DE2113712B2 - Anordnung zur erfassung von strahlen - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erfassung von Strahlen mit veränderlichem Ausgangspunkt,
die mehrere strahlungsempfindliche Detektorelemente in ringförmiger Anordnung und einen als Diskriminator
wirkenden rotationssymmetrischen Reflektorkörper enthält. Mit sogenannten Ortungsdetektoren
kann eine Ortsveränderung des strahlenden Objektes sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung
erfaßt werden. Diese unter der englischen Bezeichnung Tracker oder Seeker bekannten Detektoren, enthalten
mehrere Photowiderstände oder aktive Photoelemente in Form eines Kreissektors, die zusammen eine Scheibe
bilden. Die einzelnen Sektoren sind jeweils mit elektrischen Anschlußleitern versehen und bilden getrennte
Detektorelemente. Die Verwendung von Photowiderständen in solchen Systemen hat den Nachteil, daß die
Wellenlänge durch den Bandabstand des verwendeten Halbleiters begrenzt ist. Für verhältnismäßig große
Wellenlängen sind solche Detektoren nur mit besonderer Kühlung verwendbar. Wird beispielsweise ein Indiumantimonid-Halbleiterkörper
verwendet, so können diese Detei .oren mit einer Siickstofikühlur.g für Wellenlängen
bis etwa 5,5 μηι verwendet werden. Mit aktiven Halbleiter-Photoelementen sind diese Detektoren
nur für verhältnismäßig geringe Wellenlängen geeignet. Die Wellenlänge für einen Silizium-Halbleilerkörper
ist auf etwa 1,1 μιη begrenzt, während Germaniumdetektoren
für Wellenlängen bis zu etwa 1,6 μιη verwendbar sind.
In einer bekannten Anordnung zum Erfassen von Strahlen mit veränderlichem Ausgangspunkt, die mehrere
strahlungsempfindliche Detektorelemenl; in ringförmiger
Anordnung enthält, ist ein als Diskriminator wirkender rotationssymmetrischer Reflektorkörper
vorgesehen, der die ankommende Strahlung umlenkt und ringförmig gestalteten Detektoren zuführt. Die Reflektorflächen
des kegelförmigen Diskriminators und des Detektors liegen einander gegenüber (deutsche Offenlegungsschrift
18 15 948). Die Detektoren können auch so ringförmig gestaltet sein, daß ihre der Strahlung
entgegengerichteten Empfängerflächen in einer Ebene liegen (US-Patentschrift 34 50 479).
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Infrarot-Ortungsdetektor zur Erfassung einer zweidimensionalen
Ortsveränderung des strahlenden Objektes so zu gestalten, daß auch eine sehr geringe Ortsveränderung
des strahlenden Objektes erfaßt werden kann und der eine sehr geringe Zeitkonstante hat.
In der Ausführungsform als Einzeldetektor sind nun Strahlungsdetektoren mit einem strahlungsempfindlichen
Halbleiterkörper aus Indiumantimonid bekannt, die bei Zimmertemperatur unter Verwendung eines
MagneifplHpc betriehen werden können. Die Wirkung
dieser Detektoren beruht auf dem photoelektromagnetischen Effekt. Sie sind deshalb auch unter der Bezeichnung
»PEM-Detektor« bekannt.
Aus uci deutschen ralciiischriit Ί6 i4 57ö ist ferner
ein thermomagnetischer Detektor bekannt, dessen Wirkung auf dem optisch induzierten Ettingshausen-Nernst-Effekt
beruht und der deshalb als OEN-Detektor bezeichnet wird.
Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß iiuch aus diesen magnetischen Detektoren mit geringer
Zeitkonstante ein Detektor für zweidimensionale Strahlungserfassung hergestellt werden kann, wenn es
gelingt, das Bild des Strahlers einem dieser Detektorelemente in Abhängigkeit von einer Ortsveränderung
des strahlenden Objektes zuzuführen. Erfindungsgemäß sind die Detektorelemente als sektorförmig unterteilter
Ring senkrecht zur Rotationsachse des Diskriminators im Luftspalt eines Ringspaltmagneten angeordnet,
und es sind Mittel vorgesehen, die eine Zone des Diskriminators auf den Detektorring abbilden. Die ankommende
Strahlung wird von dem Diskriminator vorzugsweise über eine Spiegeloptik, deren Reflexionsfläche
einen Rotationskegelschnitt büuet, wenigstens einem der Ringsektoren vorgegeben. Die Spiegeloptik
dient ais Zwischenbildträger. Der Diskriminator dient nicht nur zur Umlenkung der Strahlen, sondern er liefert
der zur Zwischenabbildung dienenden Spiegeloptik das Bild der Strahlungsquelle. Der Diskriminator kann
deshalb auch eine punktförmige Strahlung erhalten und
es wird auch eine sehr geringe Ortsabweichung nach Größe und Richtung erfaßt. Als Strahlungsdetektoren
sind sowohl PEM- als auch OEN-Detektoren geeignet.
Im Falle einer Orts\eränderung des strahlenden Obiektes
senkrecht zur mit der Rotationsachse des Ring-SDaltmagneten
identischen optischen Achse wechselt auch dessen Abbild von der Oberfläche eines der Halbleiterkörper
zu dem diesem gegenüberliegenden Halbleiterkörper. Eine tote Zone beim Übergang des Ausgangssignals
der Anordnung von der positiven zur negativen Richtung und umgekehrt kann so.nit nicht auftreten,
weil der Krümmungsradius der Spitze des Diskriminators kleiner als der Durchmesser des von einem
vorgeschalteten Objektiv erzeugten Abbildes des Strahlers gemacht werden kann. Bei parallel auf das
Objektiv einfallenden Strahlen ist der Durchmesser des Abbildes durch das von der Eintritispupillc erzeugte
Beugungsscheibchen bestimmt.
Als Diskriminator kann ein Kegel verwendet werden.
dessen Rotationsachse mit der optischen Achse identisch ist und dessen Spitze der ankommenden
Strahlung entgegengerichtet ist. Die Strahlung wird zunächst vom Kegel und dann von der Spiegeloptik reflektiert,
deren Oberfläche die Form eines Ellipsoids hat. Die Summe eines der Brennpunkte der erzeugenden
Ellipse bildet auf den Ringsektoren einen Brennring und ihr zweiter Brennpunkt liegt auf der Kegelspitze. In einer besonderen Ausführungsform der Anordnung
nach der Erfindung bildet die Summe der zweiten Brennpunkte in der Nähe der Spitze des Diskriminators
ebenfalls einen Brennrmg, der senkrecht und konzentrisch zur optischen Achse angeordnet ist.
Diskriminator und Spiegeloptik können vorzugsweise so dimensioniert werden, daß das Verhältnis vom
Durchmesser des Brennringes in der Nähe der Spitze des Diskriminators zum Durchmesser des Halbleiterringes
etwa I : IO beträgt. Der Brennring in der Nähe der Spitze des Diskriminators kann sich sowohl auf der
riU—(1X«U- Λ..ο ΓΛ:..!,..:«-.;^.*»^.^ öle- onnl·» in oinaw vnrkn. 6S
stimmten Abstand von der Oberfläche befinden.
Zur Abbildung der Strahlung auf dem Halbleiterring sind ferner ein Diskriminator und eine Spiegeloptik geeignet,
dcrc" Reflcxiorisflücheri beide die Form eines
Paraboloids haben. Außerdem kann die Reflexionsfläche des Diskriminators die Form eines Hyperboloids
und die Reflexionsfläche der Spiegeloptik die Form eines Ellipsoids haben. Bei diesen Ausführungsformen
*ind die Erzeugenden von Diskriminator und Spiegeloptik konfoka'le "Kegelschnitte, so daß der auf der
Oberfläche des Halbleiterkörpers liegende Brennring durch die Spiegeloptik aut den kleineren Brennnng in
der Nähe der Spitze des Diskriminators abgebildet wird.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Strahlungserfassung nach
der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
Nach F i g. 1 sind im Luftspalt eines Ringspaltmagneten 2, der in bekannter Weise gestaltet sein kann, vier
ringsektorförmige Strahlungsdetektorelemente 4 bis 7 angeordnet. Diese Ringsektoren werden somit von
einem radialen Magnetfeld durchsetzt. Zwischen den Enden der einzelnen Sektoren sind jeweils elektrisch
isolierende dünne Zwischenschichten 9 bis 12, die in der Figur zur Deutlichkeit etwas vergrößert dargestellt
sind, derart angeordnet, daß die Halbleiterkörper 4 bis 7 zusammen mit den Isolationsschichten 9 bis 12 einen
Ring bilden. Jeweils die am Umfang des Ringes einander gegenüberliegenden Ringsektoren sind elektrisch
gegeneinander geschaltet, so daß der mit einem Ende des Halbleiterkörpers 4 verbundene Anschlußleiter ein
positives oder negatives Signal für eine Abweichung in positiver bzw. negativer y-Richtung erhält, das an einer
Ausgangsklemme 14 abnehmbar ist. In gleicher Weise sind die Halbleiterkörper 5 und 7 elektrisch gegeneinander
geschähet, so daß an dem Anschiußiciter des
Halbleiterkörpers 5 ein Signal gebildet wird, das an einer Ausgangsklemme 15 abnehmbar ist und das je
nach der Abweichung der ankommcndiMi Strahlung in
positiver oder negativer ^-Richtung positives bzw. negatives Vorzeichen hat. jeweils ein Ende der HaIbleiterkörper
6 und 7 liegt über einer Klemme 16 bzw. 17 auf Null-Potential. Die Vorzeichen der beiden Ausgangssignale
an den Klemmen 14 und 15 sind damit ein Maß für die Richtung der zugehörigen lateralen Abweichung
des Strahlers von der optischen Achse. Die Ausgangssignale an den Klemmen 14 und 15 können in
bekannter Weise als Stellgröße für eine Nachsteuereinrichtung verwendet werden. Diese Nachsteuercinrichtung
dreht den Meßkopf mit der Anordnung nach der Erfindung entsprechend der Abweichung des strahlenden
Objektes in der x- und/oder y-Richtung, bis die beiden Signale Null werden. Die Größe dieser Verdrehung
ist dann ein Maß für die Winkelabweichung des in der Figur nicht dargestellten Strahlers gegenüber der optischen
Achse vor der Nachstellung. Mit der Anordnung nach der Erfindung kann somit nicht nur die Richtung
der Ortsveränderung eines strahlenden Objektes, sondern auch die Größe der Abweichung festgestellt werden.
Nach F i g. 2 wird die von einem in der Figur nicht dargestellten strahlenden Objekt ankommende, durch
Pfeile angedeutete Strahlung über ein Objektiv, das in der Figur als Linse 20 dargestellt ist, aber auch ein
Spiegelobjektiv sein kann, einem Diskriminator 22 zugeführt, dessen Reflexionsfläche die Form eines Kegels
hat und Hessen Spitze auf der strichpunktiert gezeichneten
optischen Achse liegt. Der Diskriminatorkegel ist durch einen Sockel 23 mit dem Ringspaltmagneten 2
verbunden. Vom Diskriminator 22 wird die Strahlung
reflektiert und gelangt nach einer weiteren Reflexion an der Oberfläche einer Spiegeloptik 24 zur Oberfläche
eines Halbleiterringes 26, der aus den ringsektorförmigen
und gegeneinander elektrisch isolierten Einzeldetektoren
4 bis 7 nach F i g. 1 gebildet wird. Diese Detektoren sind auf einem ringförmigen Träger 28 im
Luftspalt des Magneten 2 angeordnet, der ein Ringspaltmagnet sein kann, wie er in Lautsprechern verwendet
wird. Der Träger 28 besteht aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise Keramik. Die elektrischen
AnschluBleiter mit den Klemmen 14 und 15 sind durch eine entsprechende Bohrung im Boden des Magneten
2 und durch eine öffnung im Gehäuse 30 des Magneten 2 hindurchgeführt. Die Zwischenräume 32
und 34 im Gehäuse 30 und im Magneten 2 können zweckmäßig mit einem Gießharz gefüllt sein. Die Spiegeloptik
24, deren reflektierende Fläche in dieser Ausführungsform die Form eines Ellipsoids hat, ist in einer
Haube 31 angeordnet, die auf das Magnetgehäuse 30 aufgeschraubt ist und für die ankommende Strahlung
mit einer entsprechenden öffnung versehen ist. Am Boden des Gehäuses 30 sind auch die beiden Anschlußklemmen
16 und 17 dargestellt, die in der zugehörigen elektronischen Schaltung für die empfangenen Signale
auf Nui'i-Poicntia! liegen können.
Die erzeugende Ellipse der Spiegeloptik 24 wird bestimmt durch die Lage ihres einen Brennpunktes im
Abstand R von der optischen Achse auf der Oberfläche des Detektorringes 26 und ihres anderen Brennpunktes,
der auf der Spitze des Kegels 22 liegen kann. Die Summe der Brennpunkte auf dem Detektorring 26 bildet
dort einen Brennkreis mit dem Radius R. Die große Hauptachse der Ellipse kann vorzugsweise gleich der
Summe aus dem Radius R des Brennkreises und dem Abstand h des Brennpunktes an der Spitze des Kegels
22 von der Ebene dieses Brennkreises gewählt werden.
Mit dieser Gestaltung wird erreicht, daß der achsenparallel einfallende Hauptstrahl H senkrecht auf den Detektorring
26 trifft, wie in der Figur gestrichelt angedeutet ist.
Die Gestaltung des Diskriminators 22 in Verbindung
ίο mit der Spiegeloptik 24 kann zweckmäßig so gewählt
werden, daß der auf der Oberfläche des Halbleiterringes 2ö gebildete Brennring durch die Spiegeloptik 24 in
der Nähe der Spitze des Diskriminators 22 abgebildet wird. Hierdurch wird erreicht, daß auf dem Detektorring
26 die optimale Abbildungsschärfe des auf die Ebene im Abstand h von der Halbleiterring-Oberfläche 26
abgebildeten Strahlers für einen vorbestimmten Winkel zwischen der optischen Achse und der Richtung der
einfallenden Strahlung erhalten wird. Man kann somit auch noch Strahlen erfassen, deren Einfallsrichtung erheblich
von der optischen Achse abweicht.
Mit einem Kegel 22 als Diskriminator nach Fig.2
kann dieser abgebildete Brennring mit dem Radius r vorzugsweise auf dem Kegelmantel liegen. Das Verhältnis
von Radius R des Brennringes auf der Oberfläche des Haibieiterriiiges 26 zurr, Radius rdes Brennringes
auf dem Kegelmantel kann vorteilhaft annähernd 10 :1 betragen.
In Verbindung mit einer Parabel oder einer Hyperbe' als Erzeugende für die Reflexionsfläche des Diskrimi nators liegt dieser Brennring nicht auf der Reflexions fläche.
In Verbindung mit einer Parabel oder einer Hyperbe' als Erzeugende für die Reflexionsfläche des Diskrimi nators liegt dieser Brennring nicht auf der Reflexions fläche.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
7626
Claims (12)
1. Anordnung zur Erfassung von Strahlen mit veränderlichem Ausgangspunkt, die mehrere S
strahlungsempfindliche Detektorelemente in ringförmiger Anordnung und einen als Diskriminator
wirkenden rotaiionssymmetrischcn Rcflckiui körper
enthält, dadurch gekennzeichnet, daß
die Detektorelemente (4 bis 7) als sektorförmig unterteilter Ring (26) senkrecht zur Rotationsachse
des Diskriminators (22) im Luftspalt eines Ringspaltmagneten (2) angeordnet sind und daß Mittel
vorgesehen sind, die eine Z.one des Diskriminators (22) auf den Detektorring (26) abbilden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbildung eine Spiegelopnk (24)
vorgesehen ist, deren Reflexionsfläche einen Rotationskegelschnitt bildet.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Hie Reflexionsfläche des Diskriminators
(22) die Form eines Kegelmantels und die Reflexionsfläche der Spiegelcptik (24) die Form eines
Ellipsoids hat.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die große Hauptachse der die Refiexionsfläche
der Spiegeloptik (24) erzeugenden Ellipse gleich der Summe aus dem Abstand (R) ihres
einen Brennpunktes auf der Oberfläche des Deiektorringes (26) von der Ringmitte und dem Abstand
(h) ihres zweiten Brennpunktes an der Spitze des Kegels (22) von der Ebene der bestrahlten Oberfläche
des Detektorringes (26) ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 his 4. dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Summe
der Brennpunkte auf der Oberfläche des Detektorringes (26) gebildete Brennkreis durch die Spiegeloptik
(24) in der Nähe der Spitze des Diskriminators (22) abgebildet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (r) des Brennpunktes in
der Nähe der Spitze des Diskriminators (22) von der optischen Achse annähernd V10 des Abstandes
(R) des Brennpunktes auf der Oberfläche des Detektorringes (26) von der optischen Achse beträgt.
7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche des Diskriminators
die Form eines Hyperboloids und die Reflexionsfläche der Spiegeloptik die Form eines dazu
konfokalen Ellipsoids hat.
8. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen von Diskriminator
und Spiegeloptik jeweils die Form eines Paraboloids haben.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkörper
(4 bis 7) aus einem für den photoelektromagneüschen Effekt geeigneten Halbleitermaterial bestehen.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkörper
(4 bis 7) aus einem für den optisch induzierten Ettingshausen-Nernst-Effekt geeigneten Halbleitermaterial
bestehen.
11. Anordnung nav.li Anspruch !0, dadurch £·?- 6^
kennzeichnet, daß die Halbleiterkörper (4 bis 7) aus einem Halbleitermaterial bestehen, dessen Kristall
eutektische Ausscheidungen einet1 zweiten elektrisch
gutleitenden krisiäiUncn Phase enthält, die
parallel zueinander und senkrecht zur bestrahlten Oberfläche der Halbleiterkörper (4 bis 7) angeordnet
sind.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleiterkörper aus Indiumantimonid (InSb) und die Ausscheidungen aus Nikks'.aruimrinid
(NiSb) bestehen.
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