DE1472134C - Optische Vorrichtung zur Konzentrierung und Übertragung des mit einem Abbildungssystem erfaßten und gesammelten Strahlungsflusses einer Strahlungsquelle - Google Patents
Optische Vorrichtung zur Konzentrierung und Übertragung des mit einem Abbildungssystem erfaßten und gesammelten Strahlungsflusses einer StrahlungsquelleInfo
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Description
1 4 Y 2 ίό4
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung . zur Konzentrierung und übertragung des mit einem
Abbildungssystem (unter Einschluß afokaler Systeme) erfaßten und gesammelten Strahlungsflusses einer
entfernten, in Luft angenommenen Strahlungsquelle beliebiger Art mittels eines aus durchlässigem Material
mit dem Brechungsindex w, bestehenden Kegelstumpfes auf einen für den Nachweis und/oder die
Nutzung der Strahlung geeigneten Empfänger unter Erhöhung der Bestrahlungsstärke am Ort des empfindlichen
Elements des Empfängers.
Abgesehen von den Gebieten der Fotografie und der Technologie der Sonnenöfen wurde der Vervollkommnung
und Anpassung der der Strahlungsquelle zugewandten abbildenden Systeme an die Gegebenheiten des Detektors bisher noch nicht
genügende Aufmerksamkeit zugewendet, wenn auch die Forschungen zur Verbesserung der empfindlichen
Elemente selbst und der mit ihnen häufig verbundenen elektronischen Einrichtungen sehr weit
gediehen sind. Eine wesentliche Kenngröße für den Wirkungsgrad eines Empfängers ist die Menge der
je empfindlicher Oberflächeneinheit des Detektors verwertbaren Strahlung, d. h. die Bestrahlungsstärke,
die von dieser empfindlichen Oberfläche empfangen wird. Das Interesse, die Bestrahlungsstärke zu erhöhen,
ist insbesondere dann besonders groß, wenn die insgesamt verfügbare Strahlungsenergie gering ist.
Bei der Konzentrierung eines Strahlenbündels auf der empfindlichen Fläche eines Empfängers ergibt
sich 'naturgemäß eine Erhöhung der Bestrahlungsstärke auf der dem Empfänger benachbarten Bündelfläche
bzw. bei gleichbleibendem Strahlungsfluß eine Flächenverkleinerung dieses Bündelabschnittes.
Zur Konzentration von Strahlungsbündeln hat man bisher konvergente aplanatische Systeme — beispielsweise
Linsensysteme oder katadioptrische Kombinationen, konvergente nicht aplanatische Systeme,
insbesondere Parabolspiegel sowie konische Glaskörper — verwendet.
Die bekannten konvergenten aplanatischen Systeme weisen mehrere Nachteile auf: Sie bilden nur innerhalb
der durch die Gaußsche Beziehung gegebenen Grenzen genau ab, wodurch ihre brauchbare öffnung
in der Praxis auf etwa F/l begrenzt ist. Durch diese nutzbare öffnung wird die mögliche Konzentrierung
des eingefangenen Strahlungsflusses direkt bestimmt. Darüber hinaus eignen sich aplanatische konvergente
Systeme selbst unter Zwischenschaltung eines optischen Immersionssystems eines Mediums mit einem
Brechungsindex η > 1 schlecht zum Anschluß an einen Empfänger, wodurch die an sich theoretisch
mögliche Erhöhung der Beleuchtungsstärke auf n2 in der Praxis unmöglich gemacht wird.
Zusätzlich zu diesen Nachteilen bringen bekannte konvergente, nicht aplanatische Systeme — wie
Parabolspiegel — Fehler mit sich, so z. B. die Komaabweichung, die ihre Anwendung bei großer öffnung
verbieten.
Was nun die Anwendung konischer Glaskörper und deren Zusammenbau mit konvergenten Systemen
betrifft, ist festzustellen, daß deren Eigenschaften bisher niemals in zufriedenstellender Weise untersucht
worden sind, so daß die bisher erhaltenen Ergebnisse nur mittelmäßig waren. Der hauptsächliche
Grund lag darin, daß die konischen Glaskörper nicht
aplanatic!) waren und somit nicht tier Ablöschen
Sinusl)L'iliiij!.ung gehorchten. Demzufolge waren sie
nicht in der Lage, die Ausdehnung der eingefangenen Strahlenbündel zu erhalten, so daß eine Konzentrationsvenninderung
in Kauf genommen werden mußte. Ein weiterer Grund lag darin, daß jeder durch
Reflexionen in einem Konus fortschreitende Strahl an einer bestimmten Stelle seinen Weg durch plötzliche
Umkehr beendigte, wobei ein Teil der Strahlen sogar durch die Fläche aus dem Konus heraustraten, durch
welche sie eingetreten waren. Da man dieses Phänomen
ίο bisher nicht genügend beherrschte, gab es auch keinen
Weg, mit Hilfe eines Kegelstumpfes eine maximale Konzentration eines Strahlungsflusses zu bewirken.
Die maximal erreichbare Strahlungskonzentration
hängt von dem sogenannten Clausius-Verhältnis n\· ds · cos · θ ■ do, = n\ · ds' · cos · θ' · da/
ab, das die Erhaltung der geometrischen Ausdehnung eines elementaren Strahlenbündel während beliebiger
optischer Umwandlungen und damit die Erhaltung der maximal verfügbaren Strahlungsdichte fordert.
Bekanntlich kann ein Bild der Strahlungsquelle niemals eine größere Strahlungsdichte als die Strah-
. lungsquelle selbst aufweisen. Auf Grund des Clausius-Verhältnisses
wird die erreichbare Bestrahlungsstärke E auf dem empfindlichen Element eines Empfängers,
der in einem Medium mit dem Brechungsindex /ι liege, höchstens gleich n2 mal der spezifischen
Ausstrahlung R einer in Luft angenommenen Quelle
E<n2R.
Durch Integration des Clausius-Verhältnisses unter Bedingungen, die ein Maximum der Konzentration
eines Strahlungsflusses sichern, folgt, daß die maximal erreichbare Bestrahlungsstärke E von dem bekannten
Abbeschen Sinus-Verhältnis abhängt, das den ApIanatismus
in der Optik definiert. Daraus folgt auch, warum die nicht punktweise abbildenden Systeme
— insbesondere auch die bisher lediglich empirisch untersuchten konischen Lichtleiter, die eigentlich
besser als »Strahlungsschlucker« bezeichnet werden müßten — immer relativ schlechte Ergebnisse erbracht
haben. Sie erhöhen nämlich die geometrische Ausdehnung der eingefangenen Bündel und rufen so
einen systematischen Verlust der Konzentration des Strahlungsflusses und damit der Bestrahlungsstärke
hervor, der beträchtlich sein kann.
So besteht ganz offensichtlich das folgende Dilemma:
Entweder müssen die traditionellen punktweise abbildenden Systeme mit Linsen, Spiegeln
usw. verwendet werden, von denen bekannt ist, daß" sie in der Praxis bezüglich ihrer nutzbaren Öffnung
begrenzt sind, oder es müssen nicht punktweise abbildende Systeme herangezogen werden (Kegel,
Strahlungssammler), die beim derzeitigen Stand der Technik nur mittelmäßige Ergebnisse erbringen.
Die Notwendigkeit zur Schaffung einer neuen Konzentrierungs Vorrichtung ergab sich zwangläufig, da
man mit einem beliebigen optischen Abbildungssystem auch bei mehreren hintereinandergeschalteten
Linsen oder Linsensystemen stets eine untere Grenze für die Erstreckung der minimalen Ausdehnung des
konvergenten Strahlenbündels erhält, die bekanntlich aus thermodynamischen .Gründen nicht unterschritten
werden kann. Zur Anpassung dieser in vielen Fällen noch viel zu großen Minimalfläche an
die oft sehr kleine Ausdehnung des empfindlichen Elements eines Empfängers soll nun die erlindungs-'·
geiniille Kon/cntricrungsvorrichlung dienen.
Die Erfindung hat also das Ziel gesetzt, die maximale Konzentrierung eines Strahlungsflusses unter den
praktisch günstigsten Bedingungen zu erzielen, und zwar mit einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen
Art, die es gestattet, eine maximale Bestrahlungsstärke auf dem empfindlichen Element eines Strahlungsempfängers
zu erzielen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung einer Konzentrierungsvorrichtung der beschriebenen
Art, die in allen Fällen eine Annäherung an die maximal mögliche Bestrahlungsstärke entsprechend
einem vorbestimmten Verhältnis ermöglicht, welches so dicht an 1 liegen kann, wie man wünscht. Außerdem
sollen bei der erfindungsgemäßen Konzentrierungsvorrichtung die allen konischen Glaskörpejm
eigenen Vorteile erhalten bleiben, die darin bestehen, einmal unbelastet von den Gaußschen Abbildungsbedingungen arbeiten zu können, und zum anderen
ohne Schwierigkeiten mit ihrer kleinen Ausgangs-.fläche an ein optisches Immersionssystem anschließbar
zu sein.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, indem bei der Konstruktion einer derartigen Vorrichtung
folgende theoretische Zusammenhänge berücksichtigt werden: .
Von einem abbildenden System mit einer relativen öffnung 1/JV und einer Brennweite/ von einer weit
entfernt liegenden und in Luft angenommenen Strahlungsquelle wird ein konvergentes Strahlungsbündel
gebildet, dessen Strahlen einen maximalen Winkel O1
gegenüber der optischen Achse des Systems haben, wobei sin Θι ~ 1/2 N ist. Die erfindungsgemäße Konzentrierungsvorrichtung
hat die Form eines Kegelstumpfes mit einem kleinen halben öffnungswinkel
γ <, 1/10 rad. Die damit bezweckte Konzentrierung des Strahlungsflusses — d.h. die Erhöhung der.
Bestrahlungsstärke — wird mittels innerer Reflexionen an den seitlichen Oberflächen des Kegelstumpfes
bewirkt. Die Grundfläche des Kegelstumpfes mit dem Durchmesser ^1 bildet die Eintrittsfläche des
Strahlungsflusses und liegt am Ort der engsten Einschnürung des konvergenten Strahlenbündels, das
vom abbildenden System erzeugbar ist. Die Deckfläche des Kegelstumpfes mit dem Durchmesser dx
bildet die Austrittsfläche des maximal konzentrierten Strahlungsstroms und befindet sich am Ort des
empfindlichen Elements des Empfängers. Für das Verhältnis der beiden Durchmesser des Kegelstumpfes
gilt
di = sin[/Ji+(2p'-l)y]
d smißγ) ' l '
fängers herstellt, und /i, einen Winkel, der gemäß folgender Gleichung definiert ist:
ßl = arcsm
sin β.
wobei die Werte M1, «2 · sin W1 und tg γ durch die
folgende Beziehung verknüpft sind:
+ | I/«? | •. tg) | / | \ | |
κ η\ | 1 | •tg | / | ||
1 | 1/ «ϊ | ||||
|/ sin2 (9, |
• (4)
η stellt das Verhältnis der tatsächlich erhaltenen
Bestrahlungsstärke (Cy) zur maximal erreichbaren Bestrahlungsstärke (C0) dar. Für Cy und C0 gelten
die Beziehungen:
und
45
wobei p' die maximale Zahl innerer Reflexionen ist, denen ein Strahl unterworfen wird, der mit der
optischen Achse den Maximalwinkel θ{ vor seinem
Eintritt in den Kegelstumpf bildet. Für p' gilt
C> " ( I
n\
sin
2 (
Die Konzentrierungsvorrichtung kann erfindungsgemäß so dimensioniert werden, daß die inneren
Reflexionen ausschließlich Totalreflexionen sind, wobei der Minimaldurchmesser dx durch die obigen
Formeln (1) und (3) bestimmt ist. p' ist dabei kleiner oder höchstens gleich einer Zahl q von Totalreflexionen,
welche gemäß der Gleichung
40 q = E
π . 1
-τ arc sin h 3 γ -
-τ arc sin h 3 γ -
A "1
bestimmt ist, wobei die verwendeten Symbole die oben angegebenen Bedeutungen haben und gemäß der
folgenden Beziehung verknüpft sind:
50
55 cos2-
sin.
COSy
"1
sin2 O1
— I · sin γ
p' = E
arc sin —— ti,
_ -j- j
2γ
(2)
Darin bedeuten n, den Brechungsindex des verspiegelten
Kegelstumpfs, das Symbol E die nächstfolgende kleinere ganze Zahl für den Wert des Ausdrucks
in der runden Klammer, /1, den Brechungsindex des Immersionsmediunis, das den optischen
Kontakt mit dem empfindlichen Element des Emp-Hierbei
gilt auch für
Ί =
wobei jedoch C0
C0 =
ist.
C0
„2-J_
sin2 (->,
sin2 (->,
(10)
Verwendet man einen Kegelstumpf, bei welchem die inneren Reflexionen ausschließlich Totalreflexionen
sind und für welchen die obigen Bedingungen gelten, so erhält man ,innerhalb des Kegel'stumpfcs
eine Grenze, bei welcher der Grenzwinkel der Totalreflexion durch die immer kleiner werdenden
Reflexionswinkel an der Mantelfläche des Kegelstumpfes erreicht wird; hinter dieser Grenze würden
dann die Strahlen nach außen aus dem Kegelstumpf austreten, wenn man nicht durch geeignete Einrichtungen
dafür sorgt, daß die Strahlen wieder in den Innenraum des Kegelstumpfes reflektiert werden.
Zweckmäßigerweise verspiegelt man hierzu einen kurzen Bereich am schmaleren Ende des Kegelstumpfes ab einem Querschnitt, dessen Durchmesser dx
sich gemäß Gleichung (1) errechnet, wenn man für p' den Wert von q gemäß Gleichung (7) einsetzt und
dessen kleinerer Durchmesser dx am hinteren Ende
des Kegelstumpfes sich gemäß Gleichung (1) in seiner ursprünglichen Fassung berechnet, d. h. wenn man
für p' die Beziehung gemäß Gleichung (2) einsetzt. · . ■
Die erfindungsgemäße Konzentrierungsvorrichtung kann auch aus mehreren parallel angeordneten Vorrichtungen
der beiden oben beschriebenen Arten aufgebaut sein. Dabei liegen alle Eingangsflächen
am Ort der engsten Einschnürung des vom Abbildungssystem gesammelten Strahlenbündels, alle Ausgangsflächen
am Ort des empfindlichen Elements des Empfängers.
Die erfihdungsgemäße Vorrichtung kann jedoch auch aus mehreren in Serie angeordneten Einzelvorrichtungen
mit sich verjüngenden Querschnitten der beiden oben beschriebenen Arten bestehen, die in
unmittelbarem Kontakt miteinander stehen. Zur Verkürzung der Baulänge werden vorzugsweise Totalreflexionen
an 45° gegenüber der optischen Achse geneigten Flächen vorgesehen, so daß der Lichtweg
■gemäß dem Prinzip des Prismenfeldstechers ein- oder mehrfach umgelenkt wird.
Will man eine Anpassung zwischen von der Kreisform abweichenden Eintritts- oder Austrittsflächen
schaffen, z. B. die Anpassung zwischen einem runden Fenster für den eintretenden Strahlungsfluß und
einem kleineren viereckigen Fenster im Bereich des empfindlichen Elements des Empfängers, verformt
man den konzentrierenden Kegelstumpf in ein sogenanntes Konoid. Die Höchstzahl der in einem
solchen Konoid auftretenden inneren Reflexionen bestimmt sich für den Höchstwert des Halbwinkel γ, so
der in diesem Sonderfall durch den Winkel zwischen der optischen Achse und der Geraden aus der Vielzahl
der Erzeugenden des Konoids gegeben ist, die die optische Achse am dichtesten hinter der kleinsten
Austrittsfläche dx des Konoids schneidet.
Um eine Vorstellung von der Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Konzentricrungsvorrichtung zu
erhalten, sind in der folgenden Tabelle I die bei Verwendung von Kegelstümpfen verschiedenen Materialien
mit unterschiedlichen Brechungsindices erzielten Strahlungsflußkonzentrationen angegeben, wobei
die angegebenen Zahlenwerte den Faktoren der Erhöhung der Bestrahlungsstärke mit der erfindüngsgemäßen
Konzentrierungsvorrichtung (mit Immersion) in der kleinsten Austrittsfläche dx im Vergleich
zu den Bestrahlungsstärken, die in Luft mittels in bekannten Systemen angegebenen öffnungen erzielbar
sind, entsprechen:
Faktor der Erhöhung der Bestrahlungsstärke | Glas | (" = 2) | As2Se5 | Ge | |
Luft | (« = 1.5) | 102 | (« = 2,6) | (11 = 4) | |
('i = 1) | 58 | 51 | 172 | 410 | |
F/2,8 | 26 | 29 | 26 | 86 | 205 |
F/2 | 13 | 14 | 13 | 43 | 102 |
Fl 1,4 | 6,4 | 7 | 21 | 51 | |
F/l | 3,2 |
Wie man aus obiger Tabelle erkennt, bringt der Anschluß der erfindungsgemäßen Konzentrierungsvorrichtung
an ein konventionelles Abbildungssystem (unter Einschluß afokaler Systeme) im Vergleich
zu bekannten Vorrichtungen einen erheblichen technischen und wirtschaftlichen Vorteil. Mit bekannten
Abbildungssystemen läßt sich ein günstigeres Verhältnis als F/l nur mit recht komplizierten und aufwendigen
Abbildungssystemen erreichen, deren hohe Kosten ihre Anwendung praktisch ausschließen.
Nimmt man diese hohen Kosten dennoch in Kauf, so befindet man sich selbst bei Verwendung bekannter
Systeme mit öffnungen größer F/l — beispielsweise F/0,6 — weit von der tatsächlich maximal erreichbaren
Strahlungsflußkonzentrierung entfernt, während der Einsatz der erfindungsgemäßen optischen Konzentrierungsvorrichtung
diese Konzentrierung auf technisch einfache und wirtschaftlich vernünftige
Weise erreichen läßt. Es zeigt
Fig. 1 bis 3 Diagramme geometrischer Optik,
die zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen,
Fig. 4 bis 10 schcmalische Darstellungen von
praktischen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Das in F i g. 1 gezeigte Schema des Strahlenverlaufs dient zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen
Konzentrierungsvorrichtung. Die Vorrichtung enthält ein Objektiv 9, welches den von einer
entfernten Strahlungsquelle ausgesandten und unter einem Winkel α auf das Objektiv auftreffenden Strahlungsfluß
sammelt. Es werde angenommen, daß die entfernte Quelle in Luft liegt. Die Brechungsindices sind in den Figuren durch eingekreiste
Ziffern — im vorliegenden Fall 1 — angegeben. Das Objektiv 9 hat eine relative öffnung 1/JV und
gibt das Bild der Strahlungsquelle in seiner Brennebene 10 wieder. Die maximale Neigung der abbildenden
Strahlen gegenüber der optischen Achse sind mit W1 bezeichnet. Der Sinus dieses Winkels
weist einen Wert auf, der in der Nähe von 1/2 N liegt. Der genaue Wert für sin (-)u der für die Anwendung
in den abgeleiteten Formeln wichtig ist, folgt durch Berechnung oder Messung. Unmittelbar
an die Brennebene 10 des Objektivs 9 schließt sich ein Kegelstumpf 11 mit einem Halbwinkel γ am
Scheitelpunkt an, der aus einem für die eingefangene Strahlung transparenten Material vom Brechungsindex
n, besteht. Die große Strahleneingangsfläche 12 liegt in der Brennebene 10 des Objektivs 9 und weist
einen Durchmesser d{ auf, der der Bildgröße in der
Brennebene 10 entspricht. Auf diese Weise dringt der gesamte vom Objektiv 9 eingefangene Strahlungsfluß über die Eintrittsfläche 12 in den Kegelstumpf 11
ein. Hierin werden die Strahlen anschließend durch aufeinanderfolgende Reflexionen an den seitlichen
Mantelflächen bis zur Austrittsfläche 13 geführt, deren
Durchmesser mit dx bezeichnet ist und die unter Zwischenschaltung eines optischen Immersionsmediums
15 vom Brechungsindex H2 an die empfindliche Oberfläche 14 des Empfängers gelegt ist. Durch
entsprechende Dimcnsionierung des Kegelstumpfes kann man erreichen, daß die Reflexionen an der
Mantelfläche des Kegclstumpfes Totalreflexionen sind. Der Kegelstumpf kann jedoch auch mit einer für
die gesammelten Strahlen reflektierenden Verkleidung beschichtet sein. -
Der Durchmesser </x an der Austrittsfläche 13 des
Kegelstumpfes stellt den kleinsten Kegelquerschnitt dar, der von allen Strahlen des eingefangenen Bündels
erreicht wird. Der Wert für dx bestimmt sich nach
der oben angegebenen Formel (1). Würde man den Konus jenseits des Durchmessers dx abschneiden,
so würde ein Teil der Strahlen des eingefangenen Strahlenbündels zur Eintrittsfläche d, zurückkehren,
bevor er die Minimalfläche dx erreicht hat. Die Zahl />'
von Formel (1) drückt die Höchstzahl der inneren Reflexionen aus, der der ungünstigste Strahl unterworfen
ist, ohne in sich selbst zurückzufallen. Das ist der einfallende Strahl, der in einer Mittelebene
liegt und einen Winkel ΘΛ mit der optischen Achse·
bildet und durch den Rand der Eintrittsfläche 12 in den Kegelstumpf eintritt. Der Wert dieser Zahl p'
wird durch die Formel (2) gegeben. Der Winkel /J1,
dessen Wert aus Formel (3) ableitbar ist, gestattet eine Vereinfachung der Schreibweise der Formeln (1)
und (2).
Der Scheitelhalbwinkel γ des Kegelstumpfes bestimmt
zusammen mit den anderen Parametern die Konzentrationsfähigkeit des Kcgelstumpfes. Tatsächlich
enthält ein kegelstumpfförmiger Körper als optisches, nicht punktförmig abbildendes System
nicht die geometrische Ausdehnung des eingefangenen Bündels bei und bedingt daher einen systematischen
Verlust, der sich durch einen zu großen Durchmesser dx
für die Austrittsfläche 13 bei Anwendung der Formel ( 1) bemerkbar macht. Der systematische Verlust würde
in Abhängigkeit1 von den Größen γ, W1, η, und ;i2 in
der oben gezeigten Weise berechnet. Die maximale, tatsächlich erreichbare Konzentrierung mittels des
Kegelstumpfes ist gegeben durch folgende Beziehung:
c'· -WJ
(11)
Unter den gleichen Bedingungen ergibt sich eine maximale Grenzkonzentration C1, entsprechend:
η2
sin2 (-)
sin2 (-)
(12)
Klammern stehenden Ausdrucks der Formel (4) zumindest annähernd gleich Eins sein. Diese Formel
gestattet den Bau eines leistungsfähigen Kegelstumpfes, während die Formel (1) in Verbindung mit den
Formeln (2) und (3) erlaubt, diesen Kegelstumpf an der Stelle abzuschneiden, wo sich die optimale
Konzentration des eingefangenen Strahlenbündels ergibt. Die abgeleiteten Bestimmungen erlauben daher,
den besten Kegelstumpf zu bestimmen und ihn an der bestmöglichen Stelle abzuschneiden. ;·.·■· . .
Will man die Reflexionen der Strahlen an der
Mantelfläche des Kegelstumpfes ausschließlich als Totalreflexionen haben, so erhält man einen neuen
Parameter, den Grenzwinkel der Totalreflexion des Mediums mit dem Brechungsindex n, des Kegelstumpfes
im Bereich mit dem Index 1. Dieser Winkel wird mit ληχ bezeichnet, und sein Wert bestimmt
sich bekanntlich arc sin l/n,. Ersetzt man die Maximalzahl von Reflexionen />' durch die Maximalzahl von
Totalreflexionen q, die sich aus Formel (7) ergibt, so nimmt Formel (4) die Form von Formel (8) an.
Man erkennt, daß in den Formeln (7) und (8) der Brechungsindex H2 des Immersionsmediums nicht
mehr vorhanden ist. Bei Totalreflexionen erhält man einen Maximalwert für den Immersionsindex,
der gleich ist: '
Wenn man trotzdem das empfindliche Element des Empfängers oder den Kegelstumpf selbst in ein
Medium mit größerem Brechungsindex als
'
eintauchen will, so ist es notwendig, die Mantelfläche des Kegels im Bereich des kleinen Austrittsfensters
mit einem reflektierenden überzug zu verkleiden. Dieser überzug ist zwischen demjenigen Querschnitt
4°' des Kegelstumpfes, dessen Durchmesser mittels der
Formel (7) bestimmbar ist und dem Mindestquerschnitt anzuordnen, dessen Durchmesser in Abhängigkeit
vom Brechungsindex H2 des Immersionsmediums mittels Formel (1) bestimmbar ist.
Der kleinste Wert, der vom Brechungsindex Ji2
'angenommen werden-kann, ist 1. Dabei liegt das
empfindliche Element des Empfängers in luft. Der größte Wert für den Index /I2 ist der Wert des Index Ji1.
Dabei liegt das emplindliche Element des Empfängers
direkt auf dem kleinen Fenster des Kegelst umpifes auf. Für diesen letzten Fall, in dem der Durchmesser
des kleinen Fensters des Kegelstumpfes mit d, bezeichnet
ist, erhält man an Stelle der Formeln (1). (2) und (4) die folgenden Formeln (14). (15) und (16):
Diese Grenzkonzentration entspricht einem idealen Mihdestquerschnitt für den Kegelstumpf mit einem
Durchmesser4) (kleiner als </Λ). und man'-erhält':.
Öas Verhältnis der ÄätsäciiHiihcti (R^izeniraftöh
zur theoretischen'' nVa xtmiiieh K oH'/ehfration JsIt gemäß
Giei^üng^fein Mäiß\^
tnerüiig de|i SttaWüngsrlusses/D^
iiis Ems.NVenTi man aber wünscht; ΰ;ιίί; trmB^'ch'st aient;;an Eins liegt; !so hiiffi fe; ^«'dMWert^alfi *L
tnerüiig de|i SttaWüngsrlusses/D^
iiis Ems.NVenTi man aber wünscht; ΰ;ιίί; trmB^'ch'st aient;;an Eins liegt; !so hiiffi fe; ^«'dMWert^alfi *L
Λ γ-
sin
.'«':(. W if i
Die Formeln (I), (2), (3), (7), (14) und (15) sind »genaue« Formeln, d. h., sie enthalten keinerlei Annäherung.
Es ist jedoch zweckmäßig, insbesondere zur Erstellung der Gruridformeln (4), (8) und (16),
deren genaue Formen kompliziert und unübersichtlich wären, angenäherte Formeln abzuleiten. Derartige
Ableitungen sind besonders deshalb nützlich, weil das Verhältnis η selbst einen notwendigerweise
abgerundeten Wert — beispielsweise 0,80 oder 0,85 — darstellt.
Eine erste Näherung läßt sich für den Fall durchführen, daß die Maximalzahl der Reflexionen />' bzw.
q oder ρ ziemlich groß ist. Dies ist der Fall, wenn der Halbwinkel γ des Kegelstumpfes ziemlich klein
gewählt wird. Dabei läßt sich die ganze Zahl p' beispielsweise durch die nicht ganze Zahl des Klammerausdrucks
von Formel (2) verwenden. Verwendet man d'x als angenäherten Wert für den Durchmesser
des minimalen Querschnitts des Kegelstumpfes, so erhält man
d'
sin ([I1 -γ)
• (17)
Bei Totalreflexion kann die Maximalzahl der Reflexionen q dem nicht ganzen Wert des Klammerausdrucks
von Formel (7) angeglichen werden. Bezeichnet man mit i/4 den angenäherten Wert des
Durchmessers an der minimalen Querschnittsfläche des Kegelstumpfes, so erhält man
dl
cos (A /1, — 2 γ)
sin(/;, -γ)
sin(/;, -γ)
(18) J5
Liegt das empfindliche Element des Empfängers direkt auf dem kleinen Fenster des Kegelstiunpfes,
d. h. im Bereich der minimalen QuersehniUslläche
desselben, so kann die Maximalzahl der Reflexionen ρ im nicht ganzen Wert des Klammerausdrucks von ■
Formel (15) angegeben werden. Wenn man mit </i
den angenäherten Wert des Durchmessers der minimalen
Querschnittsfläthe des Kcgclstumpfes lie/eichnet,
so erhält man ' :.'"
: COS γ
(19)
Die Formeln (17), (18) und (19) stellen eine ausgezeichnete
Annäherung dar. Man kann /eigen, daß die durch ihre Verwendung bedingten Fehler immer
unter γ2/2 liegen, so daß selbst bei Verwendung eines
Halbwinkels γ von 1 /K) rad der relative Fehler kleiner
als 1/200, bezogen auf die Längen, ist.
Line zweite Annäherung erhält man, wenn man den Wert des Halbwinkels γ am Scheitelpunkt vernachlässigt,
d. h. wenn man annimmt, dall dieser Winkel gegen Null geht. Wenn man.die derart angenäherten
Werte des Durchmessers der minimalen Querschnittsfläche des Kegelstumpfes mit d'K\
<l[' und d'i bezeichnet, dann erhält man für den lall
der Totalreflexion und den Fall des. vollständigen Eintauchens des empfindlichen Eilements des Lnip- f>5
fängers, d. h. Tür den Fall, in dem dieses Element selbst direkt im Austrittsfenster des Kegclsliiinpfes
liegt, folgende Beziehungen:
"1 | lh | (20) |
sin W1 | (21) | |
ή = | .MrX · sin W1 |
sin (-),
Diese Formeln gelten Tür unendlich lange Kegelstümpfe mit einem an ihrem Scheitelpunkt unendlich
kleinen Winkel. Inder Praxis sind durch diese Formeln
recht gut optisch leitfähige Fasern (Lichtleiter) dargestellt.
In allen Fällen wird die Länge L eines Kegelstumpfes vom Halbwinkel ;· am Scheitelpunkt sowie
durch die Durchmesser «/, und dx bestimmt:
L —
(23)
dx kann in dieser Formel einen der vorstehend bezeichneten
Werte d^ dx, dx\ J4, i/4, d^', (I1, di oder d'i
erhalten. '
Bei dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist an Stelle des in F i g. I verwendeten Objektivs 9
ein sphärischer Spiegel 16 verwendet, dereinem Kegelstumpf 17 in ähnlicher Weise wie das Objektiv 9
dem Kegelstumpf 11 vorgeschaltet ist. An Stelle des sphärischen Spiegels 16 kann auch ein sphärischer
oder elliptischer Diopter verwendet werden, der in gleicher Weise wie ein entsprechendes Linsenobjektiv
wirkt. Schließlich kann man als frontales Abbildungssystem auch ein afokales System verwenden,
bei welchem der gesamte, am Eingang durch eine große Pupille eingefallene Strahiungsfluß am
Ausgang durch eine kleine Pupille bzw. einen »Okularkreis« verläuft, ohne ein wirkliches Bild in der Ebene
dieses Kreises zu entwerfen.
Für alle Arten von Abbildungssystemen wurde eine einzige Formel erstellt, um die maximale theoretische
Konzentration C0 anzugeben, die vom zugehörigen
Kegelstumpf verlangt wird. Bezeichnet man die öffiiuiigs/ahl des Frontalsystems mit N,
so erhält man bei Verwendung eines afokalen Frontalsystems folgende Formel:
C11
(24)
Dabei ist n, der Brechungsindex des Immersionsmediums,
in welches das empfindliche Element des· Empfängers eingetaucht ist. Das Verhältnis der tatsächlichen
Konzentration C7 zur maximal möglichen Konzentration ('„ entspricht gemäß Gleichungen
dem Wert ;/, d.h. dein Vciliältnis der Bestrahlungsstärke
eines wirklichen Kegelstiunpfes gegenüber der Bestrahlungsstärke eines idealen Kegelstunipfes.
LJm alle theoretischen Elemente zu erfassen, die beider vollständigen IkfiiiitioiHk'scrlindimgsgeinäßen
Kegelstunipfes eine Rolle spielen, muß noch das Feld 1 berücksichtigt werden, welches gleichzeitig
für das Signal-Störgeräu.sch-Vcrhältnis des zugehörigen
Empfängers von Bedeutung ist. ( ·
Mit κ werde der 'Öffnungswinkel-, der .Strahlungsquelle
bezeichnet, deren Strahlung konzentriert werden' soll. / sei das Feld der optischen K.onzenlrieruiigsvOiiichlung,
d. h. der Winkel de-s größten Bündels, den die Kombination Abbildungssystem
, Kegelstumpf gerade noch einfangen kann.
Es kann ohne weiteres gezeigt werden, daß der notwendige und ausreichende Zustand für eine maximale
Konzentrierung durch
F < U
(25)
ausdrückbar ist. Für f < α wird nicht der maximale
Strahlungsfluß erfaßt, die erzielte Bestrahlungsstärke ist jedoch maximal; ist e
> «, so wird zwar ein größerer Strahlungsfluß eingefangen, die erzielte Bestrahlungsstärke
ist jedoch nicht maximal. Ihr theoretischer Wert ist gleich der maximalen Bestrahlungsstärke
dividiert durch den Wert
Das Signal-Störgeräusch-Verhältnis wird daher
kleiner. Der optimale Zustand ist dann erreicht, wenn e = « ist.
Es ist wichtig, diesen optimalen Zustand einzuhalten, da dadurch gleichzeitig das Einfangen eines
maximalen Strahlungsstromes und ein optimales Signal-Störgeräusch-Verhältnis sichergestellt ist. Die
Einhaltung dieses Zustandes bietet in folgenden Fällen keinerlei Schwierigkeit: Dieser Zustand läßt sich
beispielsweise dann einfach einstellen, wenn man Ort und Durchmesser der Strahlungsquelle kennt.
Dies ist bei den meisten Laborstrahlungsquellen, wie Zellen, Bolometer, aber auch bei der Sonne
gegeben. Verwendet man die Sonne als Strahlungsquelle, so genügt es, der optischen Konzentrierungsvorrichtung
eine Bewegung zu vermitteln, daß dieselbe der Sonne genau folgt. Schließlich läßt sich der
obengenannte optimale Zustand auch in solchen Fällen einstellen, in denen die Strahlungsquelle von
einem Sender gebildet ist, der einen bestimmten Raum mit einem konzentrierten Strahlungsbündel
bestreicht, desren Wellenlänge im allgemeinen im Ultraratbereich oder im Bereich sehr kurzer Hertzscher
Wellen liegt. Es genügt dann, der Konzentrierungsvorrichtung
einen Feldwinkel zu geben, welcher demjenigen des den Raum bestreichenden Bündels
gleich ist, wobei beachtet werden muß, daß die optische Achseder Konzentrierungsvorrichtung immer
parallel mit der Achse des Senders bleibt. Die erlindungsgcmäßcn
Vorteile lassen sich auch bei Verwendung eines Senders erreichen, wie er in der französischen Patentschrift 1 358 366 beschrieben ist.
Wenn das Signal-Störgeräusch-Verhältnis aufrechterhalten
bleiben soll, ergibt sich die Wahl /wischen
zwei Varianten tier optisc'hurii Kpnzentrierungsvorrichtung:
Entweder man gibt der Kon/entrierungs-VOirichtung
ein kleinesF1CJd"*.und bestreicht sie
mit einem Sender /ur Erforschung des Gesamtfelde:;
/' des Empfängers. In diesem Fall schwankt die cr/iclte Bestrahlungsstärke^ an der Eiutrittsflächc
des -Sirahlungsstroines in den Stuinpfkiuel zeitlich
in Abhängigkeit von der Bestrahlung, und es HiIH sich du Bild auf einem Bildschirm er/kkn, welches
duitli Modulieren der Helligkeit der Lin/elpunkte
des Bildschirmes in Abhängigkeit -von der unter-.sdik-tllichcii,
vom Kegelstumpf erzeugten Bestrahlungsstärke erzeugt wird. Hierfür läßt sich die aus
der Fcnnelitcchnik b.knuute; AhI u%t met linde .durch-.führi.11.
!!!.-.ttcsondeic.. die, bei weLlun; mit einer
.ein/igen iotoclcklristlien /eile (Ikonoskop) gearbeitet
wird- Man kann auch ein parallelueschaltetes Kcgellild
an Stelle eines ein/iuen KegelsUiinpfes
verwenden. Dadurch wird das Gesamtfeld erhöht, ohne daß das Signal-Störgeräusch-Verhältnis für
jeden elementaren Kegelstumpf des Bündels verändert wird. Dies gilt unter der Bedingung, daß das Feld e
eines jeden Kegelstumpfes des Bündels kleiner oder höchstens gleich dem kleinsten offensichtlichen Winkel
der festzustellenden Strahlungsquellen ist.
Dadurch erzielt man ein permanentes Bild oder zumindest eine permanente Ortsbestimmung der
Strahlungsquellen bzw. der Sender im Gesamtfeld Γ des Empfangers. Das Kcgelstumpfbündel kann auch
ein Bündel von gemäß der Erfindung geformten konischen optischen Fasern sein. Diese Fasern unterscheiden
sich von den bereits bekannten Fasern dadurch, daß ihre Kegelform optimal ist. Dadurch
läßt sich ihre Länge und auch die davon abhängige Absorption wesentlich verringern, ja sogar nahezu
unterdrücken.
Die beschriebene Variante entspricht der in F i g. 3 schematisch dargestellten Vorrichtung. Dabei wird
von einem Objektiv 24 der Strahlungsfluß aus einem Feld Γ eingefangen und zunächst zu einem Bild e{
vom Durchmesser </, in die Brennebene 25 des Linsenobjektivs 24 konzentriert. In der Brennebene 25 liegen
außerdem sämtliche Strahleneintrittsflächen der Kegelstümpfe des Bündels 26, so auch die Strahleneintrittsfläche
des Kegelstumpfes 27. Ein elementarer Kegelstumpf weist je eine große Eintrittsfläche mit
dem Durchmesser </, und eine kleine Austrittsfläche
mit dem Durchmesser dx auf, während mit ex der
Durchmesser der zusammengefaßten Minimalquerschnitte des gesamten Kegelstumpfbündels bezeichnet
ist. Das Feld eines einzigen Kegelstumpfes ist mit e
bezeichnet. Dabei gilt
(26)
Ist U der offensichtlich kleinste Durchmesser der Strahlungsquellen, deren Strahlung konzentriert werden
soll,, so genügt es, r
< ff einzustellen, um eine optische Konzentricrungsvorrichtung zu definieren,
deren Gesamtfeld gleich 7' ist und die unter besten optischen Bedingungen für das Verhältnis Signal/
Störgeräusch ein Bild maximaler Strahlungsstärke am Durchmesser ex ergibt und deren Trennfähigkeit
gleich 'e ist.
Die erste oben beschriebene Variante mit einem einzigen Kegelstumpf vom Feld f entspricht dem
gestrichelten zentralen elementaren Kegelstumpf 28 in F i g. 3, dessen große Eintrittsfläche 29 nur ein
Teil des vom Objektiv 24 in der Ebene 25 abgebildeten
Bildes umfaßt. Das GcsanüTcld /' läßt sich durch
Abtasten der Bildfläche 29 systematisch erforschen; ilabei werden die jeweils /11 einem Feld f gehörigen
Elementarbilder abgetastet.
Nachdem alle Einzelelemente der optischen Kon-/efitrieruiigsvorrichtung
behandelt sind, soll schließlich noch auf das Zusammenwirken dieser Vorrichtung
mit dem empfindlichen Element'des Empfängers
f>o eingegangen werden. Das empfindliche Element liegt
häufig in Form einer ebenen oder gewölbten dünnen Platte oder eines Bandes vor: Man wird bemüht sein,
die empfindliche Oberfläche des Empfängers möglichst
nahe an der minimalen Austrittsfläche.,dies .Kegel-
<»5 stumpfes anzuordnen und Form undyÄfimessungen
des empfindlichen Elements und der Austrittsfläche möglichst weitgehend aneinander anzugleichen. Steht
als empfindliches Element eine flache Kreisfläche
13 14
zur Verfugung, so wird deren Durchmesser gleich Eine Analyse der obigen Formeln ergibt sechs
dem Durchmesser dx des MinimalquerschniUes der unabhängige und neun abhängige Parameter, das
Austrittsfläche des Kcgelstumpfes sein. Hei Abwei- sind insgesamt fünfzehn Hauptparameter, die für
chungen von der Kreisform wird man bemüht sein, jeden Anwendungszweck besonders auszuwählen bzw.
die Austrittsfläche des Kegelstumpfes möglichst weit- 5 anzupassen sind.
gehend in Übereinstimmung mit der Fläche des Die sechs unabhängigen Parameter können beiempfindlichen
Elements des Empfängers zu bringen. spielsweisc folgende sein:
Die empfindliche Oberfläche des Empfängers kann scheinbare Mindestwinkcl „, unter dem
dabei entweder direkt in der Ebene der Austritts- aj Strahlungsquclle von der option Konflache
des Kegelstumpfes hegen oder über erne dünne I0 zentricrungsvorrichtung »gesehen« wird. Der
Schicht bzw einen dünnen Film einer geeigneten dayon b* . panrmc,er ist das Feld, des
Zwischensubstanz mit dem empfindlichen Element Elementarkcgclstumpfcs (,■
< «).
verbunden sein. Dies ,st beispielsweise bei Verwen- üffnungszahl N des frontalen Abbildungsdung eines Bolometers mit einem in Germanium em- J verwendeten afokalen Sammelgetauch en Term.stor notwendig, der elektrisch durch ,5 s*stcms Der davon abhü j Paramctcr ist einen dünnen Selenfilm isoliert sein muß. Das empfind- * Maximalwinkel β, des eingefangenen Strahhche Llcmen des ,Empfänger^ kjinn auch meinem lenbündels zu optischen Achse .
gewissen Abstand von der Austrittsllache des Kegel- '
stumpfes, jedoch so nahe als möglich an letzterer in
Luft angeordnet sein. 20 (sin«, = 1/2 N). (28)
verbunden sein. Dies ,st beispielsweise bei Verwen- üffnungszahl N des frontalen Abbildungsdung eines Bolometers mit einem in Germanium em- J verwendeten afokalen Sammelgetauch en Term.stor notwendig, der elektrisch durch ,5 s*stcms Der davon abhü j Paramctcr ist einen dünnen Selenfilm isoliert sein muß. Das empfind- * Maximalwinkel β, des eingefangenen Strahhche Llcmen des ,Empfänger^ kjinn auch meinem lenbündels zu optischen Achse .
gewissen Abstand von der Austrittsllache des Kegel- '
stumpfes, jedoch so nahe als möglich an letzterer in
Luft angeordnet sein. 20 (sin«, = 1/2 N). (28)
Im folgenden soll kurz auf die verschiedenen
Arten von Oberflächen der empfindlichen Elemente 3. Der Durchmesser </, der großen Eintrittsfläche
des Empfängers eingegangen werden. Hier sollen des Strahlungsflusses. Die hiervon abhängigen
einmal Elemente der Kategorie A definiert werden: zwei Parameter sind die Brennweite/ des fron-
Dies sind solche, die in der Lage sind, das erzeugte 25 talen optischen Abbildungssystems
Bild wirksam zu verwenden, und Elemente von der
Bild wirksam zu verwenden, und Elemente von der
Kategorie B, die lediglich auf das Integral aller auf ■·(_/' = (/,/*■) (29)
sie einfallenden Einzelbelichtungen reagieren. Die
sie einfallenden Einzelbelichtungen reagieren. Die
Elemente der Kategorie A reagieren auf die auf jeden und der Radius R der Eingangspupille des Froneinzelnen Punkt ihrer Oberfläche auftreffende Be- 30 talsystems
Strahlungsstärke, und zwar so, als ob diese Punkte ,jb _ r/\j\ nfn
voneinander unabhängig wären, wobei die erreichbare \ — Jl ) · \ )
Auflösungsgrenze berücksichtigt werden muß, die
Auflösungsgrenze berücksichtigt werden muß, die
durch den diskontinuierlichen Aufbau der empfind- 4. Der Brechungsindex ;/2 des Immersionsmediums,
liehen Oberflächen bedingt ist. Unter die Kategorie A 35 in welches die empfindliche Oberfläche des
fallen beispielsweise die Retina des Auges, mit licht- Empfängers eintaucht. Abhängiger Parameter
empfindlichen Substanzen beschichtete Oberflächen ist hier die vom Elementarkcgelstumpf verlangte
— wie fotografische Platten und Filme — phospho- Maximalkonzcntration
reszierende oder fluoreszierende Bildschirme, Fotokatoden, zellenartig aufgebaute lichtempfindliche EIe- 40 (C0 = 4 N2 ;i|). (31) mente u.dgl. Die lichtempfindlichen Elemente der
reszierende oder fluoreszierende Bildschirme, Fotokatoden, zellenartig aufgebaute lichtempfindliche EIe- 40 (C0 = 4 N2 ;i|). (31) mente u.dgl. Die lichtempfindlichen Elemente der
Kategorie B reagieren nicht differentiiert auf an 5. Der Brechungsindex /i, des Materials, aus dem
einzelnen Oberflächenpunkten auftretende Bestrah- der Elementarkegelstumpf besteht (vgl. die einjungen. In diesem Zusammenhang sind zu nennen: gangs genannten Formeln),
fotoelektrische Zellen, Mctallbänder und Termistoren 45 6. Das Verhältnis zwischen der von der Konzenvori Bolometern sowie fotoleitfähige Zellen und bei trierungsvorrichtung erreichten Bestrahlungs-Bestrahlung stromliefernde Zellen. stärke und der theoretisch erreichbaren maxi-
fotoelektrische Zellen, Mctallbänder und Termistoren 45 6. Das Verhältnis zwischen der von der Konzenvori Bolometern sowie fotoleitfähige Zellen und bei trierungsvorrichtung erreichten Bestrahlungs-Bestrahlung stromliefernde Zellen. stärke und der theoretisch erreichbaren maxi-
Es.fassen,sich nicht alle beschriebenen Typen von malen Bestrahlungsstärke. Die abhängigen Paraempfindlichen
Oberflächen mit den erfindungs- meter sind: der Halbwinkel γ am Scheitelpunkt
gemäßen Konzentrierungsvorrichtungen beliebigasso- 50 des Elementarkegelstumpfes (abhängig von >y,
ziicren. Insbesondere kann ein Kegelstumpfbündel H1 und n2 und N); die wirkliche Konzentrierung
gemäß Fi g. 3 nur mit einem empfindlichen Element C7, die der Elementarkegclstumpf erreicht
einer Oberfläche der Kategorie A verbunden werden, {Cy = C0 ■ η); der Durchmesser dx der minida
im anderen Fall das Signal-Störgeräusch-Ver- malen Austrittsflächc des Kegelstumpfes C7
hälthis in unerwünschter Weise verkleinert würde. 55 '
hälthis in unerwünschter Weise verkleinert würde. 55 '
Unabhängig davon, ob der betrachtete Kegelstumpf , Zn?
ein Teil eines Kegelstumpfbündels gemäß F i g. 3 Cy = (-T-) (32)
ist oder ob er gehiäß den F ig. 1 oder 2 für sich V «x / allein
verwendet wird, gilt für den Durchmesser dx
det Eintrittsfläche für den Strahluhgsstrom immer 6° sowie die Länge des Elcmentarkegelstumpfcs L:
• ;i'.': ; : ' <?, = /·'.■·■.■·■■"■ ; (27) ■ j _ 1^-Sx ^
;-ί Im' "folgenden sbileiri solcher''Kegelstumpf als Eic- ::
"'imentarke^eletumpf bezeichnet werden, ύτίά zwar f>5 wqbei fÜT \g)> ·= 1 ''angenommen wird.
"'imentarke^eletumpf bezeichnet werden, ύτίά zwar f>5 wqbei fÜT \g)> ·= 1 ''angenommen wird.
^'dann, wenn er aHeih'äis Röhzehtrierungsvor- Dieseh Paranie^erh können zwei weitere riinzüurig
zum !Einsatz'gelangt und dabei das gesamte gefügt werden, die im Verlauf der folgenden Be^cnrei-
T igieich "dem Winkel / wird. 6üng auftreten und mit ä{) ^ und L0 beze'ichneil sind.
dp bezeichnet den idoalen Minimaldurchmesser des
Elernenfarkegelstumpfes, welcher der Maximajkonzentration CQ entsprechen würde, und L0 ist die
Länge dieses theoretischen Kegelstumpfes mit den Enddurchmessern dx und d0.
Die folgende Tabelle Ii gibt das Verhältnis zwischen den Parametern N, γ, η, C0, L0 und d0 für den Spezial
fall an, daß das empfindliche Element des Empfängers Luft eintaucht («2 = I) bzw. der Kegelstumpf
aus norrnalem Glas besteht (H1 = 1,5).
V [rad] | η =■ | 4 ' ■ | ÖITnungszahl des fr f/1,4 S |
ontälen Abbildungss F/2. ■ C 16 |
ystems (einschließlicl . f/2,8 ■■; 32 |
ι afokaler Systeme) : .FIA 64 |
•■,■f/5,6 : ■ • . 128' , |
L0 = | 0,664 | 0,548 | 0,432 | 0,32! | -■-■; 0,226 | 0,15ν | |
1/10 | V ~ | " 5 do | :9d0 | 15 d0 | 23 4 | 35d0- | 52 4 |
L0 = | 0,8O3 | 0,7I7 | 0,623 | 0,5O6 | 0,4O8 | 0,3O7 | |
1/20 | η = | 1Od0 | 18 do | 30 d0 | 46 do | 70dQ | 1044 |
L0 = | 0,865 | 0,792 . | 0,7I9 | . 0,627 | 0,526 | 0,42, | |
1/30 | i, = | 15dQ | 27 do | 45 d0 | . 7Od0 | 105 dQ | 1564 ■ |
L0 = | 0,9I2 | 0,874 | 0,824 | ■■■■. 0,74s .;. | 0,663 | 0,56c, | |
1/50 | η ■== | 25 dQ | 46 do . | 75 d0 | 116 do ' | i75d0 | 258 4 |
1/100 | Lo = | 0,95, | Ö,922 | 0,899 | Ö,857 | 0,8O5 | Ö,73a. |
r/ = | 5Od0 | 92d0 | 15Od0 | 233 do | 35Od0 | ■ 516 4 | |
1/1000 | L0- | 0,99, | 0,992 | ' 0,990 | o,984; | 0,976 | Ö,968 |
500 do | 9140 do | 15QOd0 | 2328 d0 | 3500 4 | 516Od0 ·, |
Ist es beispielsweise erwünscht, auf der empfindlichen
in Luft verwendeten Oberfläche eines Emp- 4P fangers eine Bestrahlungsstärke zu erzielen, die gleich
80% der möglichen maximalen Bestrahlungsstärke entsprechend η = 0,80 ist, lasseh sich aus der obigen
Tabelle sämtliche y-Werte in Abhängigkeit von der Öffnungszahl des frontalen Abbildungssystems unter
Einschluß afokaler Systeme entnehmen. Für eine Öffnung F/2 und einen gewählten· C0-Wert von. 16
erhält man für r/ = 0,82 einen y-Wert von 1/50 rad.
Für die Öffnung F/1,4 erhält man bei η = 0,79 einen
y-Wert von 1,30 rad. Gleichzeitig ist der Tabelle II
eine Bewertung der Länge L0 in Abhängigkeit von d0
entnehmbar, so daß man eine Vorstellung über die Größenordnung der wirklichen Länge in Abhängigkeit
vom Durchmesser der empfindlichen Oberfläche des Empfängers erhält. Ist. letzterer beispielsweise
0,5 mm, so hat L0 im erstgenannten Beispiel bei
einer Öffnung von F/2 einen Wert von etwa 32 mm und im zweiten Beispiel bei F/1,4 von etwa 14 mm.
Die tatsächliche Länge des Kegelstumpfes ist etwas kürzer. Sie beträgt weniger als 30 mm im ersten
Fall und 10 mm oder etwas mehr im zweiten Fall. Die Tabelleriwerte sind daher gut geeignet, eine
ungefähre Vorstellung von der wirklichen, Abmessung der verwendbaren Kegelstümpfe zu erhalten.
Im folgenden sollen sechs auf verschiedenen Gebieten Hegende praktische Anwendungsbeispiele behandelt
werden, welche zeigen, in wie guter Weise die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet ist, verschiedene Strahlungsflüsse auf verschiedene zur Verfügung stehende empfindliche Elemente der Empfänger
zu konzentrieren.
In F i g. 4 ist der optische Teil eines Bolometers mit eingetauchtem Termistor gezeigt. Die Konzentrierungsvorrichtung
ist von zwei in ihren Eintrittsflächen 41, 42 sphärisch gekrümmten frontalen Abbildungssystemen
37, 38 gebildet, deren optische Achsen 39, 40 zu der in einer bekannten Entfernung
liegenden Ultrarotquelle konvergieren. Der Brechungsindex
der Materialien der beiden Abbildungssysteme 37, 38 beträgt 1,8. Die beiden Eiritrittsflächen
41, 42 sind mit einem Antireflexüberzug versehen und weisen einen Öffnungsdurchmesser
von 12 mm bei einem Krümmungsradius von 19,2 mm auf. Die Reflexionsflächen 43, 44 weisen einen Winkel
von etwa 45° gegenüber den optischen Achsen 39, 40 auf und bewirken eine Totalreflexion des eingefangenen
Strahlungsflusses in Richtung der zusammenfallenden optischen Achsen 45. Die entsprechenden Bilder werden
bei 46 bzw. 47 in zwei weitere Kegelstümpfe 48,49 übertragen, deren große Eintrittsflächen bei 46 bzw. 47
einen Durchmesser von 2,4 mm haben. Ihre Länge beträgt 100 mm, und die minimalen Austrittsflächen
haben einen Durchmesser von 0,43 mm, An die Kegelstümpfe 48, 49 schließt sich endlich noch je
ein weiterer Kegelstumpf 52, 53 aus Silizium an.
Diese Kegelstümpfe sind in der Zeichnung ,schwarz
009650/43
angelegt. Sie haben eine Länge von 3,04 mm und eine kleine Austrittsfläche von 0,23 mm. Die beiden
Endflächen beaufschlagen die beiden Oberflächen eines halbleitenden empfindlichen Bandes 56 (Termistor),
von dem sie durch dünne, beispielsweise aus einer Arsen-Selen-Legierung bestehende Filme 57,
58 isoliert sind. Die Abmessungen der Endelemente sind in F i g. 4 zur besseren Übersicht übertrieben
dargestellt. In Wirklichkeit liegen die Endfenster bzw. Austrittsflächen 54,55 äußerst dicht am Band 56.
Dieses Band ist mit dem in der Zeichnung nicht dargestellten elektrischen Teil des Bolometers verbunden.
Im folgenden soll die mit der Anordnung gemäß F i g. 4 erzielbare Strahlungsflußkonzentration mit
Konzentrationen die mittels üblicher Bolometer erzielbar sind. Bei Annahme eines η-Wertes von 0,89
für jeden der beiden gleichen' Kegelstümpfe ergibt sich ein resultierender η-Wert — entsprechend dem
Produkt der beiden //-Werte — von 0,79, so daß für die Berechnungen ein tatsächlicher //-Wert von 0,70
angenommen werden kann. Die anderen Verluste an Bestrahlungsstärke bzw. Konzentrierungsfähigkeit
der Kegelstümpfe sind die gleichen in dem erfindungsgemäß konstruierten Bolometer wie bei bekannten
Bolometern. Sie werden daher hier nicht weiter berücksichtigt. Es läßt sich zeigen, daß die Bestrahlungsstärke
eines erfindungsgemäß gebauten Bolometers gegenüber einem Bolometer mit eingetauchtem
Termistor, bei welchem als konvergierendes Eingangssystem ein sphärischer Diopter mit den gleichen
Eigenschaften der beschriebenen Kegelstümpfe 37, 38 verwendet ist, mehr als 200 mal größer ist.
Im übrigen haben Bolometer bekannter Bauart meistens Eingangsdiopter mit geringeren öffnungen
oder mit weniger gut ausgeprägten optischen Eigenschaften. So kann beispielsweise das empfindliche
Band im geometrischen Zentrum des sphärischen Diopters angeordnet sein, wodurch die Leistung in
unerwünschter Weise verringert wird. Auf Grund von.Berechnungen ergibt sich, daß gegenüber einem
Frontalsystem mit einer öffnung von F/3 die mit einem erfindungsgemäßen Bolometer erzielbare Bestrahlungsstärke
um mehr als 450mal größer ist.
Im Verhältnis zu einem Bolometer, der als optisches Eingangssystem lediglich ein Fenster mit planparallelen
Flächen besitzt, ist die mit der erfindungsgemäßen Kpnzentrierungsvorrichtung erzielbare Bestrahlungsstärke
für eine unter dem scheinbaren Winkel« befindliche Strahlungsquelle noch weitaus größer,
da der Winkel α im Quadrad in die Berechnungen eingeht. So erhält man beispielsweise für ein Strahlungsfeld
von 1/10 rad eine ungefähr 5000mal größere Bestrahlungsstärke.
. Das zweite Beispiel betrifft eine optische Konzentrierungsvorrichtung,
die mit einem aktiven Detektor Tür Zentimeterwellen gekoppelt ist (z. B. Flakdetektor
mit Radar oder Maser). Als empfindliches Element des Empfängers dient in diesem Beispiel, welches in
F i g. 5 schematisch dargestellt ist, eine Dipolantenne 59, deren nutzbarer Mindestdurchmesser d0 in der
Größenordnung von 0,5 cm liegt. Der Dipol 59 wird in Luft angenommen. Hier gilt H2 = 1. Das
sammelnde Abbildungssystem wird von einem Parabolspiegel 50 gebildet, der auf F/1,4 geöffnet ist.
Die erfindungsgemäße Konzentrierungsvorrichtung besteht hierbei aus einem Stumpfkegel 61 mit dem
Brechungsindex H1 = 1, bei welchem sich die theoretische
Maximalkonzentration C0 entsprechend Gleichung
(24) berechnet zu
Mit dem vorgegebenen Wert d0 = 0,5 cm folgt
entsprechend Gleichung (13) für (I1
di =0,5
= 1,41 cm.
Der Feldwinkel des Abtastpunktes im Ultrakurzwellenbereich liegt in der Größenordnung von etwa
30 Minuten, was 1/100 rad entspricht. Daher legt man r auf diesen Wert fest.
. Gemäß Gleichung (29) ergibt sich dann für die Brennweite/ des Parabolspiegels 141 cm.
Unter Zugrundelegung von Gleichung (30) berechnet sich dann der Durchmesser 21? des Parabolspiegels
60 zu 100 cm.
Es bleiben noch die optimalen Merkmale des Kegelstumpfes 61 zu bestimmen. Unter Zugrundelegung
des oben bestimmten C0-Wertes von 8 ergeben
sich mehrere Möglichkeiten für den Halbwinkel γ am Scheitelpunkt. Ein y-Wert von 1/50 rad erscheint
vorteilhaft. Er gestattet einen ,//-Wert von 87,4%
und verlangt eine schematische Länge L0 in der Größenordnung von nahezu 50 d0, was 23 cm ergibt.
Der Durchmesser d3 der kleinen in Luft liegenden
Austrittsfläche des Kegelstumpfes 61 ist somit 0,53 cm. Solange der Durchmesser d, der großen Eintrittsfläche des Kegelstumpfes 61 in der Brennebene des
Parabolspiegels 60 liegt und solange das Ende der Dipolantenne 59 möglichst nahe der kleinen Ausgangsfläche
d3 angeordnet und über ein Wellenleitungsrohr 62 mit dem Radar- bzw. Masersystem
verbunden ist, ergibt sich, daß der in F i g. 5 gezeigte Strahlungsdetektor für elektromagnetische Wellen
eine etwa 7fache Wirksamkeit (8 · 0,9) gegenüber der alleinigen Verwendung des Parabolspiegels 60 aufweist.
. !
. Beispiel 3
In diesem Beispiel wird der schematisch in F i g. 6 gezeigte Suchkopf mit hohem Auflösungsvermögen
behandelt. Das Auflösungsvermögen dieses Suchkopfes soll. 1/1000 rad betragen, während das Gesamtfeld
sich auf 30" beläuft und die Gesamtlänge etwa 15 cm beträgt. Als empfindliche Oberfläche'
des Empfängers dient hier eine Fotokatode 63, deren lineare Trennschärfe in der GΓÖßenordnμng von 10 μ
liegt und deren nutzbarer Durchmesser etwa 0,3 mm beträgt. Die Fotokatode 63 ist in die Ebene der
kleinen Austrittsflächen eines Bündels 64 konischer
. Fasern aus Spezialgas von großem Brechungsindex eingetaucht. Als Spezialgläser kommen hier beispielsweise
Arsentrisulfit- (As2S3)OdCr Arsenpentaselenitgläser
(As2Se5) in Betracht. Der Brechungsindex
dieser Gläser für Ultrarotstrahlung liegt zwischen etwa 2,4 und 2,7. Für die Berechnungen wird angenommen,
daß H2 = 2,45 bzw. n\ — 6 ist.
Als frontales Abbildungssystem dient ein Linsenobjektiv 65, das auf F/1,4 geöffnet ist, Gemäß
Gleichung (24) ist die vom Faserbündel gelieferte Maximalkonzcntration C0 demzufolge:
C0 = 42-6 = 48.
19 20
Der Maximaldurchmesser cl0 jeder einzelnen Faser Hegt bei etwa 30 μ. Das Bündel 69 umfaßt 10 Fasern
an der großen Eintrittsfläche beträgt etwa 20 μ. pro Durchmesser, d. h. ungefähr 78 Fasern insgesamt.
Nach Gleichung (13) berechnet sich (I1 demzufolge Ein Okular 71 mit einer linearen 15fachen Ver-
wie folgt: größerung erlaubt eine Beobachtung des am Ende
_ ,rr^ ~n . . .n ; ; -! ; 5 des Faserbündels 70 sichtbar gemachten Lichtsignals.
di -. 1/48 -.zu μ ~ ι^υμ. ;; Das Gesamtfeld des Metaskops beträgt etwa 20°,
was etwa 0,35 rad entspricht. Da das Elementarfeld
Für die Brennweite / und den Öffnungsdurchmesser nur 0,01 rad beträgt, ist das Gerät mit einer doppelten
des Objektivs 65 folgt unter Berücksichtigung von mechanischen Abtasteinrichtung versehen, die es
F =1/1000 rad gemäß Gleichungen (29) und (30): ι ο gestattet, das Aktionsfeld methodisch zu untersuchen.
Zu diesem Zweck ist das Metaskop, wie man aus
f_,Ai\ TP-immm F ig-7 erkennt, auf einer waagerechten Platte 72
./ - 14Umm .ZK - IUU mm. . eines Stativs 73 montiert und mittels des Ringes 74
auf der Platte 72 verdrehbar. Die Platte 72 enthält
Das Faserbündel 64 umfaßt zehn Fasern pro Durchs 15 zwei im rechten Winkel zueinander stehende Wassermesser,
d. h. insgesamt ungefähr 78 Fasern. Der mini- waagen, die eine überprüfung der exakten waagemale
Durchmesser an der kleinen Austrittsfläche rechten Lage ermöglichen. Der Beobachter kann
beträgt demgemäß etwa 200 μ. Dies entspricht dem mittels der Griffe 75, 76 das Metaskop waagerecht
nutzbaren Durchmesser der Fotokatode 63. verschwenken. Um das Metaskop genau definiert
In der F i g.'6 ist eine Spirale 66 dargestellt, die 20 in kleinen Teilschritten und um einen sehr geringen
während der Abtastbewegung zweckmäßigerweise Winkel von jeweils 1/1000 rad in der senkrechten
von der optischen Achse des Kegelstumpfes des Faser- Ebene verdrehen zu können, kann eine in der Zeichbündels
64 beschrieben wird. Dabei dreht sich die nung nicht dargestellte Sperrklinkeneinrichtung voroptische
Achse um einen Festpunkt, der sich in der gesehen sein, die von dem Steuerknopf 80 unter entNähe
des empfindlichen Elements 63 des Detektors 25 sprechender Verdrehung des Metaskops betätigbar
befindet. Die Katode 63 ist in einen lichtsendenden ist. Die Legierung des Geräts erfolgt etwa im Schwer-Detektor67
eingebaut. Dieser Detektor kann als punkt über die beiden lappenartigen Schenkel 77, 78
Vakuumzelle mit einer Silber-Cäsium-Schicht oder und den fest mit dem Ring 74 verbundenen Block 79.
als Gaszelle oder auch als Fotomultiplier ausgebildet Zweckmäßigerweise kann man dem beschriebenen
sein, der die von dem empfindlichen Element 63 30 Gerät ein zusätzliches selektives Filter zuordnen,
abgestrahlten Elektronen, beschleunigt und sammelt. welches vor der großen Eintrittsfläche des Faserbündels
69 angeordnet wird, um sicher innerhalb
Beispiel 4 eines sehr engen Frequenzbandes arbeiten zu können.
Beispielsweise kann man beim Arbeiten im Wellen-
Das vierte Anwendungsbeispiel der, erfindungs- 35 längengebiet· von 10 μ bei Verwendung von Selengemäßen
Vorrichtung betrifft ein Metaskop beson- Arsen-Glasfasern durch Vorschaltung eines dünnen
derer Art, welches in der Lage sein soll, kleine Strah- Indium-Antimonit-Filters, der mit einer Pb C I2-AnU-lungsquellen
auf große Entfernungen zu entdecken, reflexschicht versehen ist, eine scharfe Bandbegrenzung
die eine ultrarote Strahlung in einem engbegrenzten der durchgelassenen Wellenlängen auf einen Bereich
Band bestimmter Frequenz abgeben. ; 4° von 9 bis 12 μ erreichen. . , . : 1"
Ein Ausführungsbeispiel eines unter Verwendung ..'.'·.·= ; , >
..-.■■
der erfindungsgemäßen Konzentrierungsvorrichtung . Beispiel 5· >-
konstruierten Metaskops ist in F i g, 7 dargestellt. ... . ..' ' . ,'.',;,; ;'.."·. ^
Dieses Metaskop ist in der Lage, die natürliche In diesem Beispiel wird die Verwendung der
Ultrarotabstrahlung von Quellen zu entdecken, die 45 optischen Konzentrierungsvorrichtung 'bei entspre-
einen scheinbaren Durchmesser von mehr als chender Anpassung für einen Sonnenofen beschrieben.
1/1000 rad haben. Das entspricht einer Erstreckung Ein derartiger Sonnenofen ist schematisch in F i g. 8
der Strahlungsquelle über 50 cm bei 500 m Ent- in einem waagerechten Schnitt dargestellt. Als Ab-
fernung oder- von im bei 1 km Entfernung. Das bildungssystem bzw. Sammler dienen die beiden
in F i g. 7 perspektivisch dargestellte Metaskop weist 5° Parabolspiegel 81, 82 mit einem öfmungsdurch-
folgende Eigenschaften auf: messer von 2 m und einer Brennweite von 2,82 m.
Als frontales Abbildungssystem dient ein Linsen- Diese Spiegel einer relativen öffnung von F/,1,4
objektiv 68 mit einer relativen öffnung von F/1,4. fangen die Sonnenstrahlung ein.'und bilden von der
Die Konzentrierungsvorrichtung wird von einem Sonne zwei tatsächliche Bilder bei 83 und 84 ab.
Kegelstumpf 69 gebildet, der aus einem Bündel koni- 55 Mittels der ebenen Spiegel 85 und 86, die unter .45°
scher Glasfasern besteht, welches für die gewählte gegen die optischen Achsen der Parabolspiegel 81, 82
Wellenlänge durchsichtig ist. Bei einer gewählten geneigt sind, stehen diese beiden Bilder senkrecht
Wellenlänge in der Nähe von 10 μ verwendet-man auf ein- und derselben Achse 87. Zwei Glaskegelvorteilhafterweise
ein Selen- und Arsenglas, welches stumpfe 88, 89 liegen in der Achse 87 so, daß ihre
in seiner Durchlässigkeitskurve einen plötzlichen ^0 Eintrittsflächen für den Strahlungsstrom mit maxir
Abfall zwischen 12 und 13 μ gegen Null zeigt, daher malen Querschnitten mit den bei 83 und 84 gebildeten
stark selektiv ist und einen Brechungsindex von 2,47 Sonnenbildern zusammenfallen. Die beiden Kegelfür
die Wellenlänge von 10 μ hat. stumpfe sind im Anschluß an ihre Austrittsflächen
Die empfindliche Oberfläche des Detektors besteht 95, 96 durch kleine von Metallmänteln (umhüllte
hier aus einem feinen phosphorographischen Pulver, 65 Kegelstümpfe aus Luft 90, 91 verlängert, deren Ausweiches auf die Ebene 70 der Minimalquerschnitte trittsflächen. 92, 93 in der Ebene zweier einander
der Fasern aufgebracht ist. Der Minimalquerschnitt gegenüberliegender Eintrittsöffnungen eines Ofens 94
an der kleinen Austrittsfläche jeder konischen Faser liegen. Die beiden Kegelstümpfe 88, 89 bestehen
aus Borsilicatchromglas mit einem Brechungsindex von H1 =■ 1,50 für λ = 1,6-μ.:'Dieses Glas ist in einem
Wellenlängenbereich zwischen 0,3 und 3 μ durchlässig. : ' ;
Um ein unerwünschtes Abschmelzen des Glases der beiden Kegelstümpfe 88, 89 am Rand der öffnung
des Sonnenofens;94'zu verhüten, sind beide Kegelstümpfe
in der oben beschriebenen Art kurz vor ihrem Eintritt in den Sonnenofen abgeschnitten und
das fehlende Stück durch die kegelstumpfförmigen metallischen Hohlkörper 90, 91 ersetzt.
Das Metall der Mantelflächen der in unmittelbarer Nachbarschaft des Sonnenofens gelegenen Kegelstümpfe
90, 91 ist so gewählt, daß es die hohen in diesem Bereich auftretenden Temperaturen aushält
und gleichzeitig eine möglichst große Reflexionsfähigkeit aufweist. Außerdem können zur besseren
Isolierung des Glases der Kegelstümpfe 88,89 zwischen diesen und den verspiegelten Luftkegelstümpfen 90,91,
bei 95 und 96 weitere dünne Kegelstümpfe aus natürlichem
Magnesiumoxyd (MgÖ) eingefügt werden, die eine ausgezeichnete Durchlässigkeit im Wellenlängenbereich
von 0,25 bis 8 μ aufweisen und deren Schmelzpunkt bei 28000C liegt. Die Ubertragungsvorrichtungen
bestehen hierbei also aus je einem 39,5 cm langen Glaskegelstumpf, einem sehr kurzen,
etwa 0,5 cm langen Magriesiumoxydkegelstumpf und einem kurzen, etwa 1,25 cm langen, von einer verspiegelten
Metallhülse umgebenen Luftkegelstumpf. Der für den Minimaldurchmesser d3 berechnete Wert
von 1,07: chi gehört zum kleinen Durchmesser an der Austrittsfläche des Luftkegelstumpfes.
Der Aufbau des Sonnenofens 94 entspricht dem bekannter Sonnenöfen mit dem Unterschied, daß
er zwei Zugangsöffnungen an Stelle einer einzigen aufweist. Der Ofen besteht im wesentlichen aus
einem Kegel 97 aus einem feuerfesten, geschmolzenen oder gefritteten Material* das über ein Wärmedämmpulver
98 gegen die Metallumhüllung 99 isoliert ist. Der Ofen ist als Drehofen ausgebildet, dessen
Drehachse mit der horizontal zu denkenden optischen Achse 87 zusammenfällt. Da die beiden Eingänge 92,
93 die Anordnung einer Drehwelle verhindern, wird dem Ofen die Drehbewegpng mittels einer an seinem
Umfang angeordneten Antriebsvorrichtung über das fest mit dem Ofen verbundene Rad 100 vermittelt.
Der Antrieb kann beispielsweise über die in F i g. 9 schematisch dargestellte Vorrichtung für drei
synchronisierte Antriebsräder 102, 103, 104 erfolgen, die das Rad 100 an seinem Umfang unter Führung
in einer Nut 101 mitnehmen. Dadurch wird der Ofen in einer konstanten senkrechten Ebene gehalten,
. und die Zugangsöffnungen 92, 93 bzw. die optische Achse 87 bleiben während der Drehung von jeder
Behinderung frei.
Die mit dem beschriebenen Sonnenofen erzielbare Bestrahlungsstärke, d. h. die mögliche Konzentration
der Sonnenstrahlung, kann ohne weiteres mit der mittels bekannter Sonnenöfen erreichbaren Konzentrierung
verglichen werden. Da der Sonnenofen zwei ■ Konzentrierungsvorrichtungen aufweist, erhält man
eine Gesamtkonzehtrierung, die theoretisch in der Größenordnung von 80000 liegt. Die besten zur
Zeit hergestellten Sonnenöfen erreichten eine Konzentrierung in der Größenordnung von 20000. Selbst
bei Berücksichtigung von in obiger Berechnung unberücksichtigt gebliebenen Verlusten ist die crziclbare
Leistungssteigerung ganz beträchtlich.
.Beispiel 6
Als" letztes 'Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Konzentrierungsvorrichtung soll der in F i g. 10 beschriebene Konzentrator beschrieben werden,
der beispielsweise zum Entflammen von Gegenständen mit genügend niedrigem Flammpunkt, wie
Zigaretten, Zigarren od. dgl., verwendet werden kann.
Bei diesem »Sonnenfeuerzeug« wird die Strahlung
der Sonne von einem Kegelstumpf 105 eingefangen. Dieser Kegelstumpf ist senkrecht zur optischen Achse
106 unter Zwischenschaltung einer 45°-Reflexionsfläche
107 abgebogen. Dadurch läßt sich bequem die Sonne anvisieren, ohne selbst geblendet zu werden.
Der Durchmesser der großen Eintrittsfläche des Kegelstumpfes ist 35 mm. Seine Brennweite /' beträgt
105 mm. Da sein Brechungsindex nx = 1,5 beträgt,
ergibt sich gemäß Gleichung (29) als Brennweite ·■■■■' :
/ = -yy- = 70 mm .
Die relative öffnung des Kegelstumpfes beträgt demnach F/2. Der Kegelstumpf 105 bildet in seiner
Brennebene 108 ein wirkliches Bild der Sonne ab. Ein weiterer Kegelstumpf 109 ist an dem Kegelstumpf
105 so angesetzt, daß' seine große Eintrittsfläche in der Brennebene 108 zu liegen kommt und
daß beide Kegelstümpfe hintereinander auf der optischen Achse 106 liegen. Dieser Kegelstumpf kann aus
gezogenem Glas hergestellt werden, wobei der Wert von γ erheblich von 1/50 rad abweichen kann.
Der Kegelstumpf 109 ist zum Schutz in eine Hülse 110 eingebettet, deren vorderes Ende auf dem Endteil
des ersten Kegelstumpfes 110 aufgeschoben ist. Der Kegelstumpf I09 ist in ein geeignetes Pulver 111
eingebettet, welches keinen optischen Kontakt zur Hülse 110 schafft. Eine zweite Hülse 112 ist unter
Zwischenschaltung einer Feder 115 auf die erste Hülse 112 aufgeschoben und schützt die kleine Austrittsfläche
des Kegelstumpfes 109. Um den Konzentrator betriebsklar zu machen, wird ein Hebel 114
in Pfeilrichtung verschoben und die Fläche 113 frei gelegt. Beim Loslassen des Hebels 114 drückt die
Feder 115 die äußere Schutzhülse 112 wieder in ihre in F i g. 1 gezeigte Ausgangslage zurück. Auf
diese Weise ist vermieden, daß Gegenstände unbeabsichtigt entzündet werden, da die hohe Bestrahlungsstärke
nur in der unmittelbaren Nähe der Fläche 113 wirksam ist. Bei der Verwendung des
beschriebenen Konzentrator als Feuerzeug kann es genügen, die zu entzündende Zigarette in die
Hülse 112 so einzuschieben, daß sie im Bereich der Fläche 113 entzündet werden kann.
Es soll nachstehend nun noch einige Geräte angeführt werden, bei denen sich der Erfindungsgegenstand
vorteilhaft einsetzen läßt:
Zu Beispiel 1
Thermische Detektoren, Bolometer mit Metallband, mit Thermistor, mit supraleitfähigen!
Niobnitritband,
thermoelektrische, mit Halbleitern bestückte Batterien,
thermoelektrische, mit Halbleitern bestückte Batterien,
pneumatische Detektoren,
Detektoren mit Fotowiderstandszellen,
Germaniumfotodioden und punktförmige Fotodioden, .
Detektoren mit Fotowiderstandszellen,
Germaniumfotodioden und punktförmige Fotodioden, .
,Detektoren mit bei Belichtung Spannung
.; v liefernden Zellen,
. ,-■. fotomagnetoelektrische Detektoren, ·■ -.. Fotoemissionsdetektoren,
. ,-■. fotomagnetoelektrische Detektoren, ·■ -.. Fotoemissionsdetektoren,
Fotovervielfacher mit Dioden, .,■;:■. ■·. "
, aus Zellen aufgebaute Luxmeter, Spektrografen,i: insbesondere den Ramaneffekt
··■· ausnutzende Diffusionsspektrografen,.
Szintillationszähler, .··:,■■.■·., . ,
-·..· Teilchendetektoren usw. .
' '".,.- ' Zu Beispiel 2
Hier lassen sich alle Geräte zur Strahlungsfeststellung
anführen, wie:
mit einem im yitrarotbereich strahlenden Scheinwerfer
gekoppelte Detektoren,
mit Laserstrahlen gekuppelte Detektoren,
außerdem Fernsehkameras mit einer einzigen Zelle, beispielsweise die mit einer Nipkovscheibe
arbeitenden Kameras, Diasmorameter,
medizinische Röntgenuntersuchungsgeräte.
ZuBeispiel3
Hier lassen sich Suchköpfe fur sämtliche Wellenbereiche
und kleine Felder anführen, wie: .
Astronomische Fernrohre, !
; Teleskope zur Auffindung von Sternen oder
Himmelskörpern. _
■ ■'■; Zu Beispiel 4
Metaskope,
Bildwandlerröhren, Helligkeitsverstärker, elektronische.
Teleskope, Scharfschützenfernrohre, fotografische Apparate und Filmkameras für das
: sichtbare und Ultrarotgebiet, • mit Ikonoskop arbeitende Fernsehkameras,
.;. Röntgenapparate sowie Empfänger für sehr selektive
Strahlungen und gewisse Spektrografen. ■· λ.<.,. >s ι· Τ ■· :■■■.■·'■.■■. ■ .· . ■ '. · ■ ' ■ :
Die befiandelten Beispiele stehen für viele andere Anwendungen der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung
zur Konzentrierung und Übertragung des mit einem Abbildungssystem erfaßten und gesammelten
Strahlungsflusses einer entfernten Strahlungsquelle mittels eines aus einem für die eingefangene
Strahlung durchlassigen Materials bestehenden Kegelstumpfes auf einen für den Nachweis und/oder die
Nutzung der Strahlung geeigneten Empfänger unter Erhöhung der Bestrahlungsstärke am Ort des empfindliehen
Elements des Empfängers.
Grundsätzliche ^ Überlegungen, auf die der Erfindungegegenstand
aufbaut, sind der Dissertationsschrift des Erfinders »La concentration optique
maximale dans les " recepteurs de rayonnements, SS
Les miroirs coniques optimises« zu entnehmen, die der Faculte des Sciences de Paris am 13.6.1968
vorgelegt worden ist. ,
Claims (10)
1. Optische Vorrichtung zur Konzentrierung
. und Übertragung des mit einem Abbildungs-
- system (unter Einschluß afokaler Systeme) erfaßten
und gesammelten Strahlungsflusses einer
entfernten, in Luft angenommenen Strahlungs- 6S
quelle beliebiger Art mittels eines aus durchlässigem
Material mit dem Brechungsindex* n] bestehenden
.Kegelstumpfes auf einen für den Nachweis und/
oder die Nutzung der Strafilung geeigneten Empfänger unter Erhöhung der Bestrahlungsstärke
am Ort des empfindlichen Elements des Empfängers, dadurch gekennzeichnet, daß
das Abbildungssystem mit einer relativen öffnung l/N in bekannter Weise eine erste Konzentrierung
des .Strahlungsflusses unter Bildung des konvergenten Bündels bewirkt, dessen Strahlen
eine maximale Neigung Θχ zur optischen Achse
des'Abbildungssystems haben, wobei ,
sin Θ, ~
IN
ist; daß der Kegelstumpf einen Halbwinkel γ am Scheitelpunkt in der Größenordnung von
maximal 1/10 rad hat und zur Erzielung einer . zweiten Konzentration des Strahlungsflusses durch
Reflexion an seiner inneren Mantelfläche dient; daß die Grundfläche des Kegelstumpfes mit dem
Durchmesser A1 in der Ebene des vom Abbildungssystem
konzentrierten Bündels minimaler Querschnittfläche liegt, während die kleine Grundfläche
mit dem Durchmesser dx des Kegelstumpfes, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines
Immersionssystems mit dem Brechungsindex n2,
am empfindlichen Element des Empfängers anliegt, und daß die Größen JV, O1, γ, dx und dx durch
folgende Beziehungen miteinander verknüpft sind:
A
dx .
dx .
sin
sin (ft -γ)
(1)
wobei p' die Maximalzahl der Reflexionen im Inneren des Kegelstumpfes bedeutet, die ein unter
dem Winkel 6J1 zur optischen Achse in den Kegelstumpf
einfallender Strahl erleidet
p' = E
arc sin ——
2Y
+ 1
dabei bedeutet E die nächst niedrige ganze Zahl des Ausdruckes in der eckigen Klammer, H1 den
Brechungsindex des Mediums im Stumpfkegel, «2 den Brechungsindex des Immersionsmediums
für den optischen Kontakt zwischen der kleinen Kegelstumpffläche und dem empfindlichen Element
des Empfängers und /S1 einen durch die folgende
Beziehung gegebenen Winkel
. Γ sin et"! ■- * '
P1- arc sin —
+- 2 γ
, L «ι J
und daß die Werten^ W2, sin6>i und tgy durch
die folgende Beziehung miteinander Verknüpft sind: ,
1 -tgy
•(4)
wobei η das Verhältnis zwischen der mittels des
Kegelstümpfes tatsächlich erhaltenen Bestrahlungsstärke Cy und der theoretisch maximalen
009 650/63
Bestrahlungsstärke C0 darstellt und im Fall, daß
dieses Verhältnis nahezu Eins sein soll, C1 annähernd
den Wert
annimmt, der an sich der theoretisch maximalen Bestrahlungsstärke C0 entspricht, wobei dieser
Ausdruck das Verhältnis bedeutet, welches zwischen der Eintrittsfläche des Strahlungsflusses
in den Kegelstumpf und der minimalen Querschnittsfläche
des konzentrierten Strahlungsflusses in einem idealisierten, der Abbeschen Sin-Bedingung
gehorchenden Kegelstumpf vorliegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstumpf ein Kegelstumpf
ist, bei dem die inneren Reflexionen ausschließlich Totalreflexionen sind, und daß die
Maximalzahl q der Totalreflexionen durch die Gleichung '-.■·.
q = E
~ - arc sin — + 3 γ
Iy
(7)
gegeben ist, wobei die verwendeten. Symbole die gleiche Bedeutung wie im Anspruch 1. haben und
die Größen M1, sin O1 und γ durch die Bezfehung
verknüpft sind: ■.;...·
cos 2 γ +
- sin 2 γ
cos γ +
1 / "ϊ
V SJn2O1
1 · sin γ
2= η .
(8)
und wobei η wiederum durch das Verhältnis
und C0 in diesem Fall durch die Beziehung
und C0 in diesem Fall durch die Beziehung
n\-A
C0
35
40
sin2
(9)
gegeben ist und im Fall, daß dieses Verhältnis nahezu Eins sein soll, Cv annähernd den Wert
annimmt. /. ^n2O1
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstumpf an
seinem schmalen Ende längs eines Bereichs mit einer reflektierenden Deckschicht versehen ist,
der sich von einem Querschnitt mit dem Durchmesser dx, dessen Größe sich gemäß Anspruch 2
bestimmt, bis zu einem Querschnitt erstreckt, dessen Durchmesser dx sich gemäß Anspruch 1
für ein gegebenes Immersionsmedium mit dem Brechungsindex n2 bestimmt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kegelstumpfe
gebündelt angeordnet sind, deren Grundflächen für den Eintritt des zu konzentrierenden
Strahlungsflusses in einer Ebene eng nebeneinander liegen, daß der Basisdurchmesser des Kegelstumpfbündels
mit dem Durchmesser des Mini- 6S malquerschnittes des vom Abbildungssystem konzentrierten
Strahlungsbündels zusammenfällt und daß die kleinen Querschnittflächen der einzelnen ·
Kegelstümpfe gleichfalls in einer Ebene engnebeneinander,
gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Immersionssystems mit dem Brechungsindex
n2 an dem empfindlichen Element; des Empfängers anliegen. '
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Kegelstumpf
mit dem Brechungsindex n{ mit seiner Grundfläche vom Durchmesser dv fur den Eintritt
des zu konzentrierenden Strahlungsflusses in der Ebene angeordnet ist, wo das vom Abbildungssystem
konzentrierte Strahlungsbündel Minimalquerschnitt aufweist, daß ein zweiter Kegelstumpf
mit einem Brechungsindex /I1" (n[r
> H1) vorgesehen ist, dessen Grundfläche mit der kleinsten Querschnittsfläche
des ersten Kegelstumpfes zusammenfällt, daß gegebenenfalls weitere.Kegelstümpfe in.
gleicher Anordnung hintereinanderliegen und daß der Minimalquerschnitt des letzten Kegelstumpfes,
in welchem der eingefangene Strahlungsfluß seine maximale Konzentration erreicht, an das empfindliche
Element des Empfängers unter Zwischenschaltung eines Immersionsmediums mit dem Brechungsindex n2 anliegt und einen solchen
Durchmesser dx aufweist, daß die Gesamtheit dieser hintereinandergeschalteten Kegelstümpfe
den in den Ansprüchen 1 und 2 für einen einzigen Kegelstumpf gegebenen Beziehungen entspricht.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstumpf
in mehrere Abschnitte unterteilt ist, die mit Hilfe von Totalreflexionsprismen optisch verbunden
sind derart, daß man einen ein- oder mehrfach geknickten Kegelstumpf erhält.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Kegelstumpfbündel
enthält, hinter dem, in Richtung der Strahlen gesehen, wenigstens ein einfacher Kegelstumpf
angeordnet ist. ' ■■■'■■'■ "">'
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3,4 und 5,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrerei'· Kegelstumpfbündel in Reihe hintereinander angeordnet
sind. : '■'■■■"'''."
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstumpf
derart verformt ist, daß er die Gestalt eines Konoids zeigt, bei dem'das Verhältnis
zwischen dem Flächeninhalt der auf der optischen Achse senkrecht stehenden Eintrittsfläche dx für
den zu konzentrierenden Strahlungsfluß und dem Flächeninhalt der auf der optischen Achse gleichfalls
senkrecht stehenden 'kleinsten'"Austrittsfläche dx des konzentrierten Strahlungsflusses^ in
allen Fällen gleich dem Wert!,
■ΐΐΓ
ist, wobei die Höchstzahl der im Konoid auftretenden inneren Reflexionen für den Höchstwert
des Halbwinkels γ bestimmt wird, der, in diesem Sonderfall, durch den Winkel zwischen der optischen
Achse und der Geraden aus der Vielzahl der Erzeugenden des Konoids gegeben ist, die die
optische Achse am dichtesten hinter der Austrittsfläche dx schneidet. .V..
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Konoid aus einem Bündel von mehreren Kegelstümpfen gebildet ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Family
ID=
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