-
Infrarot-Modulator Um die relativ schwachen Intensitäten strahlender
Objekte im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu registrieren,
ist in der Regel eine elektronische Verstärkung erforderlich, die voraussetzt, daß
das betreffende Signal periodisch mit einer Frequenz f =
moduliert wird. Dadurch wird erreicht, daß die in einem gewissen Wellenlängenbereich
mittlere Wellenlänge;
= halbe Bandbreite) als Gleichsignal Io vorliegende
Strahlung in
ein periodisches - im allgemeinen durch eine Fourierreihe darstellbares - Wechselsignal
überführt wird, dessen Frequenzkomponenten IV durch selektive Verstärkung aus dem
störenden Untergrundrauschen angehoben werden können.
-
Die einfachste Modulation geschieht durch rotierende Schlitzscheiben
oder schwingende Schlitzblenden und gestättet hierbei eine Variation der vom Modulator
hindurchgelassenen Intensität zwischen I' = Io und I' = o. Obwohl diese mechanischen
Nodulatoren eine 10096ige Modulation gewährleisten, ist ihr relativ hoher Bedarf
an elektrischer Antriebsleistung und ihr durch die mechanisch bewegten Teile bedingter
Verschleiß für gewisse Anwendungen (z.B. Infrarot-Detektoren im Weltraum) von Nachteil.
In gewissen Fällen kann auch die Begtenzung der effektiven Empfangsfläche (z.B.
bei Schwingblenden) oder der große Raumbedarf (z.B. bei rotierenden Schlitzscheiben)
von großem Nachteil sein.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen vergleichsweise
einfachen, robusten und verschleißarmen Infrarot-Modulator zu schaffen, der außerdem
nur eine geringe Antriebsleistung benötigt.
-
Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe mit einem nach dem Prinzip
eines Fabry-Perot-Interferometers aufgebauten Infrarot-Modulator gelöst werden kann,
der zwei planparallel zueinander angeordnete, einen Spalt bildende Fabry-Perot-Platten
aufweist, die aus einem für den zu modulierenden Spektralbereich schwach absorbierenden
Material bestehen und an den Außenflächen durch einen Antireflexbelag für den betreffenden
Wellenlängenbereiqh vergütet sind, wobei diese Fabry-Perot-Platten an Biegeresonatoren
befestigt sind, die bei Anregung zu Resonanzschwingungen eine psriodische Variation
der Spaltweite ergeben. Die Fabry-Perot Platten bestehen vorzugsweise aus Germanium,
Erfindungsgemäß können die Amplituden der Spaltweitenvariation ca. 1/8 der Bandmittenwellenlänge
des zu modulierenden Spektralbereiches betragen.
-
Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung ist der Innenraum
zwischen den Fabry-Perot-Platten evakuiert.
-
Wenn die zu modulierende Strahlung nicht monochromatisch ist oder
nicht parallel, sondern divergent oder konvergent auf den Modulator auftrifft, wird
sinnvollençeise die Ruhe-Spaltweite derart eingestellt, daß die Modulation der Strahlung
an der zweiten oder dritten Flanke der Durchlässigkeitskennlinie des Interferometers
erfolgt.
-
Ferner ist es vorgesehen, den Modulator nach der Erfindung rotationssymmetrisch
aufzubauen, wobei die Fabry-Perot-Platten im Zentrum angeordnet sind und zwischen
den beiden Biegeresonatoren an der Pheripherie ein Temperaturausgleichsring angebracht
ist, der die Ruhespaltweite zwischen den Fabry-Perot-Platten bei TemperaturschwankungEn
konstant hält.
-
Die Resonanzanregung der Biegeresonatoren kann durch Anlegen einer
statischen und einer Wechselspannung kapazitiv erfolgen. Andererseits ist es auch
möglich, den Temperaturausgleichsring aus zwei piezoelektrischen Ringen mit gemeinsamer
Mittelelektrode herzustellen und zur pRezoelektrischen Anregung der Biegeresonatoren
zu verwenden.
-
Des weiteren kann die Anregung mit Hilfe eines oder zweier ringförmiger
piezoelektrischer Dickenschwinger erfolgen, die konzentrisch an der Außenseite der
Biegeresonatoren befestigt sind.
-
Nach einer noch weiteren Ausführungsart der Erfindung werden zwei
Biegeresonatoren mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen verwendet und diese Resonatoren
gleichzeitig oder einzeln zu Resonanzschwingungen bei ihrer Grundfrequenz oder bei
einer Oberschwingung angeregt.
-
Die Justierung der Fabry-Perot-Platten auf Parallelität und optimale
Ruhespaltweite kann mit Hilfe einer Justiervorrichtung
durchgeführt
werden, die im wesentlichen aus einem äußeren Rahmen mit drei um jeweils 120 versetzten,
in radialer Richtung verstellbaren Mikrometerschrauben besteht, welche je einen
schmalen Keil in entsprechende Nuten zwischen den Biegeschwingern verschieben.
-
Der erfindungsgemäße Infrarot-Modulator auf der Basis eines Fabry-Perot-Interferometers
vermeidet die geschilderten Nachteile der bekannten Modulatoren und schafft die
Möglichkeit, mit minimalen Antriebsleistungen, geringem Raumbedarf und Gewicht,
bei großem Gesichtsfeld des Modulators, konstante Strahlungsintensitäten in schmalbandigen
Spektralbereichen des elektromagnetischen Spektrums zu modulieren; er benötigt keine
störungsanfälligen mechanisch bewegten Teile.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
gehen aus der folgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Abbildungen von Ausführungsbeispielen
der Erfindung hervor.
-
Es zeigen in schematischer, vereinfachter Darstellung Figur 1 die
Anordnung der Platten eines Fabry-Perot-Interferometers, Figur 2 in graphischer
Darstellung die Abhängigkeit der Infrarot-Durchlässigkeit von der Spaltweite bei
einem Interferometer nach Figur 1,
Figur 3 im Vertikalschnitt entlang
eines Durchmessers eine Ausführungsart des erfindungsgemäßen Modulators, Figur 3a-d
im Vertikalschnitt und in Teildarstellung weitere Ausführungsarten der Erfindung
mit abgewandeltem Ringschwinger (Figur 3a) und mit verschiedenen Anregungssystemen
(Figur 3b-d).
-
Figur 4 in Aufsicht eine Justiervorrichtung für den Modulator nach
Figur 3, Figur 5 im Schnitt eine hinsichtlich des Körperschalls gedämpfte Halterung
für den erfindungsgemäßen Modulator, und Figur 6 eine Schaltung für die elektrische
Anregung des Modulators nach Figur 3.
-
Kernstück des Modulators sind also - vergleiche Figur 1 -zwei Platten
1 aus für den betreffenden Spektralbereich möglichst schwach absorbierenden Material,
die an den Außenflächen 2 durch eine Antireflexschicht für den betreffenden Wellenlängenbereich
vergütet sind. Diese beiden Platten bilden zwischen den beiden anderen, nicht vergüteten,
völlig plan geschliffenen und zueinander parallelen Innenflächen einen Spalt 4 mit
der Spaltweite b. Fällt auf dieses sogedannte Fabry-Perot-Interferometer senkrecht
zur Plattenebene eine monochromatische, linear polarisierte Strahlung der Wellenlänge
7 , so ist die auf der Rückseite austretende Strahlungsintensität
abhängig
von der Spaltweite b. Bei Vernachlassigung von Absorptions- und Reflexionsverlusten
im Plattenmaterial bzw. an den Außenflächen des Interferometers, ergibt sich für
die durchgelassene Intensität
wobei
der durch den Brechungsindex n oder unter Umständen durch spezielle Beschichtungen
bestimmte Reflexionsfaktor der Interferometer-Innenflächen ist.
-
Durch Variation der Spaltweite b im Bereich
kann also die durch das Interferometer hindurchtretende Intensität zwischen
moduliert werden. Die Amplitude der zu einer optimalen Modulation erforderlichen
Spaltweitenvariation beträgt nur etwa
so daß bei Wellenlängen im Infrarotbereich von einem t'mikromechanischen" Modulator
- im Gegensatz zu den bekannten mechanischen Modulatoren -gesprochen werden kann.
-
Aus diesen kleinen mechanischen Amplituden resultiert vor allem der
geringe Bedarf an Antriebsleistung, falls die Spaltweite des Interferometers, wie
nachfolgend ausgeführt ist, durch ein mechanisches Resonanzsystem variiert wird.
-
Falls die Strahlung nicht linear sondern zirkular polarisiert ist
und außerdem in einem Wellenlängenbereich
konstante Intensität besitzt sowie zusätzlich konvergent (bzw. divergent) mit einem
Öffnungswinkel A bei senkrechter Achse des Strahlungskegels auf das Interferometer
einfällt, kann die durchgelassene Intensität nur noch zwischen den Extremwerten
und
moduliert werden.
-
Hierbei hängt
vom Brechungsindex n des Plattenmaterials bzw. vom Reflexionsfaktor R der Interferometer-Innenflächen
und
von der Bandmittenwellenläge #m der halben Bandbreite sowie dem
halben Öffnungswinkel ß des konvergenten Strahlungskegels ab. Als Beispiel zeigt
Figur 2 die Durchlässigkeit eines Fabry-Perot-Interferometes aus zwei Germa'niiimplatten
Üei # = 15 /um + 1 um. Versuche und Berechnungen haben gezeigt, daß die Amplitude
In bei der Grundfrequenz des Fourierspektrums (1) unter Berücksichtigung von Justageproblemen
dann optimiert werden kann, wenn die Spaltweite zwischen zwischen #m/4 und #m/2
bzw. #m/2 3/4 #m und mit einer Amplitude von etwa )^J8 variiert wird. Bei einer
relativen Bandbreite 2 ## = /15 und einem Öffnungswinkel der konvergenten Strahlung
von ß = 30° (f-number 1) lassen sich, falls Reflexions- und Absorptionsverluste
im Interferometer vernachlässigt werden, z.B. mit Germaniumplatten im Bereich 3
µm ##m# 16 µm, Modulationsamplituden I1 # 0,37 und bei paralleler Strahlung ( ß
= o) sogar vorn hahezu 0,40 erzielen. Die ankommende Intensität kann also bis zu
fast 80 % moduliert werden.
-
Zur Realisierung der Spaltweitenänderungen bei einer Festfrequenz
f wird in der erfindungsgemäßen Anordnung ein rotationssymmetrischer Biegeresonator
benutzt, der hier anhand der Figur 3 genauer beschrieben wird.
-
Kernstück der Anrodnung bilden gemäß Figur 3 die beiden Interferometerplatten
1a, 1b, die mittels eines geeigneten
Zements im Zentrum je eines
ringförmigen aus Metall (z.B.
-
Titan) bestehenden Biegeresonators 5, 6 befestigt sind.
-
Zwischen den beiden Biegetesonatoren 5, 6 befindet sich an der Peripherie
ein Ring 7 aus einem Material, das bei Temperaturvariation die unterschiedliche
thermische Ausdehnung der Fabry-Perot-Platten (z.B. aus Germanium) und der Metallresonatoren
(z.B. aus Titan) ausgleicht. Dieser Ring 7 wird in einer Variante des erfindungsgemäßen
Modulators als piezoelektrischer Dickenschwinger (z.B. aus PZT-4 Clevite) gefertigt,
sodaß beim Anlegen einer elektrischen Wechselspannung durch die Dickenvariation
des piezoelektrischen Ringes 7 die Biegeresonatoren 5, 6 zu Resonanzschwingungen
mit einer Amplitude von etwa W8 (im Zentrum) angeregt werden. Statt eines derartigen
Ringes 7 können auch zwei Ringschwinger 7a, 7b mit gemeinsamer Mittelelektrode 8
(Figur 3a) benutzt werden, wobei die beiden Außenelektroden 9 mit den Metallflächen
der Biegeresonatoren 6a, b auf Massenpotential liegen.
-
Nach einer anderen Ausführungsart des erfindungsgemaßen Modulators
übernimmt der Ring 7 nur die Aufgabe der Temperaturkompensation, während die Anregung
des Resonanzsystems entweder von außen elektromagnetisch (Magnete 10) nach Figur
3b oder piezoelektrisch (Ringschwinger 11) nach Figur 3c erfolgen kann. Auch ist
eine kapazitive Anregung durch Anlegen einer linearisierenden Gleichspannung VO
und einer
erregenden Wechselspannung
den beiden Germaniumplatten la, 1b nach Figur 3d möglich. Bei Anregung nach Figur
3b oder 3c können die Resonanzfrequenzen der beiden in Resonanz schwingenden Biegeresonatoren
5, 6 erfindungsgemäß unterschiedlich sein, so daß die Spaltweite b z.B. mit der
Differenzfrequenz moduliert werden kann. Die Resonatoren 6a, b können auch nach
Figur 3b und 3c mit gleicher Frequenz von einem Oszillator angeregt werden. Bei
einer Anregung nach Figur 3a oder 3d sowie bei einer einseitigen Anregung nach Figur
3b oder 3c kann der Modulator - falls die beiden Resonatoren unterschiedliche Resonanzfrequenzen
besitzen - auch wahlweise bei zwei verschiedenen Frequenzen betrieben werden, wobei
jeweils ein Biegeresonator nicht zu Schwingungen angeregt wird. Neben der rotationssymmetrischen
Grundresonanz können beide Resonatoren auch in ihren rotationssymmetrischen Oberschwingungen
angeregt werden (mehrere Knotenkreise) so daß sich bei günstiger Wahl der Grundresonanzen
ein Spektrum selektiver Modulationsfrequenzen anbietet.
-
Zur Vermeidung der bei kleiner Weite b des Spaltes 4 (Figur 1) der
Fabry-Perot-Platten 1 beträchtlichen äußeren Schwingungsdämpfung im Spalt wird der
Innenraum des erfingungsgemäßen Modulators evakuiert.
-
Die ungefähre Parallelitätsjustage der Platten wird durch eine - vergleiche
Figur 3 - in den Spalt eingeführte Abstandsfolie 12 während des Aushärtens des Zements
an den Klebestellen 13 erreicht. Eine genaue Parallelitätsjuetage und die optimale
Einstellung der Spaltweite auf die gewählte mittlere Wellenlänge ? erfolgt mit Hilfe
eines in Figur 4 dargestellten äußeren Justagerahmens 14 mittels dreier Mikrometerschrauben
15 und dreier in entsprechender Spalte 16 in Figur 3 and 4 zwischen einer Resonatorplatte
-Platte 5 in Figur 3 - und dem Temperaturausgleichsring 7 einzuführender Keile 16
aus geschliffen, gehärtetem Metall mit kleinem Keilwinkel. Diese Justage erfolgt
bei noch nicht ausgehärtetem Zement an den Verbindungsstellen 17 zwischen den Metallresonatoren
5, 6 und dem Kompensationsring 7.
-
Nachdem der Zement in diesen Zonen ausgehärtet ist, können die Justagekeile
entfernt werden und die entsprechenden Öffnungen mit Zement abgedichtet werden.
Die Abstandsfolie 12 zwischen den Fabry-Perot-Platten la, Ib kann durch die Pumpöffnung
18 entfernt werden. Der ringförmige Modulator kann zur schwingungsisolierten Halterung
mit einer in bekannter Weise akustisch entkoppelten äußeren ringförmigen Gehäuse
19 nach Figur 5 umgeben werden, wobei die Masse des Modulators mit der Federung
eines stark dämpfenden gummiartigen Zwischenpolsters 20 ein für die Arbeitsfrequenz
tief abgestimmtes Resonanzsystem bildet.
-
Die Anregung des Modulators erfolgt piezoekektrisch, kapazitiv oder
elektromagnetisch nach Figur 3a - 3d, z.B. mit einem in bekannter Weise rückgekoppelten
Oszillator nach Figur 6.