DE1271421B

DE1271421B - Bildwandler

Info

Publication number: DE1271421B
Application number: DEP1271A
Authority: DE
Inventors: Dr Fred Mast
Original assignee: Gretag AG
Current assignee: Gretag AG
Priority date: 1964-06-25
Filing date: 1965-06-18
Publication date: 1968-06-27
Also published as: NL6507764A; CH443717A; US3397313A; NL156246B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ^W^ PATENTAMT Int. Cl.:

G02b

AUSLEGESCHRIFT

G02f

Deutsche Kl.: 42 h-38

Nummer: 1271421

Aktenzeichen: P 12 71 421.5-51

Anmeldetag: 18. Juni 1965

Auslegetag: 27. Juni 1968

Bildwandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bildwandler zum Sichtbarmachen von Strahlen im Infrarot.

Bekanntlich strahlen alle Körper, deren Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt, dem Wellenbereich des Infrarots angehörende Wärmestrahlen aus, wobei die Intensitäten der Strahlungen von der Art der Oberfläche sowie der absoluten Temperatur des betreffenden Körpers abhängen. Der Wunsch, die Infrarotstrahlen in sichtbares Licht zu wandeln und so die Körper an Hand ihrer Wärmestrahlung sichtbar machen zu können, wird seit langem schon geäußert und hat zu sehr unterschiedlichen Realisierungen geführt, ihre Anwendungsgebiete liegen dabei vor allem im Militärischen, in der Medizin sowie in industriellen Anwendungen.

Es sind bereits Systeme bekanntgeworden, die mit Hilfe von Bildwandlerröhren die einfallenden Infrarotstrahlen in einen Elektronenstrom wandeln, diesen verstärken und schließlich auf einem Lumineszenzschirm sichtbar machen. Diese Bildwandlerröhren haben den Nachteil, daß nur ein kleiner und wenig energiehaltiger Ausschnitt des Infrarotspektrums, nämlich der nahe beim sichtbaren Spektrum gelegene, kurzwellige Teil von etwa 0,8 bis 1,4 μ sichtbar gemacht werden kann, während der weitaus größere und energiereichere Teil des Infrarotspektrums einer Anwendung verlorengeht.

Um das ganze Infrarotspektrum von 1 bis etwa 100 μ ausnützen zu können, sind weitere Systeme bekanntgeworden, die auf den verschiedenartigsten Prinzipien basieren, jedoch gemeinsam den Nachteil aufweisen, keine bewegten Vorgänge wiedergeben zu können. So brauchen etwa die mit Thermoelementen arbeitenden Systeme sowie die bekannten Bolometer auch im günstigsten Falle zur Herstellung eines einzelnen Bildes über 1 Minute, womit das Sichtbarmachen von bewegten Vorgängen aus zeitlichen Gründen ausgeschlossen wird. Rascher arbeitende Geräte dieser Gruppe benützen Halbleiterelemente, die mit flüssigem Helium oder zumindest flüssigem Sauerstoff gekühlt werden müssen, was verständlicherweise schwerwiegende Nachteile mit sich bringt. Zudem benützen diese Geräte oszillierende Spiegelsysteme zur optischen Abtastung, was zu erheblichen mechanischen Schwierigkeilen führt.

Ein bekanntes anderes System, welches zur Herstellung eines einzelnen Bildes eine bedeutend kürzere Zeit benötigt von etwa H) Sekunden benutzt ein flüssiges Medium, welches in Abhängigkeil der einlallenden Wärmestrahlen örtlich mehr oder weniger verdampft bzw. kondensiert wird. Ganz abgesehen davon, daß K) Sekunden zur Aufnahme eines Bildes Anmelder:

Gretag Aktiengesellschaft, Regensdorf (Schweiz)

Vertreter:

Dr. W. Berg und Dipl.-Ing. O. Stapf, Patentanwälte, 8000 München 2, Hilblestr. 20

Als Erfinder benannt:

Dr. Fred Mast, Zürich (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 25. Juni 1964 (8319)

immer noch zu lang sind, muß zur Herstellung eines weiteren Bildes die Apparatur wieder in den Anfangszustand gebracht werden, wofür auch ein geübter Fachmann gut 2 Minuten benötigt. Somit wird auch bei diesem Gerät die Sichtbarmachung eines bewegten Vorganges mittels Infrarotstrahlen aus zeitlichen Gründen verunmöglicht.

Um auch bewegte Vorgänge mittels Strahlen im weiten Infrarot beobachten zu können, ist weiterhin eine Gruppe von Bildwandlern bekanntgeworden, welche eine mit der Intensität der Strahlung örtlich veränderbare Steuerschicht verwendet, wobei diese örtlichen Veränderungen zumeist in einer Deformation der Oberfläche der Steuerschicht bestehen. Das darauf entstehende reliefartige Bild wird zur Lichtsteuerung eines optischen Systems, beispielsweise einer Schlierenoptik oder einer Phasenkontrastoptik, verwendet. Die Schwierigkeit dieser Gruppe von Bildwandlern liegt in der Wahl einer geeigneten Steuerschicht, da allen bisher bekannten Steuerschichten der Nachteil geringer Empfindlichkeit und/oder technologisch schwieriger Ausführbarkeit gemein ist. Dadurch wird das Auflösungsvermögen, aber auch die Sichtweite für praktische Anwendungen zu gering. Als Steuerschichten sind dabei bekanntgeworden: Eine Gummimembrane, welche über einen auf einer Glasplatte aufliegenden Raster gespannt wird, wobei die Luft der einzelnen Rasterkavernen bei Infrarotbestrahlung sich mehr oder weniger ausdehnt und dabei die Gummimenibrane örtlich verändert; einzelne, auf Spitzen einer kammartigen Fläche montierte Kunststoffplättchen. deren Reflektionseigenschaften sich bei Infrarotbestrahlung ändern; auf einer

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Glasplatte aneinandergereihte feste Plättchen aus Mica oder einem Polymerisat, welche ihre Oberfläche entsprechend der aufgenommenen Wärmestrahlung ändern; und schließlich, in Küvetten eingeschlossene Flüssigkeiten oder Gase (Kohlenwasserstoff, Bromwasserstoff) wobei im letzten Fall allerdings nicht mehr die Oberfläche verändert wird, sondern der Brechungsindex mit der Intensität der Infrarotstrahlung ändert, was sehr unempfindlich ist.

Zur letztgenannten Gruppe von Bildwandlern gehört auch eine bekannte Einrichtung zur Verstärkung der Intensität eines optisch erzeugten Bildes, bei welcher das zu verstärkende Bild über einen Raster auf eine lichtelektrische Leiterschicht abgebildet wird, die ein elektrostatisches Feld beeinflußt, welches auf _r5 eine durch elektrostatische Feldkräfte deformierbare Gelschicht einwirkt. Hierbei muß die Dicke der Gelschicht etwa gleich oder größer als die Rasterperiode gewählt werden, da andernfalls die Empfindlichkeit zu gering und die Apparatur insbesondere für die Wiedergabe bewegter Bilder praktisch unbrauchbar wäre. Durch die Verwendung der lichtelektrischen Leiterschicht ist die Anwendung dieser bekannten Einrichtung auf den sichtbaren und den kurzwelligen Infrarotteil des Spektrums beschränkt.

Die Erfindung betrifft einen Bildwandler zum Sichtbarmachen von Strahlen im insbesondere langwelligen Infrarot, bei welchem die zu wandelnden Strahlen mittels einer abbildenden Infrarotoptik gesammelt und durch einen Raster auf eine mit der Intensität der Strahlung örtlich veränderbare Steuerschicht geworfen werden, wodurch ein reliefartiges Bild entsteht, und bei welchem die derart verformte Steuerschicht zur Lichtsteuerung eines optischen Systems, insbesondere einer Schlierenoptik oder Phasenkontrastoptik, verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine im Aufbau möglichst einfache Steuerschicht zu schaffen, welche im insbesondere langwelligen Infrarotspektralbereich hohe Empfindlichkeit aufweist. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Stuerschicht durch einen auf einem Träger mit optischer Oberflächenqualität aufgebrachten dünnen Film einer niederviskosen Flüssigkeit mit einer Viskosität kleiner als 20 Centipoise gebildet ist, wobei dieser Flüssigkeitsfilm eine freie Oberfläche aufweist und die Rastperiode des zwischen Infrarotoptik und Steuerschicht angeordneten Rasters größer ist als das 2jt-fache der Filmdicke, und wobei vorzugsweise der Träger aus einem Material mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit und hohem Absorbtionsvermögen von Strahlen im insbesondere langwelligen Infrarot besteht.

Die Erfindung basiert auf der neuen Erkenntnis, daß ein dünner Flüssigkeitsfilm durch partielle Erwärmung und die dadurch bewirkte Veränderung seiner Oberflächenspannung reliefartig verformbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 die Steuerschicht mit dem Raster im Schnitt,

F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 1,

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung in schematischer Darstellung, Fi g. 4 eine Variante der Fig. 1.

An Hand der F i g. 1 soll zunächst das Prinzip des erfindungsgemäßen Bildwandlers erläutert werden.

Die einfallenden Infrarotstrahlen 1 gelangen durch den Raster 2 und den Flüssigkeitsfilm 3 auf den Träger 4, wo sie absorbiert werden. Der Träger 4 besitzt auf der dem Flüssigkeitsfilm anliegenden Seite eine Fläche mit optischer Oberflächenqualität (Unebenheiten kleiner als 0,1 bis 0,01 der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes) und zeichnet sich durch eine möglichst geringe Wärmeleitung und eine große Absorptionsfähigkeit für die Strahlen des insbesondere langwelligen Infrarots aus. Unter »langwelligem Infrarot« wird dabei im folgenden ein Spektralbereich von 3 bis 100 μ verstanden. Als hierzu besonders geeignete Materialien haben sich verschiedene Polyester, Methacrylate sowie Epoxyharze erwiesen. Die einfallende Strahlung wird im Träger als örtliche Erwärmung gespeichert und bewirkt eine Veränderung der Oberflächenspannung des Flüssigkeitsfilmes 3, was zu Einbuchtungen des Films an den bestrahlten Stellen führt. Der Film ist durch eine niederviskose Flüssigkeit gebildet, wobei Schichtdicken von 0,2 bis 10 μ die günstigsten Resultate ergeben haben. Als Steuermedien eignen sich dabei besonders niederviskose Kohlenwasserstoffe, z. B. Dekan, Hexan oder Oktan. Bei diesen Flüssigkeiten liegen die Viskosität zwischen 0,4 bis 1 Centipoise und die relative Änderung der Oberflächenspannung mit der Temperatur zwischen 3,10~³ bis 4,10~³. Die relative Änderung der Oberflächenspannung mit der Temperatur kann durch die Beziehung

1 da

a dT

ausgedrückt werden, worin mit α die Oberflächenspannung und mit T die Temperatur bezeichnet ist. Der Faktor f stellt in der erfindungsgemäßen Anordnung ein Maß für die Empfindlichkeit dar.

Der Raster 2 hat die Funktion, auf der Steuerschicht 3 auch bei homogener Beleuchtung Temperaturgradienten zu schaffen. Er besteht vorzugsweise aus einem Metallgitter, wobei Loch- und Stegbreite mit Vorteil gleich groß gewählt werden. Für die Größenordnung einer Rasterperiode d, worunter die Breite je eines Loches und Steges zusammen verstanden wird, gilt erfindungsgemäß die Bedingung:

^<1

in der ζ die Filmdicke bedeutet.

Unter der Voraussetzung, daß die Verformung vv der Oberfläche klein gegenüber der Schichtdicke ζ bleibt, was bei der praktischen Realisierung des Erfindungsgegenstandes stets erfüllt ist, wurde gefunden, daß die Verformung w bei einer bestimmten

Empfindlichkeit ε = —jf um so größer wird, je größer das Verhältnis d/z ist, d. h. je kleiner die Dicke ζ des Flüssigkeitsfilmes ist. Anderseits wurde gefunden, das das Verhältnis d/z nicht beliebig groß gemacht werden kann, da sonst die Verformung der Flüssigkeit schnellen zeitlichen Änderungen der Temperaturverteilung nicht genügend schnell zu folgen vermag. Somit ist diesem Verhältnis eine obere Grenze gesetzt, die neben der gewünschten zeitlichen Auflösung des Systems noch von der Wahl einer Reihe von Materialkonstanten abhängig ist. Bei einer praktischen Realisierung zeitigten Verhältnisse d/z = 100 bis 300 die günstigsten Resultate für eine Zeitkonstante von etwa Vio Sekunde.

Die Zeitkonstante τ, mit der zwei aufeinanderfolgende Bilder betrachtet werden können, setzt sich zusammen aus einer mechanischen Zeitkonstante t,„, welche der Flüssigkeitsfilm zur Ausglättung seiner Verformung benötigt, und einer thermischen Zeitkonstante r_r, welche für die Abführung der örtlich gespeicherten Wärme maßgebend ist. Für diese beiden Zeitkonstanten wurden die folgenden Beziehungen gefunden:

2nd

wobei // die Viskosität des Flüssigkeitsfilms in Poise und α die Oberflächenspannung in Dyn/cm bedeutet, und

τ_Γ =

20

wobei c die spezifische Wärme in cal/cm³ und λ die Wärmeleitfähigkeit in cal/sec · cm · C des Trägers bedeutet. Die resultierende Zeitkonstante τ = /(t„,, τ_τ) liegt dabei in der Größenordnung der größeren der beiden Zeitkonstanten. Es können ohne weiteres Werte von τ = ¹Z₂₀ sec erreicht werden, was etwa dem zeitlichen Auflösungsvermögen des menschlichen Auges entspricht. In der Formel für r_T erscheint die Filmdicke ζ nicht; sie ist vernachlässigbar, da die thermischen Eigenschaften des Trägers durch den dünnen Flüssigkeitsfilm praktisch nicht beeinflußt werden.

F i g. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1. wobei ersichtlich wird, daß der Flüssigkeitsfilm 3 eine Einbuchtung an jenen Stellen erfährt, an denen die Infrarotstrahlen 1 durch den Raster 2 auf seine Oberfläche aufzutreffen vermögen, und daß der Flüssigkeitsfilm anderseits dort eine geringe Ausbuchtung erfährt, wo infolge der Abschirmung durch den Raster keine Infrarotstrahlen auftreffen können.

F i g. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bildwandlers. Die einfallenden Infrarotstrahlen 1 werden zunächst mittels einer Infrarotoptik 5 gebündelt und durch ein Infrarotfilter 6 sowie den Raster 2 auf dem Flüssigkeitsfilm 3 abgebildet. Zur Sichtbarmachung der hierbei entstehenden Deformationen des Flüssigkeitsfilmes dient eine Lichtquelle 8, deren Strahlen durch ein auf der dem Flüssigkeitsfilm abgekehrten Seite des Trägers 4 angebrachtes Prisma 7 auf die Rückseite des Flüssigkeitsfilmes 3 geworfen und von dessen freier Oberfläche total reflektiert und gebeugt werden. Die Lichtstrahlen werden anschließend in einer Linse 9 gebündelt und einer Schlierenoptik 10 zugeführt, wobei Strahlen, z. B. 11 und 1Γ, die an unbelichteten Stellen des Flüssigkeitsfilmes reflektiert werden, auf den Barren der Schlierenoptik geworfen und somit für das Auge 13 unsichtbar bleiben, während jene Strahlen, z. B. 12, 12' und 12", die an belichteten Stellen des Flüssigkeitsfilmes zusätzlich gebeugt werden, als Bildpunkte außerhalb des Barrens und symmetrisch zu diesem erscheinen. Je größer die Intensität der einfallenden Infrarotstrahlen, desto stärker ist dabei die Beugung der Lichtstrahlen der Lichtquelle 8 und desto heller erscheinen die Bildpunkte 12 und 12". Zur Sichtbarmachung der Deformationen des Flüssigkeitsfilmes eignen sich natürlich auch andere optische Systeme, beispielsweise eine Phasenkontrastoptik.

F i g. 4 zeigt schließlich noch eine Variante der Fig. 1, wobei der Raster 2 der Fig. 1, welcher aus einem Linien- oder Kreuzraster bestand, durch einen Linsenraster 14 ersetzt wird. Der Durchmesser der einzelnen Linsen des Linsenrasters ist dabei mit der Rasterperiode d des Linien- oder Kreuzrasters identisch, so daß bezüglich Verhältnis der Rasterperiode d zur Schichtdicke ζ des Flüssigkeitsfilmes das früher angegebene Verhältnis

2π

gilt. Der Vorteil des Linsenrasters gegenüber einem Linien- oder Kreuzraster liegt in der Tatsache, daß nunmehr sämtliche Infrarotstrahlen 1 auf den Flüssigkeitsfilm 3 gelangen, dieser aber weiterhin ein Netz von Punkten besitzt, welche nicht von Infrarotstrahlen getroffen werden können und somit Temperaturgradienten schaffen. Auf diese Weise läßt sich eine· Empfindlichkeitssteigerung von einem Faktor 2 erreichen. Der Linsenraster selber wird aus einem infrarotdurchlässigen Material gebildet.

Claims

Patentansprüche:

1. Bildwandler zum Sichtbarmachen von Strahlen im insbesondere langwelligen Infrarot, bei welchem die zu wandelnden Strahlen mittels einer abbildenden Infrarotoptik gesammelt und durch ein Raster auf eine mit der Intensität der Strahlung örtlich veränderbare Steuerschicht geworfen werden, wodurch ein reliefartiges Bild entsteht, und bei welchem die derart verformte Steuerschicht zur Lichtsteuerung eines optischen Systems, insbesondere einer Schlierenoptik oder Phasenkontrastoptik, verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschicht durch einen auf einem Träger (4) mit optischer Oberflächenqualität aufgebrachten dünnen Film (3) einer niederviskosen Flüssigkeit mit einer Viskosität kleiner als 20 Centipoise gebildet ist, wobei dieser Flüssigkeitsfilm eine freie Oberfläche aufweist und die Rasterperiode des zwischen Infrarotoptik (5) und Steuerschicht angeordneten Rasters (2, 14) größer ist als das 2:r-fache der Filmdicke und wobei vorzugsweise der Träger aus einem Material mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit und hohem Absorbtionsvermögen für Strahlen im insbesondere langwelligen Infrarot besteht.

2. Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rasterperiode (d) das 100-bis 300fache der Filmdicke beträgt.

3. Bildwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filmdicke (z) 0,2 bis 10 μ beträgt.

4. Bildwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsfilm aus einem niederviskosen Kohlenwasserstoff, insbesondere Dekan, Hexan oder Oktan, besteht.

5. Bildwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (4) aus durchsichtigem Material, vorzugsweise aus einem Polyester, Metacrylat oder Epoxyharz, besteht.

6. Bildwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Flüssigkeitsfilm (3) abgekehrten Seite des Trägers ein Prisma (7) so angeordnet ist, daß es einerseits die Strahlen einer Lichtquelle (8) auf die Hinterseite des Flüssigkeitsfilmes und anderseits die an der deformierten Oberfläche des Flüssigkeitsfilmes gebeugten und total reflektierten Strahlen dem optischen System zuleitet.

7. Bildwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Raster durch ein Linsenraster (14) gebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 934 313; deutsche Auslegeschrift Nr. 1 114043; britische Patentschrift Nr. 778 376.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 567/247 6.68 Q Bundesdruckerei Berlin