DE19549311C2 - Infrared calibration radiator and method for its production and its use - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Eichstrahler, dessen Herstellung und Verwendung als Empfänger.The invention relates to an infrared calibration radiator, its manufacture and Use as a recipient.
Für die Eichung von Infrarot-Strahlungsempfängern, die z. B. in Pyrometern oder Thermographiesystemen eingesetzt werden, wie auch für Messungen an optischen Systemen ganz allgemein sind Eichstrahler bekannt, die dem physikalischen Modell des schwarzen Körpers nahekommen.For the calibration of infrared radiation receivers, e.g. B. in pyrometers or thermography systems are used, as well as for measurements on optical systems in general, calibration emitters are known which come close to the physical model of the black body.
Ein schwarzer Körper ist ein Denkmodell, welches über sechs prinzipielle
Eigenschaften verfügt:
A black body is a model of thought that has six basic properties:
- - die maximale spezifische Ausstrahlung bei einer gegebenen Temperatur wird emittiert;- the maximum specific charisma for a given Temperature is emitted;
- - Gleichverteilung (Isotropie) der Strahlung in einem von schwarzen Wänden umschlossenen Raum, unabhängig von Richtung und Lage des Strahlers;- Uniform distribution (isotropy) of radiation in one of black Walls enclosed space, regardless of direction and location the spotlight;
- - maximale Emission für jede Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung;- maximum emission for each wavelength of electromagnetic Radiation;
- - maximale Emission in jede Richtung der Ausstrahlung bei einer gegebenen Temperatur;- maximum emission in any direction of radiation at one given temperature;
- - die totale spezifische Ausstrahlung ist lediglich eine Funktion der Temperatur, die spektrale spezifische Ausstrahlung ist eine Funktion der Wellenlänge und der Temperatur;- the total specific charisma is only a function of Temperature, the spectral specific radiation is a function the wavelength and temperature;
- - die prinzipiellen Größen der Strahlung sind für jede Wellenlänge, jede Temperatur und Richtung in Übereinstimmung mit den fundamentalen Gesetzen der Temperaturstrahlung.- The principal sizes of the radiation are for each wavelength, each Temperature and direction in accordance with the fundamental Laws of thermal radiation.
Derartige Strahler werden praktisch zumeist als Hohlraumstrahler
ausgebildet. Ein allseitig geschlossener Hohlraum mit gleichmäßig
temperierten Wänden verfügt über eine Öffnung, aus der die zu messende
Strahlung austritt. Ihre Eigenschaft kommt den Eigenschaften eines
schwarzen Strahlers sehr nahe, um so mehr, je größer die innere Oberfläche
des Strahlers im Verhältnis zur Strahlaustrittsöffnung (kleine Apertur) ist. Tritt
elektromagnetische Strahlung von außen durch die Öffnung ein, so wird
diese fast vollständig absorbiert. Ein geringer Teil der elektromagnetischen
Strahlung wird reflektiert und trifft auf einen anderen Bereich der inneren
Oberfläche des Hohlraumstrahlers. Dort wird wieder der größte Teil der
elektromagnetischen Strahlung absorbiert und ein kleiner Teil reflektiert. Die
nach Mehrfachreflexion wieder austretende Strahlung ist sehr gering, im
Idealfall tritt keine Reflexionsstrahlung wieder aus. Dann hängt die gesamte
aus der Austrittsöffnung austretende elektromagnetische Strahlung nur von
der Temperatur des Hohlraumstrahlers ab. Dies ist gleichbedeutend damit,
daß der Emissionsgrad des Hohlraumstrahlers identisch 1 ist (Transmissions-
und Reflexionsgrad sind identisch 0), wobei der Emissionsgrad ε das
Verhältnis der spezifischen Ausstrahlung M des betreffenden Strahlers bei
der Wellenlänge λ und der Temperatur T zu derjenigen Ausstrahlung MSK
des schwarzen Körpers, mithin
Such radiators are practically mostly designed as cavity radiators. A cavity closed on all sides with uniformly tempered walls has an opening from which the radiation to be measured emerges. Their properties come very close to the properties of a black radiator, the more the larger the inner surface of the radiator in relation to the beam outlet opening (small aperture). If electromagnetic radiation enters from outside through the opening, it is almost completely absorbed. A small part of the electromagnetic radiation is reflected and strikes another area of the inner surface of the cavity radiator. Most of the electromagnetic radiation is absorbed there again and a small part is reflected. The radiation emerging again after multiple reflection is very low; ideally, no reflection radiation emerges again. Then the entire electromagnetic radiation emerging from the outlet opening depends only on the temperature of the cavity radiator. This is equivalent to the fact that the emissivity of the cavity radiator is identical 1 (transmission and reflectance are identical 0), the emissivity ε being the ratio of the specific radiation M of the radiator in question at the wavelength λ and the temperature T to that radiation M SK of the black body, therefore
ε(λ, T) = M(λ, T)/MSK(λ, T)
ε (λ, T) = M (λ, T) / M SK (λ, T)
ist.is.
Aus dem Funktionsprinzip ergibt sich, daß ein Hohlraumeichstrahler in Bezug auf seine strahlende Fläche recht groß ist, d. h. dieser ist im Feld- und Laborbetrieb, insbesondere auch unter Raumflugbedingungen unhandlich und für einige Anwendungen praktisch nicht einsetzbar, weil Gewicht, Abmessungen und Energieverbrauch unvertretbar groß sind.From the functional principle it follows that a cavity emitter in relation is quite large on its radiant surface, d. H. this is in the field and Laboratory operation, especially unwieldy even under space flight conditions and practically unusable for some applications because of weight, Dimensions and energy consumption are unacceptably large.
Diese Tatsache ist seit langem bekannt und es gibt daher zahlreiche Entwicklungen von Flächeneichstrahlern mit besonders strukturierten und geschwärzten Oberflächen. This fact has been known for a long time and there are therefore numerous Developments of surface emitters with particularly structured and blackened surfaces.
Aus der DE 42 34 471 C1 ist z. B. ein Infrarot-Empfänger bekannt, der aus drei Schichten besteht. Die untere Schicht besitzt einen geringen Transmissionsgrad für die zu absorbierende Infrarotstrahlung. Diese absorbiert einen Teil der einfallenden Strahlung und reflektiert den nichtabsorbierten Anteil zurück in die darüberliegende mittlere Schicht. Die mittlere Schicht weist einen hohen Absorptions- und einen geringen Reflexionsgrad auf und dient vorwiegend zur Absorption. Die oberste Schicht dient zur Absorption der von oben auf die Vorrichtung einfallenden Strahlung und absorbiert bzw. reflektiert die von den unteren Schichten kommende Streustrahlung. Um den Reflexionsgrad der obersten Schicht zu verringern, ist eine Vertiefung vorgesehen, so daß es zu Vielfachreflexion innerhalb der Vertiefung kommt. Zur Erhöhung der empfangenen Strahlungsmenge können mehrere der zuvor beschriebenen Infrarot-Strahlungsempfänger rasterförmig angeordnet und zusammengeschaltet werden.From DE 42 34 471 C1 z. B. an infrared receiver known from three Layers. The lower layer has a slight one Transmittance for the infrared radiation to be absorbed. This absorbs part of the incident radiation and reflects it unabsorbed portion back into the middle layer above. The middle layer has a high absorption and a low one Reflectance and is used primarily for absorption. The top layer serves to absorb the radiation incident on the device from above and absorbs or reflects that coming from the lower layers Scattered radiation. To reduce the reflectivity of the top layer, a recess is provided so that there is multiple reflection within the Deepening is coming. To increase the amount of radiation received can use several of the infrared radiation receivers described above arranged in a grid and interconnected.
Aus der EP 0 463 906 A1 ist ein Infrarotstrahlung absorbierender Körper bekannt, dessen Oberfläche mit thermoplastischem Kunststoff gebundene, poröse Pigmentschichten aufweist, welche Strahlung von 20 bis 500 µm Wellenlänge absorbieren soll. Der Körper kann aus Aluminium oder Nickel bestehen, die poröse Oberfläche soll mit einer Rauheit von max. 200 µm ausgestattet sein und für die Pigmentierung kann schwarzer Kohlenstoff verwendet werden.EP 0 463 906 A1 describes an infrared radiation absorbing body known, the surface of which is bound with thermoplastic, Porous pigment layers, which radiation from 20 to 500 microns Should absorb wavelength. The body can be made of aluminum or nickel exist, the porous surface should have a roughness of max. 200 µm and can be used for pigmentation black carbon be used.
Nachteilig bei den bekannten Flächeneichstrahlern bzw. Empfängern ist, daß diese nicht die Güte von Hohlraumstrahlern erreichen.A disadvantage of the known surface emitters or receivers is that these do not achieve the quality of cavity lamps.
Aus der DE 34 45 677 A1 ist ein als Temperaturmeßgerät ausgebildeter Strahlungsempfänger mit einer Streustrahlung absorbierenden Abschirmung einer Meßöffnung beschrieben. Damit sollen Temperaturen an Gegenständen mit geringem Emissionsgrad gemessen werden. Die Art der Schwärzung der Abschirmung ist nicht offenbart. DE 34 45 677 A1 describes a temperature measuring device Radiation receiver with a shield absorbing stray radiation described a measuring opening. This is supposed to be temperatures on objects can be measured with low emissivity. The type of darkness of the Shielding is not disclosed.
Aus der DE 42 21 037 A1 ist noch ein Thermosäulensensor bekannt, bei dem eine metallische, strahlungsempfangende Fläche mit einer fotolithografisch strukturierbaren Lackschicht geringer Dicke belegt ist, die durch Zusätze wie Kohlenstoff infrarote Strahlung absorbiert. Der Absorptionsgrad soll etwa 95% betragen, wobei die nicht direkt absorbierte Einstrahlung nach Reflexion an der metallischen Fläche absorbiert werden soll. Noch höhere Absorptionsgrade sind schwierig zu erreichen. Es ist auch zu berücksichtigen, daß offensichtlich der Absorptionsgrad auch Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichtes umfaßt.A thermopile sensor is also known from DE 42 21 037 A1, at a metallic, radiation-receiving surface with a photolithographically structurable lacquer layer of small thickness is occupied, absorbed by additives such as carbon infrared radiation. The The degree of absorption should be around 95%, the one not directly absorbed Irradiation after reflection can be absorbed on the metallic surface should. Even higher levels of absorption are difficult to achieve. It is also to take into account that obviously the degree of absorption also includes radiation in the range of visible light.
Aus der DE-AS 14 89 356 ist eine langgestreckte Lichtquelle zur Erzeugung und Abgabe polarisierter Lichtstrahlung bekannt, die senkrecht zu ihrer Längsachse eine Ausdehnung hat, die von derselben Größenordnung wie die Wellenlänge der gewünschten Lichtstrahlung ist. Dazu kann die einzelne Lichtquelle eine aus einer ebenen Platte vorspringende Rippe sein, deren Ausdehnung senkrecht zu ihrer Längsachse von derselben Größenordnung oder gleich wie die Wellenlänge der aus der Lichtquelle gewünschten Lichtstrahlung ist. Der Rippenquerschnitt kann rechteckig, quadratisch, sinusförmig der dreieckig sein. Die Platte ist dabei vorzugsweise aus Wolfram, Molybdän oder Platin, wobei die Rippen auch aus einem anderen Werkstoff bestehen können.DE-AS 14 89 356 is an elongated light source for generating and Emission of polarized light radiation known to be perpendicular to it Longitudinal axis has an extent of the same order of magnitude as is the wavelength of the desired light radiation. The individual Light source be a rib protruding from a flat plate, the Extension perpendicular to its longitudinal axis of the same order of magnitude or equal to the wavelength of that desired from the light source Is radiation. The rib cross section can be rectangular, square, be sinusoidal or triangular. The plate is preferably made of Tungsten, molybdenum or platinum, with the ribs also from another Can exist material.
Aus der US 4,585,971 ist eine Glühlampe mit einer flachen, runden Glühfolie bekannt, deren maximale Abstrahlungsrichtung kreisförmig senkrecht zur Glühfolie ist. Die strukturierte Folie ist innerhalb eines leitfähigen Ringes angeordnet und weist eine reflektive Rückplatte auf, die Wärme auf die Glühfolie zurücklenkt und somit den Glüheffekt der Glühfolie verstärkt. Der Strom fließt dabei von einer zentrischen Mittelelektrode über die Folie zum leitfähigen Ring.From US 4,585,971 is an incandescent lamp with a flat, round filament known, the maximum radiation direction circular perpendicular to Glow foil is. The structured film is inside a conductive ring arranged and has a reflective back plate, the heat on the Deflects the glow foil and thus reinforces the glow effect of the glow foil. The Current flows from a central center electrode to the film conductive ring.
Aus der DE-PS 486 245 ist ein kugel- oder ellipsoidförmiger Leuchtkörper für elektrische Glühlampen bekannt, bestehend aus einem Metallhohlkörper geringer Wandstärke, wobei die Wandung durch Löcher unterbrochen ist, welche die schwarze Hohlraumstrahlung nach allen Seiten austreten lassen. Des weiteren wird im einleitenden Stand der Technik dieser Druckschrift beschrieben, daß, um das Emissionsvermögen solcher Leuchtkörper aus Wolfram oder anderer schwer schmelzbarer Metalle an einen schwarzen Körper anzunähern, es bekannt ist, deren Oberfläche zu riefeln oder zu falten, um dadurch eine genügend große Anzahl von Reflexionen der ursprünglich ausgesandten Lichtstrahlen und damit eine der schwarzen Strahlung angenährte Strahlung zu erhalten. Abgesehen davon, daß die Riefen nicht einen zu großen Öffnungswinkel haben dürfen, um die nötige Anzahl von Reflexionen noch zu erzielen, ist es praktisch mit außerordentlichen Schwierigkeiten verknüpft, Wolframleuchten mit derartigen Riefen herzustellen.From DE-PS 486 245 is a spherical or ellipsoidal filament for Electric light bulbs known, consisting of a hollow metal body low wall thickness, the wall being interrupted by holes, which let the black cavity radiation emerge on all sides. Furthermore, this document is in the introductory state of the art described that to make the emissivity of such lamps Tungsten or other difficult to melt metals to a black one Approach body, it is known to knurl or to surface fold to thereby create a sufficient number of reflections of the originally emitted light rays and thus one of the black ones To get radiation-fed radiation. Apart from the fact that the Grooves should not have a too large opening angle in order to have the necessary To achieve number of reflections, it is practical with extraordinary difficulties associated with tungsten lights to produce such grooves.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ausgehend von der letztgenannten Druckschrift, einen Infrarot-Eichstrahler oder -Empfänger zu schaffen, der bei geringen Abmessungen und Gewicht den Strahlungseigenschaften eines schwarzen Körpers sehr nahe kommt. Dabei sind die fachspezifischen Randbedingungen für eine Anwendung unter Weltraumgegebenheiten zu berücksichtigen.The invention is based on the problem, starting from the latter publication, an infrared calibration radiator or receiver create the with small dimensions and weight Radiation properties of a black body comes very close. Here are the subject-specific boundary conditions for an application under Space considerations.
Erfindungsgemäß wird das Problem durch die Merkmale der Ansprüche 1, 2 und 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention, the problem is solved by the features of claims 1, 2 and 10 solved. Further advantageous configurations result from the Subclaims.
Die Lösung sieht die Verwendung einer Vielzahl von konzentrischen, oberflächenvergrößernden, zusammengefügten Einzelelementen, z. B. in Ringform, die die Strahler- oder Empfängeroberfläche bilden, vor. Dadurch wird die aktive Oberfläche vergrößert, ohne die Außenabmessungen oder das Gewicht des Infrarot-Eichstrahlers oder -Empfängers wesentlich zu vergrößern. Die Einzelelemente bilden zusammen mit ihren benachbarten Einzelelementen zum einen eine Makrostruktur und gemeinsam eine Sub-Struktur als zusammenhängende Oberfläche, die die Wirkung von Reflexionsfallen haben und somit das Absorptionsverhalten des Strahlers bzw. Empfängers verbessern.The solution is to use a variety of concentric, surface-enlarging, assembled individual elements, e.g. B. in Ring shape, which form the radiator or receiver surface. Thereby the active surface is enlarged without the outer dimensions or the weight of the infrared calibration lamp or receiver increases significantly enlarge. The individual elements form together with their neighboring ones Individual elements on the one hand a macro structure and together a Sub-structure as a coherent surface that the effect of Have reflection traps and thus the absorption behavior of the radiator or improve the recipient.
Alternativ kann die strahlungswirksame Oberfläche des Strahlers aus einer Vielzahl konzentrisch angeordneter Einzelelemente gebildet werden, die aus dem monolithischen Grundmaterial Graphit herausgearbeitet sind, wobei die Einzelelemente mit benachbarten Einzelelementen als Reflexionsfallen wirkende Substrukturen bilden.Alternatively, the radiation-effective surface of the radiator can be made from a A large number of concentrically arranged individual elements are formed from the monolithic base material graphite are worked out, the Individual elements with neighboring individual elements as reflection traps form acting substructures.
In den sich durch die V-förmigen Vertiefungen und den Nuten/Tälern bildenden Substrukturen wird die Strahlung vielfach reflektiert und an den dunklen Strukturoberflächen fast vollständig absorbiert. Dazu kann zusätzlich die für sich aus dem Stand der Technik bekannte Mikrostrukturierung der Strahleroberfläche beitragen.In the by the V-shaped depressions and the grooves / valleys the substructure that forms the radiation is multiple reflected and almost completely absorbed on the dark structure surfaces. In addition, the one known per se from the prior art can be used Microstructuring of the emitter surface contribute.
Dadurch, daß die Einzelelemente auch lösbar von der Basis ausgestaltet sind, können defekte Einzelelemente ausgetauscht werden, ohne den gesamten Infrarot-Eichstrahler oder Empfänger auszutauschen. Außerdem kann so die Strahler- oder Empfängeroberfläche an die äußeren Bedingungen z. B. variable Einstrahlrichtung, angepaßt werden. Durch eine Metallisierung, z. B. Galvanisieren der Mantelflächen des Fügeteiles mit Nickel wird die thermische Kopplung der Einzelelemente erhöht.Because the individual elements are also designed to be detachable from the base defective individual elements can be replaced without the replace entire infrared calibration emitter or receiver. Moreover can so the radiator or receiver surface to the outer Conditions z. B. variable beam direction can be adjusted. By a Metallization, e.g. B. Electroplating the lateral surfaces of the joining part Nickel increases the thermal coupling of the individual elements.
Durch Ausbildung der Einzelelemente, die als Block oder auch separat gefertigt werden können, als konzentrische in der Größe abgestufte Ringe ergibt sich eine besonders hohe Packungsdichte der Einzelelemente. Es ist nicht erforderlich, daß der gesamte Teil des nicht der Absorption dienenden Einzelelementes mit dem gleichen Querschnitt ausgestattet ist, sondern es reicht, wenn die Basisfläche oder andere Teile des Einzelelementes eine derartige Form haben, so daß sie eng gepackt werden können. Die Oberfläche wird von spitz zulaufenden Einzelelementen gebildet, d. h. der Absorberteil hat steile Flanken zu seiner Basis hin und sollte der Strahlung keine Reflexionsebene bieten, sondern eine relativ scharfe oder diffus reflektierende Spitze entgegenstrecken.By designing the individual elements as a block or separately can be manufactured as concentric rings graduated in size there is a particularly high packing density of the individual elements. It is does not require that the entire part of the non-absorption Single element is equipped with the same cross section, but it is sufficient if the base surface or other parts of the individual element have such a shape that they can be packed tightly. The Surface is formed by tapering individual elements, i.e. H. of the Absorber part has steep flanks towards its base and should the radiation do not offer a plane of reflection, but a relatively sharp or diffuse one stretch out the reflective tip.
Graphit hat von Hause aus ein sehr gutes Absorptions- und Wärmeverhalten. Das Absorptionsverhalten wird durch die Verwendung von Epoxydharz oder anderen geeigneten schwarzen oder entsprechend pigmentierten Massen als Beschichtung verbessert. Durch das Nachbearbeiten der Spitzen der Elemente und der Täler mittels Schleifen und/oder Drehen werden Überhänge und Verfüllungen entfernt, die ansonsten das Absorptionsverhalten verschlechtern würden. Graphite has a very good absorption and Heat behavior. The absorption behavior is determined by using Epoxy resin or other suitable black or equivalent pigmented masses improved as a coating. By the Reworking the tops of the elements and the valleys using grinding and / or turning overhangs and backfills are removed otherwise the absorption behavior would deteriorate.
Ein derartiger Eichstrahler oder -Empfänger kann Teil einer Meß- oder Kalibrationseinrichtung sein, wobei an sich bekannte Meßsysteme und oder Temperaturkonstanthalter additiv Anwendung finden, die dem Fachmann als solches bekannt sind. Eine im Strahler vorgesehene Aufnahme im Zentrum der Ringstruktur kennzeichnet den geeigneten Plazierungsort des Sensors für die jeweilige Meßaufgabe.Such a calibration radiator or receiver can be part of a measuring or Be calibration device, known measuring systems and or Temperature stabilizers additively apply, which the specialist as such are known. An image provided in the center of the spotlight the ring structure indicates the appropriate location for the sensor for the respective measuring task.
Bei exakter Ausführung der Erfindung werden Absorptionsgrade von < 98% erreicht. Praxistests haben diese Werte auch bei Wellenlängen von 0,9 bis 200 µm bestätigt.If the invention is carried out exactly, degrees of absorption of <98% reached. Practical tests have these values even at wavelengths from 0.9 to 200 µm confirmed.
Dies ist offensichtlich nur möglich bei kombinierter regelmäßiger Makrostruktur der Oberfläche, ergänzt um eine für sich bekannte Mikrostruktur der exponierten Oberfläche. Auf die Mikrostrukturierung kann verzichtet werden, wenn spezielle Oberflächenbeschichtungen angewendet werden.This is obviously only possible with a combined regular Macro structure of the surface, supplemented by a known one Microstructure of the exposed surface. On the microstructuring can be dispensed with if special surface coatings are applied become.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei die Offenbarung gemäß den Ansprüchen ebenfalls heranzuziehen ist. Es zeigen schematisch:The invention is based on preferred embodiments explained in more detail, the disclosure according to the claims also is to be used. They show schematically:
Fig. 1a, b einen Querschnitt durch einen Infrarot-Eichstrahler bzw. - Empfänger mit Detail X1 von Einzelelementen; FIG. 1a, b show a cross section through an infrared radiator and calibration - receiver with detail X1 of individual elements;
Fig. 2a, b einen Querschnitt durch einen zweiten Infrarot-Eichstrahler bzw. -Empfänger mit Detail X2 von Einzelelementen; 2a, b show a cross section through a second infrared emitter or receiver calibration with detail X2 of individual elements.
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform im Detail. Fig. 3 shows a third embodiment in detail.
Im folgenden sind alle gleichen oder gleichwirkenden Merkmale mit denselben Ziffern versehen.In the following, all the same or equivalent features are included the same digits.
In den Fig. 1a und 2a sind Querschnitte durch den erfindungsgemäßen Bereich des Infrarot-Eichstrahlers oder -Empfängers mit Details X1 bzw. X2 in Fig. 1b bzw. Fig. 2b dargestellt. Die im Querschnitt V-förmigen Vertiefungen 2 zwischen den um eine zentrale Aufnahme 7 angeordneten, ringförmigen Einzelelementen 1 des Blockes 8 wirken wie Reflexionsfallen. Fällt von oben IR-Strahlung ein, so wird die nicht direkt an der Oberfläche absorbierte Strahlung aufgrund des spitzen Öffnungswinkels α (Fig. 3) mehrfach reflektiert und absorbiert, so daß ein geringer Anteil der von oben einfallenden Strahlung wieder nach oben zurückreflektiert wird. Dadurch erhöht sich das Gesamtabsorptionsvermögen des Infrarot-Eichstrahlers oder -Empfängers ohne wesentliche Vergrößerung der Abmessungen oder des Gewichtes.In FIGS. 1a and 2a cross-sections are illustrated by the inventive range of the infrared radiator or calibration -Empfängers details with X1 or X2 in Fig. 1b and Fig. 2b. The cross-sectionally V-shaped depressions 2 between the annular individual elements 1 of the block 8 arranged around a central receptacle 7 act like reflection traps. If IR radiation is incident from above, the radiation not directly absorbed on the surface is repeatedly reflected and absorbed due to the acute opening angle α ( FIG. 3), so that a small proportion of the radiation incident from above is reflected back upwards. This increases the total absorption capacity of the infrared calibration radiator or receiver without significantly increasing the dimensions or the weight.
Analog ist die Funktionsweise, wenn die Einzelelemente 1 als im Querschnitt etwa spitzwinklige, dreieckige Ringe (Fig. 3) ausgebildet sind, wobei der spitze Öffnungswinkel α durch die Flanken des Einzelelementes gebildet wird. Bei Zusammensetzung der Einzelelemente in unterschiedlicher Art und Weise, entweder als Spitzen zwischen in einen monolithischen Block eingearbeiteten Vertiefungen oder aus Ringen mit Vertiefungen oder einzelnen dreieckförmigen Ringen ergibt sich stets der gleiche Makro- Querschnitt durch den Infrarot-Eichstrahler oder -Empfänger wie in Fig. 1a. Der wesentliche Unterschied zwischen diesen beiden Ausführungsformen ist, daß mit Ausnahme des innersten Einzelelementes 1 die im Querschnitt einen spitzen Winkel β bildenden, dreieckigen Ringe nur zusammen mit benachbarten Einzelelementen 1 als Reflexionsfallen wirkende Substrukturen bilden, wohingegen die im Querschnitt V-förmigen Ringe oder Ringe mit V-förmigen Vertiefungen 2 sowohl allein als auch mit benachbarten Einzelelementen 1, die als Reflexionsfallen wirkenden Substrukturen bilden.The operation is analogous if the individual elements 1 are formed as triangular rings ( FIG. 3) which are approximately acute-angled in cross-section, the acute opening angle α being formed by the flanks of the individual element. When the individual elements are composed in different ways, either as peaks between recesses machined into a monolithic block or from rings with recesses or individual triangular rings, the same macro cross-section through the infrared calibration radiator or receiver always results as in Fig. 1a . The essential difference between these two embodiments is that, with the exception of the innermost individual element 1 , the triangular rings which form an acute angle β in cross section only form substructures acting together with adjacent individual elements 1 as reflection traps, whereas the rings or rings which are V-shaped in cross section also V-shaped depressions 2 both alone and with adjacent individual elements 1 , which form substructures acting as reflection traps.
Das Einzelelement 1 besteht wie der Block vorzugsweise aus Graphit. In den Block 8 ist kreisförmig eine im Querschnitt V-förmige Vertiefung 2 durch Drehen oder Fräsen eingearbeitet.The single element 1 , like the block, is preferably made of graphite. A circular cross-section V-shaped recess 2 is worked into block 8 by turning or milling.
Die Flanken des Einzelelementes 1 sind vorzugsweise mit Epoxydharz 6 besprüht. Das Epoxydharz hat im Vergleich zum Graphit verbesserte Absorptionseigenschaften. Allerdings bilden sich durch das Besprühen der Oberfläche des Einzelelementes 1 mit Epoxydharz Überhänge (Detail X1/Fig. 1b) an den oberen Spitzen 5 und Verfüllungen in den Tälern 4 der V-förmigen Vertiefung 2. Diese Überhänge und Verfüllungen können dann einen Anteil der einfallenden IR-Strahlung direkt wieder nach oben zurück reflektieren, wenn diese, wie in Fig. 1b übertrieben dargestellt, eine reflektierende Kopffläche bilden und somit das Absorptionsverhalten des Einzelelementes 1 verschlechtern.The flanks of the individual element 1 are preferably sprayed with epoxy resin 6 . The epoxy resin has improved absorption properties compared to graphite. However, by spraying the surface of the individual element 1 with epoxy resin, overhangs (detail X1 / FIG. 1b) are formed at the upper tips 5 and fillings in the valleys 4 of the V-shaped recess 2 . These overhangs and fillings can then reflect a portion of the incident IR radiation directly back upwards if, as exaggeratedly shown in FIG. 1b, they form a reflective head surface and thus deteriorate the absorption behavior of the individual element 1 .
In diesen Fällen werden die Spitzen 5 unter einem größeren Winkel β als der Öffnungswinkel α der V-förmigen Vertiefung 2 angeschliffen (Detail X2 und Fig. 3). Dadurch wird zwar das an den oberen Spitzen 5 aufgetragene Epoxydharz teilweise wieder abgetragen, aber das scharfkantige Graphit hat bessere Absorptionseigenschaften als die Überhänge mit Epoxydharz.In these cases, the tips 5 are ground at a larger angle β than the opening angle α of the V-shaped recess 2 (detail X2 and FIG. 3). Although the epoxy resin applied to the top tips 5 is partially removed again, the sharp-edged graphite has better absorption properties than the overhangs with epoxy resin.
Eine eingefräste Nut 3 wie in Fig. 3 dargestellt, hat im Beschichtungsfall auch die Funktion, das sich normalerweise im Tal 4 ansammelnde Epoxydharz aufzunehmen, um so Verfüllungen der Täler 4 zu verhindern. Bei Ausführungen ohne Nut 3 bzw. wenn die Nut 3 nicht das gesamte Epoxydharz aufnehmen kann, werden die Täler 4 durch Drehen, Fräsen oder Schleifen nachbearbeitet.A milled groove 3 as shown in FIG. 3 also has the function, in the case of coating, of absorbing the epoxy resin that normally accumulates in the valley 4 in order to prevent the valleys 4 from being backfilled. In versions without a groove 3 or if the groove 3 cannot accommodate the entire epoxy resin, the valleys 4 are reworked by turning, milling or grinding.
Werden die Einzelelemente 1 separat hergestellt, so können diese entweder in nicht dargestellter Weise lösbar auf einer Basis befestigt werden, oder durch eine anschließende Thermobehandlung z. B. Schrumpfen miteinander verbunden werden. Durch Thermobehandlung und anschließender schockartiger Abschreckung versprödet das Graphit und es entsteht eine Mikrostrukturierung, die das Absorptionsverhalten des Graphitkörpers verbessert.If the individual elements 1 are produced separately, they can either be releasably attached to a base in a manner not shown, or by subsequent heat treatment, for. B. shrinking can be connected. Through thermal treatment and subsequent shock-like quenching, the graphite becomes brittle and a microstructuring is created which improves the absorption behavior of the graphite body.
Zusätzlich kann das Epoxydharz mittels fotolithographischer Prozeßschritte mikrostrukturiert werden. Die Einzelelemente 1 können sowohl für Flächen- als auch für Hohlraumstrahler verwendet werden. Als besonders geeignet hat sich ein Öffnungswinkel α zwischen den Elementen von 10 bis 30 Grad, vorzugsweise zwischen 12 bis 20 Grad mit einer Tiefe der Vertiefung von ca. 10 mm erwiesen. Werden die Einzelelemente 1 separat hergestellt, so kann es sich als vorteilhaft erweisen, Einzelelemente 1 mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln und/oder Tiefen gemeinsam zu verwenden.In addition, the epoxy resin can be microstructured using photolithographic process steps. The individual elements 1 can be used for both surface and cavity emitters. An opening angle α between the elements of 10 to 30 degrees, preferably between 12 to 20 degrees with a depth of the depression of approximately 10 mm has proven to be particularly suitable. If the individual elements 1 are manufactured separately, it may prove advantageous to use individual elements 1 with different opening angles and / or depths together.
Die Fig. 3 zeigt analog den Details X1 und X2 einen Teil-Querschnitt durch konzentrische Einzelelemente 11, 12 und 13, die hier als separat gefertigte Ringe mit die Strahleroberfläche bildenden Spitzen 5 ausgeführt sind. In das zwischen benachbarten Spitzen entstandene Tal 4 der Vertiefungen 2 ist zusätzlich eine im Querschnitt kreisförmige Nut 3 eingelassen, die als weitere Reflexionsfalle dient. Die Spitzen 5 sind im oberen Bereich unter einem größeren Winkel β als der Öffnungswinkel α der V-förmigen Vertiefung 2 angeschliffen. Nachdem die Nut 3 eingefräst wurde, ist die Oberflächenstruktur durch Zusammenfügen der Einzelringe 11, 12, 13 entstanden. Die Flanken der Spitze können wie zuvor beschrieben beschichtet und/oder bearbeitet und/oder mikrostrukturiert sein. Fig. 3 shows details analogous to X1 and X2 is a partial cross section of concentric individual elements 11, 12 and 13, here forming a separately manufactured rings with the radiating surface tips 5 are executed. In the valley 4 of the depressions 2 formed between adjacent peaks, a groove 3 with a circular cross section is additionally inserted, which serves as a further reflection trap. The tips 5 are ground in the upper area at a larger angle β than the opening angle α of the V-shaped recess 2 . After the groove 3 was milled in, the surface structure was created by joining the individual rings 11 , 12 , 13 together . The flanks of the tip can be coated and / or processed and / or microstructured as described above.
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