 eine Variante der in F i g. 1 und 2 gezeigten
Einstellmittel, F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 in F i g. 4 bei Betrachtung
in Richtung der Pfeile, F i g. 6 eine Seitenansicht eines Teilabschnittes des in
F i g. 1 gezeigten Gitters, Fig.7 eine Seitenansicht einer abgeänderten Gitterart,
F i g. 8 eine abgeänderte Gitter- und Linsenbauart zur Verwendung in den in Fig.
1 bis 5 gezeigten Ausführungsformen der Erfindung, Fig.9 eine schematische Ansicht
einer abgeänderten optischen Einrichtung, Fig. 10 einen Schnitt durch eine abgeänderte
Linse zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Strahlungsmesser, Fig. 11 eine Seitenansicht
eines Teilabschnittes der in Fig. 10 gezeigten Linse.
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In Fig. 1 bis 3 ist der verbesserte Strahlungsdetektor allgemein
mit 10 bezeichnet. Er enthält einen länglichen Hohlkörper oder Tubus 11, der bei
der vorliegenden Ausführungsform eine zylindrische Form hat. An dem linken Ende
des in Fig. 1 gezeigten Tubus 11 ist die mit 12 bezeichnete strahlungsempfindliche
Vorrichtung angeordnet.
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Die strahlungsempfindliche Vorrichtung 12 enthält eine kreisrunde
Platte oder Scheibe 13, durch die hindurch sich miteinander in Verbindung stehende
Öffnungen 14 und 15 erstrecken. Die Öffnung 14 enthält ein Fenster 16, durch das
die nachzuweisende Strahlungsenergie hindurchtreten kann. Die Öffnung 15 enthält
ein zylindrisches Abstandsstück 17, einen äußerst dünnen strahlungsabsorbierenden
Film 18 und ein zweites Abstandsstück 19, in dem eine Gaskammer 20 ausgebildet ist,
aus der sich ein Kapillargang 21 nach außen erstreckt.
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Die rechte Stirnfläche der Platte 13 trägt zwei kreisrunde Teile
22 und 23. Das Teil 22 ist mit einem axial verlaufenden Gang 24 versehen, der eine
Verlängerung des Kapillarganges 21 darstellt und mit diesem in Verbindung steht,
sowie einem zweiten, radial verlaufenden, den Gang 24 schneidenden
Gang 25. In der
äußeren Stirnfläche 26 des Teiles 22 ist eine Kammer 27 ausgebildet, die mit dem
Gang 24 in Verbindung steht. Die Kammer 27 ist durch einen veränderbaren Fokussierspiegel
28 verschlossen. Das Teil23 hat eine zum Fokussierspiegel 28 koaxial angeordnete
konische Öffnung 29 und ist mittels Schrauben 30 an der Platte 13 befestigt. Die
Teile 22 und 23 sind von einem äußeren Gehäuse 31 umschlossen, das gegen die Platte
13 abgedichtet ist und eine eine konvex-konkave Linse 33 enthaltende zentrale Öffnung
32 aufweist. Das Gehäuse 31 ist mittels Schrauben 34 an der Platte 13 befestigt
und bildet eine Druckausgleichskammer 35.
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Im Betriebszustand sind die Kammern 20, 27 und 35 mit Gas gefüllt
und mittels der Gänge 21, 24, 25 und der Öffnung 29 miteinander so verbunden, daß
sich der durchschnittliche Gasdruck auf die Stirnflächen des Spiegels 28 ausgleicht.
Die Kammer 17' in dem Abstandsstück 17 enthält ebenfalls ein geeignetes Gas. Die
nachzuweisende Strahlung geht durch das Fenster 16 hindurch, erwärmt das Gas in
der Kammer 17' und verursacht so dessen Ausdehnung.
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Unter diesem Einfluß biegt sich der Film 18 und damit der biegsame
Spiegel 28, der zusammen mit der konvex-konkaven Linse 33 einen veränderbaren Fokussierspiegel
bildet.
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Die optische Einrichtung zum Messen der Bewegung des Spiegels 28
enthält eine Lichtquelle 36, von dem Tubus 11 getragene Kondensorlinsen 37 und 38,
ein von einer Platte 40 getragenes strichgitterförmiges Raster 39, einen Spiegel
41 und eine Fotozelle 42.
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Das Licht aus der Quelle 36 wird mit Hilfe der Kondensorlinsen 37
und 38 auf den Spiegel 28 gerichtet. Das auf der Glasplatte40 angeordnete Raster
39, das aus lichtundurchlässigen, von gleich breiten durchsichtigen Linien getrennten
Linien besteht, bildet einen Teil der optischen Einrichtung und ist zwecks Bildung
eines einzigen optischen Elementes ohne nennenswerte an den Grenzflächen auftretende
Lichtbrechung auf die Linse 38 gekittet. Auf diese Weise werden vier Reflexionen,
die bei dem Lichtweg aus der Quelle 36 zum biegsamen Spiegel 28 und zurück zur Fotozelle
42 nach Ablenkung durch den eine Hälfte des optischen Weges zwischen der Quelle
36 und der Linse 37 sperrenden Spiegel 41 bei Verwendung gesonderter Teile auftreten
würden, im wesentlichen beseitigt. Diese wesentliche Beseitigung dieser vier Reflexionen
ermöglicht eine 20- bis 250/oige Steigerung des Nutzlichtsignals. Ferner werden
die Kosten herabgesetzt, da zum Zusammenbau der optischen Teile weniger mechanische
Teile erforderlich sind. Als Alternative kann das Raster, wie in F i g. 8 gezeigt,
unmittelbar auf die Linse 38 gezeichnet oder sonstwie darauf ausgebildet werden.
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In jedem Fall bildet das Raster 39 optisch einen integrierenden Bestandteil
des in der Zeichnung links gelegenen Elementes der Kondensoreinrichtung.
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Der Abstand zwischen dem Raster 39 und der konvex-konkaven Linse
33 ist im Zusammenhang mit der Konstruktion des Tubus 11 so berechnet, daß das Bild39'
des Rasters39 bei ungebogenem Zustand des biegsamen Spiegels28 in einem geringen
Abstand vom Raster 39 entweder links vom Raster, wie dargestellt, oder rechts davon
abgebildet wird.
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Das Bild 39' sollte vertikal so eingestellt sein, daß das Bild der
lichtdurchlässigen Abschnitte des Rasters 39 auf den lichtundurchlässigen Abschnitten
etwas
außerhalb des Brennpunktes liegt. Dann geht bei ungebogenem
Spiegel 28 etwas Licht durch die Fotozelle 42, jedoch wird, da Strahlungsänderungen
das Wölben des biegsamen Spiegels 28 nach rechts oder links verursachen, das Bild
39' ebenfalls nach rechts oder links verschoben, wodurch eine Ab- oder Zunahme des
die Fotozelle 42 erreichenden Gesamtlichtflusses bewirkt wird.
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Bei einer verbesserten Bauart wird das Einstellen des Bildes 39'
in einer vertikalen Ebene durch folgende Anordnung ermöglicht: Der Tubus 11 wird
so eingeschnitten, daß zwei mit 43 und 44 bezeichnete Schlitze gebildet werden,
die in Bohrungen a, d bzw. b, b' enden (F i g. 1 und 1 a). Jeder Schlitz hat eine
Winkelbreite von weniger als 1800, wobei sich diametral gegenüberliegende ungeschlitzte
Tubusabschnitte 43' und 44' erhalten bleiben. Die Löchera, b beiderseits von 43'
und a', b' beiderseits von 44' sollen dort scharfe Ecken vermeiden, wo übermäßig
hohe Beanspruchungen auftreten können. Somit kann der Abschnitt des Tubus 11 auf
der linken Seite der Schlitze 43 und 44 in bezug auf den restlichen Tubus 11 rechts
der Schlitze geringfügig und elastisch über oder unter eine horizontale Ebene gekippt
werden.
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Die vorstehend erörterte Einstellung kann mit Hilfe einer oder zweier
konischer Schrauben 45 und 46 durchgeführt werden, die in ihnen zugeordneten, die
Schlitze halbierenden Öffnungen sitzen.
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Es hat sich gezeigt, daß mit der vorstehend beschriebenen Konstruktion
eine glatte und sich stark auswirkende vertikale Einstellung des Bildes 39' erzielt
werden kann, welche ein vernachlässigbar geringes Spiel hat und unter allen praktischen
Verwendungsbedingungen seht stabil ist.
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Das strichgitterförmige Raster 39 kann durch ein Schachbrettmuster
mit lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen quadratischen Feldern ersetzt werden,
daß auf die Platte 40 oder unmittelbar auf die Linse 38 geätzt oder auf andere Weise
auf ihr gebildet ist, wodurch (s. Fig. 7) eine stärkere Modulation des die Fotozelle
42 erreichenden Lichtes und somit eine höhere Empfindlichkeit erzielt wird. Dies
geschieht dadurch, daß auf diese Weise die Krümmung des biegsamen Spiegels 28 sowohl
in der Meridian- als auch in der Sagittalebene ausgenutzt wird. Bei Verwendung des
Schachbrettmusters wird eine zweidimensionale Einstellung des Bildes 39' des Schachbrettmusters
erforderlich.
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Die zweidimensionale Einstellung des Schachbrettes wird dadurch erreicht,
daß der Tubus 11 mit Ausnahme der wie in F i g. 2 dargestellten Bereiche 43' über
seinen gesamten Kreisumfang eingeschnitten wird. Zwei Bohrungen a und b dienen hier
ebenfalls dazu, scharfe Ecken zu vermeiden, wo starke Beanspruchungen auftreten
können. Zwei konische Einstellschrauben 45 und 46 sorgen für die erforderliche zweidimensionale
Einstellung, wobei das Drehen der Schraube 45 eine Einstellung um die Achse 48 erzeugt,
während das Drehen der Schraube46 eine Einstellung um die auf der Achse 48 senkrecht
stehende Achse 49 bewirkt.
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Gewünschtenfalls kann die in F i g. 4 und 5 dargestellte Einstelleinrichtung
verwendet werden, bei der in dem Tubus 11 zwei sich diametral gegenüberliegende
Schlitze 50 und 51 nach F i g. 4 und 5 soeingeschnitten sind, daß zwei unzerschnittene
Abschnitte 52 und 53 im Tubus belassen werden. Ein
zusätzlicher kleinerer Schlitz
54 oder zwei zusätzliche kleinere Schlitze 54 und 55 ermöglichen, daß die beiden
Abschnitte des Tubus 11 beim Drehen der Schrauben 56 oder 57 in der Nähe des unzerschnittenen
Abschnittes 53 mehr oder weniger getrennt werden, so daß auf diese Weise die verlangte
zweidimensionale Einstellung zwischen den beiden Tubusabschnitten erfolgen kann,
während diese beiden Abschnitte weniger Neigung zeigen, gegenseitig um die Achse
58 zu schwenken.
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F i g. 9 zeigt eine andere optische Einrichtung, bei der das Raster
aus abwechselnd lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Abschnitten durch ein
Strichgittermuster aus lichtdurchlässigen länglichen Abschnitten oder Prismen 59
in zwei zueinander versetzten Anordnungen ersetzt worden ist. Diese beiden Flächengruppen
sind mit X bzw. Y bezeichnet. Die Lichtquelle 36 ist unterhalb der optischen Mittenachse59'
so angeordnet, daß das durch die X-Gruppe geformte Bild der Lichtquelle 36 auf den
biegsamen Spiegel 28 fällt, während das von der Y-Gruppe geformte Bild im wesentlichen
durch geschwärzte Abschnitte der Innenwände des Strahlungsdetektors absorbiert wird.
Somit formt die X-Gruppe vom biegsamen Spiegel 28 aus gesehen leuchtende Linien,
während die Y-Gruppe dunkle Linien bildet. Die optische Einrichtung ist so eingestellt,
daß diese dunklen Linien bei ungebogenem Spiegel 28 etwas unscharf in einer X-Gruppe
auf sich selbst abgebildet werden und etwas Licht die Fotozelle42 erreicht.
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Da Strahlungsänderungen das Wölben des biegsamen Spiegels 28 nach
rechts oder links verursachen, bewegt sich das X-Bild nach rechts oder links von
der in F i g. 9 angegebenen Stelle, wodurch der die Fotozelle 42 erreichende Gesamtlichtfluß
vergrößert oder verringert wird. Da der Spiegel 41 beseitigt worden ist, wird die
Menge des den biegsamen Spiegel erreichenden Lichtes bzw. die Menge des die Fotozelle
42 erreichenden modulierten Lichtes verdoppelt.
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Somit wird in bezug auf die Empfindlichkeit der in F i g. 1 dargestellten
Einrichtung eine zweifache Steigerung der Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors
erreicht. Eine Abschirmung 61 dient zum Schutz der Fotozelle42 gegen unmittelbare
Belichtung durch die LiChtqnelle 36.
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F i g. 10 und 11 zeigen eine Kondensorlinse 38 mit einem Schachbrettmuster
aus quadratischen Feldern, welche eine Gruppe X mit gemeinsamer Orientierung und
eine andere Gruppe Y mit einer von der Orientierung der Gruppe X verschiedenen gemeinsamen
Orientierung bilden. Wenn die in Fig. 10 und 11 dargestellten Linsen an Stelle der
in F i g. 9 gezeigten Linsen eingesetzt werden, ist eine zweidimensionale Einstellung
des Bildes der X-Gruppe auf sich selbst erforderlich. Da diese Anordnung aber die
Krümmung des biegsamen Spiegels 28 sowohl in der Meridian- als auch in der Sagittalebene
ausnutzt, wird dadurch eine annähernd zweifache Steigerung der die Fotozelle 42
erreichenden Menge modulierten Lichtes erzielt.