DE102007035682B4 - IR-Detektionsvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Infrarot(IR)-Detektionsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Aus der
US4820923 und derDE4303231 ist eine IR-Detektionsvorrichtung zur Erfassung von IR-Strahlung bekannt, mit einem Dewargefäß, einem in diesem angeordneten IR-Detektor, mit einem Fenster zum Durchlassen von von dem IR-Detektor zu detektierender IR-Strahlung aus dem optischen System und einer innerhalb des Dewargefäßes zwischen dem IR-Detektor und dem Fenster angeordneten Blende und mit einer außerhalb des Dewargefäßes und vor dem Fenster angeordneten weiteren Blende IR-Detektionsvorrichtungen müssen für leistungsfähige Infrarotgeräte auf niedrige Temperaturen, z. B. minus 200 Grad Celsius, gekühlt werden und weisen eine an das IR-Optiksystem angepasste gekühlte Blende, auch „Cold-Shield” genannt, auf. - Üblicherweise sind IR-Detektionsvorrichtungen als optimierte Einheit mit einem vorgegebenen IR-Optiksystem ausgebildet und dadurch nur für dieses IR-Optiksystem geeignet.
- Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine IR-Detektionsvorrichtung bereitzustellen, die mitunterschiedlichen IR-Optiksystemen integriert werden kann.
- Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den auf diesen rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
- Nach der Erfindung ist eine IR-Detektionsvorrichtung zur Integration mit einem optischen System zur Erfassung von IR-Strahlung vorgesehen, wobei die IR-Detektionsvorrichtung aufweist: ein Dewargefäß, einen IR-Detektor, ein Fenster zum Durchlassen von von dem IR-Detektor zu detektierender IR-Strahlung aus dem optischen System und eine innerhalb des Dewargefaßes zwischen dem IR-Detektor und dem Fenster angeordnete Blende, wobei außerhalb des Dewargefäßes und vor dem Fenster eine weitere Blende angeordnet ist.
- Die weitere Blende kann ringförmig ausgebildet sein. Auch kann die weitere Blende auf der Detektorseite verspiegelt sein. Insbesondere kann die weitere Blende von der Richtung des IR-Detektors aus gesehen konkav ausgebildet sein.
- Durch die erfindungsgemäße IR-Detektionsvorrichtung kann diese mit verschiedenen optischen Systemen integriert werden, ohne dass dabei Einbußen der optischen Leistung der Gesamtanordnung hingenommen werden müssten.
- Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der beigefügten Figuren beschreiben, die zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Infrarot(IR)-Detektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik mit einem Dewargefäß, einem IR-Detektor, einem Fenster, einer Blende und einer IR-Optik; -
2 eine schematische Darstellung einer Infrarot(IR-)Detektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik in einer im Vergleich zur Vorrichtung nach1 anderen Bauweise, mit einem kürzeren Abstand zwischen der Blende und dem IR-Detektor; -
3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Infrarot(IR-)-Detektionsvorrichtung; und -
4a und4b schematische Darstellungen von Strahlengängen zwischen dem optischen System und der erfindungsgemaß außerhalb des Dewargefäßes angeordneten weiteren Blende, wobei die4b eine Schnittdarstellung der die Ebene A-A durchlaufenden Strahlen zeigt. - Die
1 und2 zeigen die Strahlengänge von zwei verschieden dimensionierten IR-Detektionsvorrichtungen, die jeweils mit einem vorgegebenen IR-Optiksystem integriert sind. Dabei wird gezeigt, dass Änderungen von Dimensionen der Detektor-Blenden-Anordnung einer IR-Detektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik zu Einbußen bei der optischen Qualität, wie Schärfe oder Intensität, führen:
Die1 zeigt eine IR-Detektionsvorrichtung10 zur Integration mit einem optischen System14 zur Erfassung von IR-Strahlung, mit einem Dewargefäß11 , einem IR-Detektor12 , einem Fenster13 zum Durchlassen von von dem IR-Detektor12 zu detektierender IR-Strahlung aus dem optischen System und einer innerhalb des Dewargefäßes11 zwischen dem IR-Detektor12 und dem Fenster13 angeordneten Blende15 . Das Innere des Dewargefäßes ist auf eine tiefe Temperatur, üblicherweise etwa minus 200 Grad Celsius gekühlt, um den Detektor für IR-Strahlung empfindlich zu machen. Gleichzeitig reduziert die tiefe Temperatur innerhalb des Dewars die Eigenstrahlung von Teilen der Detektorvorrichtung, insbesondere auch die der Blende, die die Öffnung der auf den IR-Detektor treffenden Strahlenbündel definiert. Der Abstand zwischen dem IR-Detektor12 und der Blende15 beträgt L1. Der Detektor12 mit Dewargefäß11 und der gekühlten Blende15 sind auf das optische System14 abgestimmt, wie die in der1 eingetragenen Strahlenverläufe zeigen. - In der
2 ist eine andere Ausführungsform der IR-Detektionsvorrichtung nach der1 gezeigt, zur Integration mit demselben optischen System14 , das bei der Ausführungsform nach der1 verwendet wird, mit einem Dewargefäß21 , einem IR-Detektor22 , einem Fenster23 und einer innerhalb des Dewargefäßes21 zwischen dem IR-Detektor22 und dem Fenster23 angeordneten Blende25 . Der Abstand zwischen dem IR-Detektor22 und der Blende25 beträgt L2. - Die
2 zeigt, dass der Randstrahl27 bei der Anordnung aus IR-Detektionsvorrichtung20 und optischem System14 eine Unschärfe in der Abbildung bewirkt: die Strahlen27 können die Optik durchlaufen, während diese bei der Anordnung nach der1 von der kalten Blende (Cold-Shield) begrenzt werden. Da die Optik für diese Strahlen nicht korrigiert wird, wird die Optik-Modulationsübertragungsfunktion und somit die Bildscharfe schlechter. - Weiterhin zeigt die
2 , daß der Randstrahl28 , der z. B. von der Fassung einer Linse kommt, von dem Detektor22 erfasst wird. Dies führt dazu, dass die Anordnung aus IR-Detektionsvorrichtung20 und optischem System14 zu einer schwächeren Intensität der Abbildung führt, da die Randstrahlen28 an der Optik vorbeilaufen, so dass vielerlei Objekte im Gerät, z. B. auch heisse Motoren o. ä., vom Detektor gesehen werden, so dass die Bildqualität durch Streustrahlung reduziert wird. - Diese Nachteile bei der Anordnung aus IR-Detektionsvorrichtung
20 und optischem System14 nach der2 könnten durch eine Änderung des optischen Systems14 , z. B. durch eine Vergrößerung der Durchmesser von Linsen des optischen Systems14 überwunden werden, was jedoch angesichts der hohen Kosten eines optischen Systems wiederum sehr nachteilig Ware. Abgesehen davon ist dies bei üblichen Anwendungsfällen nicht moglich, wenn Linsengruppen mit Randauflagen versehen sind. Auch ist eine Optik mit größeren Durchmessern in manchen Geräten nicht unterbringbar. - In den
3 ,4a ,4b ist die erfindungsgemäße IR-Detektionsvorrichtung dargestellt. - Die erfindungsgemäße IR-Detektionsvorrichtung
30 zur Integration mit einem optischen System zur Erfassung von IR-Strahlung weist ein Dewargefaß31 , einen IR-Detektor32 , ein Fenster33 zum Durchlassen von von dem IR-Detektor32 zu detektierender IR-Strahlung aus dem optischen System und einer innerhalb des Dewargefaßes31 zwischen dem IR-Detektor32 und dem Fenster33 angeordneten Blende34 . Der IR-Detektor weist ein Pixelfeld auf, in dem die Strahlung detektiert wird. Weiterhin ist außerhalb des Dewargefäßes31 und vor dem Fenster33 eine weitere Blende40 angeordnet. Die weitere Blende40 kann ringförmig ausgebildet sein. Weiterhin kann die weitere Blende40 auf der Detektorseite verspiegelt sein. Auch kann die weitere Blende, von der Richtung des IR-Detektors aus gesehen, konkav und insbesondere kugelförmig ausgebildet sein. Eine solche Blende ist mit gestrichelten Linien in der3 eingetragen und mit dem Bezugszeichen40a versehen. - Die Öffnung der gekühlten Blende
34 ist so groß, dass nur Strahlung direkt aus der Optik14 auf den Detektor32 fallen kann. Auf diese Weise wird verhindert, dass Strahlung aus dem Geräteinneren von dem Detektor32 erfasst wird und dass somit Streustrahlung die Bildqualität reduzieren kann. - Die zusätzlich vorgesehene Blende
40 kann Raumtemperatur haben. Der Detektor32 sieht also mit z. B. der F-Zahl 4.6 durch die Optik und mit z. B. F-Zahl 4.0 (d. h. einem etwas größerem Raumwinkel auf die Blende34 ). - Die Detektions-Eigenschaften können bei der erfindungsgemäßen Lösung bei einem gegebenen optischen System
14 optimiert werden, wie auch die3 zeigt: Der Strahlengang38 , der dem Strahlengang28 der2 entspricht, durchläuft nicht mehr das Optik-System. - In den
4a ,4b ist gezeigt, dass in einem kleinen ringförmigen (am Sehfeldrand mondsichelförmigen; s. Schnitt A-A in4 ) Raumwinkel der Detektor die normalerweise ungekühlte Blende11 sieht. Fur den Beispielfall einer F-Zahl-Optik von 4.6 und einer f-Zahl-Blende von 4.0 beträgt die Erhöhung des Detektorrauschens nur ca. 10%, d. h. die Temperatur-Auflösung würde von z. B. 50 mK auf 55 mF steigen. Aber selbst diese kleine Verschlechterung lässt sich noch signifikant reduzieren, wenn die ringförmige Blende40 als konkaver Hohlspiegelring ausgebildet ist, vorzugsweise so dass sich der kalte Detektor in dem Ring selbst sieht.
Claims (2)
- IR-Detektionsvorrichtung (
30 ) zur Integration mit einem optischen System zur Erfassung von IR-Strahlung, mit einem Dewargefäß (31 ), einem in diesem angeordneten IR-Detektor (32 ), mit einem Fenster (33 ) zum Durchlassen von von dem IR-Detektor (32 ) zu detektierender IR-Strahlung aus dem optischen System und einer innerhalb des Dewargefäßes (31 ) zwischen dem IR-Detektor (32 ) und dem Fenster (33 ) angeordneten Blende (34 ) und mit einer außerhalb des Dewargefäßes (31 ) und vor dem Fenster (33 ) angeordneten weiteren Blende (40 ), dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Blende (40 ) als Hohlspiegelring und von der Richtung des IR-Detektors (32 ) aus gesehen kugelförmig derart ausgebildet ist, dass sich der IR-Detektor (32 ) in dem Hohlspiegelring selbst sieht. - IR-Detektionsvorrichtung (
30 ) nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Blende (40 ) auf der Detektorseite verspiegelt ist.
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