DE1497535C

DE1497535C - Radiation-collecting lens

Info

Publication number: DE1497535C
Authority: DE
Inventors: Edward Francis Fullerton Horsfall Robert Bruce Placentia Cahf Flint (V St A)
Original assignee: North American Aviation Corp
Current assignee: North American Aviation Corp
Publication date: 1971-08-26

Description

I 497 535I 497 535

Die Erfindung betrifft ein strahlungssammelndes plankonvexen Linse, d. h. der Winkel zwischen Rand-Objektiv, insbesondere für die Wellenlänge zwischen strahl und optischer Achse, kann nunmehr bis zu 3 und 13 μπι, mit einer plankonvexen, vorzugsweise 90°, der Winkel zwischen den äußeren Randstrahlen halbkugeligen Feldlinse und einem ihrer Planfläche 180° betragen.The invention relates to a radiation-collecting plano-convex lens, i. H. the angle between the edge lens, in particular for the wavelength between the beam and the optical axis can now be up to 3 and 13 μπι, with a plano-convex, preferably 90 °, the angle between the outer marginal rays hemispherical field lens and one of its plane surface 180 °.

nachgeordneten, vorzugsweise mit der Planiläche ver- 5 Auf diese Weise erhöht sich bei gleichbleibendem,downstream, preferably with the planar surface. In this way, with constant,

kitteten Strahlungsdetektor. , . · auf die Feldlinse aufteilendem Strahlungseinfall diecemented radiation detector. ,. The radiation incidence dividing the field lens

Derartige strahlungssammelnde Objektive in Ver- am Strahlungsdetektor erhaltene StrahlungsdichteSuch radiation-collecting lenses in the radiation density obtained by the radiation detector

bindung mit einem Strahlungsdetektor werden als beträchtlich, bzw. bei gleicher Strahlungsdichte amconnection with a radiation detector are considered considerable, or with the same radiation density on

Meßfühler verwendet, mit deren Hilfe noch gering- Strahlungsdetektor ist bei dem erfindungsgemäßenSensor used, with the help of which is still low radiation detector is in the invention

fügige Strahlungsstärken aufgespürt werden sollen. io strahl ungssammelnden Objektiv ein geringerer Strah-docile radiation levels are to be detected. io radiation-collecting lens a lower radiation

Die Empfindlichkeit bekannter Meßfühler bzw. der lungseinfall erforderlich, was eine Steigerung derThe sensitivity of known sensors or the incidence of lung required, which increases the

Verstärkungsfaktor bekannter strahiungssammelnder : Empfindlichkeit bedeutet.Gain factor of known radiation-collecting: means sensitivity.

Objektive, der die am Strahlungsdetektor erreichbare Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachStrahlungsdichte bestimmt, ist jedoch. begrenzt. Um folgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben, einen möglichst hohen Verstärkungsfaktor zu erhal- 15 Es zeigtObjectives, which can be achieved with the radiation detector is certain, however. limited. To be described in more detail using the drawing, to obtain as high a gain factor as possible. 15 It shows

ten, ist nämlich eine Linse aus einem Material mit Fig. 1 einen Längsschnitt durch das strahlungsgroßem Brechungsindex zu wählen. Als solches Ma- sammelnde Objektiv nach der Erfindung mit vorgeterial ist z. B. Germanium mit einem Brechungs- schalteter Meniskuslinse längs der Linie T-I der index in deni in Frage kommenden Wellenlängen- Fig. 2, . . ..th, namely a lens made of a material with Fig. 1 a longitudinal section through the radiation-large refractive index is to be selected. As such a collecting lens according to the invention with vorgeterial is z. B. germanium with a refraction switched meniscus lens along the line T-I of the index in the wavelengths in question- Fig. 2,. . ..

bereich zwischen 3 und 13 μηι von annähernd 4 be- 20 F i g. 2 eine Ansicht von hinten auf das Linsen-range between 3 and 13 μm from approximately 4 to 20 F i g. 2 a view from behind of the lens

kannt. Der Kitt oder Kleber, der zum Verbinden des system von F i g. 1 undknows. The putty or glue used to join the system of FIG. 1 and

Strahlungsdetektors mit der Planfläche der Feldlinse Fig. 3 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße ₍>- Radiation detector with the plane surface of the field lens Fig. 3 shows a section through the inventive ₍ > -

dient, .weist jedoch bestenfalls einen Brechungsindex strahlungssammelnde Objektiv in vergrößertem Maß- (s-serves, but at best has a refractive index that collects radiation to a larger extent (s-

im obengenannten Wellenbereich von etwa 2,46 auf. stab.in the above-mentioned wave range of about 2.46. Rod.

Die Strahlung muß daher, bevor sie auf den Detektor 25 Das in der Zeichnung dargestellte strahlungssamtriflt, von einem optisch dichteren (Feldlinse) in ein melnde Objektiv ist insbesondere für die Wellenoptisch dünneres Medium (Kitt oder Kleber) über- länge zwischen 3 und 13 μηι ausgelegt, d. h., es arbeitreten. Der Einfallswinkel der Strahlung ist somit tet im infraroten Bereich. Es besteht im wesentlichen durch den Winkel der Totalreflexion begrenzt. Dieser aus einer plankonvexen Feldlinse in Form einer HaIb-Winkel beträgt mit den angegebenen Werten etwa 3° kugel oder, wie dargestellt, aus einer plankonvexen 38°. Strahlen, die unter einem größeren Winkel zur Feldlinse 31 mit hyperhemisphärischer Vorderfläche optischen Achse auf das strahlungssammelnde Ob- 32 und rückwärtiger Planfläche 34. Diese Planlläche jektiv .auftreffen, können somit nicht mehr den Strah- 34 der Feldlinse 31 weist erfindungsgemäß einen lungsdetektor erreichen. sphärischen Einschlifl auf, derart, daß die auf dieseThe radiation must therefore, before it hits the detector 25. from an optically denser (field lens) into a melting lens is especially designed for the wave-optically thinner medium (cement or adhesive) over length between 3 and 13 μm, ie. i.e., it work. The angle of incidence of the radiation is thus tet in the infrared range. It essentially consists limited by the angle of total reflection. This consists of a plano-convex field lens in the form of a half-angle with the specified values is about 3 ° spherical or, as shown, from a plano-convex 38 °. Rays at a larger angle to the field lens 31 with a hyperhemispheric front surface optical axis on the radiation-collecting upper 32 and rear plane surface 34. This plane surface The field lens 31 according to the invention can therefore no longer strike the beam reach detector. spherical inclusion, in such a way that the on this

Außerdem ist es bekannt, vor der Feldlinse in 35 bildseitige sphärische Fläche 30 der Feldlinse auf-It is also known, in front of the field lens in 35 image-side spherical surface 30 of the field lens.

• deren optischen Achse eine zur längeren Strahlungs- treffenden Strahlen diese Fläche im wesentlichen• whose optical axis is essentially one of the longer rays hitting this surface

weite hin durchgebogene Meniskuslinse anzuordnen, senkrecht durchsetzen.to arrange wide bent meniscus lens, push through vertically.

um nur die Strahlung eines begrenzten Winkel- In den sphärischen Einschlifl der Feldlinse 31 ist ■around only the radiation of a limited angle In the spherical Einschlifl of the field lens 31 is ■

bereichs auf die Feldlihse zu werfen. ' eine plankonvexe Linse 35 eingesetzt, deren halb-to throw at the field lizard. 'a plano-convex lens 35 is used, the semi-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein 40 kugelige Vorderfläche 33 in optischem Kontakt mitThe invention is based on the object of a 40 spherical front surface 33 in optical contact with

strahlungssammelndes Objektiv, insbesondere für die der sphärischen Fläche 30 der Feldlinse 31 steht undA radiation-collecting lens, in particular for that of the spherical surface 30 of the field lens 31, and

Wellenlänge zwischen 3 und 13 μπι, mit eingangs ge- mit dieser verkittet ist. Die .rückwärtige Planfläche 36Wavelength between 3 and 13 μπι, is cemented to the input with this. The rear plane surface 36

nanntem Aufbau zu schaffen, das einen höheren als der plankonvexen Linse 35 liegt mit der Planfläche- , to create the named structure, which is higher than the plano-convex lens 35 with the flat surface ,

bisher bekannten Verstärkungsfaktor aufweist. 34 der Feldlinse 31 in derselben Ebene. Mit der Plan- \_has previously known gain factor. 34 of the field lens 31 in the same plane. With the plan \ _

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß, dadurch ge- 45 fläche 36 der plankonvexen Linse 35 ist in der opti-This object is achieved according to the invention, as a result of which the surface 36 of the plano-convex lens 35 is optimally

löst, daß die Plarifläche der Feldlinse einen sphäri- sehen Achse des strahlungssammelnden Objektivssolves that the plane surface of the field lens see a spherical axis of the radiation-collecting lens

sehen Einschliff aufweist, derart, daß die auf diese ein Strahlungsdetektor 40 verbunden, vorzugsweisesee grinding, such that a radiation detector 40 is connected to this, preferably

bildseitige sphärische Fläche der Feldlinse auftreffen- durch.Verkitten oder Kleben.Impinging on the image-side spherical surface of the field lens through cementing or gluing.

den Strahlen diese Fläche im wesentlichen senkrecht Erfindnungsgemäß ist die Brechzahl der eingekittedurchsetzen und daß die Feldlinse in optischem 5o ten plankonvexen Linse 35 kleiner als die der Feld-Kontakt mit einer plankonvexen Linse steht und vor- linse 31 und vorzugsweise gleich der Brechzahl des zugsweise mit dieser verkittet ist, daß die Planflächen Kittes oder Klebers, mit dem der Strahlungsdetektor beider Linsen in derselben Ebene liegen und die 40 mit der Planfläche 36 der plankonvexen Linse 35 Brechzahl der eingekitteten plankonvexen Linse klei- verbunden ist. Wird das strahlungssammelnde Obner als die der Feldlinse, vorzugsweise gleich der des 55 jektiv im obengenannten Wellenbereich verwendet, die plankonvexe Linse und den Strahlungsdetektor wird als Werkstoff für die Feldlinse 31 zweckmäßig verbindenden Kittes ist. Germanium gewählt, das für infrarote Strahlen einethe rays this surface is essentially perpendicular. According to the invention, the refractive index is the cemented penetration and that the field lens in optical 5o th plano-convex lens 35 is smaller than that of the field contact with a plano-convex lens and pre-lens 31 and preferably equal to the refractive index of the is preferably cemented with this that the planar surfaces cement or adhesive with which the radiation detector Both lenses lie in the same plane and the 40 with the plane surface 36 of the plano-convex lens 35 Refractive index of the cemented plano-convex lens is small connected. Becomes the radiation-gathering Obner than that of the field lens, preferably the same as that of the 55 jectively used in the above-mentioned wave range, the plano-convex lens and the radiation detector are expedient as the material for the field lens 31 connecting putty is. Germanium chosen, the one for infrared rays

Da die Strahlen die Trennfläche zwischen Feld- hohe Brechungszahl von etwa 4 aufweist und dessen linse und plankonvexer Linse im wesentlichen senk- Kosten niedrig sind. Die plankonvexe Linse 35 kann recht durchsetzen, findet an dieser Trennfläche kaum ⁶° ebenso wie der Kitt zum Verbinden des Strahlungs-Reflexion und mit Sicherheit keine Totalreflexion detektors mit der Planfläche 36 aus arsenmodifizierauf. Ebenso kann keine Totalreflexion an der Plan- tem schwefel freiem Selen bestehen. Die Brechungsfläche der plankonvexen Linse auftreten, wo der zahl dieses Stoffes liegt für infrarote Wellenlängen Strahlungsdetektor aufgekittet ist, da erfindungs- bei annähernd 2,46. Indem für die plankonvexe Linse gemäß die Brechzahl der eingekitteten plankonvexen ⁶5 der gleiche Stoff gewählt wird wie für den Kitt zum Linse gleich der des die plankonvexe Linse mit dem Befestigen des Strahlungsdetektors 40, entsteht zwi-Strahlungsdetektor verbindenden Kittes ist. Der Ein- sehen der plankonvexen Linse 35 und dem Strahfnllswinkel der Randstrahlen auf die Planfläche der lungsdetektor 40 keine Trennfiäche, an der eine Bre-Since the rays have the interface between the field-high refractive index of about 4 and its lens and plano-convex lens are essentially lower costs. The plano-convex lens 35 can really get through, hardly finds ⁶ ° at this interface, as does the cement for connecting the radiation reflection and certainly no total reflection detector with the plane surface 36 made of arsenic-modified. Likewise, there can be no total reflection on the planet, sulfur-free selenium. The refractive surface of the plano-convex lens occurs where the number of this substance lies for infrared wavelengths radiation detector is cemented on, since according to the invention at approximately 2.46. By choosing the same material for the planoconvex lens according to the refractive index of the cemented planoconvex ⁶ 5 as for the cement for the lens the same as that of the cement that connects the planoconvex lens with the fastening of the radiation detector 40, is produced between the radiation detector. The view of the plano-convex lens 35 and the beam angle of the marginal rays on the plane surface of the lung detector 40 is not a separation surface on which a width

chung und Reflexion der einfallenden Strahlen stattfinden könnte.chopping and reflection of the incident rays take place could.

Als Strahlungsdetektor kommt jedes beliebige im vorliegenden Fall auf Infrarot-Strahlung ansprechende Element in Frage, wie z. B. ein Thermistor-Bolometer oder eine Bleiselenid- fotoleitende Zelle. Der Strahlungsdetektor 40 wird auf der Linse 35 befestigt, indem die Linse 35 durch Erhitzen erweicht und der Strahlungsdetektor 40 in der optischen Achse auf die Planfläche 36 aufgelegt wird. Beim Abkühlen der Linse 35 tritt zwischen dem Strahlungsdetektor 40 und der Planfläche 36 eine Klebewirkung auf, wodurch der Strahlungsdetektor in optischen Kontakt mit der plankonvexen Linse 45 kommt. Die plankonvexe Linse 35 wirkt als elektrischer Isolator zwisehen dem Strahlungsdetektor 40 und der Feldlinse 31 aus dem elektrisch leitfähigen Germanium. Der Strahlungsdetektor 40 ist über geeignete Ausgangsleiter 41, 42 und einer in der Zeichnung nicht dargestellten Einrichtung zum Verarbeiten des vom Strahlungsdetektor empfangenen Signals verbunden.Any radiation detector that responds to infrared radiation in the present case can be used as the radiation detector Item in question, such as B. a thermistor bolometer or a lead selenide photoconductive cell. The radiation detector 40 is attached to the lens 35 by softening the lens 35 by heating and the radiation detector 40 is placed on the plane surface 36 in the optical axis. When cooling down the lens 35 has an adhesive effect between the radiation detector 40 and the plane surface 36, whereby the radiation detector comes into optical contact with the plano-convex lens 45. The plano-convex Lens 35 acts as an electrical insulator between radiation detector 40 and the field lens 31 from the electrically conductive germanium. The radiation detector 40 is via suitable output conductors 41, 42 and a device, not shown in the drawing, for processing the from the radiation detector received signal.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist die Feldlinse 31 aplanatisch ausgebildet, wobei der erste aplanatische Punkt E₁ in ihrer Planfläche 34 liegt. Der Abstand d der Planfläche 34 vom Kugelmittelpunkt D der Feldlinse 31 beträgt gemäß der bekannten Beziehung für die aplanatische Brechung d — RIn, wobei R der Kugelradius und η die Brechungszahl des die Feldlinse 31 bildenden Werkstoffs ist. Die auf die Feldlinse 31 auftreffenden Strahlen werden von dieser in ihrem ersten aplanatischen Punkt E₁ gesammelt, wo der Strahlungsdetektor 40 angeordnet ist. Voraussetzung hierfür ist, daß die auf die Feldlinse 31 auftreffenden Strahlen r_t bis r₆ zum zweiten aplanatischen Punkt E₂ der Feldlinse 31 gerichtet sind, welcher im Abstand R- η vom Kugelmittelpunkt D auf der optischen Achse liegt. Die Strahlen treten dabei normal zur sphärischen Fläche 30 von der Feldlinse 31 in die plankonvexe Linse 35. An dieser sphärischen Fläche 30 findet somit keine Brechung und nur geringe Reflexion statt, wobei noch durch Verwenden einer Antireflexionsschicht diese Reflexion fast vollständig unterdrückt werden kann.According to an expedient embodiment of the invention, the field lens 31 is designed aplanatic, the first aplanatic point E ₁ lying in its plane surface 34. According to the known relationship for aplanatic refraction, the distance d of the plane surface 34 from the sphere center D of the field lens 31 is d - RIn, where R is the spherical radius and η is the refractive index of the material forming the field lens 31. The rays impinging on the field lens 31 are collected by the latter in its first aplanatic point E ₁ , where the radiation detector 40 is arranged. The prerequisite for this is that the rays r _t to r ₆ impinging on the field lens 31 are directed to the second aplanatic point E _{2 of} the field lens 31, which is at a distance R- η from the center point D of the sphere on the optical axis. The rays pass normal to the spherical surface 30 from the field lens 31 into the plano-convex lens 35. There is thus no refraction and only slight reflection on this spherical surface 30, whereby this reflection can be almost completely suppressed by using an anti-reflective layer.

Zum Ausrichten der Strahlen auf den zweiten aplanatischen Punkt E₂ der Feldlinse 31 ist eine vordere, zur längeren Strahlungsweite hin durchgebogene Meniskuslinse 10 vorgesehen, die in an sich bekannter Weise in der optischen Achse koaxial zur Feldlinse 31 angeordnet ist. Als Meniskuslinse 10 kann ein Doppel- oder anderes Linsensystem Verwendung finden, dessen Auswahl getroffen ist, um einen brauchbaren Kompromiß zwischen Durchlässigkeit und Korrektur von optischer Abberration für die spezielle Anwendung zu erzielen.To align the rays at the second aplanatic point E _{2 of} the field lens 31, a front meniscus lens 10 which is bent towards the longer radiation width is provided, which is arranged in the optical axis coaxially to the field lens 31 in a manner known per se. A double or other lens system can be used as the meniscus lens 10, the selection of which is made in order to achieve a useful compromise between transmission and correction of optical aberration for the particular application.

Die Meniskuslinse 10 und die Feldlinse 31 sind über ein kegelstumpfförmiges Gehäuse 20 verbunden, dessen weitere Öffnung zylindrisch ausläuft und zur Aufnahme der Meniskuslinse 10 dient und in dessen schmälerer Öffnung ein Ringflansch 22 vorgesehen ist, an dessen Innenseite die Feldlinse 31 befestigt ist.The meniscus lens 10 and the field lens 31 are connected via a frustoconical housing 20, the other opening of which tapers off cylindrically and serves to receive the meniscus lens 10 and in its A ring flange 22 is provided for a narrower opening, on the inside of which the field lens 31 is attached is.

Claims

Patent claims:

1. Radiation-collecting lens, especially for the wavelength between 3 and 13 μΐη, with a plano-convex, preferably hemispherical field lens and one downstream of its plane surface, Radiation detector preferably cemented to the flat surface, characterized in that that the plane surface (34) of the field lens (31) has a spherical cut, such that the rays impinging on this image-side spherical surface of the field lens enforce this area essentially perpendicular and that the field lens (31) in optical Contact with a plano-convex lens (35) is and is preferably cemented to this that the Flat surfaces (34, 36) of both lenses (31 and 35) lie in the same plane and the refractive index of the cemented plano-convex lens (35) smaller than that of the field lens (31), preferably equal to the of the putty connecting the plano-convex lens (35) and the radiation detector (40).

2. Lens according to claim 1, characterized in that the plano-convex lens (35) from one between the image-side spherical surface of the field lens (31) and the radiation detector (40) arranged putty, the refractive index of which is smaller than that of the field lens (31).

3. Objective according to Claim 1 or 2, characterized in that the field lens (31) is aplanatic and the first aplanatic point lies in its plane surface (34).

4. Lens according to claim 1, 2 or 3, characterized by a front one for the longer one Radiation distance out bent meniscus lens (10), which in a known manner in the optical axis are arranged coaxially to the field lens (31).

1 sheet of drawings