DE3729411A1 - Optik fuer strahlungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Optik gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Sensor-Optik ist zur Zieldetektion aufgrund der von einem Zielobjekt abgegebenen Infrarot-Strahlung aus der DE-PS 33 26 876 bekannt. Entgegen dem dort zeichnerisch veranschaulichten Ausführungs­ beispiel kann der Sensor auch mit einem hohlzylindrischen Gehäuse ausgestattet sein, das um eine zur Munitionsachse parallele Schwenk­ achse aus dem Innern der Munition in eine Wirkstellung nach außen klappbar ist. Je nach den gegebenen Raumverhältnissen kann ferner auch vorgesehen sein, den Sensor koaxial aufzubauen, also ohne Strahlen­ umlenkung im hohlzylindrischen Sensorgehäuse axial hinter der in die Apertur eingesetzten Linsenoptik das Detektorelement einzubauen. Das ergibt bei kompakterem Aufbau einfachere Justagemöglichkeiten hinsichtlich der gewünschten Strahlengeometrie und ermöglicht eine höher beanspruchbare, also besser abschußfeste Auslegung des Sensors insgesamt. Problematisch kann aber die hermetische Abdichtung des Innern des Sensorgehäuses auf der Seite der mit der Linsenoptik bestückten Apertur sein. Denn der Zusammenbau gesonderter, hermetisch gekapselt hergestellter Baueinheiten zum kompletten Sensor ist sehr aufwendig. Nach der Montage des Detektors und der Hybridschaltung sowie nach deren Funktionsprüfung läßt sich das hohlzylindrische Sensorgehäuse rückwärtig zwar durch hermetisches Aufschweißen eines Deckels sicher verschließen; es bleibt aber der funktionskritische Abschluß des Sensorgehäuses am Übergang des Linsenkörpers zur Gehäuse­ wand.

Versuche einer radialen Verklebung des Linsenkörpers mit der Gehäuse­ wand mittels Epoxydharz, wie als solches in der technischen Optik zur Verklebung eines optischen Teiles mit einem Halterahmen bekannt, schlugen fehl, weil solche Verbindungen sich als nicht vakuumdicht erwiesen; sie gasen aus, was die Funktion der im Sensor enthaltenen Halbleiterbauelemente beeinträchtigt, und sind hykroskopisch, was aufgrund von Leiterbahnenkorrosionen zu elektrischen Funktionsstörungen führen kann. Auch die radiale Einspannung mit O-Ringen erwies sich nicht als hermetisch dicht, da bei großen Axialbeschleunigungen starke Verformungen dieser Dichtringe auftreten, was eine Zerstörung der Optik resultieren kann.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Optik gattungsgemäßer Art derart einzufassen, daß sie hinsichtlich hermetischer Abdichtung und optischer Qualität gesteigerten mechanischen Beanspruchungen genügt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die gattungsgemäße Optik gemäß dem Kennzeichnungsteil des An­ spruches 1 eingefaßt ist.

Nach dieser Lösung ist ein relativ großer Ringspalt zwischen der Linsen-Peripherie und dem Einfaß-Ring des Sensorgehäuses zulässig, der mit einem leicht handhabbaren Sinterring aus dem an sich pulver­ förmigen Glaslot bestückt wird, welches dann, nach Positionierung der Linsenoptik im Innern des Sensorgehäuses, aufgeschmolzen wird. Mit dem Abkühlen ergibt sich mit eine gasdichte, wassermolekülfreie und mechanisch hoch beanspruchbare hermetische Abdichtung zwischen dem Linsenkörper und dem Einfaßring.

Als Materialwahl für den Einfaßring - bzw. für das Sensorgehäuse insgesamt, wenn dieses einteilig ausgeführt ist - genügt eine Eisen- Nickel-Legierung den Anforderungen an den Gleichlauf des Temperatur­ gradienten zwischen dem kristallinen Linsenkörper und der metallischen Einfassung, obgleich der Temperaturgang über die breite Spanne zwischen der Aufschmelztemperatur des Glaslot-Sinterringes und der niedrigsten Lager-Umgebungstemperatur doch erhebliche Abweichungen voneinander zeigt. Es hat sich aber überraschend herausgestellt, daß bei hauben­ förmig gewölbter Querschnittsgeometrie des längs seiner Peripherie abgestützten Körpers der Linsenoptik diese die nach einer Temperungs-Be­ handlung noch vorhandenen Restspannungen zerstörungsfrei aufnimmt, die insbesondere auf Temperaturgangunterschiede zurückzuführen sind; wobei trotz der durch die Sammellinsen-Strahlengeometrie erforderlichen unterschiedlich gewölbten beiden Linsenkörper-Oberflächen erstaunlicher­ weise nach dem Abkühlen des aufgeschmolzenen Lotringes auch praktisch keine optischen Fehler mehr vorhanden sind, was möglicherweise darauf beruht, daß die Deformationen auf der einen Seite der Linse durch Deformationen auf der gegenüberliegenden Linsenoberfläche strahlen­ optisch weitestgehend kompensiert werden.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammen­ fassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert und nicht ganz maßstabsgerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Axial-Längsschnitt den Einbau einer Sammellinse in die Gehäuse-Apertur eines Strahlungssensors.

Der im Ausführungsbeispiel gezeigte Strahlungs-Sensor 11 ist mit einem Detektor 12 zur Aufnahme von Strahlungsenergie 10 im Infrarot- Bereich des Spektrums der elektromagnetischen Wellen ausgestattet. Der Detektor 12 weist wenigstens ein Detektorelement 13 (in der Ausführungsform eines Halbleiterdetektors oder eines Pyrodetektors) auf, das in einem Gehäuse 15 hermetisch eingeschlossen ist. Das Detektorelement 13 empfängt die Strahlungsenergie 10 durch ein Detektor- Fenster 16 über eine Sensor-Apertur 17, die mit einer im Sensor­ gehäuse 19 gefaßten Linsenoptik 18 ausgestattet ist, um die Strahlungs­ energie 10 in elektrische Signale umzuwandeln. Dafür ist in einem Gehäuse 21, welches mit dem Detektorgehäuse 15 hermetisch verbunden ist, eine elektrisch an das Detektorelement 13 angeschlossene Hybrid­ schaltung vorgesehen, wie im einzelnen in der eigenen älteren Anmeldung P 36 36 422.3 vom 25.10.1986 näher beschrieben.

Der innere Raum 41 des Sensorgehäuses 19 ist mit einem hermetisch eingeschlossenen Schutzgas gefüllt. Der Einschluß erfolgt einerseits durch den Einbau des Hybridschaltungs-Gehäuses 21 unter einem Gehäuse­ deckel 42 und andererseits durch die Einfassung der Linsenoptik 18 in der Apertur 17. Insbesondere dann, wenn es sich beim Sensor 11 um einen Teil eines Suchzünder für aus Rohrwaffen verschießbare (Sub-)Munition handelt, muß die Optik-Einfassung die hohen beim Abschuß auftretenden Beschleunigungskräfte aufnehmen können und auch danach noch die exakte geometrische Positionierung der Linsen­ optik 18 und den hermetischen Abschluß des Innenraumes 41 sicherstellen. Dafür ist die Linsenoptik 18, bestehend aus mindestens einer Sammel­ linse, im Querschnitt insgesamt gewölbt (also mit einer konvexen und einer konkaven Außenfläche ausgeführt. Ein Randbereich 43 der Linsenoptik 18 ist koaxial im Innern des hohlzylindrischen Sensor­ gehäuses 19 angeordnet, nämlich axial gegen eine Stützschulter 44 angelegt. Dabei verbleibt zwischen der Peripherie 45 des Körpers der Linsenoptik und der Innenmantelfläche des als Fassungsring 46 dienenden Teiles des Sensorgehäuses 19 ein umlaufender Ringspalt 47, in den ein Sinter-Ring 48 aus Glaslot-Pulver (wie es etwa als Borosilikat von der Firma Schott Glaswerke handelsüblich ist) einge­ legt ist.

Vorzugsweise erfolgt die Zentrierung der Linsenoptik 18 nicht über diesen Sinterring 48, sondern an kegelstumpfförmig geneigten Flächen der Einfassungs-Stützschulter 44 und des Linsen-Randbereiches 43, so daß der Glaslotring 48 mit leichter Spielpassung eingelegt werden kann. Der Lotring 48 läßt sich problemlos mit konstanter Wandstärke sintern, so daß eine gleichmäßige Lotschichtdicke für die Verbindung der Linsen-Peripherie 25 über den Ringspalt 48 mit dem Fassungsring 46 gewährleistet ist, wenn der Sinterring 48 nach dem Einlegen er­ schmolzen wird.

Beim Körper der Linsenoptik 18 handelt es sich um für den interessierenden Spektralbereich durchlässiges Material, im Falle von Infrarot-Strahlungs­ energie 10 um einkristallines oder polykristallines Halbleitermaterial wie Silizium oder Germanium. Das Sensorgehäuse 19 oder, bei einem geteilten Gehäuse 19, wenigstens sein als Fassungsring 46 dienender Teil sollte über die große Temperaturgangspanne zwischen der Schmelz­ temperatur des Glaslotsinterringes 48 (in der Größenordnung von +700°C) bis zur niedrigsten zulässigen Umgebungstemperatur des Sensors 11 (in der Größenordnung von -40°C) einen Gleichlauf des Temperaturausdehnungskoeffizienten mit dem Material der Linsenoptik 18, also insbesondere mit Silizium aufweisen. Metalle wie Wolfram oder Molybdän stellen deshalb besonders geeignetes Material für den Fassungsring 46 dar. Allerdings sind diese für die Massenfabrikation nicht besonders geeignet, da schwierig handhabbar, beispielsweise schlecht mit anderen Bauteilen oder Teilen des Sensorgehäuses 19 - wie etwa einem gesondert hergestellten Detektorsockel 49 - verschweiß­ bar. Als besonders guter Kompromiß zwischen den Temperaturgang-An­ forderungen und den Fertigungs-Anforderungen hat sich für die Material­ wahl des Fassungsringes 46 eine Eisen-Nickel-Legierung erwiesen, wie sie etwa unter der Bezeichnung "Vacon 10" von der Firma Vakuum­ schmelze auf den Markt gebracht wird.

Dieses Material läßt sich problemlos mit gängigem Maschinenstahl verschweißen, aus dem der Detektorsockel 49 gedreht sein kann; wie in der Prinzipskizze der Zeichnung durch die umlaufende Schweißnaht 50 eines geteilten Sensorgehäuses 19 skizziert. Zwar weist dieses Nickeleisen-Material nicht unbedingt über breitem Bereich einen guten Gleichlauf des Temperaturkoeffizienten mit dem kristallinen Material der Linsenoptik 18 auf; weshalb es sich als nicht möglich erweist, unter Einlage des Lotringes 48 eine ebene Platte mit dem Fassungsring 46 zu verbinden, weil diese Verbindung beim Herabkühlen von der Lottemperatur auf Umgebungstemperatur undicht wird und sogar die Kristallplatte reißen kann. Die, durch den an sich noch unzu­ reichenden Temperaturkoeffizienten-Gleichlauf auch noch nach erfolgter Temperung, auftretenden Spannungen werden aber, wie sich gezeigt hat, problemlos aufgenommen, wenn die Linsenoptik 18 wie in der Zeichnung skizziert zwischen radialer Einfassung im Querschnitt in gleichem Sinne gebogene Ober- und Unterflächen aufweist. Nun führt das Erschmelzen des Glaslot-Sinterringes 48 ohne Verlaufen des Glaslotes unmittelbar zu einer hermetisch-dichten Verglasung der Linsenoptik 18 mit dem Metallring 46 unter Beibehaltung der optischen Qualität der eingesetzten Linsenoptik 18 sowohl während des Abkühlvorganges wie auch bei und nach erheblichen Axialbeschleuni­ gungen. Die Verbindung ist gas- und feuchtigkeitsdicht und sowohl hinsichtlich des Einglasens in den Ring 46 wie auch hinsichtlich der Verbindung dieses Ringes 46 zum kompletten Sensorgehäuses 19 für die Massenfertigung gut geeignet; zumal längs der Linsen-Peripherie 45, also über dem Ringspalt 47, größere Toleranzen als bei einer herkömmlichen Kitt- oder Klebeverbindung zulässig sind, die vom Glaslot-Sinterring 48 dicht und mechanisch fest überbrückt werden.

Der rückwärtige hermetische Abschluß des Sensor-Innenraumes 41 kann unmittelbar durch eine Einsatz-Passung des dort gehalterten Hybrid­ schaltungs-Gehäuses (21) erfolgen, oder aber einfacher durch einen rückwärtigen Deckel 51. Dieser ist, wie in der Zeichnung symbolisch berücksichtigt zweckmäßigerweise zur Funktionsprüfung des komplettierten Sensors 11 zunächst verschraubt, um axiale Einbauteile-Toleranzen auszugleichen; gegebenenfalls wird er nach Abschluß der Montage- und Justagearbeiten durch eine umlaufende Schweißnaht hermetisch mit dem übrigen hohlzylindrischen Sensorgehäuse 19 verbunden.

Zur schocksicheren Halterung des Körpers der Linsenoptik 18 ihrem peripheren Sitz auf der Stützschulter 44 entgegen kann, wie in der Zeichnung ebenfalls berücksichtigt, in die Öffnung der Apertur 17 ein Stützring 52 eingesetzt, etwa bis zur Anlage gegen die Linsenoptik 18 eingeschraubt sein.

Claims (6)

1. Optik (18) für einen Strahlungssensor (11), insbesondere für einen Infrarot-Sensor (11), mit Befestigung wenigstens eines Linsenkörpers am Sensorgehäuse (19), dadurch gekennzeichnet, daß eine im Querschnitt bogenförmige Linsenoptik (18) aus kristallinem Halbleitermaterial unter Zwischenlage eines Ringes (48) aus gesintertem Glaslotpulver in einem metallenen Fassungs­ ring (46) des Gehäuses (19) eingefaßt ist.

2. Optik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaslot-Sinterring (48) in einen Ringspalt (47) zwischen der Linsenkörper-Peripherie (45) und dem Gehäusering (46) eingelegt ist.

3. Optik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenoptik (18) mit einem Randbereich (43) gegen eine hohlkegelstumpfförmige Stützschulter (44) an der Innenmantel­ fläche des Gehäuseringes (46) axial anliegt.

4. Optik nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützschulter (44) gegenüber ein Stützring (52) im Innern des Einfaßringes (46) axial gegen den Körper der Linsenoptik (18) anliegt.

5. Optik nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in ein mehrteiliges Sensorgehäuse (19) eingebaut ist, von dem ein Teil als der Linsenkörper-Fassungsring (46) ausgebildet ist.

6. Optik nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Fassungsring (46) für den kristallinen Körper der Linsen­ optik (18) aus einer Eisen-Nickel-Legierung besteht.