Vorrichtung zum Sichtbarmachen von Infrarotstrahlen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schichtbarmachen von Infrarotstrahlen, mit einer abbildenden Infrarotoptik, welche die Infrarotstrahlen durch einen Raster, welcher im folgenden als Infrarotraster bezeichnet wird, auf einen mit der Intensität der Strahlung örtlich verformbaren Flüssigkeitsfilm wirft, welcher der
Strahlengang in einem optischen System beeinflusst.
Diese bekannte Vorrichtung soll durch die Erfindung insbesondere hinsichtlich ihrer Temperaturanpassungsfähigkeit und Empfindlichkeit verbessert werden.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass als Träger des Flüssigkeitsfilms eine frei aufgespannte dünne Membran dient.
Gemäss einer bevorzugten Erfindungsvariante besteht die Membran und allenfalls auf ihr befindliche Beläge aus schlecht wärmeleitendem Material.
Die Infrarotstrahlen und die Lichtstrahlen können von verschiedenen Seiten auf den Flüssigkeitsfilm gerichtet sein. Diese Anordnung ermöglicht eine vollständige Entkopplung der deformations- und damit bilderzeugenden Infrarotstrahlung von der Schlieren- bzw.
Phasenkontrastoptik. Dadurch wird es auch möglich, den Flüssigkeitsfilm direkt auf einer Spiegelschicht auszubreiten; diese Spiegelschicht und der Flüssigkeitsz film liegen somit praktisch in derselben Ebene. Hierdurch fallen für das Schlierensystem verschiedene Einschränkungen weg. Bei Verwendung der Spiegelschicht ist der Einfallswinkel des Lichtes der Schlierenoptik auf die verformbare Schicht praktisch ohne Belang. Dadurch ergeben sich mannigfaltige Anwendungsmöglichkeiten.
Verwendet man beispielsweise ein Schlierensystem, welches kohärentes Licht benützt, dann kann man die Vorrichtung für Zwecke der optischen Fourier-Transformation verwenden, da eine auf die verformbare Schicht geworfene Lichtwellenfront an dieser eine veränderbare Phasenverschiebung erleidet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel in schematischer Gesamtdarstellung,
Fig. 2 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1,
Fig 3 bis 9 sieben Detailvarianten zu Fig. 1 bzw.
2.
Gemäss Fig. 1 besteht die erfindungsgemässe Vorrichtung im wesentlichen aus einem Infrarotwandler W und aus einer Schlierenoptik S. Der Infrarotwandler W besteht aus einer frei aufgespannten Membran 3, welche auf ihrer der Schlierenoptik S zugewandten Fläche mit einem dünnen Spiegelbelag 5 versehen und auf dieser Spiegelfläche mit einem dünnen Flüssigkeitsfilm 6 beschichtet ist, und aus einem vor der freien Oberfläche der Membran 3 angeordneten Raster 2. Die von einem nicht dargestellten Infrarotstrahler ausgesandten Infrarotstrahlen I werden von einer Infrarotoptik 14 gebündelt und fallen durch ein Infrarotfilter 15 auf den Infrarotwandler W und bewirken örtliche Erwärmungen der Membran 3 und damit örtliche Veränderungen der Oberflächenspannung des auf der Membran ausgebreiteten Flüssigkeitsfilms 6.
Zur Sichtbarmachung der hierbei entstehenden Oberflächendeformationen des Flüssigkeitsfilms dient die Schlierenoptik S, welche im wesentlichen aus einer Lichtquelle 16, einem Objektiv 19 und einem Barren 20 besteht. Von der Lichtquelle 16 wird ein von den Strahlen 17 und 18 begrenztes Strahlenbün- del L auf den Flüssigkeitsfilm geworfen und an dessen Hinterseite von der an der Membran 3 angebrachten Spiegelschicht 5 reflektiert. Das von den Strahlen 17' und 18' begrenzte reflektierte Lichtbündel L' wird von der Linse 19 gebündelt und der Pupille 21 der Betrachtungsoptik zugeführt. Hierbei werden jene Strahlen, welche an unbelichteten Stellen des Flüssigkeitsfilms 6 auftreffen, beispielsweise der Strahl 18, auf den Barren 20 der Schlierenoptik S geworfen und somit von diesem abgedeckt und nicht in der Ebene der Pupille 21 abgebildet.
Hingegen werden diejenigen Strahlen, bei spielsweise der Strahl 17, welche an belichteten Stellen des Flüssigkeitsfilms 6 auftreffen, anders gebeugt als die an unbelichteten Stellen auftreffenden Strahlen, und erscheinen als Beugungsordnungen 17* und 17* * ausserhalb des Barrens und symmetrisch zu diesem und werden in der Ebene der Pupille 21 scharf abgebildet.
Das Betrachtungsfeld der Pupille 21 ist so gewählt, dass zumindest die ersten Beugungsordnungen der gebeugten Lichtstrahlen betrachtet werden können. Je grösser die Intensität der einfallenden Infrarotstrahlen I ist, desto stärker ist die Beugung der Lichtstrahlen an den deformierten Stellen des Flüssigkeitsfilms 6 und desto heller erscheinen die Beugungsordnung 17* und 17**.
Diese Vorgänge sind in Fig. 2 vergrössert dargestellt.
Gemäss Fig. 2 dringen die Infrarotstrahlen I durch die Öffnungen des Rasters 2 in die Membran 3 ein, werden an der Spiegelschicht 5 reflektiert und in der Membran 3 absorbiert. Die durch die Absorption der Strahlen entstehenden lokalen Erwärmungen werden von der Membran 3 durch die Spiegel schicht 5 hindurch an den Flüssigkeitsfilm 6 weitergegeben und führen in diesem zu Einbuchtungen an seiner freien Oberfläche, wogegen an den vom Raster 2 abgedeckten Stellen Ausbuchtungen entstehen. An den Einbuchtungen werden die auftreffenden Strahlen L der Schlierenoptik anders gebeugt als an den Ausbuchtungen, so dass die reliefartige Oberflächenverformung der Flüssigkeitsschicht 6 schlierenoptisch auslesbar ist.
Die Spiegelschicht 5 ist sehr vorteilhaft, jedoch für die Funktion der Anordnung nicht unbedingt erforderlich. Das Weglassen der Spiegelschicht ist deshalb möglich, weil bekanntlich an der Oberfläche jeder Flüssigkeit, auch einer optisch durchsichtigen, eine Reflexion der auftreffenden Strahlung zu einem bestimmten Prozentsatz stattfindet. Der Betrag des reflektierten Lichtes L' liegt für durchsichtige Flüssigkeiten bei etwa 4 O/o vom Betrag des auftreffenden Lichtes L. Dies ist für die Schlierenoptische Auslesung ausreichend, insbesondere da die Intensität des Lichtes L in weiten Grenzen gesteigert werden kann.
Der Film 6 ist durch eine niederviskose Flüssigkeit gebildet, wobei sich Schichtdicken von 0,2.104 cm bis 10.104 cm als besonders geeignet erwiesen haben. Als Flüssigkeiten eignen sich z. B. niederviskose Kohlenwasserstoffe wie Dekan, Hexan oder Oktan, deren Viskos tät zwischen 0,4 und 1 Centipoise liegt. Die Membran 3 ist etwa 2.1ob cm bis 8.104 cm dick und besteht aus einem schlecht wärmeleitenden Material, z. B. aus einem keramischen oder glasartigen Werkstoff oder aus Kunststoff wie z. B. Nitrocellulose. Die Periode des Rasters 2 beträgt ungefähr das 100- bis 300fache der Dicke des Flüssiekeitsfilms 6.
Der Raster 2 kann Idurch ein Linien oder Kreuzraster, wie in der Figur angedeutet, oder durch ein Linsenraster etc. gebildet sein. Bei letzterem ist der Durchmesser der einzelnen Linsen mit der Rasterperiode des Linien- oder Kreuzrasters identisch so dass auch für das Linsenraster die oben angegebene Beziehung; zwischen Rasterperiode und Dicke des Flüssigkeitsfilms gilt.
Da die Membran 3 eine sehr geringe Masse und damit auch eine geringe Wärmekapazität besitzt, besitzt sie eine sehr hohe Temperaturanpassungsfähigkeit und befindet sich fast augenblicklich im Temperaturgleichge wicht mit der Umgebung. Die durch die Infrarotstrahlen I in der Membran 3 bewirkten örtlichen Erwärmungen werden durch Wärmeleitung nur noch in der Membran selber und zu einem kleinen Prozentsatz an das umgebende Medium abgeführt, wodurch eine örtliche Variation des Strahlungsgleichgewichts eine optimale Temperaturvariation zur Folge hat, wodurch sich eine sehr grosse Empfindlichkeit ergibt.
In den Fig. 3 und 4 sind zwei weitere Möglichkeiten für die gegenseitige Lage der Infraroteinstrahlung I und der Schlierenoptik S bzw. der Strahlenbündel L und L' dargestellt.
Gemäss Fig. 3 ist die Schlierenoptik so angeordnet, dass von der Pupille (21, Fig. 1) der Betrachtungsoptik nicht das von der Flüssigkeitsschicht 6 reflektierte, sondern das von dieser hindurchgelassene Licht L' betrachtet wird. Eine Spiegelschicht (5, Fig. 2) ist hier nicht vorhanden. Die Membran 3 muss zumindest zu einem gewissen Grad für sichtbares Licht durchsichtig sein.
Gemäss Fig. 4 sind die Infrarotstrahlen I und die von der Lichtquelle 16 der Schlierenoptik S (Fig. 1) ausgesandten Lichtstrahlen L von derselben Seite auf den Infrarotwandler W gerichtet. Der Flüssigkeitsfilm 6 ist darstellungsgemäss auf der den Strahlungsquellen (L, I) zugewandten Seite der Membran 3 ausgebreitet. Der Film könnte auch auf der den Strahlungsquellen (I, L) abgewandten Membranseite ausgebreitet sein. Ausserdem kann in Fig. 4 der Infrarotwandler W einen Spiegelbelag (5, Fig. 2) aufweisen.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung sind zwei Faktoren von wesentlicher Bedeutung: Erstens die Grösse der durch die einfallende Infrarotstrahlung I hervorgerufenen Oberflächendeformationen der Flüssigkeitsschicht und zweitens die optische Auslesung dieser Deformationen durch die Sohlierenoptik S. In den Fig. 5 bis 8 werden verschiedene Ausführungsvarianten für den Infrarotwandler W angegeben, welche diesen beiden Faktoren besonders Rechnung, tragen.
Gemäss Fig. 5 ist die Membran 3 auf ihrer dem Flüssigkeitsfilm 6 abgewandten Seite mit einem infrarotabsorbierenden Belag 4 beschichtet. Die einfallende Infrarotstrahlung I muss in diesem Fall nicht von der Membran 3 selbst absorbiert werden. Dies ist insoferne von Vorteil, als hierdurch gewisse Einschränkungen bei der Wahl des Membranwerkstoffes wegfallen. Darstellungsgemäss durohlaufen die einfallenden Infrarotstrahlen I den infrarotabsorbierenden Belag 4 und werden dort teilweise absorbiert, wodurch sich Ider Belag lokal erwärmt und diese Wärme durch Wärmeleitung durch die Membran 3 und die Spiegelschicht 5 hindurch in die Flüssigkeitsschicht 6 abgibt.
Der vom Belag 4 nicht absorbierte Teil der Infrarotstrahlen durchläuft die Membran 3 (falls diese infrarotdurchlässig ist), wird von der Spiegelschicht 5 reflektiert und gelangt über die Membran wiederum an den Belag 4 und wird dort grösstenteils absorbiert, was wiederum zu dem oben beschriebenen Wärmeleitungsprozess führt. Es ist auch möglich, den Absorptionsbelag in die Membran einzubetten, beispielsweise durch Eingiessen von infrarotabsorbierenden Partikeln.
Fig. 6 zeigt eine Variante zu Fig. 5 bei welcher die Spiegelschicht 5 nicht auf der die Flüssigkeitsschicht 6 tragenden, sondern auf der mit dem Absorptionsbelag 4 beschichteten Seite der Membran 3 angeordnet ist. Die Spiegelschicht 5 muss in diesem Fall für die Infrarotstrahlung I durchsichtig sein. Am besten ist hierzu ein sogenannter Interferenzspiegel geeignet. Die Dicke solcher Spiegel liegt in der Grössenordnung der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes (L) sie werden vorzugsweise dur Aufdampfen hergestellt.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsvariante 4 besteht der Flüssigkeitsfilm 6 aus einer infrarotabsorbierenden Flüssigkeit. Der Raster 2 ist als Linsenraster ausgebildet. Eine Spiegel- und eine spezielle Infrarot-Absorptionsschicht sind nicht vorhanden. Die Flüssigkeitsschicht absorbiert die Infrarotstrahlung I.
Auch hier fallen für die Wahl Ides Membranmaterials absorptionsbedingte Einschränkungen weg; die Membran 3 dient lediglich als Träger für die Flüssigkeitsschicht 6. Das auf die Flüssigkeitsschicht 6 auftreffende Licht L der Schlierenoptik wird an der Oberfläche der Flüssigkeitsschicht und an der freien Oberfläche der Membran 3 reflektiert. Die beiden Reflexionen werden von der Schlierenoptik ausgelesen. Bei dieser Ausführungsform ist die Infrarotempfindlichkeit des Infrarotwandlers W optimal, die Lichtausbeute der Schlierenoptik ist hingegen gering, was aber durch Erhöhung der Intensität des Lichtes L kompensierbar ist. Selbstverständlich könnte auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Membran 3 auf ihrer dem Linsenraster 2 zugewandten freien Oberfläche mit einer Spiegel schicht versehen sein.
Im Flüssigkeitsfilm 6 ist eine Ausbildung bzw.
Aufrechterhaltung einer Deformationsstruktur praktisch nur dann möglich, wenn die Wärmeleitung im Film und in der Membran klein ist. Andernfalls würden sich die lokalen Temperaturdifferenzen ausgleichen und damit Deformationen einebnen. Die Membran und ihre Beläge dürfen daher eine bestimmte Wärmeleitfähigkeit nicht überschreiten. Aus diesem Grund darf ,auch die Wärmeleitung des Spiegels 5 eine bestimmte Grösse nicht überschreiten.
Bei den in den Fig. 1, 2, 3, 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen kann der Infrarotraster 2 auch direkt auf der Membran aufgebracht bzw. durch den absorbierenden Belag 4 (Fig. 5) gebildet werden.
Der Infrarotraster 2 kann so ausgebildet sein, dass in der Ebene der Pupielle (21, Fig. 1) in Abhängigkeit von der Wellenlänge der einfallenden Infrarotstrahlung verschiedenfarbige Bilder entstehen. Wenn der Infrarotraster beispielsweise durch einen Kreuzraster gebildet ist, dann kann z. B. die eine Parallellinienschar für kurzwelliges und die andere für langwelliges Infrarot durchlässig sein. Die für die beiden Wellenlängenbereiche in der Ebene der Pupille (21, Fig. 1) entstehenden Beugungsbilder liegen dann ebenfalls in zwei verschiedenen Richtungen und können beispielsweise durch Filter in verschiedenfarbige Bilder umgewandelt werden.
Damit in der Pupille (21, Fig. 1) ein strukturiertes Bild entsteht, muss die mittlere Temperatur des Flüssigkeitsfilms 6 innerhalb eines bestimmten Intervalls um die Temperatur des betrachteten Objektes liegen. Dieses Intervall beträgt erfahrungsgemäss etwa +8 C. Aus serdem muss dem Flüssigkeitsfilm stets so viel Wärmeenergie zugeführt bzw. von diesem abgeführt werden, dass dieser während jeder Messung an einem bestimmten Objekt auf angenähert konstanter Mitteltemperatur bleibt und sich durch die einfallende Infrarotstrahlung im Mittel weder erwärmt noch abkühlt.
Gemäss Fig. 8 ist dem Infrarotwandler W rasterseitig eine heiz- und/oder kühlbare Platte 7 aus infrarotdurchsichtigem Material vorgeschaltet. Der Wandler bzw. die Membran 3 kann durch die Wirkung dieser Platte auf jede gewünschte Temperatur gebracht und auf dieser gehalten werden und zwar unabhängig von unkontrollierbaren äusseren Einflüssen. Die Platte 7 kann z. B. mit einer elektrischen Widerstandsheizung ausgerüstet sein, was in der Fig. durch die Anschlussklemmen 70 und 71 angedeutet ist. Der Spalt 8 zwischen Platte 7 und Wandler W kann gasdicht abgeschlossen und mit einem speziellen Gas gefüllt sein. Durch geeignete Wahl des Gases sowie der Dimensionen dieses Spalts kann die Wärmeleitung zwischen der Platte 7 und der Membran 3 in weiten Grenzen variiert werden. Es hat sich als besonders günstig erwiesen, den Spalt 8 mit einem schlecht wärmeleitenden Gas zu füllen.
Da die Wärmeleitfähigkeit eines Gases bekanntlich dem Quadrat von dessen Atomradius indirekt und der spezifischen Wärme direkt proportional ist, ist ein Edelgas mit relativ hohem Molekulargewicht, beispielsweise Xenon, als Füllgas hervorragend geeignet. Abweichend von Fig. 7 kann der Raster 2, insbesondere in Form eines Linsenrasters auf bzw. in die Platte 7 verlegt oder in Form einer Schicht direkt auf die Membran 3 verlegt sein.
Durch die Infrarotoptik (14, Fig. 1) wird jeder Punkt des die Infrarotstrahlung I aussendenden Objektes als Punkt im Flüssigkeitsfilm 6 abgebildet. Hierbei empfängt jeder infrarotbelichtete Punkt des Films aus einem durch den Öffnungswinkel der Infrarotoptik bestimmten Raumwinkel Temperaturstrahlung. Dieser Raumwinkel liegt bei gebräuchlichen Optiken bei etwa 7 bis 10 O/o des totalen Raumwinkels von 360". Durch Wärmestrahlung aus dem restlichen Raumwinkel, welcher somit etwa 90 O/o des totalen Raumwinkels beträgt, kann also jedem Punkt des Films eine beliebige Temperatur aufgeprägt werden. Hiervon wird bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsvariante Gebrauch gemacht.
Gemäss Fig. 9 ist der Infrarotwandler W und damit auch die Membran 3 (Fig. 1) seitlich von zwei Temperaturstrahlen 9 und 10 umgeben, welche Strahler auf verschiedene Temperaturen einstellbar und wechselweise ganz oder je zu einem bestimmten Bruchteil durch eine Blende abdeckbar sind, sodass jede gewünschte Temperatur aus dem zwischen den Temperaturen der beiden Strahler liegenden Intervall stufenlos einstellbar ist. Darstellungsgemäss ist jeder der beiden Temperaturstrahler 9, 10 durch einen halbkreisförmigen zylindrischen Flächenstrahler gebildet, dessen Bogenlänge etwas kleiner ist als die des entsprechenden Halbkreises. Die Bogenlänge einer mit einem Arm 12 um eine Achse 13 verdrehbaren Blende 11 entspricht der Bogenlänge des zugeordneten Halbkreises.
Durch Verdrehen der Blende 11 können die beiden Temperaturstrahler 9 und 10 wechselweise ganz oder zu je einem bestimmten Bruchteil abgedeckt werden, wodurch das scheinbare Flächenverhältnis der beiden Strahler momentan und quantitativ veränderbar ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle von zwei Temperaturstrahlen mehrere Strahler anzuordnen oder auch nur einen einzigen, dessen Temperatur rasch veränderbar ist. Wenn beispielsweise die Infrarotoptik (14, Fig. 1) durch eine Linsenoptik gebildet ist, dann könnte dieser Strahler Idurch die Rohrwand der Linsenoptik gebildet sein. Bei Verwendung eines Spiegelobjektivs, beispielsweise eines Spiegelobjektivs nach Cassegrain, könnte der Strahler durch die innerste Abschirmung des Spiegelobjektivs gebildet sein.
Wie bereits dargelegt, liegt die Dicke des Flüssigkeitsfilms 6 in der Grössenordnung von 104 cm.
Flüssigkeitsfilme dieser geringen Dicke können so aufgetragen werden, dass der Träger (Membran 3) zuerst mit einem relativ dicken Flüssigkeitsfilm beschichtet und anschliessend die Dicke dieses Films beispielsweise durch Abstreifen auf die gewünschte Grösse gebracht wird.
Device for making infrared rays visible
The invention relates to a device for making infrared rays layerable, with imaging infrared optics, which throws the infrared rays through a grid, which is referred to below as an infrared grid, onto a liquid film that is locally deformable with the intensity of the radiation, which the
Affected beam path in an optical system.
This known device is intended to be improved by the invention, in particular with regard to its temperature adaptability and sensitivity.
According to the invention, this is achieved in that a freely stretched thin membrane serves as a carrier for the liquid film.
According to a preferred variant of the invention, the membrane and any coverings on it are made of poorly thermally conductive material.
The infrared rays and the light rays can be directed onto the liquid film from different sides. This arrangement enables a complete decoupling of the deformation and image-generating infrared radiation from the streak or
Phase contrast optics. This also makes it possible to spread the liquid film directly on a mirror layer; this mirror layer and the liquid film are thus practically in the same plane. This eliminates various restrictions for the Schlieren system. When using the mirror layer, the angle of incidence of the light from the Schlieren optics on the deformable layer is practically irrelevant. This results in a variety of possible applications.
If, for example, a Schlieren system which uses coherent light is used, then the device can be used for the purposes of optical Fourier transformation, since a light wave front thrown onto the deformable layer suffers a variable phase shift there.
In the following the invention is explained in more detail with reference to the drawings, for example; show it:
1 shows an exemplary embodiment in a schematic overall representation,
FIG. 2 shows an enlarged section from FIG. 1,
Fig. 3 to 9 seven detail variants of Fig. 1 and
2.
According to Fig. 1, the inventive device consists essentially of an infrared converter W and a Schlieren optics S. The infrared converter W consists of a freely stretched membrane 3, which is provided on its surface facing the Schlieren optics S with a thin mirror coating 5 and on this mirror surface with a thin liquid film 6 is coated, and from a arranged in front of the free surface of the membrane 3 grid 2. The infrared rays I emitted by an infrared radiator (not shown) are bundled by infrared optics 14 and fall through an infrared filter 15 on the infrared converter W and cause local heating of the membrane 3 and thus local changes in the surface tension of the liquid film 6 spread out on the membrane.
The Schlieren optics S, which essentially consists of a light source 16, an objective 19 and a bar 20, serves to make the surface deformations of the liquid film that arise in this way visible. From the light source 16, a bundle of rays L delimited by the rays 17 and 18 is thrown onto the liquid film and is reflected on its rear side by the mirror layer 5 attached to the membrane 3. The reflected light bundle L 'limited by the rays 17' and 18 'is bundled by the lens 19 and fed to the pupil 21 of the viewing optics. In this case, those rays which impinge on unexposed areas of the liquid film 6, for example the ray 18, are thrown onto the bar 20 of the Schlieren optics S and thus covered by it and not imaged in the plane of the pupil 21.
On the other hand, those rays, for example the ray 17, which impinge on exposed areas of the liquid film 6 are diffracted differently than the rays impinging on unexposed areas, and appear as diffraction orders 17 * and 17 * * outside the bar and symmetrical to this and are in the plane of the pupil 21 in sharp focus.
The field of view of the pupil 21 is selected such that at least the first diffraction orders of the diffracted light rays can be viewed. The greater the intensity of the incident infrared rays I, the stronger the diffraction of the light rays at the deformed points of the liquid film 6 and the brighter the diffraction orders 17 * and 17 ** appear.
These processes are shown enlarged in FIG.
According to FIG. 2, the infrared rays I penetrate through the openings of the grid 2 into the membrane 3, are reflected on the mirror layer 5 and absorbed in the membrane 3. The local heat generated by the absorption of the rays is passed from the membrane 3 through the mirror layer 5 through to the liquid film 6 and lead in this to indentations on its free surface, whereas bulges arise at the points covered by the grid 2. The incident rays L of the Schlieren optics are diffracted differently at the indentations than at the indentations, so that the relief-like surface deformation of the liquid layer 6 can be read out by streak optics.
The mirror layer 5 is very advantageous, but not absolutely necessary for the function of the arrangement. Omitting the mirror layer is possible because it is known that a certain percentage of the incident radiation is reflected on the surface of every liquid, even an optically transparent one. The amount of the reflected light L 'for transparent liquids is approximately 40 / o of the amount of the incident light L. This is sufficient for the Schlieren optical readout, especially since the intensity of the light L can be increased within wide limits.
The film 6 is formed by a low-viscosity liquid, with layer thicknesses of 0.2 × 104 cm to 10 × 104 cm having proven to be particularly suitable. Suitable liquids are, for. B. low-viscosity hydrocarbons such as decane, hexane or octane, whose viscosity is between 0.4 and 1 centipoise. The membrane 3 is about 2.1ob cm to 8.104 cm thick and consists of a poorly thermally conductive material, e.g. B. made of a ceramic or glass-like material or plastic such. B. nitrocellulose. The period of the grid 2 is approximately 100 to 300 times the thickness of the liquid film 6.
The grid 2 can be formed by a line or cross grid, as indicated in the figure, or by a lens grid, etc. In the case of the latter, the diameter of the individual lenses is identical to the grid period of the line or cross grid so that the relationship given above also applies to the lens grid; applies between the grid period and the thickness of the liquid film.
Since the membrane 3 has a very low mass and thus also a low heat capacity, it has a very high temperature adaptability and is almost instantaneously in temperature equilibrium with the environment. The local warming caused by the infrared rays I in the membrane 3 is only dissipated by conduction in the membrane itself and to a small percentage in the surrounding medium, whereby a local variation of the radiation equilibrium results in an optimal temperature variation, which results in a very large one Sensitivity results.
3 and 4 show two further possibilities for the mutual position of the infrared radiation I and the Schlieren optics S or the bundles of rays L and L '.
According to FIG. 3, the Schlieren optics are arranged in such a way that the pupil (21, FIG. 1) of the viewing optics does not view the light L 'reflected by the liquid layer 6, but rather the light L' transmitted by it. A mirror layer (5, Fig. 2) is not present here. The membrane 3 must be transparent to visible light at least to a certain extent.
According to FIG. 4, the infrared rays I and the light rays L emitted by the light source 16 of the Schlieren optics S (FIG. 1) are directed onto the infrared converter W from the same side. As shown, the liquid film 6 is spread out on the side of the membrane 3 facing the radiation sources (L, I). The film could also be spread out on the side of the membrane facing away from the radiation sources (I, L). In addition, the infrared converter W in FIG. 4 can have a mirror covering (5, FIG. 2).
In the device according to the invention, two factors are of essential importance: firstly, the size of the surface deformations of the liquid layer caused by the incident infrared radiation I and, secondly, the optical readout of these deformations by the soleplate optics S. In Figs which take these two factors into account.
According to FIG. 5, the membrane 3 is coated with an infrared-absorbing coating 4 on its side facing away from the liquid film 6. In this case, the incident infrared radiation I does not have to be absorbed by the membrane 3 itself. This is advantageous in that it eliminates certain restrictions in the choice of the membrane material. As shown, the incident infrared rays I run through the infrared-absorbing coating 4 and are partially absorbed there, as a result of which the coating is locally heated and this heat is given off into the liquid layer 6 by conduction through the membrane 3 and the mirror layer 5.
The part of the infrared rays not absorbed by the covering 4 passes through the membrane 3 (if this is infrared-permeable), is reflected by the mirror layer 5 and reaches the covering 4 via the membrane and is largely absorbed there, which in turn leads to the heat conduction process described above . It is also possible to embed the absorption coating in the membrane, for example by pouring in infrared-absorbing particles.
FIG. 6 shows a variant of FIG. 5 in which the mirror layer 5 is not arranged on the side of the membrane 3 that carries the liquid layer 6, but rather on the side of the membrane 3 coated with the absorption coating 4. In this case, the mirror layer 5 must be transparent to the infrared radiation I. A so-called interference mirror is best suited for this. The thickness of such mirrors is of the order of magnitude of the wavelength of visible light (L), they are preferably produced by vapor deposition.
In the embodiment variant 4 shown in FIG. 7, the liquid film 6 consists of an infrared-absorbing liquid. The grid 2 is designed as a lens grid. A mirror and a special infrared absorption layer are not available. The liquid layer absorbs the infrared radiation I.
Here, too, there are no absorption-related restrictions for the choice of Ide's membrane material; the membrane 3 serves only as a carrier for the liquid layer 6. The light L of the Schlieren optics incident on the liquid layer 6 is reflected on the surface of the liquid layer and on the free surface of the membrane 3. The two reflections are read out by the Schlieren optics. In this embodiment, the infrared sensitivity of the infrared converter W is optimal, but the light yield of the Schlieren optics is low, but this can be compensated for by increasing the intensity of the light L. Of course, the membrane 3 could also be provided with a mirror layer on its free surface facing the lens grid 2 in this embodiment.
In the liquid film 6 is a training or
Maintaining a deformation structure is practically only possible if the heat conduction in the film and in the membrane is low. Otherwise, the local temperature differences would equalize each other and thus level out deformations. The membrane and its coverings must therefore not exceed a certain thermal conductivity. For this reason, the heat conduction of the mirror 5 must not exceed a certain size.
In the embodiments shown in FIGS. 1, 2, 3, 5 and 6, the infrared raster 2 can also be applied directly to the membrane or formed by the absorbent covering 4 (FIG. 5).
The infrared raster 2 can be designed in such a way that images of different colors are created in the plane of the pupials (21, FIG. 1) depending on the wavelength of the incident infrared radiation. If the infrared grid is formed, for example, by a cross grid, then z. B. be permeable to a set of parallel lines for short-wave and the other for long-wave infrared. The diffraction images produced for the two wavelength ranges in the plane of the pupil (21, FIG. 1) then also lie in two different directions and can be converted into images of different colors, for example by filters.
So that a structured image arises in the pupil (21, FIG. 1), the mean temperature of the liquid film 6 must lie within a certain interval around the temperature of the object being viewed. Experience has shown that this interval is around +8 C. In addition, enough thermal energy must always be supplied to or removed from the liquid film so that it remains at an approximately constant mean temperature during each measurement on a certain object and does not heat up on average due to the incident infrared radiation still cools down.
According to FIG. 8, a heatable and / or coolable plate 7 made of infrared-transparent material is connected upstream of the infrared converter W on the grid side. The transducer or the membrane 3 can be brought to any desired temperature by the action of this plate and can be kept at this, regardless of uncontrollable external influences. The plate 7 can, for. B. be equipped with an electrical resistance heater, which is indicated in the figure by the terminals 70 and 71. The gap 8 between plate 7 and transducer W can be sealed gas-tight and filled with a special gas. By suitable choice of the gas and the dimensions of this gap, the heat conduction between the plate 7 and the membrane 3 can be varied within wide limits. It has proven to be particularly advantageous to fill the gap 8 with a gas that is a poor conductor of heat.
Since the thermal conductivity of a gas is known to be indirect to the square of its atomic radius and directly proportional to the specific heat, a noble gas with a relatively high molecular weight, for example xenon, is ideally suited as a filler gas. In contrast to FIG. 7, the grid 2 can be laid on or in the plate 7, in particular in the form of a lens grid, or it can be laid directly on the membrane 3 in the form of a layer.
By means of the infrared optics (14, FIG. 1), each point of the object emitting the infrared radiation I is mapped as a point in the liquid film 6. Each infrared-exposed point of the film receives temperature radiation from a solid angle determined by the opening angle of the infrared optics. With conventional optics, this solid angle is about 7 to 10 o / o of the total solid angle of 360 ". Any temperature can be impressed on any point of the film by thermal radiation from the remaining solid angle, which is thus about 90 o / o of the total solid angle Use is made of this in the variant embodiment shown in FIG.
According to FIG. 9, the infrared converter W and thus also the membrane 3 (FIG. 1) is laterally surrounded by two temperature rays 9 and 10, which radiators can be set to different temperatures and can be covered alternately entirely or at a certain fraction by a screen so that any desired temperature can be set continuously from the interval between the temperatures of the two heaters. According to the illustration, each of the two temperature radiators 9, 10 is formed by a semicircular, cylindrical surface radiator, the arc length of which is somewhat smaller than that of the corresponding semicircle. The arc length of a diaphragm 11 which can be rotated with an arm 12 about an axis 13 corresponds to the arc length of the associated semicircle.
By rotating the screen 11, the two temperature radiators 9 and 10 can alternately be covered entirely or at a specific fraction each, whereby the apparent area ratio of the two radiators can be changed momentarily and quantitatively. Of course, it is also possible, instead of two temperature jets, to arrange several radiators or only one, the temperature of which can be changed quickly. If, for example, the infrared optics (14, Fig. 1) is formed by lens optics, then this radiator I could be formed by the tube wall of the lens optics. When using a mirror lens, for example a mirror lens according to Cassegrain, the radiator could be formed by the innermost shield of the mirror lens.
As already explained, the thickness of the liquid film 6 is in the order of magnitude of 104 cm.
Liquid films of this small thickness can be applied in such a way that the carrier (membrane 3) is first coated with a relatively thick liquid film and then the thickness of this film is brought to the desired size, for example by stripping.