DE4303231A1

DE4303231A1 - Infrarot-Strahlendetektoreinrichtung

Info

Publication number: DE4303231A1
Application number: DE4303231A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl Phys Dr Thoma; Matthias Dipl Ing Erdmann; Johann Dipl Ing Schweiger; Karl Dipl Phys Dr Pietzsch
Original assignee: Steinheil Optronik GmbH
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1993-02-04
Filing date: 1993-02-04
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2013-02-05
Also published as: DE4303231C2; EP0634005B1; US6057550A; WO1994018530A1; DE59404390D1; AU6002094A; EP0634005A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Infrarot- Strahlendetektoreinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Infrarot-Strahlendetektoreinrichtungen die ein gekühl tes Dewar aufweisen, in dem sich ein Infrarotempfänger, vorzugsweise ein flächiges Detektorelement (focal plane array) befindet und das zur Infrarot-Optik (IR-Optik) ein durch ein für Infrarotstrahlen durchlässiges IR- Fenster verschlossen ist, sind hinlänglich bekannt. Das Dewar besteht vielfach aus einem an ein Vakuum angeschlossenes Gehäuse, das nach außen von dem IR- Fenster abgeschlossen ist. Innerhalb des Gehäuses befindet sich gegenüber dem IR-Fenster ein an eine Kühlvorrichtung angeschlossenes Kälteschild, dessen gekühlte Bodenwand als Träger des flächigen Detektorelements dient.

Das bekannte Kälteschild ist ohne das Dewar in einer schematischen Skizze in Fig. 1a der beigefügten Zeichnung mit 1 bezeichnet. An die gekühlte Bodenwand 2 als Träger des Detektorelements 3 schließen Seitenwände 4 und 5 an, die gekühlt sein können. Im Abstand z_o von der Bildebene an der Oberfläche des Detektorelements 3 befindet sich eine Blende 6 (Kaltblende bzw. Cold-Stop) mit einer zentralen Öffnung 7. Die Kaltblende 6 schließt an die gekühlten Seitenwände 4 und 5 an. Die Kaltblende 6 kann ebenfalls gekühlt sein. Die Öffnung 7 der Kaltblende 6 besitzt eine gewählte Randhöhe h_o. Die gekühlte Bodenwand 2 mit den anschließenden Seitenwänden 4 und 5 und der zwischen ihnen gehaltenen Kaltblende 6 bilden gemeinsam das gekühlte Kälteschild 1 innerhalb eines nicht dargestellten an eine Vakuumvorrichtung angeschlossenen Dewars. Das Kaltblendenöffnungsver hältnis k_o ist durch z_o/2 h_o bestimmt, wobei z_o der Abstand der Öffnung 7 Kaltblende 6 von der Bildebene und h_o die Randhöhe h_o der Kaltblende ist. Die Bildhöhe y_o auf der Oberfläche des Detektorelementes 3 ist maximal ± d.

Übliche flächige Detektorelemente in bekannten Kälteschilden arbeiten mit einem Kaltblendenöffnungs verhältnis z_o/2 h_o von 1 bis 3.

Um die vorgeschaltete IR-Optik mit minimaler optischer Öffnung (minimaler optischer Aufwand, minimale Aberation) auslegen zu können, ist beim gebräuchlichen Stand der Technik (Fig. 1a) ein relativ großer Abstand z_o zwischen der Bildebene auf der Oberfläche des flächigen Detektorelementes 3 und der Kaltblende 6 zu wählen, wenn diese als Aperaturblende wirkt und die Austrittspupille der IR-Optik darstellt, denn je kürzer der Abstand z_o zwischen der Bildebene und der Kaltblende 6 ist, umso größer ist der Winkel R zwischen dem Strahlenbüschel der Randpunkte des Detektorelementes und der optischen Achse. Das führt zu Gewichts-, Volumen- und Preisnachteilen aufgrund der großen Linsendurch messer der IR-Optik. Bei minimaler optischer Öffnung der IR-Optik ist in der Praxis bei einem optimalen Winkel R_opt der minimale Abstand zwischen der Bildebene und der Kaltblende daher auf etwa den 2fachen diagonalen Durchmesser des flächigen Detektors begrenzt, will man nicht Vignettierung der Optik oder einen schlechten Kälteschild-Wirkungsgrad in Kauf nehmen. Bei modernen großflächigen IR-Detektorelementen führt das zu einem entsprechend großvolumigen inneren Kälteschild bzw. zu einem entsprechend großen Dewar. Die zu erbringende Kälteleistung der an das innere Kälteschild angeschlossenen Kühlvorrichtung ist daher beträchtlich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine konstruktiv weitgehend einfach ausgebildete Infrarot-Strahlen detektoreinrichtung der eingangs genannten Art für eine vorgeschaltete IR-Optik mit minimaler optischer Öffnung bei einem optischen Öffnungsverhältnis k_opt von 1/2 cot (R_max) anzugeben, bei der bei weitgehend großem Durchmesser des flächigen Detektorelementen der räumliche und bauliche Aufwand für das Dewar mit einer vignettierungsfreien Strahleneintrittsöffnung ver gleichsweise klein und in der optischen Achse wesentlich kürzer als beim Stand der Technik ausgebildet ist, so daß auch der Aufwand für die zu erbringende Kühlleistung auf ein weitgehend niedrigeres Niveau gedrückt werden kann. Dabei soll auch die Möglichkeit eröffnet sein, das Kälteschild extern vom Detektorelement anzuordnen, um dadurch eine größere Flexibilität des verwendeten Detektor/Dewar-Systems gegenüber dem Stand der Technik zu erhalten.

Durch die DE-37 16 358 ist zwar bereits eine Infrarot- Strahlenabschirmeinrichtung bekannt, dessen an eine Kühlvorrichtung angeschlossenes und innerhalb eines Dewars angeordnetes Kältschild als inneres Kälteschild bezeichnet ist, zum Unterschied von einem äußeren Kälteschild, das dem Dewar in Achsrichtung vorgeschaltet ist und das von dem inneren Kälteschild thermisch getrennt ist. Die Öffnung des äußeren Kälteschildes bildet eine äußere Kaltblende, die die Austrittspupille der vorgeschalteten IR-Optik darstellt. Demgegenüber wirkt die innere Kaltblende des inneren Kälteschildes innerhalb des Dewars als Baffel. Das äußere Kälteschild mit der äußeren Kaltblende ist derart ausgebildet und gegenüber dem inneren Kälteschild derart angeordnet, daß die Öffnung der inneren Kaltblende durch das äußere Kälteschild in sich selbst abgebildet wird. Dabei ist das äußere Kälteschild beispielsweise als innenverspiegelter Hohlspiegel mit einer die äußere Kaltblende bildenden Öffnung ausgebildet, wobei der Krümmungsmittelpunkt im Zentrum der Öffnung der inneren Kaltblende liegt. Dieser Stand der Technik vermittelt noch keine allgemeine Lehre, mit konstruktiv einfachen Mitteln den Aufwand für die zu erbringende Kühlleistung für das innere Kälteschild auf ein vergleichsweise wesentlich niedrigeres Niveau zu bringen.

Die vorstehende Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus der Beschreibung und/oder den Merkmalen der Unteransprüche. Hierdurch werden dem Fachmann allgemeine Regeln für vignettierungsfreie Kälteschild-Einrichtungen mit hohem Kälteschild- Wirkungsgrad an die Hand gegeben, die auch die Möglichkeit zum einfachen Umbau bekannter Einrichtungen eröffnen, um mit geringem Aufwand in den Genuß der erfindungsgemäßen Vorteile zu gelangen. Im Vergleich mit dem relevanten Stand der Technik kann bei identischen optischen Verhältnissen erfindungsgemäß der Abstand des inneren Kälteschildes in bezug auf das flächige Detektorelement (focal plane array) wesentlich zurück genommen werden (beispielsweise auf 2/3 des Abstandes oder weniger, der nach dem Stand der Technik gegeben ist).

Die Forderung der Vignettierungsfreiheit der äußeren und der inneren Kaltblende wird erfindungsgemäß durch Bedingungen sichergestellt, die nachstehend anhand einer Skizze in Fig. 1b der Zeichnung erläutert sind.

Gleiche bzw. entsprechende Teile in den Fig. 1a und 1b sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei sind die Skizzen in den Fig. 1a und 1b im gleichen Maßstab fluchtend untereinander gezeichnet, um dadurch den Vergleich der Erfindung (Fig. 1b) mit dem Stand der Technik (Fig 1a) zu erleichtern.

Im Unterschied zum Stand der Technik nach Fig. 1a ist in Fig. 1b dem inneren Kälteschild 1 _i mit einer inneren Kaltblende 6 _i und einer Kaltblendenöffnung 7 _i ein äußeres Kälteschild 1 _a vorgeschaltet, das hier aus einer äußeren Kaltblende 6 _a mit einer Öffnung 7 _a und einem Kaltblendenöffnungsverhältnis z_a/2 h_a besteht, das dem Kaltblendenöffnungsverhältnis z_o/2 h_o in Fig. 1a entspricht, wobei z_a der Abstand der Öffnung 7 _a der äußeren Kaltblende 1 _a von der Bildebene und h_a die Höhe der äußeren Kaltblendenöffnung 7 _a ist. Die äußere Kaltblende 6 _a ist im Beispielsfalle als innenverspiegelter Hohlspiegel ausgebildet. Das Kaltblendenöffnungsverhältnis der inneren Kaltblende 6 _i des inneren Kälteschildes 1 _i ist entsprechend durch z_i/2 h_i bestimmt, wobei z_i der Abstand der Öffnung 7 _i der inneren Kälteblende 1 _i von der Bildebene und h_i die Höhe der inneren Kaltblendenöffnung 7 _i ist. Wie in Fig. 1a ist die Bildhöhe y_o in der Detektorebene maximal ± d (Der maximale′ Gesamtdurchmesser des flächigen Detektor elementes beträgt 2 d), und bei minimaler optischer Öffnung der vorgeschalteten IR-Optik ist das Öffnungsverhältnis der Optik k_opt = 1/2 cot (R_max). Die Verhältnisse in den beiden Einrichtungen nach Fig. 1a und 1b sind so gewählt, daß die Winkel R_max gleichgroß sind.

Die in der nachstehenden Berechnung verwendeten Parameter für eine erfindungsgemäße Einrichtung werden nachfolgend nochmals zusammengefaßt:

R = Winkel zwischen dem optischen Strahl und der optischen Achse
k_opt = Öffnungsverhältnis der Optik 1/2 cot (R_max)
k_a = äußeres Kaltblendenöffnungsverhältnis z_a/2 h_a
k_i = inneres Kälteschild-Öffnungsverhältnis
z_i/2 h_i
z_a = Abstand Bildebene - äußere Kaltblenden öffnung 7 _a
z_i = Abstand Bildebene - innere Kaltblendenöffnung 7 _i
y_o= Bildhöhe in der Detektorebene (maximale Bildhöhe = + d)
h_a = Randhöhe der äußeren Kaltblendenöffnung 7 _a
h_i = Randhöhe der inneren Kaltblendenöffnung 7 _i

für den Randstrahl der Bildmitte gilt die Funktion (Geradengleichung)

Für den unvignettierten Randstrahl des Bildrandes gilt die Funktion (Geradengleichung)

Da die innere und die äußere Kaltblendenöffnung keine Vignettierung verursachen soll, gilt

h_i g_y (x_i) (3)

und für das benötigte Öffnungsverhältnis der vorgeschalteten Optik gilt

Die nachstehenden Gleichungen (5) beschreiben den Zusammenhang zwischen einem optimal kleinstmöglichen (effektivsten) inneren Kälteschild-Öffnungsverhältnis k_i und dem optimal kleinstmöglichen Abstand z_i zwischen Bildebene (Detektorfläche) und der inneren Kälteblende 6 _i bei maximaler Bildhöhe y_o = d in der Detektorebene und bei einem maximalen Öffnungsverhältnis k_a der äußeren Kaltblende, die die Austrittspupille für die vorgeschaltete Optik bildet

Die Randbedingungen für die Abstände z_a in z_i sind durch die folgende Beziehung bestimmt

z_i 1/2 z_a (6)

In der Gegenüberstellung der beiden Skizzen (Fig. 1a = Stand der Technik; Fig. 1b = Erfindung) sind z_a = z_o, h_a = h_o und h_i = h_o; z_i∼1/2 z_o.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in schematischer Darstellung beschrieben. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

Fig. 1a eine vorstehend beschriebene Skizze einer Kälteschildanordnung nach dem Stand der Technik einer prinzipiellen Dar stellung;

Fig. 1b eine vorstehend ebenfalls beschriebene Skizze einer erfindungsgemäßen Kälte schildanordnung in einer vergleichbaren Darstellung zu Fig. 1a;

Fig. 2 bis 4 drei erfindungsgemäße Ausführungen.

Entsprechende Teile der Fig. 1b sind mit gleichen Be zugszeichen versehen.

In Fig. 2 ist das innere Kälteschild mit 1 _i bezeichnet, das eine kalte Bodenfläche 2 aufweist, die ein flächiges Detektorelement 3 trägt. An die kalte Bodenfläche 2 schließen kalte seitliche Wände 4 und 5 an, die auch eine Zylinderwand bilden können und die sich bis zu einer inneren Kaltblende 6 _i erstrecken. Die kalte Bodenfläche mit den anschließenden seitlichen Wänden 4 und 5 und, der strahleneingangsseitigen inneren Kaltblende 6 _i mit der Öffnung 7 _i bilden das gekühlte innere Kälteschild 1 _i, das das flache Detektorelement 3 umschließt. Die Kühlung des inneren Kälteschildes 1 _i erfolgt durch eine nicht dargestellte Kühlvorrichtung. Dabei kann lediglich die Bodenfläche 2 gekühlt sein. Es können aber auch die seitlichen Wände 4 und 5 und die innere Kaltblende 6 _i gekühlt sein.

Das innere Kälteschild 1 _i befindet sich in einem Gehäuse (Dewar), das an ein Vakuum angeschlossen ist und durch ein strahleneingangsseitiges Infrarot-strahlendurch lässiges Fenster 8 (IR-Fenster) abgeschlossen ist. In Fig. 2 ist von dem Dewar nur das IR-Fenster 8 (Abschlußscheibe des Dewar) gezeigt.

Dem inneren Kälteschild 1 _i ist in Fig. 2 ein thermisch von dem inneren Kälteschild 1 _i getrenntes äußeres Kälteschild 1a zur optischen Abschirmung von Infrarotstörstrahlen, z. B. in der Gestalt eines innen verspiegelten Hohlspiegels vorgeschaltet, der eine sphärische oder asphärische Innenfläche aufweisen kann und eine äußere Kaltblende 6 _a bildet, die beispielsweise eine zentrisch zur optischen Achse liegende Öffnung (Loch) 7 _a aufweist. Die Öffnung 7 _a der äußeren Kaltblende 6 _a bildet die Austrittspupille der vorgeschalteten, nicht dargestellten Infrarot-Optik (IR- Optik).

Die innere Kaltblende 6 _i des inneren Kälteschildes 1 _i wirkt als Baffle, und der Abstand z_i zwischen der Bildebene auf der Oberfläche des Detektors 3 und der inneren Kaltblende 6 _i mit der Öffnung 7 _i kann nach dem vorstehenden erfindungsgemäßen Regeln minimiert, d. h. vergleichsweise wesentlich verkürzt werden (vgl. vorstehende Gleichung (6)), wobei sichergestellt ist, daß es nicht zu einer Vignettierung an den äußeren und inneren Kaltblenden kommt.

Im Inneren des inneren Kälteschildes 1 _i befindet sich ein optischer Filter 12, der dem flachen Detektorelement 3 unmittelbar vorgeschaltet ist. Der Filter 12 kann aber auch entfallen. Derartige kalte Filter sind in der Infrarot-Technik bekannt.

Erfindungsgemäß ist das äußere Kälteschild 1 _a ist gemäß so gestaltet und gegenüber dem inneren Kälteschild 1 _i so angeordnet, daß die Kaustiken 13 bis 17 der von Punkten 18 bis 21 der Bildebene ausgehenden und von dem äußeren Kälteschild 1a durch das IR-Fenster 8 in das innere Kälteschild 1 _i reflektierten Strahlenbüschel nahe vor, aber nicht auf dem IR-Fenster 8 liegen. Bei der erfindungsgemäßen Strahlendetektoreinrichtung sind die Parameter etwa wie folgt gewählt:

k_a = 2,0
k_i = z_i/2 h_i = 1,5
z_a = 60 mm
z_i = 40 mm
d = 10 mm.

Der Krümmungsradius der äußeren Kaltblende 6 _a wird mittels bekannter optischer Rechenverfahren optimiert. Er weist bei der Ausführung nach Fig. 2 den Wert 27,5 auf.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlendetektoreinrichtung entsprechend Fig. 2, in der lediglich die Detektorfläche des Detektorelementes 3 und die innere Kaltblende 6 _i mit ihrer Öffnung 7 _i angedeutet sind. Mit 8 ist das IR- Fenster und mit 6 _a die äußere Kaltblende bezeichnet. Die abgeänderten Parameter sind bei dieser Ausführung wie folgt gewählt:

k_a = 2,0
k_i = z_i/2h_i = 1,25
z_a = 40 mm
z_i = 25 mm
d = 10 mm.

Die Bildpunkte 18′, 19′ und 20′ liegen etwas hinter der Detektoroberfläche. Bei dieser Ausführung liegen die Kaustiken teilweise im IR-Fenster 8 und teilweise vor und hinter dem IR-Fenster 8 und vor der inneren Kaltblende 6 _i.

In sämtlichen Ausführungsbeispielen ist wie auch beim Stand der Technik der maximale Strahlenwinkel des zentralen Bildpunktes 18 bzw. 18′ mit R_max bezeichnet. Das entspricht einer optischen Öffnung von k_opt = 1/2 cot (R_max) Für den maximalen Strahlenwinkel gilt R_max 30°. Das entspricht einer optischen Öffnung von etwa 0,8. Hierbei weist jedoch erfindungsgemäß das innere Kälteschild 1 _i gegenüber dem Stand der Technik vorteilhafterweise eine etwa bis zu einem Faktor 2 reduzierte Länge z_i aufweist.

Beim Stand der Technik (Fig. 1a) beträgt die minimale axiale Länge z_o des inneren Kälteschildes etwa 4 d, wenn der maximale Gesamtdurchmesser des flächigen Detektorelementes 2 d ist. Bei dem gleichen maximalen Gesamtdurchmesser des Detektorelementes beträgt der Abstand z_i der Öffnung 7 _i der inneren Kaltblende 6 _i bei der Erfindung (Fig. 1b) jedoch nur etwa 2 d.

Das innere Kälteschild läßt sich damit erfindungsgemäß gegenüber den bekannten Einrichtungen axial um etwa die Hälfte verkürzen.

Fig. 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführung, die sich besonders für weit geöffnete Systeme eignet. Wenn der maximale Durchmesser des Detektors 2 d ist, ist nach Fig. 4 der Abstand z_i der Kaltblendenöffnung 7 _i von der Bildebene etwa 2 d. Das innere Kälteschild 1 _i besitzt dabei eine radiale kranz- bzw. kragenartige Bodenstruktur mit gekühlten seitlichen Wandabschnitten 4′ und 5′ und mit beidseitig von der optischen Achse radial nach außen verlängerten gekühlten Bodenabschnitten 2′ und 2′′, durch die der gekühlte Boden 2 des inneren Kälteschildes als Träger des Detektorelementes 3 über die seitlichen, in Achsrichtung verlaufenden Wände 4′ und 5′ hinaus verbreitert ist. Die innere Kaltblende 6 _i wird hier von dem freien Öffnungsquerschnitt der seitlichen Wandabschnitte 4′ und 5′ gebildet. Die äußere Kaltblende 6a besteht beispielsweise aus einer torischen Spiegelfläche. Die Seitenwände 4′ und 5′ können einen offenen Zylinder bilden, der einseitig durch den Boden 2 abgeschlossen ist. Die überstehenden Bodenabschnitte 2′ und 2" können einen Ring bilden.

In sämtlichen Ausführungsbeispielen, einschließlich der prinzipiellen Skizzen nach der Fig. 1b ist das äußere Kälteschild 1 _a derart ausgebildet und gegenüber dem Detektorelement 3 angeordnet, daß die von Bildpunkten des optischen Bildes auf der Oberfläche des Detektorelementes ausgehenden und von dem äußeren Kälteschild 1 _a reflektierten Strahlenbüschel nur auf gekühlte Flächen des internen Kälteschildes 1 _i fallen. Statt des inneren Kälteschildes 1 _i innerhalb eines Dewars (internes Kälteschild) kann auch eine extern angebrachte gekühlte Lichtfalle verwendet werden, die von dem Ort des Detektorelementes 3 entfernt seitlich versetzt angeordnet ist und beispielsweise eine Struktur entsprechend den inneren Kälteschildern 1 _i nach Fig. 1b bis 4 aufweist, die hierbei frei von der Lage des Detektorelementes gewählt werden kann. Andererseits kann es vorteilhaft sein, das ungekühlte äußere Kälteschild 1 _a zusammen mit dem gekühlten inneren Kälteschild 1 _i innerhalb eines Vakuumgefäßes (Dewar) anzuordnen, wobei das äußere Kälteschild 1 _a nicht an die Kühlvorrichtung angeschlossen ist. Ein Vorteil besteht dabei darin, daß die entstehenden Kaustiken keine Rolle in bezug auf das IR-Fenster spielen.

In sämtlichen Ausführungsbeispielen ist sichergestellt, daß von Bildpunkten auf der Detektoroberfläche ausge hende Strahlenbüschel, die von dem äußeren Kälteschild 1 _a reflektiert werden, nicht auf das Detektorelement 3 fallen, sondern ausschließlich auf Wände des inneren Kälteschildes 1 _i, die vorzugsweise sämtlich gekühlt sind, wobei die möglicherweise entstehenden Kaustiken vorzugsweise im vom Detektorelement 3 entfernt liegenden Eintrittsbereich des inneren Kälteschildes 1 _i mit Abstand von seinen Wänden liegen.

Die Auslegung eines optimalen Dewars erfolgt erfindungsgemäß wie folgt:

Das äußere Kälteschild 1 _a soll verhindern, daß das Detektorelement 3 Strahlung erfaßt, die nicht aus dem gekühlten Dewar kommt. Das Detektorelement 3 soll also keine Strahlung erfassen, die innerhalb unerwünschter Raumwinkelbereiche liegt, d. h. außerhalb des äußeren Kälteschildöffnungsverhältnisses k_a. Anders ausgedrückt, das Detektorelement 3 soll in den unerwünschten Raumwin kelbereichen - über das äußere Kälteschild - ausschließlich auf gekühlte Flächen und im wesentlichen nicht auf sich selbst oder auf Dewarbereiche außerhalb des internen Kälteschildes 1 _i "sehen".

Nachdem vorstehend der Abstand z_a der äußeren Kaltblen denöffnung von der Bildebene (Detektoroberfläche) und das äußere Kaltblendenöffnungsverhältnis k_a festgelegt sind, versucht man die optimal kleinste Länge z_i des inneren Kaltschildes 1 _i zu finden. Man nimmt einen Startwert für z_i = z_a/2 an und ermittelt mit der Strahldurchrechnung, ob es möglich ist, alle Strahlen, die vom Detektorelement kommen und das Loch 7 _a des äußeren Kälteschildes 6 _a verfehlen, auf die gekühlten Wände des inneren Kälteschildes 1 _i zu richten. Trifft man dabei mit Fehlstrahlung auf das Detektorelement 3, wird z_i sukzessiv verlängert, bis keine Fehlstrahlung mehr auf das Detektorelement 3 fällt. Unter paraxialen Abbildungsverhältnissen wird z_i = z_a/2 erreicht (vgl. Gleichung (6)).

Bei der auf diese Weise durchzuführenden Auslegung des inneren Kälteschildes 1 _i muß die Randbedingung erfüllt sein, daß die Dewarabschlußscheibe bzw. das IR-Fenster 8 oder Bereiche hiervon nicht auf das Detektorelement 3 selbst abgebildet werden. Hierzu muß die Position des IR-Fensters 8 optimiert werden, wie es vorstehend anhand der Ausführungsbeispiele in den Fig. 1 bis 4 und der Gleichungen (1) bis (6) aufgezeigt ist.

Erfindungsgemäß weist ein inneres Kälteschild 1 _i für einen Flächendetektor 3 eine als Baffle wirkende innere Kaltblende 6 _i und bin äußeres Kälteschild 1 _a eine körperliche Blende als Austrittspupille der vorgeschalteten IR-Optik auf. Das äußere Kälteschild 1 _a ist so beschaffen, daß die vom Detektorelement 3 wahrgenommenen Raumwinkelbereiche zwischen der Kaltblendenöffnung 7 _i des inneren Kälteschildes 1 _i und der Öffnung 7 _a des äußeren Kälteschildes 1 _a nahezu vollständig auf gekühlte Wände des inneren Kälteschildes 1 _i gespiegelt werden. Hierzu wird der Abstand z_i zwischen der Kaltblende 6 _i des inneren Kälteschildes 1 _i mit optimal kleinstmöglichen (effektiven) inneren Kälteschild-Öffnungsverhältnis k_i und der Detektorebene (Bildebene) minimiert, während das Öffnungsverhältnis k_a der äußeren Kaltblende 6 _a maximiert wird. Es werden keine Bereiche des IR-Fensters des Dewar auf dem Detektor abgebildet. Die Kaustiken der von dem Detektorelement ausgehenden und über die verspiegelte Innenfläche des äußeren Kaltschildes reflektierten Strahlen liegen im Bereich des IR-Fensters oder vorzugsweise im Inneren des Dewar. Die verspiegelte Innenfläche des äußeren Kälteschildes 1 _a kann sphärisch oder asphärisch sein. Dabei können mehrere gestaffelte äußere Kälteschilde vorhanden sein. Die körperliche Blende wird in diesem Falle vom äußersten, vom inneren Kälteschild 1 _i am entferntesten liegenden Kälteschild gebildet. Die übrigen äußeren Kälteschilde und die innere Kaltblende bilden Baffles. Die Randbereiche des inneren Kälteschildes sind so bemessen (Reflexionsvermögen, Temperatur, mechanische Abmessungen), daß keine störenden Einflüsse auf den Detektor 3 verursacht werden. Es kann dabei von Vorteil sein, zwischen dem Detektorelement und der inneren Kaltblende 6 _i des internen Kälteschildes 1 _i ein internes Filter 12 (Hoch-/Tief-/Bandpaß) anzuordnen (Fig. 2). Das IR-Fenster 8 des Dewar kann zusätzlich oder allein vorteilhafterweise als ein solches internes Filter gestaltet sein. Die Vorderseite der inneren Kaltblende (Baffle) 6 _i erstreckt sich vorteilhafterweise bis zur Innenseite der äußeren Außenwand des Dewar-Gehäuses.

Die Öffnung 7 _i der inneren Kaltblende 6 _i kann vergleichsweise zur Öffnung 7 _a des äußeren Kälteschildes 1 _a grob toleriert sein, was von Vorteil ist, da sich die innere Kaltblende 6 _i innerhalb des nach außen dicht abgeschlossenen Vakuumgefäßes (Dewar) befindet. Anderseits kann es erfindungsgemäß von Vorteil sein, das äußere Kälteschild 1 _a mit der äußeren Kaltblende 6 _a in das Dewar zu integrieren, ohne daß es an die Kühlvorrichtung für das innere Kälteschild 1 _i angeschlossen ist. Wenn erfindungsgemäß die Öffnung 7 _a des äußeren Kälteschildes 1a an die Stelle der Öffnung 7 des bekannten Kälteschildes nach Fig. 1a gesetzt wird, kann das vorhandene Dewar für das bekannte Kälteschild weitgehend beibehalten werden. Ein bekanntes Dewar für ein Kälteschild nach Fig. 1a läßt sich damit erfindungsgemäß verwenden, um das axial wesentlich verkürzte innere Kälteschild 1 _i und das vorgeschaltete äußere Kälteschild 1 _a in dem vorhandenen Dewar ohne wesentliche Änderungen integrieren zu können. Auf diese Weise ist die Umrüstung bekannter Dewars mit Kälteschildern entsprechend Fig. 1a in erfindungsgemäße Einrichtungen bei weitgehender Übernahme der vorhandenen Raumaufteilungen mit geringem Bau- und Kostenaufwand möglich.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und/oder beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Dem Fachmann ist hierdurch aber eine technische Lehre vermittelt, durch die er in die Lage versetzt ist, abgeänderte Ausführungen anzugeben, die im Rahmen der Erfindung liegen, wie er durch die vorstehende Berechnung im wesentlichen festgelegt ist. So kann ein Dewar mit einer Kaltblendenöffnung 6 _i derart gestaltet werden, daß durch einfachen Wechsel des äußeren Kälteschildes 1 _a das Gesamtsystem mit geändertem äußeren Öffnungsverhältnissen betrieben werden kann. Das innere Kälteschild 1 _i läßt sich auch getrennt vom Detektorelement 3 extern anordnen.

Claims

1. Infrarot-Strahlendetektoreinrichtung mit

- einem gekühlten Detektorelement,
- einer das gekühlte Detektorelement von Infrarotstrahlen weitgehend abschirmenden ersten Einrichtung (inneres Kälteschild) mit einer ersten Strahleneintrittsöffnung (innere Kaltblende),
- einer Infrarot-Optik (IR-Optik) zur Abbildung eines Infrarotbildes auf dem Detektorelement, und
- einer in Lichtrichtung dem inneren Kälteschild vorgeschalteten, von dem inneren Kälteschild thermisch getrennten zweiten Einrichtung (äußeres Kälteschild) mit einer zweiten Strahleneintrittsöffnung (äußere Kaltblende),
dadurch gekennzeichnet, daß bei
- einer IR-Optik mit minimaler optischen Öffnung und vignettierungsfreien Kaltblendenöffnungen 7_i, 7_a) und einer äußeren Kaltblende (6 _a) als Austrittspupille der IR-Optik,
- einem kleinstmöglichen inneren Kaltblendenöffnungs verhältnis k_i = z_i/2 h_i mit z_i für den Abstand der Bildebene von der inneren Kaltblendenöffnung (7 _i) und h_i der Randhöhe der inneren Kaltblende (6 _i),
- einem größtmöglichen äußeren Kaltblendenöffnungs verhältnis k_a = z_a/2 h_a mit z_a für den Abstand der Bildebene von der äußeren Kaltblendenöffnung (7 _a) und h_a der Randhöhe der äußeren Kaltblende (6 _a)

der Abstand des inneren Kälteschildes in bezug auf das Detektorelement vergleichsweise wesentlich zurückgenommen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Bedingungen eingehalten sind:

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem maximalen Strahlenwinkel 0 30° (optisches Öffnungsverhältnis 0.8) und bei einem maximalen Gesamtdurchmesser von 2 d des Detektorelements (3) der Bildabstand (z_i) von der inneren Kaltblendenöffnung (7 _i) etwa d bis 2 d beträgt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere und das äußere Kälteschild (1 _i, 1_a) mit einer die Austrittspupille der Optik bildenden äußeren Kälteschildöffnung (7 _a) in einem Vakuumgefäß (Dewar) integriert sind, das strahleneintrittseitig von einem IR-Fenster (8) abgeschlossen ist, welches der äußeren Kälteschild öffnung vorgelagert ist, wobei z_i 1/2 z_a gewählt ist.

5. Einrichtungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Kaltblendenöffnungs verhältnis k_i = z_i/2 h_i etwa 1,25 bis 1,5 und das äußere Kaltblendenöffnungsverhältnis k_a = z_a/2 h_a etwa 2 ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der innere Kaltblendenöffnungsabstand (z_i) von der Bildebene etwa 25 mm bis 40 mm und der äußere Kaltblendenöffnungsabstand (z_a) von der Bildebene etwa 40 bis 60 mm ist.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Bildhöhe (d) in der Detektorebene etwa 10 mm ist.

8. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaustiken (13-17, 13′- 17′) der von Bildpunkten (18-21; 18′-20′) auf der Detektoroberfläche ausgehenden und von dem äußeren Kälteschild (1 _a) gespiegelten Strahlen im Bereich der Öffnung (7 _i) der inneren Kaltblende (6 _i) mit Abstand von den Wänden (4, 5) des inneren Kälteschildes (1 _i) liegen.

9. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere hintereinander gestaffelt angeordnete äußere Kälteschilde vorhanden sind, wobei das äußerste Kälteschild die körperliche Blende als Austrittspupille bildet und die übrigen äußeren Kälteschilde Baffle sind.

10. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Austrittspupille bildende äußere Kälteschild (1 _i) eine sphärische oder asphärische verspiegelte Innenfläche aufweist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß der Krümmungsradius des äußeren Kälteschildes (1 _a) etwa 22,5 mm beträgt.

12. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Abstand (z_i) des Detektorelements (3) von der Öffnung (7 _i) des inneren Kälteschildes (6 _i) etwa d beträgt, wobei der das Detektorelement (3) tragende Boden radial äußere Bodenabschnitte aufweist, die die axialen seitlichen Wände des Kälteschildes kranz- bzw. kragenförmig nach außen überragen und der radiale Durchmesser des Bodenabschnittes etwa d beträgt.

13. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß das interne Kälteschild (1 _i) getrennt von der Bodenfläche (2) des Detektorelementes (3) extern angeordnet ist und daß das äußere Kälteschild (1 _a) asymmetrisch zur optischen Achse angeordnet ist.

14. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Detektorelement (3) außerhalb der Kaustiken (13-17, 13′-17′) ein Filter (11) (Hoch-, Tief-/Bandpaß) vorgeschaltet ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß das IR-Fenster als Filter (Hoch-, Tief- /Bandpaß) ausgebildet ist.