DE2113712C3 - Anordnung zur Erfassung von Strahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erfassung von Strahlen mit veränderlichem Ausgangspunkt, die mehrere strahlungsempfindliche Detektorelemente in ringförmiger Anordnung und einen als Diskriminator wirkenden rotationssymmetrischen Reflektorkörper enthält. Mit sogenannten Ortungsdetektoren kann eine Ortsveränderung des strahlenden Objektes sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung erfaßt werden. Diese unter der englischen Bezeichnung Tracker oder Seeker bekannten Detektoren enthalten mehrere Photowiderstände oder aktive Photoelemente in Form eines Kreissektors, die zusammen eine Scheibe bilden. Die einzelnen Sektoren sind jeweils mit elektri sehen Anschlußleitern versehen und bilden getrennte Detektorelemente. Die Verwendung von Photowiderständen in solchen Systemen hat den Nachteil, daß die Wellenlänge durch den Bandabstand des verwendeten Halbleiters begrenzt ist. Für verhältnismäßig große Wellenlängen sind solche Detektoren nur mit besonderer Kühlung verwendbar. Wird beispielsweise ein Indiumantimonid-Halbleiterkörper verwendet, so können diese Detektoren mit einer Stickstoffkühlung für Wellenlängen bis etwa 5,5 μιτι verwendet werden. Mit aktiven Halbleiter-Photoelementen sind diese Detektoren nur für verhältnismäßig geringe Wellenlängen geeignet. Die Wellenlänge für einen Silizium-Halbleiterkörper ist auf etwa 1,1 μπι begrenzt, während Germaniumdetektoren für Wellenlängen bis zu etwa 1,6 μΐη verwendbar sind.

In einer bekannten Anordnung zum Erfassen von Strahlen mit veränderlichem Ausgangspunkt, die mehrere strahlungsempfindliche Detektorelemente in ringförmiger Anordnung enthält, ist ein als Diskriminator wirkender rotationssymmetrischer Reflektorkörper vorgesehen, der die ankommende Strahlung umlenkt und ringförmig gestalteten Detektoren zuführt. Die Reflektorflächen des kegelförmigen Diskriminators und des Detektors liegen einander gegenüber (deutsche Offenlegungsschrift 18 15 948). Die Detektoren können auch so ringförmig gestaltet sein, daß ihre der Strahlung entgegengerichteten Empfängerflächen in einer Ebene liegen (US-Patentschrift 34 50 479).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Infrarot-Ortungsdetektor zur Erfassung einer zweidimensionalen Ortsveränderung des strahlenden Objektes so zu gestalten, daß auch eine sehr geringe Ortsveränderung des strahlenden Objektes erfaßt werden kann und der eine sehr geringe Zeitkonstante hat.

In der Ausführungsform als Einzeldetektor sind nun Strahlungsdetektoren mit einem strahlungsempfindlichen Halbleiterkörper aus Indiumantimonid bekannt, die bei Zimmertemperatur unter Verwendung eines Magnetfeldes betrieben werden können. Die Wirkung dieser Detektoren beruht auf dem photoelektromagne tischen Effekt. Sie sind deshalb auch unter der Bezeichnung »PEM-Detektor« bekannt.

Aus der deutschen Patentschrift 16 14 570 ist ferner ein thermomagnetischer Detektor bekannt, dessen Wirkung auf dem optisch induzierter Ettingshausen-Nernst-Effekt beruht und der deshalb als OEN-Detektor bezeichnet wird.

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß auch aus diesen magnetischen Detektoren mit geringer Zeitkonstante ein Detektor für zweidimensionale Strahlunr^erfassung hergestellt werden kann, wenn es gelingt das Bild des Strahlers einem dieser Detektorelemente in Abhängigkeit von einer Ortsveränderung des strahlenden Objektes zuzuführen. Erfindungsgemäß sind die Detektorelemente als sektorförmig unterteilter Ring senkrecht zur Rotationsachse des Diskriminators im Luftspalt eines Ringspaltmagneten angeordnet, und es sind Mittel vorgesehen, die eine Zone des Diskriminators auf den Detektorring abbilden. Die ankommende Strahlung wird von dem Diskriminator vorzugsweise über eine Spiegeloptik, deren Reflexionsfläche einen Rotationskegelschniti bildet, wenigstens einem der Ringsektoren vorgegeben. Die Spiegeloptik dient als Zwischenbildträger. Der Diskriminator dient nicht nur zur Umlenkung der Strahlen, sondern er liefert der zur Zwischenabbildung dienenden Spiegeloptik das Bild der Strahlungsquelle. Der Diskriminator kann *5 deshalb auch eine punktförmige Strahlung erhalten und es wird auch eine sehr geringe Ortsabweichung nach Größe und Richtung erfaßt. Als Strahlungsdetektoren sind sowohl PEM- als auch OEN-Detektoren geeignet.

Im Falle einer Ortsveränderung des strahlenden Ob- 3» jektes senkrecht zur mit der Rotationsachse des Ringspaltmagneten identischen optischen Achse wechselt auch dessen Abbild von der Oberfläche eines der Halbleiterkörper zu dem diesem gegenüberliegenden Halbleiterkörper. Eine tote Zone beim Übergang des Ausgangssignals der Anordnung von der positiven zur negativen Richtung und umgekehrt kann somit nicht auftreten, weil der Krümmungsradius der Spitze des Diskriminators kleiner als der Durchmesser des von einem vorgeschalteten Objektiv erzeugten Abbildes des Strahlers gemacht werden kann. Bei parallel auf das Objektiv einfallenden Strahlen ist der Durchmesser des Abbildes durch das von der Eintrittspupille erzeugte Beugungsscheibchen bestimmt.

Als Diskriminator kann ein Kegel verwendet werden, dessen Rotationsachse mit der optischen Achse identisch ist und dessen Spitze der ankommenden Strahlung entgegengerichtet ist. Die Strahlung wird zunächst vom Kegel und dann von der Spiegeloptik reflektiert, deren Oberfläche die Form e^;nes Ellipsoids hat. Die Summe eines der Brennpunkte der erzeugenden Ellipse bildet auf den Ringsektoren einen Brennring und ihr zweiter Brennpunkt liegt auf der Kegelspitze. In einer besonderen Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung bildet die Summe der zweiten Brennpunkte in der Nähe der Spitze des Diskriminators ebenfalls einen Brennring, der senkrecht und konzentrisch zur optischen Achse angeordnet ist. Diskriminator und Spiegeloptik können vorzugsweise so dimensioniert werden, daß das Verhältnis vom *o Durchmesser des Brennringes in der Nähe der Spitze des Diskriminators zum Durchmesser des Halbleiterringes etwa 1:10 beträgt. Der Brennring in der Nähe der Spitze des Diskriminators kann sich sowohl auf der Oberfläche des Diskriminators als auch in einem vorbestimmten Abstand von der Oberfläche befinden.

Zur Abbildung der Strahlung auf dem Halbleiterring sind ferner ein Diskriminator und eine Spiegeloptik geeignet, deren Reflexionsflächen beide die Form eines Paraboloids haben. Außerdem kann die Reflexionsfläche des Diskriminators die Form eines Hyperboloids und die Reflexionsfläche der Spiegeloptik die Form eines Ellipsoids haben. Bei diesen Ausführungsformen sind die Erzeugenden von Diskriminator und Spiegeloptik konfokale Kegelschnitte, so daß der auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers liegende Brennring durch die Spiegeloptik auf den kleineren Brennring in der Nähe der Spitze des Diskriminators abgebildet wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbuspiel einer Anordnung zur Strahlungserfassung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Nach F i g. 1 sind im Luftspalt eines Ringspaltmagneten 2, der in bekannter Weise gestaltet sein kann, vier ringsektorförmige Strahlungsdetektorelemente 4 bis 7 angeordnet. Diese Ringsektoren werden somit von einem radialen Magnetfeld durchsetzt. Zwischen den Enden der einzelnen Sektoren sind jeweils elektrisch isolierende dünne Zwischenschichten 9 bis 12, die in der Figur zur Deutlichkeit etwas vergrößert dargestellt sind, derart angeordnet, daß die Halbleiterkörper 4 bis 7 zusammen mit den Isolationsschichten 9 bis 12 einen Ring bilden. Jeweils die am Umfang des Ringes einander gegenüberliegenden Ringsektoren sind elektrisch gegeneinander geschaltet, so daß der mit einem Ende des Halbleiterkörpers 4 verbundene Anschlußleiter ein positives oder negatives Signal für eine Abweichung in positiver bzw. negativer y- Richtung erhält, das an einer Ausgangsklemme 14 abnehmbar ist. In gleicher Weise sind die Halbleiterkörper 5 und 7 elektrisch gegeneinander geschaltet, so daß an dem Anschlußleiter des Halbleiterkörpers 5 ein Signal gebildet wird, das an einer Ausgangsklemme 15 abnehmbar ist und das je nach der Abweichung der ankommenden Strahlung in positiver oder negativer x- Richtung positives bzw. negatives Vorzeichen hat. Jeweils ein Ende der Halbleiterkörper 6 und 7 liegt über einer Klemme 16 bzw. 17 auf Null-Potential. Die Vorzeichen der beiden Ausgangssignale an den Klemmen 14 und 15 sind damit ein Maß für die Richtung der zugehörigen lateralen Abweichung des Strahlers von der optischen Achse. Die Ausgangssignale an den Klemmen 14 und 15 können in bekannter Weise als Steilgröße für eine Nachsteuereinrichtung verwendet werden. Diese Nachsteuereinrichtung dreht den Meßkopf mit der Anordnung nach der Erfindung entsprechend der Abweichung des strahlenden Objektes in der x- und/oder y- Richtung, bis die beiden Signale Null werden. Die Größe dieser Verdrehung ist dann ein Maß für die Winkelabweichung des in der Figur nicht dargestellten Strahlers gegenüber der optischen Achse vor der Nachstellung. Mit der Anordnung nach der Erfindung kann somit nicht nur die Richtung der Ortsveränderung eines strahlenden Objektes, sondern auch die Größe der Abweichung festgestellt werden.

Nach F i g. 2 wird die von einem in der Figur nicht dargestellten strahlenden Objekt ankommende, durch Pfeile angedeutete Strahlung über ein Objektiv, das in der Figur als Linse 20 dargestellt ist, aber auch ein Spiegelobjektiv sein kann, einem Diskriminator 22 zugeführt, dessen Reflexionsfläche die Form eines Kegels hat und dessen Spitze auf der strichpunktiert gezeichneten optischen Achse liegt. Der Diskriminatorkegel ist durch einen Sockel 23 mit dem Ringspaltmagneten 2 verbunden. Vom Diskriminator 22 wird die Strahlung

reflektiert und gelangt nach einer weiteren Reflexion an der Oberfläche einer Spiegeloptik 24 zur Oberfläche eines Halbleiterringes 26, der aus den ringsektorförmigen und gegeneinander elektrisch isolierten Einzeldetektoren 4 bis 7 nach F i g. I gebildet wird Diese Detektoren sind auf einem ringförmigen Träger 28 im Luftspalt des Magneten 2 angeordnet, der ein Ringspaltmagnet sein kann, wie er in Lautsprechern verwendet wird Der Träger 28 besteht aus elektrisch isolierendem Material vorzugsweise Keramik. Die elektrischen Anschlußleiter mit den Klemmen 14 und 15 sind durch eine entsprechende Bohrung im Boden des Magneten 2 und durch eine öffnung im Gehäuse 30 des Magneten 2 hindurchgefühlt. Die Zwischenräume 32 und 34 im Gehäuse 30 und im Magneten 2 können zweckmäßig mit einem Gießharz gefüllt sein. Die Spiegeloptik 24, deren reflektierende Fläche in dieser Ausführungsform die Form eines Ellipsoids hat, ist in einer Haube 31 angeordnet, die auf das Magnetgehäuse 30 aufgeschraubt ist und für die ankommende Strahlung mit einer entsprechenden öffnung versehen ist Am Boden des Gehäuses 30 sind auch die beiden Anschlußklemmen 16 und 17 dargestellt, die in der zugehörigen elektronischen Schaltung für die empfangenen Signale auf Null-Potential liegen können.

Die erzeugende Ellipse der Spiegeloptik 24 wird bestimmt, durch die Lage ihres einen Brennpunktes im Abstand R von der optischen Achse auf der Oberfläche des Detektorringes 26 und ihres anderen Brennpunktes, der auf der Spitze des Kegels 22 liegen kann. Die Summe der Brennpunkte auf dem Detektorring 26 bildet dort einen Brennkreis mit dem Radius R. Die große Hauptachse der Ellipse kann vorzugsweise gleich der Summe aus dem Radius R des Brennkreises und dem Abstand h des Brennpunktes an der Spitze des Kegels 22 von der Ebene dieses Brennkreises gewählt werden.

Mit dieser Gestaltung wird erreicht, daß der achsenparallel einfallende Hauptstrahl H senkrecht auf den Detektorring 26 trifft, wie in der Figur gestrichelt angedeutet ist

Die Gestaltung des Diskriminator* 22 in Verbindung

mit der Spiegeioptik 24 kann zweckmäßig so gewählt werden, daß der auf der Oberfläche des Halbleiterringes 26 gebildete Brennring durch die Spiegeloptik 24 in der Nähe der Spitze des Diskriminators 22 abgebildet wird Hierdurch wird erreicht, daß auf dem Detektor ring 26 die optimale Abbildungsschärfe des auf die Ebe ne im Abstand h von der Halbleiterring-Oberfläche 26 abgebildeten Strahlers für einen vorbestimmten Winkel zwischen der optischen Achse und der Richtung der einfallenden Strahlung erhalten wird Man kann somit

jo auch noch Strahlen erfassen, deren Einfallsrichtung erheblich von der optischen Achse abweicht

Mit einem Kegel 22 als Diskriminator nach F i g. 2 kann dieser abgebildete Brennring mit dem Radius r vorzugsweise auf dem Kegelmantel liegen. Das Ver hältnis von Radius R des Brennringes auf der Oberflä che des Halbleiterringes 26 zum Radius rdes Brennringes auf dem Kegelmantel kann vorteilhaft annähernd 10:1 betragen. In Verbindung mit einer Parabel oder einer Hyperbel als Erzeugende für die Reflexionsfläche des Diskriminators liegt dieser Brennring nicht auf der Reflexionsfläche.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erfassung von Strahlen mit veränderlichem Ausgangspunkt, die mehrere strahlungsempfindliche Detektorelemente in ringförmiger Anordnung und einen als Diskriminator wirkenden rotationssymmetrischen Reflektorkörper enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (4 bis 7) als sektorförmig unterteilter-,Ring (26) senkrecht zur Rotationsachse des Diskrjriiinators (22) im Luftspalt eines Ringspaltmagneten (2) angeordnet sind und daß Mittel vorgesehen sind, die eine Zone des Discriminators (22) auf den Detektorring (26) abbilden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbildung eine Spiegeloptik (24) vorgesehen ist, deren Reflexionsfläche einen Rotationskegelschnitt bildet.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche des Diskriminators (22) die Form eines Kegelmantels und die Reflexionsfläche der Spiegeloptik (24) die Form eines Ellipsoids hat.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn- *5 zeichnet, daß die große Hauptachse der die Reflexionsfläche der Spiegeloptik (24) erzeugenden Ellipse gleich der Summe aus dem Abstand (R) ihres einen Brennpunktes auf der Oberfläche des Detektorringes (26) von der Ri.igmitte und dem Abstand (h) ihres zweiten Brennpunktes an der Spitze des Kegels (22) von der Ebene der bestrahlten Oberfläche des Detektorringes (26) ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, uaß der aus der Summe der Brennpunkte auf der Oberfläche des Detektorringes (26) gebildete Brennkreis durch die Spiegeloptik (24) in der Nähe der Spitze des Diskriminators (22) abgebildet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (r) des Brennpunktes in der Nähe der Spitze des Diskriminators (22) von der optischen Acnse annähernd V10 des Abstandes (R) des Brennpunktes auf der Oberfläche des Detektorringes (26) von der optischen Achse beträgt.

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche des Diskriminators die Form eines Hyperboloids und die Reflexionsfläche der Spiegeloptik die Form eines dazu konfokalen Ellipsoids hat. S"

8. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen von Diskriminator und Spiegeloptik jeweils die Form eines Paraboloids haben.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkörper (4 his 7) aus einem für den photoelektromagnetischen Effekt geeigneten Halbleitermaterial bestehen.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkörper (4 bis 7) aus einem für den optisch induzierten Ettingshausen-Nernst-Effekt geeigneten Halbleitermaterial bestehen.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch ge- ⁶S kennzeichnet, daß die Halbleiterkörper (4 bis 7) aus einem Halbleitermaterial bestehen, dessen Kristall eutektische Ausscheidungen einer zweiten elektrisch gutleitenden kristallinen Phase enthält, die parallel zueinander und senkrecht zur bestrahlten Oberfläche der Halbleiterkörper (4 bis 7) angeordnet sind. ..,._,

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß die Halbleiterkörper aus Indiumantimonid (InSb) und die Ausscheidungen aus Nikkelantimonid (NiSb) bestehen.