DE2609242A1 - Detektoranordnung zur feststellung von strahlungsenergie - Google Patents
Detektoranordnung zur feststellung von strahlungsenergieInfo
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TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
I35OO North Central Expressway
Dallas, Texas, V.St.A.
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Detektoranordnung zur Feststellung von Strahlungsenergie
Die Erfindung "bezieht sich auf eine Detektoranordnung zur
Feststellung von Strahlungsenergie und insbesondere auf eine Abtastoptik für eine solche Anordnung.
Ein Infrarotdetektor, der für Abtastsysteme mit einem Gesichtsfeld
mit weitem Seitenwinkel ausgelegt ist, zeigt Bilder an, die zu rotieren oder zu kippen scheinen, wenn
die Optik eine Azimutabtastung durchführt. Bisher ist diese
sichtbare Rotation dadurch beseitigt worden, daß die Optik, das Detektorfeld, die Elektronik und. wo
sie benutzt wurden, auch die Leuchtdioden für die Anzeige in Drehung versetzt wurden. Die Infrarotdetektoranordnung
enthält im allgemeinen folgende Baugruppen: Einen Ablenkspiegel, eine Fokussierungsoptik, einen
Detektor, eine Detektorkühlvorrichtung, eine Elektronik mit einer Videoelektronik, sichtbares Licht aussendende
Leuchtdiodenfelder und eine Anzeigevorrichtung. Der
Schw/Ba
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2 6 Π 9 2 A
Nachteil, daß sich bis auf die Anzeigevorrichtung alle Baugruppen drehen, ist der Einfluß der starken Kräfte,
die auf Grund de:' beispielsweise zur Einhaltung der
speziellen Bildgeechwindigkeiten erforderlichen hohen Drehzahlen auf das System einwirken. Diese Kräfte erzeugen
eine übermässige Verformung der Optikhalterungen, sie schränken die Unterbringung der Elektronik ein und sie
reduzieren die Zuverlässigkeit der Einzelbauteile. Vorschläge zur Anbringung einer ausreichenden Anzahl von
Detektoren zur Azimutabtastung ohne Drehung sind wegen
der großen Anzahl elektronischer Schaltungen nicht angenommen worden, die zur Verarbeitung der Signale der
Detektorelemente erforderlich sind; auf Grund der Größe und des Gewichts verbietet sich ein System mit einer
solchen Verarbeitungselektronik.
Mit Hilfe der Erfindung soll demnach ein verbesserter Strahlungsenergieempfänger geschaffen werden. Es soll
ein Infrarotempfänger geschaffen werden, der praktisch die minimale Anzahl von rotierenden Elementen enthält.
Außerdem soll eine Abtastoptik für einen Infrarotempfänger geschaffen werden, bei der ein optisches Bild
zur Beseitigung der von einem weiteren optischen Element erzeugten Rotation gedreht wird. Außerdem soll mit Hilfe
der Erfindung ein Infrarotempfänger geschaffen werden, der einen erhöhten Modulationsübertragungswirkungsgrad
aufweist. Auch soll ein Infrarot-Rotationskompensations-Dreiecksprisma
zur Erzielung einer optimalen Durchlässigkeit und optimalem Modulationsübertragungswirkungsgrad
sowie mit minimalen Abmessungen zur Unterbringung einer Rotationskompensationsanordnung geschaffen werden.
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2 60 9 2 4/
Der erfindungsgemäße Infrarotstrahlungsempfänger enthält
eine Optik, die von Objekten in einem Gesichtsfeld ausgehende
Infrarotstrahlung empfängt. Die ankommende Strahlung wird von einem Ablenkspiegel gegen eine Rotationskompensatinnsreflektor-Vorrichtung
reflektiert. Ein die Rotationskompensations-Reflektorvorrichtung, beispielsweise ein
Prisma durchlaufendes Bild wird um den zweifachen Wert des mechanischen Rotationswinkels des Prismas gedreht.
Durch Drehen des Prismas in der gleichen Richtung wie der Ablenkspiegel bei halber Spiegeldrehzahl bleibt
das Bild somit feststehend. Der Detektor stellt das feststehende Bild fest und erzeugt elektrische Signale
entsprechend dem Bild, das von der von Objekten im Gesichtsfeld ausgehenden Infrarotstrahlung gebildet
ist. Die Anordnung ermöglicht die Verwendung einer nicht rotierenden Fokussierungsoptik, nicht rotierender
Detektoren, Kühlvorrichtungen und Signalverarbeitungs-Elektronikanordnungen im Strahlungsenergie-Detektorsystem.
.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:
Fig.1 eine perspektivische Ansicht eines Infrarot-,
empfängers, der eine Optik dreht, wobei das Gehäuse entfernt ist,
Fig.2 einen Schnitt der Rotations-und Optikanordnung
längs der Linie A-A von Fig.1 und
Fig.3 eine Draufsicht auf die RotationssKompensations-Befestigungsvorrichtung.
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Nach Fig.1 enthält die Rotations - und Optikanordnung des Infrarotempfängers folgende Baugruppen: Eine rotierende
Anordnung 12 mit einem ebenen Ablenkspiegel und einem Gehäuse, ein als Rotationskompensationsorgan in
einer rotierenden Rotationskompensations- und Gehäuseanordnung 14, einen Motor 16, eine Antriebsvorrichtung 18,
eine Fokussierungsoptik 19, eine Detektor/Devar-Vorrichtung 22 und eine Elektronik 88 (Fig.2) für das System.
DieAblenkspiegel- und Gehäuseanordnung 12 enthält nach Fig.2 einen starr in einem Gehäuse 26 befestigten Ablenkspiegel
24, der sich mit dem Gehäuse dreht. Der Spiegel ist aus einem geeigneten Material wie Beryllium
hergestellt, und er ist in dem Gehäuse in einem Winkel von 45° zur optischen Mittelachse angebracht. Das
Gehäuse 26 des ebenen Spiegels, das beispielsweise aus Aluminium bestehen kann, ist an einem Rotationskompensationsgehäuse
28 mittels winkelmässig präziser Kugellager 30 gelagert. Die Kugellager 30 sind vorbelastet,
damit unerwünschte axiale und radiale Verschiebungen der Ablenkspiegel und Gehäuseanordnung 12 verhindert
werden. Wenn sich das Rotationskompensationsgehäuse 28 mit der halben Drehzahl des Spiegelgehäuses 26 dreht,
wie später noch erläutert wird, sind die Kugellager 30 einer absoluten Winkelgeschwindigkeit ausgesetzt,
die gleich der Hälfte der Winkelgeschwindigkeit des Spiegelgehäuses ist.
Die Rotationskompensations- und Gehäuseanordnung 14 enthält ein Infrarot-Dreiecksprisma, das als Rotationskompensationsorgan
32 verwendet wird und im Rotationskompensationsgehäuse 28 drehfest angebracht ist. Das
RotationskompensatLonsprisma 32 ist ein gleichschenkliges
Prisma, das aus einem für Infrarotes Licht oder Strahlungs-
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energie durchlässigen Material hergestellt ist. Ein solches für infrarotes Licht durchlässiges Material ist ein Material
mit einem Brechungsindex von etwa 1,4 bis 4,1. Der Scheitelwinkel des gleichseitigen Prismas liegt
zwischen etwa 40° und etwa 60°. Optimale Ergebnisse werden bei Brechungsindices über 2,5 und bei Scheitelwinkeln
zwischen 45° und 50° erzielt. Für die Prismen geeignete infrarotdurchlässige Materialien sind beispielsweise
Germanium, Galliumarsenid oder Silizium. Zur Erzielung maximaler ModulationsübertragungEwirkungsgrade
sollte das Prisma im wesentlichen frei von Gitterfehlern sein, damit eine Energiestreuung verhindert wird,
und damit der kürzeste Energieweg durch das Prisma zur wesentlichen Reduzierung der Energieabsorption erzielt
wird. Aus den oben erwähnten Materialien aufgebaute Prismen mit Scheitelwinkeln zwischen 45 und etwa 50°
haben bei richtiger Anbringung zum Empfang von Infrarotenergie Modulationsübertragungswirkungsgrade zwischen
80% und 96% . Das Prisma ist dann im Gehäuse 28 richtig
angebracht, wenn die Bahn eines parallel auf die Basis v
des Prismas auftreffenden unabgelenkten Strahls der in Fig.2 angegebenen Bahn folgt. Diese Bahn tritt in
einer Höhe h bezüglich der Basis des Prismas ein, die sich mit Hilfe der nachfolgenden Gleichung erhalten
läßt: ^B] B
1 + 2 η S
tan 4 sin ( % - α )
cos (A -α ) * *
in der A der Scheitelwinkel und α der Brechungswinkel ist.
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Das Rotationskompensationsprisma 32 ist nach Fig.3 in einem
Rahmen 38 angebracht, der sich mit dem Rotationskompensationsgehäuse 28 um die optische Achse des Systems dreht.
Da das Prisma 32 senkrecht zur optischen Achse bleiben muß, kann seine Neigung mittels drei einstellbarer Verbindungsflansche
40 am Prismenrahmen 38 und am Gehäuse fein eingestellt werden. Das Rotationskompensationsgehäuse
28 kann beispielsweise ein Aluminiumgehäuse sein, das mit Hilfe winkelmässig präziser Kugellager 36 an einem Aussengehäuse
34 gelagert ist.
Die Ablenkspiegelanordnung 12 und die Rotationskompensationsanordnung
14 (Fig.1 und Fig.2) werden von einem geeigneten Motor 16, beispielsweise einem elektrischen Einphasenmotor,
angetrieben. Der Motor 16 gibt die Leistung ab, mit der der Ablenkspiegel und die Rotationskompensationseinheit
auf die erforderliche Drehzahl bringt und dem veränderlichen Reibungsmoment und dem aerodynamischen Widerstand entgegenwirkt.
Die vom Motor 16 angetriebene Antriebsvorrichtung 18
enthält eine Antriebsriemenscheibe 42, einen Riemen '44, eine Riemenscheibe 46 und Ringzahnräder 48, 50, 52 und
Die Riemenscheibe 42 ist auf der Antriebswelle des Motors befestigt, und die Riemenscheibe 46 ist am Ablenkspiegelgehäuse
12 befestigt. Die Riemenscheiben 42 und 47 sind mittels des Riemens 44 verbunden. Am Ablenkspiegelgehäuse
ist ein Ringzahnrad 48 befestigt, und ein zweites Ringzahnrad 50 ist am Rotationskompensationsgehäuse 14
befestigt. Die Ringzahnräder 48 und 50 sind über ein Leistungsabnahmezahnrad 52, das bei einem Ende einer
Welle 54 befestigt ist, und das Ringzahnrad 48 kämmt, sowie ein Antriebszahnrad 56, das am anderen Ende der
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Welle54 "befestigt ist und das Zahnrad 50 kämmt, miteinander
verbunden. Im Betriebszustand treibt der Motor 16 die Riemenscheibe 42, den Riemen 44 und die Riemenscheibe
so an, daß das Ablenkspiegelgehäuse 12 gedreht wird. Das am Gehäuse 12 befestigte Zahnrad 48 treibt das
Zahnrad 52 so an, daß über die Welle 54 das Zahnrad und somit das Zahnrad 50 am Rotationskompensationsgehäuse
-14 gedreht wird. Das Übersetzungsverhältnis ist so ausgelegt, daß das Rotationskompensationsgehäuse
mit der halben Winkelgeschwindigkeit des Ablenkspiegelgehäuses 12 angetrieben wird. Die an der Welle 54 befestigten
Zahnräder 52 und 56 sind von einem Haltebügel am stationären Gehäuse 34 getragen, in dem das Rotationskompensationsgehäuse
28 drehbar gelagert ist.
Die Fokussierungsoptikanordnung 20 enthält ein starres Gehäuse 60 (Fig.2), in dem die Fokussierungsoptik untergebracht
ist. Das Gehäuse 60 befindet sich direkt unterhalb des Bilddrehorgans, und es enthält das optische
Fokussierungssystem, das beispielsweise eine F/1,0-Optik
mit einer Öffnung von 4,5 cm (2,52 inch) ist.Nach
Fig.2 besteht die Fokussierungsoptik aus fünf Linsen 62, 64, 66, 68 und 70. Die Linsen 62, 68 und 70 sind
Siliziumlinsen und die Linsen 64 und 66 sind Germaniumlinsen. Diese Linse ist in einer Edelstahlzelle 72
mittig gelagert, und jede dieser Linsenzellen ist dann in die genau gebohrte Optikhülse eingeschoben.·. Die einzelnen
Linsenzellen sind in der Hülse von geläppten Abstandsstücken 74 auseinandergehalten. Nicht dargestellte
Madenschrauben mit Nylonspitze drücken alle Linsenzellen zu einer Seite der Hülse.
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Die Detektor/Devar-Vorrichtung 22 enthält ein Gehäuse 76,
das an dem bei der Fokussierungsoptik liegenden Ende ein aus Silizium bestehendes Devar-Fenster 78 sowie eine
Strichplatte 80 trägt. Auf dem Kühlfinger 84 des Devar-Gefässes 86 sitzt ein Detektorfeld 82. Das Detektorfeld
kann beispielsweise ein Feld aus Quecksiüber-Cadmium-Tellur-Detektorelementen
oder aus Quecksilber-Zinn-Tellur-Detektorelementen sein; die Kühlvorrichtung kann
beispielsweise ein aus Edelstahl bestehendes, mit flüssigem Stickstoff arbeitendes Devar-Gefäß oder der
Kühlfinger einer kleinen Stirling-Kältemaschine sein. Im Betrieb hält die Kühlvorrichtung das Detektorfled
auf einer Betriebstemperatur, die bei einem HgCdTe-Detektor bei etwa 770K liegt. Eine geeignete Kältemaschine
ist in der US-PS 3 851 773 beschrieben.
Die Elektronik ist in einem Gehäuse 88 untergebracht, das eine am Außengehäuse 90 befestigte elektromagnetische
Abschirmung bildet. Das Elektronikgehäuse 88 enthält die üblichen Detektorsignal-Vorverstärker und die
elektrischen Schaltungen zur Steuerung des Betriebs der Äbtastoptikanordnung, die zwei (nicht dargestellte)
hinter dem Devar-Gefäß untergebrachte gedruckte Schaltungs· platten enthalten. Die zwei Schaltungsplatten enthalten
dem Fachmann bekannte Schaltungen zur Durchführung der folgenden Funktionen: Ablenkspiegelantrieb, Servoverstärker,
Vorverstärker-Sättigungsdecodierschaltungen;
Bezugsfrequenzverstärker, Optiktemperatur, Steuer- und Azirautsynchronisierungsschaltungen. Das Gehäuse
besteht aus einer verzinnten Nickel-Kupfer-Eisenlegierung, die unter der Bezeichnung Mumetal vertrieben
wird, und die vollständig dicht gegen elektromagnetische Störungen ist.
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Im Betrieb des Strahlungsenergiedetektors wird von Objekten im Gesichtsfeld der Systemoptik ausgehende
Infrarotstrahlung folgendermassen auf das Detektorfeld 82 fokussiert: Die ankommende Strahlung wird vom ·
Ablenkspiegel 24 gegen das Rotationskompensations-Prisma
32 reflektiert. Ein das Prisma 32 durchlaufendes Bild wird um den zweifachen mechanischen Drehwinkel
des Prismas gedreht. Durch Drehen des Prismas in der gleichen Richtung wie der Ablenkspiegel mit der halben
Drehzahl des Ablenkspiegels tritt somit aus dem Rotationskompensationsprisma
ein feststehendes Bild aus. Das Bild durchläuft das Fokussierungssystem, das dies
auf das Detektorfeld 82 fokussiert. Das Detektorfeld setzt die Infrarotenergie in elektrische Signale um.
Diese Signale werden zu den im Gehäuse 88 enthaltenen Vorverstärkern geleitet. Die Ausgangssignale der Detektorsignal-
Vorverstärker werden an geeignet . nicht dargestellte Signalverarbeitungseinheiten angelegt, die
die Signale in eine verständliche Form, beispielsweise zur Erzielung einer Anzeige oder eines Alarms verarbeiten.
Es ist zu erkennen, daß zwischen den rotierenden ebenen Ablenkspiegeln und das Rotationskompensationsprisma
eine FokussierungsanOrdnung zur Verkleinerung des Prismas eingefügt werden kann, falls Platzeinsparungen
dies erforderlich machen; ein solcher Aufbau ist erwünscht, wenn der Modulationsübertragungswirkungsgrad verbessert
werden soll.
Die Erfindung ist hier zwar im Zusammenhang mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben worden, doch
kann der Fachmann erkennen, daß das Infrarot-Dreiecksprisma in vorwärtsschauenden Infrarotgeräten (FLIR)
eingesetzt werden kann, und daß weitere Abwandlungen der beschriebenen Anordnung im Rahmen dar Erfindung möglich
sind.
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Claims (20)
- Patentansprüche . J Strahlungsenergie-Detektoranordnung, gekennzeichnet durcha) eine Abtastvorrichtung zum Abtasten von energieabstrahlenden Objekten in einem Gesichtsfeld,b) eir.e optisch in einer Linie mit der Abtastvorrichtung angeordnete Rotationskompensationsvorrichtung zum Aufheben der von der rotierenden Abtastvorrichtung · erzeugten Bildrotation,c) einer optisch in einer Linie mit der Rotationskompensations vor richtung liegenden Fokussierungsvorrichtung zum Fokussieren des von der Abtastvorrichtung reflektierten Bildes,d) eine Detektorvorrichtung, die abhängig von dem fokussierten Bild der' auf sie auftreffenden Strahlungsenergie entsprechende elektrische Signale erzeugt unde) eine Elektronikvorrichtung zur Verarbeitung der elektrischen Signale der Detektorvorrichtung in ein erkennbares Format.
- 2. Anordnung nach Anspruch Λ , dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationskompensationsvorrichtung ein Prisma aus einem für Strahlungsenergie durchlässigen Material mit einem Brechungsindex von etwa 2,5 bis etwa 4,1 ist.
- 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma einen Scheitelwinkel zwischen etwa 40°und etwa 60° hat.609839/0920^609242
- 4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma aus Silizium, Germanium oder Galliumarsenid besteht.
- 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationskompensationsvorrichtung drehbar ist.
- 6. Strahlungsenergie-Detektoranordnung, gekennzeichnet durcha) eine Abtastvorrichtung mit einem starr in einem Gehäuse vor einer GehäuseÖffnung befestigten Ablenkspiegel zum Reflektieren von Strahlungsenergie, die von Objekten in einem Gesichtsfeld abgestrahlt wird,b) eine Rotationskompensationsvorrichtung mit einem Prisma aus einem für Strahlungsenergie durchlässigen Material, das starr in einem Gehäuse in optischer Ausrichtung mit dem sich drehenden Ablenkspiegel angebracht ist, wobei eine Lagervorrichtung zum drehbaren Halten des Gehäuses des Ablenkspiegels vorgesehen ist,c) eine Gehäusevorrichtung mit einer Lagereinrichtung zum drehbaren Lagern des Gehäuses der Rotationskompensationsvorrichtung,d) eine an das Gehäuse der Abtastvorrichtung und an das Gehäuse der Rotationskompensationsvorrichtung angeschlossene Antriebsvorrichtung zum selektiven Drehen des Gehäuses der Abtastvorrichtung bezüglich des Gehäuses der Rotationskompensationsvorrichtung,e) eine optische Fokussierungsvorrichtung mit einer starr an dem Gehäuse zum drehbaren Aufnehmen des Gehäuses der Rotationskompensationsvorrichtung befestigten Optikhülse609839/0920» 12 -·sowie mit einer von der Optikhülse getragenen Fokussierungsoptik in optischer Ausrichtung auf das Ablenk'1«. spiegelbild,f) eine Detektorvorrichtung mit einem Detektor und einer Kühleinrichtung zum Kühlen des Detektors auf seine Betriebstemperatur, wobei der Detektor optisch auf das Bild des Ablenkspiegels zur Erzeugung von dem Strahlungsenergiebild entsprechenden elektrischen Signalen ausgerichtet ist, undg) eine Verarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten der elektrischen Signale in ein erkennbares Format.
- 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationskompensationsvorrichtung einen Rahmen zur ., Aufnahme des Rotationskompensationsprismas enthält und daß der Rahmen mittels Lageeinstellvorrichtungen mit dem Gehäuse der Rotationskompensationsvorrichtung verbunden ist.
- 8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung einen Motor enthält, daß an dem Gehäuse der Abtastvorrichtung ein erstes Ringzahnrad starr befestigt ist, so daß es sich unter Einwirkung des Motors mit dem Gehäuse dreht, ein das erste Ringzahnrad kämmendes ange riebenes Zahnrad, .das starr an einer drehbaren Welle befestigt ist, die unabhängig vom Gehäuse der Abtastvorrichtung und vom Gehäuse der Rotationskompensationsvorrichtung gehalten ist, daß an der drehbaren Welle ein Antriebszahnrad starr befestigt ist, das sich abhängig von einer Drehung der Welle durch das angetriebene Zahnrad dreht, das sich abhängig vom Ringzahnrad am Gehäuse der Abtastvorrichtung dreht, und daß am Gehäuse der Rotationskompensationsvorrichtung ein zweites Ringzahnrad• 609839/09 2 02609247starr befestigt ist, das zum Drehen dieses Gehäuses das Antriebszahnrad kämmt.
- 9· Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungsoptik eine Linsenhülse und mehrere Linsen enthält, daß diese Linsen jeweils einstellbar in einer Linsenzelle angebracht sind, und daß diese Linsenzellen in der Linsenhülse angebracht und mit Hilfe von Abstandsgliedern wahlweise im Abstand voneinander gehalten sind.
- 10. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung ein Devargefäß ist.
- 11. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung eine Kältemaschine ist.
- 12. .Infrarotempfänger, gekennzeichnet durcha) eine Abtastvorrichtung zum Abtasten von Strahlungsenergie abstrahlenden Objekten in einem Gesichtsfeld,b) eine Rotationskompensationsvorrichtung, die in optischer Ausrichtung zur Abtastvorrichtung angebracht ist und die optische Sichtlinie bewegt,c) eine in optischer Ausrichtung zu dem abgetasteten Bild zur Fokussierung des reflektierenden Bildes angebrachte Fokussierungsvorrichtung,d) eine Detektorvorrichtung, die abhängig von dem fokussierten Bild elektrische Signale entsprechend der auf sie auftreffenden Strahlungsenergie erzeugt, unde) eine Elektronik zur Verarbeitung der elektrischen Signale der Detektorvorrichtung in ein erkennbares Format.• - · 609839/0920
- 13. Infrarot-Dreiecksprisma für einen Infrarotempfänger oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma aus einem für Infrarot durchlässigen Material besteht.
- 14. Prisma nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sein Scheitelwinkel zwischen etwa 40° und 60° liegt.
- 15. Prisma nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sein Brechungsindex etwa 2,5 beträgt.
- 16. Prisma nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß das für Infrarot durchlässige Material, Silizium, Germanium oder Galliumarsenid ist.
- 17. Bildrotationskompensationsvorrichtung für einen Strahlungsenergieempfänger, gekennzeichnet durch ein Prisma aus durchlässigem Material.
- 18. "Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma einen Scheitelwinkel zwischen etwa 40° und hat.
- 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma einen Brechungsindex von etwa 2,5 hat.
- 20. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma aus Silizium, Germanium oder Galliumarsenid hergestellt ist.609839/09204?Leerseite
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