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Diese
Erfindung betrifft Doppel-Wellenband-Optiksysteme, insbesondere
aber nicht ausschließlich
zur Verwendung im thermischen Infrarot-Wellenband.
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Es
ist bekannt, dass eine Abbildung von wärmeemittierenden Zielen entweder
im 3-5μm-Wellenband
oder im 8-12μm-Wellenband
möglich
ist, und dass das Auflösungsvermögen eines
Ziels im 8-12μm-Wellenband
besser ist, weil es dort weniger Störungen von unechten Wärmeemissionen
gibt als im 3-5μm-Wellenband. Somit
wird für
eine anfängliche
Erfassung eines Wärmeziels
ein System verwendet, das im 8-12μm-Wellenband
arbeitet und ein weiteres Gesichtsfeld aufweist, jedoch wird für eine Zielerkennung
nach einer anfänglichen
Erfassung ein Optiksystem mit stärkerer
Vergrößerung und
engem Gesichtsfeld benötigt.
Es besteht daher eine Notwendigkeit für einen mechanischen Gesichtsfeldveränderungs-Mechanismus,
welcher das System verhältnismäßig kompliziert
macht. Außerdem
ist der bei starker Vergrößerung erzielte
Auflösungsgrad
beugungsbegrenzt, falls nicht sehr große Optikkomponenten verwendet
werden. Solche großen
Optikkomponenten sind teuer, schwierig herzustellen und im Gebrauch
schwerfällig.
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In
der
US 5,161,051 A ist
ein Optiksystem zur gleichzeitigen Erzeugung zweier Gesichtsfelder beschrieben,
das ein erstes Optiksystem zur Erzeugung eines Bildes in einem ersten
Gesichtsfeld und ein zweites Optiksystem zur Erzeugung eines Bildes in
einem zweiten Gesichtsfeld einschließt. Ein dichroitischer Strahlteiler
reflektiert Licht vom ersten Optiksystem und transmittiert Licht
vom zweiten Optiksystem, so dass reflektiertes und transmittiertes
Licht unterschiedliche Wellenlängenbänder aufweisen.
Das Licht aus beiden Gesichtsfeldern wird durch einen Filter, der
in unterschiedlichen Bereichen jeweils eines der Wellenbänder durchlässt, auf
einen Sensor geleitet, der in einem Bereich das Bild des ersten
Gesichtsfeldes und in einem anderen Bereich das Bild des zweiten
Gesichtsfeldes detektiert.
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Die
US-53911875 A beschreibt
ein Doppel-Wellenband-Optiksystem zur Verwendung im thermischen
Infrarot-Wellenband, das eine tieftemperaturgekühlte Detektoranordung und eine
Kalt-Abschirmung aufweist, welche an die Detektoranordnung angrenzt.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte
Form von Doppel-Wellenband-Optiksystem zur Verwendung im thermischen Infrarot-Wellenband
bereitzustellen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Optiksystem zur Verwendung im thermischen Infrarot-Wellenband
bereitgestellt, wobei das besagte System umfasst:
eine tieftemperaturgekühlte Detektoranordnung
oder Detektormatrix, die sowohl im 3-5μm- und im 8-12μm-Wellenband
auf einfallende Strahlung anspricht,
und eine optische Abbildungsanordnung
zum Empfangen von Strahlung in beiden besagten Wellenbändern an
einer gemeinsamen Optikkomponente und zum Abgeben von jeweils aus
jedem der besagten Wellenbänder
erzeugten Bildern zur Detektoranordnung,
wobei die besagte
Anordnung umfaßt:
einen ersten Kanal zum Übermitteln
und Erzeugen eines Bildes aus Strahlung im 8-12μm-Wellenband,
wobei der besagte erste Kanal eine erste Brennweite für ein weites
Gesichtsfeld mit verhältnismäßig geringer
Vergrößerung aufweist,
einen zweiten Kanal zum Übermitteln
und Erzeugen eines Bildes aus Strahlung im 3-5μm-Wellenband, wobei der besagte zweite
Kanal eine zweite Brennweite für
ein enges Gesichtsfeld mit verhältnismäßig starker
Vergrößerung aufweist,
sowie eine spektralselektive Kalt-Abschirmung (cold-shield), die
angrenzend an die Detektoranordnung und an einer gemeinsamen Austrittspupille
für den
ersten und zweiten Kanal angeordnet ist, wobei die Kalt-Abschirmung
eine für
Strahlung im zweiten Kanal durchlässige Öffnung mit kleinem Durchmesser
und eine ringförmige
Durchlaßöffnung mit
großem
Durchmesser für
Strahlung im ersten Kanal bereitstellt, wobei das Verhältnis der
Durchmesser der besagten durchlässigen Öffnungen
im wesentlichen dasselbe ist, wie das Verhältnis der besagten Brennweiten,
und
wobei ein elektronisches Auslesesystem mit der besagten Detektoranordnung
verbunden ist, wobei dieses Auslesesystem imstande ist, zwischen
den besagten Bildern zu unterscheiden, um eine getrennte Auslesung
des Bildes im 8-12μm-Wellenband
vom Bild im 3-5μm-Wellenband
zu liefern.
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Dank
der vorliegenden Erfindung können eine
Zielerfassung und eine anschließende
Zielerkennung ohne die Notwendigkeit eines mechanischen Gesichsfeldveränderungs-Mechanismus
erreicht werden, und ohne daß sie
einen Einsatz von großen Optikkomponenten
erforderlich machen. Die volle Öffnung
der gemeinsamen Optikkomponente, welche Strahlung von den Gesichtsfeldern
empfängt, wird
für beide
Wellenbandbilder genutzt, und die Spotgröße in der Brennebene, welche
die Detektoranordnung enthält,
ist für
beide Wellenbänder
dieselbe, so daß die
Schärfe
der Bilder in beiden Wellenbändern
im wesentlichen dieselbe ist.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue und verbesserte
Form von Doppelband-Optiksystem zur Verwendung in einem beliebigen
Wellenband bereitzustellen.
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Gemäß diesem
Ziel stellt die vorliegende Erfindung ein Optiksystem bereit, dessen
Brennweite in zwei spektralen Wellenbändern unterschiedlich ist, und
bei dem die Austrittspupille für
jedes Wellenband von einer spektralselektiven Öffnung bestimmt wird, wobei
die Öffnung
für jedes
Wellenband auf eine solche Weise gewählt ist, daß der Durchmesser der Eintrittspupille
in beiden Bändern ähnlich ist,
wobei die besagte Optik umfaßt:
eine erste Komponente (oder Gruppe von Komponenten) mit positiver
Brechkraft, eine spektralselektive Einrichtung, um die einem der Wellenbänder entsprechende
Strahlung durch eine zweite Optikkomponente oder Gruppe von Komponenten
zu lenken, die in Kombination mit der besagten ersten Optikkomponente
ein Optiksystem mit positiver Brechkraft mit einer Brennweite umfaßt, welche
sich von derjenigen der besagten ersten Optikkomponente oder Gruppe
von Komponenten unterscheidet, und eine Einrichtung, um zu bewirken,
daß die
Mitte des von der besagten ersten Optikgruppe unabhängig erzeugten
Bildes und die Mitte des von der besagten ersten Optikgruppe und
der besagten zweiten Optikgruppe in Kombination erzeugten Bildes
hinsichtlich Brennpunkt und Lage in der Brennebene übereinstimmen,
und eine Einrichtung, um in jedem der gewählten Wellenbänder die
von einem Detektor empfangene Strahlung auf diejenige zu begrenzen,
welche in die besagte erste Optikgruppe eintritt, wobei die besagte
Einrichtung eine Rückabbildungsoptik
(re imaging optics) umfaßt,
die imstande ist, Strahlung in beiden Bändern hindurchtreten zu lassen,
sowie einen Spektralfilter mit räumlichen
Zonen, von denen jede Strahlung nur in jedem der gewählten Spektralbänder durchläßt.
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Wenn
dieser Aspekt der Erfindung im thermischen Infrarot-Wellenband arbeitet,
ist die Einrichtung zum Begrenzen der vom Detektor empfangenen Strahlung
die vorgenannte Kalt-Abschirmung.
Jedoch soll klar sein, daß die
Kalt-Abschirmung als Teil des Tieftemperatursystems gekühlt werden
kann oder auch nicht. Die Kalt-Abschirmung kann außerhalb
des Tieftemperatursystems liegen und bei Umgebungstemperatur arbeiten,
in welchem Fall sie zweckmäßigerweise
auf ihrer Rückseite
angrenzend an den Detektor angeordnet ist, um vom Detektor ausgehende
Strahlung zum Detektor zurück
zu reflektieren, während äußere Strahlung
außerhalb
des gewünschten
Akzeptanzwinkels ausgeschlossen wird.
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Ausführungformen
der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen
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1 eine
erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, bei welcher beide Strahlungskanäle frei
von Hindernissen sind;
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1A eine
Einzelheit aus 1 veranschaulicht;
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2 eine
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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3 eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, welche nach dem katadioptischen
Prinzip arbeitet, und
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die 3A und 3B unterschiedliche Einzelheiten
des Systems aus 3 veranschaulichen.
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Das
in 1 dargestellte Optiksystem 10 dient zur
Verwendung im thermischen Infrarot-Wellenband und umfaßt eine
tieftemperaturgekühlte
Detektoranordnung oder Detektormatrix 11, die sowohl im
3-5μm-Wellenband
und im 8-12μm-Wellenband auf
einfallende Strahlung anspricht. Die Anordnung 11 ist innerhalb
eines tieftemperaturgekühlten
Gehäuses 12 angebracht,
welches ein strahlungsdurchlässiges
Fenster 13 aufweist, das zum Beispiel aus Germanium hergestellt
ist. Strahlung, die von einem Fernfeld 14 ausgeht, wird
an einer gemeinsamen Eintrittspupille empfangen, die auf einer gemeinsamen
Optikkomponente 15 ausgebildet ist, welche in diesem Fall
eine Linse ist, (zum Beispiel eine achromatische Kombination von
Linsenelementen, die aus einem oder mehr der Materialien Germanium,
Zinksulfid und Zinkselenid hergestellt sind) und welche das Objektiv
einer allgemein mit 16 bezeichneten optischen Abbildungsanordnung
bildet, welche jeweils aus dem 3-5μm-Wellenband und dem 8-12μm-Wellenband
erzeugte Bilder zur Anordnung 11 abgibt.
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Die
Anordnung 16 umfaßt
einen ersten Kanal zum Übermitteln
und Erzeugen eines Bildes aus Strahlung im 8-12μm-Wellenband, wobei der erste Kanal
von der Objektivlinse 15, zwei Strahlteilern 17, 18,
die im 8-12μm-Wellenband
durchlässig
sind, und einer Relaislinse 19 gebildet wird (die aus einem
oder mehr der Materialien Germanium, Zinksulfid und Zinkselenid
hergestellt sein kann, um für
eine Kontrolle des chromatischen Abbildungsfehlers zu sorgen). Die
Relaislinse 19 ist so angeordnet, daß sie ein Bild des Objektivs
auf einer Kalt-Abschirmung 20 (zum Beispiel aus Germanium
hergestellt) erzeugt, welche auf einer Streulichtblende 21 innerhalb
des abgedichteten Gehäuses 12 angebracht
ist.
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Die
Kalt-Abschirmung 20 ist in 1A spezieller
dargestellt und besteht zum Beispiel aus einer Germaniumscheibe
oder -platte mit einer oder mehr spektralselektiven Oberflächenüberzügen, welche
in konzentrischen Zonen auf der Scheibe angeordnet sind. Die mittige
Zone 22A ist im 3-5μm- Wellenbandbereich
durchlässig,
und die angrenzende ringförmige
Zone 22B ist im 8-12μm-Wellenband
durchlässig. In 1A ist
die äußerste ringförmige Zone 22C in den
thermischen Wellenbändern
undurchlässig.
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Die
für die
Kalt-Abschirmung 20 erforderlichen Überzüge sind jeweils von einer Art
die bereits gut eingeführt
ist. Für
die äußere Zone
können Überzüge derjenigen
Art verwendet werden, die bereits auf Detektorfenstern im Gebrauch
ist, um das Ansprechen auf Wellenlängen zu begrenzen, die größer als
7,5μm sind
(zum Beispiel wie in den im Januar 1984 bzw. im März 1986
von STC Components Ltd. herausgegebenen Datenblättern für Produktcodes FA und NR).
In einigen Fällen
kann die innere Zone einfach aus einem reflexmindernden Überzug (z.B. Pilkington
Optronics ARG3) bestehen, so daß die ganze
Kalt-Abschirmungsöffnung für das weite
Gesichtsfeld verfügbar
ist, obwohl in einigen Fällen
ein Filter vorzuziehen ist, welches Strahlung bei Wellenlängen oberhalb
etwa 5μm
beseitigt, um Außerbandstrahlung
zu beseitigen. Sämtliche
der benötigten oder
gewünschten
Filterüberzüge liegen
innerhalb des Standes der Technik, wobei die Herstellung der ringförmigen Gestalt
durch Maskierung während
einer Aufdampfung oder für
eine größere Genauigkeit durch
Fotoresist-Techniken erreicht werden kann. Zweckmäßigerweise
wird der Überzug
zur Bildung der Zone 22B auf der Oberfläche der Scheibe oder Platte
gebildet, die zu dem Überzug,
welcher die mittige Zone 22A bildet, entgegengesetzt ist.
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Der
erste Kanal der Anordnung 16, der im 8-12μm-Wellenband
durchläßt, ist
durch Strahlen 23A, 23B aus der Mitte und vom
Rand des Feldes veranschaulicht und besitzt eine erste Brennweite, welche
für ein
weites Gesichtsfeld mit einer verhältnismäßig geringen Vergrößerung sorgt.
Gewöhnlich beträgt die erste
Brennweite etwa 150 mm. Die vom Strahlteiler 18 gebildete
Austrittspupille wird so weitergegeben, daß sie hinsichtlich ihrer Größe der ringförmigen Zone 22B der
Kalt-Abschirmung
entspricht, und wird auf die Detektoranordnung 11 fokussiert.
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Die
Anordnung 16 schließt
weiter einen zweiten Kanal zum Übermitteln
und Erzeugen eines Bildes aus Strahlung im 3-5μm-Wellenband ein, wobei der zweite Kanal
von der Objektivlinse 15, dem nunmehr als Reflektor wirkenden
Strahlteiler 17, einer Brennweitenveränderungslinse 25 (zum
Beispiel aus Germanium hergestellt), Umlenkspiegeln 26, 27,
einer Feldlinse 28 (zum Beispiel aus Germanium hergestellt),
welche die Position der Austrittspupille verändert, so daß sie mit
dem Strahlteiler 18 zusammenfällt, der nunmehr als Reflektor
wirkt, jedoch ohne die Brennweite des zweiten Kanals zu verändern, sowie der
Relaislinse 19 gebildet wird. Der zweite Kanal ist durch
Strahlen 24 aus der Feldmitte veranschaulicht und besitzt
eine zweite Brennweite, welche ein enges Gesichtsfeld mit einer
verhältnismäßig starken
Vergrößerung liefert.
Gewöhnlich
beträgt
die zweite Brennweite etwa 500 mm, und die im 3-5μm-Wellenband vom Strahlteiler
gebildete Austrittspupille wird von der Relaislinse 19 so
weitergegeben, daß sie
hinsichtlich ihrer Größe der mittigen
Zone 22A der Kalt-Abschirmung 20 entspricht.
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Das
Verhältnis
der Durchmesser der Zonen 22A und 22B ist im wesentlichen
dasselbe wie das Verhältnis
der Brennweiten der Kanäle
und liegt bei etwa 3 zu 1, so daß die durch Beugung entstehende Unschärfespotgröße an der
Detektoranordnung 11 für
beide Kanäle
im wesentlichen dieselbe ist, so daß die Schärfe der erzeugten Bilder in
beiden Wellenbändern
im wesentlichen dieselbe ist. Außerdem wird für beide
Wellenbänder
die volle Öffnung
der Objektivlinse 15 genutzt und es befinden sich keine beweglichen
Komponenten im System.
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Die
Detektoranordnung 11 verwendet vorzugsweise Mehrfachquantentopf-Detektoren,
die entweder von der von Thomson CSF, S.A. oder der von Martin Marrietta
Inc. hergestellten und verkauften Art sind, wobei die grundlegenden
Prinzipien derartiger Detektoren in "Infra-Red detectors reach new lengths" von Gunapala et
al, veröffentlicht
in Physics World, Dezember 1994, beschrieben sind, und ist mit einem
elektronischen Auslesesystem 30 (schematisch dargestellt)
verbunden, das imstande ist, zwischen den zwei Bildern zu unterscheiden,
um eine getrennte Auslesung des Bildes im 8-12μm-Wellenband
vom Bild in 3-5μm-Wellenband
zu liefern. Die Detektoranordnung 11 ist selbstverständlich eine
Anordnung vom Typ staring array mit einer identischen Geometrie
für beide
Wellenbänder.
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Bei
einer Abwandlung des Systems 10, sind die Komponenten 17, 18, 25, 26, 27 und 28 gemeinsam
auf einer Schwenkplattform angebracht, so daß beim Einsatz des ersten Kanals
die Strahlteiler 17, 18 nicht verwendet werden
und nur Strahlung im 8-12μm-Wellenband
auf die Detektoranordnung 11 einfällt. Die Strahlteiler 17, 18 können in
diesem Fall im 8-12μm-Bereich
undurchlässig
sein, aber im 3-5μm-Bereich
reflektieren, so daß nur
das 3-5μm-Wellenband
auf die Detektoranordnung 11 einfällt, wenn die Plattform bewegt
wird, um die Strahlteiler 17, 18 in den Strahlungspfad
zu bringen. Bei dieser Abwandlung unterscheidet das elektronische
Auslesesystem 30 der Detektoranordnung 11 auf
einer zeitlichen Grundlage zwischen den beiden Wellenbandbildern.
Zusätzlich
ist klar, daß es
zahlreiche mögliche
Formen von Schwenkplattformen gibt, und daß Linsenelemente des ersten
Kanals ausgeblendet werden können,
wenn Linsenelemente des zweiten Kanals eingeblendet werden, um das
Erfordernis jeglicher Strahlteiler 17, 18 zu beseitigen.
In diesem Fall würde
selbstverständlich
jeder Kanal einen Sperrfilter benötigen, um relevante Strahlung des
anderen Kanals zu blockieren.
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2 veranschaulicht
schematisch eine alternative Form des Optiksystems, bei welchem
die dichroitischen Strahlteiler 17, 18 zum Zweck
einer Verringerung von Übertragungsverlusten
zu einem einzigen Strahlteiler vereinigt sind. Dieser einzige Strahlteiler
ist innerhalb eines Würfels 31 untergebracht,
und der zweite Kanal für
das 3-5μm-Wellenband
wird durch Umlenkprismen 32, 33 mit einem dazwischenliegenden
Teleobjektiv 34 reflektiert, welches die Funktionen der
Linsen 25 und 28 der 1 kombiniert.
In diesem Fall ist die Kalt-Abschirmung 20 außerhalb
des Tieftemperaturgehäuses
und seines Fensters 13 angeordnet.
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Bei
einer Abwandlung des Systems der 2 werden
der Würfel-Strahlteiler 31 durch
einen plattenförmigen
oder halbdurchlässigen
Strahlteiler und die Umlenkprismen 32, 33 durch
eine Reihe von Spiegeln ersetzt.
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3 veranschaulicht
eine weitere Form des Systems 10, die nach dem katadioptischen
Prinzip arbeitet. In diesem Fall sind die dichroitischen Strahlteiler 17, 18 durch
einen einzigen Strahlteiler 36 ersetzt, welcher in Beziehung
zum 3-5μm-Wellenband ringförmig spektralselektiv
ist. Der Strahlteiler 36 ist in 3B dargestellt
und weist eine mittige Zone 36A auf, welche 3-5μm-Strahlung
durchläßt und eine äußere ringförmige Zone 36B,
welche 3-5μm-Strahlung
reflektiert, jedoch 8-12μm-Strahlung
durchläßt. Die
Rückseite
der Linse 15 trägt
einen Reflektor 37 mit positiver Krümmung, um die von der Zone 36B reflektierte
3-5μm-Strahlung
durch die Zone 36A zur Relaislinse 19 zu reflektieren.
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3A veranschaulicht
die Kalt-Abschirmung 20 für das System der 3,
wobei diese derjenigen aus 1A ähnlich ist,
mit der Ausnahme eines kleinen zentralisierten Fleckens 22D,
der entweder im 3-5μm-Wellenband
oder im 8-12μm-Wellenband
für Strahlung
undurchlässig
ist.
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Bei
dem System der 3 wirft die Relaislinse 19 ein
Bild des Strahlteilers 36 auf die Kalt-Abschirmung 20,
so daß nur
Strahlung, welche durch die mittige Zone 36A des Strahlteilers 36 hindurchtritt,
durch die mittige Zone 22A der Kalt-Abschirmung 20 hindurchtritt.
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Bei
einer Abwandlung des Systems der 3 ist die Relaislinse 19 so
angeordnet, daß sie ein
Bild des Reflektors 37 auf die Kalt-Abschirmung 20 wirft.
Dies führt
zu einer verbesserten Übereinstimmung
der Pupillenposition für
die zwei Wellenbänder,
jedoch kann es in diesem Fall erforderlich sein, den Reflektor 37 mit
einer ringförmigen
Streublende zu umgeben, um Streustrahlung zu blockieren.