EP4479782A1 - Infrarotbildsystem und bildleiter zur infrarotbildübertragung - Google Patents

Infrarotbildsystem und bildleiter zur infrarotbildübertragung

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EP4479782A1
EP4479782A1 EP23706290.6A EP23706290A EP4479782A1 EP 4479782 A1 EP4479782 A1 EP 4479782A1 EP 23706290 A EP23706290 A EP 23706290A EP 4479782 A1 EP4479782 A1 EP 4479782A1
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EP
European Patent Office
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image guide
structural elements
image
type
detector unit
Prior art date
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Pending
Application number
EP23706290.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Weiser
Andrea Ravagli
Timothy EAGLESON
Bernd Schultheis
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Schott North America Inc
Original Assignee
Schott AG
Schott North America Inc
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102022107936.8A external-priority patent/DE102022107936A1/de
Application filed by Schott AG, Schott North America Inc filed Critical Schott AG
Publication of EP4479782A1 publication Critical patent/EP4479782A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/12—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices with means for image conversion or intensification
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04N23/555—Constructional details for picking-up images in sites, inaccessible due to their dimensions or hazardous conditions, e.g. endoscopes or borescopes
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    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
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    • G01J5/0225—Shape of the cavity itself or of elements contained in or suspended over the cavity
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    • H04N23/10—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths
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    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/102—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type for infrared and ultraviolet radiation

Definitions

  • Infrared imaging can be used for a number of applications to provide information or supporting data that is not apparent to the naked eye or conventional imaging equipment.
  • the imaging device in particular the sensor, from the light-collecting lens in order to enable space- and application-optimized usability, in particular in small and dangerous environments.
  • the IR light image captured by the lens can be transmitted over a desired distance to the sensor by means of a suitable image guide.
  • IR image guides results in dedicated local risk minimization and better performance in relation to avoiding damage and reducing the lifetime of electro-optical imaging equipment. This applies in particular to small and dangerous environments, eg in industry and aviation.
  • fields of application for infrared imaging can be, for example, preventive maintenance of hulls and insulation in cramped and/or difficult-to-access environments, engine and power room monitoring, possibly also during operation, monitoring and inspection of turbine chambers, such as blade inspection, e.g. with regard to weight, space and avionics balance, fire protection, firefighting, spark detection, e.g.
  • IR image guides due to the spatial separation from a detector unit, can enable a suitable, for example inconspicuous, placement of the infrared image system, also for example around corners or obstacles.
  • thermo imaging optical systems that can detect temperature differences between an object and the environment
  • image transmission element image guide
  • the aspect of an image transmission element comes into play when direct exposure or direct observation, e.g. via an IR camera, is not possible or preferred, or in other words when remote imaging is required, for example in difficult environments or places that are difficult to access , assemblies or the like, e.g. around a corner, through small openings or between assemblies etc. This is sometimes also used in medical fields for imaging in, out of or inside a body.
  • An image guide can thereby enable remote imaging, with the distal end being kept away from the detector.
  • IR cameras or IR detector image chips are usually not comparable with those in the visible range.
  • the pixel size is often larger due to adaptation to the wavelength range to be detected, and as a result the resolution is usually rather low.
  • the development of highly sensitive and higher-resolution sensors or detectors has therefore been of increased interest for some time, partly also with regard to relatively specific applications.
  • further developments for image transmission elements in this context have so far been less the focus of development.
  • image guides that are better matched to the respective system would be desirable. It should also be considered that in the IR range, many bodies can themselves function as IR transmitters and can therefore superimpose a target signal.
  • One aspect of the object of the invention is to increase the image quality and to optimize IR systems for practical use while using or maintaining the performance of the downstream components, in particular the IR camera or the IR chip, as best as possible.
  • the invention relates to an infrared imaging system having a lens for imaging an object or multiple objects or motifs, an image guide for image transmission, with the image guide being associated with the lens at a distal end, and a detector unit for image acquisition, with the detector unit being associated with a proximal end of the image guide or is assignable.
  • the ratio of the common thermal resolution (NETDB - NETD: Noise Equivalent Temperature Difference) of the image guide and the detector unit to the thermal resolution (NETDD) of the detector unit is less than 10, preferably less than 5, particularly preferably less than 2.
  • the ratio of the combined thermal resolution of the image guide and the detector unit to the thermal resolution of the detector unit is preferably greater than 1.00. particularly preferably greater than 1.05, again preferably greater than 1.1. A value in the range from 1.01 to 10, for example, or also a value in the range from 1.05 to 5, can therefore be provided for said ratio.
  • the detector unit preferably includes an IR-sensitive sensor and possibly also one or more other optical components, e.g. dedicated optics and/or a housing, with the NETD value preferably relating to the entire detector unit.
  • the NETD value also relates solely to the sensor, for example in the case of a detector unit which consists of just one sensor.
  • the detector unit has a thermal resolution (NETD) which is less than 300 mK, preferably less than 200 mK, particularly preferably less than 100 mK, even more preferably less than 50 mK.
  • NETD thermal resolution
  • the image guide and the detector unit can also have a common thermal resolution (NETD) which is less than 400 mK, preferably less than 300 mK, particularly preferably less than 200 mK.
  • the common thermal resolution NETD of image guide and detector unit can be taken as a basis.
  • a number of further properties relating to the detector unit are mentioned below, by means of which, in particular, a minimum resolvable temperature difference (MRTD) of the detector unit can also be determined.
  • MRTD minimum resolvable temperature difference
  • the detector unit has a defectivity of at least 10 8 cm Hz 1/2 W' 1 for a wavelength in the infrared range, in particular in the range from 0.8 pm to 14 pm, preferably of at least 10 9 cm Hz 1/2 W' 1 , more preferably at least 10 9 cm Hz 1/2 W' 1 , even more preferably at least 10 10 cm Hz 1/2 W' 1 , even more preferably at least 10 11 cm Hz 1/2 W' 1 , for example between one of the values mentioned and 10 13 cm Hz 1/2 W' 1 , in particular between one of the values mentioned and 10 12 cm Hz 1/2 W' 1
  • the detector unit can have a resolution of at least 20 line pairs/mm, preferably at least 50 line pairs/mm, particularly preferably at least 150 line pairs/mm.
  • the detector unit can have an area of at least 0.1 square centimeters, preferably at least 0.5 square centimeters, particularly preferably at least 5 square centimeters.
  • the infrared imaging system can also comprise an optical element which is arranged between the proximal end of the image guide and the detector unit.
  • the detector unit can also be designed as a screen, in particular an “IR-sensitive” screen, which converts wavelengths from infrared (IR) to visible light (VIS) by means of wavelength-converting material or such a coating, and the optical element mentioned be designed for image projection onto the screen.
  • the image guide of the infrared imaging system can be designed in particular according to the statements below.
  • the invention also relates to an image guide for image transmission from a distal end to a proximal end, comprising a plurality of structural elements which each extend from the distal end to the proximal end, wherein at least two different types of structural elements are comprised, namely a first one type with a first refractive index n1 and a second type with a second refractive index n2.
  • the ratio of the refractive indices n1/n2 between the structural elements of the first type and the structural elements of the second type can be, for example, between 0.5 and 0.999, particularly preferably between 0.6 and 0.992, even more preferably between 0.75 and 0.992. It is also possible that n1/n2 is between 0.8 and 0.999.
  • first refractive index of the structural elements of the first type and the second refractive index of the structural elements of the second type differ by at least 0.05, differ by at least 0.075, in particular differ by at least 0.1, in particular differ by at least 0.2 , in particular deviate by at least 0.3, in particular deviate by at least 0.4.
  • the structural elements can, for example, form a bundle of optical fibers, the fibers each comprising a core and a cladding, the cladding being designed as a structural element of the first type and the core being designed as a structural element of the second type.
  • the structural elements form a base body with a large number of, preferably filled, cavities, the base body being designed as a structural element of the first type and the preferably filled cavities being designed as structural elements of the second type.
  • an image guide can, for example, be designed similar to or as a photonic crystal fiber (PCF).
  • At least one structural element is preferably designed to be transmissive for a wavelength in the infrared range, in particular in the range from 0.8 ⁇ m to 14 ⁇ m.
  • the image guide can have a resolution of at least 25 line pairs/mm, preferably a resolution of at least 30 line pairs/mm, particularly preferably a resolution of at least 40 line pairs/mm.
  • the image guide can have a length of at least 50 cm, preferably have a length of at least 100 cm, particularly preferably have a length of at least 300 cm.
  • the image guide can be designed as a flexible body, at least in sections, and/or can be designed as a rigid body, at least in sections.
  • At least one core, one jacket, one base body, one filled cavity and/or one structural element preferably comprises a material which is suitable for a wavelength in the infrared range, in particular in the sensitivity or detection range of the detector unit or the emission range of a body or motif to be observed. and in particular in the range from 0.8 pm to 14 pm, has an attenuation of less than 50 dB/m, in particular less than 10 dB/m, in particular less than 1 dB/m.
  • crosstalk it can be provided that between the cores of the fibers and/or the structural elements of the second type, for a wavelength in the infrared range, in particular in the range from 0.8 pm to 14 pm, in particular in the range from 5 pm to 8 pm, there is a crosstalk (X-talk) of less than 0.4, preferably less than 0.3, more preferably less than 0.2, or less than 0.1, or less than 0.05.
  • the image guide preferably has a large number of structural elements.
  • the number of fibers and/or structural elements of the second type per mm 2 of the cross-sectional area of the image guide can be at least 100, preferably at least 1000, particularly preferably at least 10000.
  • the cores of the fibers and/or the structural elements of the second type can have a diameter between 5 ⁇ m and 200 ⁇ m, preferably between 5 ⁇ m and 100 ⁇ m, particularly preferably between 10 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • the jackets of the fibers and/or the structural elements of the first type can have a diameter between 6 ⁇ m and 250 ⁇ m, preferably between 6 ⁇ m and 150 ⁇ m, particularly preferably between 10 ⁇ m and 70 ⁇ m.
  • the core to cladding diameter ratio can range from 0.5 to 0.95.
  • the smallest distance between the centers of two cores and/or two structural elements of the second type can be less than 50 ⁇ m, preferably less than 20 ⁇ m, particularly preferably less than 15 ⁇ m.
  • the average distance between the centers of the cores and/or the structural elements of the second type can also be less than 50 ⁇ m, preferably less than 20 ⁇ m, particularly preferably less than 15 ⁇ m.
  • a core, a jacket, a base body, a filled cavity and/or a structural element can in principle include or consist of glass. It is also possible for a core, a jacket, a base body, a filled cavity and/or a structural element to include or consist of quartz.
  • a core, a shell, a base body, a filled cavity and/or a structural element can comprise a chalcogenide, in particular comprising at least one element from the group oxygen, sulfur, selenium and tellurium, and at least one element from the group arsenic, germanium, phosphorus , Antimony, Lead, Boron, Aluminum, Gallium, Indium, Titanium, Sodium.
  • a chalcogenide in particular comprising at least one element from the group oxygen, sulfur, selenium and tellurium, and at least one element from the group arsenic, germanium, phosphorus , Antimony, Lead, Boron, Aluminum, Gallium, Indium, Titanium, Sodium.
  • multi-component glasses can be provided for the core, cladding or base body, as well as quartz glass, in particular doped quartz glass.
  • quartz glass in particular doped quartz glass.
  • chemical and/or thermomechanical for example with regard to thermal expansion coefficients and/or their viscosity profile over temperature are chalcogenides or GLS materials.
  • chalcogenides or GLS materials can be processed or machined in particular in thermal processes, so that a waveguide in particular can be produced using conventional methods of manufacturing fiber-optic components.
  • GLS stands for a gallium lanthanum sulfide glass, it being possible for a core, a cladding, a base body, a filled cavity and/or a structural element to comprise such a gallium lanthanum sulfide glass (GLS).
  • GLS gallium lanthanum sulfide glass
  • the image guide preferably has a transmission of at least 30%, preferably at least 50%, particularly preferably at least 60%, for a wavelength in the infrared range, in particular in the range from 0.8 ⁇ m to 14 ⁇ m. Furthermore, the image guide can have a transmission of at least 30%, preferably at least 50%, particularly preferably at least 60%, for a wavelength in the range from 5 pm to 8 pm.
  • higher resolution image guides based on the transverse Anderson localization (TAL) wave phenomenon can be provided.
  • TAL transverse Anderson localization
  • a large number of individual glass fibers with different refractive indices can be assembled into a random fiber bundle. If a light beam is coupled into such a waveguide, it propagates along the length of the image guide with a transverse extent that is limited in cross section.
  • such image guides particularly advantageously comprise at least two different types of structural elements, namely a first type with a first refractive index and a second type with a second refractive index.
  • the included plurality of structural elements can therefore include at least one structural element of the first type and one or more structural elements of the second type, or conversely one or more structural elements of the first type and one structural element of the second type, or both multiple structural elements of the first type and multiple Structural elements of second type include. It goes without saying that more than two different types, for example three different types, of structural elements can also be included.
  • the structural elements each extend along the transport direction of the electromagnetic radiation through the image conductor and proportionately over the cross section of the waveguide, such that a multiplicity of cross-sectional regions are defined in the cross section of the waveguide, each of which corresponds to the cross section of an individual structural element. Accordingly, the structural elements run next to one another, in particular parallel to one another, along the transport direction of the waveguide or image guide and their cross sections each occupy a planar portion of the cross section of the waveguide and therefore each define a cross-sectional region of the cross section of the waveguide.
  • the cross-sectional regions therefore correspond in particular to the surface areas formed by the structural elements when one looks at a cross-sectional surface of the waveguide, ie, for example, the light entry or light exit surface.
  • An image guide can therefore comprise a large number of structural elements of the first type and a large number of structural elements of the second type, the structural elements of the first type being designed as, in particular, rod-shaped or tubular bodies with or made of a first medium, the first medium containing the first has a refractive index, and wherein the structural elements of the second type are formed as, in particular, rod-shaped or tubular bodies with or made of a second medium, wherein the second medium has the second refractive index, or wherein the structural elements of the second type are formed as cavities in the structural elements of first type, wherein the cavities preferably form the second refractive index or are filled with a second medium, the second medium having the second refractive index.
  • An image guide can therefore also define a longitudinal direction and a cross-section running transversely to the longitudinal direction, with the structural elements extending over the cross-section of the image guide in such a way that a multiplicity of cross-sectional regions are defined in the cross-section of the image guide, each of which corresponds to the cross-section of a single structural element, and/or wherein the structural elements, in particular their cross-sectional regions, are arranged non-uniformly in order to cause a transverse Anderson localization transverse to the longitudinal direction.
  • the non-uniform arrangement of the structural elements, in particular their cross-sectional regions can in particular be random and/or non-uniform but defined by a predetermined rule, with the non-uniform arrangement preferably being formed:
  • the periodically positioned structural elements having a variation among one another which is random and/or uneven but clearly defined by a predetermined rule, the variation of the periodically positioned structural elements among one another being preferred is formed as a variation of the type of structural elements, the refractive index of the structural elements and/or the geometry, e.g. the shape, the diameter and/or the substructure, of the structural elements,
  • the structural elements in particular their cross-sectional regions, can be formed non-uniformly, but clearly defined by a predetermined rule. Accordingly, the structural elements exhibit an irregularity in relation to one another, ie they are of irregular design, for example arranged irregularly, irregularly shaped and/or irregularly configured. In particular, the irregularity does not lie in the individual structural elements themselves, but in the totality of the structural elements; accordingly, there is in particular a physical disorder, i.e. a deviation from one or the symmetry. On the other hand, the unevenly formed structural elements are formed in a fixed manner by a predetermined rule, ie, they are not formed randomly.
  • the property that the structural elements have a non-uniformity or a disorder relative to one another is therefore opposed to a regularity, in particular in the sense that the non-uniformity or the disorder follows a defined rule and not by chance.
  • the irregularity or the disorder is therefore clearly predetermined or specified by a rule or characterized or characterizable by a rule.
  • the non-uniformity of the structural elements, in particular their cross-sectional regions can be pronounced in various ways.
  • the cross-sectional regions of the structure elements can have an uneven, in particular aperiodic, arrangement which is clearly defined by the predetermined rule.
  • the cross-sectional regions can be arranged deviating from a periodic lattice.
  • the cross-sectional regions can also be distributed unevenly on a periodic lattice, for example.
  • the cross-sectional regions of the structural elements can have geometries which are non-uniform, in particular differing from one another, for example non-uniform diameters, which are clearly defined by the predetermined rule.
  • the geometries of the cross-sectional regions can also be of the same type, but rotated in relation to one another, in particular in the case of cross-sectional regions which have a non-round shape.
  • the structural elements can have non-uniform refractive indices, in particular deviating from one another, which are clearly defined by the predetermined rule.
  • Image guides of this type enable resolutions which are again higher than the resolutions of image guides already mentioned, which are based on the principle of wave guidance by total reflection.
  • the features in terms of materials and mechanical structure, such as number, surfaces and geometries, but also methods of production are essentially also applied to waveguides or image guides based on the wave phenomenon of transverse Anderson localization (TAL) are applicable.
  • TAL transverse Anderson localization
  • FIG. 2 schematically shows an image guide designed as a fiber bundle with a multiplicity of first and second structural elements.
  • the structural elements of the first type 100a in such a fiber-optic image guide or fiber bundle can also be partially or partially connected to one another with a positive and/or material connection, for example by fusion.
  • essentially hexagonal superstructures are often formed and a denser packing of the pixels can be achieved.
  • This can be advantageous, for example, in order to fix the proximal and/or the distal end and to connect it to other components of the IR imaging system in sleeves or means for connecting, which can also result in a local fixation of the pixels.
  • these can also be bent partially or in sections, once or multiple times and/or their cross-sectional geometry can be changed, and they can also be twisted.
  • Fig. 3 shows two further examples of image guides 20.
  • the image guides 20 in turn comprise a multiplicity of structural elements 100, which each extend from a first front end 2 to a second front end 4 of the image guide 20 along the transport direction 5 and are, for example, rod-shaped .
  • the image guide shown in Figure 3(a) has a plurality of structural elements of a first type 100a and a plurality of structural elements of a second type 100b.
  • the cross-sectional regions of the features are arranged on a periodic lattice.
  • the structural elements have an uneven arrangement in that the structural elements of the first type 100a and the second type 100b, and thus the refractive indices, are arranged and/or distributed unevenly and/or there is an uneven occupancy at periodic positions.
  • the structural elements 100a comprise infrared-transmissive material.
  • the structure elements 100b comprise infrared-transmissive material.
  • both the structural element 100a and the structural elements 100b can also comprise infrared-transmissive material, with different infrared-transmissive materials preferably being provided for the two types.
  • the image guide shown in FIG. 3(b) again has a multiplicity of structural elements 100 which are arranged on a periodic lattice, with the cross-sectional regions of the structural elements having non-uniform geometries in this example.
  • the geometries can differ in particular in that the diameters of the structural elements or their cross-sectional regions differ from one another.
  • the structural elements 100 can have non-uniformity to the effect that the refractive indices of the structural elements differ from one another.
  • a discrete number of different refractive indices, for example two, three, four, etc., but in principle also a continuous variation of the refractive index can be provided.
  • At least some of the structural elements 100 have infrared-transmissive material in this variant.
  • one of the materials of the structural elements 100b and 100c again corresponds to the matrix material of the structural element 100a or that the (filled) cavities corresponding to these structural elements are missing in the matrix material (compare below with regard to FIG. 6a). It is also possible that the structure element 100a is formed as air or is absent and the structure elements 100b and 100c adjoin one another (compare FIG. 3a in this regard).
  • the image guide 20 shown in FIG. 4c has structural elements 100b, 100c with a periodic positioning.
  • the structure elements 100b, 100c are of different types and the allocation of the different types on the regular grid is uneven.
  • the variation of the structural elements 100b, 100c among one another is thus non-uniform.
  • Fig. 4c thus shows a case of an image guide 20, wherein the structural elements or whose cross-sectional regions have an uneven arrangement.
  • the term arrangement is to be understood here to mean that the selection or assignment of the different types of structural elements 100b, 100c is uneven in the respective periodic positions.
  • the structural elements 100b, 100c do not differ with regard to their refractive indices, e.g. have the same refractive index or consist of the same material, but vary with regard to other aspects (compare further below with regard to FIG. 5). It is also possible for the structure elements 100b, 100c to differ both with regard to their refractive indices and with regard to other aspects.
  • the structure element 100a can comprise infrared-transmissive material and/or the structure elements 100b and/or 100c can comprise infrared-transmissive material or another infrared-transmissive material.
  • FIG. 4e shows an image guide 20 with two types of structural elements, namely the structural element 100a, which can be embodied as matrix material, for example, and a multiplicity of structural elements 100b, which are embodied, for example, as, in particular filled, cavities in the matrix material could be.
  • the cross-sectional regions of the structure elements 100b are positioned aperiodically.
  • the positioning of the structure elements 100b can now represent an irregularity.
  • the structure elements 100b of the second type can have non-uniform positions. 4e thus shows a case of an image guide 20 in which the structural elements or their cross-sectional regions have an uneven arrangement.
  • the term arrangement is to be understood here to mean that the or some of the structural elements or their cross-sectional regions are positioned aperiodically.
  • the structure elements 100b of the second type have a uniform refractive index, have uniform geometries and/or are configured uniformly with regard to other aspects, in particular are configured identically. In this case, one can speak of a uniform assignment of the aperiodic positions.
  • the structural element 100a can comprise infrared-transmissive material and/or it can
  • Structure elements 100b Infrared-transmissive material or another infrared-transmissive
  • FIG. 4f shows an image guide 20 in which an aperiodic positioning of structure elements with different types of structure elements 100b, 100c at the same time is provided.
  • the non-uniformity of the arrangement can lie in the aperiodic positioning of the structure elements 100b, 100c or in the occupancy, ie the variation of the structure elements 100b, 100c among one another, or lie in both the positioning and the occupancy.
  • the structural element 100a can comprise infrared-transmissive material and/or the structural elements 100b and/or 100c can comprise infrared-transmissive material or another infrared-transmissive material.
  • FIG. 5 shows different possibilities of variations, which structural elements can have among themselves (middle line) as well as exemplary possible combinations of the variations (lower goals), which are not to be understood as conclusive.
  • the variations shown can be used in particular for an occupancy of positions with structural elements, which is formed unevenly.
  • Structural elements whose cross-sectional regions are localized at periodic or aperiodic positions, e.g. within a matrix material, can vary among themselves in terms of their shape, vary in terms of their type or refractive index, vary in terms of their substructure and/or in terms of their rotation (and/or local position) vary.
  • variations in the geometries of the structural elements, in particular their cross-sectional regions can be embodied as variations in shape (number of corners, diameter).
  • Variations in geometry can also be embodied as variations in substructure.
  • a substructure can in particular be that a structural element, in particular its cross-sectional region, has at least two different areas with different refractive indices, in particular a core and a surrounding cladding (core-cladding system).
  • a first type of structure element can have a polygonal shell and/or a polygonal core and a second type of structure element can have a round shell and a polygonal core (bottom row, first column).
  • a first type of structural element can have a first refractive index and a first diameter and a second type of structural element can have a second refractive index and a second diameter (bottom row, second column); or a first type of structural element a core-shell system with a core of a first diameter and a second type of structural element a core-shell system with a core of a second diameter (bottom row, third column); or a first type of structural elements a core-cladding system with a core having a first refractive index and a second type of structural elements a core-cladding system with a core having a second refractive index (bottom row, fourth column); or a first type of structural elements having a first diameter and a rotation about a pivot point external to the structural element and a second type of structural elements having a second diameter and a rotation about a pivot point external to the structural element (bottom row, fifth column), or a first type of structural elements a core-shell system with a centered core and a second type
  • FIG. 6a shows an image guide 20 which is comparable in some respects to the image guide of FIG. 4c.
  • the image conductor has a first structural element 100a, which can be in the form of a matrix material, for example.
  • the image conductor has a multiplicity of structural elements 100b, which can be formed, for example, as cavities in the matrix material.
  • the structure elements 100b lie on periodic locations, but not all periodic locations are occupied by a structure element. 6a thus shows a case of an image guide 20, in which the structural elements or their cross-sectional regions have an uneven arrangement which is clearly defined by a predetermined rule.
  • the term of the arrangement is to be understood to the effect that the or some of the structural elements or their cross-sectional regions lie on periodic sites, with some of the periodic sites being occupied and some of the periodic sites being unoccupied.
  • the structure element 100a to comprise infrared-transmissive material.
  • the structure elements 100b to comprise infrared-transmissive material, in particular if these structure elements are designed as filled cavities.
  • both the structural element 100a and the structural elements 100b can also comprise infrared-transmissive material, with different infrared-transmissive materials preferably being provided for the two types.
  • FIG. 6b shows an image guide which in some respects is comparable to the image guides from FIG. 4f.
  • the image conductor has a first structural element 100a, which can be embodied as a matrix material, for example. Furthermore, the image conductor has a multiplicity of structure elements 100b with a first diameter and a multiplicity of structure elements 100c with a second diameter. In this example, the structure elements are positioned aperiodically. 6b thus shows a case of an image guide 20, the structural elements or their cross-sectional regions having an uneven arrangement.
  • the term arrangement is to be understood here to mean that the or some of the structural elements or their cross-sectional regions are positioned aperiodically and/or the structural elements exhibit a variation among themselves which is formed unevenly, the variation being formed as two types of structural elements, e.g. with different diameters.
  • the structural element 100a to comprise infrared-transmissive material.
  • the structure elements 100b and/or 100c to comprise infrared-transmissive material, in particular if these structure elements are designed as filled cavities.
  • both the structural element 100a and the structural elements 100b and/or 100c can also comprise infrared-transmissive material, with different infrared-transmissive materials preferably being provided for the types.
  • At least one structural element of an image guide 20 is therefore in particular transmissive for a wavelength in the infrared range, for example for a wavelength in the range from 1 pm to 14 pm.
  • the image guide 20 can have an attenuation in the IR Have wavelength range between at least 1 pm and 14 pm of, for example, below 3 dB / m.
  • Materials with or made of heavy metal oxides or chalcogenide glasses are used for the optical element or elements and/or the structural elements of the image guide.
  • Glasses for example multi-component glasses, or quartz glass can optionally also be used in the near IR range. Quartz glass is understood here not only to mean those that consist of pure SiO2, but also its modifications, for example fluorine-doped variants, which have a smaller refractive index than the pure variant.
  • the IR materials can include crystals or ceramics. The choice of material classes depends in particular on the temperature difference T1-T2 and the IR wavelength range and the compatibility in or for a manufacturing process for at least parts of an image conductor.
  • the invention makes it possible to use an image guide within an IR system and to achieve better coordination of the image guide with an IR system and thermal imaging technology, for example detector units or infrared cameras.
  • the image guide can consist of a large number of optical fibers that are compatible with thermal imaging technology.
  • the invention allows IR images to be recorded at any position are located, e.g. behind a corner, inside a body or a machine, inside a dangerous environment, generally in or in places, points or components that are difficult or not safe to access, etc. This may also be due to something that is only translucent in the visible area (VIS). or even an opaque obstacle such as an enclosure.
  • VIS visible area
  • the NETD value can also be understood as the temperature difference of the object or within a subject, which is required to generate an electrical signal in or on a detector or detector unit that corresponds at least to the mean square noise of the Detector or its image acquisition chip and or the associated electronics corresponds. It can be expressed with the following equation in some cases.
  • the variables f# opticals number or f-number
  • Af electronics bandpass, noise equivalent electrical bandwidth
  • A detector area
  • M* refer to the specifications of the detector or the optical systems, including their wavelength-dependent sensitivity .
  • top is the percentage of transmission through the optics of the system (e.g. lenses and fiber bundles). A high transmission through the fiber bundle can thus contribute to a low NETD, with which small temperature differences can already or can still be detected or the smallest, meaningfully detectable temperature difference of the IR image system can be specified.
  • MTF modulation transfer function
  • the contrast value M of an observed scene or the captured image can be defined as follows: where Imax denotes the highest signal intensity and Imin the lowest signal intensity.
  • the MTF at a given line frequency is the ratio between the theoretical contrast (M-meoreticai) between the object and the background and the contrast observed in the image (Mi age) taken with the optical system:
  • M-meoreticai the theoretical contrast
  • Mi age the contrast observed in the image taken with the optical system
  • the influence of a fiber optic bundle and a detector on the MTF can sometimes be strong and can be approximately characterized using simple geometric considerations. Both detectors and fiber bundles can be characterized by a two-dimensional pattern in which the elements are at a certain distance from one another, which is also referred to as pitch, i.e. the distance from center to center. For example, if one considers a detector with a pixel spacing of 15 pm, it is usually unable to detect contrasts at a smaller scale or distance from the detector than 15 pm.
  • the resolution R of a detector
  • an MRTD value (minimum resolvable temperature difference) can be calculated, for example, as follows:
  • a minimum temperature difference that can actually be observed in the captured image can be calculated.
  • the NETD value can also be thought of as the temperature difference between the background and the target that gives a signal-to-noise ratio of 1, or simply put as the minimum temperature difference that can be distinguished between the background and the target.
  • the MRTD value, related to the NETD value can also be thought of as the minimum temperature difference between two objects that can be observed.
  • the NETD value may depend on parameters that are not specified by the Image conductors such as atmospheric conditions and the strength of the signal are external factors that depend on the scene, object or subject and are not controllable.
  • the pixel size and the specific defectivity depend on the quality of the detector, the spatial resolution depends on the wavelength, the size of the aperture can be specified by the detector or with a detector unit and can determine the depth of field.
  • the image guide can influence the strength of the signal, e.g. through absorption of the signal in or through its material, i.e. the attenuation of the signal in or through the image guide or the materials contained in it, and/or through the pixel size, e.g. if the Pixels in the light guide bundle are different from the position and/or size and/or geometry of the pixels of the detector. This is particularly the case when the size of the pixels of the bundle of light guides is larger than or possibly the same as the size of the pixels of the detector. A pixel-perfect arrangement.
  • Alignment or imaging, for example by upstream optics or an optical element, of the pixels of the light guide compared to the pixels of the detector is preferred.
  • Alignment or imaging, for example by upstream optics or an optical element, of the pixels of the light guide compared to the pixels of the detector is preferred.
  • an essentially 1:1 alignment, arrangement or overlapping is aimed for, so that ideally the pixels are congruent in terms of their position or coverage, e.g. opposite one another.
  • the pixels of an image guide are essentially round or, if necessary, embedded in a hexagonal superstructure essentially round
  • the pixels of a detector are often rectangular, in particular square, so that the size of a pixel of the image guide preferably corresponds to the diameter of the smallest circle, is at least not larger than that which can be inscribed in such a rectangle, possibly also in several adjacent pixels, which, for example, corresponds to the inscribed circle of a square pixel of the detector.
  • the crosstalk can be influenced and/or minimized, for example, by the choice of materials for the core and cladding with their difference in refractive index. This can be used, for example, to achieve a high packing density of the image-conducting elements or to increase or at least predetermine the fiber density in the bundle and thus the surface of the distal end surface of the fiber bundle or image guide that can be used for imaging and/or connect it to a detector or .adjust its pixel size and spacing.
  • crosstalk there are basically several ways to describe the crosstalk in a bundle of optical fibers, whereby the special features of thermal imaging technology are usually not discussed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Infrarotbildsystem (1) umfassend: ein Objektiv (10) zur Bilderzeugung eines Motivs mit zumindest zwei unterschiedlichen Temperaturen T1 und T2, einen Bildleiter (20) zur Bildübertragung, wobei der Bildleiter (20) mit einem distalen Ende dem Objektiv (10) zugeordnet ist, eine Detektoreinheit(40) zur Bilderfassung, wobei die Detektoreinheit (40) einem proximalen Ende des Bildleiters (20) zugeordnet ist, wobei das Verhältnis der gemeinsamen thermischen Auflösung (NETD) des Bildleiters (20) und der Detektoreinheit (40) zu der thermischen Auflösung (NETD) der Detektoreinheit kleiner ist als 10, vorzugsweise kleiner ist als 5, besonders bevorzugt kleiner ist als 2.

Description

Infrarotbildsystem und Bildleiter zur Infrarotbildübertraqunq
I nfrarotbildgebung kann für eine Reihe von Anwendungen zum Einsatz kommen, um Informationen oder Hilfsdaten bereitzustellen, die mit dem bloßen Auge oder herkömmlichen Bildgebungsgeräten nicht ableitbar sind.
Hierbei ist es mitunter wünschenswert, das Bildgebungsgerät, insbesondere den Sensor, von dem lichtsammelnden Objektiv zu trennen, um eine raum- und anwendungsoptimierte Verwendbarkeit zu ermöglichen, insbesondere in kleinen und gefährlichen Umgebungen. Mittels eines geeigneten Bildleiters kann das vom Objektiv erfasste I R-Lichtbild über eine gewünschte Distanz zu dem Sensor zu übertragen.
Mit der Erweiterung des Lichtspektrums kann beispielsweise in industriellen Anwendungen eine frühere Prävention, Leistungsoptimierung und/oder Risikominderung bezüglich Materialdefekten ermöglicht werden.
Mit der Trennung von elektrooptischem Bildgebungsgerät vom Beobachtungsobjekt durch IR- lichtführende Verlängerungen kann zudem beispielsweise eine Überwachung von Umgebungen ermöglicht werden, welche durch hohes Ausfallrisiko und Nichtverwendbarkeit herkömmlicher IR- Bildgebungsgeräte aufgrund z.B. bauraumbedingter, thermischer, magnetischer und/oder anderer elektrooptischer Blockierung gekennzeichnet sind. Durch eine Verlängerung ist somit eine Flexibilisierung in der Positionierung möglich.
Durch eine geeignete Platzierung für die Lokalisierung von Gefahr- und Risikostellen (Best-Case- Prävention) und dem Identifizieren von dort stattfindenden Materialeffekten durch ein breiteres Wellenlängenspektrum wird mit dem Einsatz von I R-Bildleitern eine dezidierte örtliche Risikominimierung und eine bessere Leistung in Bezug auf die Vermeidung von Schäden und der Reduzierung der Lebensdauer elektrooptischer Bildgebungsgeräte erreicht. Dies gilt insbesondere für kleine und gefährliche Umgebungen, z.B. in Industrie und Luftfahrt. Weiterhin können Anwendungsfelder für Infrarotbildgebung beispielsweise die vorbeugende Wartung von Hüllen und Isolierungen in beengten und/oder schwierig zugänglichen Umgebungen sein, Motor- und Kraftraumüberwachung, ggf. auch im Betrieb, Überwachung und Inspektion von Turbinenkammern, etwa Blattinspektion, z.B. in Bezug auf Gewicht, Platz und Avionik-Balance, Brandschutz, Brandbekämpfung, Funkenerkennung, beispielsweise in industrieller Infrastruktur, in der Produktion, z.B. in Bezug auf Materialversorgungs- oder Abgasleitungen, innerhalb von Kammern, Öfen oder Schaltschränken, Messanwendungen und wissenschaftliche Anwendungen, z.B. im Bereich chemischer und/oder physikalischer Prozesse, beispielsweise bei magnetischen oder Vakuumbedingungen, im Bereich von Leiterplatten, Wafern und dergleichen. Hierbei kann der Einsatz von I R-Bildleitern, durch die räumliche Trennung von einer Detektoreinheit eine geeignete, bspw. unauffällige, Platzierung auch bspw. um Ecken oder Hindernisse herum des Infrarotbildsystems ermöglichen.
In vielen Anwendungsfällen ist zudem auch möglich indirekt einen Einblick zur erhalten, d.h. es kann bspw. auch in oder aus einem Gehäuse oder Raum eine Erfassung oder Beobachtung von Zuständen oder Ereignissen erfolgen.
Allgemein sind mitunter optische Systeme wünschenswert, welche Temperaturunterschiede zwischen einem Objekt und der Umgebung erkennen können (Wärmebildtechnik). Der Aspekt eines Bildübertragungselements (Bildleiters) kommt dabei zum Tragen, wenn die Direktbelichtung oder Direktbeobachtung u.a. über eine IR-Kamera nicht möglich oder nicht bevorzugt ist, oder mit anderen Worten, wenn Remote-Imaging erforderlich ist, beispielsweise in schwierigen Umgebungen oder schwer zugänglichen Stellen, Baugruppen oder ähnlichen, z.B. um eine Ecke, durch kleine Öffnungen oder zwischen Baugruppen hindurch etc. Das mitunter auch in medizinischen Gebieten zur Bildgebung in, aus oder innerhalb eines Körpers.
Ein Bildleiter kann dabei eine entfernte Bildgebung ermöglichen, wobei das distale Ende vom Detektor ferngehalten ist.
IR-Kameras bzw. IR-Detektor-Bildchips sind mit solchen im sichtbaren Bereich meist nicht vergleichbar. Häufig ist die Pixelgröße durch Anpassung an den zu detektierenden Wellenlängenbereich größer und folglich ist die Auflösung meist eher gering. Die Entwicklung hochempfindlicher und höher auflösender Sensoren bzw. Detektoren ist daher seit geraumer Zeit von gesteigertem Interesse, zum Teil auch im Hinblick auf relativ spezifische Anwendungen. Demgegenüber stehen Weiterentwicklungen für Bildübertragungselemente in diesem Kontext bislang noch weniger im Fokus der Entwicklung. Insbesondere wären Bildleiter wünschenswert, welche besser auf das jeweilige System abgestimmt sind. Dabei ist ferner zu bedenken, dass im IR-Bereich viele Körper selbst als IR-Sender fungieren können und somit ein Zielsignal überlagern können.
Es ist demnach eine Aufgabe der Erfindung ein System zur I R-Fernbildgebung bereitzustellen, welches eine vor allem räumliche Trennung von Objektiv und Sensor mittels eines Bildleiters vom zu beobachtenden Objekt ermöglicht, wobei die Komponenten des Systems, insbesondere Objektiv, Bildleiter, Sensor und/oder weitere optische Komponenten aufeinander abgestimmt sind. Ein Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, die Bildqualität zu erhöhen und IR-Systeme für praktische Anwendung zu optimieren und dabei die Leistungsfähigkeit der nachgeordneten Komponenten, insb. der IR-Kamera bzw. des IR-Chips bestmöglich zu nutzen bzw. zu erhalten.
Die Erfindung betrifft ein Infrarotbildsystem mit einem Objektiv zur Bilderzeugung eines Objektes oder mehrere Objekte oder Motive, einem Bildleiter zur Bildübertragung, wobei der Bildleiter mit einem distalen Ende dem Objektiv zugeordnet ist, und einer Detektoreinheit zur Bilderfassung, wobei die Detektoreinheit einem proximalen Ende des Bildleiters zugeordnet oder zuordenbar ist. Das Motiv weist dabei insbesondere zumindest zwei unterschiedlichen Temperaturen T1 und T2 auf, z.B. T2 = 10°C bis 25°C als Hintergrund oder Untergrund und T1 > T2 als ein Objekt vor dem Hintergrund oder Untergrund.
Besonders bevorzugt ist dabei das Verhältnis der gemeinsamen thermischen Auflösung (NETDB - NETD: Noise Equivalent Temperature Difference) des Bildleiters und der Detektoreinheit zu der thermischen Auflösung (NETDD) der Detektoreinheit kleiner ist als 10, vorzugsweise kleiner ist als 5, besonders bevorzugt kleiner ist als 2.
Ferner vorzugsweise ist das Verhältnis der gemeinsamen thermischen Auflösung des Bildleiters und der Detektoreinheit zu der thermischen Auflösung der Detektoreinheit größer als 1 ,00, besonders bevorzugt größer als 1 ,05, nochmals bevorzugt größer als 1 ,1. Es kann somit für das besagte Verhältnis beispielsweise ein Wert im Bereich von 1 ,01 bis 10 vorgesehen sein oder auch ein Wert im Bereich von 1,05 bis 5.
Die Detektoreinheit umfasst dabei bevorzugt einen I R-empfindlichen Sensor und ggf. auch eine oder mehrere weitere optische Komponenten, z.B. eine eigene Optik und/oder ein Gehäuse, wobei der NETD-Wert sich bevorzugt auf die gesamte Detektoreinheit bezieht. Es soll aber nicht ausgeschlossen sein, dass der NETD-Wert sich auch alleine auf den Sensor bezieht, so etwa im Falle einer Detektoreinheit, welche lediglich aus einem Sensor besteht.
Alternativ oder zusätzlich zu dem o.g. Verhältnis kann vorgesehen sein, dass die Detektoreinheit eine thermische Auflösung (NETD) aufweist, welche geringer ist als 300 mK, vorzugsweise geringer ist als 200 mK, besonders bevorzugt geringer ist als 100 mK, nochmals bevorzugter geringer ist als 50 mK. Alternativ oder Zusätzlich kann zudem der Bildleiter und die Detektoreinheit eine gemeinsame thermische Auflösung (NETD) aufweisen, welche geringer ist als 400 mK, vorzugsweise geringer ist als 300 mK, besonders bevorzugt geringer ist als 200 mK.
Mit den vorgenannten Eigenschaften kann in vorteilhafter Weise eine bessere Abstimmung des Bildleiters auf die anderen Komponenten des Infrarotbildsystems, z.B. die Detektoreinheit ermöglicht werden. So kann insgesamt eine bessere Abstimmung des Bildleiters auf das Infrarotbildsystem und umgekehrt erreicht werden.
Vorteilhaft kann hierbei vorgesehen sein bzw. erreicht werden, dass NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) und/oder MRTD (Minimum Resolvable Temperature Difference) des Detektors nicht wesentlich eingeschränkt ist.
Weiter unten ist eine Formel zur Bestimmung des NETD-Wertes angegeben. Für die gemeinsame thermische Auflösung NETD von Bildleiter und Detektoreinheit kann dabei in bestimmten Fällen zugrunde gelegt werden. Nachfolgend werden einige weitere Eigenschaften in Bezug auf die Detektoreinheit genannt, durch welche insbesondere auch eine minimale auflösbare Temperaturdifferenz (MRTD) der Detektoreinheit bestimmbar sein kann.
So kann etwa vorgesehen sein, dass die Detektoreinheit für eine Wellenlänge im Infrarot-Bereich, insbesondere im Bereich von 0,8 pm bis 14 pm, eine Defektivität von zumindest 108 cm Hz1/2 W’1 aufweist, vorzugsweise von zumindest 109 cm Hz1/2 W’1 aufweist, besonders bevorzugt von zumindest 109 cm Hz1/2 W’1 aufweist, nochmals bevorzugter von zumindest 1010 cm Hz1/2 W’1 aufweist, nochmals bevorzugter von zumindest 1011 cm Hz1/2 W’1 aufweist, z.B. zwischen einem der genannten Werte und 1013 cm Hz1/2 W’1 aufweist, insbesondere zwischen einem der genannten Werte und 1012 cm Hz1/2 W’1 aufweist
Die Detektoreinheit kann eine Auflösung von zumindest 20 Linienpaaren/mm aufweisen, vorzugsweise von zumindest 50 Linienpaaren/mm aufweisen, besonders bevorzugt von zumindest 150 Linienpaaren/mm aufweisen.
Die Detektoreinheit kann eine Fläche von zumindest 0,1 Quadratzentimeter aufweisen, vorzugsweise von zumindest 0,5 Quadratzentimeter aufweisen, besonders bevorzugt von zumindest 5 Quadratzentimeter aufweisen.
Das Infrarotbildsystem kann in einer Weiterbildung ferner ein optisches Element umfassen, welches zwischen dem proximalen Ende des Bildleiters und der Detektoreinheit angeordnet ist. In einer speziellen Ausführungsform kann die Detektoreinheit auch als ein Schirm, insbesondere „IR- empfindlicher“ Schirm, der mittels wellenlängenkonvertierenden Materials oder einer solchen Beschichtung Wellenlängen aus dem Infraroten (IR) in sichtbares Licht (VIS) konvertiert, ausgebildet sein und das genannte optische Element zur Bildprojektion auf den Schirm ausgebildet sein.
Der Bildleiter des Infrarotbildsystems kann insbesondere gemäß den nachstehenden Ausführungen ausgebildet sein. Die Erfindung betrifft insbesondere auch einen Bildleiter zur Bildübertragung von einem distalen Ende zu einem proximalen Ende, umfassend eine Vielzahl von Strukturelementen, welche sich jeweils von dem distalen Ende zu dem proximalen Ende erstrecken, wobei zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sind, nämlich ein erster Typ mit einem ersten Brechungsindex n1 und ein zweiter Typ mit einem zweiten Brechungsindex n2.
Das Verhältnis der Brechungsindizes n1/n2 zwischen den Strukturelementen des ersten Typs und den Strukturelementen des zweiten Typs kann beispielsweise zwischen 0,5 und 0,999 liegen, besonders bevorzugt zwischen 0,6 und 0,992 liegen, nochmals bevorzugter zwischen 0,75 und 0,992 liegen. Möglich ist auch, dass n1/n2 zwischen 0,8 und 0,999 liegt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der erste Brechungsindex der Strukturelemente des ersten Typs und der zweite Brechungsindex der Strukturelemente des zweiten Typs um mindestens 0,05 abweichen, um mindestens 0,075 abweichen, insbesondere um mindestens 0,1 abweichen, insbesondere um mindestens 0,2 abweichen, insbesondere um mindestens 0,3 abweichen, insbesondere um mindestens 0,4 abweichen.
Die Strukturelemente können beispielsweise ein Bündel optischer Fasern bilden, wobei die Fasern jeweils einen Kern und einen Mantel umfassen, wobei der Mantel jeweils als Strukturelement des ersten Typs ausgebildet ist und der Kern jeweils als Strukturelement des zweiten Typs ausgebildet ist.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Strukturelemente einen Grundkörper mit einer Vielzahl von, vorzugsweise gefüllten, Hohlräumen bilden, wobei der Grundkörper als ein Strukturelement des ersten Typs ausgebildet ist und die, vorzugsweise gefüllten, Hohlräume als Strukturelemente des zweiten Typs ausgebildet sind. Ein derartiger Bildleiter kann z.B. ähnlich zu einer oder als eine Photonic Crystal Fiber (PCF) ausgebildet sein.
Es ist jeweils vorzugsweise zumindest ein Strukturelement für eine Wellenlänge im Infrarot- Bereich, insbesondere im Bereich von 0,8 pm bis 14 pm, transmissiv ausgebildet. Der Bildleiter kann eine Auflösung von zumindest 25 Linienpaaren/mm aufweisen, vorzugsweise eine Auflösung von zumindest 30 Linienpaaren/mm aufweisen, besonders bevorzugt eine Auflösung von zumindest 40 Linienpaaren/mm aufweisen.
Der Bildleiter kann eine Länge von zumindest 50 cm aufweisen, vorzugsweise eine Länge von zumindest 100 cm aufweisen, besonders bevorzugt eine Länge von zumindest 300 cm aufweisen.
Der Bildleiter kann zumindest abschnittsweise als flexibler Körper ausgebildet sein und/oder zumindest abschnittsweise als starrer Körper ausgebildet sein.
Vorzugsweise umfasst zumindest ein Kern, ein Mantel, ein Grundkörper, ein gefüllter Hohlraum und/oder ein Strukturelement ein Material, welches für eine Wellenlänge im Infrarot-Bereich, insbesondere im Empfindlichkeits- oder Detektionsbereich der Detektoreinheit oder des Emissionsbereichs eines zu betrachtenden Körpers oder Motivs, sowie insbesondere im Bereich von 0,8 pm bis 14 pm, eine Dämpfung von unter 50 dB/m aufweist, insbesondere von unter 10 dB/m aufweist, insbesondere von unter 1 dB/m aufweist.
Im Hinblick auf Crosstalk kann vorgesehen sein, dass zwischen den Kernen der Fasern, und/oder den Strukturelementen des zweiten Typs, für eine Wellenlänge im Infrarot-Bereich, insbesondere im Bereich von 0,8 pm bis 14 pm, insbesondere im Bereich von 5 pm bis 8 pm, ein Übersprechen (X-Talk) von weniger als 0,4 erfolgt, vorzugsweise von weniger als 0,3 erfolgt, besonders bevorzugt von weniger als 0,2 erfolgt, oder von weniger als 0,1 erfolgt, oder von weniger als 0,05 erfolgt.
Der Bildleiter weist vorzugsweise eine Vielzahl von Strukturelementen auf. Die Anzahl der Fasern und/oder der Strukturelemente des zweiten Typs pro mm2 der Querschnittsfläche des Bildleiters kann zumindest 100 betragen, vorzugsweise zumindest 1000 betragen, besonders bevorzugt zumindest 10000 betragen. Die Kerne der Fasern und/oder die Strukturelemente des zweiten Typs können einen Durchmesser zwischen 5 pm und 200 pm aufweisen, vorzugsweise zwischen 5 pm und 100 pm aufweisen, besonders bevorzugt zwischen 10 pm und 50 pm aufweisen.
Die Mäntel der Fasern und/oder die Strukturelemente des ersten Typs können einen Durchmesser zwischen 6 pm und 250 pm aufweisen, vorzugsweise zwischen 6 pm und 150 pm aufweisen, besonders bevorzugt zwischen 10 pm und 70 pm aufweisen.
Das Verhältnis der Durchmesser von Kern zu Mantel kann zwischen 0,5 und 0,95 liegen.
Der kleinste Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier Kerne und/oder zweier Strukturelemente des zweiten Typs kann geringer sein als 50 pm, vorzugsweise geringer ist als 20 pm, besonders bevorzugt geringer ist als 15 pm.
Alternativ oder zusätzlich kann auch der durchschnittliche Abstand zwischen den Mittelpunkten der Kerne und/oder der Strukturelemente des zweiten Typs geringer sein als 50 pm, vorzugsweise geringer ist als 20 pm, besonders bevorzugt geringer ist als 15 pm.
Ein Kern, ein Mantel, ein Grundkörper, ein gefüllter Hohlraum und/oder ein Strukturelement kann grundsätzlich Glas umfassen oder daraus bestehen. Möglich ist auch, dass ein Kern, ein Mantel, ein Grundkörper, ein gefüllter Hohlraum und/oder ein Strukturelement Quarz umfasst oder daraus besteht.
Ein Kern, ein Mantel, ein Grundkörper, ein gefüllter Hohlraum und/oder ein Strukturelement kann ein Chalkogenid umfassen, insbesondere umfassend zumindest ein Element aus der Gruppe Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur, sowie zumindest ein Element aus der Gruppe Arsen, Germanium, Phosphor, Antimon, Blei, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Titan, Natrium.
Ebenso können Multikomponentengläser für Kern, Mantel oder Grundkörper vorgesehen sein, sowie auch Quarzglas, insbesondere dotiertes Quarzglas. Dies insofern diese hinsichtlich v.a. chemischer und/oder thermomechanischer, bspw. bzgl. thermischer Ausdehnungskoeffizient und/oder deren Viskositätsverlauf über der Temperatur, kompatibel zueinander und/oder auch zu Chalkogeniden oder GLS-Materialien sind. Dies bedeutet bspw., dass diese insbesondere in thermischen Prozessen verarbeitet bzw. bearbeitet werden können, so dass insb. ein Wellenleiter mittels üblicher Verfahren der Herstellung faseroptischer Komponenten dargestellt werden kann.
GLS steht dabei für ein Gallium-Lanthan-Sulfid-Glas, wobei ein Kern, ein Mantel, ein Grundkörper, ein gefüllter Hohlraum und/oder ein Strukturelement ein solches Gallium-Lanthan- Sulfid-Glas (GLS) umfassen kann.
Bevorzugt weist der Bildleiter für eine Wellenlänge im Infrarot-Bereich, insbesondere im Bereich von 0,8 pm bis 14 pm, eine Transmission von zumindest 30% auf, vorzugsweise von zumindest 50%, besonders bevorzugt von zumindest 60%. Ferner kann der Bildleiter für eine Wellenlänge im Bereich von 5 pm bis 8 pm eine Transmission von zumindest 30% aufweisen, vorzugsweise von zumindest 50%, besonders bevorzugt von zumindest 60%.
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform können Bildleiter mit höherer Auflösung bereitgestellt werden, die basiert auf dem Wellenphänomen der transversalen Anderson- Lokalisierung (TAL) basieren. Dabei macht man sich bspw. zunutze, dass eine zufällige Verteilung von Brechungsindizes über den Querschnitt des Bildleiters bei gleichzeitiger Invarianz der Brechungsindizes entlang der Länge des Bildleiters aufgrund destruktiver Interferenz zu einer Begrenzung des eingekoppelten Lichts im Querschnitt führt. In der Praxis können beispielsweise eine Vielzahl einzelner Glasfasern mit verschiedenen Brechungsindizes zu einem zufälligen Faser-Bündel zusammengestellt werden. Wird in einen solchen Wellenleiter ein Lichtstrahl eingekoppelt, breitet sich dieser entlang der Länge des Bildleiters mit einer im Querschnitt begrenzten transversalen Ausdehnung aus.
Besonders vorteilhaft umfassen solche Bildleiter in einer weiteren Ausführungsform zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen, nämlich ein erster Typ mit einem ersten Brechungsindex und ein zweiter Typ mit einem zweiten Brechungsindex. Die umfasste Vielzahl von Strukturelementen kann demnach zumindest ein Strukturelement des ersten Typs sowie eines oder mehrere Strukturelemente des zweiten Typs umfassen, oder umgekehrt eines oder mehrere Strukturelemente des ersten Typs sowie ein Strukturelement des zweiten Typs, oder auch sowohl mehrere Strukturelemente des ersten Typs als auch mehrere Strukturelemente des zweiten Typs umfassen. Selbstverständlich können auch mehr als zwei verschiedene Typen, z.B. drei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sein. Die Strukturelemente erstrecken sich jeweils entlang der Transportrichtung der elektromagnetischen Strahlung durch den Bildeiter sowie anteilig über den Querschnitt des Wellenleiters, derart, dass im Querschnitt des Wellenleiters eine Vielzahl von Querschnittsregionen definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements entsprechen. Die Strukturelemente verlaufen demnach nebeneinander, insbesondere parallel zueinander, entlang der Transportrichtung des Wellenleiters oder Bildleiters und ihre Querschnitte nehmen jeweils einen flächigen Anteil des Querschnitts des Wellenleiters ein und definieren daher jeweils eine Querschnittsregion des Querschnitts des Wellenleiters. Die Querschnittsregionen entsprechen also insbesondere den durch die Strukturelemente gebildeten Flächenbereichen, wenn man auf eine Querschnittsfläche des Wellenleiters schaut, also z.B. die Lichteintritts- oder Lichtaustrittsfläche.
Ein Bildleiter kann demnach eine Vielzahl von Strukturelementen des ersten Typs und eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfassen, wobei die Strukturelemente des ersten Typs ausgebildet sind als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem ersten Medium, wobei das erste Medium den ersten Brechungsindex aufweist, und wobei die Strukturelemente des zweiten Typs ausgebildet sind als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem zweiten Medium, wobei das zweite Medium den zweiten Brechungsindex aufweist oder wobei die Strukturelemente des zweiten Typs ausgebildet sind als Hohlräume in den Strukturelementen des ersten Typs, wobei die Hohlräume vorzugsweise den zweiten Brechungsindex bilden oder mit einem zweiten Medium gefüllt sind, wobei das zweite Medium den zweiten Brechungsindex aufweist.
Ein Bildleiter kann demnach ferner eine Längsrichtung und einen quer zu der Längsrichtung verlaufenden Querschnitt definieren, wobei die Strukturelemente sich derart über den Querschnitt des Bildleiters erstrecken, dass im Querschnitt des Bildleiters eine Vielzahl von Querschnittsregionen definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements entsprechen, und/oder wobei die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, ungleichmäßig angeordnet sind, um eine transversale Anderson- Lokalisierung quer zu der Längsrichtung zu bewirken. Die ungleichmäßig Anordnung der Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, kann insbesondere zufällig und/oder ungleichmäßig aber durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet sein, wobei die ungleichmäßig Anordnung vorzugsweise ausgebildet ist:
(a) als eine periodische Positionierung von Strukturelementen, insbesondere deren Querschnittsregionen, wobei die periodisch positionierten Strukturelemente untereinander eine Variation aufweisen, welche zufällig und/oder ungleichmäßig aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, wobei die Variation der periodisch positionierten Strukturelemente untereinander vorzugsweise als Variation des Typs der Strukturelemente, des Brechungsindex der Strukturelemente und/oder der Geometrie, z.B. der Form, des Durchmessers und/oder der Substruktur, der Strukturelemente ausgebildet ist,
(b) als eine aperiodische Positionierung von Strukturelementen, insbesondere deren Querschnittsregionen, wobei die aperiodischen Positionen der Strukturelemente zufällig und/oder ungleichmäßig aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet sind, wobei optional die Strukturelemente zudem untereinander eine Variation aufweisen, welche zufällig und/oder ungleichmäßig aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, und/oder (c) als eine Positionierung von Strukturelementen, insbesondere deren Querschnittsregionen, auf periodischen Plätzen, wobei einige der periodischen Plätze belegt sind und einige der periodischen Plätze unbelegt sind und die Belegung zufällig und/oder ungleichmäßig aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, wobei optional die Strukturelemente zudem untereinander eine Variation aufweisen, welche zufällig und/oder ungleichmäßig aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist.
Gemäß einer Weiterbildung können die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, dabei ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet sein. Die Strukturelemente weisen demnach eine Ungleichmäßigkeit im Verhältnis zueinander auf, d.h. sind zueinander ungleichmäßig ausgebildet, bspw. ungleichmäßig angeordnet, ungleichmäßig geformt und/oder ungleichmäßig beschaffen. Die Ungleichmäßigkeit liegt dabei insbesondere nicht jeweils in den einzelnen Strukturelementen selbst, sondern in der Gesamtheit der Strukturelemente, es liegt demnach insbesondere eine physikalische Unordnung, also eine Abweichung von einer oder der Symmetrie vor. Andererseits sind die ungleichmäßig ausgebildeten Strukturelemente durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ausgebildet, d.h. nicht zufällig ausgebildet. Der Eigenschaft, dass die Strukturelemente zueinander eine Ungleichmäßigkeit oder eine Unordnung aufweisen, steht also eine Regelmäßigkeit gegenüber, insbesondere in dem Sinne, dass die Ungleichmäßigkeit oder die Unordnung einer definierten Regel und nicht dem Zufall folgt. Insbesondere ist die Ungleichmäßigkeit oder die Unordnung demnach durch eine Regel eindeutig vorbestimmt bzw. vorgegeben bzw. durch eine Regel charakterisiert bzw. charakterisierbar. Die Ungleichmäßigkeit der Strukturelemente, insbesondere ihrer Querschnittsregionen, kann auf verschiedene Weise ausgeprägt sein. Beispielsweise können die Querschnittsregionen der Strukturelemente eine ungleichmäßige, insbesondere aperiodische, Anordnung aufweisen, welche eindeutig durch die vorbestimmte Regel festgelegt ist. Beispielsweise können die Querschnittsregionen abweichend von einem periodischen Gitter angeordnet sein. Die Querschnittsregionen können aber beispielsweise auch auf einem periodischen Gitter ungleichmäßig verteilt sein. Alternativ oder zusätzlich können die die Querschnittsregionen der Strukturelemente zueinander ungleichmäßige, insbesondere voneinander abweichende, Geometrien aufweisen, beispielsweise ungleichmäßige Durchmesser, aufweisen, welche eindeutig durch die vorbestimmte Regel festgelegt sind. Die Geometrien der Querschnittsregionen können aber auch gleichartig, jedoch gegeneinander verdreht ausgebildet sein, insbesondere bei Querschnittsregionen, welche eine unrunde Form aufweisen. Ferner können die Strukturelemente alternativ oder zusätzlich zueinander ungleichmäßige, insbesondere voneinander abweichende, Brechungsindizes aufweisen, welche eindeutig durch die vorbestimmte Regel festgelegt sind. Derartige Bildleiter ermöglichen Auflösungen die nochmals über den bereits benannten Auflösungen von Bildleiter, die auf dem Prinzip der Wellenleitung durch Totalreflexion beruhen liegen. Wobei im Übrigen auf ebensolche auf dem Wellenphänomen der transversalen Anderson-Lokalisierung (TAL) basierenden Wellen- oder Bildleiter die Merkmale hinsichtlich Materialien und mechanischem Aufbau, wie bspw. Anzahl, Flächen und Geometrien, aber auch Methoden der Herstellung im Wesentlichen auch angewendet werden bzw. anwendbar sind.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend näher anhand der Figuren beschrieben.
Dabei zeigt: Fig. 1 ein Infrarotbildsystem mit einem Objektiv, einem Bildleiter und einer Detektoreinheit,
Fig. 2 schematisch einen als Faserbündel ausgebildeten Bildleiter mit einer Vielzahl erster und zweiter Strukturelemente.
Fig. 3 schematische perspektivische Ansichten zweier Bildleiter mit (a) zwei Typen von Strukturelementen deren Querschnittsbereiche ungleichmäßig auf einem Gitter verteilt angeordnet sind und (b) einer Vielzahl von Strukturelementen ungleichmäßiger Brechungsindizes (Vielzahl von Typen) und/oder ungleichmäßiger Geometrien (Durchmesser),
Fig. 4 schematische Veranschaulichung verschiedener Möglichkeiten für Bildleiter mit ungleichmäßig angeordneten Strukturelementen bzw. deren Querschnittsregionen,
Fig. 5 schematische Veranschaulichung verschiedener Aspekte für Variationen unter Strukturelementen bzw. deren Querschnittsregionen und Möglichkeiten für Kombinationen dieser Aspekte,
Fig. 6 schematische Veranschaulichung verschiedener weiterer Möglichkeiten für Wellenleiter mit ungleichmäßig angeordneten Strukturelementen bzw. deren Querschnittsregionen, wobei die Wellenleiter jeweils ein Strukturelement eines ersten Typs und eine Vielzahl von Strukturelementen eines zweiten Typs umfassen,
Fig. 1 zeigt ein als IR-Beobachtungssystem ausgebildetes Infrarotbildsystems 1 , welches zumindest ein als optisches Element oder Linsensystem ausgebildetes Objektiv 10 zur Bildaufnahme eines Objektes 60 mit der Temperatur T1 vor einem Hintergrund bzw. in einer Umgebung 70 mit der Temperatur T2, aufweist. Das Objektiv ist dabei mit bzw. aus einem, insbesondere im Wellenlängenbereich der zu detektierenden Strahlung Infrarot-transmissiven Material aufgebaut.
Darüber hinaus umfasst das Infrarotbildsystem 1 einen Infrarot-Bildleiter 20 sowie ein weiteres optisches Element 30 zur Bildübertragung in/auf eine Detektoreinheit 40 oder zur Projektion auf einen Schirm. Der Bildleiter 20 kann dabei teil- oder abschnittsweise starr ausgebildet sein und/oder teil- oder abschnittsweise flexibel ausgebildet. Ferner kann der Bildleiter 20 auch teil- oder abschnittsweise halbsteif ausgebildet sein.
Das Verhältnis der gemeinsamen thermischen Auflösung (NETD) des Bildleiters (20) und der Detektoreinheit (40) zu der thermischen Auflösung (NETD) der Detektoreinheit alleine ist dabei, insbesondere bei dem Temperaturunterscheid AT = T1 - T2, kleiner als 3.
Fig. 2 zeigt einen Bildleiter 20, welcher als faseroptischer Bildleiter ausgeführt ist und z.B. eine Bildübertragung im IR-Wellenlängenbereich zwischen 1 pm bis 14 pm erlaubt. Der Bildleiter weist zwei verschiedene Typen von Strukturelementen auf, nämlich einen ersten Typ 100a mit einem ersten Brechungsindex und ein zweiter Typ 100b mit einem zweiten Brechungsindex, wobei die Strukturelemente des ersten Typs 100a jeweils den Mantel einer Faser bilden und die Strukturelemente des zweiten Typs 100b jeweils den Kern einer Faser bilden.
Die Strukturelemente des erstens Typ 100a können in einem derartigen faseroptischen Bildleiter oder Faserbündel, insb. wenn dieser zumindest teil- oder abschnittsweise starr ausgebildet ist auch teil- oder abschnittsweise miteinander form- und/ oder stoffschlüssig, z.B. durch verschmelzen miteinander verbunden sein. In diesem Falle bilden sich oft im Wesentlichen hexagonale Überstrukturen aus und eine dichtere Packung der Bildpunkte kann erreicht werden. Dies kann bspw. vorteilhaft sein, um das proximale und/oder das distale Ende zu fixieren und in Hülsen oder Mittel zum Verbinden an weitere Komponenten des IR Bildsystems anzuschließen, womit auch eine örtliche Fixierung der Bildpunkte einhergehen kann. Im Falle rein starrer Bildleiter, können diese auch teil- oder abschnittsweise, ein- oder mehrfach, gebogen und/oder in deren Querschnittsgeometrie verändert, sowie eine Verdrehung in sich aufweisen. Letzteres bedeutet, dass das proximale und das distale Ende um einen Verdrehungswinkel gegeneinander in deren Orientierung zueinander verändert sind (twisted image guide). Die Querschnittsgeometrie des distalen und des proximalen Endes sind dabei bevorzugt im Wesentlichen, d.h. bis auf bspw. herstellungsbedingte Abweichung oder Toleranzen, kongruent zu einander, um eine korrekte Darstellung des Motivs zu ermöglichen. Allerdings können diese Unterschiedliche Größen, Abmessungen bspw. Durchmesser aufweisen, also bspw. ein starrer Bildleiter sich verjüngend ausgebildet sein. Dies kann sowohl auf der distalen, als auch der proximalen Seite des Bildleiters vorteilhaft sein, um die Abmessung an ein zu erfassendes Motiv oder den Detektor anzupassen.
Fig. 3 zeigt zwei weitere Beispiele von Bildleitern 20. Die Bildleiter 20 umfassen wiederum eine Vielzahl von Strukturelementen 100, welche sich jeweils von einem ersten stirnseitigen Ende 2 zu einem zweiten stirnseitigen Ende 4 des Bildleiters 20 entlang der Transportrichtung 5 erstrecken und beispielsweise stabförmig ausgebildet sind.
Der in Fig. 3 (a) gezeigte Bildleiter weist eine Vielzahl von Strukturelementen eines ersten Typs 100a und eine Vielzahl von Strukturelementen eines zweiten Typs 100b auf. In diesem Beispiel sind die Querschnittsregionen der Strukturelemente auf einem periodischen Gitter angeordnet. Die Strukturelemente weisen jedoch eine ungleichmäßige Anordnung dahingehend auf, dass die Strukturelemente des ersten Typs 100a und des zweiten Typs 100b, und damit die Brechungsindizes, ungleichmäßig angeordnet und/oder verteilt sind und/oder eine ungleichmäßige Belegung auf periodischen Positionen vorliegt. Es ist möglich, dass die Strukturelemente 100a Infrarot-transmissives Material umfassen. Es ist auch möglich, dass die Strukturelemente 100b Infrarot-transmissives Material umfassen. Ferner können auch sowohl das Strukturelement 100a als auch die Strukturelemente 100b Infrarot-transmissives Material umfassen, wobei vorzugsweise unterschiedliche Infrarot-transmissive Materialien für die beiden Typen vorgesehen sind.
Der in Fig. 3 (b) gezeigte Bildleiter weist wiederum eine Vielzahl von Strukturelementen 100 auf, die auf einem periodischen Gitter angeordnet sind, wobei in diesem Beispiel die Querschnittsregionen der Strukturelemente ungleichmäßige Geometrien aufweisen. Die Geometrien können sich insbesondere dadurch unterscheiden, dass die Durchmesser der Strukturelemente bzw. ihrer Querschnittsregionen voneinander abweichen. Darüber hinaus können die Strukturelementen 100 eine Ungleichmäßigkeit dahingehend aufweisen, dass die Brechungsindizes der Strukturelemente voneinander abweichen. Dabei kann eine diskrete Anzahl verschiedener Brechungsindizes, z.B. zwei, drei, vier, etc., aber grundsätzlich auch eine kontinuierliche Variation der Brechzahl vorgesehen sein. Zumindest einige der Strukturelemente 100 weisen in dieser Variante Infrarot-transmissives Material auf. Fig. 4 zeigt anhand eines Baumdiagramms verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung einer ungleichmäßigen Anordnung. In Fig. 4a ist als Ausgangspunkt ein Strukturelement 100a gezeigt, welches z.B. als Matrixmaterial ausgebildet sein kann (es ist auch möglich, dass das Strukturelement 100a als Luft ausgebildet ist bzw. abwesend ist). Figur 4b zeigt einen davon abgeleiteten weiteren Ausgangspunkt mit dem Strukturelement 100a sowie einer Vielzahl von periodischen Positionen P zur Belegung mit Strukturelementen, welche dann eine periodische Positionierung aufweisen. Figur 4d zeigt einen weiteren von Fig. 4a abgeleiteten Ausgangspunkt mit dem Strukturelement 100a sowie einer Vielzahl von aperiodischen Positionen P zur Belegung mit Strukturelementen, um eine aperiodische Positionierung zu erlangen. Ausgehend von den in Fig. 4b und 4d gezeigten Ausgangspunkten ergeben sich durch Belegung der Positionen P mit Strukturelementen Bildleiter wie nachfolgend näher beschrieben wird.
Ausgehend von Fig. 4b zeigt Fig. 4c einen Bildleiter 20 mit Strukturelementen 100b, 100c deren Querschnittsregionen eine periodische Positionierung aufweisen und/oder auf periodischen Positionen liegen. Der in Fig. 4c gezeigte Bildleiter weist drei Typen von Strukturelementen 100a, 100b, 100c auf, welche jeweils einen anderen Brechungsindex aufweisen können. Beispielsweise kann das Strukturelement 100a als Matrixmaterial ausgebildet sein und die Strukturelemente 100b und 100c können Hohlräume in dem Matrixmaterial sein, welche mit Materialien abweichender Brechungsindizes gefüllt sind.
Möglich ist jedoch ebenso, dass eines der Materialien der Strukturelemente 100b und 100c wiederum dem Matrixmaterial des Strukturelements 100a entspricht bzw. dass die diesen Strukturelementen entsprechenden (gefüllten) Hohlräume in dem Matrixmaterial fehlen (vergleiche hierzu weiter unten zu Fig. 6a). Möglich ist ebenso, dass das Strukturelement 100a als Luft ausgebildet ist bzw. abwesend ist und die Strukturelemente 100b und 100c aneinandergrenzen (vergleiche hierzu Fig. 3a).
Der in Fig. 4c gezeigte Bildleiter 20 weist Strukturelemente 100b, 100c mit einer periodischen Positionierung auf. Die Strukturelemente 100b, 100c sind jedoch unterschiedlichen Typs und die Belegung der unterschiedlichen Typen auf dem regelmäßigen Gitter ist ungleichmäßig. Insbesondere ist somit die Variation der Strukturelemente 100b, 100c untereinander ungleichmäßig. Fig. 4c zeigt somit einen Fall eines Bildleiters 20, wobei die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen. Der Begriff der Anordnung ist hierbei dahingehend zu verstehen, dass die Auswahl bzw. Belegung der verschiedenen Typen von Strukturelementen 100b, 100c auf den jeweiligen periodischen Positionen ungleichmäßig ist.
Möglich ist darüber hinaus, dass die Strukturelemente 100b, 100c sich nicht hinsichtlich ihrer Brechungsindizes unterscheiden, also z.B. denselben Brechungsindex aufweisen bzw. aus demselben Material bestehen, jedoch hinsichtlich anderer Aspekte variieren (vergleiche hierzu weiter unten zu Fig. 5). Es ist ferner möglich, dass die Strukturelemente 100b, 100c sich sowohl hinsichtlich ihrer Brechungsindizes unterscheiden als auch hinsichtlich anderer Aspekte.
Insbesondere kann das Strukturelement 100a Infrarot-transmissives Material umfassen und/oder es können die Strukturelemente 100b und/oder 100c Infrarot-transmissives Material oder ein anderes Infrarot-transmissives Material umfassen.
Ausgehend von Fig. 4d zeigt Fig. 4e einen Bildleiter 20 mit zwei Typen von Strukturelementen, nämlich dem Strukturelement 100a, welches z.B. als Matrixmaterial ausgebildet sein kann, sowie einer Vielzahl von Strukturelementen 100b, welche beispielsweise als, insbesondere gefüllte, Hohlräume in dem Matrixmaterial ausgebildet sein können. Die Querschnittsregionen der Strukturelemente 100b sind in diesem Fall aperiodisch positioniert. Die Positionierung der Strukturelemente 100b kann hierbei nun eine Ungleichmäßigkeit darstellen. Insbesondere können die Strukturelemente 100b des zweiten Typs ungleichmäßige Positionen aufweisen. Fig. 4e zeigt somit einen Fall eines Bildleiters 20, wobei die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen. Der Begriff der Anordnung ist hierbei dahingehend zu verstehen, dass die oder einige der Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen aperiodisch positioniert sind. Im Fall von Fig. 4e ist insbesondere vorgesehen, dass die Strukturelemente 100b des zweiten Typs einen einheitlichen Brechungsindex aufweisen, einheitliche Geometrien aufweisen und/oder im Hinblick auf weitere Aspekte einheitlich ausgebildet sind, insbesondere identisch ausgebildet sind. In diesem Fall kann von einer einheitlichen Belegung der aperiodischen Positionen gesprochen werden. Das Strukturelement 100a kann Infrarot-transmissives Material umfassen und/oder es können die
Strukturelemente 100b Infrarot-transmissives Material oder ein anderes Infrarot-transmissives
Material umfassen.
Fig. 4f zeigt demgegenüber ausgehend von Fig. 4d einen Bildleiter 20 bei welcher eine aperiodische Positionierung von Strukturelementen mit zugleich verschiedenen Typen von Strukturelementen 100b, 100c vorgesehen ist. In diesem Fall kann die Ungleichmäßigkeit der Anordnung in der aperiodischen Positionierung der Strukturelemente 100b, 100c liegen oder in der Belegung, also der Variation der Strukturelemente 100b, 100c untereinander, liegen, oder sowohl in der Positionierung als auch in der Belegung liegen.
Das Strukturelement 100a kann Infrarot-transmissives Material umfassen und/oder es können die Strukturelemente 100b und/oder 100c Infrarot-transmissives Material oder ein anderes Infrarot- transmissives Material umfassen.
Fig. 5 zeigt verschiedene Möglichkeiten von Variationen, welche Strukturelemente untereinander aufweisen können (mittlere Zeile) sowie beispielhafte, nicht abschließend zu verstehende, Kombinationsmöglichkeiten der Variationen (untere Ziele). Die gezeigten Variationen können insbesondere für eine Belegung von Positionen mit Strukturelementen herangezogen werden, welche ungleichmäßig ausgebildet ist. Strukturelemente, deren Querschnittsregionen auf periodischen oder auch aperiodischen Positionen, z.B. innerhalb eines Matrixmaterials, lokalisiert sind, können beispielsweise untereinander hinsichtlich ihrer Form variieren, hinsichtlich ihres Typs bzw. Brechungsindex variieren, hinsichtlich ihres Substruktur variieren und/oder hinsichtlich ihrer Rotation (und/oder lokalen Position) variieren.
Beispielsweise können Variationen der Geometrien der Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, ausgebildet sein als Variationen der Form (Anzahl der Ecken, Durchmesser). Variationen der Geometrie können auch als Variationen der Substruktur ausgebildet sein. Eine Substruktur kann insbesondere darin liegen, dass ein Strukturelement, insbesondere dessen Querschnittsregion, zumindest zwei verschiedene Bereiche unterschiedlicher Brechungsindizes aufweist, insbesondere einen Kern und einen umgebenen Mantel (Kern-Mantel-System). In Kombination kann beispielsweise eine erste Art von Strukturelementen einen polygonalen Mantel und/oder einen polygonalen Kern aufweisen und eine zweite Art von Strukturelementen einen runden Mantel und einen polygonalen Kern aufweisen (untere Zeile, erste Spalte). Diese zwei Arten von Strukturelementen können dann beispielsweise zur Belegung periodischer oder auch aperiodischer Positionen dienen.
Ferner kann beispielsweise eine erste Art von Strukturelementen einen ersten Brechungsindex und einen ersten Durchmesser aufweisen und eine zweite Art von Strukturelementen einen zweiten Brechungsindex und einen zweiten Durchmesser aufweisen (untere Zeile, zweite Spalte); oder eine erste Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem Kern mit einem ersten Durchmesser und eine zweite Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem Kern mit einem zweiten Durchmesser (untere Zeile, dritte Spalte); oder eine erste Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem Kern mit einem ersten Brechungsindex und eine zweite Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem Kern mit einem zweiten Brechungsindex (untere Zeile, vierte Spalte); oder eine erste Art von Strukturelementen einen ersten Durchmesser und eine Rotation um einen außerhalb des Strukturelements liegenden Drehpunkt und eine zweite Art von Strukturelementen einen zweiten Durchmesser und eine Rotation um einen außerhalb des Strukturelements liegenden Drehpunkt (untere Zeile, fünfte Spalte), oder eine erste Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem zentrierten Kern und eine zweite Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem Kern mit einer Rotation um einen außerhalb des Kerns liegenden Drehpunkt (untere Zeile, sechste Spalte), und dergleichen mehr.
Fig. 6a zeigt einen Bildleiter 20, welche jeweils in einigen Aspekten mit dem Bildleiter aus Fig. 4c vergleichbar ist. Der Bildleiter weist ein erstes Strukturelement 100a auf, welches z.B. als Matrixmaterial ausgebildet sein kann. Ferner weist der Bildleiter eine Vielzahl von Strukturelementen 100b auf, welche z.B. als Hohlräume in dem Matrixmaterial ausgebildet sein können. Die Strukturelemente 100b liegen auf periodischen Plätzen, jedoch sind nicht alle periodischen Plätzen mit einem Strukturelement belegt. Fig. 6a zeigt somit einen Fall eines Bildleiters 20, wobei die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen, welche eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist. Der Begriff der Anordnung ist hierbei dahingehend zu verstehen, dass die oder einige der Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen auf periodischen Plätzen liegen, wobei einige der periodischen Plätze belegt sind und einige der periodischen Plätze unbelegt sind. Es ist möglich, dass das Strukturelement 100a Infrarot-transmissives Material umfasst. Es ist auch möglich, dass die Strukturelemente 100b Infrarot-transmissives Material umfassen, insbesondere wenn diese Strukturelemente als gefüllte Hohlräume ausgebildet sind. Ferner können auch sowohl das Strukturelement 100a als auch die Strukturelemente 100b Infrarot-transmissives Material umfassen, wobei vorzugsweise unterschiedliche Infrarot-transmissive Materialien für die beiden Typen vorgesehen sind.
Fig. 6b zeigt einen Bildleiter, welcher jeweils in einigen Aspekten mit den Bildleitern aus Fig. 4f vergleichbar ist. Der Bildleiter weist ein erstes Strukturelement 100a auf, welches z.B. als Matrixmaterial ausgebildet sein kann. Ferner weist der Bildleiter eine Vielzahl von Strukturelementen 100b mit einem ersten Durchmesser auf sowie eine Vielzahl von Strukturelementen 100c mit einem zweiten Durchmesser. Die Strukturelemente sind in diesem Beispiel aperiodisch positioniert. Fig. 6b zeigt somit einen Fall eines Bildleiters 20, wobei die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen. Der Begriff der Anordnung ist hierbei dahingehend zu verstehen, dass die oder einige der Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen aperiodisch positioniert sind und/oder wobei die Strukturelemente untereinander eine Variation aufweisen, welche ungleichmäßig ausgebildet ist, wobei die Variation als zwei Arten von Strukturelementen ausgebildet ist, z.B. mit verschiedenen Durchmessern. Es ist möglich, dass das Strukturelement 100a Infrarot- transmissives Material umfasst. Es ist auch möglich, dass die Strukturelemente 100b und/oder 100c Infrarot-transmissives Material umfassen, insbesondere wenn diese Strukturelemente als gefüllte Hohlräume ausgebildet sind. Ferner können auch sowohl das Strukturelement 100a als auch die Strukturelemente 100b und/oder 100c Infrarot-transmissives Material umfassen, wobei vorzugsweise unterschiedliche Infrarot-transmissive Materialien für die Typen vorgesehen sind.
Unabhängig von der konkreten Ausführungsform ist somit insbesondere zumindest ein Strukturelement eines Bildleiters 20 für eine Wellenlänge im Infrarot-Bereich transmissiv, z.B. für eine Wellenlänge im Bereich von 1 pm bis 14 pm. Der Bildleiter 20 kann eine Dämpfung im IR- Wellenlängenbereich zwischen mindestens 1 pm und 14 pm von beispielsweise unter 3 dB/m aufweisen.
Für das oder die optischen Elemente und/oder die Strukturelemente des Bildleiters kommen z.B. Materialien mit oder aus Schwermetalloxiden oder Chalkogenidgläsern zum Einsatz. Im nahen I R-Bereich können ggf. auch Gläser, bspw. Multikomponentengläser, oder Quarzglas verwendet werden. Unter Quarzglas werden hier nicht nur solche verstanden, welche aus reinem SiO2 bestehen, sondern auch dessen Modifikationen, bspw. Fluor-dotierte Varianten, die einen kleineren Brechwert als die reine Variante aufweist. Die I R-Materialien können Kristalle oder Keramiken umfassen. Die Wahl der Materialklassen hängt insbesondere von der Temperaturdifferenz T1 - T2 und dem IR-Wellenlängenbereich und der Kompatibilität in oder für einen Herstellungsprozess für zumindest Teile eines Bildeiters ab.
Die Erfindung ermöglicht es insbesondere, einen Bildleiter innerhalb eines IR-Systems einzusetzen und dabei eine bessere Abstimmung des Bildleiter auf ein IR-System und die Wärmebildtechnik, bspw. Detektoreinheiten oder Infrarotkameras, zu erreichen. Der Bildleiter kann dabei aus einer Vielzahl optischer Fasern bestehen, die mit der Wärmebildtechnik kompatibel sind. Während in herkömmlichen IR-Kameras, bei welchen sich das Motiv direkt vor dem Kameraobjektiv befindet, Linsen oder Linsenanordnung zum Einsatz kommen, um das Signal vom Motiv zum Detektor zu übertragen, können mittels der Erfindung I R-Bilder aufgenommen werden welche sich an beliebigen Position befinden, z.B. hinter einer Ecke, innerhalb eines Körpers oder einer Maschine, innerhalb einer gefährlichen Umgebung, generell in oder an schwer oder nicht sicher zugänglichen Orten, Stellen oder Bauelementen etc. Dies fallweise auch durch ein an sich im sichtbaren Bereich (VIS) nur transluzentes oder sogar opakes Hindernis, wie eine Gehäuse, hindurch.
Der NETD-Wert (Net Equivalent Temperature Difference) kann auch als die Temperaturdifferenz des Objekts oder innerhalb eine Motives aufgefasst werden, die erforderlich ist, um ein elektrisches Signal in oder an einem Detektor bzw, Detektoreinheit zu erzeugen, das zumindest dem mittleren quadratischen Rauschen des Detektors bzw. dessen Bilderfassungschips und oder der zugehörigen Elektronik entspricht. Sie kann in einigen Fällen mit der folgenden Gleichung ausgedrückt werden. wobei sich die Variablen f# (optics number or f-number), Af (electronics bandpass, noise equivalent electrical bandwidth), A (detector area) und M* auf die Spezifikationen des Detektors oder der optischen Systeme, u.a. deren wellenlängenabhängige Empfindlichkeit umfassend, beziehen. Demgegenüber ist top der Prozentsatz der Transmission durch die Optik des Systems (z.B. Linsen und Faserbündel). Eine hohe Transmission durch das Faserbündel kann somit zu einem niedrigen NETD beitragen, womit kleine Temperaturdifferenzen bereits oder noch erfasst werden können bzw. die kleinste, sinnvoll erfassbare Temperaturdifferenz des I R-Bildsystems angegeben werden kann.
In Bezug auf die Bildauflösung eines optischen Systems besteht ein Ansatz in der Messung der "Modulation transfer function " (MTF), die den Wert des vom System auflösbaren Kontrasts misst. Dieser Wert wird in der Regel anhand von Bildern schwarzer und weißer Linien gemessen, und der Kontrastwert wird in Linienpaaren/mm ausgedrückt. Mit der Kenntnis dieses Wertes kann z.B. auch ein MRTD-Wert bestimmbar sein.
Der Kontrastwert M einer beobachteten Szene oder des aufgenommenen Bildes kann wie folgt definiert werden: wobei Imax die höchste Signalintensität und Imin die niedrigste Signalintensität bezeichnen. Die MTF bei einer bestimmten Linienfrequenz ist das Verhältnis zwischen dem theoretischen Kontrast (M-meoreticai) zwischen dem Objekt und dem Hintergrund und dem Kontrast, der in dem mit dem optischen System aufgenommenen Bild (Mi age)beobachtet wird: Der Einfluss eines Lichtleitfaserbündels und eines Detektors auf die MTF kann mitunter stark sein und kann näherungsweise anhand einfacher geometrischen Überlegungen charakterisiert werden. Sowohl Detektoren als auch Faserbündel können durch ein zweidimensionales Muster gekennzeichnet sein, bei dem die Elemente in einem bestimmten Abstand zueinander stehen, der auch als Pitch, also dem Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt bezeichnet wird. Betrachtet man beispielsweise einen Detektor mit einem Pixelabstand von 15 pm, so ist dieser in der Regel nicht in der Lage, Kontraste in einem kleineren Maßstab oder Abstand bezogen auf den Detektor als 15 pm zu erkennen. Die Auflösung R eines Detektors kann so wie folgt angegeben werden:
1000 was in dem genannten Beispiel eine Auflösung von 33 Ip/mm ergäbe. In der Praxis ist es wünschenswert, dass die Größe und/oder der Abstand der Fasern im Bündel mit dem Detektor möglichst gut übereinstimmen, um die Leistung des Systems zu optimieren.
Mit dem Wert der MTF bei einer bestimmten Zeilenfrequenz oder Auflösung (z. B. bei 33 Ip/mm) kann ein MRTD-Wert (Minimum Resolvable Temperature Difference) z.B. wie folgt berechnet werden:
NETD
MRTD =
MTF
Mit anderen Worten: Ausgehend von der minimalen Temperaturdifferenz, die ein Signal erzeugen kann, und der Fähigkeit des Systems, den Kontrast mit einer bestimmten Effizienz aufrechtzuerhalten, kann eine minimale Temperaturdifferenz berechnet werden, die in dem aufgenommenen Bild tatsächlich zu beobachten ist.
Der NETD-Wert kann auch aufgefasst werden als die Temperaturdifferenz zwischen Hintergrund und Ziel, die ein Signal-Rausch-Verhältnis von 1 ergibt, oder vereinfacht gesagt, als minimaler Temperaturunterschied, der zwischen dem Hintergrund und dem Ziel unterschieden werden kann. Der mit dem NETD-Wert verwandte MRTD-Wert kann auch aufgefasst werden als die minimale Temperaturdifferenz zwischen zwei Objekten, die beobachtet werden kann.
Zu berücksichtigen ist auch, dass der NETD-Wert von Parametern abhängen kann, die nicht vom Bildleiter abhängig sind, beispielsweise atmosphärische Bedingungen und die Stärke des Signals sind externe Faktoren, die von der Szene, Objekt oder Motiv abhängen und nicht kontrollierbar sind. Die Pixelgröße und die spezifische Defektivität sind von der Qualität des Detektors abhängig, die räumliche Auflösung hängt von der Wellenlänge ab, die Größe der Apertur kann vom Detektor oder mit einer Detektoreinheit vorgegeben sein und kann die Tiefenschärfe bestimmen.
Der Bildleiter kann Einfluss haben auf die Stärke des Signals, z.B. durch Absorption des Signals im oder durch dessen Material, also der Dämpfung des Signals im oder durch den Bildleiter bzw. der in diesem umfassten Materialien, und/oder durch die Pixelgröße, z.B. wenn die Pixel im Lichleiterbündel abweichend von Lage und/oder Größe und/oder Geometrie der Pixel des Detektors sind. Das insbesondere, wenn die Größe der Pixel des Lichtleiterbündels größer oder ggf. auch gleich der Größe der Pixel des Detektors sind. Eine pixelgenaue Anordnung.
Ausrichtung oder Abbildung, durch eine bspw. vorgeschaltete Optik oder optisches Element, der Pixel des Lichtleiters ggü der Pixel des Detektors ist bevorzugt. D.h. bei gleichgroßen oder ähnlichgroßen Pixel beider Elemente wird eine im Wesentlichen 1 :1 Ausrichtung, Anordung oder Überdeckung angestrebt, so dass idealerweise die Pixel kongruent hinsichtlich deren Lage oder Abdeckung zueinander, bspw. gegenüber liegen. Typischerweise sind die Pixel eines Bildleiters im Wesentlichen rund bzw, ggf. in eine hexagonale Überstruktur im Wesentlichen rund eingettet, demgegenüber sind die Pixel eines Detektors häufig rechteckig, insbesonder quadratisch, so dass die Größe eines Pixels des Bildleiters bevorzugt dem Durchmesser des kleinsten Kreises entspricht, zumindest nicht größer ist, der einem derartigen Rechteck, ggf. auch mehreren nebeneinanderliegenden Pixeln, einbeschrieben werden kann, was z.B. bei einem quadratische Pixel des Detektor also dessen Inkreis entspricht.
Eine Überbestimmung der Pixelzahl des Bildleiters ggü. der Pixelzahl des Detektors kann vorteilhaft sein, alledings auch nachteilig wirken, falls die überbestimmten Pixel des Bildleiters bspw, bzgl des Kontraste signifikant unterschiedliche Informationen zeigen, sodass ein Pixel des Detektors z.B. diese mittelt und damit ggf. eine Unschärfe erzeugt wird. Ähnliches kann auch vorkommen, falls ein oder mehrere Pixel des Bildleiters mehrere Pixel des Detekors erreichen, bspw. solche die oder eben deren Ränder in direkter Nachbarschaft des mittels des oder der Pixel des Bildleiters an sich adressierten Pixel liegen. Die Eigenschaften des Detektors können je nach Detektor bzw. Hersteller variieren. Um beispielsweise ein Objekt in 100 m Entfernung zu erkennen, kann beispielsweise eine kleine Blende gewählt werden. Bei schwachem Signal kann eine große Blende die Qualität des Bildes erhöhen, da mehr Signal zum Detektor gelangt. Eine Anpassung von Bildleiter an weitere Komponenten des Systems ist somit vorteilhaft.
Die Übertragungseffizienz bzw. die Transmission des Lichtes top durch einen Bildleiter kann umgekehrt proportional zur NETD bzw. MRTD sein. Daher ist es vorteilhaft eine verlustarme, also Materialien mit hoher Transmission bzw. geringer Dämpfung im relevanten Wellenlängenbereich für den Bildleiter einzusetzen. Dieser Aspekt hängt, insbesondere für IR transissive Materialien bzw. im I R-Wellenlängenbereich von der Reinheit der Materialien bzw. der eingesetzten Gläser ab. Insbesondere können im Infrarotbereich Feuchtigkeit und Metalloxide Ursachen für Signalverluste bzw. hohe oder unerwünschte Dämpfung sein. Einen weiteren negativen Einfluss auf die Dämpfung können Verunreinigungen in den Rohstoffen, wie unerwünschte Metalle, Metallverbindungen und andere Elemente haben, Sauerstoff kann hier eine besonder Rolle einnehmen und insbsondere auch positiv wirken. Zur Minimierung optischer Verluste kann somit die Auswahl von Rohstoffen, aus denen die Materialien, insb. Gläser hergestellt, bspw. erschmolzen werden, mit geringem Gehalt an Verunreinigungen beitragen. Beispielsweise können Rohstoffe mit einem Reinheitsgrad von 99,999 % gewählt werden. Mitunter werden solche Rohstoffe noch weiter (aufjgereinigt. Um die Reinheit der Rohstoffe zu erhalten oder deren Veränderung, bspw. bzgl. deren Oxidationsstufen oder Ausbildung unerwünschter Verbindungen, im Schmelzprozess zu steuern, kann Glas weiter unter spezifisch eingestellten Schmelzbedinungen, bspw. durch Einstellung einer bestimmten Atmosphäre während oder im Schmelzprozess von z.B. Multikompentengläser oder Quarzglas, insbesondere im Falle von Chalkogenigläsern oder GLS-Gläsern in einer versiegelten und Ampulle, fallweise unter Vakuum oder Schutzgas, hergestellt werden. Auf diese Weise kann bspw. die Menge an Sauerstoff und Feuchtigkeit, die vor und während der Glasschmelze mit den Rohstoffen in Kontakt kommt, und auch unerwünschte Redoxzustände bestimmter Rohstoffe oder sich in der Schmelze daraus bildender Verbindungen minimiert oder zumindest kontrolliert werden. Ähnliche Überlegungen können neben einer geeigneten Auswahl thermischer (z.B. Ziehtemperatur) und/oder mechanischer (z.B. Ziehgeschwndigkeit) Prozessparameter auf die Materialien oder Materialkombinationen, aus denen ein Bildleiter hergestellt werden soll oder herstellbar ist, angewendet werden. D.h. auch bei einem Ziehprozeß zur Herstellung von entsprechenden optischen Faser oder bereits faseroptischen Komponenten, wie starre Bildleiter aus mehreren bildleitenden Elementen, kann die Einstellung von Atmosphären sinnvoll und notwendig sein, um die Eigenschaften der Faser oder des Bildleiters einzustellen oder zu erhalten.
Wie beschrieben, ist es vorteilhaft, wenn Pixelgröße und der Abstand der Pixel des Bildleiters bzw. Faserbündels und des Detektors im Wesentlichen übereinstimmen. Allerdings kann auch die Nähe der Fasern zueinander bzw. insb. der Abstand der Kerne (Pitch) im Bündel eine Rolle spielen, welche z.B. nachteilig sein kann, wenn die Wahl der Materialien nicht angemessen ist, bspw. deren Brechwertdifferenz. Insbesondere kann es vorkommen, dass das Signal, das durch einen der Kerne des Bündels läuft, aufgrund der zum Mantel vorherrschenden Brechwertdifferenz und/oder Durchmesser des Mantels, also letztlich den Abstand benachbarter Kerne zueinander, optisch nicht gut abgegrenzt ist. Dies kann dazu führen, dass zwischen zwei oder mehr Kernen Signale übersprechen, obwohl dazwischen eine physische Barriere, nämlich der Mantel, besteht. Dieser Effekt wird auch als Crosstalk (X-Talk) bezeichnet. Übersprechen zwischen Pixeln des Bildleiters kann also zu einer Verschlechterung der Bildübertragung beitragen, da zum einen Teile des Signals, dass über ein Pixel übertragen werden soll in diesem Pixel am distalen Ende nicht mehr beinhaltet sind und demnach weniger intensiv dargestellt oder auf den Detektor übertragen werden können, Zum anderen können diese Signalanteile in benachbarte Pixel übertragen werden und überlagern dort das eigentlich mit diesem Pixel bzw. dem zugeordente Bildleiterelement zu übertragenden Signal. Damit können sowohl das insgesamt zu übertragende Signal (Bild) abgeschwächt, als auch dessen Kontrast und Schärfe reduziert werden.
Wie zuvor angepsrochen kann das Übersprechen beispielsweise durch die Wahl von Materialien für Kern und Mantel mit deren Unterschied im Brechungsindex beeinflusst und/oder minimiert werden. Dies kann z.B. genutzt werden, um eine hohe Packungsdichte der bildleitenden Elemente zu erreichen oder um die Faserdichte im Bündel und damit die für die Bildgebung nutzbare Oberfläche des der distalen Endfläche des Faserbündels oder Bildleiters zu erhöhen bzw. zumindest vorzubestimmen und/oder an einen Detektor bzw. dessen Pixelgröße und Abstand anzupassen . In Bezug auf Crosstalk gibt es grundsätzlich mehrere Möglichkeiten, das Übersprechen in einem Bündel von Lichtleitfasern zu beschreiben, wobei in der Regel nicht auf die Besonderheiten der Wärmebildtechnik eingegangen wird.
Ein Bildleiter mit den vorbeschriebenen Eigenschaften kann bspw. hergestellt werden oder ist herstellbar aus einem ersten Chalkogenidglas mit einem Brechwert n1 von ca. 2,42 als Kern und einem Mantel aus einem zweiten Chalkogenidglas, das ggü. dem ersten insofern modifiziert ist, bspw. in dessen Zusammensetzung, so dass dessen Brechwert n2 mit ca. 2,39 kleiner als der Brechwert n1 ist. Größere Brechwertdifferenzen können erreicht werden, wenn bspw. als Mantelmaterial ein Multikomponentenglas eingesetzt wird, welches zum Kernglas thermomechanische und/oder chemisch ausreichende Kompatibilität aufweist, so dass daraus ein Bildleiter in einem entsprechenden Prozeß, wie aus der Herstellung von faseroptischen Komponenten bekannt, hergestellt werden kann bzw. herstellbar ist.
Die Auswahl der Ausgangsgeometrien, insb. Durchmesser des sog. Kernstabes und des sog. Mantelrohres und dessen Wandstärke, sowie die Zusammenstellung einiger oder einer Vielzahl solcher Kern-Mantel-Kombinationen zu einer Vorform (Preform) erlauben die weiteren Parameter des Bildleiters in relativ weiten Grenzen vorzubestimmen und bspw. abhängig von Prozesstemperatur (Ziehtemperatur) und Ziehgeschwindigkeit und ggf. der Anzahl aufeinanderfolgender Ziehprozesse, sog. Multi- oder Multi-Multi-Ziehen, darzustellen. So gelingt es die Anzahl der Pixel des Bildeiters, deren Größe und Abstand usw. so einzustellen, dass diese wie vorbeschrieben an oder für eine Detekoreinheit angepasst sind.

Claims

1. Infrarotbildsystem umfassend: ein Objektiv (10) zur Bilderzeugung eines Motivs mit zumindest zwei unterschiedlichen Temperaturen T1 und T2, einen Bildleiter (20) zur Bildübertragung, wobei der Bildleiter (20) mit einem distalen Ende dem Objektiv (10) zugeordnet ist, eine Detektoreinheit (40) zur Bilderfassung, wobei die Detektoreinheit (40) einem proximalen Ende des Bildleiters (20) zugeordnet ist, wobei das Verhältnis der gemeinsamen thermischen Auflösung (NETD) des Bildleiters (20) und der Detektoreinheit (40) zu der thermischen Auflösung (NETD) der Detektoreinheit kleiner ist als 10, vorzugsweise kleiner ist als 5, besonders bevorzugt kleiner ist als 2.
2. Infrarotbildsystem (1) gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die Detektoreinheit (40) eine thermische Auflösung (NETD) aufweist, welche geringer ist als 300 mK, vorzugsweise geringer ist als 200 mK, besonders bevorzugt geringer ist als 100 mK, und/oder wobei der Bildleiter (20) und die Detektoreinheit (40) eine gemeinsame thermische Auflösung (NETD) aufweisen, welche geringer ist als 400 mK, vorzugsweise geringer ist als 300 mK, besonders bevorzugt geringer ist als 200 mK.
3. Infrarotbildsystem (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Detektoreinheit für eine Wellenlänge im Infrarot-Bereich, insbesondere im Bereich von 0,8 pm bis 14 pm, eine Defektivität von zumindest 108 cm Hz1/2 W’1 aufweist, vorzugsweise von zumindest 109 cm Hz1/2 W’1 aufweist, besonders bevorzugt von zumindest 109 cm Hz1/2 W’1 aufweist, nochmals bevorzugter von zumindest 1010 cm Hz1/2 W’1 aufweist, nochmals bevorzugter von zumindest 1011 cm Hz1/2 W-1 aufweist, z.B. zwischen einem der genannten Werte und 1013 cm Hz1/2 W-1 aufweist, insbesondere zwischen einem der genannten Werte und 1012 cm Hz1/2 W-1 aufweist, und/oder wobei die Detektoreinheit eine Auflösung von zumindest 20 Linienpaaren/mm aufweist, vorzugsweise von zumindest 50 Linienpaaren/mm aufweist, besonders bevorzugt von zumindest 150 Linienpaaren/mm aufweist, und/oder wobei die Detektoreinheit eine Fläche von zumindest 0,1 Quadratzentimeter aufweist, vorzugsweise von zumindest 0,5 Quadratzentimeter aufweist, besonders bevorzugt von zumindest 5 Quadratzentimeter aufweist. Infrarotbildsystem (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend ein optisches Element (30), welches zwischen dem proximalen Ende des Bildleiters (20) und der Detektoreinheit (40) angeordnet ist, und/oder wobei die Detektoreinheit (40) als Schirm ausgebildet ist und das optische Element (30) zur Bildprojektion auf den Schirm ausgebildet ist und/oder wobei der Bildleiter (20) des Infrarotbildsystems (1) ausgebildet ist gemäß einem der nachfolgenden Ansprüche. Bildleiter (20) zur Bildübertragung von einem distalen Ende zu einem proximalen Ende, umfassend eine Vielzahl von Strukturelementen (100) welche sich jeweils von dem distalen Ende zu dem proximalen Ende erstrecken, wobei zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sind, nämlich ein erster Typ (100a) mit einem ersten Brechungsindex n1 und ein zweiter Typ (100b) mit einem zweiten Brechungsindex n2, insbesondere derart, dass die Strukturelemente ein Bündel optischer Fasern bilden, wobei die Fasern jeweils einen Kern und einen Mantel umfassen, wobei der Mantel jeweils als Strukturelement des ersten Typs ausgebildet ist und der Kern jeweils als Strukturelement des zweiten Typs ausgebildet ist oder insbesondere derart, dass die Strukturelemente einen Grundkörper mit einer Vielzahl von, vorzugsweise gefüllten, Hohlräumen bilden, wobei der Grundkörper als ein Strukturelement des ersten Typs ausgebildet ist und die, vorzugsweise gefüllten, Hohlräume als Strukturelemente des zweiten Typs ausgebildet sind, wobei zumindest ein Strukturelement für eine Wellenlänge im Infrarot-Bereich, insbesondere im Bereich von 0,8 pm bis 14 pm, transmissiv ist und wobei vorzugsweise das Verhältnis n1/n2 zwischen 0,5 und 0,999 liegt, besonders bevorzugt zwischen 0,6 und 0,992 liegt, nochmals bevorzugter zwischen 0,75 und 0,992 liegt. Bildleiter (20) gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei der Bildleiter (20) eine Längsrichtung (5) und einen quer zu der Längsrichtung (5) verlaufenden Querschnitt definiert, und wobei die Strukturelemente sich derart über den Querschnitt des Bildleiters (20) erstrecken, dass im Querschnitt des Bildleiters (20) eine Vielzahl von Querschnittsregionen definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements entsprechen, und/oder wobei die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, ungleichmäßig angeordnet sind, um eine transversale Anderson-Lokalisierung quer zu der Längsrichtung zu bewirken. Bildleiter (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Bildleiter (20) eine Auflösung von zumindest 25 Linienpaaren/mm aufweist, vorzugsweise eine Auflösung von zumindest 30 Linienpaaren/mm aufweist, besonders bevorzugt eine Auflösung von zumindest 40 Linienpaaren/mm aufweist. Bildleiter (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Bildleiter (20) eine Länge von zumindest 50 cm aufweist, vorzugsweise eine Länge von zumindest 100 cm aufweist, besonders bevorzugt eine Länge von zumindest 300 cm aufweist. Bildleiter (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Bildleiter (20) zumindest abschnittsweise als flexibler Körper ausgebildet ist und/oder wobei der Bildleiter (20) zumindest abschnittsweise als starrer Körper ausgebildet ist. Bildleiter (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Kern, ein Mantel, ein Grundkörper, ein gefüllter Hohlraum und/oder ein Strukturelement ein Material umfasst, welches für eine Wellenlänge im Infrarot-Bereich, insbesondere im Bereich von 0,8 pm bis 14 pm, eine Dämpfung von unter 50 dB/m aufweist, insbesondere von unter 10 dB/m aufweist, insbesondere von unter 1 dB/m aufweist. Bildleiter (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anzahl pro mm2 der Querschnittsfläche des Bildleiters (20) der Fasern und/oder der Strukturelemente des zweiten Typs zumindest 100 beträgt, vorzugsweise zumindest 1000 beträgt, besonders bevorzugt zumindest 10000 beträgt. Bildleiter (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kerne der Fasern und/oder die Strukturelemente des zweiten Typs einen Durchmesser zwischen 5 pm und 200 pm aufweisen, vorzugsweise zwischen 5 pm und 100 pm aufweisen, besonders bevorzugt zwischen 10 pm und 50 pm aufweisen und/oder wobei die Mäntel der Fasern und/oder die Strukturelemente des ersten Typs einen Durchmesser zwischen 6 pm und 250 pm aufweisen, vorzugsweise zwischen 6 pm und 150 pm aufweisen, besonders bevorzugt zwischen 10 pm und 70 pm aufweisen und/oder wobei das Verhältnis der Durchmesser von Kern zu Mantel zwischen 0,5 und 0,95 liegt. Bildleiter (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der kleinste Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier Kerne und/oder zweier Strukturelemente des zweiten Typs geringer ist als 50 pm, vorzugsweise geringer ist als 20 pm, besonders bevorzugt geringer ist als 15 pm, und/oder wobei der durchschnittliche Abstand zwischen den Mittelpunkten der Kerne und/oder der Strukturelemente des zweiten Typs geringer ist als 50 pm, vorzugsweise geringer ist als 20 pm, besonders bevorzugt geringer ist als 15 pm. Bildleiter (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Kern, ein Mantel, ein Grundkörper, ein gefüllter Hohlraum und/oder ein Strukturelement ein Chalkogenid umfasst, insbesondere umfassend zumindest ein Element aus der Gruppe Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur, sowie zumindest ein Element aus der Gruppe Arsen, Germanium, Phosphor, Antimon, Blei, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Titan, Natrium und/oder wobei ein Kern, ein Mantel, ein Grundkörper, ein gefüllter Hohlraum und/oder ein Strukturelement ein Gallium-Lanthan-Sulfid-Glas (GLS) umfasst und/oder wobei ein Kern, ein Mantel, ein Grundkörper, ein gefüllter Hohlraum und/oder ein Strukturelement Gläser, bevorzugt Multikomponentengläser und/oder wobei ein Kern, ein Mantel, ein Grundkörper, ein gefüllter Hohlraum und/oder ein Strukturelement Quarzglas umfasst. 15. Bildleiter (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Bildleiter für eine Wellenlänge im Infrarot-Bereich, insbesondere im Bereich von 0,8 pm bis 14 pm, eine Transmission von zumindest 30%aufweist, vorzugsweise von zumindest 50% aufweist, besonders bevorzugt von zumindest 60% aufweist, und/oder wobei der Bildleiter für eine Wellenlänge im Bereich von 5 pm bis 8 pm eine
Transmission von zumindest 30% aufweist, vorzugsweise von zumindest 50% aufweist, besonders bevorzugt von zumindest 60% aufweist.
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