DE3785585T2

DE3785585T2 - Kompaktes optisches radiometer mit wellenlaengendiskriminator.

Info

Publication number: DE3785585T2
Application number: DE8787905377T
Authority: DE
Inventors: Max Amon; E Odhner
Original assignee: Martin Marietta Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1986-08-18
Filing date: 1987-08-05
Publication date: 1993-07-29
Anticipated expiration: 2007-08-06
Also published as: EP0318499A1; EP0318499B1; JPH01503637A; US4746798A; JP2908795B2; WO1988001397A1; CA1295157C; IL83391A; DE3785585D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wellenlängendiskriminatorradiometer und genauer gesagt auf Einrichtungen, die verwendet werden, um zwei oder mehr interessierende Wellenlängen in Winkelrichtung voneinander zu trennen.
Es ist bekannt, daß eine Wellenlängendiskriminierung (Auftrennung nach Wellenlängen) durch Auffangen breitbandiger Energie und die anschließende Isolation von speziellen, schmalen, interessierenden Bändern und deren Abbildung auf Energiesensoren bewerkstelligt werden kann. Schmalbandblitze bzw. Signale werden (dabei) leicht erfaßt, da derartige Signale einen elektrischen Strom in nur einem Kanal einer Einrichtung nach dem Stand der Technik auslösen. Die Methode, nach welcher man den Entwurf für eine solche Einrichtung üblicherweise auslegt, macht von einem einfachen, katadioptrischen, afokalen Teleskop Gebrauch, um die einlaufende Energie parallel zu richten und zu bündeln, sowie von zwei dichroitischen Strahlaufspaltern, um die interessierenden Wellenlängen zu isolieren. Typischerweise folgen hierauf drei getrennte Abbildungsoptiken, drei getrennte Detektoren und drei getrennte Kühleinrichtungen für die Detektoren. Offensichtlich wäre es von Vorteil, wenn man eine wirkungsvolle Technik finden könnte, die die optischen Wege durch eine einzige Abbildungsoptik miteinander verbinden würde und durch die die drei Detektoren auf einem einzelnen Detektorkühler angeordnet werden könnten.
Die Vorrichtungen nach dem Stand der Technik verwenden typischerweise einen großen Primärspiegel, der dazu dient, die Energie von ausgedehnten Quellen aufzufangen und abzubilden. Die Energie wird dann wieder parallel gerichtet, um ein klassisches, Newton'sches Teleskop zu bilden. Drei dichroitische Strahlaufspalter werden dann in dem Raum der parallel gerichteten Strahlung angeordnet und trennen die drei ausgewählten, interessierenden Wellenlängen ab und schicken sie auf drei getrennte Abbilderoptiken und auf drei getrennte Detektoren. Dies ist eine direkte Lösung, führt jedoch zu einem großen, schweren und teuren System.
In dem Bemühen, Systeme dieser Art zu verbessern, ist die vorliegende Erfindung entwickelt worden.
Die Erfindung stellt ein Wellenlängendiskriminatorradiometer bereit, das darauf ausgelegt ist, breitbandige, aus vielen Wellenlängen bestehende Eingangsstrahlungsenergie zu sammeln bzw. zu bündeln, spezielle, interessierende, schmale Bänder zu isolieren und gleichzeitig solche schmalen, interessierenden Bänder auf entsprechende beabstandete, getrennte Detektoren abzubilden, wobei das Wellenlängendiskriminatorradiometer aufweist: Einrichtungen, um eingehende Strahlungsenergie, die einen bestimmten Wellenlängenbereich hat, durch einen ersten und einen zweiten planparallelen, wellenlängenselektiven Reflektor zu lenken, welche durch ein Medium voneinander getrennt sind, das die interessierenden Wellenlängen durchläßt, wobei die wellenlängenselektiven Reflektoren nicht parallel zueinander ausgerichtet sind und in einer geometrischen Doppelweschaltung angeordnet sind, wobei Energie einer bestimmten Wellenlänge, die von dem zweiten wellenlängenselektiven Reflektor reflektiert wird, durch den ersten wellenlängenselektiven Reflektor von hinten hindurchtritt, und Einrichtungen, um die Energie aus den ersten und zweiten Wellenlängenreflektoren auf die jeweiligen Detektoren zu richten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung haben wir ein optisches Wellenlängendiskriminatorradiometer erzeugt, das in Winkelrichtung zwei oder mehrere, interessierende Wellenlängen in Winkelrichtung voneinander trennt und dann ihre Wege wieder durch eine einzelne Abbildungslinse rekombiniert, so daß eine angemessene Anzahl von getrennten Detektoren in vorteilhafter Weise auf demselben Kühlfinger angeordnet werden kann. Dies wird ermöglicht durch eine besondere bzw. einzigartige Anordnung von dichroitischen Platten, welche sowohl die optischen Wege der verschiedenen Wellenlängen miteinander kombiniert und sie auch in Winkelrichtung voneinander trennt. Die Detektoren können auf einem einzelnen Detektorkühler angeordnet sein, sind aber dennoch ausreichend isoliert, so daß die Signale jeder Wellenlänge auf getrennten Detektoren abgebildet werden und dadurch voneinander getrennt werden können. Das resultierende System ist leichter, kleiner und weniger teuer als der herkömmliche Weg und im allgemeinen auch zufriedenstellender.
Es hat sich herausgestellt, daß es vorteilhaft ist, ein Instrument bereitzustellen, das in der Lage ist, die Ausbrüche bzw. Signale von ausgedehnten Quellen bei drei voneinander getrennten, ausgewählten Wellenlängen zu unterscheiden und welches mit den unten angegebenen Merkmalen übereinstimmt.
Apertur-Durchmesser 305 mm (12 Zoll)
sichtbarer Ausschnitt 1,0 x 1,0 Grad
Bezugsfeld +/- 2,5 Grad in der Höhe
effektive Fokuslänge 229 mm (9,0 Zoll)
f/Zahl 0,75
Detektor jeweils 4,0 x 4,0 mm
Sehfeldblende Einschränkung des Gesichtsfeldes
Betriebstemperaturbereich -40º bis 50ºC
Die drei Detektoren müssen dicht genug beeinander sein, um auf einem einzelnen Kühler angeordnet zu werden, müssen jedoch auch ausreichend voneinander getrennt sein, so daß das Bild jeder Wellenlänge ohne weiteres unterschieden werden kann.
Zum Zwecke der Darstellung sind mit λ&sub1; und λ&sub2; isolierte, schmale Spektralbänder und mit λ&sub3; die Wellenlänge eines breiten Bandes bezeichnet worden. Wenn ein Signal entweder durch Sensor #1 oder Sensor #2 und nicht durch den Sensor #3 empfangen worden ist, so ist eine Schmalbandquelle erfaßt worden. Der Sensor #3 dient deshalb als Überwachungskanal gegen Fehlalarm.
Es ist wichtig festzustellen, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Detektoren auf einem einzelnen Substrat angeordnet werden können als Folge davon, daß wellenlängenselektive Reflektoren nahe beieinander und unter geeigneten relativen Winkelverhältnissen angeordnet sind. Es muß jedoch festgehalten werden, daß ein wellenlängenselektiver Reflektor oder ein dichroitischer Strahlspalter, welcher eine Wellenlänge reflektiert, ebenfalls in der Lage sein muß, die reflektierten Wellenlängen durch die folgenden dichroitischen Strahlspalter der Anordnung hindurchzulassen.
Soweit gemäß unserer vorteilhaften Anordnung eine einzige Abbildungslinse verwendet werden kann, um ankommendes Licht auf alle drei Detektoren abzubilden, erhält man in entsprechender Weise eine Einsparung von Kosten, Gewicht und Abmessungen. Wie für die Fachleute offensichtlich ist, ist unsere neuartige Anordnung dichroitischer Strahlspalter besonders vorteilhaft in Verbindung mit der Verwendung von Infrarotdetektoren, bei welchen eine Kühlung oft erforderlich ist
Die wellenlärigenselektiven Reflektoren (dichroitische Strahlspalter), die wir verwenden, sind dichroitische Filter und haben damit eine zentrale Reflexionswellenlänge, die sich mit dem Einfallwinkel verändert. Demzufolge wird üblicherweise eine Kollimatoroptik verwendet, um den Einfallwinkel so klein wie möglich zu halten und man muß beachten, daß man aufgrund des Gesichtsfeldes immer kleine Winkelvariationen hat.
Ein weiterer, bedeutsamer Aspekt unserer Erfindung liegt in der Verwendung einer Sehfeldblende, da ohne die Verwendung dieser Einrichtung das von außerhalb des vorgesehenen Gesichtsfeldes in das System eintretende Licht auf den falschen Detektor auftreffen könnte und darnit für ein falsches Signal Anlaß geben könnte. Bei Anwendungen, bei welchen die eintreffende Energie niemals außerhalb des vorgesehenen Gesichtsfeldes liegen kann, ist die Sehfeldblende nicht erforderlich.
Licht, welches von außerhalb des vorgesehenen Gesichtsfeldes kommt, wird in wirksamer Weise durch die Sehfeldblende blockiert, während Licht innerhalb des Gesichtsfeldes sowohl spektral als auch in Winkelrichtung aufgespalten wird und im Ergebnis jeden vorgesehenen Detektor mit einer einzelnen Wellenlänge oder einem Wellenlängenband versieht, welche von der Ausgestaltung des dichroitischen Strahlspalters abhängen. Am wichtigsten ist es zu beachten, daß gemäß der vorliegenden Erfindung jeder Detektor das gesamte Gesichtsfeld sieht.
Die in Tabelle 1 unten zusammengefaßte Transmissionsanalyse zeigt die Transmission bei den drei interessierenden Wellenlängen. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Energieverlust aufgrund des doppelten Hindurchtritts durch die dichroitischen Strahlspalter (hier einfach als "Strahlspafter" bezeichnet) bei der Wellenlänge λ&sub2; nur 20 % und bei der Wellenlänge λ&sub3; nur 18 % beträgt. Abgesehen von diesem Energieverlust, der kein Hindernis darstellt, ist die Durchlässigkeit dieselbe wie bei einem konventionellen Aufbau. Tabelle 1 Transmissionsanalyse Fenster Klappspiegel Verdunkelung Parabolischer Spiegel Linse 1 Strahlspalter #1 Kühlgefäßfenster Kaltfilter Gesamtdurchlässigkeit
Die Fachleute erkennen rasch, daß die normalisierte Transmission von 82 % bei der Wellenlänge λ&sub3; durch Multiplikation der Normaltransmission von 0,99 für den dichroitischen Strahlspalter #3, mit 0,97 für den Strahlspalter #2 und mit 0,85 für den Strahlspalter #1 berechnet wurde.
Ganz allgemein beinhaltet unsere Erfindung einen Wellenlängendiskriminator, der dafür ausgelegt ist, Eingangsenergie vieler Wellenlängen zu sammeln, spezielle, interessierende schmale Bänder zu isolieren und solche interessierenden schmalen Bänder auf dicht beabstandete, getrennte Detektoren abzubilden. Unser neuer Diskriminator weist Einrichtungen auf, um eingehende Strahlungsenergie, die von einer bestimmten Art ist und einen breiten Wellenlängenbereich beinhaltet, durch erste und zweite wellenlängenselektive Reflektoren zu lenken, die durch ein Medium getrennt sind, das die interessierenden Wellenlängen hindurchläßt In vorteilhafter Weise sind unsere wellenlängenselektiven Reflektoren in einer geometrischen Doppelwegschaltung angeordnet, wobei die von dem zweiten wellenlängenselektiven Reflektor reflektierte Energie zurück bzw. von hinten durch den ersten Wellenlängenreflektor hindurchtritt. Diese neuartige Doppelpfadanordnung ermöglicht die Verwendung desselben Abbildungssystems, um Lichtstrahlen, die um Winkelbeträge gegeneinander verschoben worden sind, auf entsprechende Detektoren zu fokussieren, die um ein kleines Maß räumlich voneinander getrennt worden sind.
Man ist nicht auf die Verwendung von nur zwei wellenlängenselektiven Reflektoren beschränkt, da es im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt, auch einen dritten wellenlängenselektiven Reflektor in einer Doppelweschaltung zu verwenden, so daß eine dritte ausgewählte Frequenz von einem dritten Detektor getrennt erfaßt werden kann, der in dichtem Abstand zu den beiden anderen Detektoren liegt.
Es ist deshalb ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, die Ausbrüche bzw. Blitze ausgedehnter Quellen bei zwei oder mehr getrennten Wellenlängen zu unterscheiden, wobei man immer noch Abmessungs- und Temperatureigenschaften hat, die unter typischen Betriebsbedingungen vernünftig sind.
Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, eine Ausgestaltung eines Instrumentes bereitzustellen, das zwei oder mehr beabstandete Detektoren verwendet, die dicht genug beeinanderliegen, so daß sie auf einem einzelnen Kühler angeordnet werden können, gleichzeitig jedoch nicht verhindern, daß die Abbildung jeder Wellenlänge in einfacher Weise getrennt erfaßt wird.
Ein weiteres Ziel unserer Erfindung liegt darin, einen optischen Wellenlängendiskriminator bereitzustellen, der die Konstruktion eines leichteren, preiswerteren und kompakteren Systems ermöglicht, als es gemäß herkömmlicher Ausgestaltungen nach dem Stand der Technik möglich war.
Diese und andere Zwecke, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand des Studiums des folgenden Textes und der zugehörigen Figuren.
Figur 1 ist ein Plan bestimmter Hauptbauteile unseres kompakten, optischen Wellenlängendiskriminators, wobei Teile im Querschnitt dargestellt sind, um den inneren Aufbau sichtbar zu machen;
Figur 2 ist eine Ansicht ähnlich Figur 1, jedoch in größerem Maßstab, um die Bauteile sichtbar zu machen, die das Herz der Erfindung darstellen, unter Einschluß von drei dichroitischen Strahlspalter (Filter)-Platten zusammen mit dem Kollimator, dem Abbildungssystem und den Detektoren, wobei der angenäherte Strahlengang von jeder dichroitischen Filterplatte zu dem entsprechenden Detektor ebenfalls dargestellt ist;
Figur 3 ist eine Ansicht einer bevorzugten Detektoranordnung in beträchtlich größerem Maßstab, welche in einem Vakuumraum abgedichtet hinter einem Kühlgefäßfenster aufgenommen ist, das aus einem Material hergestellt ist, welches für alle interessierenden Wellenlängen durchlässig ist, wobei Kaltfilter verwendet werden, um das Signal-/Rauschverhältnis zu vergrößern, wenn schwache Signale aus einem verrauschten Hintergrund abgetrennt werden sollen;
Figur 4 zeigt einen Strahlengang, wobei sieben Strahlen der Wellenlänge, welche von dem zentralen dichroitischen Filter wegreflektiert wird, gewählt wurden, wobei alle Strahlen auf den zentralen Detektor fokussiert dargestellt sind;
Figur 5 ist eine Kurve, welche zeigt, wie die Punkt bzw. Fleckgröße auf einem äußeren Detektor in ihrer Größe mit Temperaturänderungen anwächst, gemessen in Mils (1 Mils = 1/1000 Inch = 0,0254 mm), wobei darauf hinzuweisen ist, daß der größte Teil der Punktgrößenveränderungen mit der Temperatur zwischen die gestrichelten Linien fällt, welche 10 % des Gesichtsfeldes wiedergeben, wobei dieses Kriterium durch die vorliegende Erfindung erfüllt wurde;
Figur 6 ist eine Ansicht einer vereinfachten alternativen Ausführungsform von wellenlängenselektiven Reflektoren gemäß unserer Erfindung in schematischer Darstellung;
Figur 7 zeigt die Winkel des zentralen Strahls auf jeden Detektor, wobei zu berücksichtigen ist, daß, soweit der Minimalabstand zwischen den Detektoren sich für verschiedene Detektoren verändert, auch die entsprechenden Winkel sich verändern, was wichtig ist, um den Winkel festzulegen, unter welchem die dichroitischen Strahlspalter gemäß der vorliegenden Erfindung verkippt werden müssen;
Figur 8 zeigt, wie die in Figur 7 berechneten Winkel verwendet werden, um die Winkel der dichroitischen Filter festzulegen, wobei der zentrale dichroitische Bausatz unter einem Nominalwinkel von 45º angeordnet ist und die ersten und dritten dichroitischen Bausätze so verkippt sind, daß das auftreffende Licht auf jeden Fall auf den richtigen Detektor fällt;
Figur 9 zeigt die Abstände, die verwendet werden können, um eine minimale Größe der Abbildungslinse bereitzustellen auf der Basis des Durchmessers des parallelen Strahles, wobei diese Abstände nur von der Vorderfläche jedes dichroitischen Filters gemessen werden; und
Figur 10 gibt die für einen mechanischen Konstukteur erforderlichen Informationen für die Konstruktion eines Mechanismus wieder, um die Platten um passende Winkel zu verkippen.
Es wird zunächst auf Figur 1 Bezug genommen, wobei man erkennt, daß ein Wellenlängendiskriminatorradiometer 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt worden ist.
Einfallende Strahlungsenergie tritt durch ein Fenster 12 hindurch, das aus Germanium bestehen kann und beispielsweise einen Durchmesser von 380 mm (19 Zoll) und eine Dicke von 19 mm (0,75 Zoll) haben kann. Das Fenster ist auf beiden Seiten antireflexionsbeschichtet und das Fenster ist in dem Gehäuse 13 hermetisch abgedichtet, um Schmutz und Verunreinigungen draußen zu halten. Das Fenster muß größer als die Sammelöffnung bzw. Apertur sein, so daß das gewünschte Gesichtsfeld von 1,0 x 1 ,0 Grad und das gewünschte Höhenbezugsfeld von +/- 2,5 Grad nicht verdeckt werden.
Die Energie, die durch das Fenster eingetreten ist, fällt dann auf einen kardanisch aufgehängten Klappspiegel 14 auf, der auch als Höhenspiegel bezeichnet wird. In einem mittleren Abschnitt des Spiegels 14 befindet sich eine Öffnung 15, hinter der sich unmittelbar eine Feldblende 16 befindet. Der Mechanismus 17 erlaubt Winkeleinstellungen des Winkels des Spiegels 14, die erforderlich sind, um das Bezugsfeld einzurichten.
Das Erfordernis eines Systems mit geringem Gewicht hat die Erforschung von neuen Lösungen für den großen Spiegel 14 vorangetrieben, wobei der Spiegel beispielsweise ein Maß von 457 mm x 330 mm (18 x 13 Zoll) haben kann. Die Forschung führte zu einem ungewöhnlich leichten Spiegelmaterial, das als geschäumtes Aluminium bezeichnet wird und von der Energy Research Group in San Diego, Kalifornien, hergestellt wird. Das Material wird hergestellt durch Aufschäumen von geschmolzenem Aluminium mit einem Inertgas und Abkühlen desselben. Das schwammartige Material wird dann zu der gewünschten Form gefräst und massive Platten werden auf die Vorder- und Rückseite hartgelötet. Die Vorderfläche des Spiegels wurde mit Hilfe von Diamanten auf eine Ebenheitvon 1/4 Wellenlänge bei 10 Mikrometern gedreht. Der Gegenstand ist außerordentlich leicht und hat dennoch eine außerordentliche Festigkeit, so daß eine optische Oberfläche hoher Güte erhalten werden kann. Der bevorzugt verwendete Spiegel 14 wiegt nur 1 ,93 kg (4,25 Pfund), wenn er aus geschäumtem Aluminium hergestellt wird, während ein massiver Block derselben Abmessungen 11,8 kg (26 Pfund) wiegen würde. Diese Gewichtsverminderung zusammen mit der Beseitigung von zwei der ursprünglich drei Detektorkühler führten im Ergebnis zu einer Reduzierung des Nettogewichtes von näherungsweise 41 kg (90 Pfund) für unser Gesamtsystem.
Die von dem kardanisch aufgehängten Klappspiegel 14 reflektierte Energie wird auf einen Parabolspiegel 22 gerichtet, der als eine hinreichend große Sammelapertur für das System dient und die eintretende Energie auf die Sehfeldblende 16 fokussiert. Der Parabolspiegel 22 mit f/1 ,25, den wir bevorzugterweise verwenden, hat 305 mm (12 Zoll) Durchmesser und eine Fokuslänge von 380 mm (15 Zoll), und erlaubt eine große Kollektor- bzw. Sammelapertur. Die Parabolform wurde erreicht durch Diamantdrehen eines Aluminiumblockes. Die Qualität des Spiegels 22 bezüglich der Bildung einer guten Abbildung wurde durch das Erfordernis sichergestellt, daß das Abbild einer Punktquelle, welches durch die Parabel gebildet wurde, 80 % der Energie innerhalb eines Nadelloches von 0,025 mm Durchmesser (0,001 Zoll) enthalten würde.
Die Sehfeldblende 16 liegt im Fokus der Parabel, um zu vermeiden, daß Strahlung von außerhalb des Gesichtsfeldes auf den falschen Detektor auftrifft. Die Sehfeldblende schränkt in vorteilhafter Weise das Gesichtsfeld ein und beseitigt damit vollständig das Problem, das mit dem Einfang von zusätzlicher Strahlung verknüpft ist.
Die von dem Spiegel 22 kommende Energie, welche durch die Sehfeldblende 16 hindurchtritt, wird dann durch den f/1,25 Dreifachlinsenaufbau 18 parallel gerichtet, der über das gesamte, interessierende Spektralband hinweg korrigiert ist. Figur 2 zeigt den Dreifachlinsenaufbau in größerem Maßstab, und für ein Infrarotsystem bestehen die Elemente 19a und 19b vorzugsweise aus Germanium, während das Element 19c aus Zinkselenid ist. Für ein System im sichtbaren/nahen Infrarotbereich können die Linsen ausgewählt werden aus einer Anzahl geeigneter optischer Standardgläser von Schott, wie z.B. die Schott LAK 10 und Schott SF 58 Crown-Flint-Kombination, die in optischen Gruppen für Kollimatoren und Abbildungssysteme verwendet werden. Diese typische Kombination ermöglicht die Korrektur chromatischer Aberration.
Vorzugsweise sollten die Strahlen aller Wellenlängen gut parallel gerichtet sein, weil ansonsten die folgenden, verkippten, dichroitischen Strahlspalterplatten die Strahlung nicht durchlassen aufgrund totaler interner Reflexion, weil die Winkelvariation außerhalb des Akzeptanzwinkels des dichroitischen Filters für die Reflexion des interessierenden Bandes liegt. Wenn man allerdings unser System so gestalten würde, daß es nur paralleles Licht empfängt, so könnte in einigen Fällen die Parallelrichtungsoptik entfallen.
Ein typischer Akzeptanzwinkel für einen dichroitischen Filter liegt bei etwa 10º. Die Linsen 19a, 19b und 19c des als Kollimator dienenden Dreifachlinsenaufbaues 18 in Verbindung mit der Parabel 22 können als ein 7,2x, afokales Teleskop betrachtet werden.
Soweit die von dem Triplet 18 (Dreifachlinsenaufbau) ausgehende Energie gut parallel gerichtet ist und die dichroitischen Strahlspalterplatten planparallele Teile sind, wirken sie sich nicht auf Aberrationen des Systems aus und dienen lediglich dazu, die interessierenden Wellenlängen abzutrennen und umzulenken.
Die Strahlungsenergie tritt damit in eine Gruppe 25 von wellenlängenselektiven Reflektoren gemäß der vorliegenden Erfindung ein, wobei diese den Bezugszahlen 26a, 26b und 26c entsprechen, wie am besten aus Figur 2 hervorgeht. Die wellenlängenselektiven Reflektoren können auch als dichroitische Strahlspalter oder als Ablenkteile für Strahlungsenergie bezeichnet werden. Der erste dieser wellenlängenselektiven Reflektoren, der Reflektor oder dichroitische Strahlspalter 26a, dient der Reflexion der Wellenlänge λ&sub1;, während er die übrige Energie hindurchtreten läßt. In ähnlicher Weise reflektiert der Reflektor oder dichroitische Strahlspalter 26b die Wellenlänge λ&sub2; und läßt den Rest der Strahlungsenergie hindurchgehen. Die von dem Reflektor 26b reflektierte Wellenlänge λ&sub2; tritt ein zweites Mal durch den Reflektor 26a hindurch, wie man aus Figur 2 erkennt. Dies wird vorzugsweise als "doppelter Hindurchtritt" bezeichnet.
Jede Platte unserer neuen, wellenlängenselektiven Reflektoren oder dichroitischen Strahlspalter ist aus einem Material hergestellt, das alle interessierenden Wellenlängen hindurchläßt und in den meisten Fällen ist es die Vorderfläche jedes dichroitischen Strahlspalters, welche die dichroitische Beschichtung aufweist, die es bestimmten Wellenlängen erlaubt, hindurchzutreten, und seine Rückseite weist eine Antireflexionsbeschichtung für ein breites Band auf.
In einer bevorzugten Version unserer Erfindung sind die beiden ersten dichroitischen Strahlspalter oder Reflektoren 26a und 26b aus Zinkselenid hergestellt, mit einer dichroitischen Beschichtung auf einer Seite, und einer breitbandigen Antireflexionsbeschichtung auf der anderen Seite, während der Reflektor 26c ein Breitbandreflektor ist, der im wesentlichen alle auftreffende Energie reflektiert. In der bevorzugten Ausführungsform unserer Erfindung ist der wellenlängenselektive Reflektor 26c ein Aluminiumspiegel.
Der Einfachheit halber benennen wir die verbleibende Breitbandenergie, die durch die dichroitischen Strahlspalter 26a und 26b hindurchgetreten ist mit der Wellenlänge λ&sub3;, und es ist wichtig festzuhalten, daß gemäß Figur 2 die Wellenlänge λ&sub3; sowohl durch den Reflektor 26b als auch durch den Reflektor 26a doppelt hindurchtritt. Weiterhin ist es wichtig sich klarzumachen, daß der Reflektor 26b auf einen ausgewählten Winkel eingestellt wird, wie z.B. einen Winkel von 45º, während die Reflektoren 26a und 26c unter einem Winkel relativ hierzu eingestellt werden, so daß die gewünschte Winkelverteilung erhalten wird, und so daß alle drei Wellenlängen in Winkelrichtung in vorteilhafter Weise gegeneinander verschoben sind. Der Abstand zwischen den Platten wird so eingestellt, daß der Zentralstrahl von jeder der Wellenlängen zum Zentrum der vorderen Linse des Abbildungssystems hin konvergiert, um so die Größe des Abbildungssystems minimal zu machen.
Offensichtlich ist es ziemlich wichtig, daß die dichroitischen Strahlspalter, die wir für die wellenlängenselektiven Reflektoren 26a und 26b verwenden, alle vorkommenden Wellenlängen hindurchtreten lassen und daß alle drei dichroitischen Strahlspalter, die wir in der bevorzugten Ausführungsform unserer Erfindung verwenden, die drei ausgewählten schmalbandigen Wellenlängen reflektieren.
Man erkennt, daß die dichroitischen Strahlspalter oder wellenlängenselektiven Reflektoren, die in der bevorzugten Ausführungsform unserer Erfindung, welche in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, ausgewählt wurden, unter unterschiedlichen Winkeln verkippt sind, so daß die optischen Wege der drei Wellenlängen in Winkelrichtung relativ zueinander verschoben sind, jedoch an der Apertur des Abbildungssystems 28 zusammenfallen, die aus bis zu drei einzelnen Linsen 29a, 29b und 29c hergestellt ist. Während die Vorteile bezüglich Größe, Gewicht und Kosten offensichtlich sind, könnten die Transmissionsverluste aufgrund des doppelten Hindurchtretens durch die dichroitischen Strahlspalter einen funktionsfähigen Entwurf verhindert haben. Glücklicherweise hat sich jedoch herausgestellt, daß dies nicht der Fall ist, wie man aus der Transmissionsanalyse erkennt, die in der obigen Tabelle 1 wiedergegeben ist.
Bezüglich der Position der dichroitischen Strahlspalter und der Winkel zeigen die im folgenden diskutierten Figuren 7 bis 10 anschaulich bestimmte Einzelheiten unserer bevorzugten Ausführungsform, wobei die dichroitischen Strahlspalterwinkel und der Abstand durch den Detektorabstand und die Fokuslänge des Abbildungssystems festgelegt werden. Der Detektorabstand legt den Winkel fest, unter welchem jede Wellenlänge in das Abbildungssystem eintreten muß, jedoch legen mechanische Überlegungen bezüglich der Montage und Einstellung der Platten (+ 2,0º) fest, wie eng die dichroitischen Strahlspalter angeordnet werden können.
Es wird jetzt mit den Figuren 1 und 2 fortgefahren, wobei das Abbildungssystem 28, das zweite Triplet, in der bevorzugten Ausführungsform aus zwei Germaniumlinsen und einer Zinkselenidlinse besteht und die spektral aufgespaltene Energie, welche von den wellenlängenselektiven Reflektoren oder dichroitischen Strahlspaltern ausgeht, fokussiert.
Die Eigenschaften des Abbildungssystems dieser Ausführungsformen können folgendermaßen zusammengefaßt werden:
Fokuslänge des Abbildungssystems 31 ,8 mm (1 ,25 Zoll)
Halbfeldwinkel des Abbildungssystems (spektral) 3,66 Grad x 3,66 Grad
Gesichtsfeld (total) des Abbildungssystems 7,32 x 26,6 Grad
Aperturgröße des Abbildungssystems 64,0 mm (2,52 Zoll)
Wie inzwischen klar sein sollte, wird die parallel gerichtete Energie von jeder Wellenlänge dann durch einen Abbildungsaufbau 28 mit drei Linsen abgebildet unter Einbeziehung der Linsenkomponenten 29a, 29b und 29c, und aufgrund dieser Anordnung werden drei getrennte und verschiedene Abbilder erzeugt, eines für jede Wellenlänge. Dann läßt man die drei getrennten Bilder jeweils auf Detektoren 32a, 32b und 32c der Detektoranordnung 30 fallen. Der Einfachheit und Klarheit wegen, ist die Position und Trennung der Detektoren in den Figuren 1 und 2 übertrieben worden und es war in keiner dieser Figuren in einfacher Weise möglich, die Größe oder Positionen der Detektoren maßstabsgerecht darzustellen.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Triplets 18 und 28 das Bild der Sehfeldblende in der Größe um den Faktor 0,6 reduziert übertragen.
Bezüglich der Detektoren bevorzugen wir es in Verbindung mit der bevorzugten Ausführungsform unserer Erfindung, die in den Figuren 1 und 2 und in einem viel größeren Maßstab in Figur 3 dargestellt ist, wenn die Detektoren 32a, 32b und 32c in etwa senkrecht zur Papierebene liegen, was alle interessierenden Parameter auf eine einzige Ebene begrenzt. Dies vereinfacht sowohl die Konstruktion als auch Herstellung des Systems, es muß jedoch klar sein, daß die dichroitischen Strahlspalterplatten aus der Papierebene herausgedreht werden können ebenso wie sie auf mehr Wellenlängen ausgelegt sein können oder das gesamte effektive Gesichtsfeld des Abbildungssystems reduzieren können. Man sollte allerdings daran denken, daß diese Drehung auch eine Drehung des Bildes einführt.
Wir möchten verhindern, daß gestreute Energie ein falsches Signal auslöst und bisher sind in der bevorzugten Detektorausführungsform, die in großem Maßstab in Figur 3 dargestellt ist, Schmalbandfilter 34a und 34b vor den Detektoren 32a und 32b angeordnet worden. In der bevorzugten Ausführungsform braucht man für den Detektor 32c keinen Filter zu verwenden insoweit, als er Teil des Überwachungskanals ist und notwendigerweise für einen breiten Wellenlängenbereich empfindlich ist.
Wie man in Figur 3 erkennt, kann ein Kühlgefäßfenster 42 verwendet werden, das aus einem Material hergestellt ist, welches alle interessierenden Wellenlängen für ein Infra-Rot- Erfassungssystem durchlässig ist. Es ist wichtig, daß dieses Fenster das Vakuum einschließt bzw. abdichtet, in welchem die Detektoren 32a, 32b und 32c für die Anordnung in einem Dewar- Kühlgefäß gehalten werden müssen. Wir haben herausgefunden, daß ein geeignetes Fenstermaterial für ein Detektionssystem im mittleren Infrarotbereich Germanium ist. Wir stellen eine gekühlte Probenplatform 44 für die Halterung der Detektoren 32a, 32b und 32c bereit.
Für die Fachleute ist es offensichuich, daß jeder Detektor für die speziell interessierende Wellenlänge empfindlich ist, welche von den entsprechenden dichroitischen Strahlspaltern reflektiert wird. Wie man aus Figur 2 erkennt, empfängt der Detektor 32a (λ&sub1;-Detektor) von dem dichroitischen Strahlspalter 26a reflektierte Energie, der Detektor 32b (λ&sub2;-Detektor) empfängt von dem dichroitischen Strahlspalter 26b reflektierte Energie, und der Detektor 32c (λ&sub3;-Detektor) empfängt von dem dichroitischen Strahlspalter 26c reflektierte Energie.
Die für diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ausgewählten Detektoren 32a, 32b und 32c sind:
Lambda 1 HgCdTe (Quecksilbercadmiumtellurid)
Lambda 2 InSb (Indiumantimonid)
Lambda 3 InSb (Indiumantimonid)
Grenzen der Herstellung legen den minimalen Detektorabstand fest. Es ist wichtig, daß die Detektoren so dicht wie möglich zusammenliegen, um den scheinbaren Gesichtsfeldwinkel des Abbildungssystems minimal zu machen.
Es wird weiterhin Bezug genommen auf Figur 3, wo in der bevorzugten Ausführungsform unserer Erfindung der Abstand zwischen dem ersten Detektor 32a und dem zweiten Detektor 32b 0,56 mm (0,022 Zoll) beträgt und der Abstand zwischen dem zweiten Detektor 32b und dem dritten Detektor 32c 1,4 mm (0,055 Zoll) beträgt. Es ist selbstverständlich, daß wir nicht auf die Verwendung dieser speziellen Detektoren oder dieser Abstände beschränkt sein sollten. Schmalbandige Kaltfilter 34a und 34b sind vor den ersten bzw. zweiten Detektoren angeordnet und weisen damit alles außer den interessierenden Wellenlängen ab. Die dritte Wellenlänge λ&sub3; in der bevorzugten Ausführungsform ist breitbandig, so daß in diesem Fall kein Filter erforderlich ist Gebrauchsfertige Kaltfilter 34a und 34b wurden mit unterschiedlichen Dicken beschafft, wie noch kurz diskutiert wird. Die Höhe jedes dieser Detektoren war so gestaltet, daß die unterschiedlichen optischen Wege durch die Kaltfilter und die verbleibende chromatische Aberration des Abbildungssystems kompensiert wurde.
Der dritte Detektor, der Detektor 32c, unterscheidet sich von den beiden anderen insoweit, als er in der bevorzugten Ausführungsform breitbandig Wellenlängen detektieren muß. Wir ziehen es vor, Infrarotdetektoren zu verwenden, welche aus der Kühlung die maximale Empfindlichkeit ziehen und gemäß der vorliegenden Erfindung ist in besonders vorteilhafter Weise nur ein einziger Kühler ausreichend, um drei Detektoren zu kühlen.
Die Signalerfassungsplatform 44 ist über ein thermisch leitfähiges Material mit einer üblichen Kühleinrichtung verbunden, wie z.B. einem (nicht dargestellten) Kühlfinger, in welchem ein flüssiges Gas, wie z.B. flüssiger Stickstoff, umgepumpt wird. Die genaue Anordnung hängt von dem Hersteller des Kühlgefäßkühlers ab. Wahlweise können wir auch ein Kühlsubstrat als Kühleinrichtung verwenden.
Die Kaltfilter, die in der Nähe der Detektoren angeordnet werden, dienen dazu, das Signal/Rauschverhältnis zu vergrößern, wenn Signale mit einem niedrigen Niveau von einem verrauschten Hintergrund unterschieden werden sollen. Für Signaleingaben auf hohem Niveau sind die Kaltfilter eine mögliche Option. Man beachte, daß aufgrund der Tatsache, daß die Kaltfilter Platten sind, die die Wirkung haben, die fokale Länge des auf den Detektor fokussierten Signals zu verkürzen, die Detektoren von dem Kühlgefäßfenster weiter entfernt sein müssen, wenn die Kaltfilter entfernt werden.
Bezüglich der speziellen Ausgestaltung, die in unserer bevorzugten Detektorausführungsform verwendet wurde, welche in Figur 3 dargestellt ist, beträgt der Abstand zwischen der inneren Oberfläche des Kühlgefäßfensters 42 (Dewar-Fensters) und der Signalerfassungsplatform 44 12,6 mm (0,496 Zoll), während der Abstand a zwischen der inneren Oberfläche des Fensters 42 und der Oberseite des Detektors 32a 9,451 mm (0,3721 Zoll) beträgt. Der Kaltfilter 34a vor dem Detektor 32a ist 0,5 mm (0,0791 Zoll) dick. Der Abstand b zwischen der Innenfläche des Fensters 42 und der Oberseite des Detektors 32b beträgt 10,14 mm (0,3994 Zoll) und der Kaltfilter 34b vor diesem Detektor ist 0,76 mm (0,030 Zoll) dick. Der Abstand c zwischen der Vorderseite des Detektors 32c und dem Inneren des Kühlgefäßfensters beträgt 9,281 mm (0,3654 Zoll) und es wird, wie bereits erwähnt, kein Kaltfilter in diesem speziellen Fall verwendet, obwohl man für den Fall, daß der Detektor 32c für eine selektive Wellenlängenabtrennung benutzt werden sollte, durchaus einen solchen verwenden könnte.
Der optische Entwurf gemäß der bevorzugten Ausführungsform unserer Erfindung wurde in modularer Weise ausgeführt. Der Parabolspiegel, das Kollimatortriplet und das Abbildungs- System wurden unabhängig auf einem ACCOS V Linsenentwurfsprogramm entworfen. Diese Sub- Systeme wurden dann miteinander kombiniert und der Strahlungsgang wurde erfaßt bzw. gemessen, wie in Figur 4 dargestellt, um sicherzustellen, daß die Systemerfordernisse erfüllt wurden. Dies wurde durchgeführt durch Berechnung von Punktdiagrammen jeder Wellenlänge bei den passenden Feldwinkeln. Tabelle 2 faßt diese Daten zusammen, wie man jetzt sieht. Tabelle 2 RMS Punktradius in mm (Mils) Gesichtsfeld in Grad Kanal 1
Da die Detektoren als ein Photonen-Aufnahmegefäß wirken, hat das Punkt- bzw. Fleckmaß auf der Achse und in Zwischenpunkten des Feldes nur geringen Einfluß, aber es ist wichtig, daß jeder Detektor im wesentlichen dasselbe Gesichtsfeld hat. Die Größe des Bildes aufgespreizter Punkte an den Rändern jedes Detektors bestimmt die scheinbare Variation des Gesichtsfeldes. Die Erfahrung mit derartigen Einrichtungen in der Vergangenheit hat gezeigt, daß ein Bildgröße des bzw. der aufgespreizten Punkte von weniger als 1/10 des Gesichtsfeldes akzeptabel ist.
Tabelle 2 gibt die Minimalgröße eines durch das Abbildungssystem auf jeden der Detektoren fokussierten Flecks bzw. Punktes an, sowohl auf der Achse als auch bei vollem Gesichtsfeld. Wenn irgendein Fleck bei vollem Gesichtsfeld zu groß wäre, könnte eine Überlappung von einem Detektor auf einen anderen stattfinden. Dies würde ein Wellenlängenfehlalarmsignal ergeben und den Nutzen der Trennung beeinträchtigen.
Im Falle des betrachteten Systems wurde eine einem 1/10 des Gesichtsfeldes entsprechende Fleckgröße als klein genug angesehen, um bei vollem Gesichtsfeld keine Fehlalarme auszulösen, und um genügend Energie auf den Detektor abzugeben, um die Empfindlichkeitsanforderungen zu erfüllen. Ein größerer Fleck würde am Rand des Gesichtsfeldes außerhalb der Detektoren landen. Soweit die bevorzugte Detektorgröße 3,99 mm (0,157 Zoll), beträgt, wurde eine Fleckgröße von 0,399 mm (15,7 Mils (0,0157 Zoll)) als annehmbar angesehen. Die in Tabelle 2 dargestellten Fleckgrößen liegen alle innerhalb dieses akzeptablen Maximalwertes. Um diese Berechnung auszuführen, wurden 500 Strahlen durch das vom Computer modellierte optische System geschickt und auf den Detektor fokussiert.
Figur 4 zeigt einen Strahlengang für den einfachsten Fall unserer Erfindung, gezeichnet unter Verwendung eines optischen Entwurfscomputerprogramms (ACCOSV), wobei das Gesichtsfeld Null auf den mittleren Detektor zentriert war, und mit allen Strahlen, die von der Eintrittsapertur zu den Detektoren hindurchtreten. In diesem speziellen Fall wurden sieben Strahlen der Wellenlänge ausgewählt, die von dem zentralen dichroitischen Filter 26b fortreflektiert werden. Alle Strahlen sind auf den zentralen Detektor fokussiert dargestellt und soweit alle sieben Strahlen aus dem Zentrum des Gesichtsfeldes stammten, trafen alle Strahlen das Zentrum des zentralen Detektors. Falls Strahlen vom Rand des Gesichtsfeldes gekommen wären, hätten sie den Rand des zentralen Detektors getroffen.
Es versteht sich, daß ein Strahlengang für Licht, das von dem ersten dichroitischen Filter fortreflektiert wird, zeigen würde, daß die Strahlen den unteren Detektor treffen, während ein Strahlengang für Licht, das von dem dritten dichroitischen Filter wegreflektiert wird, zeigen würde, daß die Strahlen den oberen Detektor treffen.
Es wird jetzt auf Figur 5 Bezug genommen, wobei man sich bewußt machen muß, daß unser System über einen großen Temperaturbereich hinweg arbeiten muß (-40º bis +50ºC) ohne ein aktives fokussierendes Element (passiver Betrieb). Demzufolge hielten wir es für wünschenswert, ein optische thermische Analyse durchzuführen, um zu verifizieren, daß das System die minimalen Spezifikationen über diesen Bereich hinweg erfüllen würde. Diese Funktionsspezifikationen erfordern, daß die Punktaufspreizung nicht größer sein sollte als 1/10 des Gesichtsfeldes.
In der bevorzugten Ausführungsform beträgt das Gesichtsfeld ein Grad (1º) mal ein Grad (1º), was 3,99 mm (0,157 Zoll) zum Quadrat in der Detektorebene entspricht. Wenn sich die Temperatur über den Betriebsbereich hinweg verändert, sollte die Unschärfe bzw. Verwischung des Flecks nicht um mehr als 10 % der Detektorbreite anwachsen, in anderen Worten nicht mehr als 0,399 mm (15,7 Mils). Dieser Wert ist als Kompromiß zwischen minimalem Übersprechen zwischen herstellbaren Detektoren einerseits und einem herstellbaren System andererseits festgelegt worden.
Figur 5 zeigt, daß die Fleckgröße dieses Kriterium erfüllt, wenn die Kurve auf etwa 5ºC voreingestellt wird, oder mit anderen Worten, sie zeigt, daß der Systembrennpunkt auf etwa 5ºC voreingestellt sein muß um das Erfüllen der Funktionsspezifikation über den gesamten Temperaturbereich sicherzustellen.
Man muß sich klarmachen, daß Figur 5 zeigt wie die Fleck- bzw. Punktgröße auf einem äußeren Detektor in ihrer Größe, gemessen in Mils (1 Mils = 10&supmin;³ Zoll) = 0,0254 mm) mit Temperaturänderungen wächst. Zuwachs bzw. Zunahmen des Flecks, welche 10 % des Gesichtsfeldes entsprechen (d.h. 10 % der Detektorgröße) sind in gestrichelten Linien wiedergegeben. Es versteht sich, daß der größte Teil der Fleckgrößenveränderungen mit der Temperatur innerhalb dieser gestrichelten Linien liegt (d.h. die Fleckgröße steigt mit der Temperatur auf kaum mehr als 10 % des Gesichtsfeldes an). Unser System war so ausgestaltet, daß es dieses Kriterium erfüllt
Bezüglich der Ausrichtung des Systems und der Überprüfung liegt eines der Probleme beim Arbeiten mit einem Infrarotsystem darin, daß die Strahlung nicht direkt mit dem bloßen Auge gesehen werden kann. Wir haben dieses Problem durch die Verwendung eines 10,6 Mikrometer- Interferometer mit einem Videoausgang beseitigt, das nicht nur zur Überprüfung des Fokus und der Qualität jeder individuell eingestellten Linse verwendet wurde, sondern auch verwendet wurde, um die Position jeder Linse in dem optischen System zu bestätigen.
Die Linsensätze unserer Vorrichtung sind einzeln überprüft worden, indem der parallel gerichtete Ausgang des Interferometers dorthin gesendet wurde, wo der parallel gerichtete Ausgang bzw. die Eingabe der Linsengruppe wäre. Dies bewirkt, daß die 10,6 Mikrometerstrahlung nach unten auf einen Punkt fokussiert wird. Ein Spiegel, der senkrecht zur optischen Achse liegt, wird in diesem Fokuspunkt angeordnet und schickt damit die Strahlung zurück durch die Linse in das Interferometer. Die Position des Spiegels, die parallele Streifen bzw. Fransen in dem Interferometer bewirkt, ist die rückwärtige Fokuslänge der Linse. Die Strahlung, die durch die untersuchte Linse zurück hindurchtritt, kehrt dann in das Interferometer zurück, um eine Art Fransen bzw. Randmuster zu bilden, aus welchem Verzerrungen der Wellenfront gemessen werden. Deshalb können mit diesem einfachen Test der rückwärtige Fokus, Fabrikationsfehler und/oder Montagefehler erkannt werden.
Es versteht sich, daß wir nicht auf die speziellen Einzelheiten beschränkt sein sollten, die bezüglich unserer bevorzugten Ausführungsform dargestellt sind.
Es wird jetzt auf Figur 6 Bezug genommen. Es ist klar, daß wir hier eine weniger komplizierte Ausführungsform der Erfindung darstellen, bei welcher nur zwei wellenlängenselektive Reflektoren verwendet werden.
In Figur 6 zeigen wir schematisch eine Vorrichtung für das selektive Abtrennen bestimmter Wellenlängen oder Bandbreiten von Strahlungsenergie aus einem Strahl von polychromatischer Strahlungsenergie, der in diesem Beispiel ein erstes, Strahlungsenergie ablenkendes Teil 36a aufweist, das ansonsten auch als wellenlängenselektiver Reflektor bezeichnet wird und das in einer Position gehaltert wird, in der es relativ zu dem eintretenden Strahi für die Ablenkung der Strahlungsenergie ausgerichtet ist. Dieses erste Ablenkteil 36a ist so angeordnet, daß es selektiv eine erste Wellenlänge oder Bandbreite von Strahlungsenergie ablenkt, die in dem Strahl enthalten ist, während es den Rest des Strahles hindurchtreten läßt. Die von 36a reflektierte Energie kann so angeordnet bzw. ausgerichtet werden, daß sie auf einen Detektor 38 auftritt.
Bezüglich Figur 6 muß man sich klarmachen, daß der Winkel des reflektierten Strahles von irgendeinem dichroitischen Strahlaufspalter ausschließlich durch den Winkel des Strahlspalters bestimmt ist, von welchem der Strahl fortreflektiert wird. Anschließende Platten dienen nur dazu, den Strahlin Seitenrichtung zu versetzen, jedoch nicht in Winkelrichtung.
Ein zweites, Strahlungsenergie ablenkendes Teil oder wellenlängenselektiver Reflektor 36b ist in einer Position gehaltert, die relativ dicht zu dem ersten Ablenkteil beabstandet ist und in einer überlappenden Ausrichtung mit diesem steht, und in einer Position der Ausrichtung bezüglich des Strahles, nachdem der Strahl durch das erste Ablenkteil 36a hindurchgetreten ist, in der es die Strahlungsenergie ablenkt. Der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Ablenkteil und die Ausrichtung zwischen diesen wird so gewählt, daß ein erster Teil der von dem zweiten Ablenkteil abgelenkte Strahlungsenergie entlang eines Pfades durch das erste Ablenkteil hindurch verläuft. Wahlweise kann das zweite Ablenkteil auch so ausgewählt werden, daß es den Rest des Strahles hindurchtreten läßt, nachdem der erste Teil durch das erste Ablenkteil 36a reflektiert worden ist. Die von 36b reflektierte Strahlungsenergie tritt doppelt durch 36a hindurch und kann dann so ausgerichtet werden, daß sie auf den Detektor 40 auftrifft.
Wie in Figur 6 dargestellt, können die Energie ablenkenden Teile 36a und 36b durch einen Luftspalt getrennt sein.
Figur 7 zeigt die Winkel des zentralen Strahls auf jeden Detektor, wobei die Detektoren 32a, 32b und 32c in derselben relativen Anordnung sind, wie vorher in Verbindung mit Figur 3 beschrieben. Wir sollten selbstverständlich nicht auf die räumlichen Trennungsabstände beschränkt sein, die in dieser Figur angegeben sind. Da aufgrund unserer Verwendung unterschiedlicher Detektoren der minimale Abstand zwischen den Detektoren für diese Ausführungsform variierte, sind die entsprechenden Winkel notwendigerweise verschieden.
Bei dieser besonderen Ausführungsform beträgt die Fokuslänge des Abbildungslinsensatzes des Detektors 31,8 mm (1,252 Zoll), und die Winkel θ&sub1; und θ&sub2; sind der Kehrwert des Tangens des Abstandes vom Zentrum des zentralen Detektors zum Zentrum des jeweils am weitesten außen liegenden Detektors dividiert durch die Fokuslänge des Abbildungssystems. Dieser Leitstrahlaustrittswinkel aus dem Abbildungssystem ist näherungsweise der Leitstrahlakzeptanzwinkel in dem Abbildungssystem. Unter Verwendung einfacher mathematischer Beziehungen können wir θ&sub1; zu 9,6288º und θ&sub2; zu 8,155º bei diesem Beispiel bestimmen. Diese Winkel sind wichtig, weil sie den Winkel festlegen, um welchen die dichroitischen Filter gekippt werden müssen.
Figur 8 zeigt, wie die gemäß Figur 7 berechneten Winkel verwendet werden, um die Winkel der dichroitischen Strahlspalter festzulegen, indem man die Größe und den Abstand der ausgewählten Detektoren berücksichtigt. In Figur 8 nimmt man ebenso wie in Figur 9 an, daß die dichroitischen Strahlspalter unendlich dünn sind.
Der nominelle Kippwinkel beträgt 45º und der zentrale dichroitische Strahlspalter 26b wird auf diesen Winkel eingestellt. Da Reflektoren eine Winkelverdoppelung bewirken, werden der erste dichroitische Strahlspalter 26a und der dritte dichroitische Strahlspalter 26c um 45º + θ&sub2;/2 bzw. 45º - θ&sub1;/2 verkippt.
Mit anderen Worten, die Platte 26a wird um einen Winkel von 45º zuzüglich der Hälfte des Leitstrahlakzeptanzwinkels verkippt, während die Platte 26c um 45º abzüglich der Hälfte des Leitstrahlakzeptanzwinkels verkippt wird. In der bevorzugten Ausführungsform haben wir herausgefunden, daß der Winkel &sub1; von 26a 49,077º beträgt, während der Winkel &sub2; von 26c 40,186º beträgt, wobei der Detektorabstand und ihre Größe selbstverständlich die begrenzenden Faktoren sind.
Diese Verkippungswinkel bewirken, daß das Licht auf den richtigen Detektor abgebildet wird. Je dichter diese Filter voneinander beabstandet sein können, umso kleiner kann die Abbildungslinse sein, jedoch hat der Abstand keinen Einfluß darauf, wo der Strahl auf den Detektor auftrifft, dies kann nur durch den Winkel erreicht werden.
Man muß sich klarmachen, daß die horizontale Linie durch den Scheitelpunkt, der im zentralen Abschnitt der Figur 8 liegt die Mitte der Vorderfläche der ersten Linse wiedergibt.
Figur 9 zeigt die Abstände, die verwendet werden können, um eine minimale Abbildungslinsengröße bereitzustellen auf der Basis des Durchmessers des parallel gerichteten Strahles. Es versteht sich, daß diese Abstände nur von der Vorderfläche jedes dichroitischen Strahlspalters aus gemessen sind.
In dieser Figur können die dichroitischen Strahlspalter 26a, 26b und 26c so angesehen werden, als hätten sie dieselbe relative Beziehung wie in der vorherigen Figur, und wie bereits erwähnt, kann man annehmen, daß die dichroitischen Strahlspalter beliebig bzw. unendlich dünn sind. Der meridonale oder Hauptstrahl tritt hiervon links ein, wobei die spektral aufgetrennten Wellenlängen, die von den dichroitischen Strahlspaltern reflektiert bzw. abgelenkt werden, durch einen Scheitelpunkt an der Vorderfläche der ersten Abbildungslinse hindurchtreten, wobei dies zuläßt, daß der Durchmesser der Abbildungslinse minimal gemacht wird. Mit anderen Worten, an der Stelle, an welcher die parallel gerichteten Strahlen durch den Scheitelpunkt hindurchtreten, kann eine Abbildungslinse mit minimalem Durchmesser verwendet werden, wobei diese parallel gerichteten Lichtstrahlen anschließend auf das bereits zuvor erwähnte Detektorfeld fallen, welches die Detektoren 32a, 32b und 32c beinhaltet.
Der Abstand d zwischen dem dichroitischen Strahlspalter 26a und dem Scheitelpunkt sollte im Hinblick auf die Kompaktheit minimal gemacht werden, andererseits sollte jedoch der Abstand d nicht so sein, daß dadurch bewirkt wird, daß die Strahlspalter aneinander anstoßen, wenn eine Winkeljustierung erforderlich sein sollte. Wenn der Abstand d bekannt ist, können die Abstände X&sub1; und X&sub2; unter Verwendung einfacher geometrischer Beziehungen berechnet werden. Bei einem Abstand d von 102,2 mm (4,023 Zoll) wurde der Abstand X&sub1; mit 16,7 mm (0,658 Zoll) und der Abstand X&sub2; mit 19,8 mm (0,779 Zoll) festgestellt. Der Abstand von diesem Scheitelpunkt zu dem meridonalen Strahl wurde zu 116,7 mm (4,594 Zoll) berechnet, wobei dieses Maß als Y&sub1; in Figur 9 dargestellt ist Für den Abstand Y&sub3; wurde ein Maß von 117,9 mm (4,641 Zoll) festgestellt. All diese Messungen sind hier auf drei Dezimalstellen gerundet, soweit sie in Zoll ausgedrückt sind.
Figur 10 stellt einige der Informationen bereit, die ein mechanischer Konstrukteur benötigt, um einen Mechanismus zum Verkippen der Platten um die geeigneten Winkel aufzubauen. Mit anderen Worten, Figur 10 gibt die mechanischen Abstände und Beziehungen ebenso wie die Kriterien für die Winkeleinstellung wieder.
Wie in Figur 9, tritt der meridonale oder Hauptstrahl von links ein und trifft zuerst auf die Oberfläche des dichroitischen Strahlspalters 26a, wobei ein Teil dieses Eintrittsstrahles nach unten auf die Vorderfläche der Abbildungslinse reflektiert wird, die unten in Figur 10 anhand des Bruchstücks eines Linsenabschnittes dargestellt ist.
Teile des Hauptstrahles treten durch den dichroitischen Strahlspalter 26a hindurch und treffen danach auf die äußere Oberfläche des dichroitischen Strahlspalters 26b, wobei ein Teil dieser Lichtenergie zurück ein zweites Mal durch den dichroitischen Strahlspalter 26a hindurchtritt und daraufhin auf die Vorderfläche der Abbildungslinse hindurchtritt, während ein weiterer Teil des Lichtes, der auf den Strahlspalter 26b trifft, hindurchläuft, so daß er auf den dichroitischen Strahlspalter 26c trifft. Wie bereits erläutert, läuft dann die von dem dichroitischen Strahlspalter 26c zurückreflektierte Lichtenergie durch die dichroitischen Strahlspalter 26b und 26a hindurch, bevor sie auf die vorstehend erwähnte Vorderfläche der Abbildungslinse auftrifft.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die drei Schnittpunkte an den Vorderflächen der dichroitischen Strahlspalter etwas dunkler gemacht worden sind, wobei dies die Schwenkpunkte der dichroitischen Strahlspalter wiedergibt, um welche herum die genauen Winkeljustierungen während des Ausrichtungsvorganges durchgeführt werden.
Es sollte jetzt klar sein, daß unsere sehr vorteilhafte Methode, welche die Verwendung von mehrpfadigen dichroitlschen Strahlspaltern beinhaltet, eine kompakte, preiswerte und wirkungsvolle Technik bereitstellt, um die Energie in einer Anzahl spezieller optischer Bänder gleichzeitig zu messen. Eine elektronische Verarbeitung der eingehenden Signale mit geringem Rauschen kann ein auf das Hintergrundrauschen begrenztes System (den Idealfall) und Empfindlichkeiten von einem Bruchteil eines Watts pro Quadratzentimeter möglich machen.
Es scheint, daß die mehrfachen Komponenten, die Durchgangsverluste hervorrufen, für die spezielle hier beschriebene Ausführungsform wesentlich sind, jedoch liegen diese unmittelbar in der Mitte der Infrarotwellenlängen, mit denen man es zu tun hat. Durch geeignetes Filtern kann man Trennverhältnisse bzw. ein Auflösungsvermögen von besser als 10:1 erhalten.
Unsere Erfindung ist besonders geeignet für Infrarotanwendungen, bei welchen gekühlte Detektoren erforderlich sind, tatsächlich ist unsere Vorrichtung jedoch auch ein Radiometer für

Claims

1. Wellenlängendiskriminatorradiometer (10), das dafür ausgelegt ist, breitbandige Eingangsstrahlungsenergie vieler Wellenlängen aufzufangen, um speziell interessierende schmale Bänder zu isolieren und um gleichzeitig solche schmalen, interessierenden Bänder auf entsprechenden beabstandeten, getrennten Detektoren (32a, 32b, 32c) sichtbar zu machen, wobei das Wellenlängendiskriminatorradiometer aufweist:

Einrichtungen, um eingehende Strahlungsenergie mit einem Bereich von Wellenlängen auf einen ersten (26a) und einen zweiten (26b) planparallelen, wellenlängenselektiven Reflektor zu richten, welche durch ein Medium getrennt sind, das die interessierenden Wellenlängen hindurchläßt, wobei die wellenlängenselektiven Reflektoren nicht parallel und in einer geometrischen Doppelpassanordnung ausgerichtet sind, wobei Energie einer bestimmten Wellenlänge, die von dem zweiten wellenlängenselektiven Reflektor reflektiert wird, durch den ersten wellenlängenselektiven Reflektor zurück hindurchtritt, und mit Einrichtungen (28), um die Energie von den ersten und zweiten Wellenlängenreflektoren auf entsprechende Detektoren zu richten.

2. Wellenlängendiskriminatorradiometer (10) gemäß Anspruch 1, bei welchem die ersten (26a) und zweiten (26b) wellenlängenselektiven Reflektoren in Verbindung mit einem dritten planparallelen wellenlängenselektiven Reflektor (26c) verwendet werden, wobei alle drei wellenlängenselektiven Reflektoren beabstandet voneinander und nicht parallel angeordnet sind, um eingehende Strahlungsenergie zu empfangen, wobei die Energie einer bestimmten Wellenlänge, welche von dem dritten wellenlängenselektiven Reflektor reflektiert wird, durch den zweiten und ersten wellenlängenselektiven Reflektor hindurchtritt und die Energie von dem dritten wellenlängenselektiven Reflektor daraufhin auf einen Detektor (32c) auftrifft, der getrennt von den Detektoren (32a, 32b), welche zu den ersten und zweiten wellenlängenselektiven Reflektoren gehören, jedoch benachbart zu jenen ist.

3. Wellenlängendiskriminatorradiometer (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Detektoren auf einer gemeinsamen Kühleinrichtung (44) angeordnet sind.

4. Wellenlängendiskriminatorradiometer (10) nach Anspruch 3, bei welchem die gemeinsame Kühleinrichtung (44) ein Kühlfinger ist.

5. Wellenlängendiskriminatorradiometer (10) nach Anspruch 3, bei welchem die gemeinsame Kühleinrichtung (44) ein Kühlsubstrat ist.

6. Wellenlängendiskriminatorradiometer (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches ein gemeinsames Abbildungssystem (28) aufweist, um Strahlungsenergie unterschiedlicher Wellenlängen, welche von den nicht parallelen, wellenlängenselektiven Reflektoren reflektiert werden und welche durch die Nichtparallelität in Winkelrichtung verschoben wurde, auf die Detektoren (32a, 32b, 32c) zu fokussieren.

7. Wellenlängendiskriminatorradiometer (10) nach Anspruch 2 und Anspruch 6, bei welchem die von dem dritten wellenlängenselektiven Reflektor (26c) reflektierte Strahlungsenergie durch den zweiten und ersten wellenlängenselektiven Reflektor hindurchtritt, bevor sie durch das gemeinsame Abbildungssystem (28) hindurchtritt.

8. Wellenlängendiskriminatorradiometer (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches eine Einrichtung (18) zum Parallelrichten der eingehenden Strahlungsenergle aufweist.

9. Wellenlängendiskriminatorradiometer (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite wellenlängenselektive Reflektor so beschichtet ist, daß er eine zweite Wellenlänge oder Bandbreite von Strahlungsenergie ablenkt, während er die übrige Strahlungsenergie hindurchtreten läßt.

10. Wellenlängendiskriminatorradiometer (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die wellenlängenselektiven Reflektoren teilweise durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind.

11. Wellenlängendiskriminatorradiometer (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches ein Fenster (12) aufweist, das als Sammelöffnung für den Eintritt der breitbandigen Strahlungsenergie dient, einen faltbaren Flachspiegel (14) aufweist sowie einen Parabolspiegel (22), wobei derfaltbare Flachspiegel einen zentrale Öffnung (15) und eine Sehfeldblende (16) aufweist, die hinter einer solchen Öffnung und im Fokus des Parabolspiegels angeordnet ist, wobei die Sehfeldblende die interessierende Strahlungsenergie eintreten läßt, während sie dazu dient, Strahlungsenergie außerhalb des Gesichtsfeldes am Auftreffen auf die Detektoren zu hindern.

12. Wellenlängendiskriminatorradiometer nach Anspruch 11, wobei der faltbare Flachspiegel in Winkelrichtung einstellbar ist, um ein Bezugsgebiet bereitzustellen.