DE1489750C

DE1489750C - Radiation detector for visualizing and viewing invisible rays

Info

Publication number: DE1489750C
Authority: DE
Inventors: Robert O. Große Pointe; Hallman Robert W. St. Clair Shores; Mich. Teeg (V.StA.). G02b 27-00
Original assignee: Teeg Research Inc
Current assignee: Teeg Research Inc
Publication date: 1972-09-14

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungsdetektor zum Sichtbarmachen und Betrachten von durch infrarote Strahlen erzeugten Bildern auf einem Bildschirm, welcher eine Schicht eines Farbstoffes von definierter Farbumschlagtemperatur aufweist mit einer auf die Bildschirmfläche einwirkenden Heizvorrichtung, welche auf eine dicht unterhalb der Farbumschlagtemperatur liegende Vorheiztemperatur einstellbar ist.The invention relates to a radiation detector for visualizing and viewing images generated by infrared rays on a screen, which has a layer of a dye has a defined color change temperature with a heating device acting on the screen surface, which can be set to a preheating temperature just below the color change temperature is.

Die Erfindung ist mit besonderem Vorteil bei Infrarot-Sichtgeräten anwendbar, um einen unsichtbaren, jedoch Wärmestrahlung abgebenden Körper genau zu orten und zu betrachten. Sie kann als Nachtbetrachter für Schlachtfelder dienen, für Luftfahrzeug-Landeführungssysteme, zum Auffinden und Verfolgen von Satelliten und Raketen, zur Zielauffindung, zum Verfolgen von U-Booten und für Raumfahrzeugsteuersysteme, um nur einige Anwendungen zu erwähnen.The invention can be used with particular advantage in infrared vision devices to provide an invisible, however, to precisely locate and observe bodies emitting heat radiation. You can use it as a Night viewers are used for battlefields, for aircraft landing guidance systems, for finding and tracking satellites and missiles, for target finding, for tracking submarines and for Spacecraft control systems, to name a few applications.

Die Erfindung kann ferner in der Astronomie, bei medizinischen Versuchen, zum Prüfen von Materialien und zum Feststellen von heißen Stellen und Bauelementen in mechanischen und elektrischen Baugruppen mit Vorteil benutzt werden.The invention can also be used in astronomy, in medical experiments, for testing materials and for determining hot spots and components can be used with advantage in mechanical and electrical assemblies.

Aus der deutschen Patentschrift 698 417 ist bereits ein Strahlungsdetektor der eingangs genannten Art bekannt. Dort ist die Heizvorrichtung ein erwärmbares Wasserbad, in welches der Bildschirm eintaucht. Dies hat eine Reihe von Nachteilen. Das Wasserbad hat einen erheblichen Platzbedarf und benötigt zu seiner Erwärmung beträchtliche Energiemengen, weil es, soll der Strahlungsdetektor ständig einsatzbereit sein, laufend auf der Vorheiztemperatur gehalten werden muß, so daß der bekannte Strahlungsdetektor nur für einen stationären Betrieb, etwa in einem Fernsehempfänger, in Betracht kommt. Wegen der hohen Wärmekapazität des Wasserbades ist die Empfindlichkeit nur gering, so daß dieser Strahlungsdetektor nur für energiereiche Strahlen, beispielsweise Elektronenstrahlen, verwendet werdenThe German patent specification 698 417 already discloses a radiation detector of the type mentioned at the beginning Kind known. There the heating device is a heatable water bath in which the screen immersed. This has a number of disadvantages. The water bath takes up a considerable amount of space and is required to its heating considerable amounts of energy, because it, the radiation detector is supposed to constantly be ready for use, must be kept constantly at the preheating temperature, so that the known radiation detector can only be used for stationary use, for example in a television receiver. Because the high heat capacity of the water bath, the sensitivity is only low, so this radiation detector can only be used for high-energy beams such as electron beams

ίο kann, nicht aber für die geringe Wärmestrahlung, die bei einem Infrarot-Sichtgerät zur Verfügung steht. Weiterhin muß das Wasserbad auf einer solchen Temperatur gehalten werden, daß auch bei längerem Betrieb der dort veranschaulichten Bildröhre nicht die Umschlagtemperatur überschritten wird. Dies wiederum bedeutet einen starken Verlust an Kontrast und Helligkeit insbesondere zu Beginn des Betriebes, wenn für den Betrieb im erwärmten Zustand noch eine bestimmte Sicherheitsdifferenz zwischen der Farbumschlagtemperatur sowie der durchschnittlichen Betriebstemperatur des Bildschirmes aufrechterhalten, werden soll.ίο can, but not for the low thermal radiation that is available with an infrared viewing device. Furthermore, the water bath must be at such a temperature be held that not even with prolonged operation of the picture tube illustrated there Transition temperature is exceeded. This in turn means a great loss of contrast and brightness, especially at the beginning of operation, if still for operation in a heated state a certain safety difference between the color change temperature and the average The operating temperature of the screen should be maintained.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungsdetektor der eingangs genannten Art zu schaffen, der klein und mit geringem Gewicht aufgebaut werden kann, der äußerst empfindlich, betriebssicher und ständig einsatzbereit ist, der nur einen geringen Energiebedarf hat und der kräftig und stabil ausgebildet werden kann, so daß sich der Strahlungsdetektor auch im Gelände unter schwierigen Bedingungen einsetzen läßt.The invention is now based on the object of providing a radiation detector of the type mentioned at the beginning to create that can be built small and lightweight, that is extremely sensitive and reliable and is always ready for action, has only a low energy requirement and is powerful and can be made stable, so that the radiation detector is difficult even in terrain Lets set conditions.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Farbstoff aus Vanadiumdioxid besteht und die Heizvorrichtung als Bestandteil eines geschlossenen Regelkreises ausgebildet ist, der einen eine Ausgangsgröße entsprechend einer Durchschnittstemperatur der Bildschirmfläche abgebenden Meßwertwandler sowie ein Stellglied zur Einstellung der Heizvorrichtung umfaßt.This is achieved according to the invention in that the dye consists of vanadium dioxide and the Heating device is designed as part of a closed control loop, one of which is an output variable transducer emitting according to an average temperature of the screen surface and an actuator for adjusting the heater.

Dieser Strahlungsdetektor ist einfach aufgebaut und läßt sich billig sowie in Massenfertigung herstellen. Er kann leicht und geeicht und gegen eine Alterung seiner aktiven Elemente kompensiert werden. Der Strahlungsdetektor nach der Erfindung hat den weiteren Vorteil, daß sein Farbstoff eine Hysterese aufweist, durch welche das wiedergegebene Bild äußerst stabil ist.This radiation detector has a simple structure and can be manufactured cheaply and in mass production. It can be easily and calibrated and compensated against aging of its active elements. The radiation detector according to the invention has the further advantage that its dye has a hysteresis by which the reproduced image is extremely stable.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist, wie an sich aus der genannten Patentschrift bekannt, eine Beleuchtungseinrichtung für die Bildschirmfläche vorgesehen.According to one embodiment of the invention, as is known per se from the patent mentioned, a Illumination device provided for the screen area.

Nach anderen Ausgestaltungen der Erfindung kann der Meßwertwandler eine auf die Bildschirmfläche gerichtete und auf deren Farbe ansprechende Fotozelle oder die Bildschirmfläche selbst und deren elektrischer Widerstand abfühlbar sein.According to other embodiments of the invention, the transducer can be applied to the screen surface directed and responsive to their color photocell or the screen surface itself and its electrical resistance can be sensed.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigtIn the following the invention will be described with reference to two exemplary embodiments shown in the drawing explained in more detail. It shows

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung,Fig. 1 is a simplified schematic representation of the first embodiment of the invention,

F i g. 2 eine vereinfachte schematische DarstellungF i g. 2 shows a simplified schematic representation

eines zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung.of a second embodiment of the invention.

Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines zur Feststellung unsichtbarer Strahlung dienenden Strahlungsdetektors hat ein kastenartiges Gehäuse 10, das vorzugsweise luftleer ist und an einem Ende eine Öffnung 12 aufweist, in die eine Ob-The first embodiment shown in FIG a radiation detector serving to detect invisible radiation has a box-like one Housing 10, which is preferably evacuated and has an opening 12 at one end into which an ob-

jektivlinse 14 eingesetzt ist. Die Objektivlinse 14 kann nun ein Bild des betreffenden Zielgegenstandes oder Gegenstandes auf einen Film 16 aus thermochromem Material werfen. Es wurde festgestellt, daß dünne Filme aus Vanadiumdioxyden von der allgemeinen Formel VO₂ eine plötzliche Farbänderung im sichtbaren Spektrum ergeben, wenn eine Erwärmung auf eine vorbestimmte Umschlagtemperatur erfolgt. Ein derartiger dünner Film aus Vanadiumdioxyd oder einem ähnlichen Material wird als thermochromer Film 16 in der dargestellten Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet.Lens 14 is used. The objective lens 14 can now cast an image of the relevant target object or object onto a film 16 made of thermochromic material. It has been found that thin films of vanadium dioxides of the general formula VO _{2 result in} a sudden change in color in the visible spectrum when heated to a predetermined transition temperature. Such a thin film of vanadium dioxide or a similar material is used as the thermochromic film 16 in the illustrated device according to the invention.

Das andere Ende des Gehäuses 10 ist ebenfalls mit einer Öffnung 18 versehen, in die eine Okularlinse 20 eingesetzt ist. In dem Gehäuse 10 sind Heizelemente 22 und 24, beispielsweise Radiatoren, angeordnet, und zwar vorzugsweise zwischen der Objektivlinse 14 und dem thermochromen Film 16, so daß der Film 16 auf einer vorbestimmten Temperatur in der Nachbarschaft der Umschlagtemperatur gehalten wird, die im allgemeinen von der Größenordnung von 60 bis 70° C ist. Die Heizelemente 22 und 24 sind mit einer Stromquelle 26 über ein Steuerelement 28 verbunden, das aus einem Ein-Aus-Schalter oder irgendeiner anderen geeigneten bekannten Vorrichtung bestehen kann, mit deren Hilfe der Strom durch die Heizelemente 22 und 24 gesteuert werden kann. Innerhalb des Gehäuses 10 ist ferner eine Fotozelle 30 oder dergl. angeordnet, die mit Hilfe eines Verstärkers 32 mit dem Steuerelement 28 verbunden ist und mit deren Hilfe die durch die Heizelemente 22, 24 erzeugte oder ausgestrahlte Wärme in der Weise reguliert werden kann, daß die Temperatur des Filmes 16 auf der Umschlagtemperatur oder in deren Nähe gehalten wird. Der Verstärker 32 und das Steuerelement 28 sind einstellbar, um das System in der richtigen Weise zu eichen und um die Empfindlichkeit des thermochromen Filmes 16 dadurch zu ändern, daß dieser auf eine Temperatur erwärmt wird, die mehr oder weniger in der Nähe der Umschlagtemperatur liegt. Wenn ferner das Altern des thermochromen Filmes eine Änderung seiner Eigenschaften ergibt, so kann dies durch eine weitere Einstellung des Verstärkers oder des Steuerelementes kompensiert werden.The other end of the housing 10 is also provided with an opening 18 into which an ocular lens 20 is used. Heating elements 22 and 24, for example radiators, are arranged in the housing 10, and preferably between the objective lens 14 and the thermochromic film 16, so that the film 16 is maintained at a predetermined temperature in the vicinity of the envelope temperature which is generally on the order of 60 to 70 ° C. The heating elements 22 and 24 are connected to a power source 26 via a control element 28, which consists of an on-off switch or any other suitable known device by means of which the current through the heating elements 22 and 24 can be controlled. Inside the housing 10 is Furthermore, a photocell 30 or the like. Arranged, which with the help of an amplifier 32 with the control element 28 is connected and with the help of which the generated or radiated by the heating elements 22, 24 Heat can be regulated such that the temperature of the film 16 is at the envelope temperature or is held near them. The amplifier 32 and the control element 28 are adjustable, to calibrate the system in the right way and to adjust the sensitivity of the thermochromic film 16 to change that this is heated to a temperature that is more or less is close to the transition temperature. Further, when aging of the thermochromic film is a If its properties change, this can be done by further setting the amplifier or of the control element can be compensated.

Beim Arbeiten oder im Betrieb wird die Bildvorrichtung auf ein Ziel gerichtet, und mit Hilfe der Objektivlinse 14 wird das Ziel auf die dem Objekt zugewandte Oberfläche des thermochromen Filmes 16 fokussiert. Nunmehr werden Teile der Oberfläche des Films 16, die von der thermischen Strahlung beaufschlagt werden, auf eine Temperatur oberhalb der Umschlagtemperatur erwärmt, und diese Teile erfahren damit eine Farbänderung. Da der Film 16 vorzugsweise auf einer Unterlage angebracht und sehr dünn ist, gegebenenfalls hat er nur eine Dicke in derWhen working or in operation, the imaging device is aimed at a target, and with the help of the objective lens 14, the target is focused on the surface of the thermochromic film 16 facing the object. Now parts of the surface of the film 16 exposed to the thermal radiation are heated to a temperature above the transition temperature, and these parts are experienced thus a color change. Since the film 16 is preferably attached to a base and very is thin, if necessary it only has a thickness in the

ίο Größenordnung von 0,1 Mikron, können nun diese lokalen Farbänderungen als sichtbares Bild des unsichtbaren thermischen Bildes auf der dem Objekt abgewandten Seite des Filmes 16 mit Hilfe der Okularlinse 20 beobachtet werden. Selbstverständlich kann der Film 16 auch dadurch beobachtet werden, daß die andere Seite des Filmes betrachtet wird.ίο of the order of 0.1 microns, you can now do this local color changes as a visible image of the invisible thermal image on that of the object remote side of the film 16 can be observed with the aid of the eyepiece lens 20. Of course For example, the film 16 can also be observed by viewing the other side of the film.

Innerhalb eines Reflektors 36 kann ferner eine Beleuchtungsvorrichtung, wie beispielsweise eine Glühlampe 34, angeordnet sein, die an eine Stromquelle 38 über einen Schalter 40 angeschlossen werden kann. Diese Beleuchtungsvorrichtung kann dazu dienen, den thermochromen Film 16 zur Betrachtung des dort vorhandenen Bildes zu erleuchten.A lighting device, such as, for example, an incandescent lamp 34, which are connected to a power source 38 via a switch 40 can. This lighting device can serve to display the thermochromic film 16 for viewing to illuminate the image there.

In F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das im Prinzip ähnlich dem Ausführungsbeispiel 1 ist. Hier wird jedoch die Änderung des spezifischen Widerstandes des thermochromen Filmes 16 verwendet, um das Steuerelement 28 zu betätigen. Thermochromes Material im allgemeinen, insbesondere auch Vanadiumdioxyd, erfährt eine Änderung des elektrischen spezifischen Widerstandes als Funktion der Temperatur des Materials. Die örtlichen Veränderungen des spezifischen Widerstandes des thermochromen Filmes 16 infolge örtlicher Temperaturerhöhungen an den von thermischer Strahlung beaufschlagten Teilen des Films verursachen Veränderungen des gesamten elektrischen Widerstandes des Filmes, durch den ein elektrischer Strom von einer Stromquelle 42 fließt. Dies wiederum ergibt Spannungsänderungen an einem Widerstand 44, der in Reihe im Stromkreis angeordnet ist. Mit Hilfe eines Verstärkers 32 wird nun das verstärkte Spannungsänderungssignal verwendet, um die Wirkung der Heizelemente 22 und 24 mit Hilfe eines Steuerelementes 28 zu regeln, so daß der thermochrome Film 16 auf dem Schwellwert der Umschlagtemperatur bleibt.In Fig. 2 shows a further exemplary embodiment which, in principle, is similar to the exemplary embodiment 1 is. Here, however, the change in the specific resistance of the thermochromic film 16 used to operate the control element 28. Thermochromic material in general, in particular also vanadium dioxide, experiences a change in the electrical specific resistance as a function the temperature of the material. The local changes in the specific resistance of the thermochromic film 16 as a result of local temperature increases at the acted upon by thermal radiation Parts of the film cause changes in the total electrical resistance of the Film through which an electric current from a power source 42 flows. This in turn results in voltage changes at a resistor 44 which is arranged in series in the circuit. With help of a Amplifier 32 is now used the amplified voltage change signal to the effect of the Heating elements 22 and 24 with the aid of a control element 28 to regulate so that the thermochromic film 16 at the threshold value of the envelope temperature remains.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Radiation detector for visualizing and viewing of infrared rays generated Images on a screen, which has a layer of a dye with a defined color change temperature has with a heating device acting on the screen surface, which adjustable to a preheating temperature just below the color change temperature is, characterized in that the dye consists of vanadium dioxide and the heating device (22, 24) as part of one Closed control loop (16, 22 to 32; 42, 44) is formed, which corresponds to an output variable a transducer emitting an average temperature of the screen surface (16) (30,16) and an actuator (28) for adjusting the heating device (22, 24).

2. Radiation detector according to claim 1, characterized in that a lighting device (34,36) is provided for the screen surface (16).

3. Radiation detector according to claim 1 or 2, characterized in that the transducer a photo cell directed towards the screen surface (16) and responding to its color (30) is.

4. Radiation detector according to claim 1 or 2, characterized in that the transducer the screen surface (16) itself and its electrical resistance can be sensed.