DE3305450A1 - Infrarot-strahlungsdetektorbaugruppe - Google Patents

Description

Infrarot-Strahlungsdetektorbaugruppe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Infrarot-Strahlungsdetektorbaugruppe mit einem infrarotempfindlichen Element und Fokussierungseinrichtungen zur Weiterleitung empfangener Infrarotstrahlung auf das Element.

Bei thermischen Bilderzeugungseinrichtungen werden die Infrarotstrahlungen aus einem Betrachtungsfeld zu einem Strahlungsdetektor über ein optisches System geleitet, das in Serie eine Objektivlinse, eine optische Abtastbaugruppe beispielsweise mit einem oszillierenden ebenen Spiegel und mit einem rotierenden vieleckigen Spiegel und eine Fokussierungslinse einschließt. Die Betriebsweise des Abtastsystems ist derart, daß der Teil des Betrachtungsfeldes, von dem die Strahlung tatsächlich von dem Detektor empfangen wird, sich über das Betrachtungsfeld beispielsweise in einem zellenförmigen Abtastmuster bewegt. Der Detektor kann ein einziges Detektorelement oder einen fotoempfindlichen Bereich aufweisen oder er kann eine Matrix oder Anordnung derartiger Elemente umfassen.

Es ist bekannt, daß eine Abschirmung eines Detektors einer thermischen Bilderzeugungseinrichtung gegenüber Strahlungs-"Rauschen" wie zum Beispiel gegenüber Streustrahlung von emittierenden Teilen der Bilderzeugungseinrichtung selbst ,vorteilhaft ist. Es wurde insbesondere vorgeschlagen, zwischen der Fokussierungslinse und dem Detektorelement einer thermischen Bilderzeugungseinrichtung einen zylindrischen Schirm oder eine Abschirmung anzuordnen,' deren Innenoberfläche ein hohes Reflektions-

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und ein niedriges Emissionsvermögen aufweist und die derart mit Kerben versehen oder verzahnt ist, daß eine große Anzahl von "Würfeleckenreflektoren" gebildet wird, die die Eigenschaft aufweisen, irgendwelche empfangene Strahlung entlang eines Rücklaufweges zu reflektieren, der parallel zum Sintrittsweg ist. Bei einer derartigen Abschirmung ist die einzige Strahlung, die von der Abschirmung auf den Detektor reflektiert werden kann* die Strahlung, die von dem Detektor selbst kommt, und dieser Detektor wird als "kalter Körper" angenommen. Tatsächlich kann jedoch der Detektor einen Teil der von ihm empfangenen Bildstrahlung reflektieren oder .streuen und wenn dies eintritt, so wird die Strahlung von einer Abschirmung mit Würfeleckenreflektoren auf den Detektor reflektiert, so daß sich ein Effekt ergibt, bei dem alle "heißen" Bildpunkte aufgespreizt werden, möglicherweise sogar soweit, daß benachbarte, einen niedrigen Kontrast aufweisende Bildeinzelheiten verdeckt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Infrarot-Strahlungsdetektorbaugruppe zu schaffen, bei der keine von dem infrarotempfindlichen Element selbst ausgehende Strahlung auf dieses Element zurückreflektiert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Vortei Lhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch diese· Ausgestaltung der Abschirmung ist sichergestelH , dac ggf. von dem Detektor selbst bzw. dessen infra-

rotempfindlichen Element rückreflektierte oder gestreute Strahlung nicht erneut auf den Detektor zurückreflektiert wird.

Es ist verständlich, daß die erfindungsgemäße Detektorbaugruppe nicht nur für eine thermische Bilderzeugungseinrichtung verwendet werden kann, wobei diese Bezeichnung mehr und mehr lediglich zur Bezeichnung der oben beschriebenen Kamera-artigen Vorrichtung verwendet wird, bei der eine zweidimensionale Abtastung über das Bildfeld mit Hilfe von Abtasteinrichtungen in der Bilderzeugungseinrichtung durchgeführt wird, sondern daß sie allgemein anwendbar ist, beispielsweise für andere Arten von Infrarot-Überwachungseinrichtungen wie Zeilenabtast-Luftfahrzeuggeräte und Ausrüstungen,bei denen überhaupt keine Abtastung erfolgt, sowie für Nachrichtenübertragungseinrichtungen und dergleichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer

Ausführungsform der Infrarot-Strahlungsdetektorbaugruppe;

Fig. 2 und 3 schematische Vorder- und Seiten-Schnittansichten einer zweiten Ausführungsform der Infrarot-Strahlungsdetektorbaugruppe.

Der Detektor 1 der Ausführungsform nach Fig. 1 weist ein Substrat 2 auf, auf dem eine Matrix 3 von infrarotempfind-

lichen Bereichen ausgebildet ist und das durch nicht gezeigte Kühleinrichtungen auf die erforderliche niedrige Betriebstemperatur der Matrix 3 gekühlt werden kann. Eine Pokussierungslinse 4 ist derart befestigt, daß ihre optische Achse 5 auf die Matrix 3 fällt, so daß auf die Anordnung Infrarot-Strahlung fokussiert wird, die die Linse beispielsweise van (nicht gezeigten) optischen Abtastsystem einer thermischen Bilderzeugungseinrichtung empfängt, in der die Detektorbaugruppe verwendet wird. Der Detektor ist in einem (lediglich teilweise dargestellten) Dewargefäß 6 eingeschlossen, das ein ebenes infrarot-durchlässiges Fenster 7 aufweist, das sich zwischen dem Detektor 1 und der Linse erstreckt.

Die Oberfläche des Substrates 2 um die Matrix 3 herum ist durch eine mit einer Öffnung versehene Abdeckplatte 8 abgedeckt, die eine von dem Substrat 2 forti'gerichtete nicht reflektierende Oberfläche und einen als Flansch ausgebildeten Außenrand 9 aufweist, der sich in Richtung auf das Fenster 7 erstreckt. Die Platte wird zusammen mit dem Substrat 2 gekühlt. Die Mittelöffnung in der Platte umgibt die Matrix 3 relativ eng, jedoch so, daß ein kleiner Spalt zwischen der Platte und der Matrix vorhanden ist. Ein Abschirmzylinder 10 ist zwischen dem Fenster 7 und dem Detektor derart angeordnet, daß er die Achse 5 umgibt. Die Innenoberfläche dieses Abschirmzylinders ist mit kreisringförmigen Ausnehmungen derart versehen, daß eine Reihe von drei reflektierenden Oberflächen 11 gebildet wird, die alle koaxial zur Achse 5 sind und die so geneigt sind, daß sie allgemein in Richtung auf die Matrix 3 gerichtet sind. Jeder Oberflächenteil 11 entspricht der Oberfläche eines Segmentes eines Sphäroids/

der durch die Drehung einer Ellipse, deren einer Brennpunkt an dem Punkt liegt, an dem die Achse 5 die Matrix 3 trifft, und deren anderer Brennpunkt an einem Punkt auf der freiliegenden Oberfläche der Platte 8 liegt, um die Achse 6 erzeugt wird. Der Abschirmzylinder IO wird nicht gekühlt, er besteht jedoch aus einem derartigen Material oder er ist derart behandelt, daß zumindest die Teile 11 seiner Innenoberfläche ein hohes Reflektions- und ein niedriges Emissionsvermögen aufweisen. Der Abschirmzylinder kann beispielsweise aus Aluminium oder Kunststoffmaterial mit einem geeigneten reflektierenden überzug hergestellt sein. Vorzugsweise sollten die Teile 12 der Innenoberfläche des Abschirmzylinders zwischen den Teilen 11, d.h. die von der Matrix 3 fortgerichteten Teile ebenfalls reflektierend sein, obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist.

Die Befestigung 12 für die Linse 4 weist ein derartiges Profil auf, daß sie in Richtung auf die Matrix 3 einen reflektierenden Oberflächenteil 13 ähnlich den Teilen 11 bildet, d.h., sie entspricht einem Segment eines weiteren Sphäroids, der durch Drehen einer Ellipse um die Achse 5 gebildete ist, wobei die Brennpunkte der Ellipse denen der Ellipsen der Oberflächenteile 11 entsprechen.

Von der Oberfläche der Matrix emittierte oder reflektierte Strahlung, beispielsweise die durch die Strahlen A oder B dargestellte Strahlung wird durch die Oberflächenteile 11 und/oder 13 auf die Platte 8 und nicht zurück auf die Matrix 3 reflektiert.

Anstelle der Verwendung der Platte 8 könnte die Oberfläche des

Substrates 2 um die Matrix 3 herum durch eine Behandlung der Substratoberfläche und/oder durch Aufbringen eines geeigneten farbartigen Überzuges nicht reflektierend gemacht werden.

Die elliptische Querschnittsform der Oberflächen 11 und 13 könnte derart modifiziert werden, daß sich irgend eine andere geeignete Form ergibt, die ähnlich der dargestellten Form zumindest den größten Teil irgendwelcher Strahlung, die von der Matrix 3 empfangen wird, auf eine Position von der Matrix fort ablenkt. Obwohl die beschriebene Form der reflektierenden Oberflächen 11 und 13 allgemeinere Vorteile bietet, ist als spezielles Beispiel festzustellen, daß viele Detektorbaugruppen, auf die die Erfindung Anwendung finden kann, derartige Abmessungen aufweisen, daß sich lediglich ein geringer wahrnehmbarer Unterschied zwischen einem reflektierenden Oberflächenteil mit der beschriebenen Form und einer Oberflächenform ergibt, die einem Sphäroid-Segment entspricht, das durch Drehen eines Kreises anstelle einer Ellipse um die Achse 5 gebildet wird. Daher könnten die Oberflächenteile 11 und 13 in manchen Fällen diese letztere Form aufweisen.

Anstelle der Verwendung der dargestellten ebenen zylindrischen Außenoberfläche und einer dicken Wand, die stark genug ist, um die die Oberflächen 11 bildenden Ausnehmungen aufzunehmen, könnte der Abschirmzylinder 10 aus relativ dünnem Plaltenmaterial hergestellt sein, so daß sich der Durchmesser der Außenoberfläche ändert, um der Innenoberfläche zu folgen.

Es ist zu erkennen, daß die Fokussierungslinseneinrichtungen der vorstehend beschriebenen Infrarot-Strahlungs-

detektorbaugruppe durch das naheliegende mechanische Äquivalent eines Fokussierungsspiegels oder einer Anordnung von Spiegeln ersetzt werden können, die insgesamt eine Fokussierungswirkung ergeben, oder durch eine Kombination von einem oder mehreren Spiegeln und einer oder mehreren Linsen.

Insbesondere jedoch nicht ausschließlich in dem Fall, in dem das Detektorelement eine geradlinige Anordnung von fotoempfindlichen Bereichen erfaßt, kann der oder jeder reflektierende, ein niedriges Emissionsvermögen aufweisende innere Oberflächenteil,wie zum Beispiel die Teile 11 in Fig. 1 anstelle der sphäroidischen Ausbildung teilkugelförmig, vorzugsweise halbkugelförmig ausgebildet sein, wenn dieser Teil einen Radius um einen Punkt in einer Ebene aufweist, die zu einer Seite des Detektors hin verschoben ist, wie dies beispielsweise in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist.

Die in diesen Figuren gezeigte Detektorbaugruppe weist ein gekühltes Substrat 21 auf, auf dem eine geradlinige Anordnung 22 von infrarotempfindlichen Bereichen ausgebildet ist. Die Strahlung 23 von einer betrachteten Szene wird auf die Anordnung 27 beispielsweise ein (nicht gezeigtes) optisches Abtastsystem fokussiert, das eine (ebenfalls nicht gezeigte) Fokussierungsspiegel- oder Spiegel-Linsenkombination umfaßt. Alternativ könnte die Fokussierung durch eine Linse erfolgen, die einen Teil der Detektorbaugruppe bildet. Um den Weg der Strahlung 23 herum ist eine Abschirmung 24 angeordnet, die ähnlich einer Hohl-Halbkugel mit einer langgestreckten öffnung 25 darin ist, wobei die langen Seiten der öffnung mit den langen Seiten der Anordnung 22 ausgerichtet sind.

Die reflektierende Innenoberfläche der Abschirmung ist allgemein in Richtung auf die Anordnung 22 gerichtet und die Abschirmung ist gegenüber dieser Anordnung so angeordnet, daß in Fig. 2, in der die Betrachtung in einer Richtung parallel zu den langen Seiten der Anordnung 22 erfolgt, die Innenoberfläche der Abschirmung einen Radius aufweist, der auf einem Punkt 26 zentriert ist, der zu einer Seite der Anordnung hin verschoben ist. Die Strahlung, die die Abschirmung von der Anordnung 22 empfängt wird daher nicht auf die Anordnung sondern auf das Substrat 21 reflektiert.

Anstelle der einzigen halbkreisförmigen Abschirmung könnten zwei oder mehrere dieser Abschirmungen übereinander angeordnet sein. Weiterhin könnte jede Abschirmung durch ein dickwandiges allgemein zylindrisches oder langgestrecktes Teil ersetzt werden das ein oder mehrere innere ringförmige Ausnehmungen aufweist, die die jeweiligen halbkugelförmigen Oberflächen bilden.

Bei dem speziellen Beispiel nach den Fig. 2 und 3 ist die Öffnung 25 so angeordnet, daß das Betrachtungsfeld 27 der Detektoranordnung 22 symmetrisch zur optischen Achse 28 des Fokussierungssystems ist, daß die Strahlung auf die Anordnung lenkt. Die Öffnung ist daher nicht symmetrisch bezüglich eier "Mittellinie" der Abschirmung, d.h. der Linie 29, die parallel zur Achse 28 und durch den Radiusmittelpunkt 26 verläuft. Das heißt mit anderen Worten, daß in Fig. 2 die Öffnung 25 nicht auf der Oberseite der Abschirmung zentriert ist, sondern in Richtung auf und über die Detektoranordnung verschoben ist.

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Claims (5)

Patentanwälte : .-" DipIv4lnrg. Curt Wallach Europäische Patentvertreter Di ρ ί> IrIg. 6ünther Koch European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d British Aerospace , _ ,, ■ ταατ Public Limited Company Datum 17' *ebruar 1983 100 Pall Mall Unser Zeichen: 17 530 - FK/gw London SVJlY 5HR ENGLAND Infrarot-Strahlungsdetektorbaugruppe PATENTANSPRÜCHE

1. Infrarot-Strahlungsdetektorbaugruppe mit einem infrarotempfindlichen Element und Fokussierungseinrichtungen, die die empfangende Infrarotstrahlung auf das Element lenken, dadurch gekennzeichnet, daß nicht reflektierende Oberflächen (8) bildende Einrichtungen um das Element (3) herum und zwischen den Fokussierungseinrichtungen (4) und dem Element (3) angeordnet sind, daß eine Abschirmung (10; 24) mit zumindestens einem reflektierenden, ein niedriges Emissionsvermögen aufweisenden Innenoberflächenteil vorgesehen ist, der um den Strahlungsweg von den Fokussierungseinrichtungen (4) zu dem Element (3) herum angeordnet ist und in die allgemeine Richtung des Elementes (3) gerichtet ist, und daß der Oberflächenteil (11, 13) derart ausgebildet ist, daß er irgendwelche aus der Richtung des Elementes (3) empfangende Strahlung auf die die nicht reflektierende Oberfläche bildenden Einrichtungen (8) reflektiert.

2. Strahlungsdetektorbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Innenoberflächenteil (11/ 13) eine ringförmige Oberfläche ist, die der Oberfläche eines Sphäroiäsentspricht, der durch Drehen einer

zweddimensionalen gekrümmten geometrischen Form um eine das Element schneidende Achse gebildet ist.

3. Str.ihlungsdetektorbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Form eine Ellipse ist. deren einer Brennpunkt mit dem Punkt zusammenführt, an dem die Achse (5) das Element (3) schneidet wäh.-end der andere Brennpunkt auf oder benachbart zu der nicht reflektierenden Oberfläche (8) liegt.

4. Str.ihlungsdetektorbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Form kreisförmig ist.

5. Str ihlungsdetektorbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Oberflächenteil ein-im Teil einer Kugel entspricht.