DE1464443A1

DE1464443A1 - Optischer Empfaenger

Info

Publication number: DE1464443A1
Application number: DE19621464443
Authority: DE
Inventors: Gerald Falbel
Original assignee: Barnes Engineering Co
Current assignee: Barnes Engineering Co
Priority date: 1961-12-04
Filing date: 1962-11-28
Publication date: 1968-12-12
Also published as: GB957259A; US3271575A; CH434773A

Description

DR. I. M. MAAS-PATENTANWALT

8 MÜNCHEN 23

LfNQERERSTFiASSE 20

Dr. Expl.

Barces Engineering Company,Stamford r. Connecticut·

4.

Optischer Empfänger _o

Die Erfindung betrifft ©inen verbesserten, optischen 3mp~ fänger, insbesondere einen infrarot empfänger.,

Ss sirad viele Empfänger bekannt, die optisoha Strahlen in alektrische Signale transformieren„ Im sichtbaren Bersich des Spektrums gibt es eine Anzahl hochempfindlicher Detektoren« Die durch die Erfindung gelösten Probleme haben in dem sichtbaren Bereich des Spektrums eine geringere Bedeutung, obgleich sich Detektoren, die von dem erfindungsgemäßen Prinzip Gebrauch mechen, auch im sichtbaren Bereich des Spektrums gut verwenden lassen» Im Infraroten and ins·= besondere im langwelligen Bereich des Infraroten sind die

809812/0335

~ ζ —

bakamrben I^toktoran nichi; genügeiiä snipfiYxllich, was sich inabesondors bei geringes· Strabl<2nint©nsität aehr neohteilig au3v;ii'irto Bio3 igt besondere i;oi -äsr Verwendung von 'Th&rraj.'öüOrboloiBOfcGrn der />·&!!. coi datier; der Eapi'srig durch zliien viärmecmpfincilicbon Widerst?nd oder ein¹ ähnliche s jSIerierri; bowirkt v?irä, clesssn l/iöerstancl aiöh in Abhängigkeit von der ^rDei3psraoU2? änderte, la gleicher Weise tritt im Snaainmanbang mit der Vei-vjsndung von Photoleititxvn, deren WidsrcataudsänOiermig von de η Protonen der auftrefi.en- den Struhlu^s herrührt; _t das gleich« Problem der beschränkten Biapfiiicllichlceit auf« Deshalb verden viele Instrumente nahe an ihrer Brauchbarkaitagranz-e betrieben, die durcch das Rauschen und snasro Faktox^n geostst isto Aus diöKora Grund ist eine Vergrößerung üe:-:^j Empfindlichkeit des Streh~ lenempfärigsrs sehr ttfichtigo Mit ainer größeren Empfindlich koit kann in manchen-Fällen ein 'XiiKtruaententyp für. oe« stimmte Verwendungszwecke geeignet sein, für die er vorfcsr au unempfindlich war.

Einer dor die Eoipfindlichkeit beatiramendon Falcöo:i*en"ist die Größe des die Strahlung empfangenden .Elements (im Falle eines Thermiatorboloineters die wärmeempfindliche Widerstandsfolie)ο Im allgemeinen ist unter sonst gleichen Verhältnissen die Empfindlichkeit eines Detektors der Quadratwurzel seiner Fläche umgekehrt proportionale Dadurch

809812/0935

BAD QHlGlHAL-

V-

x-;e:cue:o }:Ie:ui3 Detektoren vorgt:sogen, vios ru . dev y-llgeinei— aa::i 'Vcrvvanduiig; von sogenannten Iiaiii^sionsaGtefctox^en i'üürfcebsi. demo« der Smpfacger in optischem Kontakt mit einer JjincG i.i)g3orGti3t ist oder in der Linee "eingebettet" iat« Wen:: c-iae Liailxlcugelforraige Linse vörv.;ft:n<3<3t wii'd, bei der flor- Kapfänger auf der Rückseite tier Linse in dem KrÜEffiuingsaentrma de:c spliärisehen Idnscnflache ssentriert ist_t wird eine Vergrößerung der Empfängereiapfinciliclilreit erreicht, öie ?:;h<8»u dem BrechuDgsinäex des Liasemnaterials entßlJiichte Bei einem Hyperimmersionsempfanger. ä_oh_o ein E;H].'fö::'.g3r_t dez¹ in optisciicrn Kontakt auf einar Linse an s.insr Stelle angeordnet odei* sin^ebsttet ist. dio sich 4^eo~ 33its c'.ea KrüramangaZentrums eier Lineenobsrflach© befindet» ist es bei geeigneter Konatrulction der sncleren Elemente des ciM/igohen System3 möglich, eine Detektorempiindlichkeit su erJrilten, die größer als diejenige, fixe dei?i Brecbangsrlnr¹ ?x d.e$ Linsenmatei'ials entspricht, ist_o Iffli3er3ionsthermi.storbolometer haben deshalb im Gerätebau, eine wichtige Stelle eingenommen und werden immer mehr and mehr verwendete Typische Immersionsthermiatorboloraeter werden ia den US-Patentschriften 2 983 888 und 2 994 053 beschrieben. Im infraroten Spektralboreich> wenn bei Wellenlängen länger ala "J,Sμ gearbeitet wird, »erden Üblicherweisa Oeraie·· niualinsen v&% eingebetteten ßf teldbpren verwendet» wobei ..^ der hohe Brechungsindex von Germanium, 4_t einen bedeuten— \, den Enpfiodlichfceitsgewinn des Detektors ermöglicht«

869812/0 93 5 ^_iBAD,_0R|ö(NAL

Iraners i ο ii;3 ve loißeter -nelson 'trots ihres praktischem Wertes immer noch gewisse Kachteile aufο Erstens sind mehrere Elemente für die Sammeloptik des Instrumentes, ia dem sie verwendet werden, er forderlich _e SuEstslich su der Sanunsloptik selbst_t die dicptz'isoh oder katoptrisch sein ksrm, sied in vielen Fällen eine G-esicirfc' roldblende und Feldlin~ aen erforderlich und natürlich weist öse Bolometer selbst eine Linse und den geeigneten Strahlendetektor auf„ Bio Felßlinse ist in den meisten Redio^stern ©in waaentlicJiex· Beatandteil; Vienn es ei'forderlich iot, fisß die p^anse Bintrittfspupille des Instruments euf öen Detektor abgebildet viirä, um Scbv?isrigkeitsn su vermeiden^ die durch die Ungleichföraigkeit des Detektors bedingt sind und um eine maximale iSnergieausbeute zu erhaltene

Dor zweite Nachteil ist in der Natur der Irnmersionsoptik selbst su finden» Wenn eine maximale Empfindlichkeit durch Verwendung von Linsen mit sehr hohem Brechungsindex, wi© ζ.Β» aus Germanium, angestrebt wird.< treten Reflexions-Verluste ein« Hierfür sind zwer zufriedenstellende Antireflexionsüberzüge bekannt, aber solche Überzüge sind nur für einen begrenzten Wellenbereich brauchbar and bei Instrumenten, die über ©inen sehr großen Wellenllänr;enbereich arbeiten sollen, stellen diese Reflerioneverluste einen wesentlichen Nachteil dar«

809812/0935

Dar dritte flachkeil, eier' sben.falis in Srschoinung tritt, wenn des Instrument über öinsn großen Mollonlängonbereich arbeiten soil» ist durch ©in chronistisches Phänomen bedingt ο Währsnd Germaniua soinon Brechungsindex

bei V/s Ilen längen v;es3ntlich großes.· als dia, weiche der Grertsfrequenz des Germaniums entsprochen, sehr wenig ait der Wellenlänge ändert, iät es dennoch nicht achromatisch und r.ndere Linsenmateria^ien zeigen hierin noch schlechtere Eigenschaften_o 3in anderes chromatisches Phänomen ist das der Aüaorp'bionsbanäen» Dies kann sehr schwerwiegend in Erscheinung bei Linsen au3 Silicium treten und sogar Germanium beginnt bsi sehr langen Wellenlängen die Strahlung unvollkommen durchzulassen., Dar vorliegenden Er— bindung liegt die Aufgabe zugrunde, Instrumente unter 7er-•iendung Λ^οη Detektoren mit vsrgroBerter Empfindlichkeit au schaffen, wobei einige oder alle der aufgeführten Nachteile üblicher Imaersionabcloraetsr beseitigt oder vör-rin-

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die vergrößerte Detektorempfindlichkeit durch-.-ausschließlich katoptriache Einrichtungen erhaltene Zwar ist der Wirkungsmeclianieiaus nicht.derselbe wie der eines eingebetteten Detektors, die Ergebnisse eind aber, vergleichbar, el „h «die Energie--wird " bei einem gegebenen Geaichtsfislfl anf ©ine" sehr·'-Meiae'

ORlGiNAL 809812/0 935 . f

üo&fcos^-I^ühs toiisenträert„ Aul discs Feise .jol'jc-i.ft. ßie Ir i'iiiduiifj eina .anordnung ₅ dicyan den Ä^Jtopti'iHoho Analogon äer I?:M;:r^i>r r^rrien kann ο Sfoa^ si^d die Srßebsissot bsicia Änorclnuagsn vergleichbar, -c"sr VJiricaaejsnechaniaKius -d-er er-»

etrriebsbadiniiuiiseai als sia bei gewöhnlichen,
Bolose iiem vorliegen ο

.Des y®s@iix;Iiche Merfefficil dar Epfindsir-g best^Iii in iä

aung eines. Ke^alst^ap?as-mit B^;;ark E^flec-fcierend

fläche« auf -Sae:.;©« ί-iii öer ;^r;cfc:n2lerem Sliinsoeitü eageo3?dn2-tem Boäen ßsr 8trsnlunt;3d^t3lx:v;or angsorcinet labo Bar Ort

nang vxiä ui3 Konusviir.ksl müssan rola-äiv genau suf· aor abgestinuat soin, um dia Yorteilo ά?.β«·'τ erfin-

Sea ?iaßnabaie auaaaaätsaiu V.'i8 v?sites? unten auesgo— füfcrt i;-33?clen. ^ird, ist v^a möglich, UDter- YaiTiiigeriiBg des Koaus'rfinkels <äie Detaktorgx'Qße bsi einem bestimmten Ge~ sichtefeM obenf^ils esü vei^iiigsrü miä da-ait dessen Empfiaälichkeit s^u -yergsioBoriie Prskti3.₍ch sind ;J3aoah si?ie^
beliebigen E&ptivAllQhlzeiisvQTgv'oBsT-aBs üiorüurcli ß-rcTi^cn gesetat, <3s ais Kohus suit eehx¹ kleinem Soigang^inicöl dor fläcjis s« 3.aKg wird, sIk daß. noch oino ■»/Qr-iiüni'olga ■ tf^oifnuDg für die Anoranung ©rlialtaa ν?ιίϊ'α^π kam" ο '
Praktisch veriiur-tcar-s Inatrumante sind Iku wicht liefe ibrer raa2tinialen Läiigsausäalinung in bestißmtem Umfang begreea-at

809812/0935

■ma wcsnii sine selche Bs'gre-nsaßg gegeben ist_s wur-.-de gefi3ii«^c '■ aen5 daB sixt sinö:u .optimalen Kormswinkel· euer einem J£l'e sen l«:-.nk?l"i)eraio& axe ls'eEtsn-(i0sac;tergebnIi.-3© erhalten

(I der i!i^ur%3n v/i.mdie Brfindimg beliipials^fei

I sssig'G Giuen schematlschex» Schi»i1;t dureii eia

.. das eine Fe ld linse tinä eiaeti

Figur 2 zeigt einen ähnlichsa sobeittestisclien Schnitt s3.ie Optik und den Detektor nach der vorliegenden- HTf

and ■ ^N ·

5 se igt den Konus"'und den Detektor in vergrößertem·"

Mb^stabο - ' .·'·"■

Figur- 1 aeigt den üblichen optischen Aufbau eines rait einem IraaersiloKsbolometer ausgerüsteten Instrument So Di© ö-amm©!- optilr ist -als typiRciies Gassegraiii^System 'ausgeOilöeii mit: einem er'stsn Spiegel 1 unö""einein svjeiten SpΪeg©I 2,_; e Gesicbtsfeldblende 3t einer Linse 4 und einem Detektor 5»· D@r Detektor besteht aas sswei Arten von El© meinten _t einer Imsierstip ns linse' und den ©igentliolien:

BW3 .

Wenn die LiBse den ele-kiirieGlicm Strom IeA-tj wie ©s bei G-ensanitan Sex* Fall ist.," kommt al3 drlirfces Sleicent noch ein© isolierende Schicht hlnsa.» Wenn saa die' Samaieloptil-:: als ein Element aasieht;_:> erfoi?aex^ät also" aieses System wenigstens füiif Elemente _s di© Sainmelopti-k, "äie sichtsfeldblend© ₉ die Feldl'inse, die" Imrasrsi-Oiislinse den

In .figur 2 ist ein ähnliches Instrument _f das nach der Erfindung aas-g©bildet'let₈ dargestellt■«, "fileich© -JPeila sind mit denselben Begragsseleiien bezeichnet* BIe Cassegrain;= Bammeloptik ist dieselbe -«Is in 3?ig.ur to Sie ist als eiaar "übli eisen Samraelöptik dargestellte Anstelle der sishtsfeldbienä©_s dsr ]?e'ldlinse Ond das ist erfinöusgagamäß eih Kegelstöiapf S mit einer reflektierend©!! Innanfläch® angeördn'eto Bin© 7 ist aiii" dem -Boden B des Kegelstumpfss ang&ordnet.c dargestellte Kegelstuiripf bewirkt diesslbe T^rgroßsrong der ,i^cipfindlieliksit j dolle dieselbe mögliche Verkleinerung der Detektorfläche wie bei der .Anordnung in Pigur Ί« Es wirö bei?ont_t daß ^nstell® von Änf Elementen in einem ei>iünduGgsgemäßen ßerät lediglich nur drei'ElemeniT© den sindo Der Kegelstumpf ersetat diedie Peldiinse uad die Immersionslinss _o Mit »eaigsr" ten ^ird also ^ieaalb© 2?JKnkMon eriialfeea -ma&v. enäsrs.

BAD OftfGINAL

gedrückt, durch die Verwendung a©a Koη us worden äie £©·=- sichtsfeidblende uM die Feldlinse er set st, .jedoch deren Funktionen voll übsrnomsiSEu Auf diese'Weis© itfird der erste Kaehteil üblicher Immersionsiastrumexite, nämlich die. ver° .bältnismäßig große Azisahl von Elementen beeeitigto ' .

Der sweite MachteiF wird ebenfalls weitgehend x'eöussisrfc _f i'iiöem äiiB Refiesionsverluste eier Linsen and die unvollkommene SOIttisierung bei Änderung der Wellenlänge vex*ringer-t oder beseitigt werden«, Bs ist möglich, reflektierend© Oberfläolien mit so großem Reflexionsyermägen iiex'smstsll@n₃ daß die ,fieflexiossveriust© lediglich ©in kleinsr Brucliteil äer^enigen sindj die bei Linsen auftreten, selbst wenn die« ss mit besten Antireflexionaübsraügsn versehesi

Der dritte Hacbteil, äie ungleichmäßige Durchlässigkeit in .abhängigkeit ¥on verschiedenen Wellenlängen ist natürlich vollständig- eliminiert, ds der Konus -vollständig achromatisch ist ο Alle drei tisch teil© üblicher XmzQorsioiasdetek«» toren sind deshalb weitgehend vermindert oäar beseitigt» '

■■■■■- ■ "■■.:■-■■■?■ "

schön System angeordnet v,-erd®n_e Es müssen sogar bestimmte,. {jedoch konstruktionsmäßig sehr einfache Bedingungen beach-

BAD ORiGfNAL 8 0 9812/0935 :■ · ,·■/>■ , - : . :„■:

tet w-srüeiü arsons cu3 d«;,' Konus ^tcjestumoit f^rden u.vi? eis Stelle asr ;l!rplat1amg ist von ϊϊολ fc Lg'-^it tixy> die ,Is Stimmung cbs /ussaS^s der ^Ripfinalicnlco Detei:i;oro₀ pueltsnni muß der- 5or;'u"s i?-:r.s«. 1?j ί'φί;.1?-ί3ίΐθ:·;· B'lucnt In &am System a^aordnet Ήβ^α-ί.ί ίDior·;^ ley^tsro }-e de rusig bsQ&atst ·■£%&*! öinfacli; rlaB ö.cz·· 'ionas so &-£g-süXräi'e

v;är'ä) la de?? Broxifisb^na äu\ Sarnffielopöik su iiege.ii icoffm^t. Dies ±3t In i'igar 2 srläufeert» wc die öpi^nö des Konus, dia ά.nrch die. .g-Ootriot-c-lf gsseichnsta Yarlnrigii^ang dar

Denfläcii3 ^ag^bon xnt₅ in der Β:;3ο;ΰθ!·-:κιο 9 ai?geor ist ο Diese 3OxderuBc irjt sr^r aot^rmligc rr;;s.-llu .je·'-· k'üiii mechc-niechös Problen ir; sinc?i:. jxaüO^t.^ixüii^ii Sy

stem ds-r* da die Bre-mefcü^e ur.c'.b2iän£;:lg χμηώγ am selben Ort bleibv;_a

'Es sind noGh w-ei'tere wichtige EezleSiuagea ixi tifcm i'oni?.a au osafslrben.. Bär Or'fe., sa eiern cU$k- IComisa ao^&ßtuKpi'fi iot oder ¥ialtifc-lir ü®t Cr^₉ aa eiern das Petelrtoreiemeiit. . ' . angeordnet ist_? bildet eine Söit€. eia&ö resi'.Xäx'ö!« .'.-, Vielecks ρ äesaiin S en trum mit der Fomasnpdts;® üi?u^3₃Kö?ifällt ο Dieses Polygon wird als Biidpolygon b-^ se lohnet und ist in den Figuren 2 ν.ηά 3 dargeatell'U Me lOax··=. stellungsweise ist sv;eükmiißig₉ da ein Strahl des* geradlinig durch.den Körper ä'feo JKonue auf das Bildpölygon" ' auftreffen vrfirde, sum Detektor reflektiert yirdo Dies

809812/0935 . . BAD

-i> ■ 1464*43

1st in Figur 5 ©rläntert* vm äi>® YerliSagerung toa Strahle» 1^!ö ~wlü 11 $srg&s'tellt .Ist» Ber Esöä-tts des 'fe⁸" polygoa iamsslaipeiiaeaden "Kreises ;st.ellt Sl@ atiiig des Systems" dar.,, wi© Is. ]?i-g&r '5 -anrgestellt^ Itesfealfe übt der Exssius mfcM mtr ©ise BeaktfcioE amal.og d@T Hmmersiöa

Die Yeraisiöerung der Dettktarfläclie wird -durch Vsrgx»5'ß-erTasig

einer Seite dßas&lfrsn err-eli&lito PfoysikaXlsoli v;irl €t,e^?ses durcli gwei Faktoren \m± -der Koastralctiom umnts, aämleli dian. Konmswlnkel xmä &&& ört_s der Komas .atigeBtiampit vxi& äer Betelctör ang®ordxte-t 'is-t sind der .female' -Aleaes Y©rfoäItHisa@8 praktle-cite gesetzt η JSPsteas amB @ia "b©Btiismt@r Bereidh des der Absti2ffipfung irel l)l'.elben im,d vr&3an der großen SpitsemwialEsl fc@sitst._s ist img®iaüg fläefe© Torhanäeao D;er .KaauBVfiakeX mßß wemiger als 90 sonst wlrä fesin Gewinn erhielt« -Ebenfalls sollt® winkel, nitsht viel größer seim als der Windel_s der -durcli

der Samm@3&p%iTc :g:egBib@n iBto 2uii Beispiel :ist im Figtjr 2 aier maximal© Eonuswiiafegl dargestellt^ d«r die .-gesamib®"-S&ea?gi-.e ^toe -dem s\s®f%^a -Oassegrstin^Splegel;

s jeäoüii siad auch hier &ren&©53. gesstat, Viele Znstru·= seat© erfordern ein bestimmtes·., minimalsa Gesichtsfelde Be ist ebenfalls unpraktisch^ eines. Konus von zu verwenden _t da eis. Instrument normal erweist für KaximeldlmenelQnen ausgelegt sein raußo Bei einer gang bestimmten maximalen länge nimmt die Wirkung des Konus ab, wenn d@r Konuswink©l zu klein wird, da bei diesem !deinen Winkels, die "Verfeleinermig der Aperturblende des Instruments ©twa einer Quadratiscnen Funktion gtiiorclit, während d@r Empfini=" liehkeitsgewinn annähernd einer linearen Funktion gehorclili* Dadurch, ist dem Konuswinkel eine praktisehe untere Grenze gesetzte Deshalb soll in der Praxis"-das Verhältnis des BiXd-* polygonradius gm dem Radius der Betektorfolie. den Wert τοη 12 bis 15 nieht. wesentlich überschreiten_o Bsi diesen Werten vrird ^ine EmpfindliohkeitsvergrSSeruxig erreiehtj, die mit der Impfiüdliehkeitsyergroß©rung vergleichbar iät, die günstigstenfalls mit den besten Hyparimmersionslinsen erhalten werden kann_f wobei natürlich die schwerwiegenden Problem® der Iiinsenrefleicion beseitigt v/ur den ο - -

ίie Erfindung wurde bisher in Zusammenhang mit einem katöptrischen System beschriebeno Im infraroten Spektralbereieh haben diese Systeme so viel© Vorteile, daß sie fast aus= schließlich verwendet werdemr Die ErfiMung ist jeöoch nicht auf katoptrisGhe Sammeloptiken beschränkt ο Es ist auch möglich, dioptrische Optiken zu verwenden, wie ein Linsen«= objektiv, wobei entweder der Welleniängenhereich eng gewählt

^l BAD ORIGINAL

ivird oder wean aus ßrü&äen dar Saumersparnin e-ln !cata seiles Instrument wiinschesswert ist«, Solefco liia :rumonte kö deshalb aush In einem erfindungsgeras'Jieii G-ex-äfe vorgesehen sein

Bestimmte Instrumente, arbeiten nicht rait Sanuaeloptikmi mid dies ist auch mit einem Betektoreystem tfach der vorliegenden. Erfindung möglich, In dieseiEB'all stellt dio 3\:.m±% äe® Kenias die Eingangspupill© des SystoMö das.. Alle Verteile_s die ,oben, aufgeführt wurden« "werden erhalten., fSsanE^loptikea sind deshalb nieiit absolut erforderliciis obgleioh &ie für viele instrumente wegsn dem. vergrSB^rtea Energiögil-"rlim₉ äen sie ermöglichen, wertvoll

Die erfindungsgeaiäßea Instrumente X¹^uTSeU in .Susammenliang mit einem Detektor erläutert, der %üf dem 'metallischen Bade des abgestumpften Konus angeordnet isto Dies eriflS^liehf al® ' ¥sr^eßdung von Detektoren mit imrsen ZeitkouBb-jnten, was in vielen fällen vorteilhaft- iet_?' iasbesonrlere-^ -.c^nri-das empfangende Sjstem ein, TlieriBi3torboIo.'f.et©r is fco Bei Instru·= mentsn, bei denen eine masifflale Emp:iinälieliIiT'It gefoi*äart' . wird j und bei denen r^l&tiv lange göitkciiotaiii-sn in Kauf genosmisn werden können, ist eo auch MlgÜeli* iie Detektor« folie unter' Zwischettecraaltung■ einer isoliereuesn wie s,Bo siner Kunststof f unter lage ₈

80 98 1 2/0935'

Claims

Patentass ρ r ü s h e

f 1 ο/Instrument sum Wahrnehmen optischer Strahlungen₉ dadurch gekennzeichnet, daB ©s einen abgestumpften Konue auf we 1st _t dessen innere Oberfläche in dem W_@lleitbereiüli der· Strahl©^ die empfangen xferden sollen, reflektiert, daß ©in Empfänger

:■■'· in dem afegeatiiiapften Ende deo Konus angeordnet ist_e daS eier SonuswdnSel tiad die Basis so gewählt werden« daß ä©r Siireh" : . -messer eines Bildpoljgons„ dessen Zentrum siöh 'am Ort der

=' ; . gedashten Konu^spitss befindet uad dessen Seiten die Länge . ." der Kegelafestumpfimg besitsan_? 'so gewählt ist«- daß dar Bureianesser dieses Bildpol^gons im Vergleich su einer Seite groß ist β ...

•2. IriatruBient naöh A&spruch 1_S dadurch geleennseielinetj," daß eine Sammeloptik vorgesehen- ist_g deren Brennebene seit dsi^b gedachten Spitse des Konus zmsammenfällto

Instrument nach Ansprach 2₁ dadurch gekennasichnst_¥ daß die Sammsloptik katoptrisch ieto

BAD ORIGINAL. 809812/0935