NO834031L - System for deteksjon av infraroed straaling - Google Patents

Abstract

Et system for detektering av infrarød stråling omfattende et optisk avbildningssystem (25) som mottar stråling fra et synsfelt (23) og videresender denne stråling til en avbildningsflate (16). En bakgrunnsbegrensende detektorenhet (26) som har en detektorflate (0) som befinner seg i et kuldeskjermet hus som har en avkjølt blenderåpning (13),. er anbrakt i avstand fra avbildningsflate (16), og et over-føringslinsesystem (24) anordnet mellom dem for overføring av infrarød stråling demimellom. Linsesystemet (24) er anordnet for å fokusere strålingen på detektorenhetens (26) detektorflate (0) slik at det fokuserte strålingskrumningsfelt faller sammen med detektorflatens (0) fysiske krumning for å danne en pupill som i rommet faller sammen med stillingen av den avkjølte blenderåpning (13) og for å dimensjonere pupillen for å passe til den avkjølte blenderåpningens (13) dimensjon. For å oppnå dette er overføringslinsesystemet (24) dannet av fire linseelementer (A,B,C,D) med utvalgt styrke, aksial avstand og krumning av brytningsoverflåtene.

Description

Oppfinnelsen angår et system for detektering av infrarød stråling.

Utviklingen av enheter for detektering av infra-rød stråling, som f.eks. anordningen av et eller flere detektorelementer i et kuldeskjermet hus som har en avkjølt blenderåpning, hvor strålingsmottaksvinkelen er begrenset og detektorenheten,betegnes som "bakgrunnsbegrenset", og slik som kommer av den økende følsomheten til enkelte detektorelementer og bruken av detektorflater med store arealer,

enten dannet av en anordning av detektorelementer eller et enkelt detektorelement for et optisk system med høy yte-evne for overføring av strålingen til detektorenheten.

I samsvar med dette, er det en hensikt med oppfinnelsen å skaffe et forbedret system for detektering av infrarød stråling.

Ved hjelp av oppfinnelsen er det skaffet et system for detektering av infrarød stråling som omfatter et optisk avbildningssystem som mottar stråling fra et synsfelt og videresender strålingen til en avbildningsflate, en detektorenhet som har en detektorflate dannet av et eller flere detektorelementer som befinner seg i et kuldeskjermet hus med en avkjølt blenderåpning som begrenser strålingsmottaksvinkelen på detektorenheten, hvorved detektorenheten blir bakgrunnsbegrenset, og et overføringslinsesystem beliggende mellom avbildningsflaten og detektorenheten for overføring av infrarød stråling demimellom og fokusering av den overførte stråling på detektorenhetens detektorflate, hvilket overførings-linsesystem er sammensatt av fire linseelementer, hvorav det ene ligger nær avbildningsflaten og er en spredelinse (nega-tiv linse) og de andre tre er samlelinser (positive linser), hvor relative styrker av de fire linseelementer velges med hensyn til avbildningsflatens krumning for å skaffe et krumningsfelt med stråling fokusert på detektorflaten sammenfallende med detektorflatens fysiske krumning, og de respektive aksiale dimensjoner av luftrommene mellom de to linseelementer nærmest til avbildningsflaten og mellom de to linseelementer nærmest til detektorflaten er vesentlig større enn til-svarende resterende luftrom i overføringslinsesystemef, de aksiale dimensjoner velges for å lokalisere pupillen dannet av overføringslinsesystemet sammenfallende med den avkjølte blenderåpning; overføringslinsesystemets totale brytning velges for å dimensjonere pupillen dannet av overføringslinse-systemet for å passe til den avkjølte blenderåpnings dimensjon, og krumningen av brytningsoverflåtene på linseelementene velges for å skaffe lavt felt og pupillavvik.

Tykkelsen av hvert linseelement i overførings-linsesystemet i sentrum er fortrinnsvis liten, således at strålingsoverføringen blir maksimal og linseelementenes materialforbruk blir lavt. Fortrinnsvis er også det aksiale luftrom mellom de to sentrale linseelementene i overførings-linsesystemet null, hvorved overføringslinsesystemet blir forholdsvis kompakt.

Fortrinnsvis er linseelementenes brytningsoverflater sfæriske., slik at fremstillingen av disse elementer blir optisk og mekanisk enkel.

Hensiktsmessig oppnås forandringer i krumningsfeltet ved valg av tykkelsen av hvert av linseelementene og/ eller materialet som linseelementene fremstilles av, skjønt der det blir brukt mer enn ett materiale i overføringslinse-systemet, kan det bli nødvendig å korrigere for kromatiske avvikelser.

Et utførelseseksempel på oppfinnelsen skal be-skrives under henvisning til tegningene, hvis fig. 1 viser et system for detektering av infrarød stråling ifølge oppfinnelsen,' sett fra siden, og fig. 2 viser systemet sett oven-fra .

Systemet for detektering av infrarød stråling omfatter et avbildningssystem 25 som mottar stråling fra et rom-objekt 23 og overfører den mottatte stråling til en avbild-ningsf late 16. Et overføringslinsesystem 24 samler strålingen på overflaten 16 og overfører den til en detektorenhet 26. Enheten 26 omfatter en detektorflate 0 dannet av en eller flere detektorelementer som befinner seg innenfor et kulde-sk jermet nus som har en avkjølt blenderåpning 13 som begrenser strålingsmottaksvinkelen på enheten 26, hvorved den blir "bakgrunnsbegrenset" . Overføringslinsesystemet 24 tjener til å fokusere den overførte stråling på enhetens 2 6 overflate 0, slik at strålingsavbildningens krumningsfelt er det samme som den fysiske krumning av overflaten 0, og slik at strålingen danner en pupill sammenfallende på stedet og i dimensjon med blenderåpningen 13.

Overføringslinsesystemet 24 er sammensatt av fire linseelementer A, B, C og D.som ligger langs en felles optisk akse og har hver sine sfæriske brytningsoverflater hhv. 1 og 2, 3 og 4, 5 og 6, 7 og 8 som skjærer den optiske akse. Linseelementet A ligger nær detektorenheten 26 og linseelementet D ligger nær avbildningsflaten 16. Linseelementene A, B og C danner en samlelinse mens linseelement D er en spredelinse, hvis relative styrker velges for å skaffe krumningsfeltet til strålingsavbildningen dannet i enheten 26 som er det samme som den fysiske krumning av overflaten 0. Ved valg av vari-erende forskjellige kombinasjoner av verdien i de enkelte linseelementer kan forskjellige fysiske krumninger til overflaten 0 tilpasses uten hensyn til avbildningsflatens 16 krum-ningsf elt (som kan variere avhengig av beskaffenheten av avbildningssystemet 25 som vil bli forklart). Den totale styrke av systemet 24 velges slik at dimensjonen av strå-lingspupillen blir identisk med dimensjonen av blenderåpningen 1 3.

Overføringslinsesystemet 24 omfatter et luftrom L som adskiller elementene A og B, et luftrom M som adskiller elementene B og C, og et luftrom N som adskiller elementene C og D, og for å variere stillingen av utgangspupillen aksi-alt, slik at den nøyaktig faller sammen med enhetens 2 6 blenderåpning 13, er hvert av luftrommene L og N gjort vesentlig større enn luftrommet M. For å oppnå kompakthet er luftrommet M valgt faktisk lik null. Ved denne anordning vil systemets 24 utgangspupille alltid ligge mellom linseelementet A og enheten 26, således at det er fysisk praktisk at pupillen dannet av systemet 2 4 faller sammen med blenderåpningen 13. Pupil-lens beliggenhet er bestemt av tallverdien av luftrommene L og N.

Avbildningssystemet 25 er bare et eksempel på et egnet avbildningssystem som kan velges brukt med overførings-linsesystemet 24 og detektorenheten 26. Eksempelvis kan av-bildningssysternene være linje- og rammeavsøkende med eller uten forstørrelse og akromatiserte eller ikke-akromatiserte objektivlinser, flerdobbelte synsfeltteleskoper eller zoora-teleskoper i hver av hvilke avbildningsflaten 16 dannes. Systemet 25 som er beskrevet f.eks. omfatter et klappespeil 12 som er svingbart om aksen 20 og danner en pupill 15, et sfærisk konkavt speil 11 som danner et mellombilde 17, en speiltrommel 18 som er dreibar om aksen 19 og har plane faset-ter 10 parallelle med aksen 19, som danner en pupill 14, og et sfærisk konkavt overføringsspeil 9 som frembringer avbildningsflaten 16. System 25 er beskrevet med flere funksjonsdetaljer i U.K. patentskrift 1586099.

Et eksempel på overføringslinsesystemet 24 og det ledsagende avbildningssystem 25 er angitt i tabell I, i hvilken krumningsradien og den optiske blenderåpning til hver optisk overflate er angitt i forhold til detektorflaten 0. Således har for eksempel speilets 9 overflate en krumnings-radius på -236,09 mm, der minus-tegnet angir at krumnings-senteret ligger på venstre side av speilets 9 overflate. Speilflatens 9 toppunkt ligger forskjøvet fra Z-aksen med -11,33 mm i y-retningen (vist på fig. 1) og har en luftrom-avstand på 294,62 mm fra toppunktet til spredelinsens B foranstående overflate 8 i z-retningen som er aksial.

Systemet 2 4 forstørrer 0,5 ganger og har en f-verdi på omtrent 3 i luftrommet mellom overflaten 0 og overflaten 1, og en f-verdi på omtrent 6 i luftrommet mellom overflaten 8

og speiloverflaten 9. Spesifikke verdier for avbildnings-kvaliteten for hele det optiske system er gitt i tabell II.

Systemet 2 4 som er nærmere angitt i tabell I og

II tilveiebringer et lavt felt og pupillavvik og minimal for-tegning og kan brukes med et stort overflateareal 0 med god avbildningskvalitet på dette, og med en effektiv detektor-stopp på blenderåpningen 1 3 .

Systemets 24 parametere kan varieres for å justere forstørrelsesfaktoren innenfor området 0,3 til 3,0 og sam-tidig bevare oppløsningskvaliteten, men denne forringes uan-tagelig utenfor dette forstørrelsesområdet. Naturligvis er den valgte forstørrelsesfaktor avhengig av detektorenhetens 26 f-verdi på den ene siden og f-verdien ved utgangen av avbildningssystemet 25, av hvilke begge krever tilpasning av de respektive tilstøtende deler av systemet 24.

Selv om det beskrevne eksempel opererer i 8 - 13^ bølgelengdeområdet i kraft av de materialer som blir brukt (dvs. germanium) kan systemet 2 4 arbeide i hvilken som helst del av 1 - 13^ området ved å anvende andre linsematerialer (f.eks. silicium); germanium overtrukket med en ARG 3-hinne - som markedsført av Barr and Stround Limited - som kjenneteg-nes ved høy overføringsgrad (omkring 98% eller mere), lav refleksjonsgrad (omkring 0,2% eller mindre), sørger for faktisk talt null narsissi-ef f ekt for 8 - MJUL båndet som er spesielt nyttig.

Det må bemerkes at de numeriske verdier som er angitt her gjelder ved en temperatur på 20° og f-verdien som det refereres til er utledet av formelen (2 sin 0) , hvor 0 er den halve vinkel i kjeglen dannet av aksialfeltstrålen etter brytning gjennom linseelement som den faller inn på.

Claims (5)

1. System for detektering av infrarød stråling, omfattende et optisk avbildningssystem (25) som mottar stråling fra et synsfelt (23) og videresender nevnte stråling til en avbildningsflate (16), en detektorenhet(26) som har en detektorflate (0) dannet av et eller flere detektorelementer som befinner seg i et.kuldeskjermet hus som har en avkjølt blenderåpning (13) som begrenser detektorenhetens (26) strå-lingsmottaksvinkel, idet detektorenheten er bakgrunnsbegrenset, karakterisert ved et overføringslinse-system (24) mellom avbildningsflaten (16) og detektorenheten (26) for overføring av infrarød stråling demimellom og fokusering av den overførte stråling på detektorenhetens (26) de-tektorf late (0), hvilket overføringssystem (24) er sammensatt av fire linseelementer (A,B,C,D), av hvilke det ene (D) ligger nær avbildningsflaten (16) og er en spredelinse og de andre tre (A,B,C) av linseelementene danner en samlelinse, at de relative verdier av de fire linseelementer (A,B,C,D) er valgt under hensyntagen til avbildningsflatens (16) krumning for å tilveiebringe et krumningsfelt av stråling fokusert på detektorflaten (0) sammenfallende med detektorflatens (0) fysiske krumning, at den aksiale dimensjon av luftrommene (N,L) mellom de to linseelementer (C,D) som er nærmest av-bildningsf laten (16) og mellom de to linseelementer (A,B) som er nærmest detektorflaten (0), er vesentlig større enn det resterende luftrom (M) i overføringslinsesystemet (24), hvilke aksiale dimensjoner (L,M,N) er valgt for å bringe pupillen dannet av overfø ringslinsesystemet (24) til å falle sammen med den avkjølte blenderåpning (13), at overførings-linsesystemets (24) totale lysstyrke er valgt for å dimensjonere den pupille som dannes av overføringslinsesystemet (24) til å passe til den avkjølte blenderåpnings (13) dimensjon, og at krumningen av linseelementenes (A,B,C,D) brytningsoverflater (1 - 8) er valgt for å fremskaffe lavt felt og pupillavvik.

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at sentrumtykkelsen av hvert linseelement (A,B,C,D) i overføringslinsesystemet (24) er liten, hvorved strålings-overføringen blir maksimal og linseelementenes materialfor bruk er nedsatt.

3. System ifølge hvert av de foregående krav, karakterisert ved at det aksiale luftrom (M) mellom de to sentrale linseelementer (B,C) i overføringslinse-systemet (24) er i det vesentlige null, således at overførings-linsesystemet (24) blir forholdsvis kompakt.

4. System ifølge hvert av de foregående krav, karakterisert ved at hver av linseelementenes (A,B,C,D) brytningsoverflater (1 - 8) hver er sfæriske, slik at fremstillingen av disse elementer er optisk og mekanisk enkel.

5. System ifølge hvert av de foregående krav, karakterisert ved at forandringer av krumningsfeltet oppnås ved valg av tykkelsen av hvert av linseelementene (A, B,C,D) og/eller av det materiale som linseelementene (A,B,C,D) er fremstilt av.