DE1472134B2

DE1472134B2 -

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Publication number: DE1472134B2
Application number: DE19651472134
Authority: DE
Priority date: 1964-05-06
Filing date: 1965-05-04
Publication date: 1970-04-09
Also published as: CH449291A; FR1543165A; NL6505756A; BE662861A; GB1110821A; FI48880C; SE315139B; OA01708A; US3535016A; JPS5019935B1; IL23480A; AT296648B; ES312581A1; LU48426A1; FI48880B; DE1472134A1

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Konzentrierung und Übertragung des mit einem Abbildungssystem (unter Einschluß afokaler Systeme) erfaßten und gesammelten Strahlungsflusses einer entfernten, in Luft angenommenen Strahlungsquelle beliebiger Art mittels eines aus durchlässigem Material mit dem Brechungsindex H₁ bestehenden Kegelstumpfes auf einen für den Nachweis und/oder die Nutzung der Strahlung geeigneten Empfänger unter Erhöhung der Bestrahlungsstärke am Ort des empfindlichen Elements des Empfängers.

Abgesehen von den Gebieten der Fotografie und der Technologie der Sonnenöfen wurde der Vervollkommnung und Anpassung der der Strahlungsquelle zugewandten abbildenden Systeme an die Gegebenheiten des Detektors bisher noch nicht genügende Aufmerksamkeit zugewendet, wenn auch die Forschungen zur Verbesserung der empfindlichen Elemente selbst und der mit ihnen häufig Verbundenen elektronischen Einrichtungen sehr weit gediehen sind. Eine wesentliche Kenngröße für den Wirkungsgrad eines Empfängers ist die Menge der je empfindlicher Oberflächeneinheit des Detektors verwertbaren Strahlung, d. h. die Bestrahlungsstärke, die von dieser empfindlichen Oberfläche empfangen wird. Das Interesse, die Bestrahlungsstärke zu erhöhen, ist insbesondere dann besonders groß, wenn die insgesamt verfügbare Strahlungsenergie gering ist.

Bei der Konzentrierung eines Strahlenbündels auf der empfindlichen Fläche eines Empfängers ergibt sich naturgemäß eine Erhöhung der Bestrahlungsstärke auf der dem Empfänger benachbarten Bündelfläche bzw. bei gleichbleibendem Strahlungsfluß eine Flächenverkleinerung dieses Bündelabschnittes.

Zur Konzentration von Strahlungsbündeln hat man bisher konvergente aplanatische Systeme — beispielsweise Linsensysteme oder katadioptrische Kombinationen, konvergente nicht aplanatische Systeme, insbesondere Parabolspiegel sowie konische Glaskörper — verwendet.

Die bekannten konvergenten aplanatischen Systeme weisen mehrere Nachteile auf: Sie bilden nur innerhalb der durch die Gaußschc Beziehung gegebenen Grenzen genau ab, wodurch ihre brauchbare Öffnung inder Praxis auf etwa F/l begrenzt ist. Durch diese nutzbare Öffnung wird die mögliche Konzentrierung ties eingefangenen Slrahlungsfiusses direkt bestimmt. Darüber hinaus eignen sich aplanatische konvergente Systeme selbst unter Zwischenschaltung eines optischen Immersionssystems eines Mediums mit einem Brechungsindex η > 1 schlecht zum Anschluß an einen Empfänger, wodurch die an sich theoretisch mögliche Erhöhung der Beleuchtungsstärke auf ir in der Praxis unmöglich gemacht wird.

Zusätzlich zu diesen Nachteilen bringen bekannte konvergente, nicht aplanatische Systeme ■—· wie Parabolspiegel — Fehler mit sich, so z. B. die Komaabweichung, die ihre Anwendung bei großer Öffnung verbieten.

Was nun die Anwendung konischer Glaskörper und deren Zusammenbau mit konvergenten Systemen betrifft, ist festzustellen, daß deren Eigenschaften bisher niemals in zufriedenstellender Weise untersucht worden sind, so daß die bisher erhaltenen Ergebnisse nur mittelmäßig waren. Der hauptsächliche Grund lag darin, daß die konischen Glaskörper nicht aplanatisch waren und somit nicht der Abbeschcn Sinusbedingung gehorchten. Demzufolge waren sie nicht in der Lage, die Ausdehnung der eingefangenen Strahlenbündel zu erhalten, so daß eine Konzentrationsverminderung in Kauf genommen werden mußte. Ein weiterer Grund lag darin, daß jeder durch Reflexionen in einem Konus fortschreitende Strahl an einer bestimmten Stelle seinen Weg durch plötzliche Umkehr beendigte, wobei ein Teil der Strahlen sogar durch die Fläche aus dem Konus heraustraten, durch welche sie eingetreten waren. Da man dieses Phänomen

ίο bisher nicht genügend beherrschte, gab es auch keinen Weg, mit Hilfe eines Kegelstumpfes eine maximale Konzentration eines Strahlungsflusses zu bewirken.

Die maximal erreichbare Strahlungskonzcntration

hängt von dem sogenannten Clausius-Verhältnis

n] ■ ds ■ cos · (-) ■ di·) = m · ds' ■ cos · (->' ■ d<·/

ab, das die Erhaltung der geometrischen Ausdehnung eines elementaren Strahlenbündels während beliebiger optischer Umwandlungen und damit die Erhaltung der maximal verfügbaren Strahlungsdichte fordert. Bekanntlich kann ein Bild der Strahlungsquelle niemals eine größere Strahlungsdichte als die Strahlungsquelle selbst aufweisen. Auf Grund des Clausius-Verhältnisses wird die erreichbare Bestrahlungsstärke E auf dem empfindlichen Element eines Empfängers, der in einem Medium mit dem Brechungsindex /1 liege, höchstens gleich ir mal der spezifischen Ausstrahlung R einer in Luft angenommenen Quelle

E < ir R .

Durch Integration des Clausius-Verhältnisses unter Bedingungen, die ein Maximum der Konzentration eines Strahlungsflusses sichern, folgt, daß die maximal erreichbare Bestrahlungsstärke E von dem bekannten Abbcschen Sinus-Verhältnis abhängt, das den ApIanatismus in der Optik definiert. Daraus folgt auch, warum die nicht punktweise abbildenden Systeme - insbesondere auch die bisher lediglich empirisch

untersuchten konischen Lichtleiter, die eigentlich besser als »Strahlungsschlucker« bezeichnet werden müßten — immer relativ schlechte Ergebnisse erbracht haben. Sie erhöhen nämlich die geometrische Ausdehnung der eingefangenen Bündel und rufen so einen systematischen Verlust der Konzentration des Strahlungsflusses und damit der Bestrahlungsstärke hervor, der beträchtlich sein kann.

So besteht ganz offensichtlich das folgende Dilemma: Entweder müssen die traditionellen punktweise abbildenden Systeme mit Linsen, Spiegeln usw. verwendet werden, von denen bekannt ist, daß sie in der Praxis bezüglich ihrer nutzbaren Öffnung begrenzt sind, oder es müssen nicht punktweise abbildende Systeme herangezogen werden (Kegel, Strahlungssammlcr), die beim derzeitigen Stand der Technik nur mittelmäßige Ergebnisse erbringen.

Die Notwendigkeit zur Schaffung einer neuen Konzcntrierungsvorrichtungergabsich zwangläufig,da man mit einem beliebigen optischen Abbildungssystem auch bei mehreren hintcreinandergeschaltetcn Linsen oder Linsensystemen stets eine untere Grenze für die Erstreckung der minimalen Ausdehnung des konvergenten Strahlenbündels erhält, die bekanntlich aus thermodynamischen Gründen nicht unterschritten werden kann. Zur Anpassung dieser in vielen Fällen noch viel zu großen Minimalfläche an die oft sehr kleine Ausdehnung des empfindlichen Elements eines Empfängers soll nun die erfindungsgemäße Konzentrierungsvorrichtung dienen.

Die Erfindung hat also das Ziel gesetzt, die maximale Konzentrierung eines Strahlungsflusses unter den praktisch günstigsten Bedingungen zu erzielen, und zwar mit einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art, die es gestattet, eine maximale Bestrahlungsstärke auf dem empfindlichen Element eines Strahlungsempfängers zu erzielen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung einer Konzentrierungsvorrichlung der beschriebenen Art, die in allen Fällen eine Annäherung an die maximal mögliche Bestrahlungsstärke entsprechend einem vorbestimmten Verhältnis ermöglicht, welches so dicht an 1 liegen kann, wie man wünscht. Außerdem sollen bei der erfindungsgemäßen Konzentrierungsvorrichtung die allen konischen Glaskörpern eigenen Vorteile erhalten bleiben, die darin bestehen, einmal unbelastet von den Gaußschen Abbildungsbedingungen arbeiten zu können, und zum anderen ohne Schwierigkeiten mit ihrer kleinen Ausgangsfläche an ein optisches Immersionssystem anschließbar zu sein.

Erfindungsgeniäü wird dies dadurch erreicht, indem bei der Konstruktion einer derartigen Vorrichtung folgende theoretische Zusammenhänge berücksichtigt werden:

Von einem abbildenden System mit einer relativen Öffnung l/W und einer Brennweite/ von einer weit entfernt liegenden und in Luft angenommenen Strahlungsquelle wird ein konvergentes Strahlungsbündel gebildet, dessen Strahlen einen maximalen Winkel W₁ gegenüber der optischen Achse des Systems haben, wobei sin W₁ ^c 1/2 N ist. Die erfindungsgemäße Konzentrierungsvorrichtung hat die Form eines Kegelstumpfes mit einem kleinen halben öffnungswinkel γ-ζ 1/10 rad. Die damit bezweckte Konzentrierung des Strahlungsflusses — d. h. die Erhöhung der Bestrahlungsstärke — wird mittels innerer Reflexionen an den seitlichen Oberflächen des Kegelstumpfes bewirkt. Die Grundfläche des Kegelstumpfes mit dem Durchmesser i/, bildet die Eintrittsfläche des Strahlungsflusses und liegt am Ort der engsten Einschnürung des konvergenten Strahlenbündels, das vom abbildenden System erzeugbar ist. Die Decklläche des Kegelstumpfes mit dem Durchmesser d_x bildet die Austrittsfläche des maximal konzentrierten Strahllingsstroms und befindet sich am Ort des empfindlichen Elements des Empfängers. Für das Verhältnis der beiden Durchmesser des Kegelstumpfes gilt

^dL· ₌ ^"JA⁺J²ZL-IIlI-
il_x sin (//, - -/)

(D

wobei />' die maximale Zahl innerer Reflexionen ist, denen ein Strahl unterworfen wird, der mit der optischen Achse den Maximalwinkel W₁ vor seinem Eintritt in den Kegelstumpf bildet. Für p' gilt

. Ho

arc sin ——

+ 1

Tangers herstellt, und //, einen Winkel, der gemäß folgender Gleichung deliniert ist:

"· - ^aresinL »rj^{+ 2:>}-

wobei die Werte /!,, H₁ · sin W₁ und tg ;· durch die folgende Beziehung verknüpft sind:

IO '/ S

"T
sin² W₁

I₁ stellt das Verhältnis iL-r tatsächlich erhaltenen Bestrahlungsstärke (C..) zur maximal erreichbaren Bestrahlungsstärke (C₀) dar. Für C₇ und C₀ gelten die Beziehungen:

25 und

Γ — - ' ^C(l ~ sin² W₁" ·

Die Konzentrierungsvorrichtung kann erfindungsgemäß so dimensioniert werden, daß die inneren Reflexionen ausschließlich Totalreflexionen sind, wobei der Minimaldurchmesser d_x durch die obigen Formeln (1) und (3) bestimmt ist. />' ist dabei kleiner . oder höchstens gleich einer Zahl q von Totalreflexionen, welche gemäß der Gleichung

40 q = E

-—· — aresin + 3;· - ,»',

45 bestimmt ist, wobei die verwendeten Symbole die oben angegebenen Bedeutungen haben und gemäß der folgenden Beziehung verknüpft sind:

55 cos2γ + i- —sin 2-/

S Ί

(2) Hierbei gilt auch für

Darin bedeuten M₁ den Brechungsindex des verspiegelten Kegelstumpfs, das Symbol E die nächstfolgende kleinere ganze Zahl für den Wert des Ausdrucks in der runden Klammer, n₂ den Brechungsindex des Immersionsmediums, das den optischen Kontakt mit dem empfindlichen Element des Emp-C₀ '

wobei jedoch C₀

ist.

«?■

^C° ~ sin²w,

Verwendet man einen Kegelstumpf, bei welchem die inneren Reflexionen ausschließlich Totalreflexionen sind und für welchen die obigen Bedingungen gelten, so erhält man innerhalb des Kegelstumpfes eine Grenze, bei welcher der Grenzwinkel der Totalreflexion durch die immer kleiner werdenden Reflexionswinkel an der Mantelfläche des Kegelstumpfes erreicht wird; hinter dieser Grenze würden dann die Strahlen nach außen aus dem Kegelstumpf austreten, wenn man nicht durch geeignete Einrichtungen dafür sorgt, daß die Strahlen wieder in den Innenraum des Kegelstumpfes reflektiert werden.

Zweckmäßigerweise verspiegelt man hierzu einen kurzen Bereich am schmaleren Ende des Kegelstumpfes ab einem Querschnitt, dessen Durchmesser d_x sich gemäß Gleichung (1) errechnet, wenn man für p' den Wert von q gemäß Gleichung (7) einsetzt und dessen kleinerer Durchmesser d_x am hinteren Ende des Kegclstumpfes sich gemäß Gleichung (1) in seiner ursprünglichen Fassung berechnet, d. h. wenn man für p' die Beziehung gemäß Gleichung (2) einsetzt.

Die erfindungsgemäße Konzentrierungsvorrichlung kann auch aus mehreren parallel angeordneten Vorrichtungen der beiden oben beschriebenen Arten aufgebaut seih. Dabei liegen alle Eingangsflächen am Ort der engsten Einschnürung des vom Abbildungssystem gesammelten Strahlenbündels, alle Ausgangsflächen am Ort des empfindlichen Elements des Empfängers.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch auch aus mehreren in Serie angeordneten Einzelvorrichtungen mit sich verjüngenden Querschnitten der beiden oben beschriebenen Arten bestehen, die in unmittelbarem Kontakt miteinander stehen. Zur Verkürzung der Baulänge werden vorzugsweise Totalreflexionen an 45 gegenüber der optischen Achse geneigten Flächen vorgesehen, so daß der Lichtweg gemäß dem Prinzip des Prismenfeldstechers ein- oder mehrfach umgelenkt wird.

Will man eine Anpassung zwischen von der Kreisform abweichenden Eintritts- oder Austrittsflächen schaffen, z. B. die Anpassung zwischen einem runden Fenster für den eintretenden Strahlungsfluß und einem kleineren viereckigen Fenster im Bereich des empfindlichen Elements des Empfängers, verformt man _t den konzentrierenden Kegelstumpf in ein sogenanntes Konoid. Die Höchstzahl der in einem solchen Konoid auftretenden inneren Reflexionen bestimmt sich für den Höchstwert des Halbwinkel )·, der in diesem Sonderfall durch den Winkel zwischen der optischen Achse und der Geraden aus der Vielzahl der Erzeugenden des Konoids gegeben ist, die die optische Achse am dichtesten hinter der kleinsten Austrittsfläche d_x des Konoids schneidet.

Um eine Vorstellung von der Wirksamkeit der erßndungsgemäßen Konzentrierungsvorrichtung zu erhalten, sind in der folgenden Tabelle I die bei Verwendung von Kegelstümpfen verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices erzielten Strahlungsflußkonzenlrationen angegeben, wobei die angegebenen Zahlenwertc den Faktoren der Erhöhung der Bestrahlungsstärke mit der erfindungsgemäßen Konzentrierungsvorrichtung (mit Immersion) in der kleinsten Austrittsflächc d_x im Vergleich zu den Bestrahlungsstärken, die in Luft miltels in bekannten Systemen angegebenen öffnungen erzielbar sind, entsprechen:

Tabelle I

F/2,8
F, 2

F/1,4
F/l

Hak tor der Erhöhung der Bestrahlungsstärke

Luft
(M= I)

26 13

6,4

3,2

Glas	<H = 2)	As₂Se,	Ge
(« = 1.5)	102	(/ι = 2,6)	(» = 4)
58	51	172	410
29	26	86	205
14	13	43	102
7	21	51

Wie man aus obiger Tabelle erkennt, bringt der Anschluß der erfindungsgemäßen Konzentrierungsvorrichtung an ein konventionelles Abbildungssystem (unter Einschluß afokaler Systeme) im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen einen erheblichen technischen und wirtschaftlichen Vorteil. Mit bekannten Abbildungssystemen läßt sich ein günstigeres Verhältnis als F/l nur mit recht komplizierten und aufwendigen Abbildungssystemen erreichen, deren hohe Kosten ihre Anwendung praktisch ausschließen. Nimmt man diese hohen Kosten dennoch in Kauf, so befindet man sich selbst bei Verwendung bekannter Systeme mit öffnungen größer F/1 — beispielsweise F/0,6 — weit von der tatsächlich maximal erreichbaren Strahlungsflußkonzentrierung entfernt, während der Einsatz der erfindungsgemäßen optischen Kon-Zentrierungsvorrichtung diese Konzentrierung auf technisch einfache und wirtschaftlich vernünftige Weise erreichen läßt. Es zeigt

Fig. 1 bis 3 Diagramme geometrischer Optik, die zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen,

Fig. 4 bis 10 schematische Darstellungen von

praktischen Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Das in F i g. 1 gezeigte Schema des Strahlenverlaufs

dient zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Konzentrierungsvorrichtung. Die Vorrichtung enthält ein Objektiv 9, welches den von einer entfernten Strahlungsquelle ausgesandten und unter einem Winkel « auf das Objektiv auftreffenden Strahlungsfluß sammelt. Es werde angenommen, daß die entfernte Quelle in Luft liegt. Die Brechungsindices sind in den Figuren durch eingekreiste Ziffern — im vorliegenden Fall 1 — angegeben. Das Objektiv 9 hat eine relative öffnung i/N und gibt das Bild der Strahlungsquelle in seiner Brennebene 10 wieder. Die maximale Neigung der abbildenden Strahlen gegenüber der optischen Achse sind mit <9, bezeichnet. Der Sinus dieses Winkels weist einen Wert auf. der in der Nähe von 1/2 N liegt. Der genaue Wert für sin «,, der für die Anwendung in den abgeleiteten Formeln wichtig ist, folgt durch Berechnung oder Messung. Unmittelbar an die Brennebene 10 des Objektivs 9 schließt sich ein Kegelstumpf 11 mit einem Halbwinkel 7 am Scheitelpunkt an, der aus einem für die eingefangenc

Go Strahlung transparenten Material vom Brechungsindex »i, besteht. Die große Strahleneingangsflächc 12 liegt in der Brennebene 10 des Objektivs 9 und weist einen Durchmesser d_v auf, der der Bildgröße in der Brennebene 10 entspricht. Auf diese Weise dringt

f>5 der gesamte vom Objektiv 9 cingcfangene Strahlungsfluß über die Eintrittsfläche 12 in den Kegelstumpf 11 ein. Hierin werden die Strahlen anschließend durch aufeinanderfolgende Reflexionen an den seitlichen

Mantelflächen bis zur Austrittsfläche 13 geführt, deren Durchmesser mit d_x bezeichnet ist und die unter Zwischenschaltung eines optischen Immersionsmediums 15 vom Brechungsindex n₂ an die empfindliche Oberfläche 14 des Empfängers gelegt ist. Durch entsprechende Dimensionierung des Kegelstumpfes kann man erreichen, daß die Reflexionen an der Mantelfläche des Kegelstumpfes Totalreflexionen sind. Der Kegelstumpf kann jedoch auch mit einer für die gesammelten Strahlen reflektierenden Verkleidung beschichtet sein.

Der Durchmesser d_x an der Austrittsfläche 13 des Kegelstumpfes stellt den kleinsten Kegelquerschnitt dar, der von allen Strahlen des eingefangenen Bündels erreicht wird. Der Wert für d_x bestimmt sich nach der oben angegebenen Formel (1). Würde man den Konus jenseits des Durchmessers d_x abschneiden, so würde ein Teil der Strahlen des eingefangenen Strahlenbündels zur Eintrittsfläche d, zurückkehren, bevor er die Minimalfläche d_f erreicht hat. Die Zahl p' von Formel (1) drückt die Höchstzahl der inneren Reflexionen aus, der der ungünstigste Strahl unterworfen ist, ohne in sich selbst zurückzufallen. Das ist der einfallende Strahl, der in einer Mittelebene liegt und einen Winkel O₁ mit der optischen Achse bildet und durch den Rand der Eintrittsfläche 12 in den Kegelstumpf eintritt. Der Wert dieser Zahl p' wird durch die Formel (2) gegeben. Der Winkel /),, dessen Wert aus Formel (3) ableitbar ist, gestattet eine Vereinfachung der Schreibweise der Formeln (1) und (2).

Der Scheitelhalbwinkel γ des Kegelstumpfes bestimmt zusammen mit den anderen Parametern die Konzentrationsfähigkeit des Kegelstumpfes. Tatsächlich enthält ein kegelstumpfförmiger Körper als optisches, nicht punktförmig abbildendes. System nicht die geometrische Ausdehnung des eingefangenen Bündels bei und bedingt daher einen systematischen Verlust, der sich durch einen zu großen Durchmesser d_x für die Austrittsfläche 13 bei Anwendung der Formel (1) bemerkbar macht. Der systematische Verlust wurde in Abhängigkeit von den Größen γ, (-)_u n, und n₂ in der oben gezeigten Weise berechnet. Die maximale, tatsächlich erreichbare Konzentrierung mittels des Kegelstumpfes ist gegeben durch folgende Beziehung:

^y I ϊ

(11)

Unter den gleichen Bedingungen ergibt sich eine maximale Grenzkonzentration C₀ entsprechend:

C₀ =

sin²

(12)

Diese Grenzkonzentration entspricht einem idealen Mindestquerschnitt für den Kegelstumpf mit einem Durchmesser 4, (kleiner als d_x), und man erhält:

Klammern stehenden Ausdrucks der Formel (4) zumindest annähernd gleich Eins sein. Diese Formel gestattet den Bau eines leistungsfähigen Kegelstumpfes, während die Formel (1) in Verbindung mit den Formeln (2) und (3) erlaubt, diesen Kegelstumpf an der Stelle abzuschneiden, wo sich die optimale Konzentration des eingefangenen Strahlenbündels ergibt. Die abgeleiteten Bestimmungen erlauben daher, den besten Kegelstumpf zu bestimmen und ihn an

ίο der bestmöglichen Stelle abzuschneiden.

Will man die Reflexionen der Strahlen an der Mantelfläche des Kegelstumpfes ausschließlich als Totalreflexionen haben, so erhält man einen neuen Parameter, den Grenzwinkel der Totalreflexion des Mediums mit dem Brechungsindex n, des Kegelstumpfes im Bereich mit dem Index 1. Dieser Winkel wird mit An, bezeichnet, und sein Wert bestimmt sich bekanntlich arc sin l/n,. Ersetzt man die Maximalzahl von Reflexionen p' durch die Maximalzahl von Totalreflexionen q, die sich aus Formel (7) ergibt, so nimmt Formel (4) die Form von Formel (8) an. Man erkennt, daß in den Formeln (7) und (8) der Brechungsindex n₂ des Immersionsmediums nicht mehr vorhanden ist. Bei Totalreflexionen erhält man einen Maximalwert für den Immersionsindex, der gleich ist:

Wenn man trotzdem das empfindliche Element des Empfängers oder den Kegelstumpf selbst in ein Medium mit größerem Brechungsindex als

. '

eintauchen will, so ist es notwendig, die Mantelfläche des Kegels im Bereich des kleinen Austrittsfensters mit einem reflektierenden Überzug zu verkleiden. Dieser überzug ist zwischen demjenigen Querschnitt des Kegelstumpfes, dessen Durchmesser mittels der Formel (7) bestimmbar ist und dem Mindestquerschnitt anzuordnen, dessen Durchmesser in Abhängigkeit vom Brechungsindex n₂ des Immersionsmediums mittels Formel (1) bestimmbar ist.

Der kleinste Wert, der vom Brechungsindex n₂ angenommen werden kann, ist 1. Dabei liegt das empfindliche Element des Empfängers in Luft. Der größte Wert für den Index n₂ ist der Wert des Index M₁. Dabei liegt das empfindliche Element des Empfängers

so direkt auf dem kleinen Fenster des kegelstumpfes auf. Für diesen letzten Fall, in dem der Durchmesser des kleinen Fensters des Kegelstumpfes mit d₂ bezeichnet ist, erhält man an Stelle der Formeln (1), (2) und (4) die folgenden Formeln (14), (15) und (16):

55

(J —

d_t

(13)

Das Verhältnis der tatsächlichen Konzentration zur theoretischen maximalen Konzentration ist gemäß Gleichung (9) ein Maß für die tatsächliche Konzentrierung des Strahlungsflusscs. Dieser Wert ist kleiner als Eins. Wenn man aber wünscht, daß er möglichst dicht an Eins liegt, so muß der Quadrutwcrt des in d₂

P = E

sin (ft - γ)

2 γ

(14)

(15)

009 515/103

Die Formeln (1), (2), (3), (7), (14) und (15) sind »genaue« Formeln, d. h., sie enthalten keinerlei Annäherung. Es ist jedoch zweckmäßig, insbesondere zur Erstellung der Grundformeln (4), (8) und (16), deren genaue Formen kompliziert und unÜbersicht-Hch wären, angenäherte Formeln abzuleiten. Derartige Ableitungen sind besonders deshalb nützlich, weil das Verhältnis // selbst einen notwendigerweise abgerundeten Wert — beispielsweise 0,80 oder 0,85 — darstellt.

Eine erste Näherung läßt sich für den Fall durchführen, daß die Maximalzahl der Reflexionen p' bzw. q oder ρ ziemlich groß ist. Dies ist der Fall, wenn der Halbwinkel γ des Kegelstumpfes ziemlich klein gewählt wird. Dabei läßt sich die ganze Zahl p' . beispielsweise durch die nicht ganze Zahl des Klammerausdrucks von Formel (2) verwenden. Verwendet man d'_x als angenäherten Wert für den Durchmesser des minimalen Querschnitts des Kegelstumpfes, so "erhält man

A d'

"2

«1

COS γ + / 1 —

—r sin γ

sin

- γ)

(Π)

Bei Totalreflexion kann die Maximalzahl der Reflexionen q dem nicht ganzen Wert des Klammerausdrucks von Formel (7) angeglichen werden. Bezeichnet man mit d'_x den angenäherten Wert des Durchmessers an der minimalen Querschnittsflächc des. Kegelstumpfes, so erhält man

d_l _ COS(AiI₁ — 2 γ)

di sin (/*, - γ)

(18)

Liegt das empfindliche Element des Empfängers direkt auf dem kleinen Fenster des Kegclstumpfes, d. h. im Bereich der minimalen Querschnittsfläche desselben, so kann die Maximalzahl der Reflexionen ρ im nicht ganzen Wert des Klammerausdrucks von ■ Formel (15) angegeben werden. Wenn man mit di den angenäherten Wert des Durchmessers der minimalen Querschnittsflächc des Kegelstumpf be/cichnet, so erhält man

AL· di

COS )'

sin (/;, - γ)

(19)

Die Formeln (17), (18) und (19) stellen eine ausgezeichnete Annäherung dar. Man kann zeigen, daß die durch ihre Verwendung bedingten Fehler immer unter γ²/₂ liegen, so daß selbst bei Verwendung eines Halbwinkels γ von 1/10 rad der relative Fehler kleiner als 1/200, bezogen auf die Längen, ist.

Eine zweite Annäherung erhält man, wenn man den Wert des Halbwinkels γ am Scheitelpunkt vernachlässigt, d. h. wenn man annimmt, daß dieser Winkel gegen Null geht. Wenn man die derart angenäherten Werte des Durchmessers der minimalen Querschnittsfläche des Kegelstumpfcs mit d_x\ d+ und J₂" bezeichnet, dann erhält man für den Fall der Totalreflexion und den Fall des vollständigen Eintauchens des empfindlichen Elements des Empfängers, d. h. für den Fall, in dem dieses Element selbst direkt im Austrittsfenster des Kegelstumpfes liegt, folgende Beziehungen:

55

60

⁶5

d"_x

A.

d"

sin W₁

sin

sin W₁

(20)

(21)

(22)

Diese Formeln gelten für unendlich lange Kegelstümpfe mit einem an ihrem Scheitelpunkt unendlich kleinen Winkel. Inder Praxis sind durch diese Formeln recht gut optisch leitfähige Fasern (Lichtleiter) dargestellt.

In allen Fällen wird die Länge L eines Kegclstumpfes vom Halbwinkel γ am Scheitelpunkt sowie durch die Durchmesser J₁ und d_x bestimmt:'

L = A

2 γ

(23)

d_x kann in dieser Formel einen der vorstehend bezeichneten Werte d_x, d_x, d'_x\ i/₄, i/4, di', */,, d'₂ oder d, erhalten. ' '

Bei dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist an Stelle des in F i g. 1 verwendeten Objektivs 9 ein sphärischer Spiegel 16 verwendet, dereinem Kegelstumpf 17 in ähnlicher Weise wie das Objektiv 9 dem Kegelstumpf 11 vorgeschaltet ist. An Stelle des sphärischen Spiegels 16 kann auch ein sphärischer oder elliptischer Diopter verwendet werden, der in gleicher Weise wie ein entsprechendes Linsenobjektiv wirkt. Schließlich kann man als frontales Abbildungssystem auch ein afokales System verwenden, bei welchem der gesamte, am Eingang durch eine große Pupille eingefallene Strahlungsfluß am Ausgang durch eine kleine Pupille bzw. einen »Okularkreis« verläuft, ohne ein wirkliches Bild in der Ebene dieses Kreises zu entwerfen.

Für alle Arten von Abbildungssystemen wurde eine einzige Formel erstellt, um die maximale theoretische Konzentration C_n anzugeben, die vom zugehörigen Kegelstumpf verlangt wird. Bezeichnet man die Öffnungszahl des Frontalsystems mit /V, so erhält man bei Verwendung eines afokalen Frontalsystems folgende Formel:

C„ =

(24)

Dabei ist /I₂ der Brechungsindex des Immersionsmediums, in welches das empfindliche Element des Empfängers eingetaucht ist. Das Verhältnis der tatsächlichen Konzentration C,, zur maximal möglichen Konzentration C₀ entspricht gemäß Gleichung (9) dem Wert //, d. h. dem Verhältnis der Bestrahlungsstärke eines wirklichen Kegelstumpfes gegenüber der Bestrahlungsstärke eines idealen Kcgelstumpfes.

Um alle theoretischen Elemente zu erfassen, die bei der vollständigen Definition des erfindungsgemäßen Kegelstumpfes eine Rolle spielen, muß noch das Feld f berücksichtigt werden, welches gleichzeitig für das Signal-Störgeräusch-Verhältnis des zügehörigen Empfängers von Bedeutung ist.

Mit α werde der öffnungswinkel der Strahlungsquelle bezeichnet, deren Strahlung konzentriert werden soll, t sei das Feld der optischen Konzentrierungsvorrichtung, d. h. der Winkel des größten Bündels, den die Kombination Abbildungssystem—Kegelstumpf gerade noch einfangen kann.

i 472 134

Es kann ohne weiteres gezeigt werden, daß der notwendige und ausreichende Zustand für eine maximale Konzentrierung durch

f < -χ (25)

ausdrückbar ist. Für r < α wird nicht der maximale Strahlungsfluß erfaßt, die erzielte Bestrahlungsstärke ist jedoch maximal; ist t > «, so wird zwar ein größerer Strahlungsfluß eingefangen, die erzielte Bestrahlungsstärke ist jedoch nicht maximal. Ihr theoretischer Wert ist gleich der maximalen Bestrahlungsstärke dividiert durch den Wert

Das Signal-Störgeräusch-Verhältnis wird daher kleiner. Der optimale Zustand ist dann erreicht, wenn r = α ist. .

Es ist wichtig, diesen optimalen Zustand einzuhalten, da dadurch gleichzeitig das Einfangen eines maximalen Strahlungsstromes und ein optimales Signal-Störgeräusch-Verhältnis sichergestellt ist. Die Einhaltung dieses Zustandes bietet in folgenden Fällen keinerlei Schwierigkeit: Dieser Zustand läßt sich beispielsweise dann einfach einstellen, wenn man Ort und Durchmesser der Strahlungsquelle kennt. Dies ist bei den meisten Laborstrahlungsquellen, wie Zellen, Bolometer, aber auch bei der Sonne gegeben. Verwendet man die Sonne als Strahlungsquelle, so genügt es, der optischen Konzentrierungsvorrichtung eine Bewegung zu vermitteln, daß dieselbe der Sonne genau folgt. Schließlich läßt sich der obengenannte optimale Zustand auch in solchen Fällen einstellen, in denen die Strahlungsquelle von einem Sender gebildet ist, der einen bestimmten Raum mit einem konzentrierten Strahlungsbündel bestreicht, desren Wellenlänge im allgemeinen im Ultrarotbereich oder im Bereich sehr kurzer Hertzscher Wellen Hegt. Es genügt dann, der Konzentrierungsvorrichtung einen Feldwinkel zu geben, welcher demjenigen des den Raum bestreichenden Bündels gleich ist, wobei beachtet werden muß, daß die optische Achse der Konzentrierungsvorrichtung immer parallel mit der Achse des Senders bleibt. Die erfindungsgemäßen Vorteile lassen sich auch bei Verwendung eines Senders erreichen, wie er in der französischen Patentschrift 1 358 366 beschrieben ist.

Wenn das Signal-Störgeräusch-Verhältnis aufrechterhalten bleiben soll, ergibt sich die Wahl zwischen zwei Varianten der optischen Konzentrierungsvorrichtung: Entweder man gibt der Konzentrierungsvorrichtung ein kleines Feld #■· und bestreicht sie mit einem Sender zur Erforschung des Gesamtfeldes /' des Empfängers. In diesem Fall schwankt die erzielte Bestrahlungsstärke an der Eintrittsfläche des Strahlungsstromes in den Stumpfkegel zeitlich in Abhängigkeit von uci Bestrahlung, und es läßt sich ein Bild auf einem Bildschirm erzielen, welches durch Modulieren der Helligkeit der Einzelpunkte des Bildschirmes in Abhängigkeit von der unterschiedlichen, vom Kegelstumpf erzeugten Bestrahlungsstärke erzeugt wird. Hierfür läßt sich die aus der Fernsehtechnik bekannte Abtastmethode durchführen, insbesondere die, bei welcher mit einer einzigen fotoelektrischen Zelle (Ikonoskop) gearbeitet wird. Man kann auch ein parallelgeschaltetes Kegelstumpfbündel an Stelle eines einzigen Kegelstumpfes verwenden. Dadurch wird das Gesamtfeld erhöht, ohne daß das Signal-Störgeräusch-Verhältnis für jeden elementaren Kegelstumpf des Bündels verändert wird. Dies gilt unter der Bedingung, daß das Feld * eines jeden Kegelstumpfes des Bündels kleiner oder höchstens gleich dem kleinsten offensichtlichen Winkel der festzustellenden Strahlungsquellen ist.

Dadurch erzielt man ein permanentes Bild oder zumindest eine permanente Ortsbestimmung der

ίο Strahlungsquellen bzw. der Sender im Gesamtfeld /' des Empfängers. Das Kegelstumpfbündel kann auch ein Bündel von gemäß der Erfindung geformten konischen optischen Fasern sein. Diese Fasern unterscheiden sich von den bereits bekannten Fasern dadurch, daß ihre Kegelform optimal ist. Dadurch läßt sich ihre Länge und auch die davon abhängige Absorption wesentlich verringern, ja sogar nahezu unterdrücken.

Die beschriebene Variante entspricht der in F i g. 3 schematisch dargestellten Vorrichtung. Dabei wird von einem Objektiv 24 der Strahlungsfluß aus einem Feld /' eingefangen und zunächst zu einem Bild C₁ vom Durchmesser </, in die Brennebene 25 des Linsenobjektivs 24 konzentriert. In der Brennebene 25 liegen außerdem sämtliche Strahleneintrittsflächen der Kegelstümpfe des Bündels 26, so auch die Strahleneintrittsfläche des Kcgelstumpfes 27. Ein elementarer Kegelstumpf weist je eine große Eintrittsfläche mit dem Durchmesser (/, und eine kleine Austrittsfläche mit dem Durchmesser J_x auf, während mit e_x der Durchmesser der zusammengefaßten Minimalquerschnitte des gesamten Kegelstumpfbündels bezeichnet ist. Das Feld eines einzigen Kegelstumpfes ist mit f bezeichnet. Dabei gilt

y = ^. (26)

Ist u der offensichtlich kleinste Durchmesser der Strahlungsquellen, deren Strahlung konzentriert werden soll, so genügt es, r < η einzustellen, um eine

Optische Konzentrierungsvorrichtung zu definieren, deren Gesamtfeld gleich /' ist und die unter besten optischen Bedingungen für das Verhältnis Signal' Störgeräusch ein Bild maximaler Strahlungsstärke am Durchmesser c_x ergibt und deren Trennfähigkeit gleich e ist.

Die erste oben beschriebene Variante mit einem einzigen Kegelstumpf vom Feld r entspricht dem gestrichelten zentralen elementaren Kegelstumpf 28 in Fig. 3, dessen große Eintrittsfläche 29 nur ein Teil des vom Objektiv 24 in der Ebene 25 abgebildeten Bildes umfaßt. Das Gesamtfeld /' läßt sich durch Abtasten der Bildfläche 29 systematisch erforschen; dabei werden die jeweils zu einem Feld t^: gehörigen Elementarbilder abgetastet.

Nachdem alle Einzelelemente der optischen Konzentrierungsvorrichtung behandelt sind, soll schließlich noch auf das Zusammenwirken dieser Vorrichtung mit dem empfindlichen Element des Empfängers eingegangen werden. Das empfindliche Element liegt häufig in Form einer ebenen oder gewölbten dünnen Platte oder eines Bandes vor. Man wird bemüht sein, die empfindliche Oberfläche des Empfängers möglichst nahe an der minimalen Austrittsfläche des Kegelstumpfes anzuordnen und Form und Abmessungen des empfindlichen Elements und der Austrittsfläche möglichst weitgehend aneinander anzugleichen. Steht als empfindliches Element eine flache Kreisfläche

zur Verfügung, so wird deren Durchmesser gleich dem Durchmesser d_x des Minimalquerschniltes der Austrittsfläche des Kegelstumpfes sein. Bei Abweichungen von der Kreisform wird man bemüht sein, die Austrittsfläche des Kegelstumpfes möglichst weitgehend in Übereinstimmung mit der Fläche des empfindlichen Elements des Empfängers zu bringen. Die empfindliche Oberfläche des Empfängers kann dabei entweder direkt in der Ebene der Austrittsfläche des Kegelstumpfes liegen oder über eine dünne Schicht bzw. einen dünnen Film einer geeigneten Zwischensubstanz mit dem empfindlichen Element verbunden sein. Dies ist beispielsweise bei Verwendung eines Bolometers mit einem in Germanium eingetauchten Termistor notwendig, der elektrisch durch einen dünnen Selenfilm isoliert sein muß. Das empfindliche Element des Empfängers kann auch in einem gewissen Abstand von der Austrittsfläche des Kegelstumpfes, jedoch so nahe als möglich an letzterer in Luft angeordnet sein.

Im folgenden soll kurz auf die verschiedenen Arten von Oberflächen der empfindlichen Elemente des Empfängers eingegangen werden. Hier sollen einmal Elemente der Kategorie A definiert werden: Dies sind solche, die in der Lage sind, das erzeugte Bild wirksam zu verwenden, und Elemente von der Kategorie B, die lediglich auf das Integral aller auf sie einfallenden Einzelbelichtungen reagieren. Die Elemente der Kategorie A reagieren auf die auf jeden einzelnen Punkt ihrer Oberfläche auftreffendc Bestrahlungsstärke, und zwar so, als ob diese Punkte voneinander unabhängig wären, wobei die erreichbare Auflösungsgrenze berücksichtigt werden muß, die durch den diskontinuierlichen Aufbau der empfindlichen Oberflächen bedingt ist. Unter die Kategorie A fallen beispielsweise die Retina des Auges, mit lichtempfindlichen Substanzen beschichtete Oberflächen — wie fotografische Platten und Filme — phosphoreszierende oder fluoreszierende Bildschirme, Fotokatoden, zellenartig aufgebaute lichtempfindliche Elemente u. dgl. Die lichtempfindlichen Elemente der Kategorie B reagieren nicht differentiiert auf an einzelnen Oberflächenpunkten auftretende Bestrahlungen. In diesem Zusammenhang sind zu nennen: fotoelektrische Zellen, Metallbänder und Termistoren von Bolometern sowie fotoleitfähige Zellen und bei Bestrahlung stromliefernde Zellen.

Es lassen sich nicht alle beschriebenen Typen von empfindlichen Oberflächen' mit den erfindungsgemäßen Konzentrierungsvorrichtungen beliebig assoziieren. Insbesondere kann ein Kegelstumpfbündel gemäß F i g. 3 nur mit einem empfindlichen Element einer Oberfläche der Kategorie A verbunden werden, da im anderen Fall das Signal-Störgeräusch-Verhältnis in unerwünschter Weise verkleinert würde.

Unabhängig davon, ob der betrachtete Kegelstumpf ein Teil eines Kegelstumpfbündels gemäß F i g. 3 ist oder ob er gemäß den F i g. 1 oder 2 für sich allein verwendet wird, gilt für den Durchmesser </, der Eintrittsfläche für den Strahlungsstrom immer Eine Analyse der obigen Formeln ergibt sechs

unabhängige und neun abhängige Parameter, das sind insgesamt fünfzehn Hauptparameter, die für

jeden Anwendungszweck besonders auszuwählen bzw. anzupassen sind.

Die sechs unabhängigen Parameter können beispielsweise folgende sein:

1. Der scheinbare Mindcstwinkel«, unter dem die Strahlungsquelle von der optischen Kon-

Zentrierungsvorrichtung »gesehen« wird. Der davon abhängige Parameter ist das Feld e des Elementarkegelstumpfes (*■ < «).

2. Die Öffnungszahl N des frontalen Abbildungssystems bzw. des verwendeten afokalen Sammelsystems. Der davon abhängige Parameter ist der Maximalwinkel β, des eingefangenen Strahlenbündels zu optischen Achse

(27) (sin β, = 1/2 TV).

(28)

3. Der Durchmesser </, der großen Eintrittsfläche des Strahlungsflusses. Die hiervon abhängigen zwei Parameter sind die Brennweite/ des frontalen optischen Abbildungssystems

und der Radius R der Eingangspupille des Frontalsystems

(2jR=//N). (30)

4. Der Brechungsindex n₂ des Immersionsmediums, in welches die empfindliche Oberfläche des Empfängers eintaucht. Abhängiger Parameter ist hier die vom Elementarkegelstumpf verlangte Maximalkonzentration

(C₀ = 4N²nf). (31)

5. Der Brechungsindex n, des Materials, aus dem der Elementarkegelstumpf besteht (vgl. die eingangs genannten Formeln).

6. Das Verhältnis zwischen der von der Konzentrierungsvorrichtung erreichten Bestrahlungsstärke und der theoretisch erreichbaren maximalen Bestrahlungsstärke. Die abhängigen Parameter sind: der Halbwinkcl ;· am Scheitelpunkt des Elementarkegelstumpfcs (abhängig von t_h n, und IX₁ und N): die wirkliche Konzentrierung C,., die der Elcmcntarkeg'elstumpf erreicht (C₇ = C₀-I/): der Durchmesser d_x der minimalen Austrittsfläche des Kegelstumpfes C₇

(32)

sowie die Länge des Elemcntarkcgelstumpfcs L:

dt-d_x

Im folgenden soll ein solcher Kegelstumpf als EIe-

mentarkegclstumpf bezeichnet werden, und zwar *5 wobei für tg;· = 1 angenommen wird,
auch dann, wenn er allein als Konzenlrierungsvor- Diesen Parametern können zwei weitere hinzurichtung zum Einsatz gelangt und dabei das gesamte gefügt werden, die im Verlauf der folgenden Beschrci-FcId /' gleich dem Winkel f wird. bung auftreten und mit </„ und /.„ bezeichnet sind.

4 bezeichnet den idealen Minimaldurchmesser des Elementarkegelstumpfes, welcher der Maximalkonzentration C₀ entsprechen würde, und L₀ ist die Länge dieses theoretischen Kegelstumpfes mit den Enddurchmessern d_x und d₀.

Die folgende Tabelle II gibt das Verhältnis zwischen den Parametern N, γ, η, C₀, L₀ und d₀ für den Spezialfall an, daß das empfindliche Element des Empfängers in Luft eintaucht (n₂ = 1) bzw. der Kegelstumpf aus normalem Glas besteht (H₁ = 1,5).

Tabelle II

;■ [rad]	>l =	F/l 4	OITnungszahl des fr r/1,4 8	ontalen Abbildungss F/2 C 16	yslems (einschließlicl f/2,8 j 32	t afokaler Systeme) F/A 64	175,6 128
1/10	L₀ =	0,66₄	0,54₈	0,43₂	0,32,	0,22₆	0,15J
1/20	'/ =	5 4	9 4	15 4	23 4	35 4	524
1,30	L₀ =	·.. 0,8O₃	0,7I₇	0,62₃	0,5O₆	0,4O₈	0,3O₇
1 50	'/ =.-	10 4	18 4	304	46 4	70 4	1044
	L₀ =	0,86₅	0,79₂	0,7I₉	0,62,	0,52₆	■•0,42,....
I₁-IOO	Ί =	15 4	27 4	45 4	70 4	105 4	156 4
MO(K)	L₀ =-	0,9I₂	0,8 V .	0,82₄	0,74₅	0,66₃	0,56₉
'/ =	25 4	46 4	75 4 .-_:	116 4	175 4	258 4
L₀ =	0,95₅	0,92₂	0,89₉	0,85₇	0,8O₅	0,73₈
>l =	50 4	92 4	150 4	233 4	350 4	516 4
L₀ =	0,99_h	0,99₂	■0,99„	0,98₄	0,97_ft	0,96₈
500 dp	9140 4	1500 4	2328 4	3500 4	5160 4

Ist es beispielsweise erwünscht, auf der empfindlichen in Luft verwendeten Oberfläche eines Empfängers eine Bestrahlungsstärke zu erzielen, die gleich 80% der möglichen maximalen Bestrahlungsstärke entsprechend i/ = 0,80 ist, lassen sich aus der obigen Tabelle sämtliche γ-Werte in Abhängigkeit von der Öffnungszahl des frontalen Abbildungssystems unter Einschluß afokaler Systeme entnehmen. Für eine öffnung F/2 und einen gewählten C„-Wert von 16 erhält man für η = 0,82 einen -/-Wert von 1/50 rad. Für die öffnung F/1,4 erhält man bei η = 0,79 einen ;-Wert von 1,30 rad. Gleichzeitig ist der Tabelle II eine Bewertung der Länge L₀ in Abhängigkeit von 4 entnehmbar, so daß man eine Vorstellung über die Größenordnung der wirklichen Länge in Abhängigkeit vom Durchmesser der empfindlichen Oberfläche des Empfängers erhält. Ist letzterer beispielsweise 0,5 mm, so hat L₀ im erstgenannten Beispiel bei einer öffnung von F/2 einen Wert von etwa 32 mm und im zweiten Beispiel bei F/1,4 von etwa 14 mm. Die tatsächliche Länge des Kegelstumpfes ist etwas kürzer. Sie beträgt weniger als 30 mm im ersten Fall und 10 mm oder etwas mehr im zweiten Fall. Die Tabellenwerte sind daher gut geeignet, eine ungefähre Vorstellung von der wirklichen Abmessung der verwendbaren Kegelstümpfe zu erhalten.

im folgenden sollen sechs auf verschiedenen Gebieten liegende praktische Anwendungsbeispiele behandelt werden, welche zeigen, in wie guter Weise die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet ist. verschiedene Strahlungsflüsse auf verschiedene zur Verfügung stehende empfindliche Elemente der Empfänger zu konzentrieren.

B ei s ρ i e 1 1

In Fig. 4 ist der optische Teil eines Bolometers mit eingetauchtem Termistor gezeigt. Die Konzentrierungsvorrichtung ist von zwei in ihren Eintrittsflächen 41, 42 sphärisch gekrümmten frontalen Abbildungssystemen 37, 38 gebildet, deren optische Achsen 39, 40 zu der in einer bekannten Entfernung liegenden Ultrarotquelle konvergieren. Der Brechungsindex der Materialien der beiden Abbildungssysteme 37, 38 beträgt 1,8. Die beiden Eintrittsflächen 41, 42 sind mit einem Antireflexüberzug versehen und weisen einen Öffnungsdurchmesser von 12 mm bei einem Krümmungsradius von 19,2 mm auf. Die Reflexionsflächen 43,44 weisen einen Winkel von etwa 45° gegenüber den optischen Achsen 39,40 auf und bewirken eine Totalreflexion des eingefangenen Strahlungsflusses in Richtung der zusammenfallenden optischen Achsen 45. Die entsprechenden Bilder werden bei 46 bzw. 47 in zwei weitere Kegelstümpfe 48,49 übertragen, deren große Eintrittsflächen bei 46 bzw. 47 einen Durchmesser von 2,4 mm haben. Ihre. Länge beträgt 100 mm, und die minimalen Austrittsflächen haben einen Durchmesser von 0,43 mm. An die Kegelstümpfe ,48, 49 schließt sich endlich noch je ein weiterer Kegelstumpf 52, 53 aus Silizium an. Diese Kegelstümpfe sind in der Zeichnung schwarz

009 515/103

angelegt. Sie haben eine Länge von 3,04 mm und eine kleine Austrittsfläche von 0,23 mm. Die beiden Endflächen beaufschlagen die beiden Oberflächen eines halbleitenden empfindlichen Bandes 56 (Termistor), von dem sie durch dünne, beispielsweise aus einer Arsen-Selen-Legierung bestehende Filme 57, 58 isoliert sind. Die Abmessungen der Endelemente sind in F i g. 4 zur besseren Übersicht übertrieben dargestellt. In Wirklichkeit liegen die Endfenster bzw. Austrittsflächen 54,55 äußerst dicht am Band 56. Dieses Band ist mit dem in der Zeichnung nicht dargestellten elektrischen Teil des Bolometers verbunden.

Im folgenden soll die mit der Anordnung gemäß F i g. 4 erzielbare Strahlungsflußkonzentration mit Konzentrationen die mittels üblicher Bolometer erzielbar sind. Bei Annahme eines //-Wertes von 0,89 für jeden der beiden gleichen' Kegelstümpfe ergibt sich ein resultierender //-Wert — entsprechend dem ' Produkt der beiden η-Werte — von 0,79, so daß für die Berechnungen ein tatsächlicher //-Wert von 0,70 angenommen werden kann. Die anderen Verluste an Bestrahlungsstärke bzw. Konzentrierungsfähigkeit der Kegelstümpfe sind die gleichen in dem erfiridungsgemäß konstruierten Bolometer wie bei bekannten Bolometern. Sie werden daher hier nicht weiter berücksichtigt. Es läßt sich zeigen, daß die Bestrahlungsstärke eines erfindungsgemäß gebauten Bolometers gegenüber einem Bolometer mit eingetauchtem Termistor, bei welchem als konvergierendes Eingangssystem ein sphärischer Diopter mit den gleichen Eigenschaften der beschriebenen Kegelstümpfe 37, 38 verwendet ist, mehr als 200 mal größer ist.

Im übrigen haben Bolometer bekannter Bauart meistens Eingangsdiopter mit geringeren öffnungen oder mit weniger gut ausgeprägten optischen Eigenschaften. So kann beispielsweise das empfindliche Band im geometrischen Zentrum des sphärischen Diopters angeordnet sein, wodurch die Leistung in unerwünschter Weise verringert wird. Auf Grund von Berechnungen ergibt sich, daß gegenüber einem Frontalsystem mit einer öffnung von F/3 die mit einem erfindungsgemäßen Bolometer erzielbare Bestrahlungsstärke um mehr als 450mal größer ist.

Im Verhältnis zu einem Bolometer, der als optisches Eingangssystem lediglich ein Fenster mit planparallelen Flächen besitzt, ist die mit der erfindungsgemäßen Konzentrierungsvorrichtung erzielbare Bestrahlungsstärke für eine unter dem scheinbaren Winkel a befindliche Strahlungsquelle noch weitaus größer, da der Winkel « im Quadrad in die Berechnungen eingeht. So erhält man beispielsweise für ein Strahlungsfeld von 1/10 rad eine ungefähr 5000mal größere Bestrahlungsstärke.

55 B e i s ρ i e 1 2

Das zweite Beispiel betrifft eine optische Konzentrierungsvorrichtung, die mit einem aktiven Detektor für Zentimeterwellen gekoppelt ist (z. B. Flakdetektor mit Radar oder Maser). Als empfindliches Element des Empfängers dient in diesem Beispiel, welches in F i g. 5 schematisch dargestellt ist, eine Dipolantenne 59, deren nutzbarer Mindestdurchmesser d₀ in der Größenordnung von 0,5 cm liegt. Der Dipol 59 wird in Luft angenommen. Hier gilt Ji₂ = 1. Das sammelnde Abbildungssystem wird von einem Parabolspiegel 50 gebildet, der auf F/1,4 geöffnet ist.

Die erfindungsgemäße Konzentrierungsvorrichtung besteht hierbei aus einem Stumpfkegel 61 mit dem Brechungsindex H₁ = 1, bei welchem sich die theoretische Maximalkonzentration C₀ entsprechend Gleichung (24) berechnet zu

C_O=4-(1,4)² = 8.

Mit dem vorgegebenen Wert d₀ = 0,5 cm folgt entsprechend Gleichung (13) für d_x

di = 0,5 · ^8 = 1,41 cm .

Der Feldwinkel des Abtastpunktes im Ultrakurzwellenbereich liegt in der Größenordnung von etwa 30 Minuten, was 1/100 rad entspricht. Daher legt man f auf diesen Wert fest.

Gemäß Gleichung (29) ergibt sich dann für die Brennweite/ des Parabolspiegels 141 cm.

Unter Zugrundelegung von Gleichung (30) berechnet sich dann der Durchmesser 2 R des Parabolspiegels 60 zu 100 cm.

Es bleiben noch die optimalen Merkmale des Kegelstumpfes 61 zu bestimmen. Unter Zugrundelegung des oben bestimmten C₀-Wertes von 8 ergeben sich mehrere Möglichkeiten für den Halbwinkel γ am Scheitelpunkt. Ein y-Wert von 1/50 rad erscheint vorteilhaft. Er gestattet einen //-Wert von 87,4% und verlangt eine schematische Länge L₀ in der Größenordnung von nahezu 50 d₀, was 23 cm ergibt.

Der Durchmesser d₃ der kleinen in Luft liegenden Austrittsfläche des Kegelstumpfes 61 ist somit 0,53 cm. Solange der Durchmesser J₁ der großen Eintrittsfläche des Kegelstumpfes 61 in der Brennebene des Parabolspiegels 60 liegt und solange das Ende der Dipolantenne 59 möglichst nahe der kleinen Äusgangsfläche d₃ angeordnet und über ein Wellenleitungsrohr 62 mit dem Radar- bzw. Masersystem verbunden ist, ergibt sich, daß der in F i g. 5 gezeigte Strahlungsdetektor für elektromagnetische Wellen eine etwa 7fache Wirksamkeit (8-0,9) gegenüber der alleinigen Verwendung des Parabolspiegels 60 aufweist.

Beispiel 3

In diesem Beispiel wird der schematisch in Fig. 6 gezeigte Suchkopf mit hohem Auflösungsvermögen behandelt. Das Auflösungsverrhögen dieses Suchkopfes soll 1/1000 rad betragen, während das Gesamtfeld sich auf 30^rj beläuft und die Gesamtlänge etwa 15 cm beträgt. Als empfindliche Oberfläche des Empfängers dient hier eine Fotokatode 63, deren lineare Trennschärfe in der Größenordnung von 10 μ liegt und deren nutzbarer Durchmesser etwa 0,3 mm beträgt. Die Fotokatode 63 ist in die Ebene der kleinen Austrittsflächen eines Bündels 64 konischer Fasern aus Spezialgas von großem Brechungsindex eingetaucht. Als Spezialgläser kommen hier beispielsweise Arsentrisulfit- (As₂S₃) oder Arsenpentaselenitgläser (As₂Se₅) in Betracht. Der Brechungsindex dieser Gläser für Ultrarotstrahlung liegt zwischen etwa 2,4 und 2,7. Für die Berechnungen wird angenommen, daß n₂ = 2,45 bzw. «2 = 6 ist. .

Als frontales Abbildungssystem dient ein Linsenobjektiv 65, das auf Fj 1,4 geöffnet ist. Gemäß Gleichung (24) ist die vom Faserbündel gelieferte Maximalkonzentration C₀ demzufolge:

:■ . C₀ = 4² -6 = 48.

Der Maximaldurchmesser d_it jeder einzelnen Faser an der großen Eintrittsfläche beträgt etwa 20 μ. Nach Gleichung (13) berechnet sich i/, demzufolge wie folgt:

Für die Brennweite / und den Öffnungsdurchmesser des Objektivs 65 folgt unter Berücksichtigung von F= 1/1000rad gemäß Gleichungen (29) und (30):

/'= 140 mm

2R = 100 mm.

Das Faserbündel 64 umfaßt zehn Fasern pro Durchmesser, d. h. insgesamt ungefähr 78 Fasern. Der minimale Durchmesser an der kleinen Austrittsfläche beträgt demgemäß etwa 200 μ. Dies entspricht dem nutzbaren Durchmesser der Fotokatode 63.

In der F i g. 6 ist eine Spirale 66 dargestellt, die während der Abtastbewegung zweckmäßigerweise von der optischen Achse des Kegelstumpfes des Faserbündels 64 beschrieben wird. Dabei dreht sich die optische Achse um einen Festpunkt, der sich in der Nähe des empfindlichen Elements 63 des Detektors befindet. Die Katode 63 ist in einen lichtsendenden Detektor 67 eingebaut. Dieser Detektor kann als Vakuumzelle mit einer Silber-Cäsium-Schicht oder als Gaszelle oder auch als Fotomultiplier ausgebildet sein, der die von dem empfindlichen Element 63 abgestrahlten Elektronen beschleunigt und sammelt.

B e i s ρ i e 1 4

Das vierte Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrifft ein Metaskop besonderer Art, welches in der Lage sein soll, kleine Strahlungsquellen auf große Entfernungen zu entdecken, die eine ultrarote Strahlung in einem engbegrenzten Band bestimmter Frequenz abgeben.

Ein Ausführungsbeispiel eines unter Verwendung der erfindungsgemäßen KÖnzentrierungsvorfichtung konstruierten Metaskops ist in F i g. 7 dargestellt. Dieses Metaskop ist in der Lage, die natürliche Ultrarotabstrahlung von Quellen zu entdecken, die einen scheinbaren Durchmesser von mehr als 1/1000 rad haben. Das entspricht einer Erstreckung der Strahlungsquelle über 50 cm bei 500 m Entfernung oder von 1 m bei 1 km Entfernung. Das in F i g. 7 perspektivisch dargestellte Metaskop weist folgende Eigenschaften auf:

Als frontales Abbildungssystem dient ein Linsenobjektiv 68 mit einer relativen öffnung von Fj 1,4. Die Konzentrierungsvorrichtung wird von einem Kegelstumpf 69 gebildet, der aus einem Bündel konischer Glasfasern besteht, welches für die gewählte Wellenlänge durchsichtig ist. Bei einer gewählten Wellenlänge in der Nähe von 10 μ verwendet man vorteilhafterweise ein Selen- und Arsenglas, welches in seiner Durchlässigkeitskurve einen plötzlichen Abfall zwischen 12 und 13 μ gegen Null zeigt, daher stark selektiv ist und einen Brechungsindex von 2,47 für die Wellenlänge von 10 μ hat.

Die empfindliche Oberfläche des Detektors besteht hier aus einem feinen phosphorographischen Pulver, welches auf die Ebene 70 der Minimalquerschnitte der Fasern aufgebracht ist. Der Minimalquerschnitt an der kleinen Austrittsfläche jeder konischen Faser liegt bei etwa 30 μ. Das Bündel 69 umfaßt 10 Fasern pro Durchmesser, d. h. ungefähr 78 Fasern insgesamt. Ein Okular 71 mit einer linearen 15fachen Vergrößerung erlaubt eine Beobachtung des am Ende des Faserbündels 70 sichtbar gemachten Lichtsignals. Das Gesamtfeld des Metaskops beträgt etwa 20 , was etwa 0,35 rad entspricht. Da das Elementarfeld nur 0,01 rad beträgt, ist das Gerät mit einer doppelten mechanischen Abtasteinrichtung versehen, die es gestattet, das Aktionsfeld methodisch zu untersuchen. Zu diesem Zweck ist das Metaskop, wie man aus F i g. 7 erkennt, auf einer waagerechten Platte 72 eines Stativs 73 montiert und mittels des Ringes 74 auf der Platte 72 verdrehbar. Die Platte 72 enthält zwei im rechten Winkel zueinander stehende Wasserwaagen, die eine überprüfung der exakten waagerechten Lage ermöglichen. Der Beobachter kann mittels der Griffe 75, 76 das Metaskop waagerecht verschwenken. Um das Metaskop genau definiert in kleinen Teilschritten und um einen sehr geringen Winke! von jeweils 1/1000 rad in der senkrechten Ebene verdrehen zu können, kann eine in der Zeichnung nicht dargestellte Sperrklinkeneinrichtung vorgesehen sein, die von dem Steuerknopf 80 unter entsprechender Verdrehung des Metaskops betätigbar ist. Die Legierung des Geräts erfolgt etwa im Schwerpunkt über die beiden lappenartigen Schenkel 77, 78 und den fest mit dem Ring 74 verbundenen Block 79. Zweckmäßigerweise kann man dem beschriebenen Gerät ein zusätzliches selektives Filter zuordnen, welches vor der großen EintriUsfläche des Faserbündels 69 angeordnet wird, um sicher innerhalb eines sehr engen Frequenzbandes arbeiten zu können. Beispielsweise kann man beim Arbeiten im Wellenlängengebiet von 10 μ bei Verwendung von Selen-Arsen-Glasfasern durch Vorschaltung eines dünnen Indium-Antimonit-Filters, der mit einer Pb C 1₂-Antircflexschicht versehen ist, eine scharfe Bandbegrenzung der durchgelassenen Wellenlängen auf einen Bereich von 9 bis 12 μ erreichen.

Beispiels

In diesem Beispiel wird die Verwendung der optischen Konzentrierungsvorrichtung bei entsprechender Anpassung für einen Sonnenofen beschrieben. Ein derartiger Sonnenofen ist schematisch in F i g. 8 in einem waagerechten Schnitt dargestellt. Als Abbildungssystem bzw. Sammler dienen die beiden Parabolspiegel 81, 82 mit einem Öffnungsdurchmesser von 2 m und einer Brennweite von 2,82 m. Diese Spiegel einer relativen öffnung von F/1,4 fangen die Sonnenstrahlung ein und bilden von der Sonne zwei tatsächliche Bilder bei 83 und 84 ab.

Mittels der ebenen Spiegel 85 und 86, die unter 45^J gegen die optischen Achsen der Parabolspiegel 81, 82 geneigt sind, stehen diese beiden Bilder senkrecht auf ein- und derselben Achse 87. Zwei Glaskegelstümpfe 88, 89 liegen in der Achse 87 so, daß ihre Eintrittsflächen Tür den Strahlungsstrom mit maximalen Querschnitten mit den bei 83 und 84 gebildeten Sonnenbildern zusammenfallen. Die beiden Kegelstümpfe sind im Anschluß an ihre Austrittsflächen 95, 96 durch kleine von Metallmantel umhüllte Kegelstümpfe aus Luft 90, 91 verlängert, deren Austrittsflächen 92, 93 in der Ebene zweier einander gegenüberliegender Eintrittsöffnungen eines Ofens 94 liegen. Die beiden Kegelstümpfe 88, 89 bestehen

aus Borsilicatchromglas mit einem Brechungsindex von /I₁ = 1.50 für /. = 1,6 μ. Dieses Glas ist in einem Wellenlängenbcreich zwischen 0,3 und 3 μ durchlässig.

Um ein unerwünschtes Abschmelzen des Glases der beiden Kcgelstümpfe 88, 89 am Rand der öffnung des Sonnenofens 94 zu verhüten, sind beide Kegelstümpfe in der oben beschriebenen Art kurz vor ihrem Eintritt in den Sonnenofen abgeschnitten und das fehlende Stück durch die kcgclstumpfiormigcn metallischen Hohlkörper 90, 91 ersetzt.

Das Metall der Mantelflächen der in unmittelbarer Nachbarschaft des Sonnenofens gelegenen Kegelstümpfe 90, 91 ist so gewählt, daß es die hohen in diesem Bereich auftretenden Temperaturen aushält und gleichzeitig eine möglichst große Reflexionsfähigkeit aufweist. Außerdem können zur besseren Isolierung des Glases der Kegclstümpfe 88,89 zwischen diesen und den vorspiegelten Luftkegclstümpfcn 90,91, bei 95 und 96 weitere dünne Kegelstümpfe aus natürlichem Magnesiumoxyd (MgO) eingefügt werden, die eine ausgezeichnete Durchlässigkeit im Wellen-Iängenbercich von 0,25 bis 8 μ aufweisen und deren Schmelzpunkt bei 2800 C liegt. Die Ubertragungsvorrichtungcn bestehen hierbei also aus je einem 39,5 cm langen Glaskcgelstumpf, einem sehr kurzen, etwa 0,5 cm langen Magncsiumoxydkegelstumpf und einem kurzen, etwa 1,25 cm langen, von einer verspiegelten Mctallhülse umgebenen Luftkegelstumpf. Der Tür den Minimaldurchmesscr d₃ berechnete Wert von 1,07 cm gehört zum kleinen Durchmesser an der Austrittsflächc des Luftkcgclstumpfes.

Der Aufbau des Sonnenofens 94 entspricht dem bekannter Sonnenöfen mit dem Unterschied, daß er zwei Zugangsöffnungen an Stelle einer einzigen aufweist. Der Ofen besteht im wesentlichen aus einem Kegel 97 aus einem feuerfesten, geschmolzenen oder gefrittctcn Material, das über ein Wärmedämmpulvcr 98 gegen die Metallumhüllung 99 isoliert ist. Der Ofen ist als Drehofen ausgebildet, dessen Drehachse mit der horizontal zu denkenden optischen Achse 87 zusammenfallt. Da die beiden Eingänge 92, 93 die Anordnung einer Drchwclle verhindern, wird dem Ofen die Drehbewegung mittels einer an seinem Umfang angeordneten Antriebsvorrichtung über das fest mit dem Ofen verbundene Rad 100 vermittelt.

Der Antrieb kann beispielsweise über die in F i g. 9 schematisch dargestellte Vorrichtung für drei synchronisierte Antriebsräder 102, 103, 104 erfolgen, die das Rad 100 an seinem Umfang unter Führung in einer Nut 101 mitnehmen. Dadurch wird der Ofen in einer konstanten senkrechten Ebene gehalten, und die Zugangsöffnungen 92. 93 bzw. die optische Achse 87 bleiben während der Drehung von jeder Behinderung frei.

Die mit dem beschriebenen Sonnenofen erzielbarc Bestrahlungsstärke, d. h. die mögliche Konzentration der Sonnenstrahlung, kann ohne weiteres mit der mittels bekannter Sonnenöfen erreichbaren Konzentrierung verglichen werden. Da der Sonnenofen zwei Konzentrierungsvorrichtungen aufweist, erhält man eine Gesamtkonzentrierung, die theoretisch in der Größenordnung von 80000 liegt. Die besten zur Zeit hergestellten Sonnenöfen erreichten eine Konzentrierung in der Größenordnung von 200(X). Selbst bei Berücksichtigung von in \obiger Berechnung unberücksichtigt gebliebenen Verlusten ist die erzielbare Leistungssteigerung ganz beträchtlich^

Beispiel 6

Als letztes Anwendungsbeispiel der erfmdungsgemäßcn Konzentricrungsvorrichtung soll der in Fig. 10 beschriebene Konzentrator beschrieben werden, der beispielsweise zum Entflammen von Gegenständen mit genügend niedrigem Flammpunkt, wie Zigaretten, Zigarren od. dgl., verwendet werden kann.

Bei diesem »Sonnenfeuerzeug« wird die Strahlung der Sonne von einem Kegelstumpf 105 eingefangen. Dieser Kegelstumpf ist senkrecht zur optischen Achse 106 unter Zwischenschaltung einer 45 -Reflexion sfläche 107 abgebogen. Dadurch läßt sich bequem die Sonne anvisieren, ohne selbst geblendet zu werden. Der Durchmesser der großen Eintrittsfläche des Kegelstumpfes ist 35 mm. Seine Brennweite/' beträgt 105 mm. Da sein Brechungsindex Ji₁ .= 1.5 beträgt, ergibt sich gemäß Gleichung (29) als Brennweite

/ = j°f= 70mm.

Die relative öffnung des Kegelstumpfes beträgt demnach Fi 2. Der Kegelstumpf 105 bildet in seiner Brennebene 108 ein wirkliches Bild der Sonne ab. Ein weiterer Kegelstumpf 109 ist an dem Kegelstumpf 105 so angesetzt, daß seine große Eintrittsfläche in der Brennebene 108 zu liegen kommt und daß beide Kegelstümpfc hintereinander auf der optischen Achse 106 liegen. Dieser Kegelstumpf kann aus gezogenem Glas hergestellt werden, wobei der Wert von ;· erheblich von 1/50 rad abweichen kann.

Der Kegelstumpf 109 ist zum Schutz in eine Hülse 110 eingebettet, deren vorderes Ende auf dem Endteil des ersten Kegelstumpfes 110 aufgeschoben ist. Der Kegelstumpf 109 ist in ein geeignetes Pulver 111 eingebettet, welches keinen optischen Kontakt zur Hülse 110 schafft. Eine zweite Hülse 112 ist unter Zwischenschaltung einer Feder 115 auf die erste Hülse 112 aufgeschoben und schützt die kleine Austrittsfläche des Kegelstumpfes 109. Um den Konzentrator betriebsklar zu machen, wird ein Hebel 114 in Pfeilrichtung verschoben und die Fläche 113 frei gelegt. Beim Loslassen des Hebels 114 drückt die Feder 115 die äußere Schutzhülse 112 wieder in ihre in F i g. 1 gezeigte Ausgangslage zurück. Auf diese Weise ist vermieden, daß Gegenstände unbeabsichtigt entzündet werden, da die hohe Bestrahlungsstärke nur in der unmittelbaren Nähe der Fläche 113 wirksam ist. Bei der Verwendung des beschriebenen Konzentrators als Feuerzeug kann es genügen, die zu entzündende Zigarette in die Hülse 112 so einzuschieben, daß sie im Bereich der Fläche 113 entzündet werden kann.

Es soll nachstehend nun noch einige Geräte angeführt werden, bei denen sich der Erfindungsgegenstand vorteilhaft einsetzen läßt:

Zu Beispiel I

Thermische Detektoren, Bolometer mit Metallband, mit Thermistor, mit supraleitfähigen! Niobnitritband. .

thermoelektrische, mit Halbleitern bestückte _; Batterien. .

pneumatische Detektoren.
Detektoren mit Fotowiderstandszellen.
Germariiümfptodioden und punktformige Foto-' dioden/,";.'. '"* .1.'".',.','"'. '. , '■" ,

20

Detektoren mit bei Belichtung Spannung liefernden Zellen,

fotomagnetoelektrische Detektoren,
Fotoemissionsdetektoren.

Fotovervielfacher mit Dioden, aus Zellen aufgebaute Luxmeter,
Spektrografen, insbesondere den Ramanefiekt

ausnutzende DiiTusionsspektrografen,
Szintillationszähler,
Teilchendetektoren usw. ι ο

Zu Beispiel 2

Hier lassen sich alle Geräte zur Strahlungsfeststcllung anführen, wie:

mit einem im Ultrarotbereich strahlenden Schein- '⁵ werfer gekoppelte Detektoren,

mit Laserstrahlen gekuppelte Detektoren,

außerdem Fernsehkameras mit einer einzigen Zelle, beispielsweise die mit einer Nipkovscheibe arbeitenden Kameras, Diasmoramcter,

medizinische Röntgenuntcrsuchungsgeräte.

Zu Beispiel 3

Hier lassen sich Suchköpfc Tür sämtliche Wellenbereiche und kleine Felder anführen, wie:

Astronomische Fernrohre,
Teleskope zur Auffindung von Sternen oder Himmelskörpern.

Zu Beispiel 4

Metaskope,

Bildwandlerröhren, Helligkeitsverstärker, elektronische Teleskope, Scharfschützenfernrohre,

fotografische Apparate und Filmkameras für das sichtbare und Ultrarotgebiet,

mit Ikonoskop arbeitende Fernsehkameras.

Röntgenapparate sowie Empfanger für sehr selektive Strahlungen und gewisse Spektrografen.

40

Die behandelten Beispiele stehen für viele andere Anwendungen der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung zur Konzentrierung und Übertragung des mit einem Abbildungssystem erfaßten und gesammelten Strahlungsflusses einer entfernten Strahlungsquelle mittels eines aus einem für die eingefangene Strahlung durchlässigen Materials bestehenden Kegelstumpfes auf einen für den Nachweis und/oder die Nutzung der Strahlung geeigneten Empfanger unter Erhöhung der Bestrahlungsstärke am Ort des empfindliehen Elements des Empfängers.

Grundsätzliche.Überlegungen, auf die der Erfindungsgegenstand aufbaut, sind der Dissertationsschrift . des Erfinders »La concentration optique maximale dans les reeepteurs de rayonnements, Les miroirs coniques optimises« zu entnehmen, die der Faculte des Sciences de Paris am 13.6.1968 vorgelegt worden ist.

Claims

Patentansprüche: ^0

1. Optische Vorrichtung zur Konzentrierung und übertragung des mit einem Abbildungssystem (unter Einschluß , afokaler Systeme) erfaßten und gesammelten Strahlungsflusses einer entfernten, in Luft angenommenen Strahlungs- ⁶S quelle beliebiger Art mittels eines aus durchlässigem Material mit dem Brechungsindex n, bestehenden Kegelstumpfes auf einen für den Nachweis und

oder die Nutzung der Strahlung geeigneten Empfänger unter Erhöhung der Bestrahlungsstärke am Ort des empfindlichen Elements des Empfängers, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungssystem' mit einer relativen Öffnung i/N in bekannter Weise eine erste Konzentrierung des Strahlungsflusses unter Bildung des konvergenten Bündels bewirkt, dessen Strahlen eine maximale Neigung H_x zur optischen Achse des Abbildungssystems haben, wobei

sin <V, 'fs

ist; daß der Kegelstumpf einen Halbwinkel;· am Scheitelpunkt in der Größenordnung von maximal 1/10 rad hat und zur Erzielung einer zweiten Konzentration des Strahlungsflusses durch Reflexion an seiner inneren Mantelfläche dient; daß die Grundfläche des Kegelstumpfes mit dem Durchmesser </, in der Ebene des vom Abbildungssystem konzentrierten Bündels minimaler Querschnittfläche liegt, während die kleine Grundfläche mit dem Durchmesser d_x des Kegelstumpfes, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Immersionssystems mit dem Brechungsindex H₂, am empfindlichen Element des Empfängers anliegt, und daß die Größen N, «,, ;-, t/, und d_x durch folgende Beziehungen miteinander verknüpft sind:

A.
d_x

(D

wobei ρ die Maximalzahl der Reflexionen im Inneren des Kegelstumpfes bedeutet, die ein unter dem Winkel W, zur optischen Achse in den Kegelstumpf einfallender Strahl erleidet

= E

arc sin —— d,

"i

2;·

+ 1

dabei bedeutet E die nächst niedrige ganze Zahl des Ausdruckes in der eckigen Klammer, u, den Brechungsindex des Mediums im Stumpfkcgel, H₂ den Brechungsindex des Immersionsmediums für den optischen Kontakt zwischen der kleinen Kegelstumpffläche und dem empfindlichen Element des Empfängers und //, einen durch die folgende Beziehung gegebenen Winkel

_A = aresin

+ 2 γ

und daß die Werte «,, H₂, sin fi>, und tg ·/ durch die folgende Beziehung miteinander verknüpft sind:

+ ~2 . tg: \ 1 ♦I "Hf-¹ •tg)· 1 "j
sin² β, - 1 ·

wobei η das Verhältnis zwischen der mittels des Kegelstumpfes tatsächlich erhaltenen Bestrahlungsstärke C₁. und der theoretisch maximalen

009 515 103

Bestrahlungsstärke.C₀ darstellt und im Fall, daß dieses Verhältnis nahezu Eins sein soll, C.. annähernd den Wert

sin² (9,

annimmt, der an sich der theoretisch maximalen Bestrahlungsstärke C₀ entspricht, wobei dieser Ausdruck das Verhältnis bedeutet, welches zwischen der Eintrittsfläche des Strahlungsflusses in den Kegelstumpf und der minimalen Querschnittsfläche des konzentrierten Strahlungsflusses in einem idealisierten, der Abbeschen Sin-Bedingung gehorchenden Kegelstumpf vorliegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstumpf ein Kegelstumpf ist, bei dem die inneren Reflexionen ausschließlich Totalreflexionen sind, und daß die Maximalzahl q der Totalreflexionen durch die Gleichung

20

q = E

arc sin

h 3 γ

(7)

gegeben ist, wobei die verwendeten Symbole die gleiche Bedeutung wie im Anspruch 1 haben und die Größen n_u sin fy und γ durch die Beziehung verknüpft sind:

COS 2 γ

sin 2 γ

COS J

— 1 ■ sin ;■

> >l

(8)

und wobei </ wiederum durch das Verhältnis
und C₀ in diesem Fall durch die Beziehung

£1.

C₀

35

40

(9)

gegeben ist und im Fall, daß dieses Verhältnis nahezu Eins sein soll, C₅, annähernd den Wert

annimmt. ^{sin2 e}'

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstumpf an seinem schmalen Ende längs eines Bereichs mit einer reflektierenden Deckschicht versehen ist, der sich von einem Querschnitt mit dem Durchmesser d_x, dessen Größe sich gemäß Anspruch 2 bestimmt, bis zu einem Querschnitt erstreckt, dessen Durchmesser d_x sich gemäß Anspruch 1 für ein gegebenes Immersionsmedium mit dem Brechungsindex >i, bestimmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1. 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kegel- ^to stumpfe gebündelt angeordnet sind, deren Grundflächen für den Eintritt des zu konzentrierenden Struhlungsflusses in einer Ebene eng nebeneinander liegen, daß der Basisdurdiinesser des Kcgelstumpfbüiidels mit dem Durchmesser des Mini- ⁽⁾5 malquersclinittes des vom Abbildungssystem konzentrierten Slralmingsbündels zusammenfällt tiinl daß die kleinen Querschnittilädieii der einzelnen

Kegelstümpfe gleichfalls in einer Ebene eng nebeneinander, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Immersionssystems mit dem Brechungsindex n₂ an dem empfindlichen Element des Empfängers anliegen.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Kegelstumpf mit dem Brechungsindex n[ mit seiner Grundfläche vom Durchmesser ^₁ für den Eintritt des zu konzentrierenden Strahlungsflusses in der Ebene angeordnet ist, wo das vom Abbildungssystem konzentrierte Strahlungsbündel Minimalquerschnitt aufweist, daß ein zweiter Kegelstumpf mit einem Brechungsindex n['{n" > H₁') vorgesehen ist, dessen Grundfläche mit der kleinsten Querschnittsfläche des ersten Kegelstumpfes zusammenfällt, daß gegebenenfalls weitere Kegelstümpfe in gleicher Anordnung hintereinanderliegen und daß der Minimalquerschnitt des letzten Kegelstumpfes, in welchem der eingefangene Strahlungsfluß seine maximale Konzentration erreicht, an das empfindliche Element des Empfängers unter Zwischenschaltung eines Immersionsmediums mit dem Brechungsindex n₂ anliegt und einen solchen Durchmesser d_x aufweist, daß die Gesamtheit dieser hintereinandergeschalteten Kegelstümpfe den in den Ansprüchen 1 und 2 für einen einzigen Kegelstumpf gegebenen Beziehungen entspricht.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstumpf in mehrere Abschnitte unterteilt ist, die mit Hilfe von Totalreflexionsprismen optisch verbunden sind derart, daß man einen ein- oder mehrfach geknickten Kegelstumpf erhält.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Kegelstumpfbündel enthält, hinter dem, in Richtung der Strahlen gesehen, wenigstens ein einfacher Kegelstumpf angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3, 4 und f>, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kegelstumpfbündel in Reihe hintereinander angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstumpf derart verformt ist, daß er die Gestalt eines Konoids zeigt, bei dem das Verhältnis zwischen dem Flächeninhalt der auf der optischen Achse senkrecht stehenden Eintrittsfläche </, für den zu konzentrierenden Strahlungsfluß und dem Flächeninhalt der auf der optischen Achse gleichfalls senkrecht stehenden kleinsten Austrittsfläche d_x des konzentrierten Strahlungsflusses in allen Fällen gleich dem Wert

Γ''¹T
UrJ

ist, wobei die Höchstzahl der im Konoid auftretenden inneren Reflexionen für den Höchstwert des Halbwinkels ;■ bestimmt wird, der, in diesem Sonderfall, durch den Winkel zwischen der optischen Achse und der Geraden aus der Vielzahl der Erzeugenden des Konoids gegeben ist, die die optische Achse am dichtesten hinter der Austrittsfläche i/_v schneidet.

K). Vorrichtung nach Anspruch ^l), dadurch gekennzeichnet, daß das Konoid aus einem Bündel von mehreren Keuelstümpfen gebildet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen