NL8802156A - Optiek voor stralingssensor. - Google Patents

Description

$ - 1 -

Optiek voor stralingssensor. *

De uitvinding heeft betrekking op een optiek voor een stralingssensor, in het bijzonder voor een infra-rood-sensor, met bevestiging van ten minste een lenslichaam aan het sensorhuis.

5 Een dergelijke sensoroptiek is voor doeldetectie op grond van de door een doelobject afgegeven infrarood-straling bekend uit het Duitse octrooischrift 3.326.876.

Tegenover de daar in de tekening weergegeven uitvoering kan de SBnsor ook uitgevoerd zijn met een hol cilindrisch 10 huis, dat over een ten opzichte van de munitieas parallelle zwenkas uit het inwendige van de munitie in een werkstand naar buiten kan worden geklapt. Al naar de gegeven ruimteverhoudingen kan er verder ook in voorzien zijn om de sensor coaxiaal op te bouwen, derhalve zonder straalombui-15 ging in het holcilindrische sensorhuis axiaal achter de in de apertuur ingezette lensoptiek het detectorelement in te bouwen. Dit geeft bij compactere konstruktie eenvoudigere justeringsmogelijkheden ten opzichte van de gewenste stralengeometrie en maakt een hoger belastbare, 20 derhalve beter tegen afvuren bestendige uitvoering van de sensor in het totaal mogelijk. Evenwel kan de hermetische afdichting van het inwendige van het sensorhuis aan de zijde met de van de lensoptiek voorziene apertuur problemen geven. Immers, de montage van afzonderlijke hermetisch 25 gekapseld vervaardigde constructie-eenheden tot de complete sensor is zeer kostbaar. Na de montage van de detector en de hybride-schakeling, alsook naar het funktie-testen daarvan kan het hol-cilindrische huis naar achteren weliswaar door hermetisch oplassen van een deksel betrouw-30 baar worden afgesloten; evenwel rest de voor de funktio-nering kritische afsluiting van het sensorhuis aan de overgang van het lenslichaam naar de huiswand.

Pogingen tot een radiaal vastkleven van het lenslichaam aan de huiswand met behulp van epoxyhars, zoals 35 dit in de technische optica voor het vastkleven van een optisch onderdeel aan een houderraam bekend is, mislukten, aangezien dergelijke verbindingen niet vacuumdicht bleken <8802156 t - 2 - Λ te zijn; zij geven gas af, hetgeen de funktie van de in de sensor aanwezige halfgeleiderconstructie-elementen beïnvloedt, en zijn hygroscopisch, hetgeen op grond van geleiderbaancorrosies kan leiden tot elektrische funktie-5 storingen. Ook het radiale inklemmen met O-ringen bleek niet hermetisch dicht te zijn, aangezien bij grote axiale versnellingen sterke vervormingen van deze af-dichtringen optreden, hetgeen kan resulteren in een beschadiging van de optiek.

10 Op grond van deze feiten ligt aan de uitvinding het doel ten grondslag, een optiek van de in de aanhef genoemde soort zodanig in te vatten, dat zij voor wat betreft hermetische afdichting en optisch kwaliteit voldoet aan verhoogde mechanische belastingen.

15 Teneinde dit doel te verwezenlijken, voorziet de uitvinding in een optiek, zoals in de aanhef omschreven, met het kenmerk, dat een in dwarsdoorsnede boogvromige lensoptiek uit kristallijn halfgeleidermateriaal onder tussenlegging van een ring uit gesinterd glassoldeer-20 poeder in een metalen vattingsring van het huis is ingevat.

Volgens deze oplossing is een relatief grote ringspleet tussen de lensperiferie en de invattingsring van het sensorhuis toelaatbaar, die voorzien wordt van een licht te hanteren sintering uit het op zichzelf 25 poedervormige glassoldeer, dat vervolgens, na positionering van de lensoptiek in het inwendige van het sensorhuis wordt opgesmolten. Met het afkoelen verkrijgt men een gasdichte, watermolecuulvrije en mechanisch hoogbelastbare hermetische afdichting tussen het lenslichaam en de 30 invattingsring.

Als materiaal voor de invattingsring - resp. voor het sensorhuis in het totaal, wanneer uit één stuk uitgevoerd - voldoet een ijzer-nikkellegering aan de vereisten voor het gelijklopen van de temperatuurgradiënt 35 tussen het kristallijne lenslichaam en de metalen invatting, hoewel de temperatuurovergang over de brede marge tussen de opsmelttemperatuur van de glassoldeer-sintering en de laagste opslagplaats-omgevingstemperatuur toch aanzienlijke onderlinge afwijkingen vertoont. Evenwel 40 is verrassend gebleken, dat bij koepelvormig gewelfde <.8802156 - 3 - dwarsdoorsnedegeometrie van het langs zijn periferie ge- * steunde lichaam van de lensoptiek deze de na een tempe-ratuurbehandling nog aanwezige restspanningen, die in het bijzonder op temperatuurovergangsverschillen zijn terug 5 te voeren, zonder beschadigingen opneemt, waarbij ondanks de door de stralengeometrie van de convergerende lens vereiste, verschillend gekromde beide lenslichaam-oppervlakken verrassend na het afkoelen van de opgesmolten soldering ook vrijwel geen optische fouten meer voorhanden zijn, 10 hetgeen mogelijk daarop berust, dat de deformaties op de ene zijde van de lens door deformaties op het tegenover gelegen lensoppervlak straaloptisch in de meest verregaande mate worden gecompenseerd.

Verdere alternatieven en verdere uitvoeringen zijn 15 aangegeven in de verdere conclusies. Deze en andere aspecten van de uitvinding worden nader toegelicht in de thans volgende beschrijving onder verwijzing naar de tekening.

In de tekening is een uitvoeringsvoorbeeld van een optiek volgens de uitvinding getoond, die onder beperking op de 20 essentie in sterke mate is geastraheerd, en niet geheel op schaal is weergegeven. Daarbij toont de enkele figuur van de tekening in axiale langsdoorsnee de montage van een verzamellens in de huis-apertuur van een stralingssensor.

De in het uitvoeringsvoorbeeld getoonde stralings-25 sensor 11 is uitgerust met een detector 12 voor het opnemen van stralingsenergie 10 in het infraroodbereik van het spectrum der elektromagnetische groeven. De detector 12 toont ten minste een detectorelement 13 (in de getoonde uitvoeringsvorm een halfgeleiderdetector of een pyrodetec-30 tor), dat hermetisch ingesloten is in een huis 15. Het detectorelement 13 ontvangt de stralingsenergie 10 door een detectorvenster 16 via een sensor-apertuur 17, die uitgerust is met een in het sensorhuis 19 ingevatte lensoptiek 18, teneinde de stralingsenergie 10 om te zetten in elektrische 35 signalen. Daarvoor is in een huis 21, dat hermetisch verbonden is met het detectorhuis 15, een elektrisch op het detectorelement 13 aangesloten hybrideschakeling aangebracht, zoals in details nader beschreven in aanvraagster's oudere aanvrage P36 36 422.3 van 25.10.1986.

40 De inwendige ruimte van het sensorhuis 19 is gevuld * 8802156 - 4 - f met een hermetisch ingesloten beschermgas. Het insluiten geschiedt enerzijds door het inbouwen van het hybride-schakelingshuis 21 onder een huisdeksel 42, en anderzijds door het invatten van de lensoptiek 18 in de apertuur 17.

5 In het bijzonder, wanneer het bij de sensor 11 gaat om een deel van een zoekzender voor uit vuurwapens afschiet-bare (sub)munitie, moet de optiek-invatting de hoge, bij het afschieten optredende versnellingskrachten kunnen opnemen en ook dan nog de exacte geometrische positione-10 ring van de lensoptiek 18 en de hermetische afsluiting van de binnenruimte 41 zeker stellen. Daartoe is de lensoptiek 18, bestaande uit ten minste een verzamellens, in dwarsdoorsnee in het totaal bol (d.w.z. met een convex en een concaaf buitenvlak) uitgevoerd. Een randgebied 43 15 van de lensoptiek 18 is coaxiaal in het inwendige van het hol-cilindrische sensorhuis 19 aangebracht, namelijk axiaal tegen een steunschouder 44 aangelegd. Daarbij blijft tussen de periferie 45 van het lichaam van de lensoptiek en het binnenmantelvlak van het als vattingsring 20 46 dienende deel van het sensorhuis 19 een rondlopende ringspleet 47 over, waarin een sinterring 48 uit glas-soldeerpoeder (zoals dit bijvoorbeeld als boorsilicaat in de handel verkrijgbaar is van de Firma Schott Glas-werke) is ingelegd.

25 Bij voorkeur vindt de centrering van de lensoptiek 18 niet plaats via deze sinterring 48, maar aan kegelstompvormig gehelde vlakken van de invattings-steunschouder 44 en het lens-randgebied 43, dat de glassoldering 48 met lichte spelingspassing kan worden ingelegd. De soldering 30 48 kan moeiteloos met constante wanddikte worden gesinterd, zodat een gelijkmatige soldeerlaagdikte voor de verbinding van de lensperiferie 25 over de ringspleet 48 met de vattingsring 46 gewaarborgd is, wanneer de sintering 48 na het inleggen wordt gesmolten.

35 Bij het lichaam van de lensoptiek 18 gaat het om voor het van belang zijnde spectraalbereik doorlaatbare materiaal, in het geval van infraroodstralingsenergie 10 om monokristallijn of polykristallijn halfgeleider-materiaal zoals silicium of germaan. Het sensorhuis 19 40 of, bij een opgedeeld huis 19, ten minste zijn als vat- <· 8802156 - 5 - ............

«f tingsring 46 dienende deel, dient over de grote temperatuur- f overspanning tussen de smelttemperatuur van de glassoldeer-sinterring 48 (van de orde van grootte van + 700°C) tot aan de laagst toelaatbare omgevingstemperatuur van de sensor 5 11 (van de orde van grootte van -40°C, een gelijkverloop van de temperatuursuitzettingscoëfficiënt met het materiaal van de lensoptiek 18, derhalve in het bijzonder met silicium, te vertonen. Metalen zoals wolfraam of molybdeen, vormen daarom bijzonder geschikt materiaal voor de vattings-10 ring 46. Evenwel zijn deze voor massafabrikage niet bijzonder goed geschikt, aangezien zij moeilijk verwerkbaar zijn, bijvoorbeeld slecht met andere constructiedelen of delen van het sensorhuis 19 - zoals bijvoorbeeld een afzonderlijk vervaardigde detectorsokkel 49 - te lassen.

15 Een bijzonder goed compromis tussen de temperatuurgang- vereisten en de vervaardigings-vereisten voor de materiaalkeuze van de vattingsring 46 is een ijzer-nikkellegering gebleken, zoals deze bijvoorbeeld onder de aanduiding "Vacon 10" door de firma Vakuumschmelze op de markt wordt 20 gebracht. Dit materiaal kan zonder problemen worden samengelast met gangbaar machinestaal, waaruit de detectorsokkel 49 kan zijn gedraaid, zoals in de tekening door de rondlopende lasnaad 50 van een opgedeeld sensorhuis 19 aangegeven. Weliswaar vertoont dit nikkel-ijzermateriaal 25 niet onvoorwaardelijk over een breed gebied een goed gelijklopen van de temperatuurcoëfficient met het kristai-lijne materiaal van de lensoptiek 18; om welke reden het onmogelijk blijkt, onder inleggen van de soldeerring 48 een vlakke plaat te verbinden met een vattingsring 46, 30 aangezien deze verbinding bij afkoelen van de soldeer- temperatuur op omgevingstemperatuur ondicht wordt en zelfs de kristalplaat kan scheuren. De, door het op zichzelf nog onvoldoende gelijklopen van de temperatuurcoëfficiënten zelfs na achteraf uitgevoerde tempering, optredende 35 spanningen, worden evenwel, zoals gebleken is, zonder problemen opgenomen, wanneer de lensoptiek 18, zoals in de tekening weergegeven tussen radiale invatting in dwars-doorsnee gelijk is in gebogen boven- en ondervlakken vertoont. Nu leidt het smelten van de glassoldeersintering 40 18 zonder verlopen van het glassoldeer direkt tot een - 8802156 * , - 6 - ’ hermetisch dichte verglazing van de lensoptiek 18 met de metaalring 46 onder instandhouding van de optische kwaliteit van de ingezette lensoptiek 18 zowel gedurende het afkoelen alsook bij en na aanzienlijke axiale versnellingen. 5 De verbinding is gas- en vochtdicht en zowel ten opzichte van het inglazen in de ring 46 alsook ten opzichte van de verbinding van deze ring 46 tot het complete sensorhuis 19 uitstekend geschikt voor massafabrikage; te meer omdat langs de lensperiferie 45, derhalve over de ringspleet 47, grotere 10 toleranties zijn dan bij een gebruikelijke kit- of kleef-verbinding, die door de glassoldeersintering 18 dicht en mechanisch vast worden overbrugd.

De achterwaartse hermetische afsluiting van de sensorbinnenruimte 41 kan plaatsvinden direkt door een 15 inzet-passing van het aldaar gelegerde hybrideschakelings-huis 21, of ook eenvoudiger door een achterwaarts deksel 51. Dit wordt, zoals in de tekening symbolisch is aangegeven, doelmatig voor het funktietesten van de voltooide sensor 11 eerst vastgeschroefd, teneinde toleranties 20 van inbouwdelen te compenseren; eventueel wordt het na beëindiging van de montage en justeringswerkzaamheden door een rondlopende lasnaad hermetisch met het overige hol-cilindrische sensorhuis 19 verbonden.

Voor een schokbestendige houdering van het 25 lichaam van de lensoptiek 18 kan tegen haar omtrekszitting op de steunschouder 44, zoals eveneens in de tekening aangegeven, in de opening van de apertuur 17 een steunring 52 worden ingezet, bijvoorbeeld tot aan liggen tegen de lensoptiek 18.

- conclusies - .8802156

Claims (6)

1. Optiek voor een stralingssensor, in het bijzonder voor een infrarood-sensor, met bevestiging van ten minste een lenslichaam aan het sensorhuis, m e t het kenmerk, dat een in dwarsdoorsnee boogvormige lensoptiek 5 (18) uit kristallijn halfgeleidermateriaal onder tussen- legging van een ring (48) uit gesinterd glassoldeerpoeder in een metalen vattingsring (46) van het huis (19) is ingevat.

2. Optiek volgens conclusie 1, m e t het ken-10 merk, dat de glassoldeer-sinterring (48) in een ring- spleet (47) tussen de lenslichaam-periferie (45) en de huisring (46) is ingelegd.

3. Optiek volgens conclusie 1 of 2,met het kenmerk, dat de lensoptiek (18) met een randgebied 15 (43) tegen een holle kegelstompvormige steunschouder (44) aan het binnenmantelvlak van de huisring (46) axiaal aan gelegen is.

4. Optiek volgens conclusie 3,met het kenmerk, dat de steunschouder (44) tegenover een steunring 20 (52) in het inwendige van de invattingsring (46) axiaal tegen het lichaam van de lensoptiek (18) aan ligt.

5. Optiek volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat zij is ingebouwd in een meerdelig sensorhuis (19), waarvan één deel is uitgevoerd 25 als de lenslichaam-vattingsring (46).

6. Optiek volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de vattingsring (46) voor het kristallijne lichaam van de lensoptiek (18) bestaat uit een ijzer-nikkel-legering. 88 02 15 6