DE1472134A1 - Optische Konzentrationseinrichtung fuer Strahlungsempfaenger - Google Patents

Description

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Erfinder: Pierre MALIFAUD in Paris (Frankreich) Anmelder: .1ACCBSFN &. Cit in Tarif (Ιίγλ.:.: ί. ]. ] )

Optische Konzentrationseinrichtung für Strahlungsempfänger.

Ein Empfänger ist ein Gerät, das es gestattet, einen elektromagnetischen Strahlenstrom beliebiger Wellenlänge einzufangen und umzuwandeln, um diese Strahlung festzustellen, zu messen oder zu registrieren oder auch die von ihm transportierte Energie zu verwenden.

Ein Empfänger weist im allgemeinen ein vorderes Element optischer Art auf, das die Strahlung einfängt, sie überträgt und meistens konzentriert, ein "empfindliches" Element, das die Strahlung empfängt und deren Energie gemäß dem gesuchten Verwendungszweck umwandelt und in häufigen Fällen auch Verstärkungs-, Auswähl-, Umwandlungsorgane usw. . ^

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Wenn auch die Forschungen zum Zwecke der Verbesserung der empfindlichen Elemente und der häufig elektronischen Einrichtungen, die mit ihnen verbunden sind, zu verbessern, so ist bisher aber - abgesehen von der Photographic und dem Gebiet der Sonnenöfen noch keine genügende Aufmerksamkeit den vorderen optischen Organen zugewendet werden, die in den Empfängern verwendet werden. Es ist jedoch klar, daß das, was zunächst für den Wirkungsgrad eines Empfängers am wichtigsten ist, die Menge der je empfindlicher Oberflächeneinheit verwertbaren Strahlung ist, d.h. die kraftspendende Beleuchtung, die von dieser empfindlichen Oberfläche empfangen wird. Das Interesse, diese Beleuchtung zu erhöhen, ist umso größer, als die Strahlungsenergie, über die man verfügt, geringer ist. Das ist beispielsweise der Fall beim Feststellen der natürlichen infraroten Strahlung, die von entfernten Gegenständen oder menschlichen Wesen Tag und Nacht abgestrahlt wird oder auch bei der Feststellung eines weit entfernten Flugzeuges durch einen Suchkopf oder auch beim Sehen oder bei der Photographie unter Dämmerungs- oder Nachtbedingungen. Das ist insbesondere auf militärischem Gebiet bei Nacht für die Verwendung von Bildwandlerröhren oder Helligkeitsverstärkern der Fall. Es wird auch notwendig, die Strahlung so weit als möglich zu konzentrieren, wenn das gewünschte Ergebnis direkt von der auf dem empfindlichen Element erzielten Beleuchtung abhängt (beispielsweise Fall der Sonnenöfen oder der Geräte, die photographische Emulsionen

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verwenden) · Es ist auch noch der Fall, wenn zwingende* / ^ 1 >j Probleme vorhanden sind, die Sendeleistung oder den Platzbedarf zu begrenzen, wie für die Erregung eines Lasers (insbesondere in kontinuierlicher Art). Es ist schließlich immer dann der Fall, wenn eine Vereinfachung der elektronischen Transformatoren wünschenswert ist (beispielsweise bei Stufenvervielfacherrohren).

Bisher wurden zum Einfangen und Konzentrieren der Strahlungsströme in Empfängern hauptsächlich konvergierende Systeme verwendet, die Linsen, Spiegel und gelegentlich Diopter aufweisen. Die relative Öffnung dieser Systeme, die direkt die erzielte Beleuchtung bedingt, ist in der Praxis aus Gründen des Platzbedarfes und des Preises begrenzt. Ausserdem eignen sich diese Vorrichtung im allgemeinen schlecht zur optischen Eintauchung, dem klassischen Mittel, um die Wirkung des Konvergierens zu erhöhen. Aus diesen beiden Gründen bleiben ihre Leistungen weit unterhalb den maximalen Möglichkeiten, die theoretisch in jedem Falle durch die Gesetze der Optikund der Thermodynamik zulässig wären.

Diese Maximalmöglichkeiten hängen schließlich und endlich von dem sogenannten Clausius-Verhältnis ab, das die Erhaltung der geometrischen Ausdehnung eines elementaren Strahlenbündels während des Verlaufes beliebiger optischer Umwandlungen aufstellt und damit die Erhaltung der Leuchtkraft. Aufgrund dieses Verhältnisses

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INSPECTED

W4.XU sezexgu, uao, wenn exne ötraniungsqueiie von der Strahlungskraft R gegeben ist, die in der Luft liegt, die Beleuchtung E die erzielt werden kann, indem die Strahlung der Quelle auf dem empfindlichen Element eines Empfängers konzentriert wird, der in einem Milieu mit der Indexzahl η liegt, höchstens gleüi der Strahlung

2
R multipliziert mal η ist.

E -^ η R

Es ist auch gezeigt, indem das Clausius-Verhältnis unter Bedingungen integriert wird, die das Maximum der Konzentration eines Strahlungsstromes sichern, daß das Erzielen der Maximalgrenzbeleuchtung von dem wohlbekannten Sinusverhältnis nach Abbe abhängt, das den Aplanatismus in der Optik definiert. Das erläutert, warum die nicht stigmatischen Systeme ( insbesondere die konischen Strahlungs "Schlucker", die bisher empirisch versucht wurden) enttäuschende Ergebnisse erbringen. Sie erhöhen die geometrische Ausdehnung der eingefangenen Bündel und rufen so einen systematischen Verlust der Konzentration hervor, der beträchtlich sein kann.

So besteht ganz offensichtlich das folgende Dilemma:

Entweder müssen die traditionellen stigmatischen Systeme verwendet werden ( mit Linsen, Spiegeln ....) von denen bekannt ist, daß sie in der Praxis bezüglich der nützlichen öffnung sehr begrenzt sind oder es

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müssen nicht stigmatische Systeme verwendet werden ( Kegel, Strahluncssammler...) die im derzeitigen Zustand der Dinge mittelmässige Ergebnisse erbringen.

In Anbetracht dieser Tatsachen hat der Erfinder das gesamte Problem der Konzentration eines Strahlungsenergiestromes wieder aufgegriffen und er hat eine neuartige Theorie aufgestellt, die in der vorliegenden Patentanmeldung dargelegt und in Frankreich am 6.Mai 1964 eingereicht wurde (P.V. Nr. 975 468). Am Ende dieser Theorie ist gezeigt, daß ein neuer Typ optischen Konzentrators so gekennzeichnet werden kann, daß er den Bedingungen von Gauss nicht mehr unterworfen ist ohne sich jedoch zu sehr von der grundlegenden Bedingung der Abbe Sinus zu entfernen. Ein solcher Konzentrator, obwohl er an sich nicht stigmatisch ist, kann dann in der Lage sein, auf dem empfindlichen Element eines Empfängers eine Energieerzeugende Erleuchtung zu liefern, die so nahe als möglich der maximalen Erleuchtung ist - einer Grenze, die für jeden Fall möglich 'ist.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, diese maximale konzentration eines Strahlenflusses unter den praktisch günstigsten Bedingungen zu erzielen und zu diesem Zwecke ist ihr erstes Ziel eine Konzentrationsvorrichtung einer neuartigen Form zu

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schaffen, die es gestattet, eine energieerzeugende maximale Beleuchtung auf dem empfindlichen Element eines Strahlungsempfängers zu erzielen, gekennzeichnet durch die folgenden Punkte, alleingenommen oder in Kombination:

1.) Die optische Vorrichtung umfas.st im wesentlichen in Kombination: ein optisches Frontalkonzentratorsystem mit einer relativen öffnung 1 , das einen Strahlungsfluß einfängt, der von

einer weit entfernt liegenden Quelle stammt, von der angenommen wird, daß sie in der Luft liegt und daß eine erste Konzentration dieses Strahlungsflusses vornimmt, indem ein Strahlenbündel konvergierender Form gebildet wird, dessen Strahlen eine maximale Neigung Q\ gegenüber der optischen Achse des Systemes haben, wobei Sinus Ωχ dann einen Wert in der Größenordnung von gjj ^nat und mindestens einen stumpfkegeligen Spiegel oder einen Spiegel von optisch assimilierbarer Form von einem Halbwinkel am Scheitelpunkt ö dessen Wert klein ist in der Größenordnung von höchstens

A Radian, der eine zweite Konzentration mit Io

Hilfe innerer Reflexe auf seiner seitlichen stumpfkegeligen Oberfläche bewirkt, dessen große Stromeingangsfläche der Querschnitt vom Maximaldurchmesser άι ist, angeordnet im Zusammenfε Ilen mit dem Mindestquerschnitt des Bündels, das von dem optischen Frontalkonzentrationssystem konzentriert

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wurde und dessen kleine Basis, die zu einem empfindlichen Empfängerelement gehört, in dessen Ebene der eingefangene Strom seine maximale Konzentration erreicht, der Querschnitt von dem Minimaldurchmesser d_x ist, dessen Wert durch die folgende Formel bestimmt wird:

dl sinTfy + ( 2 p¹ - 1 ) V 1

- L ^J (D

sin

Formel in der p¹, die maximale Zahl innerer Reflexionen, denen ein Strahl unterworfen wird, der mit der optischen Achse den Höchstwinkel Oi vor seinem Einlaufen in den Stumpfkegel bildet durch die folgende Gleichung gegeben wird:

P¹ -

ⁿ2
Are sin — ßj

HT fA + ι

2 Ϊ

worin ni der Refraktionsindex des inneren Milieus des stumpfkeßeligen Spiegels ist n^ der Index des Milieus in optischem Kontakt mit dem empfindlichen Element, das zum kleinen Querschnitt des stumpfkegeligen Spiegels gehört und β ι der Winkel ist, der von der folgenden Gleichung definiert wird:

/3 1 = Are sin Γ. I [_ ηχ

worin die Werte ni , n2 sin Oi und tg ξ im übrigen durch die folgende Gleichung miteinander verbunden

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sind, worin

1 +

1 +

das Minimum an Energie- erzeugender Leistung darstellt, die mit dem «Onzentrationsgerät im Verhältnis zur absoluten maximalen Konzentration erreicht werden soll, die durch den folgenden Ausdruck

n|

definiert wird: .

sin² Qi

2.) Eine Vorrichtung nach Nr. 1 weist mindestens einen stumpfkegeligen Spiegel auf, der aus einem Bi-Diopter besteht, in dem die inneren Reflexionen ausschliesslich totale Reflexionen sind, wobei der Minimaldurchmesser, d_x durch die oben genannten Formeln unter 1.) bestimmt wird, in denen die Zahl p^f dann kleiner oder höchstens gleich einer Höchstzahl q von Totalreflexionen ist, bestimmt durch die folgende Gleichuig :

— - Are sin -^- +

2 if

wobei die Werte n^, sin Oi und im übrigen durch die folgende Gleichung verbunden sind:

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oos 2 ff + \ I sin 2 I \H 7 2 1 3

nf-l

y ₊1 / ,, — ι , em y

1/ sin ²Θ,

cos \

¹ ' sin

worin das Minimum an Energieleistung darstellt, das mit dem Konzentrator im Verhältnis zur absoluten maximalen Konzentration erreicht werden soll, die dieser Spezifizierung des Konzentrators entspricht

und durch den folgenden Ausdruck definiert ist: nf -1

sin² θχ

j5.) Eine Vorrichtung nach ;.) und 2.) umfasst ein Bündel von Spiegeln oder stumpfkegeligen Bi-Dioptern, deren große Eingangsflächen für den Strahlenstrom in einer gleichen Ebene nebeneinander liegen, wobei ihre Gesamtheit mit dem Minimalquerschnitt des Strahlungsbündels zusammenfällt, das von dem optischen Frontalkonzentratorsystem konzentriert wurde und dessen Querschnitte von Minimaldurchmesser ebenfalls in einer gleichen Ebene nebeneinander liegen, wobei ihre Gesamtheit zu dem empfindlichen Element des Empfängers gehört.

4.) Eine Vorrichtung nach 1.) und 2.) umfasst mehrere stumpfkegelige Spiegel oder Bi-Diopter, die in Serie aneinander gereiht sind und wobei der erste stumpfkegelige Spiegel oder erste Bi-Diopter vom Index n^f ^ mit seiner großen Stromeintrittsfläche

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vom Durchmesser άχ , dem frontalen optischen Konzentratorsystem zugeordnet ist ( von der relativen öffnung ^ ), wobei der zweite Bi-Diopter einen Index η'Ί größer als.n'i hat und seine große Stromeingangsfläche in Übereinstimmung mit dem minimalen Querschnitt des zweiten Bi-Diopters usw., wobei die entsprechenden Winkel am Scheitelpunkt der aufeinanderfolgenden Spiegel oder Bi-Diopter gleich sind oder nicht, wobei der Mindestquerechnitt des letzten Bi-Diopter in dem der eingefangene Strom seine maximale Konzentration erreicht, zu dem empfindlichen Element des Empfängers gehört ( in ein Milieu vom Index n2 eingetaucht), und einen Durchmesser vom Wert dx hat, der so ist, daß das Verhältnis dl für die Gesamtheit der in Serie zusammen- ^x gebrachten Spiegel oder Bi-Diopter den gleichen Bedingungen entspricht, wie denjenigen, die unter 1.) definiert wurden für einen einzigen Spiegel oder Bi-Diopter, d.h. so, daß dieses Verhältnis di

schliesslich und endlich einen Wert hat, der so nahe als möglich am absoluten Maximalwert liegt:

2 N.n₂

sin &i

5.) Die Vorrichtung nach ;.), 2.) und 4.) weist mindestens einen stumpfkegeligen Spiegel oder Bi-Diopter auf, der geschnittene Flächen von vorzugsweise 45° gegenüber seiner Achse hat, die es ihm

- Io -

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gestatten, sich mehrere Male auf sich selbst umzubiegen, wie das bei optischen Instrumenten mit Prismen der Fall ist.

6.) Die Vorrichtung weist in Serie auf: ein erstes Bündel von stumpfkegeligen Spiegeln oder Bi—Dioptern nach 3.) und einen oder mehrere Spiegel oder Bi-Diopter nach 1.Ϊ, 2^, 4.) und 5·), so daß die große Einlaßfläche des Stromes des ersten dieser Spiegel oder Bi-Diopter mit der Gesamtheit der aneinandergereihten Mindestquerschnitte des ersten Bündels zusammenfällt.

7.) Die Vorrichtung weist mehrere Bündel von stumpfkegeligen Spiegeln oder Bi-Dioptern nach 3.^ auf, die in Serie gemäss den Merkmalen aneinandergereiht sind, wie sie unter 4. ^ definiert sind.

8.^ Die Vorrichtung nach 1.Ϊ, 2.), 4.), 5.) oder 6.^ weist konische oder kegelartige, nicht runde Bi-Diopter oder Spiegel auf, die so sind, daß die Bereiche der Querschnitte nach einer Ebene, die die konische Achse der großen Fläche des Stromeinganges und die kleine Basis von Miridestbereich enthält, in allen Fällen gleich dem Quadrat des Verhältnisses -^- ist, wie in 1.), 2.) oder 4.) angegeben, wobei die Maximalzahl der inneren Reflexionen durch den Wert bestimmt wird, der dem

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Halbwinkel & in dem Längsquerschnitt zugewiesen wird, der die größte lineare Verkleinerung bewirkt.

9.) Die Vorrichtung nach 3·) und 7·) weist ein Bündel oder eine Serie von Bündeln von stumpfkegeligen Spiegeln oder stumpfkegeligen Bi-Dioptern auf, deren Gesamtheit gemäss 8.) ausgebildet ist, d.h. so, daß der Bereich der Gesamtheit der großen Stromeinlaßflächen , die nebeneinander liegen und der Bereich der Gesamtheit der nebeneinanderliegenden Mindestquerschnitte in dem Verhältnis stehen, wie unter 8.) definiert.

lo.) Zwei Vorrichtungen nach 1.) bis 9·) sind '' parallel" angeordnet, wobei die kleinen Basen minimalen Querschnittes ihrer stumpfkegeligen Spiegel >ier Bi-Diopter durch jedes bekannte Mittel mit jecL der beiden Oberflächen eines empfindlichen Elementes assoziiert sind, wobei dieses dann vorzugsweise eine dünne Klinge ist.

Der neuartige Typ des Strahlungskonzentrators, der das erste Ziel der Erfindung ist, wird so durch seine geometrischen Abmessungsmerkmale definiert, die nachstehend unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen besprochen werden.

Fig. 1 bis 5 zeigen Diagramme geometrischer Optik, Fig. 4 bis Io zeigen schematische Ansichten von

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Geräten zur praktischen Durchführung der Erfindung.

Die Vorrichtung nach der Erfindung , wie sie in Fig. 1 icezeigt ist, weist zunächst ein konvergierendes Objektiv 9 auf, das einen Strom von Strahlen einfängt, die von einer entfernten Quelle vom offenbaren Winkel ^C- stammen, die in der Luft liegt - Index 1 ( die Refraktionsindices sind in den Figuren durch Zahlen oder Buchstaben angegeben, die von einem Kreis umgeben sind). Da das Objektiv eine relative öffnung JL hat, gibt es ein Bild der Strahlungsquelle in seiner Brennebene Io wieder. Die maximale Neigung Οχ gegenüber der optischen Achse der Strahlen, die zusammenlaufen, um dieses Bild zu bilden, ist ein Winkel, dessen Sinus einen Wert aufweist, der in der Nähe von

i liegt. Eine Berechnung oder ein Maß gibt den 2N

genauen Wert von Sinus Q^ für die Anwendung der Formeln. In Korabination mit dem konvergierenden Frontalobjektiv ist ein stumpfkegeliger Bi-Diopter oder Stumpfkegel 11 angeordnet von einem Halbwinkel am Scheitelpunkt Jf , der aus einem für die eingefangene Strahlung transparenten Material vom Refraktionsindex ni besteht. Der Maximalflächeninhaltsquerschnitt oder die große Strahleneingangsfläche dieses Bl-Diopters von einem Durchmesser, der durch di bezeichnet wird, ist in Zusammenfallen mit dem Bild angeordnet, das in der Ebene Io durch das Frontalobjektiv abgebildet wird. Auf diese Art und Weise

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dringt die Gesamtheit des vom Objektiv 9 eingefangenen Stromes in den Bi-Diopter 11 ein und die Strahlen werden anschliessend durch aufeinanderfolgende Reflexionen auf die konische seitliche Oberfläche geführt (je nach Lage der Fälle Gesamtreflexionen oder Reflexionen auf einer Reflektierenden Verkleidung) bis zu einem Minimalflächeninhaltsquerschnitt 15, dessen Durchmesser durch d_x bezeichnet ist und der zu einer empfindlichen Empfängeroberfläche 14 gehört, die in ein optisches Milieu 15 vom Refraktionsindex ng eingetaucht ist.

Der Querschnitt I5 von einem durch d_x bezeichneten Durchmesser ist der kleinste der Querschnitte des Kegels, der von allen Strahlen des eingefangenen Bündels erreicht wird. Der Erfinder hat in einer vollständigen Theorie der konischen Spiegel nachgewiesen, daß der Wert von d_x dann durch die oben angegebene Formel (1) gegeben ist. Wenn der Konus jenseits dieses Querschnittes vom Durchmesser d_x abgeschnitten würde, würde ein Teil der Strahlen des eingefangenen Bündels zu dem Eingangsquerschnitt αχ zurückkehren, bevor er den Mindestquerschnitt erreicht hat. Die Zahl p¹ , die in der Formel (1) vorhanden ist, drückt so die Höchstzahl der inneren Reflexionen aus, die der ungünstigste Strahl erleiden kann, ohne auf sich selbst zurückzukommen, d.h. der einfallende Strahl, der in einer Mittelebene liegt und einen Winkel Οχ mit der

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Achse bildet und in den Bi-Diopter durch den Rand des großen Querschnittes 12 eintritt. Der Wert dieser Zahl p' wird durch die Formel (2) gegeben, die gelesen werden Itann: "ganzer Teil von"... Die Bezeichnung des Winkels αχ , dessen Wert von der Formel (3) gegeben wird, gestattet es, das Schreiben der Formeln (1) und (2) zu vereinfachen.

Ausserdem hat der Halbwinkel am Scheitelpunkt des stumpfkegeligen Bi-Diopters einen Wert ρ dessen Verhältnis mit den anderen Parametern für die maximale Energie erzeugende Leistung des Konzentrators nach der Erfindung bestimmend ist. In der Tat behält ein stumpfkegeliger Spiegel, der ein optisches, nicht Stigmatisches System ist, nicht die geometrische Ausdehnung der eingefangenen Bündel bei und unterliegt aus diesem Grunde einem systematischen Verlust, der sich durch einen immer zu großen Wert ausdrückt, der dem Durchmesser d_x des minimalen Querschnitts des Bi-Diopters durch Anwendung der Formel (1) zugewiesen wird. Dieser systematische Verlust wurde vom Erfinder in Abhängigkeit von den Parametern ο, Οχ , ηχ und n2 , wie oben definiert berechnet. Die maximale tatsächliche Konzentration, die von dem Bi-Diopter erreicht wird und mit Cu bezeichnet ist, ist offensicht lich gleich unter Hinweis auf die Formel (1) der nachstehenden Formel:

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Andererseits wird nachgewiesen, daß unter den gleichen Bedingungen die Höchstgrenzkonzentration, bezeichnet durch C₀ gleich folgendem ist:

Cn -

sin ² Oi

Diese Grenzkonzentration würde einen idealen Mindestquerschnitt für den Bi-Diopter entsprechen von einem Durchmesser, der mit d₀ bezeichnet werden kann ( kleiner als d_x), so daß folgendes erreicht wird:

Das Verhältnis q misst die tatsächliche

C₀
Energie- eräugende Leistung des stumpfkegeligen Bi-Diopters im \ rhältnis zur theoretischen Maximalgrenzkonzentration, Diese Leistung ist kleiner als 1. Wenn gewünscht wird, daß sie größer oder mindestens gleich^, einem gegebenen Verhältnis *J^ ist ( so nahe an 1 wie möglich innerhalb der Grenzen, die mit" den Gegebenheiten verträglich sind, über die für einen in Betracht gezogenen Empfänger verfügt werden kann), führt die vom Erfinder aufgestellte Berechnung ( nach Vereinfachungen) dazu, die Formel (4) vorzuschreiben. In einem Wort gestattet diese Formel (4), einen Kegel hoher Leistung zu bauen, während die Formel (1) zusammen mit den Formeln (2) und (3) es gestattet, diesen Kegel an seinem kleinen optimalen

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Konzentrationsquerschnitt zu schneiden. Die Erfindung gestattet deragemäss unter gegebenen Bedingungen den besten Konus festzustellen und ihn an der bestmöglichen Stelle zu schneiden.

Wenn es erwünscht ist, daß die inneren Reflexionen der Strahlen auf der seitlichen konischen Oberfläche ausschliesslich vollständige Reflexionen sind, ergibt sich ein neuartiger Parameter: der Grenzwinkel der vollständigen Reflexion des Milieus vom Index ni des Bi-Diopters auf dem Bereich des Index 1. Dieser Winkel wird durch Λ nj be-

1 zeichnet und sein Wert ist, wie bekannt Are sin jjr · Die allgemeine Formel (1) kommt zur Anwendung, unter der Bedingung, die Maximalzahl von Reflexionen p^f durch die Maximalanzahl von Totalreflexionen q zu ersetzen, wie sie von der Formel (5) gegeben wird. Die Formel (4) nimmt die Form (6) an. Es ist festzustellen, daß der Index n2 für das Eintauchen des empfindlichen Elementes des Empfängers nicht mehr in den Formeln (5) und (6) vorhanden ist. Der Zustand der vollständigen Reflexion drängt in der Tat einen Ma%Lmalwert für den Eintauchindex auf. Es wird nachgewiesen, daß dieser Wert gleich :y n? - 1 ist. Wenn es demgemäss erwünscht ist, trotzdem das empfindliche Element in ein Milieu größeren Index einzutauchen als yn| - 1 ( und insbesondere in den Bi-Diopter selbst, Index ni ), ist es notwendig, die seitliche Endoberfläche

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des Bi-Diopters mit einer reflektierenden Ablagerung zu verkleiden und zwar zwischen dem Mindestquerschnitt dessen Durchmesser von der Formel (5) bestimmt wird und dem Mindestquerschnitt, dessen Durchmesser in Abhängigkeit von dem Eintauchindex n₂ von der Formel 1 bestimmt wird.

Der kleinste Wert, den der Index n2 annehmen kann, beläuft sich auf 1, in welchem Falle die empfindliche Oberfläche des Empfängers in der Luft liegt. Der größte Wert ist der des Index ni , in welchem Falle die empfindliche Oberfläche direkt auf den Mindestquerschnitt des Bi-Diopters selbst eingetaucht ist. In diesem letzteren Falle und in dem mit d2 der Durchmesser des Mindestquerschnittes des Bi-Diopters bezeichnet wird, erzielt man anstelle der Formeln (1) (2) und (4) die folgenden Formeln:

^dl

sin

1 + (2p - 1)

(7)

d₂ P »

sin (£ ι -

+ 1

(8)

( 1 + tß

sin

- D

Die Formeln (1), (2), (?), (5), (7), (8) sind " genaue" Formeln, d.h. sie enthalten keinerlei Annäherung. Es

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ist nützlich, angenäherte Formeln zu erstellen, insbesondere, um davon die Grundfermeln (4), (6), (9) abzuleiten, deren " genaue" Formen sehr kompliziert wären , und zwar unnützerweise, nachdem das Verhältnis Ji selbst eine Größenordnung von einem notwendigerweise abgerundeten Wert darstellt (Beispiel: Tj - 0,80 oder ^ = 0,85).

Eine erste Annäherung kann in deflf Falle durchgeführt werden, in dem die Maximalanzahl der Reflexionen p¹ ( oder q oder p) ziemlich groß ist, d.h. wenn der Halbwinkel am Scheitelpunkt Q ziemlich klein ist. Dann kann die ganze Zahl p^f beispielsweise an den nicht ganzen Wert des Ausdrucks zwischen der Klammer der Formel (2) assimiliert werden. Indem durch d'_x der angenäherte Wert des Durchmessers des Minimaldurchschnittes des Bi-Diopters angenähert wird, ergibt sich die folgende Formel:

HT^V nl^ ^dl _ I 1 (lo)

^d'x sin (ß ! - jf )

Im Falle des Zustandes der Totalreflexion kann die Maximalzahl der Reflexionen q an den nicht ganzen Wert des Ausdruckes zwischen Klammern in der Formel (5) assimiliert werden. Wenn mit d'^ der angenäherte Wert des Durchmessers des minimalen Querschnittes des Bi-

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Diopters bezeichnet wird, ergibt sich:

cos (^ ni - 2 ö sin

(Π)

Schliesslich kann im besonderen Falle des Eintauchens der empfindlichen Oberfläche des Empfängers im Bi-Diopterselbst die I|aximalzahl von Reflexionen ρ an den nicht ganzen Wert des Ausdrucks zwiechen Klammern in der Formel (8) assimiliert werden. Wenn durch d^!2 der angenäherte Wert des Durchmessers des minimalen Querschnittes des Bi-Diopters bezeichnet wird, ergibt sich:

(12)

ψΐ "

Diese Formeln (Ic. (11), (12) stellen eine ausgezeichnete Annäherung dar. £s wird gezeigt, daß die relativen Fehler, die ihrer Verwendung inhärent sind, immer

V 2

unter ■ sind, so daß , selbst mit einem Halbwinkel am Scheitelpunkt der so groß ist, wie ein Zehntel Radian, der relative Fehler noch geringer ist, als *~- an den Längen.

Eine zweite Annäherung kann durchgeführt werden, wenn der Wert des Halbwinkels am Scheitelpunkt als vernachlässigenswert angesehen wird, d.h. , wenn er auf 0 zu tendiert. Wenn mit d^M _x, d"4 , d"₂ der angenäherte Wert des Durchmessers des Minimalquerschnittes

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des Bi-Diopters im allgemeinen Falle angesehen wird, dann wird im Falle des Zustandes der Totalreflexion und im Falle der vollständigen Eintauchung folgendes gefunden.

d"_x sin

d"4 sin 0 χ (14)

(15)

dⁿ ₂ sin fi

Diese Formeln entsprechen stumpfkegeligen unendlich langen Bi-Dioptern mit einem am Scheitelpunkt unendlich kleinen Winkel» In der Praxis charakterisieren sie ziemlich gut die stumpfkegeligen optischen Fasern, die auf diese Weise in besonderen Kombinationsfällen nach der Erfindung eintreten können, unter der Bedingung, daß die verschiedenen Parameter gemäss den obigen Formeln verbunden werden.

In allen Fällen wird die Länge L eines stumpfkegeligen Bi-Diopters vom Halbwinkel am Scheitelpunkt

V , begrenzt durch gerade Abschnitte von den Durchmessern d^ und d_x , offensichtlich durch die folgende Formel gegeben:

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L =

worin d je nach den Fällen den Wert hat, der vorstehend durch d_x, d'_x, d"_x, d₄,· d'₄, d"^, d₂, d'₂, oder d"₂ bezeichnet wird.

Im Verhältnis zu einer konvergierenden üblichen Optik von beispielsweise der öffnung P/2,8, ist die Belichtung, die theoretisch mit Hilfe eines Konzentrators nach der Erfindung mit Eintauchen in Luft erzielt wird, in der Größenordnung von 25 bis J50 mal größer. Mit Eintauchen in ein extra dichtes Glas ungefähr 100 mal größer. Mit Eintauchen in Germanium ist die für eine infrarote Strahlung berechnet Belichtung in der Orößenordnung von 400 bis 500 mal größer als mit einer offenen Optik von F/2,8. Die Gewinne, die erzialt werden können, sind demgemäß beträchtlich.

Die anderen technischen Einzelheiten des ersten Gegenstandes der Erfindung - die vorstehend mit J>) bis 10) bezeichnet sind, entsprechen verschiedenen besonderen Fällen. Die technischen Beschreibungen nach J>) und 7) gestatten es, ein permanentes Bild zu erhalten und die Länge der Vorrichtung stark zu verringern, dank der Verwendung von bündeln von stumpfkegeligen Ri-Dioptern, die "parallel" verwendet werden und analog Bündeln von konischen optischen Fasern, deren Merkmale gemäß der Erfindung bestimmt würden. Die technischen Beschreibungen 4), 5), d)i~eeben ein anderes Mittel, um die Länge der Bi-Diopter zu verringern. Insbesondere, und wenn das Material teuer ist

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( oder auch wenn es absorbierend 1st) werden mehrere stumpfkegelige Bi-Diopter aus verschiedenen Materialien in Serie nebeneinander angeordnet, wobei der letzte sehr kurze alleine aus diesem teueren oder absorbierenden Material besteht. Die technischen Beschreibungen 8) und 9) weisen mindestens einen "kegeligen" Bi-Diopter auf mit einer Seitenoberfläche, die einen geraden kreisförmigen Eingangsquerschnitt des Stromes mit einem Querschnitt minimalen Bereiches verbindet, der eine längliche Form aufweist, wie etwa eine sehr stark abgeflachte Ellipse oder ein Rechteck. Ein solcher kegelförmiger Körper stellt einen ganz besonders gut für alle diejenigen Fälle geeigneten Konzentrator dar, wenn ein kreisförmiger Einlaß des Stromes und ein fadenförmiger oder rechteckiger Ausgang des Stromes gegeben ist (Spektroskope, Filmkopiergeräte ....). Schließlich gestattet die technische Beschreibung mit der Bezeichnung 10.) die Wirkung der maximalen Beleuchtung auf der empfindlichen Oberfläche des Empfängers zu verdoppeln, indem diese gleichzeitig auf ihren beiden Oberflächen verwendet wird. Diese Variante läßt in Kombination mit der vorliegenden Erfindung eine Art von optischem Systeraeintreten, das in vier 3T Radianen arbeiten kann (anstelle von 2 Jf wie üblich) und bereits vom Erfinder in dem französischen Patent Nr. 1.385.603 vom 5. Dezember I963 beschrieben, das den Titel "Neuer Typ eines Richtwellenempfängers" trägt.

In Fig. 2 weist die Konzentratoreinrichtung einen frontalen sphärischen Spiegel 16 auf, der einem

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stiimpfkegeligen Bi-Diopter 17 zugeordnet ist und zwar gemäß den gleichen allgemeinen Merkmalen wie vorher. Das konvergierende Frontalsystem kann ebenfalls ein Diopter sein (sphärisch oder elliptisch), der die gleiche Rolle spielt wie ein Objektiv mit Linsen. Schließlich kann dieses frontale konvergierende System durch ein afokales System ersetet werden (Typ Brille oder Fernglas) worin der gesamte am Eingang durch eine große Pupille eingefangene Strahlungsstrom am Ausgang durch eine kleine Pupille oder einen "Okularkreis" verläuft, ohne ein wirkliches Bild in der Ebene dieses Kreises zu bilden.

In allen Fällen, gleichgültig ob die Frontaloptik konvergierend oder afokal ist, wurde eine einzige Formel vom Erfinder erstellt, um die maximale theoretische Konzentration C zu charakterisieren, die vom dazugehörigen Bi-Diopter verlangt wird. Wenn mit N die relative Öffnung des Frontalsystems bezeichnet wird, gleichgültig ob es konvergierend mit Linsen oder mit Spiegeln ist oder wenn mit dem gleichen Buchstaben N die wirkliche Öffnungdes Systems bezeichnet wird, wenn es sich um einen Diopter handelt ( in dem das Eintauchen seines Bildes berücksichtigt wird) oder wenn mit dem gleichen Buchstaben N die relative Öffnung eines gleichwertigen konvergierenden Systems bezeichnet wird ( d.h. das die gleiche Verringerung der Pupillen ergibt) dann ergibt sich im Falle eines afokalen frontalen Systems folgende Formel:

C₀ - 4 N² n₂ ² (17)

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(wobei n„ der Eintauchindex des empfindlichen Elementes ist, das zum Empfänger gehört).

Das Verhältnis zwischen der wirklichen Konzentration C f (gleich: ( _1.) » Quadrat des Verhältnisses des Maximal- und Minimal&urchmessers d, und d ) und der Konzentrationsgrenze C ist offensichtlich gleich der Energie-erzeugenden Leistung *h des wirklichen Bi-Diopters gegenüber einem idealen Bi-Diopter:

⁵T

Um alle theoretischen Elemente zu vereinigen, die bei der vollständigen Definition eines Konzentrators nach der Erfindung zum Tragen kommen, muß noch das Problem des Feldes £ des Konzentrator gelöst werden, das gleichzeitig das Problem des Verhältnisses Signal/Geräusch für den dazugehörigen Empfänger ist.

Es sei 06 der offensichtliche Winkel der Quelle, deren Strahlung konzentriert werden soll. Und es sei £. das Feld des Konzentrators, d.h. der Winkel des größeren Bündels, den die Kombination frontale Optik - in Betracht gezogener Bi-Diopter einfangen kann. Es kann leicht und ohne weiteres gezeigt werden, daß der notwendige und genügende Zustand, damit die Konzentration maximal ist, folgender ist:

(18)

Wenn £ <£ oC , dann wird kein maximaler Strom eingefangen sondern die erzielte Beleuchtung ist sehr wohl

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maximal. Wenn ζ. <Ό6 » wird der gjrgßere Strom eingefangen, aber die erzielte Beleuchtung ist nicht maximal. Ihr theoretischer Wert ist gleich dem der maximalen Beleuchtung dividiert durch: ( -^r-) · Das Verhältnis Signa l/Be rausch wird kleiner gemacht. Der optimale Zustand wird erreicht wenn : £ =06.

Das Beachten dieses optimalen Zustandes, der gleichzeitig das Einfangen einer maximalen Größe des Stromes und das optimale Aufrechterhalten des Verhältnisses Signal/Geräusch sichert, bietet in den folgenden Fällen keinerlei Schwierigkeit:

Zunächst wenn die Quelle gut bestimmt ist, leicht örtlich feststellbar und von bekanntem offensichtlichem Durchmesser, was sich für den größten Teil der Laboratorium-Strahiullfeekonzentratoren ergibt ( Zellen, Bolometer ...) oder für einen Konzentrator für Sonnenenergie, beispielsweise der Fall ist. Es genügt in diesem letzteren Falle, dem Konzentrator eine Bewegung zu vermitteln, die ihm gestattet, der Sonne in ihrer Bahn zu folgen, in dem bereits bekannte Vorrdditungen verwendet werden.

Schließlich in allen denjenigen Fällen der sogenannten "aktiven" Feststellung, worin ein Sendescheinwerfer verwendet wird, der einen gewissen Raum mit einem konzentrierten Strahlungsbündel bestreicht. (Im allgemeinen im Infrarotbereich oder in den sehr kurzen Hertz'sehen Wellen). Es genügt dann, dem Konzentrator

_or 809839/0388

Η72Ί34

einen Feldwinkel zu geben, der dem des isfeFtreichenden Bündels gleich ist und diesem Konzentrator die Bewegung des Bestreichens zu verleihen, damit seine optische Achse immer parallel der des Senders bleibt. Im gleichen Gedankengang können die Merkmale der vorliegenden Erfindung mit denen der Sender durch Bestreichen und der Empfänger kombiniert werden, die im französischen Patent Nr. 1 358 366 vom 15· Juni I962 des gleichen Anmelders beshriebensind, die für Okularbeobachtungen gestatten, beträchtliche physiologische Vorteile auszunutzen.

Aber die Verwendungsbedingungen eines Empfängers sind nicht immer so einfach. Am häufigsten sind die sendenden Quellen vielfacherArt, veränderlich In ihrer Richtung und im offensichtlichen Winkel und das Feld des Konzentrators muß kleiner sein, wie das Gesamtfeld, in dem der Empfänger benutzt werden soll und das mit .... bezeichnet wird. Wenn dann das Verhältnis Signal/Geräuah richtig aufrechterhalten bleiben soll, ergibt sich die Wahl zwischen zwei neuen Varianten in der Ausführungsform des Konzentrators nach der Erfindung:

Entweder wird dem Konzentrator ein kleines Feld € gegeben und es wird mit einer mechanischen oder optischen Bestreichungsvorrichtung ( von "passiver" Art) versehen, das die Erforschung des Gesamtfeldes F des Empfängers gestattet. In diesem Falle schwankt die erzielte Gesamtbeleuchtung im größten Querschnitt des stumpfkegeligen Bi-Diopters in der Zeit in Abhängigkeit von der Strahlung des Bereiches - elementares bestrichenes Objekt und es

-27- 90983^/0388

kann ein Bild auf einem Bildschirm erzielt werden durch Modulieren der Helligkeit der Punkte dieses Bildschirmes in Abhängigkeit von den Veränderungen der Beleuchtung, die vom Bi-Diopter erzielt werden. Dies kann durch die Verfahren des Fernsehens durchgeführt werden,insbesondere diejenigen, die mit einer einzigen photoelektrischen Zelle arbeiten (ohne Tnonoskop) wie die frühere Niplcow-Kamera oder auch diejenigen, die von einem "Diasporamerter" mit sich drehenden Prismen ausgehen. Oder es wird ein Bündel von Bi-Dioptern "parallel" verwendet anstelle eines einzigen Bi-Diopters ( wie in den technischen Beschreibungen 3.) und 7.) der Definition des ersten Gegenstandes der Erfindung erklärt). Das Gesamtfeld ist dann erhöht, ohne daß das Verhältnis Signal/Geräusch für jeden Elementar-Bidiopter verändert wird unter der Bedingung, daß das Feld E eines jeden dieser kleiner ist oder höchstens gleich dem kleinsten offensichtlichen Winkel der festzustellenden Quellen. Auf diese Art und Weise wird ein permanentes Bid erzielt oder mindestens eine permanente Ortung der Quellen und der sendenden Gegenstände in dem Gesamtfeld f~des Empfängers. Das Bündel von BiDioptern kann ein Bündel von konischen optischen Fasern sein, die gemäß der Erfindung ausgebildet sind. Diese Fasern unterscheiden sich von den bereits bekannten Fasern dadurch, daß ihre kegelige Form optimal ist, was gestattet, ihre Länge wesentlich zu verringern und demgemäß die Absorption zu verringern und sogar zu unterdrücken. Diese zweite Variante entspricht dem Schema, das in Fig. 3 dargestellt ist. Ein Objektiv mit Linsen 24 fängt in einem Feld Γ* einen Strahlungsstrom ein und konzentriert

_28- 909839/0388

H72134

ihn ein erstes Mal zu einem Bild vom Durchmesser ei in' seiner Pokal-Bildebene 25. Im Zusammenfallen mit diesem Bild ist die Gesamtheit der großen aneinander angeordneten Stromeingangsflächen eines Bündels 26 von elementaren stumpfkegeligen Bi-Dioptern angeordnet, wie etwa 27. Mit d, wird der Durchmesser der großen Stromeingangsfläche eines elementaren Bi-Diopters bezeichnet, mit d der Durchmesser seines minimalen Querschnittes und

mit e der Durchmesser der Gesamtheit der zusammenge-

JL

faßten Mindestquerschnitte der elementaren Bi-Diopter. Das Feld eines einzigen dieser Bi-Diopter ist mit £ bezeichnet. Es ergibt sich offensichtlich:

d.

Γ ^el

Wenn 06 der offensichtlich kleinste Durchmesser der Quellen ist, deren Abstrahlung konzentriert werden soll, genügt es £ ^Cf oC ^zu fixieren um einen Konzentrator zu definieren, dessen Gesamtfeld gleich f~ ist und der in den besten optischen Bedingungen für das Verhältnis Signal/Geräusch ein RiId maximaler Ausleuchtung vom Durchmesser e ergibt und von einer Trennfähigkeit gleich £.

Jv

Was die erste vorstehend definierte Variante anbetrifft, diejenige, die einen einzigen Bldiopter vom Feld £ verwendet, assoziiert mit einem Abtastsystem, so würde sie auf dem Schema der Fig. 3 einem einzigen elementaren axialen Bi-Diopter 28 entsprechen, dessen große Stromeingangsfläche 29 mit einem Bild nur eines Teiles des Objektfeldes offensichtlichen Winkels £, zusammenfällt. Ein ( in der Figur nicht schematisch dar-

909839/0388 - 29 -

*^v H72134

gestelltes) Abtasten läßt nacheinander auf dieserPläche 29 die elementaren Bilder des Feldes £ ablaufen, wobei das Gesamtfeld Γ systematisch erforscht wird.

Nachdem alle theoretischen Elemente, die es gestatten, den Konzentrator nach der Erfindung zu charakterisieren, nunmehr. vereint sind, bleibt aEhließlich nur die Zusammenarbeit dieses Konzentrators mit dem empfindlichen Element des Empfängers zu definieren. Dieses Element bietet sich meistens unter der Form einer empfindlichen Oberfläche dar: dünne Platte ( flail oder nicht) oder Band. Dies ist klar, daß in allgemeiner Art und V/eise die empfindliche Oberfläche des Empfängers ziemlich nahe mit der Oberfläche des Mindestquerschnitts des stumpfkegeligen Bi-Diopters zusammenfallen muß indem die maximale Konzentration erzielt wird und zwar gleichzeitig in der Form, in der Wölbung und in den Abmessungen. In dem Falle, in dem empfindliche Oberfläche ein flacher Kreis ist, ist sein Durchmesser gleich dem Durchmesser d des Mindestquerschnittes des Bi-Diopters. Wenn die empfindliche Oberfläche nicht kreisförmig ist oder wenn sie sogar nicht eben ist, ist der Mindestquerschnitt des Bidiopters so geformt, daß er so en« wie möglich mit dieser empfindlichen Oberfläche zusammenfallen kann. Die empfindliche Oberfläche kann entweder direkt auf den Mindestquerschnitt des Bidiopters eingetaucht sein oder über eine dünne Schicht oder einen dünnen Film einer Zwischensubstanz ( das ist manchmal notwendig beispielsweise im Falle eins Bolometers mit in Gemanium eingetauchtem Thermistor, der elektrisch von der Thermistanz

-5O-9 09839/0388

. ³¹ U72134

durch einen dünnen Selenfilm isoliert seir. muß ). Sie kann auch nicht eigentlich eingetaucht sein und in Luft verwendet werden. Sie ist in diesem Falle so nahe als möglich an dem Mindestquerschnitt des Bidiopters angeordnet.

Es müssen zwei Arten von empfindlichen ^uberflächen unterschieden werden: diejenigen, die in der Lage sind, ein Bild wirksam zu verwenden und diejenigen, die lediglich auf die integrierte Summe der Belichtungen reagieren, die sie empfangen. Die ersteren, die als Kategorie A im weiteren Verlauf der vorliegenden Beschreibung bezeichnet werden, reagieren auf das energieerzeugende Beleuchten, das an jedem einzelnen ihrer Punkte erzeugt wird, als ob diese unabhängig wären unter dem Vorbehalt einer (sogenannten Auflösung) Grenze, die mit ihrem diskontinuierlichen Aufbau zusammenhängt. Unter ihnen können genannt werden: die Retina des Auges, photographische Platten, phosphoreszierende oder fluoreszierende Schirme, Photokathoden, Zellenmosaiken Die zweiten, die als von der Kategorie B bezeichnet werden, reagieren nicht in einer differenzierten Art auf die Belichtungen, die an jedem ihrer Punkte im allgemeinen erzeugt werden. Hlei können genannt werden: photoelektrische Zellen, Metallbänder und die Thermistoren von Bolometern, die lichtleitenden Zellen, die Lichtphdbzellen - · Die Assoziierungsarten dieser verschiedenen Typen von empfindlichen Oberflächen mit den Konzentratoren nach der Erfindung sind nicht die gleichen. Insbesondere kann ein Bündel von Bidioptern nur richtig mit einer empfindlichen Oberfläche der Kategorie A verbunden werden.

909839/0388

Andernfalls würde das Verhältnis Signal/Geräusch herabgesetzt werden.

Es ist nun ein Gesamtüberblick: über den neuartigen Typ des Konzentrators gegeben worden, der der erste Gegenstand der Erfindung ist. TJm einen Strahlenstrom zu konzentrieren, der von einer* Welle des offensichtlichen Winkels (fa stammt unter Umfassen eines Gesaratfeldes l , wird ein optisches Prontalsystem vom Feld \ der relativen öffnung 1 , der" Brennweite f mit mindestens einem Bi-Diopter oder einem stumpfkegeligen Spiegel des Feldes £ eines kleineren Winkels oder eines Winkels gleich s4j> zusammengebracht. In allen Fällen, gleichgültig, ob dieser stumpfkegelige Bidbpter Teil eines Bündels ist oder ob er alieine ist und ein Abtasten ausnutzt, ist der Durchmesser dj seiner großen Stromeinfallfläche immer gleich:

(I₁ - f. £ (19)

Dieser Bidiopter wird als "Elementar-Bidiopter" bezeichnet, selbst wenn er alleine ist und selbst wenn das gesamte Feld Γ gleich dem Winkel £ ist, wie bei gewissen „Laboratoriumskonzentratoren oder bei Sonnenkonzentratoren.

Die vorstehend beschriebenen Formeln weisen sechs unabhängige Parameter und neun verbundene Parameter auf, d.h. fünfzehn Hauptparameter, die in jedem Anwendungsfall ihre eigenen Anforderungen mit sich bringen. Die ■►sechs unabhängigen Parameter sind beispielsweise:

~³²~ 909839/0388

U72134

- Der offensichtliche Mindestwinkel oL der Strahlungsquelle, der verbundene Parameter ist das Feld £ ^des Elementar-Bidiopters (

- Die relative Öffnung N oder ihr Äquivalent des frontalen Konzentratorsystems. Der verbundene ParaäfcRfeer ist der Maximalwinkel Θ« auf der Achse der Strahlen des eingefangenen Bündels ( sin G₁ g»^ ).

- Der Durchmesser dj der großen Stromeintrittsfläche des elementaren Bldiopters. Die verbundenen Parameter sind: die Brennweite f des frontalen optischen Systems ( f «

—— ), Der Radius R der Eingangspupille des frontalen Systems ( R - ^ ).

- Der Eintauchindex n« der empfindlichen Oberfläche des . Empfängers. Der verbundene Parameter ist die ipnzentrationsgrenze C , die vom elementaren Bi-Diopter verlangt wird (C_o - 4 N²Ii₂ ²).

- Der Index n, des Bidiopters ( siehe große Grundformeln).

- ÄBI^Mindestverhältnis rj zwischen der Aufhellung, die vom Konzentrator erzielt ist und der Maajimalgrenzausleuchtung. Die verbundenen Parameter sind: der Halbwinkel am Scheitelpunkt V-des elementaren Bi-Diopters ( in Abhängigkeit vonO]» nj und n₂ und N); die wirkliche Konzentra tion Cu'die denKonzentrator ( Cvi'* ⁰^HX) charakterisiert; der Durchmesser d des minimalen Querschnitts des Elementar bidiopters(( d, \2 c^' ^die -^^S® ^L des elementaren Bi-

χ
diopters ( L - ^dl " ^dx ).

909839/0388

^H U7213A

Dem können zwei weitere Parameter hinzugefügt werden, die im weiteren Verlauf der Beschreibung auftreten und die

mit d„ und L bezeichnet werden, d bezeichnet den idealen oo ο

( schematischen) Minimaldurchmesser des elementaren Bidiopters, der der Konzentrationsgrenze C_Q entsprechen würde und L ist die Länge dieses theoretischen Bi-Diopters von dem Extremdurchmesser d^ und d · Ein solcher Bidiopter wird als "schematischer Elementar-Bldlopter" bezeichnet.

Gemäß dem gewünschten Anwendungsgebiet, der Art des Empfängers, der Materialien, über die verfügt werden kann, findet sich der Hersteller, um wirksam einen Konzentrator nach der Erfindung zu bauen vor einer "ziemlich weiten Skala von Möglichkeiten und Kompromissen, die zwischen den verschiedenen Parametern geschlossen werden können. Der zweite Gegenstand der Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, das es gestattet, in optimaler Art und Welse die Merkmale eines Konzentrators der neuartigen Type zu bestimmen. Dieses Verfahren ist dadurch charakterisiert, daß die folgenden Operationen in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden oder gemäß jeglicher Kombination je nach Bedarf:

1.) Nachdem die Art der empfindlichen Oberfläche des Empfängers bekannt ist, wird die Minimalgrößenordnung

Δ dieser empfindlichen Oberfläche bestimmt und die Größenordnung Δ! seiner linearen Auflösungsgrenze, wenn sie "von der Kategorie A ist.

2.) Es wird der vorzugsweise maximale Wert des Index n₂ des Milieus in optischer Berührung mit der

- 34 _ 909839/0388

empfindlichen Oberfläche gemäß den Experimentalbedingungen festgelegt, die zur Verfügung stehen,

3.) Es wird der Wert 1 der relativen öffnungen (Oder sein Äquivalent) des Frontalkonzentratorsystems festgelegt und zwar so groß wie möglich je nach dem Selbstkostenpreis sowie die geeigneten optischen Eigenschaften«

4.) Es wird die gesamte energieerzeugende Konzentration C₊. bewertet, die vom Bi-Diopter oder elementaren stumpfkegeligen Spiegel verlangt werden muß ( oder von der Gesamtheit der Bidiopter, Spiegel oder Bündel, die in Serie nebeneinander gebracht sind):

C_t = 4 N²^₂

5.) Es wird der Wert der Trennfähigkeit £ festgelegt oder der Winkel des elementaren Bidiopterfeldes in Abhängigkeit von £*» , einem offensichtlichen Durchmesser der kleinsten der Quellen, von der ein Strahlenstrom bei einer mittleren Verwendungsentfernung konzentriert werden soll: £

6.) Es wird eine obere Grenze, f_mnv für die Länge

11 IClJv.

der Brennweite des Frontalkonzentratorsystems festgelegt,

7.) Davon wird die obere Grenze, d abgeleitet und zwar für den Durchmesser der großen Stromeingangsfläche (assoziiert zu dem frontalen optischen System) des elementaren Bidiopters:

^dl max ^{= f}max ^x

. - 35 -

909839/0388

8.) Es wird die entsprechende obere Grenze, d

ο max

berechnet und zwar für den schematischen Wert d des

Durchmessers des minimalen Querschnittes (assoziiert mit der empfindlichen Oberfläche) des elementaren Bidiopters:

d
ο max

9.) Dieser Wert d wird mit dem Minimalwert ^ der in 1.) festgelegt ist, verglichen, in dem Ffctlle, in dem die empfindliche Oberfläche von der Kategorie A ist.

Wenn d_{Q Χ{Άχ}^ /±_o wird die Größenordnung von d_Q

festgelegt, vorzugsweise minimal j_

Wenn d S λ ist, wird die Mindestzahl w (beim Durchmesser) der Bidiopterien des elementaren Bündels festgelegt, das mit der empfindlichen Elementaroberfläche assoziiert werden soll:

^α _ο max
und:

ο max

(Minimal Gesamtzahl von Bldioptern). Es wird die Größenordnung von d festgelegt:

d - Δο

ο ——

(unter dem Vorbehalt daß d größer oder höchstens gleich

L rtui luouii^u^i-ciiic £Λ xeu, uxc am 1

gelegt ist).

-der linearen Auflösungsgrenze Δ¹ ist, die auf 1° fest

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10.) In dem Falle, in dem die empfindliche Oberfläche von der Kategorie R ist, wird in jedem Falle die Größenordnung von d auf:

^do ■ A'o
festgelegt.

Wenn man d s a¹ hat, werden Mittel vorgesehen, wie etwa Prismen mit vollständiger Reflexion um den Platzbedarf in der Länge der auf die Brejnjiwejtte f zurückzuführen ist, abzukürzen. Oder wenn das nicht unmöglich ist, wird die relative öffnung 1 des optischen frontalen Systems

Tt
vergrößert um den Wert C, zu verringern und schließlich ert von d
anzunähern)·

den Wert von d ^_x zu erhöhen ( um ihm den Wert von

11.) Es wird der endgültige Wefct der Brennweite f des optischen frontalen Systems bestimmt, und der Wert

von f,_ö„ auf die Ergebnisse von 9.) oder 10.) eingestellt, max

12.) Es wird der nützliche öffnungsdurchmesser 2R des optischen frontalen Systens berechnet:

2R-£

13.) Es wird der Wert des vollständigen Feldwinkels Γ der Konzentrationsvorrichtung festgelegt.

14.) Es wird der Wert des Durchmessers e. des vorderen Bildes ( oder des "Okularkreises") abgezogen:

C₁ = f . Γ

15.) Tn dem Falle eines KOnzentrators mit permanentem direktem Bild wird die Gesamtzahl W¹ (am Durchmesser der Biopterien berechnet, die zur empfindlichen Oberfläche

- 37 - 909839/0388

12 U72134

gehören:

^el

indem w = 1 gemacht wird, wenn d = A

Die Größenordnung des Minimaldurchmessers des Bündels, das zur empfindlichen Oberfläche gehört, ist: w· d₀.

Der Durchmesser der empfindlichen vollständigen Oberfläche, die das Bild aufnimmt, ist gleich: W¹ λ

16.) In dem Falle eines Abtastkonzentrators werden die Merkmale dieses Abtastens festgelegt: Frequenz, mittlere Dauer des Zusammenfallens eines jeden Bildelementes mit der ccroßen Einfallfläche des Stromes des elementaren Bidiopters.

17.) Es wird das Minimum H der Energie-erzeugenden Leistung für die Gesamtheit der stumpfkegeligen Bidiopter oder Spiegel oder der dazugehörigen Bündel festgelegt.

18.) Es wird eine Maximalgrößenordnung, L_m_. für die

UlOLJi

Gesamtlänge der Gesamtheit dieser Bidiopter oder dieser Bündel festgelegt.

19.) Es wird die Größenordnung des Index n^ des Bidiopters ( oder des Bündels ) bewertet, der zu der empfindlichen Oberfläche gehört und zwar gemäß den Materialien, über die verfügt werden kann.

2o.) ^s wird eine Rechentafel oder Tabelle erstellt, wobei jede von ihnen für einen gegebenen Verhältniswert

909839/0388

- 38 -

ⁿl

«—— eine große Anzahl von Kombinationen zwischen den

n₂

Werten von :

', dem Halbwinkel am Scheitelpunkt eines Bidiopters

U72134

- C , die Energie-erzeugende Konzentration, die von diesem Bidiopter verlangt wird,

» der wirklichen energfeerzeugenden Leistung,

- L , der Länge des Bidiopters angibt. Zur Erzielung einer größeren Bequemlichkeit, wird diese letztere Länge ausgedrückt, indem d als Einheit genommen wird.

21.) Es wird bestimmt, ob die maximale Größenordnung der Länge L die in 18.) festgelegt wurde, sich mit den Werten von C. ΛΪΗ^νοη Η verträgt, die vorher festgelegt wurden. Es wird damit begonnen, L„,_„ auszudrücken, indem als

max

eine Einheit die Größenordnung von d genommen wird, die unter 9·) und 10.) festgelegt wurde und es wird dann in den Tabellen, die gerade erstellt worden sind, gesucht, ob mindestens ein Wert von ^ existiert, der einen annehmbaren Kompromiss zwischen C., H und L_a gestattet.

Wenn dieser Wert von t* existiert, kann ein einziger elementarer Bidiopter ( oder Bündel) genügen. Die wirkliche Größenordnung der Länge dieses elementaren Bidiopters (oder dieses Bündels) kann unterhalb L_max festgelegt werden, wenn die -in den Tabellen gefundenen Möglichkeiten" groß sind.

Wenn keinerlei Wert von f*~ existiert und in dem Falle, in dem die empfindliche Oberfläche der Kategorie A entspricht, ist es notwendig, d einen kleineren Wert zu geben als die vorher festgelegte Größenordnung, damit

_ ₃₉ _ 909839/0388

das. Verhältnis L_max einen Wert ergibt, der sich in den Tabellen mit G ο und H verträgt. Es wird demgemäß der endgültige Wert von d_Q festgelegt und es wird der Wert der Zahl w ( am Durchmesser) von elementaren Bidloptern neu eingestellt, die mit der empfindlichen Oberfläche assoziiert sind: w » Ao

In dem Falle, in dem die empfindliche Oberfläche von der Kategorie B ist, ist es notwendig, entweder die Werte von C^. oder von H zu verringern oder aber Vorrichtungen anzunehmen, die Prismen mit totaler Reflexion enthalten, um den Längenplatzbedarf L _„ zu verringern.

nicLjC

22.) Es wird die Anzahl von Bidioptern ( oder von Bündeln) festgelegt, die in Serie aneinander angeordnet vorzusehen sind, indem festgelegt wird, ob die Größenordnung der Länge I»_max( oder der unter 21.) in Betracht gezogenen tatsächlichen Länge) mit der Technologie und dem Selbstkostenpreis der Materialien vereinbar ist, über die verfügt werden kann.

23.) Wenn nur ein einziger Bidiopter oder stumpfkegeliger Spiegel ( oder ein einziges Bündel) verwendet wird, werden seine optimalen Parameter festgelegt, indem direkt auf die Punkte 37.) bis 46.) des' vorliegenden Verfahrens übergegangen wird und unter Berücksichtigung de· Punktes 26).

24.) Wenn mehrere Maximalbidiopter ( oder Bündel) Im allgemeinen zwei in Serie aneinaüergelegt werden werden, wird die Größenordnung ihrer entsprechenden

- 4o - 909839/0388

*¹ , U72T34

energieerzeugenden Leistungen und ' festgelegt« so daß sich ergibt:

25.) Gemäß der Technologie der Materlallen wird der Selbstkostenpreis berechnet und In Anbetracht der Größenordnung von d zwischen welchen Grenzen es angemessenist, den optimalen Wert der Länge L des schematischen Endelementarbidiopters zu wählen ( der zu der empfindlichen Oberfläche gehört)· Es werden zwei Grenzwerte festgelegt, ein höherer und ein niedrigerer und sie werden aisgedrückt, indem d_Q als Einheit genommen wird.

26.) Es wird die Größenordnung der mittleren Länge des Wege^fk eines Strahles im Inneren dteses End-Bidiopters festgelegt und es wird bestimmt, ob die Proportion des' Strahlungsstromes der durch Absorption im Verlaufe dieses Weges verlorengeht, sich mit dem Minimum Older energieerzeugenden Leistung wie nach 24.) vorgesehen, verträgt.

Diese Bewertung wird mit Hilfe einer Berechnung durchgeführt und unter Berücksichtigung der Temperatur des Bidiopters während seiner Punktion.

Wenn der Verlust durch Absoprtion gegenüber der Leistung vernachlässigenswert ist ( der häufigste Fall) wird die erste Bewertung von L_Q aufrechterhalten. Im gegenteiligen Falle (Spezialfall) Werden kleinere Werte für L festgelegt.

- 41 -

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"* H72134

27.) Es wird eine obere Grenze festgelegt: C

ι ο max ,

j für die am Endbidiopter ( oder am Bündel) verlangte theoretische Konzentration in dem in den Tabellen von 20.) plus der größte Wert von C_Q gesucht wird, für den ein Paar Werte von ^ und L existiert, die mit den vorhergehenden Bestimmungen verträglich sind. Es werden die verschiedenen entsprechenden Werte von Φ*aufgezeichnet.

28.) Daraus wird die untere Grenze: C_o'_mln für die theoretische Konzentration C'_o abgeleitet, die am Kopf-Bi-Diopter (oder am Bündel) verlangt wird, der zum optischen Frontalsystem gohtfrt:

C¹ 4 ^Ct
ο min -

ο max

29.) Daraus wird der Minimalwert n^ _{min äQ8 Tndex} des Kopf-Bidiopters abgeleitet:

C¹
min ™\ / ο min

TF

j50.) Es wird festgelegt, ob der Mindestquerschnitt dieses Kopfbidiopters von der Kategorie d^ ( Zustand der Totalreflexion) oder d (allgemeiner Fall) ist oder auch noch gemäß den besonderen Gegebenheiten für die Bauweisen Reflexionen. Davon wird der optimale Wert für ni abgeleitet. Beispielsweise im Falle des Querschnittes d^:

- 42 -

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51·) Demgemäes wird der endgültige ^wert von η¹χ gemäss den Materialien festgelegt, die zur Verfügung stehen, sowie gemäss ihrem Selbstkostenpreis·.

52.) Es wird der endgültige Wert von C'_o , der am Kopf-Bi-Diopter verlangten Konzentration berechnet. Beispielsweise im Falle des Querschnittes dij. :

C₀ - 4 N² ( n² - 1)

Es wird die obere Grenze : L*_{o παύί} der

schematischen Länge des Kopf-Bi-Diopters festgelegt:

^L'o max " ha&x -^Lo

und es wird L'_o J₁^_x ausgedrückt, indem d_o als Einheit genommen wird (Lm_81x wurde unter 18.) festgelegt; L₀ wurde bei 25.) und 26.) bewertet.

54.) Es wird der optimale Wert von Q^% , dem Halbwinkel am Scheitelpunkt des Kopf-Bi-Diopters bestimmt, indem die Tabellen von 2o.) zu Rate gezogen werden , und zwar in Abhängigkeit von den vorstehend festgelegten Werten für: C'_o, *h ' und

^L> ο max ·

35«) Im Falle, in dem keinerleit Wert der Tabellen für ö ' passt, wird der gesuchte Bi-Diopter durch ein Bündel ersetzt, oder es wird ein dritter Bi-Diopter gemäss dem Verfahren nach 28.) bis 54.) berechnet.

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26.) Es wird der endgültige Wert aer theoretischen Konzentration C₀ berechnet, der für den End-Bi-Diopter erbeten wird ( und wovon bisher nur die obere Grenze bekannt war, die in 27.) bestimmt ist):

⁰ ο

37·) Es wird der optimale und endgültige Wert von nj festgelegt, der Index des End-Bi-Diopters (dessen Größenordnung in 19.) bestimmt wurde ) unter Berücksichtigung der besten Energie-erzeugenden

ⁿl

Leistung gemäss den Werten des Verhältnisses: ——

•erzielt werden können.

38.) Es wird der optimale Wert von 0 bestimmt, dem Halbwinkel am Scheitelpunkt des elementaren Endes-Bi-Diopters unter Berücksichtigung der Tabellen nach 2o.) und in Abhängigkeit von den Werten, die vorstehend für: C₀ ,01 und L₀ festgelegt wurden.

39·^ Es wird die Gesamtheit der Bewertungen und der Bestimmungen wie bisher vorgenommen wurden, im Verhältnis zueinander überprüft und es werden gewisse Werte neu eingestellt, wenn das notwendig ist·

4o.) Es wird das Frontalkonzentratorsystem mit einem NutzÖffnungsradius R, Beinweite f gebaut, „ was die Wirkung hat, seine verschiedenen Merkmale messbar zu machen.

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4l.) Es wird genau durch eine Spezialberechnung gemäss Jedem Sonderfall oder durch eine genaue Messung an vorderen Konzantratorsystem der Wert von sin οχ bestimmt, dessen Größenordnung folgende ist: —gw-( eine Annäherung, die im allgemeinen genügt, wenn das Frontalsystem aplanetisch ist.)

42.) Es wird der endgültige Wert des Durchnessers d^ der großen Eingangsfläche des Stromes des elementaren Kopf-Bi-Diopters ( der zu dem optischen Frontalsystem gehört) festgelegt, wovon die obere Grenze bei 7·) berechnet worden war, und zwar in Abhängigkeit von dem wirklichen Wert ( oder Maß) der Brennweite f ( bereits in 11.) bestimmt) und messbar durch 4o·):

di - f.

43.) Es wird der genaue Wert des Minimaldurchmessers O _x des elementaren Kopf-Bi-Diopters mit Hilfe der Formel (1) im allgemeinen Falle oder (5) im Falle eines Querschnittes der Kategorie d4 berechnet. Es ist auch möglich, sich mit den ausgezeichneten Annäherungen zufrieden zu geben, die durch die Formel (lo) im allgemeinen Falle gegeben werden oder durch die Formel (11) im Falle eines Mini malquerschnittes d4_#

44.) Es wird der «enaue Wert der Länge L¹ des elementaren Kopf-Bi-Diopters mit Hilfe der allgemeinen Formel (16 ^ berechnet. Es wird darauf geachtet,

- 45 -

9C9839/0388

keinen Fehler durch Weglassen zu begehen. 45.^ i# wird der «enaue Wert des Mindestdurchmessers d_x des elementaren End-Bi-Diopters mit Hilfe der angenäherten Formel oder einer der Annäherungsformeln berechnet. Es wird für dj , den Durchmesser der großen Einlaßfläche des Stromes dieses Bi-Diopters der Wert genommen, der bei 4.3.) für den Mindestdurchmesser des elementaren Kopf-Bi-Diopters gefunden wurde.

46.) Es wird der genaue Wert der Länge L 0 des elementaren End-Bi-Diopters mit Hilfe der allgemeinen Formel (16) berechnet. Es muß darauf geachtet werden, daß keinerlei Fehler durch Weglassen begangen wird.

47.) Es werden von den so berechneten genauen Werten die genauen Merkmale der Bündel elementarer Bi-Diopter , in Serie nebeneinander gesetzt oder nicht, abgezogen und deren allgemeine Strukturen unter 9·)» 15·)» 35·) berechnet wurden.

48.) Es wird gemäss dem beabsichtigten Verwendungszweck und dem Selbstkostenpreis, bestimmt, ob es möglich ist oder nicht, über zwei identische " parallele" Konzentratoren zu verfügen, um gleichzeitig auf die beiden Oberflächen der empfindlichen Oberfläche einzuwirken.

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90 9 839/038

Dieses Verfahren aus 48 Punkten gestattet es, genau den Entwurf eines Konzentrators nach der Erfindung zu erstellen, der zu einem Empfänger gehört, und zwar in der Mehrzahl der üblichen

Die Tabellen, die in Punkt 2o.) erwähnt sind, gestatten insbesondere auf einen einzigen Blick das festgelegte Mindestverhältnis 72,> ^di-^e Möglichkeiten, die für den Halbwinkel am Scheitelpunkt a des Kegels in Abhängigkeit von der öffnung des optischen Frontalsystemes geboten werden, abzuschätzen. Ein Beispiel dieser Art von Tabellen wird nachstehend gegeben. Es ist für n2 = 1 erstellt ( empfindliche Oberfläche in Luft eingetaucht) und für nj = 1,5 (elementarer Bi-Diopter aus gewöhnlichem Glas) . Die Tabelle umfasst die Größenordnung der Länge Lo des " schematischen'¹ Bi-Diopters, bewertet in Abhängigkeit vom " schematischen" Durchmesser d_o £

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909839/0388

Relative off nun/sende s vorderen Konzentrator^:

P/l P/1,4 P/2 F/2,R P/4 P/5,6

8 16 52 ; 64

Io rad

0,664 0,54s o,432; 0,521

15 i

o,226 o,15i

52

* 1 2"o

rad 0,80-5 0,717 j 0,623 0,506

0,307

18

7o

Io4

1 3o

rad 0,865 ι Ο,

o,62

o, 526

o,42i

27

7o

Io5

156

- 1 rad 0,912 i 0,874

0,824 o,74₅

0,66-.

0,569

46

75 116 175

258

1.

lob !rad 0,955. °*⁹²2

o,89₉ 0,857t 0,805

o, 738

92

150 . 233 I35o

516

\ i

! looo o,99o

5oo 9l4o

1500 2328

o,97₆

0,968

3500 ^!5l6o

- 48 -

909839/0388

U7213A Wenn es beispielsweise erwünscht ist, auf der

empfindlichen Oberfläche eines Empfänger, der in der Luft verwendet wird, eine Beleuchtung zu erzielen, die mindestens gleich 8o£ der möglichen Maximalgrenzbeleuchtung in diesem Falle ist (^ » 0,80) , dann sieht? man mit einem einzigen Blick die Möglichkeiten für φ in Abhängigkeit voh der öffnung de» frontalen optischen Systems. Für F/2, beispielsweise ( C₀ » 16) kann für g der Wert i₀ Radian gewählt werden, für den "Jr^= 0,82. Für F/1,4 eignet sich fast der Wert

5o Radian (7^ « o,79). Es ist gleichzeitig die Bewertung der Länge L₀ in Abhängigkeit von d_o gezeigt und dies gibt sofort eine Idee über die Größenordnung der wirklichen Länge in Abhängigkeit vom Durchmesser der empfindlichen Oberfläche des Empfängers. Wenn dieser letztere beispielsweise gleich 0,5 mm ist, hat L₀ einen Wert von ungefähr 32 mm im ersten Beispiel (F/2) und von ungefähr 14 mm im zweiten Beispiel ( F-I,4). Die wirkliche Länge des Bi-Diopters ist kürzer (weniger als J> cm im ersten Falle, 1 cm oder ein wenig mehr im zweiten Falle). Diese Art einer schnellen Bewertung ist sehr nützlich bei Anwendung des Verfahrens.

Einige nicht begrenzenden Beispiele ( sieben) von Zahlenberechnungen bezüglich Korizentratorplanungen werden das Verständnis des Verfahrens nach der Erfindung klären und sind die dritte und letzte Aufgabe, die sich die Erfindung zu lösen gestellt hat, zur Definition

- 49 -

2G9839/0388

der Arten von Geräten zur Ausführung. 1472134

Um daher einen Infrarotstrahlungskonzentrator ( von 1 bis 5 ρ) für einen Laboratoriumsempfänger von der Art mit Zelle oder Bolometer zu erstellen, werden in diesem ersten Beispiel"die Punkte des Verfahrens einzeln aufgenommen.

1.) Ein Empfänger für Infrarot von der Art mit Zelle oder Bolometer hat eine empfindliche Oberfläche der Kategorie B, d.h. er integriert alle Beleuchtungen, die sie empfängt, ohne Unterschied von Punkt zu Punkt.

Bei dem Typ mit Zelle scheinen die kleinsten empfindlichen Oberflächen, die gefunden werden können, die Photovoltzellen mit Indium-Antimoniur zu sein, deren Bereich beispielsweise in der Größenordnung von 0,o3 mm ² liegt. Die Thermistore der Bolometer haben einen kleineren Bereich, beispielsweise in der Größenordnung von 0,ol mm² (o,1 χ o,l mm). Es wird hier festgelegt:

°*²
2.) Alle Materialien, deren Index über 3 für Infrarot hinausgeht, sind Halbleiter. Da dann das empfindliche Element isoliert werden muß, und das Isolfetionsmittel des größten Index Arsen- Selenium ist ( Index, der sich % nähert) ergibt sich:

n₂ ⁰^ 3 ( Maximal), oder 2,5 (laufender

Wert)'. - 5o -

909839/0388

3.^ Objektiv mit Linsen, das sich bei P/2 öffnet ( angenommene Gegebenheit) .

N - 2

4.) C_fc - 4 N² η² β 144.

5.) Es kann hler der Abstand von der Quelle kontrolliert werden und demgemäss ihr offensichtlicher Durchmesser. Folgende Werte werden festgelegt:

Radian (5° 43^f 46^M) 6.) f max β 5o mm ( angenommene Gegebenheit)

7.) dimax - 5

8.) d_omax = ^ = ο,Ί2 ram

9.) gegenstandslos

lo.) d_o =Λ_Ο ^β °*2 mm ( nachdem d_omax ^^ Δ_ο)

ιι ϊ f f max χ ο,2 _ο]1

11.J f = ' * 24 mm

12.) 2 R « 12 mm

13.) In diesem besonderen Falle 1 «= q = ... J-. rad,

14.) 15.) 16.) gegenstandslos

17.) H ^^^ o,75 ( angenommene Gegebenheit)

18.) Ljnax = lo° ( angenommene Gegebenheit)

19·) Um zu vermeiden, eine Versilberung des Endteiles des elementaren Bi-Diopters vornehmen zu müssen, ist es vorzuziehen vorzusehen, daß dieser letztere beim sogenannten Querschnitt d^ gestoppt wird. Das n^ £■ 3» ist das Minimum für den Index h\ des End-Bi-Diopters:

- 51 -

909839/0388

ⁿl

Sl

Zalilreiche optische Materialien sind durchsichtig von 1 bis 5 M mit einem mittleren Index höher als 3,16. Eine der häufigsten Materialien ist Silizium ( Index 3,42 für 3 u ). -

2o.) Siehe Tabellen·

d₀.

Ein Wert von β eignet sich einwandfrei: für jf »ji rad und C_t - 144, ergibt sich: H o,8o und L₀ «= 55o d_o.

Ein einziger elementarer Bi-Diopter kann demgemäss genügen. (Es ist nicht notwendig, sich eines Bündels zu bedienen).

22.) Im Gegenteil ist es nicht wünschenswert, den ganzen elementaren Bi-Diopter ( dessen Länge loo mm erreichen kann) aus einem Material wie etwa Silizium zu schaffen. Es ist besser, zwei BiDiopter in Betracht zu ziehen, die in Serie nebeneinander, cceschaltet sind.

23.) Oegenstandlos.

24.) fl m J}¹ = \To/T5 GX 0,89 mindestens

25.) 2 <C L₀ <^5 mm

d.h.:

Io d_o <^ L₀ <T 25 d_o

, 26.) " Kein Absorbtionsproblem.

- 52 -

9Ü9839/0388

U72134

27.) Durch Konsultation einer Tabelle gemäß

^co max *^* ^ ( zwei Paare geeigneter Werte:

« o,89 und L₀ - 15 d₀ , für ^ = 55"" rad.

ν 1

und '"JfJ β o,93 und L₀ - 25 d₀ für 0 =» ""§0"" )

28.) C₀ min - - 36 29.) n¹! min« γ fö- -1,5

Jo.) Im Falle des Querschnittes djj. (Zustand nicht versilbert) würde sich ergeben:

Y 2,25 + 1 - l,8o.

Wenn ausserdem für die Grenze des Einfallwinkels nach antireflektierender Behandlung der Oberflächen der Wert von 1 Radian angenommen wird, wird berechnet, daß der Tndex des Bi-Diopters den Wert von 1,78 nicht Überschreiten darf. Es besteht demgemäss hier Interesse daran, den Bi-Diopter am sogenannten Querschnitt djj, abzuschneiden und ein optisches Material zu wählen» dessen Index so nahe wie möglich an l,8o liegt.

51.) Dieses Material existiert. Das Glas aus Germaniumoxyd VIR - 3 (hergestellt von der Gesellschaft Sovirel, Departement Parra-Mantois) hat als Übertragungsgrenzen (0,3 bis 5#5 U und einen Refraktionsindex 1,799 für Λ - 3 u.

32.) C₀ - 16 χ 2,24 = 35,84 — 36

L'_omax Cs* loo - 5 «=^95 mm

_{h75 d} 909839/0388

- 53 -

5*

34.) Pur C'_o - 36, geben die Tabellen die 1 A 72 1 benachbarten Werte von ... '. Es wird demgemäss gefunden:

35·) Gegenstandslos.

36.) O₀ - i~£ = 4 (C^f _o und C₀ sind ungefähr gleich, weil der Wert 1,799 des Index in n'i sehr wenig vom theoretischen Wert l,8o abweicht).

37.) ηχ « 3*43. ( Silizium eignet sich sehr gut.

38.) Nun besteht die Wahl

L.
3o '

1_

Es kann die erste Kombination angewendet werden. Das Ergebnis ist genügend. Die schematische Länge beträgt 3 mm·

39.) Es ergibt sich sehr wohl eine Gesamtleistung über 0,75;

71*71' ^β °'^{89 x} °'⁸⁹ ^ °'⁷⁹

4o.) und 41.) Das frontale konvergierende System wird als aj)lanatisch angenommen. Es wird angenommen, daß folgendes gegeben ist:

sin Qi = «£

42.) dj = f . £, = 2,4mm (Wert; als genau richtig angenommen).

- 54 -

909839/0388

5S

U72134

4^,) Der Mindestquerschnitt des Kopf-Bi-Diopters ist von der Katescorie d¹^. Wenn die Formeln angewendet werden, ergibt sich:

d* j^ * o,45 mm

Wenn die theoretische Konzentration C'_o («56) bekannt ist und die Energie-erzeugende Leistung

¹ ( «ο,8°Λ , kann der Wert des Durchmessers d¹^ schneller berechnet werden. In der Tat ist das wahre Verhältnis άχ _gleich ψ^ξ _{multipllziert}

durch γο,89* d.h.:

6 χ 0,9^ * 5#65# woraus sich ergibt:

44.) Die Länge L¹^₁ des Kopf-Bi-Diopters ist gleich:

^L J^f - 99*97 d.h., wenn der

Wert ganz sicher genommen wird:

L¹ V t =* loo mm.

45.) Es ergibt sich ( Schnellmethode) mit C₀= und y^« ο,89:

-^-i - 2 χ o,94 - 1,88 .

woraus sich ergibt:
d_ » 0,23 mm.

46.) Die Berehhnung ergibt: L %/ - 3,036 ·

- 55 -

909839/0388

D.h. sicher gerechnet:

Lj/ « 5,o4 mm

47.) Hier gegenstandslos.

48.) Die Zelle für das Infrarot oder den Laboratoriumsbolometer, die dieses erste, nummerische Anwendungsbeispiel darstellt, kann vorteilhafterweise zwei Vorrichtungen nach der Erfindung umfassen, die " parallel" angeordnet sind.

Fig. 4 zeigt den optischen Teil eines Bolometers mit eingetauchtem Thermistor, dessen Merkmale diejenigen sind, die vorstehend berechnet wurden. Dieser Bolometer weist zwei sphärische Stromeingangsdiopter 37 und 38 auf, deren optische Achsen 39 und 4o zu der in einer bekannten Entfernung angenommenen Infrarotquelle zu konvergieren. Der Index dieser Diopter ist gleich 1,8. Ihre Eingangsflächen 41 und 42, die mit einem Antireflexüberzug versehen sind, haben einen Öffnungsdurchmesser gleich 12mm und einen Wölbungsradius gleich 19»2 mm. Geschnittene Flächen mit totaler Reflexion 43 nnd 44 von einer Neigung in der Nähe von 45 ° lassen ihre optischen Achsen bei 45 zusamme nfallen. Diese Frontaldiopter bilden die Quelle der Bilder bei 46 und 47. Die dazugehörigen Kopf-Bi-Diopter 48 und 49 haben eine große Fläche von einem Durchmesser gleich 2,4 mm, eine !"tage von looo rran und eino kleine Fläche

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S0383S/G33S

BAD ORIGINAL

(50/51 auf der Figur) von einem Durchmesser gleich o,43 mm. Die End-Bi-Diopter aus Silizium ( auf der Zeichnung in schwarz ausgelegt) 52 und 53 haben eine Länge von 3»o4 mm und eine kleine Endfläche (54/55) von einem Durchmesser gleich 0*23 mm. Die kleinen Endflächen sind den beiden Flächen eines halbleitenden empfindlichen Bandes ( Thermistor) 56 zugeordnet und von diesem durch dünnen Filme 57 und 58 (beispielsweise aus Arsen-Seleniüm) isoliert. Die Abmessungen dieser Endelemente sind in der Figur übertrieben worden. In Wirklichkeit sind die Mindestabschnitte 54 und 55 äusserst nahe an das empfindliche Band 56 angenähert. Dieses letztere ist mit dem elektrischen (nicht dargestellten) Teil des Bolometers verbunden.

Es kann die energieerzeugende Konzentration, die mit Hilfe dieses Bolometers nach der Erfindung erzielt wurde, mit den Konzentrationen verglichen werden, die mit Hilfe von üblichen Bolometern erzielt wurden. Die energieerzeugenden Leistungen der nebeneinander angeordneten Bi-Diopter ist:

0,89 χ o,8Q = o,79

Es kann eine tatsächliche Leistung in der Größenordnung von o,7o angenommen werden. Die anderen Leistungsverluste sind die gleichen im Bolometer nach der Erfindung und bei den anderen Bolometern· Das wird für die Vergleichberichte nicht berücksichtigt.

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909839/0388

Gegenüber einem Bolometer mit eingetauchtem Thermistor, der als konvergierendes Eingangssystem einen sphärischen Diopter hat, der die gleichen Merkmale aufweist, wie die vorstehend beschriebenen Diopter 37 und 38, ist die energieerzeugende Konzentration, die von dem neuen Bolometer erzielt wird folgende:

144 χ 0,7 x 2 = 2ol,6 d,h, zwe!hundertmal größer. .

Es ist im übrigen festzustellen, daß die Bolometer von bekannter Art meistens weniger geöffnete Eingangsdiopter haben, oder von weniger gut ausgeprägten optischen Charakteristiken ( beispielsweise ist das empfindliche Band im geometrischen Zentrum des sphärischen Diopters angeordnet, was die Leistung verringert). Gegenüber einem Frontalsystem, das sieh bei F/3, beispielsweise, öffnet, ist die von Bolometer nach der Erfindung erzielte Konzentration folgendes:

( 4 χ 9 χ 9 ) χ 0,70 χ 2 = 453, 6 d.h. vierhundertfünfzigmal größer.

Im Verhältnis zu einem Bolometer, der als optisches Eingangssystem ein einfaches,Fenster mit parallelen Flächen hat, ist die erzielte Konzentration für eine Quelle von dem offensichtlichen Winkel

- 58 -

BAD

909839/0388

"·⁹ * °'^{7 =}Ü- ^X °'⁷ mal größer,

d.h. für ein Feld von_ί Radian, eine Konzentration

Io
von ungefähr 5·οοο mal größer.

Das zweite munmerisehe Beispiel betrifft einen Konzentrator, der mit einem aktiven Detektor mit Zentimeterwellen gekoppelt ist ( Flackdetektor mit "Radar" oder mit " Maser". Die Hauptmerkmale davon werden direkt gegeben, ohne die einzelnen Arbeitsgänge des Verfahrens einzeln aufzuführen und unter Hinweis auf Fig. 5.

Das empfindliche Element ist hler eine Dipolantenne 59, deren Mindestnutzdurchmesser in der Größenordnung von 1/2 cm liegt.

Δ_ο = o,5 cm.

Der Dipol wird in der Luft verwendet, no = Das konvergierende Frontalsystem ist ein Parabolspiegel 6o, der auf F/l,4 geöffnet ist.

Der nach der Erfindung zugeordnete Konzentrator ist hier ein stumpfkegeliger Spiegel 61, ( n^ = 1), beispielsweise aus Aluminium, bei dem die verlangte theoretische konzentration Co gleich folgendem ist:

C₀ = 4 je (1,4)² - 8

Es ergibt sich:

d_o = o,5 cm

- 59 -

' ' ' ■' j?0983ö/0338

U72134

j = ο,5 χ Vi= VT^= 1,41 cm

Der Feldwinkel des Abtastpunktes in Ultrakurzwellen ist in der Größenordnung von J>o', d.h. -J^₀-Radian. Es wird demgemäss festgelegt:

C = —-— rad.

loo -

Daraus ergibt sich für die Brennweite f des Parabolspiegels:

f m 141 cm

Der Durchmesser 2 R dieses Spiegels 1st: 2 R = loo cm.

Es bleiben die optimalen Merkmale des stumpfkegeligen Spiegels 61 zu bestimmen. Die Tabellen gemäß 2o.) geben für den Wert C₀ « 9 ( den nächsten benachbarten Werrt des Wertes 8) eine Auswahl von Möglichkeiten für den Halbwinkel am Scheitelpunkt 0 Der Wert q * -I— Radian ist ausgezeichnet. Er gestattet ein Ergebnis von 9o# und verlangt eine schematische Länge L₀ in der Größenordnung von 5o d_o , d.h. 25 cm.

Die genaue Berechnung ergibt demgemäss:

dj = 1,41 cm ( bereits festgelegt) d"5 * 0,5^ cm.

Der Durchmesser <|es Mindestqüerschnittes des stumpfkegeligen Spiegels 61 ist hier durch djj bezeichnet, denn Je Verwendung erfolgt in der Luft.

- 60 - _BAD ORIGINAL

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*^Ί U7213A

Die genaue Berechnung ergibt: d-j = 0,526 und der Wert 0,55 ist im Hinblick auf die Berechnung von Lt/ reichlich genommen.

. Die Länge L j/ ist:

= 2o,5o cm ( Wert i-e ichlich genommen)

Der große Querschnitt dj des stumpfkegeligen Metallspiegels 6l ist in der Pokalebene des Parabolspiegels angeordnet ( siehe Pig· 5). Das Ende 59 der Dipolantenne ist so nahe als möglich an dem Mindestquerschnitt djj angeordnet und ist mit der Radargruppe ( oder dem Maser) verbunden und zwafc durch das Wellenführungsrohr 62.

Ein solcher Wellendetektor hat eine ungefähr 7 χ größere Wirksamkeit ( 8 χ 0,9) als ein Parabolspiegel , wie etwa 60, alleine verwendet.

Das dritte nummerische Anwendungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung für AusfÜhrungsapparate betrifft die Suchköpfe für Plugzeuge, die das.Infrarot feststellen. Es werden nacheinander verschiedene Verwendungsbedingungen in Betracht gezogen.

Der Elementarfeldwinkel Γ wird zunächst auf

1 ·»■*

γττ_ο Radian festgelegt und das Suchfeld \ des Suchkopfes mit 3o°.

- 61 -

909839/0388

Wenn das empfindliche Element vom Typ B ist ( Bolometerband oder Thermistor, oder auch Infrarot empfindliche Zelle ...) , ist sein Mindestdurchmesser Λ ₀ von der Größenordnung von 2. oder mindestens i mm. Daraus ergeben sich lange Brennebenen für das optische Frontalsystem.

Beispielsweise für /^₀ - o,l mm und für :

Ω2 - 3* ergibt sich:
C_t = 72
d_o = o,l mm
di - 0,85 mm

Die Brennweite f des optischen Prontalsystemes ist gleich:

f = 0,85 χ 1 000 = 85o mm und sein Durchmesser 2 R ist gleich:

2R= 607 mm

Das Gerät ist, obwohl es sehr platzraubend ist, mit Hilfe eines Parabolspiegels , der mit einem Bi-Diopter zusammengebracht ist, ausführbar. Für diesen letzteren ergibt sich beispielsweise:

= 5Q- Radian

= ο,
L₀ = 185 d_o = 18,5 mm.

Der Bi-Diopter kann einfach sein oder aus zwei in Serie nebeneinander gestalteten Bi-Dioptern bestehen, der erste aus Glas und der zweite aus Materialien

_ 6? - ~ BAD ORiOiNAL

^ö 909839/0388

H72134

von einem höheren Index als 3.

Mit einem erapflAdlichen Element von einem Durchmesser gleich Α-- mm ergeben sich zweimal kleiner Längen, d.h.

d =s /\n = ο,ο5 mm

di = o,425 L₀ = 9.3 ram

f - 425 2R = 3o4 mm.

Die Frontaloptik kann aus einem konvergierenden Linsensystem bestehen oder aus einem afokalen System, das falls notwendig, mit einer Vorrichtung mit Prismen versehen ist, um den Platzbedarf zu verringern.

Wenn alle Längen weiter verringert werden sollen, ist «s notwendig: , ein empfindliches Element der ^ategorie A zu benutzen, das zu Bündeln von Bi-Dioptern gehört. Zwei Zahlenbeispiele von AusführunKSformen dieser Art werden hier angegeben.

Das erste bezieht sich auf einen Suchkopf, dessen Trennkraft -y_ooo Radian beträgt, während das Gesamtfeld sich auf JO© beläuft und die Gesamtlänge ( ohne irgendein Prisma) hat die Größenordnung von ungefähr 15 cm. Die Hauptmerkmale , die unter Hinweis auf

- 6j5 -

009839/03CG

Pig· 6 gegeben werden, sind folgende: . .,■—....

Die empfindliche Oberfläche ist eine Fotoy*. ·..:· kathode 63, deren lineare Trenngrenze von der „. Größenordnung von Io η ist und der Nutzdurchmesser von der Größenordnung von o,;5 mm· Diese Fotokathode misst in die Ebene der Mindestquerschnitte eines Bündels 64 konischer Pasern aus Spezialglas Von großem Index eingetaucht, wie etwa Arsen-Trisulfidglas ( As₂ S-j ) oder Arsen Pentaselenidglas (As2 _: Se^). Der Index dieser Gläser geht für Infrarot von etwa 2,4 bis 2,7. Für die Berechnungen wird angenommen:

ng » 2,45 oder n| = 6.

Die Frontaloptik ist ein konvergierendes

ν Linsenobjektiv 65, das bei F/l,4 offen ist, Die^{Vom

Faserbündel verlangte Konzentration C₀ ist demgemäß:

C₀* 4x6x2« 48

Der Mindestdurchmesser d_o einer jeden Faser ist von der Größenordnung von 2o u. Demgemäss ergibt sich für jede Paser:

γΐ 2o j|i Äai I4o ^

Für die Brennweite f und den Öffnungsdurchmesser 2R des Frontalobjektivs ergibt sich( nachdem £= j~ ):

f = 14o mm
2R = loo mm.

-.64 -

9 0 9 8 3 9/0388

147213.A

Das Faserbündel umfasst Io Fasern auf dem Durchmesser ( d.h. ungefähr Insgesamt 78 Fasern). Der Mindestdurchmesser des Bündels ist demgemäss von der Größenordnung von 2oo μ, was gleichzeitig die Größenordnung des Nutzdurchmessers der Fotokathode ist.

Das elementare Feld & ' des Bündels ist gleich Io χ dem elementarem Feld einer Faser.

Die schematischan Merkmale einer jeden Faser des Bündels sind die folgenden:

do-	2ο a	Λ t
di —	Ι4ο
	1 loo	rad.
Tl =	0,85
ο do	Sg	6 mm

L₀ S=

Die wirklichen Merkmale sind:

d_x= 140/*

dp= 21.9/^ (unter Verwendung des Symbols zum Bezeichnen des Mindestdurchmesser einer Faser, wobei der Fall hier der der vollständigen Eintauchunp; ist. Das heißt, reichlich gerechnet:

₂
L = 5.918 mm, oder reichlich gerechnet:

L = 6.92 mm
(in der Tat, wenn die lasern aus gezogenem Glas

sind, hat das Maß La»nur einen anzeigenden Wert.

-65- 9 09 839/0388

H72134

Es zählen lediglich die genauen Abmessungen von d. und dg.

Das Gesamtfeld ( f~= 30°) des Gerätes ist etwa zwanzig mal größer als das Elementarfeld ( £' = yrrr? rad.) des Bündels, so daß dem Suchkopf eine Tastbewegung verliehen wird, die ihm gestattet, das gasamte Feld auszuforschen. In Fig. 6 ist die Spirale 66 dargestellt, die von der optischen Achse des Konzentrators beschrieben wird, wobei diese optische Achse sich um einen Festpunkt dreht, der in der Nähe des empfindlichen Elementes 63 liegt. Das Abtasten wird durch jedes beliebige bekannte Mittel ausgeführt. Es kann auch ein optisches Abtasten des Bildes verwendet werden.

Die Lichtkathode 65 ist in einen lichtsendenden Detektor 67 eingebaut ( Leerzelle mit Silber-Cäsium-Schicht oder Gaszelle oder Dynoden-Lichtvervielfacher) der die vom empfindlichen Element abgestrahlten Elektroden beschleunigt und sammelt.

Ein zweites Ausführungsbeispiel ( das in der Zeichnung nicht dargestellt ist) treibt die Leistungen noch weiter voran.

Die Trennkraft £ wird auf "" ^Radian gebracht

(d.h. 2 m, auf 10 km gesehen). Das Gesamtfeld Γ bleibt gleich 30°. Das konvergierende Frontalobjektiv hat eine Öffnung von F/2,o4. Die theoretische Konzentration C wird gleich 100. Das dazugehörige Bündel von Fasern umfaßt 50 Fasern je Durchmesser ( ein wenig weniger als

- 66 - 909839/0388 BAD original

U72134

2 ooo Fasern insgesamt) wobei die Merkmale einzeln folgende sind:

0 = 8 /*( es handelt sich um ein Minimum aufgrund der Wellenlängen der konzentrierten Strahlungen). -.8O

Iw ~ Λ 5°° d = 36 mm
f =5 000 d. = 4oo mm
2R = 196 mm

Das Elementarfeld £' des Bündels ist gleich Radian. Wie im vorangegangenen Beispiel wird das Gesamtfeld (50°) durch eine Abtastbewegung erforscht ( mahanische Abtastung oder Bildabtastung). Die Abtastbewegung kann langsam sein, wobei das elementare Feld £' einen verhältnismässig großen Wert im Verhältnis zum totalen Feld hat. E ine automatische Vorrichtung kann das Bild der festgestellten Quelle in der Mitte der empfindlichen Oberfläche halten und das Abtasten steuern, um den Konzentrator auf seine Quelle ausgerichtet zu halten.

Derartige Suchköpfe, beträchtlich empfindlicher und genauer als die zur Zeit bekannten Detektoren müssen es gestatten, auf große Entfernung jeden beliebigen Flugkörper festzustellen und sein Abfangen zu steuern.

Das vierte Beispiel numerischer Anwendung betrifft eine phosphoreszierende Brille (lunette) (auf der Zeichnung

- 67 . 909839/03 8 8

nicht dargestellt) da das Schema nicht wesentlich von dem der Fig. IO abweicht, verringert auf die Elemente 63, 64 und 65).

Die Trennkraft £,beläuft sich auf ■■■■ - Radian. Das Gesamtfeld f beträgt 8°. ( Γ~ Ι4θ £ )

Die Frontaloptik ist ein konvergierendes Objektiv mitLinsen mit einer öffnung F/2.

Ein Bündel von konischen Fasern, das zu diesem Objektiv gehört, umfaßt l4o Fasern auf den Durchmesser ( d.h. nahezu 15 4oo Fasern insgesamt). Diese Fasern sind aus Spezialglas für Infrarot von einem Index von ungefähr 2,45·

Die empfindliche Oberfläche besteht aus einem sehr feinen phosphorgraphischen Pulver ( d.h. einer phosphoreszierenden Substanz, die vorher mit Hilfe von ultravioletten Strahlen erregt wurde und die die Eigenschaft hat, der Sitz von Lumineszenzerscheinungen zu werden, wenn eine spätere Erleuchtung mit infraroten Strahlen effolgt, eingetaucht in die Ebene der Minimalabschnitte der Fasern. Es ergibt sich demgemäß

n₂ = 2,45 ■

C₀ - 96

Der Mindestdurchmesser einer jeden Faser hat als Größenordnung:

d = 25 μ
ο '

U₁ = 245 u
Daraus ergibt sich für die Brennweite f und den öffnungsradius

909839/038 8

- 68 -

H7213A

2R des optischen Frontal sys terns mit £ = ·= - :

f -	245 mm	ergibt sich:
2R *	= 123 ram	Radian
PUr	jede Paser	a 110 mm
t	- 1
%	1 ooo - 0.98
Lo	- 4 4oo d O

Das Ergebnis des Bündels, unter Berücksichtigung der 7.wischenraumverluste und dem gegenseitigen Einhüllen der Paser liegt in der Größenordnung von 60 %.

Das phosphoreszierende Fernrohr (lunette) weist schließlich ein vergrößerndes Okular auf ( lineare Vergrößerung : χ 10 χ 20 ) und gestattet das von dem Mosaik der Mindestquerschnitte der Pasern geformte Bild und das vom Phosphorographischen Pulver gezeigt ist, zu beobachten. Der Gesamtplatzbedarf in der Länge liegt in der Größenordnung von weniger als 40 cm.

Ein solches Fernglas ist ungefähr 70 mal leuchtkräftiger als ein phosphoreszierendes Fernglas der üblichen Art mit einem offenen Frontalobjektiv von F / 2,8, beispielsweise.

Das fünfte Zahlenanwendungsbeispiel betrifft ein Metaskop von besonderer Art, beschaffen um auf große Entfernung kleine Quellen zu entdecken, die ein infrarote Strahlung in einem engen Band ganz fest bestimmter Frequenz abgeben.

- 69 909839/0388

Unter Berücksichtigung der Spektralübertragung der Atmosphäre kann dieses enge Band beispielsweise um 1 μ, oder 1,5m oder 2,1 ^i oder 3# 7/i oder lO^ü zentriert sein. Für diese Wellenlängen -weist die atmosphärische Luft in der Tat eine ausgezeichnete Durchlässigkeit auf, während sie eine solche von fast gleich null um 2, 5 J& , 6 ßi oder 15 ^i als Beispiel hat. Die Wellenlänge 10 ^i ist von einem besonderen Interesse, weil sie einer absoluten Temperatur des Schwarzen Körpers von ungefähr J51O°K entspricht. Sie entspricht demgemäß der natürlichen Abstrahlung, die den menschlichen Köper und wenig warme Gegenstände kennzeichnet ( JlO⁰K ist Kleich 37°C).

Das hier beschriebene Metaskop nach der Erfindung ist so gebaut, daß es die natürliche Infraroteabstrahlung von Ouellen entdeckt, die einen offensichtlichen Durchmesser als mehr als T^-Tr₀ Radian haben ( 50 cm bis 5OO m oder 1 m bis 1 km). Die hauptsächlichsten Merkmale, die unter Hinweis auf Fig. 7 gegeben werden,sind die folgenden:

Ein Linsenobjektiv 68 von einer relativen öffnung F/ 1.4 gehört zu einem Bündel 69 konischer Fasern aus für die gewählte Wellenlänge durchsichtigem Glas. In dem Falle, insbesonders, in dem diese Wellenlänge in der Nähe von 10 jx liegt, kann vorteilhafterweise Selen- und Arsen-Glas verwendet werden, das in seiner inneren Übertragungskurve einen plötzlichen Fall nach null zwischen 12 und IJ ^i hat ( und eine j?ute Wählrolle spielt) und einen Index von 2,47 ( für lO^i ) hat.

909839/0388 -7ο-

U72134

Die empfindliche Oberfläche besteht, wie für das

phosphoreszierende Fernrohr.aus einem feinen phosphorographischen Pulver, das in die Ebene 70 der Mindestquerschnitte der Pasern eingetaucht ist. Pur gewisse Werte der festgestellten Wellenlängen kann es schwierig sein, das angemessene phosphorograhhische Pulver experimentiell zu finden. Jedoch werden die Nachforschungen aktiv in diesem Gebiet weitergeführt und es werden bald phosphoreszierende Pulver Vorhandensein, die sich einwandfrei für jede beliebige Wellenlänge eignen. Der Mindestcfüerschnitt einer jeden konischen Paser hat einen Durchmesser in der Größenordnung von 30 yu. Es sind demgemäß mit den bisher angenommenen Formeln :
N = 1.4

H₂= 2.47 ( in Falle von beispielsweise Selen- und Arsenglas).

n² ₂ ·* 6

C_o = 48

d_o =30/i

d_x = 210 Ai
Daraus ergeben sich für die Merkmale der Prontaloptik:

f = 210 mm (nachdem £= "' ) 2R = 150 mm

Die Pasern, die das Bündel bilden, haben als Merkmale:

Γ = ■—- Radian
loo

% =0.88

L₀ = 300 d_Q =7.5 mm

Das Bündel umfaßt 10 Pasern auf den Durchmesser, d.h. ungefähr 78 Pasern im ganzen. Die große Eingangsfläche des Stromes des Bündels hat demgemäß einen Durchmesser e.^ gleich 1.47 mm

909839/0388

- 71 -

ungefähr, und die kleine Endfläche einen Durchmesser e in

der Größenordnung von 0.5 nun. Das Elementarfeld ^f des zur Prontaloptik gehörenden Bündels ist zehnmal größer als das Feld einer Faser:

•i -i— Radian,
loo

Ein Okular 7I von einer linearen Vergrößerung von fünfzehnmal gestattet es, das elementare Lichtsignal zu beobachten, das am Ende 70 des Faserbündels erscheint.

Das Gesamtfeld des Gerätes beträgt 20° ( d.h. ungefähr 0.55 Radian). Da das Elementarfeld 0.01 Radian beträgt, ist das Gerät mit einer doppelten mechanischen Abtasteinrichtung versehen, die es ihm gestattet, sein Aktionsfeld methodisch zu bestreichen. Zu diesem Zwecke ( siehe Fig. 7) ist das Metaskop auf der waagerechten Platte 72 eines Dreibeins 72 über einen ringförmigen Teil Ik montiert, der mit halbharter Reibung auf der Platte 72 drehbar ist. Diese Platte ist mit zwei rechteckigen Wasserwaagen versehen, die es gestatten, gegebenenfalls ihre waagerechte Lage zu überprüfen und sie wird durch eine Kugelhalterung blockiert ( Zusatzeinrichtungen sind in der Figur nicht dargestellt). Der Beobachter kann demgemäß mit der Hand mit Hilfe von Handgriffen 75/76 dem Metaskop eine langsame waagerechte Schwenkbewegung vermitteln· Ausserdem ist das Metaskop in einer Ebene, die in der Nähe seines Schwerpunktes liegt, durch zwei Lappen 77 und 78 gehalten, die ein Organ 79 einklemmen, das fest mit dem ringförmigen Teil 7^ verbunden ist. Eine Sperrklinkeneinrichtung ( die in der Zeichnung nicht dargestellt ist) analog der einer '- $chreibmaschinenwalze gestattet es mit Hilfe eines gekordelten

Knopfee 80 das Metaskop in einer unterbrochenen Art und Weise 909839/0388 _ _?2 _

und um einen sehr kleinen Winkel von jeweils ( Radian)

1 ooo

in einer senkrechten Ebene zu drehen, die durch seine optische Achse verläuft.

Die Schwenkbewegung ist so wirksam und einfach zu steuern. Das elementare Feld £' des Bündels ( -j—j· Radian) ist zehnmal größer als das Feld einer Faser ( Radian) so daß die Sicherheit besteht« daß das Lichtsignal, das das Vorhandensein einer Quelle bezeugt, während eines genügenden Zeitraumes bei der langsamen Abtastbewegung sichtbar bleibt. Ein selektiver Filter kann dem Gerät zugeordnet werden ( und beispielweise vor der großen Stromeingangsfläche des Bündels der Fasern angeordnet werden) um das Feststellen in einem sehr engen Band zu gestatten. Beispielsweise ist es in dem Falle, in dem um 10 ^u festgestellt, unter Verwendung von Selen- oder Arsenglasfasern unter Verwendung eines dünnen Indium-Antimonid-Filters möglich ( der mit einer Pb Clg-Antireflektionsschicht versehen ist) das Band zu begrenzen, das ziemlich strikt in dem Zwischenraum von 9 - 12 u hindurchläuft.

Das sechste zahlenmässlge AusfUhrungsbeispiel betrifft einen Sonnenofen. Die Hauptmerkmale sind unter Hinweis auf Fig. δ angegeben, die ein waagerechter Schnitt ist.

Zwei Parabolspiegel 81 und 82 von denen jeder einen Öffnungsdurchmesser von 2 m und eine Brennweite von 2,83 m hat (relative öffnung : F « 1,4) fangen die Sonnenstrahlung ein und bilden von der Sonne zwei tatsächliche Bilder bei 83 und 84. Dank zwei ebenen Spiegeln 85 und 86 , die um 45° gegenüber den optischen Achsen der Parabolspiegel geneigt sind, sind

909839/0388 - 73 -

diese Bilder der Sonne senkrecht zu einer gleichen Achse 87.

Zwei stumpfkegelige Bidiopter aus Glas, 88 und 89 sind in der Achse 87 so .angeordnet, daß ihre maximalen Eintrittsquerschnitte für den Strom mit jedem der bei 85 und 84 gebildeten Bilder der Sonne zusammenfallen. Diese Bidiopter sind in ihrem Endteil kleinen Durchmessers durch stumpfkegelige Metallspiegel 90 und 91 verlängert, deren Abschnitte vom Mindestdurchmesser 92 und 93 in die Ebene der Zugangsöffnungen eines Ofens 94 gelegt sind.

Daraus ergibt sich:
£ = TTT ^Radian (offenbarer Winkel der 3onne)

LOO

rig = 1

N = 1.4

f = 283 cm

2R = 2oo cm

dj = 2,83 cm

4 χ 1 χ (1,4)² « 8

d = 1 cm

Die Bidiopter sind aus Borsilikat-Kronenglas vom Index l,5o ( für /^ = 1,6 u ) und durchsüitig von 0,3 M 1. Die Tabelle, die in dem Verfahren erstellt wird, gibt

die Möglichkeiten für V^,^und L . Es ist festzustellen:

0.874
L₀ - 46 d_Q - 46 cm

Die genaue Berechnung ergibt:

- 74 909839/0388

U721J34

Ci₁ - 2,85

d-. = I,o7 ( Formel d, nachdem es sich um eine Verwendung in der Luft handelt)

Lrf. β 41,25 (aufgerundet)

^. Um das Schmelzen de^ Glases am Rande der öffnung des Sonnenofens zu verhüten, ist jeder der Bidiopter 88 und 89 vor dem Mindestquerschnitt d-, geschnitten und ist daher verkürzt. Seine wirkliche Länge L¹/ beträft beispielsweise:

L¹Jf - 40 cm

Der Endteil eines jeden der Bidiopter wird durcn elren kurzen stumpfkegeligen Spiegel 90 ( und 91) aus Metall ersetzt, der eine erhöhte Temperatur aushalten kann und eine so große Reflektionskraft aufweist wie möglich. Ausserdem werden, um das Glas zu isolieren, an den Enden der Bidiopter bei 95 und bei 96 dünne Kegelstümpfe aus PerikJLas Mg 0 beigefügt, Körper, die eine ausgezeichnete Lichtdurchlässigkeit von o,25^i bis 8^1 aufweisen und der Schmelzpunkt bei 28oo° C liegt. Die Bidiopter bestehen beide aus:

einem Glasbidiopter von beispielsweise 59·5 cm Länge, einem sehr kurzen beigefügten Bidiopter aus Periklas von beispielsweise 0.5 cm Länge und einem kurzen stumpfkegeligen Metallspiegel von I.25 cm Länge. Der für den Mindestdurchmesser d, berechnete Wert von I,o7 cm ist der des Durchmessers der kleinen Basis des stumpfkegeligen Endspiegels.

Der Ofen 94 ist analog den Sonnenöfen, wie sie derzeitig verwendet werden, mit dem Unterschied, daß er zwei Zugangsöffnungen anstelle einer einzigen aufweist.

- 75 909839/0388

Er besteht aus einem Tiegel 97 aus feuerfestem geschmolzenem ■ oder frittiertem Material, das durch ein Wärmedämm-Pulver von einer Metallumhüllung 99 isoliert ist. Es handelt sich um einen Drehofen, wobei die Drehachse mit der optischen Achse (waagerecht) 87 zusammenfällt. Da die Tatsache, zwei optische Eingänge 92 und 9J> auf dieser Achse zu haben, es verhindert, eine Drehwelle anzubringen, wird die Drehbewegung mit Hilfe einer peripheren Vorrichtung und über ein mit dem Ofen fest verbundenes Rad 100 vermittelt.

Die Drehvorrichtung ist schematisch in Fig. 9 dargestellt. Der Ofen und seine Metallumhüllung 99 sind in das Rad 100 eingelassen, das an seinem Umfang und an jeder seiner Oberflächen eine kreisförmige Nut 101 aufweist. Drei synchronisierte Antriebsräder 102, Ioj5 und Io4 nehmen das Rad 100 an seinem Umfang mit. Ausserdem ist jedes der Antriebsräder mit einer Nut versehen, die das Rad 100 ergreift und es in einer konstanten senkrechten Ebene hält. Auf diese Art und Weise sind die Zugangsöffnungen 92 und 93 ( lind ihre optische Achse 87) während der Drehung von jeder Behinderung frei.

Es kann ohne weiteres die Konzentration der Sonnenstrahlung, die das Gerät nach der Erfindung charakterisiert und die Konzentration verglichen werden, die mit den zur Zeit verwendeten Geräten erzielt wird. In der Tat ist für Jeden der beiden Bidiopter, die zu den Parabolspiegeln gehören, die in der Luft durchgeführte Konzentration ( Xi₂ <= 1) gleich der Maximalkonzentration eines konvergierenden Systems, das gilt f/0,5 geöffnet ist, multipliziert durch die Energie-

- 76 - /Ί7-909839/0388

erzeugende Leistung tj die zum Bidiopter gehört. Das hier für die Sonne:

46 140 χ 0,874 - 40

U72134

s heißt

Da das Gerät eine doppelte Konzentrationsvorrichtung aufweist, erreicht die Gesamtkonzentrationswirkung demgemäß theoretisch eine Größenordnung von 80 000.

Bei den besten Sonnenöfen, die zur Zeit hergestellt werden, erreicht die Konzentration eine Größenordnung von 2o 000· Selbst unter Berücksichtigung nicht vorgesehener Verluste ist die Gewinnspanne ganz beträchtlich.

Ein siebtes und letztes Zahlenanwendungsbeispiel betrifft einen kleinen Sonnenstrahlungskonsmtrator, der beispielsweise als "Feuerzeug" verwendet werden kann, um Gegenstand· zu entflammen oder Zigaretten oder Zigarren anzuzünden. Das Gerät ist unter Hinweis auf Pig. IO beschrieben.

Ein Kugeldiopter Io5 fängt die Sonnenstrahlung ein. Seine optische Achse I06 ist rechtwinklig mit Hilfe einer ebenen Fläche mit vollständiger Reflexion Io7 im Winkel von 45° abgewinkelt ( Anordnung, die es gestattet, bequem die Sonne anzuvisieren,ohne geblendet zu werden). Der Öffnungsdurchmesser dieses Diopters ist gleich 35 mm. Seine Brennweite f^f ist gleich Io5 mm. Da sein Refraktionsindex 1,5 ist, ist die gleichwertige Brennweite f zur Verwendung der vorstehend erstellten Formeln gleich: f . ^S- « 70 mm

Die relative öffnung des Diopters beträgt demgemäß: F / 2. Dieser Diopter bildet in seiner Fokalebene I08 ein

- 78 909839/0388

U72134

wirkliches Bild der Sonne. Ein stumpfkegeliger Bidiopter Io9, der in der optischen Achse Ιοβ angeordnet ist, gehört zum kugeligen Diopter und seine große Eingangsfläche für den ' Strom liegt in der Brennebene I08. Es ergibt sich daraus:

Co	= 16 1 ~ ^o	Radian
dl	- 1,4	mm ·
d)	= o«3f	j mm

- 0,824
L₀ = 75 d_o = 26,25 mm

Es ergibt sich die exakte Rechnung:

cU = 0,385 mm ( Minimaldurchmesser) LJf= 25,32 mm ( aufgerundet^

Dieser Bidiopter kann aus gezogenem Glas hergestellt

werden, in welchem Falle der Wert von ll· beträchtlich von ·&?

0 «3«

Radian abweichen kann ( wie auch der Wert von Lv-) · Dann zählen nur die genauen Werte von d, und d,. Das Ergebnis, wird größer

oder kleiner als o,824 je nachdem ob Ψ kleiner oder größer

ist als r— Radian.
50

Es ist festzustellen, daß das elementare Feld £, des Konzentrators hier gleich

£ = ■§- « «- Radian ist,

1
während der offensichtliche Durchmesser der Sonne gleich >

ungefähr y— Radian ist, d.h. das doppelte von £ . Die theoretische Konzentration des Gerätes ist demgemäß nur ein Viertel der maximalen Konzentration, die erzielt werden könnte ( 46 000) und die wirkliche Konzentration liegt in der Größenordnung von 9 000 bis Io 000 mal. Diese Verringerung

- 79 909839/0388

U72134

1st In diesem besonderen Falle berechtigt, weil sie es gestattet, den Platzbedarf des Gerätes zu verringern und weil sie das Anvisieren der Sonne erleichtert, da das Feld weit über den offensichtlichen Winkel der Sonne hinausgeht.

Eine Sicherungs- und Schutzvorrichtung ergänzt das Gerät. Eine Hülse 110 ( siehe Fig. 10) die auf dem Endteil des vorderen sphärischen Diopters befestigt ist, umgibt den Bidlopter Io9 und schützt ihn mit Hilfe eines Pulvers oder eines Materials 111, das keinen optischen Kontakt mit dem Bidiopter schafft. Eine zweite Hülse 112 umgibt die erste und der Endpunkt 113 fe>i Bidiopters ist so von äußeren Gegenständen isoliert. Um das GeA in Betriebsbereitschaft zu versetzen, wird ein ^Hebel 114 in Richtung des Pfeiles verschoben und die Spitze 113 freigemacht. Während dieses Handgriffes wird e-ine Feder 115 gespannt und äeht dann die Hülse 112 in ihre Anfangsstellung zurück, wenn der Hebel 114 losgelassen wird. Auf diese Art und Weise besteht kein Risiko, dassGegenstände unbeabsichtigt entzündet werden, da die Energiekonzentration nur in der unmittelbaren Nähe der Spitze 113 des Bidiopters wirksam ist. In dem Falle, in dem es möglich ist, den zu entzündenden Gegenstand in das Innere der Hülse 112 einzuführen ( beispielsweise eine "Zigarette oder eine Zigarre von einem geringeren als einem gegebenen Kaliber) kann die Sicherheits- undSchutzvorrichtung einfach auf diese Hülse beschränkt werden, die in diesem Falle nicht zurückziehbar ist.

Die sieben Zahlenanwendungsbeispiele, die vorstehend beschrieben wurden, stellen genausoviele Beispiele von Geräte-

- 8o 9 09839/0388

U72134

typen dar, die die Erfindung benutzen. Es besteht eine unendliche Anzahl von Varianten, da alle Arten von EmpfSngern eine maximale Konzentration von Strahlungsenergie mit Hilfe dieser gleichen Vorrichtungen ausnützen können. Es werden nachstehend einige dieser Arten von Geräten beschrieben, die gemäß der Erfindung angeordnet sind, wobei der bereits beschriebene Typ erwähnt wird, mit dem Jeder dieser Apparate zusammenhängt und wobei gegebenenfalls die eigenen Merkmale herausgestellt werden.

Zum ersten Beispiel (Bolometer oder Zelle) gehören alle Laboratoriumsempfänger:

- thermische Detektoren

Bolometer mit Metallband, mit Thermistor, mit EEyperleitendem Niobiumnitritband ...

thermo-elektrische Batterien Type Homing oder Roess oder Dacus oder Sjhwarz ( mit Halbleiter) ... pneumatische Detektoren

- Detektoren mit lichtleItenden Zellen

- Germanium-Lichtdioden, Punktlichtdioden

- Licht-Volt-Zellen-Detektoren

- Lichtmagnet-elektrische Detektoren

- Lichtausstrahlende Detektoren

- Dynoden-Lichtvervielfacher .·

- Zellen-Luxmesser

- Spektrographen ( insbesondere Diffusionsspektrographen, die den Raman-Effekt ausnutzen)

- Funkenzähler

- Teilchendetektoren usw. .,

- 81 909839/0388

£1 U72134

Alle diese Laboratoriurasempfanger, die gemäß der Erfindung angeordnet sind, haben Aufbauten analog denen des im Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebenen Bolometers. Das optishe Frontalsystem kann ein konvergierendes Objektiv ( mit Linsen oder mit Spiegel ) oder ein afokales System sein. Das Gerät kann zwei Parallelkonzentratoren aufweisen, wie in dem behandelten Beispiel, oder einen einzigen. Es können auch mit dieser Kategorie die Anwendung mit Erregung eines Festlasers, kontinuierlich zusammengebracht werden ( durch eine seiner geraden Querschnitte).

Mit dem zweiten Beispiel (Radar" oder "Maser" Detektor)können alle Apparate aktiver Feststellung zusammengebracht werden:

- Detektoren, die mit einem Scheinwerfer gekoppelt sind, der im Infrarot-Bereich sendet,

- Detektoren, die mit "Lasern" gekuppelt sind.

Ebenso hängen damit verschiedene andere Arten von Geräten zusammen:.

- Fernsehkameras mit einziger Zelte (beispielsweise von der Art die mit einer Nipkow-Scheibe funktioniert) /Diasmoraraeter.

- Medizinische Geräte, die mit Hilfe von Rörigenstrahlen abfühlen.

Mit dem dritten Beispiel können alle Arten von Suchköpfen verbunden werden, gleichgültig welche die Wellenlänge ist, die sie verwenden. Es können damit auch die Apparate verbunden werden, die eLn kleines Feld abtasten : beispielsweise ein astronomisches Fernglas oder ein Spezialteleskop, um Sterne oder Himmelskörper zu suchen. 909839/0388 .82-

Mit dem vierten Beispiel ( Phosphoreszenzfernglas) können in Zusammenhang gebracht werden:

- die Metaskope

- die Bildumwandlerröhren; Helligkeitsverstärker

- elektronische Teleskope, Scharfschützenfernrohre ··

- Photoapparate und Kameras mit siohtbarem Licht oder infrarot,

- Ikonoskop-Televisionskameras

- Röntgenapparate ( medizinische Beobachtung)

In allgemeiner Art gehören zu dieser Gruppe alle diejenigen Geräte, die von entfernt liegenden Gegenständen ein Bild wiedergeben, ohne daß ein mechanisches oder optisches Abtastschwenken erfolgt.

Mit dem fünften Beispiel können die sehr selektiven StrahlunKsempfanKStreräte und gewisse Spektrographiegeräte in Zusammenhang gebracht werden·

Das sechste und siebte Beispiel betreffend die Geräte, die die Sonnenenergie konzentrieren.

- 8} 09839/0388

Claims (1)

1. tb H72134

   Patentansprüche :

   1. Konzentratorvorrichtung neuer Art, die es gestattet, eine energieerzeugende maximale Beleuchtung auf dem empfindlichen Element eines Strahlungsempfängers zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung im wesentlichen in Kombination folgende Elemente umfaßt: ein optisches Frontalkonzentratorsystem von einer relativen öffnung τ? , das einen Strahlenstrom einfängt, der von einer entfernten Quelle kommt, von der angenommen wird, daß sie in der Luft liegt und das eine erste Konzentration dieses Stromes bewirkt, indem es ein Bündel konvergierender Form schafft, dessen Strahlung eine maximale Neigung Θ. gegenüber der optischen Systems haben, wobei sin Q₁ einen Wert in der Größenordnung von ir? hat und mindestens einen Spiegel von stumpfkegeliger oder optisch annehmbarer Form von einem Halbwinkel am Scheitelpunkt , dessen Wert klein ist, von der Größenordnung von maximal γχ Radian, der eine zweite Konzentration mtt Hilfe innerer Reflexionen auf der seitlichen stumpfkegeligen Oberfläche bewirkt, dessen große Stromeingangsfläche der Querschnitt von dem Höchstdurchmesser d, ist, der in Übereinstimmung mit dem minimalen Querschnitt des Bündels steht, das vom Frontal-optischen Konzentratorsystern konzentriert wurde und dessen kleine Basis, die zu einem empfindlichen Element des Empfängers gehört, und in deren Ebene der eingefangene Strom seine Maximalkonzentration erhält, der Querschnitt des Minimaldurchmessers d ist, dessen Wert durch die folgende Formel bestimmt wird:

   d. sin [Q₁ + ( 2 p¹ - I))^Jf

   ^X sin ( B₁ - J ) (1)

   909839/0388

   H72134

   Formel bei der p', die Höchstzahl von laberen Reflexionen der ein Strahl unterliegt, der mit der optischen Achse des Maximalwinkels ^₁ vor seinem Eintritt in den Stumpfkegel bildet, durch das folgende Verhältnis gegeben wird:

   Arc sin ¹^

   n.

   wobei nl der Refraktionsindex des inneren Milieus des stumpfkegeligen Spiegels ist, n₂ der Index des Milieus im optisohen Kontakt mit dem empfindlichen Element, das ZM dem kleinen Querschnitt des stumpfkegeligen Spiegels gehört und J3, der Winkel ist, der durch das folgende Verhältnis definiert wird:

   ß. = Are sin

   sin Θ,

   n.

   t'

   wobei die Werte n., n₂, sin Θ. und tang \^ ausserdem durch

   das folgende Verhältnis:

   verbunden sind, worin V^das Minimum an Energie-erzeugender Leistung darstellt, die mit dem Konzentrator Im Verhältnis zur Maximalkonzentration beschafft werden soll, die durch

   den folgenden Ausdruck definiert wird:

   sin²©.

   909839/0388

   - 85 -

   2. ^onzentratorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen stumpfkegeligen Spiegel aufweist, der aus einem Bidiopter besteht, in dem die inneren Reflexionen ausschließlich totale Reflexionen sind, wobei der Minimaldurchmesser d durch die in Anspruch 1 ausgedrückten Formeln bestimmt wird, in denen die Zahl p¹ kleiner oder höchstens gleich einer Höchstzahl q von Totalreflexionen ist, bestimmt durch die folgende Gleichung:

   ' 1

   Are sin —— + 3 ν 2 n, O

   ■an".

   (5)

   wobei die Werte n^, sin O₁ und \l, ausserdem durch das folgende Verhältnis verbunden sind:

   2 sin 2

   ür ⁺\-

   cos

   worin das Minimal an Energie-erzeugender Leistung darstellt, das mit dem Konzentrator im Verhältnis zur absoluten Maximalkonzentration erhalten werden soll, die dieser Beschreibung des Konzentrators entspricht und durch den folgenden Ausdruck

   2
   definiert wird: η , - 1

   sin² Θ,

   5. Konzentratorvorrichtng nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Bündel stumpfkegeliger Spiegel oder Bidiopter aufweist, deren große Stromeingangsflächen in einer gleichen Ebene aneinanderliegen, wobei

   909839/0388

   - 86 -

   ihre Gesamtheit mit dem Mindestquerschnitt des vom Frontaloptischen Konzentratorsystem konzentrierten Strahlungsbündel zusammenfällt und dessen Querschnitte von Minimaldurchmesser ebenfalls in einer gleichen ibene nebeftelfiBnrjei*-- liegen, wobei ihre Gesamtheit zu dem empfindlichen Element des Empfängers gehört.

   4.) Konzentratorvorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere stumpfkegelige Spiegel oder Bidiopter aufweist, die in Serie aneinander liegen, wobei der erste stumpfkegelige Spiegel oder der erste Bidiopter vom Index n¹, mit seiner großen Stromeingangsfläche vom Durchmesser d, mit dem frontalen optischen Konzentratorsystem (von der relativen öffnung t?) assoziiert ist, wobei der zweite Bidiopter einen Index n'^ hat, der größer ist als n'j und seine große Stromeingangsfläche mit dem Mindestquersehnitt des ersten Spiegels oder Bidiopters zusammenfällt und so weiter, wobei die entsprechenden Scheitelpunktwinkel der aufeinanderfolgenden Spiegel oder Bidiopter gleich sind oder nicht, und wobei der Mindestquerschnitt des letzten Bidiopters in dem der eingefangene Strom seine Maxiraalkonzentration erreicht, zu dem empfindlichen Empfängerelement gehört ( das iaaein Milieu vom Index n« getaucht ist ) und einen Durchmesser vom Wert d in solcher Art hat, daß das Verhältnis d. für die Gesamtheit der Spiegel oder Bidiopter, die St in Serie assoziiert sind, den gleichen Spezifikationen entsprechen, wie diejenigen, die für die Ansprüche 1 und 2 für einen einzigen Spiegel oder Bidiopter definiert worden

   ^dl sind ( d.h. so daß dieses Verhältnis ^- einen Wert hat, ·

   der so nahe als möglich am Maximal-wert, der absolut ist, liegt: "2 ~ 909839/0388

   sin ^Qi

   - 87 -

   U72134

   5·) Konzentratorvorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen stumpfkegeligen Spiegel oder Bidiopter aufweist, der abgeschnittene Flächen vorzugsweise im Winkel von 45° gegenüber seiner Achse hat, die es ihm gestatten, sich mehreremale auf sich selbst zurückzuwerfen, wie bei den optischen Instrumenten mit Prismen.

   6.) Konzentratorvorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Serie folgende Bestandteile aufweist: ein erstes Bündel von Sp^ oder stumpf kegeligen Bidioptern gemäß Anspruch J> und ein oder mehrere Spiegel oder Bidiopter nach den Ansprüchen 1, 2, 4 oder 5, so daß die große Stromeintrittsfläche des ersten dieser Spiegel oder Bidiopter mit der Oesamtheit der nebeneinander liegenden Minimalquerschnitte des ersten Bündels zusammenfällt.

   7.) Konzentratorvorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere stumpfkegelige Bündeln von Spiegeln oder Bidioptern gemäß Anspruch 3 aufweist, die in Serie gemäß den Merkmalen aneinanderliegen, die in Anspruch 4 genannt sind, ·

   8.) KGnzentratorvorrlchtung nach den ^Ansprüche*n 1, 2, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie konische oder kegelförmige nichtrunde Spiegel oder Bidiopter aufweist, oder solche, daß das Verhältnis der Querschnittsbereiche nach einer Ebene, die die optische Achse der großen Stromeingangsfläche und der kleinen Fläche minimalen Bereiches

   909839/0388

   enthält, in allen Fällen gleich dem Quadrat des Verhältnisses dj ist, wie in den Ansprüchen 1, 2 oder 4 dargelecct, #obei die Höchstzahl innerer Reflexionen durch den Wert bestimmt wird, der dem Halbwinkel q im Längsschnitt zugewiesen wird, der die größte lineare Reduktion vornimmt.

   9.) Konzentratorvorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Bündel oder eine Serie von Bündeln von stumpfkegeligen Spiegeln oder Bi-Dioptern aufweist, deren Gesamtheit gemäss Anspruch 8 gebildet ist, d.h. so, daß der Bereich der Gesamtheit der großen aneinanderliegenden Stromeingangsflächen und der Bereich der Gesamtheit der nebeneinanderliegenden Mindestquerschnitte in dem Verhältnis stehen, wie es in Anspruch 8 definiert ist.

   lo.) Konzentratorvorrichtung nach den Ansprüchen 1-9* dadurch gekennzeichnet, daß zwei dieser Vorrichtungen "parallel" angeordnet sind, wobei die kleinen Basen von Mindestquerschnitt ihrerletzten stumpfkegeligen Spiegel oder Bi-Diopter durch jedes bekannte Mittel zu jeder der beiden Flächen eines gleichen empfindlichen Elementes gehören, das ganz vorzugsweise eine dünne Klinge ist.

   .11.) Verfahren zur Bestimmung der optimalen Merkmale von Konzentrationen der Art nach den Ansprüchen 1 - lo, dadurch gekennzeichnet, daß die folgenden Operationen in der angegebenen Reihenfolge oder gemäss jeder Kombination , Je

   909839/0388 - 89 -

   nach Bedarf durchgeführt werden:

   11/1 - Wenn die Art der empfindlichen Oberfläche des Empfängers bekannt ist, wird die Minimalgrößenordnung /±_ο dieser empfindlichen Oberfläche und die Größenordnung

   -Δ' ihrer linearen Auflösungsgrenze bestimmt, wenn sie von der Kategorie A ist.

   11/2 , - Es wird der vorzugsweise maximale Wert des Index n2 des Milieus festgelegt, das im optischen Kontakt mit der empfindlichen Oberfläche besteht und zwar gemäss dem experimentellen Bedingungen, die zur Verfügung stehen.

   11/3 - Es wird der Wert ^ der relativen öffnung ( oder ihres Äquivalentes) des frontalen Konzentratorsystem so groß wie möglich festgelegt, abhängig vom Selbstkostenpreis und den geeigneten optischen Qualitäten.

   11/4 - Es wird die energieerzeugende Totalkonzentration C_t bewertet, die von dem elementaren stumpfkegeligen BiDiopter oder Spiegel verlangt werden muß ( oder von der Gesamtheit der Bi-Diopter, Spiegel oder Bündel, die in Serie nebeneinander liegen): *

   • C_t - 4 N² n|' *

   11/5 - Es wird der Wert'der Separatorkraft £ , oder Feldwinkel des elementaren Bi-Diopters in Abhängigkeit von «C festgelegt, der offensichtliche Durchmesser der kleinsten der Quellen, deren Strahlungsstrom konzentriert

   909839⁹/0~3

   U72134

   werden soll, bei einer mittleren Verwendungsentfernung von:

   11/6 - Es wird eine obere Grenze, f_max $ für die Länge. der Brennweite des Frontalkonzentratorsysteraes festgelegt.

   11/7 - Davon wird die obere Grenze, d_lmax , abgezogen, und zwar für den Durchmesser der großen Stromeingangsflache ( zum optischen Frontalsystem gehörend) des Elemental Bi-Diopters:

   ^dlmax - ^fmax <-

   11/8 - Es wird die entsprechende obere Grenze, d_omax. für den schematischen Wert d_o des Durchmessers des Mindest querschnittes ( zur empfindlichen Oberfläche gehörend ) des elementaren Bi-Diopters berechnet :

   ^dlmax

   'ornax

   11/9 - Dieser Wert d_omax wird mit dem minimalen Wert

   /^ _o verglichen, der in 11/1 festgelegt wurde in dem

   Falle, in dem die empfindliche Oberfläche von der Kategorie A ist.

   Wenn d_omax /± _o , wird die Größenordnung von do » vorzugsweise minimal, festgelegt:

   - A

   Wenn d_omax ^C Z^_o * ^{wlrd die} w (beim Durchmesser) der Bi-Diopter des elementaren Bündels

   909839/0388

   - 91 -

   ³¹ H72134

   festgelegt, die der empfindlichen Oberfläche assoziiert werden muß.

   W «2- 2λ ο π ^domax

   Tt-* TT

   4 .4 d ²

   (Mindestgesamtzahl von Bi-Dioptern).

   Es wird die Größenordnung von d_o festgelegt;

   ^do - TT^-

   ( unter dem Vorbehalt, daß d_o größer oder höchstens gleich der linearen Auflösungsgrenze 2Vo ^ist* ^{die in} 11/1 festgelegt ist.

   11/Io - In dem Falle, in dem die empfindliche Oberfläche von der Kategorie B ist, wird in jedem Falle die Größenordnung von d_o auf

   ^do - Δ ο

   festgelegt.

   Wenn sich ergibt: d_Omax ^ ^o * werden Mittel vorgesehen, wie etwa Prismen mit totaler Reflexion, um den Längenplatzbedarf abzukürzen, der auf die Brennweite f zurückzuführen ist. Oder, wenn dies nicht möglich ist, wird die relative öffnung -jj des optischen Frontalsystems erhöht, um den Wert C_t zu verringern und schliesslich und endlich den Wert von d_Omax C um ihn dem von 2^k ο anzunähern) zu erhöhen.

   909839/0388

   - 92 -

   11/11 - Es wird der endgültige Wert der Brennweite f des optischen Prontalsystems bestimmt, in dem der Wert von fmax auf die Ergebnisse von 11/9 oder ll/lo eingestellt wird.

   11/12 - Es wird der Durchmesser 2R der Nutzöffnung des frontalen optischen System berechnet:

   ^2R - I

   11/15 - Es wird der Wert des totalen Feldwinkels | der Konzentrationsvorrichtung festgelegt.

   11/14 - Davon wird der Wert des Durchmessers e^ des Frontalbildes abgezogen ( oder des " Okularkreises"):

   e_x = f . P

   11/15 - Im Falle eines Konzentrators mit permanentem direktem Bild wird die Gesamtzahl W¹ - ( am Durchmesser) der zu der empfindlichen Oberfläche gehörenden Bi-Diopter

   € ι

   W* = W

   berechnet, indem w = 1 gemacht wird, wenn d_o

   Die Größenordnung des Minimaldurchmessers des Bündels, das zur empfindlichen Oberfläche gehört ist w¹ d₀.

   Der Durchmesser der gesamten empfindlichen Oberfläche, die das Bild empfängt, ist : §

   W - 93 -

   909839/0388

   11/16 - Im Falle eines Abtastkonzentrators werden die Merkmale dieser Abtastung festgelegt: Frequenz, durchschnittliche Dauer des Zusammenfallens eines jeden Bildelementes mit der großen Stromeingangsfläche des elementaren Bidiopters.

   u/17 - Es wird das Minimum H der Energie-erzeugenden Leistung für die Gesamtheit der stumpfkegeligen Bidiopter oder Spiegel oder ihrer dazugehörigen Bündel festgelegt.

   u/18 - Es wird eine maximale Größenordnung L für die Gesamtheitlänge der Gesamtheit dieser Bidiopter oder dieser Bündel festgelegt.

   II/I9 - Es wird die Größenordnung des Index n. des Bidiopters ( oder des Bündels ) bewertet, das zur empfindlichen Oberfläche gehört und zwar gemäß den Materialien, über die man verfügen kann.

   ll/2o - Es wird eine Rechentafel oder Tabellen erstellt, wovon jede für einen gegebenen Wert des Verhältnisses n, eine große Anzahl von Kombinationen unter den Werten "2 von :

   - Ψ $ dem Halbwinkel eines Scheitelpunktes eines

   Bidiopters.

   - C , die Energie-erzeugende Konzentration, die von

   diesem Bidiopter verlangt wird. , der wirklichen energieerzeugenden Leistung.

   - L , der Länge des schematischen Bidiopters aufge

   stellt. Zur größeren Bequemlichkeit wird

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   U72134

   diese Länge ausgedrückt, indem d als Einheit genommen wird.

   11/21 - Es wird bestimmt, ob die maximale Größenordnung der Länge L , die in 11/18 festgelegt ist, sich mit den Werten C, und H verträgt, vorher festgelegt wurden.

   Es wird begonnen L„,„„ auszudrücken indem als Einheit der

   max

   Größenordnung von d , wie sie in 11/9 oder 11/10 festgelegt ist, genommen wird und dann wird in den erstellten Tabellen gesucht, ob mindestens ein Wert von vorhanden ist, der einen annehmbaren Kompromiss zwischen C. , H und L gestattet.

   t max

   Wenn dieser Wert von Y* vorhanden ist, kann ein einziger elementarer Bidiopter (oder Bündel) genügen. Die wirkliche Größenordnung dieses elementaren Bidiopters ( oder dieses Bündels) kann unterhalb L festgelegt werden, wenn die

   max

   Möglichkeiten, die in den Tabellen gefunden wurden, groß sind.

   Wenn keinerlei Wert von y vorhanden ist und in dem Falle, in dem die empfindliche Oberfläche von der Kategorie A ist, ist es notwendig, d einen kleineren Wert zu geben als die vorstehend festgelegte Größenordnung, damit das Verhältnis L„ einen Wert ergibt, der in den Tabellen

   mit C_t und H ο verträglich ist. Demgemäß wird der endgültige Wert von d_Q festgelegt und es wird der Wert der Zahl w ( am Durchmesser ) von elementaren Bidioptern neu

   Δ ο

   festgelegt, die zu der empfindlichen Oberfläche ; w » —

   d gehören.

   ,In dem Falle, in dem die empfindliche Oberfläche von der Kategorie B ist, ist es notwendig, entweder die

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   - 95 -

   Werte von C_fc oder H zu verringern oder aber Vorrichtungen zu nehmen, die Prismen mit Gesamtreflexion haben, um den Längenplatzbedarf von L₀ zu verringern.

   max

   11/22 - Es wird die Anzahl von Bidioptern ( oder Bündeln) festgelegt, die in Serie aneinandergereiht vorzusehen sind, indem bestimmt wird, ob die Größenordnung der Länge L (oder der wirklichen Länge, die bei 11/21 in Betracht gezogen wird, sich mit der Technologie und dem Selbstkostenpreis der Materialien verträgt, die zur Verfügung stehen.

   - Wenn ein einziger Bidiopter oder stumpfkegeliger Spiegel (oder ein einziges Bündel) nur verwendet wird, werden seine optimalen Parameter festgelegt, indem direkt auf die Punkte 11/57 bis 11/46 des vorliegenden Verfahrens übergegangen wird und unter Berücksichtigung des Punktes 11/26.

   11/24 - Wenn mehrere maximale Bidiopter ( oder Bündel) in Serie aneinandergereiht ( im allgemeinen zwei) verwendet werden, wird die Größenordnung ihrer energiea*zeugenden Leistungen T) und ^¹ festgelegt, sodaß sich ergibt:

   II/25 - Es wird gemäß der Technologie der Materialien dem Selbstkostenpreis und unter Berücksichtigung der Größenordnung von d bewertet, zwischen welchen Grenzen es angemessen ist, den optimalen Wert der Länge L_Q des elementaren schematischen Endbidiopters festziJegen ( der zur empfindlichen Oberfläche gehört). Es werden zwei Grenzwerte festgelegt, ein oberer und ein anderer unterer und sie werden ausgedrückt, indem d als Einheit genommen wird.

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   - 96 -

   11/26 - Es wird die Größenordnung der mittleren Länge des Weges eines Strahles im Inneren dieses Endbidiopters festgelegt und es wird bestimmt, ob der Anteil des Strahlungsflusses, der durch Absorption im Laufe dieses Weges verlorengeht, sich mit dem Minimum ^ der energieerzeugenden Leistung, wie sie in 11/24 vorgesehen ist, verträgt oder nicht. -

   Diese Bewertung wird mit Hilfe einer Berechnung und unter Berücksichtigung derTemperatur des Bidiopters im Betrieb durchgeführt.

   Wenn der Verlust durch Absorption im Verhältnis zur Leistung vernachlässigenswert ist ( der häufigste Fall) wird die erstere Bewertung von L aufrechterhalten. Im gegenteiligen Falle ( Sonderfälle) werden kleinere Werte " für L₀ festgelegt.

   11/27 - Es wird eine obere Grenze bestimmt: C ^^ für die theoretische Konzentration, die vom Endbidiopter (oder dem Bündeil verlangt wird, indem in den Tabellen von 11/20 der größte Wert von -C gesucht wird, für den ein Paar von Werten ¹^T. und ^L besteht, das sich mit den vorhergehenden Bestimmungen verträgt. Es werden die verschiedenen entsprechenden Werte von V- festgehalten.

   11/28 - Davon wird die untere Grenze abgeleitet:

   ^Co'min' ^{für die tneoretiscne} Konzentration C¹ wie sie von dem Kopfbidiopter ( oder Bündel) verlangt wird, das zum optischen Frontalsystem gehört:

   Ql _m t

   ο min _c

   ο max

   - 97 -

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   11/29 - Davon wird der Mindestwert abgezogen: n¹, vom Index n¹, des Kopfbidiopters:

   ¹ *

   η ^f

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   II/50 - £8 wirdbestimmt ob der Mindestquerschnitt dieses Kopfbidiopters von der Kategorie dh ist ( Bedingungen der Totalreflexion) oder d„ (allgemeiner Fall) oder auch gemäß den besonderen Gegebenheiten für die teilweisen Reflexionen· Davon wird der optimale Wert für n¹, abgezogen. Beispieleweise im Falle des Querschnitts d^:

   »I* ^-V ⁿl'²min

   11/51 - Demgemäß wird der endgültige Wert von n¹, gemäß den Materlallen festgelegt« die zur Verfügung stehen sowie ihrem Selbstkostenpreis ...

   II/52 - Es wird der endgültige Wert von C'_o . berechnet, der Konzentration, die vom Kopfbidiopter verlangt wird. Beispielsweise im Falle des Abschnittes d^:

   C₀ = 4 N² ( η_χ ^|2 - 1 )

   - Es wird die obere Grenze: L* _m_„ der schematischen Länge des Kopfbidiopters erarbeitet:

   L¹ ■ L - L ο max max ο

   und es wird L'_{o max} ausgedrückt, indem d_Q als Einheit genommen wird (L_Mev ist auf 11/18 festgelegt): L bewertet bei max ο

   U/25 und 11/26.

   11/34 - Es wird der optimale Wert von (f, dem Halbwinkel am Scheitelpunkt des Kopfbidiopters bestimmt, indem

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   die Tabellen von 11/20 zu Rate gezogen werden und In /2 I Abhängigkeit von Werten, wie sie vorstehend festgelegt wurden für: C , 77 ' und L¹

   O L ι

   o max

   In dem Falle, in dem keinerlei Wert der Tabellen für Y"' zutrifft, wird der gesuchte Bidiopter durch ein Bündel ersetzt pder es wird ein dritter Bidiopter gemäß dem Verfahren nach 11/28 bis 11/34 berechnet.

   II/36 - Es wird der endgültige Wert der theoretischen Konzentration C berechnet, die vom Endbidiopter verlangt wird (und wovon bisher nur die obere Grenze bekannt war, die in II/27 bestimmt wurde:

   ^Ct

   ⁰O

   II/37 - Es wird der optimale und endgültige Wert von n, festgelegt ( Index des Endbidiopters ( wovon die Größenordnung bei 11/19 festgelegt wurde) und unter Berücksichtigung der besten energieerzeugenden Leistung, die gemäß den Verhältniswerten : ⁿl erzielt werden kann.

   n₂

   II/38 - Es wird der optimale Wert von Ψ', dem Halbwinkel am Scheitelpunkt des elementaren Endbidiopters bestimmt, indem die Tabelle*nach ll/2o zu Rate gezogen werden und in Abhängigkeit von den Werten, die vorstehend für C , T? und L festgelegt wurden.

   11/39 - Es wird die Gesamtheit der Bewertungen und der Bestimmungen überprüft, die bisher durchgeführt wurden und zwar im Verhältnis zueinajader und es werden gewisse Werte, falls das notwendig ist, neu abgestimmt.

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   11/40 - Es wird das FrontalkonzentratorsystüeTh ty6n' einem NutzÖffnungsradius R, einer Brennweite f gebaut, was die Wirkung hat, seine verschiedenen Merkmale meßbar zu machen·

   11/41 - Es wird genau durch eine Sonderberechnung gemäß jedem einzelnen Falle oder durch ein genaues Maß am vorderen Konzentratorsystem der Wert sin Θ, festgelegt, dessen Größenordnung ^T" ist, eine Annäherung, die im allgemeinen genügt, wenn das Prontalsystem aplanatisch ist.

   11/42 - Es wird der endgültige Weg des Durchmessers d. der großen Stromeingangsfläche des elementaren Kopfbidiopters festgelegt ( der zum frontalen optischen System gehört) und wovon die obere Grenze in 11/7 berechnet worden war, in Abhängigkeit von dem wirklichen Wert (oder Abmessung) der Brennweite f ( bestimmt durch 11/11) und meßbar durch 11/40:

   d_x - f . £

   11/43 - Es wird der genaue Wert des Mindestdurch-: messers d¹ des elementaren Kopfbidiopters mit Hilfe der Formel (1) im allgemeinen FalJ.e oder (5) im Falle eines Querschnittes der Kategorie d^ berechnet. Es ist auch möglich, mit den ausgezeichneten Annäherungen auszukommen,' die von der Formel (10) im allgemeinen Falle gegeben werden oder durch die Formel (11) im Falle eines Mirü estquerschnit tes

   11/44 _. Es wird der genaue Wert der Länge L¹ v-¹ des elementaren Kopfbidiopters mit Hilfe der allgemeinen Formel (16) berechnet. Es muß darauf geachtet werden,BAD ORfQtNAL

   ^llr U72134

   keinerlei Fehler durch Auslassen zu begehen.

   11/45 - Es wird der genaue Wert des Mindestdurchmessers d des elementaren Endbidiopters mit Hilfe der geeigneten Formel ode? einer der AnnäherungsformeIn berechnet. Für d, wird der Durchmesser der großen Stromeingangsfläche dieses Bidiopters genommen, der Wert 'der in für den Mindeßtdur chmes se r des elementaren Kopfbidiopters gefunden wurde.

   11/46 - Es wird der genaue Wert der Länge L V- des elementaren Endbidiopters mit Hilfe der allgemeinen Formel (16) berechnet. Es wird darauf geachtet, keinerlei Fehler

   durch Auslassen zu machen.

   11/47 - Es werden von den so berechneten genauen Werten die genauen Merkmale der elementaren Bidiopterbündel abgezogen, in Serie aneinandergereiht oder nicht und deren allgemeine Aufbauten in skizziert wurden.

   11/48 - Es wird gemäß dem gesuchten Verwendungszweck und dem Selbstkostenpreis festgestellt, ob zwei identische Konzentratoren (parallel) verfügbar sind, um gleichzeitig auf die beiden Oberflächen der empfindlichen Oberfläche einzuwirken.

   12. Geräte, die die Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10 benutzen und entsprechendes Verfahren nach Anspruch 11.

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