DE2261466A1

DE2261466A1 - Verfahren und vorrichtung zum abtasten einer szene

Info

Publication number: DE2261466A1
Application number: DE19722261466
Authority: DE
Inventors: Erwin Eugene Cooper
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1971-12-17
Filing date: 1972-12-15
Publication date: 1973-06-20
Also published as: GB1418919A; JPS4870544A; US3786269A

Description

Unser Zeichen; .T 1316

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
13500 North Central Expressway
Dallas. Texas, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten einer Szene

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwendung bei optischen Abtastern und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung · zum optischen Abtasten bei Systemen, die in der bevorzugten Ausführung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Strahlungspektrums arbeiten.

Bekannte optische Abtastanordnungen, dia im Infrarotbereich arbeiten, waren teuer in der Herstellung und sie erforderten einen großen Wartungsaufwand, damit gewährleistet wurde, daß sie mit der nötigen Zuverlässigkeit arbeiteten. Viele dieser Anordnungen waren auch nicht in der Lage, die gesamten FähigKeiten der zur Verfügung stehenden Infrarotdetektoren voll auszuschöpfen. VLeIe dieser Nachteile waren direkt auf die Notwendigkeit zurückzuführen, im optischen Teil dieser Anordnungen rotierende Spiegel zur Durchführung der Abtastung zu verwenden.

Typische, im Infrarbtbereich arbeitende Abtastanordnungen verwendeten einen oder mehrere rotierende Spiegel, die zwischen dem Linsensystem und dem Detektorfeld angeordnet waren, um die Infrarotstrahlung so abzulenken, daß das

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Gesichtsfeld des Detektors zur Abtastung der zu betrachtenden Szene verschoben wurde. Ein gleichartiger Spiegel, der zwischen dem Emitterfeld und den Projektionslinsen angebracht war, lenkte das Ausgangssignal des Emitterfeldes zur Erzeugung eines Bildes der abgetasteten Szene ab. Diese Spiegel brachten eine Vielzahl von Schwierigkeiten mit sich.

Eine dieser Anordnung eigene Schwierigkeit bestand darin, daß die Spiegel zwischen dem Linsensystem und die Detektor- und Emitterfelder eingefügt werden mußten. Die Anwesenheit dieser Spiegel führte zu starken Einschränkungen beim Entwurf des Linsensystems, da stets eine beträchtliche Entfernung zwischen dem Feld und der ersten Linse des ihm zugeordneten Linsensystems vorhanden war. Zusätzliche Schwierigkeiten ergaben sich aus der Tatsache, daß der mit dem Detektorfeld verwendete Drehspiegel bezüglich des beim Emitterfeld verwendeten Drehspiegels ausgerichtet werden mußte.

Die verwendeten Drehspiegel hatten auch zur Folge, daß der vom Linsensystem kommende Strahl der Infrarotenergie so abgelenkt wurde, daß er nicht für einen wesentlichen Teil jedes Rotationszyklus der Spiegel auf das Detektorfeld fiel. Dies führte zu einer Begrenzung des Nutzungsfaktors des Detektorfeldes und zu einer Reduzierung der Gesamtempfindlichkeit der Anordnung. ^

Das Detektorfeld bekannter Anordnungen war typischerweise in einem Vakuum angebracht, und es wurde zur Erzielung brauchbarer Wirkungsgrade gekühlt. Das Vakuum wurde typischerweise mit Hilfe einer mechanischen Vakuumpumpe erzielt, die an die Kammer angeschlossen war, in der sich das Detektorfeld befand. Die Vakuumpumpe wurde kontinuierlich betrieben, wenn die Abtastanordnung in Betrieb war.

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Dieses Verfahren der Aufrechterhaltung eines Vakuums in der Detektorkammer arbeitete entsprechend, doch trug die Vakuumpumpe beträchtlich zur Kompliziertheit der Anordnung bei, und sie führte auch zu beträchtlichen Wartungsproblemen.

Mit Hilfe der Erfindung sollen demnach ein verbessertes Abtastverfahren und eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden. Bei der mit Hilfe der Erfindung zu schaffenden Abtastanordnung, bei der die Abtastung durch Drehen des Detektorfeldes erzielt wird, sind die Emitter-und Detektorfelder synchron zueinander, da sie auf einem gemeinsamen Drehträger angebracht sind. Bei dem mit Hilfe der Erfindung zu schaffenden Abtastsystem werden vereinfachte Abtastverfahren angewendet. Das Infrarotsystem nach der Erfindung besitzt einen hohen Nutzungsfaktor. Bei dem nach der Erfindung ausgebildeten Infrarotabtastsystem wird das Vakuum in der Kammer, in der das Detektorfeld angebracht ist, ohne Verwendung mechanischer Vakuumpumpen aufrechterhalten. Das Linsensystem kann bei dem nach der Erfindung ausgebildeten Infrarotabtastsystem in jedem zweckmässigen Abstand von den Detektor- und Emitterfeldern angebracht werden. Ferner weist das von der Erfindung zu schaffende Infrarotabtastsystem eine niedrige äquivalente Rauschzahl auf. Das mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Abtastverfahren ist auf Infrarotabtastsystems und auf ähnliche Systeme anwendbar. Mit Hilfe der Erfindung wird ein Dewar-Gefäß geschaffen, in dem ohne Verwendung mechanischer Pumpen ein Vakuum.aufrechterhalten wird.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Detektorfeld an einem Ende eines Drehteils befestigt, imd das Emitterfeld ist am anderen Ende des gleichen

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Drehteils befestigt. Die zum Verbinden des Detektorfeldes mit dem Emitterfeld notwendige elektronische Schaltung ist an der Außenfläche des Drehteils angebracht. Das Drehteil enthält auch eine Einrichtung zum Kühlen des Detektorfeldes sowie eine Kälteabschirmung zum Schutz des Detektorfeldes vor unerwünschter Infrarotstrahlung. Das Drehteil ist an jedem Ende in Lagern gelagert, und es wird mit Hilfe eines Antriebsmotors um eine Längsachse gedreht. Das Drehen des Drehteils dreht sowohl die Emitter- und Detektorfelder als auch die gesamte zugehörige Elektronik.

Ein Linsensystem fokussiert Infrarotstrahlung von der zu betrachtenden Szene auf das Detektorfeld. Die das Feld bildenden Detektoren sind in einer im wesentlichen geraden Linie angeordnet, deren Mitte etwa bei der Drehachse liegt. Das Drehen des Drehteils und des Detektorfeldes, das daran befestigt ist, hat zur Folge, daß das Detektorfeld die innerhalb des Gesichtsfeldes des Linsensystems liegende Fläche abtastet .

Auf das Emitterfeld ist eine Fernsehkamera fokussiert. Wenn das Drehteil und das daran befestigte Emitterfeld gedreht werden, gibt das Ausgangssignal der Emitter die von dem Detektorfeld abgetastete Szene wieder. Das Emitterfeld ist aus Elementen zusammengesetzt, deren Zahl gleich der Zahl der Elemente des Detektorfeldes ist, und die Elemente des Emitter- und des Detektorfeldes sind "jeweils an einer einander entsprechenden Stelle angebracht. D.h., daß bei einer Anbringung der Detektoren in einer um die Drehachse zentrierten geraden Linie auch die Emitter in einer um. iie Drehachse zentrierten geraden Linie angeordnet siiid. Die elektronischen Schaltungen

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koppeln die Ausgangssignale -jedes Elements des Detektorfeldes an ein entsprechend angebrachtes Element des Emitterfeldes an. Die Schaltungen sind ao eingestellt, daß das Ausgangssignal jedes Emitters in vorbestimmter Beziehung mit dem Betrag der auf den Detektor fallenden Infrarotstrahlung steht, dem er zugeordnet ist. Das Ausgangssignal der Fernsehkamera ist eine herkömmliche Anzeige, bei der die Intensität jedes Flächenabschnitts in vorbestimmter Beziehung zu der Infrarotstrahlung steht, die vom entsprechenden Flächenabschnitt der vom Detektorfeld abgetasteten Szene ausgestrahlt wird.

In der Anordnung ist auch eine Bezugstemperaturquelle vorhanden.Die Bezugstemperaturquelle wird so gesteuert, daß sie in einem Zustand gehalten wird_s in dem sie der Durchschnittstemperatur der abgetasteten Szene entspricht. Das Gesichtsfeld des Detektors wird periodisch von der Szene, die abgetastet wird, zu der Bezugstemperaturqueile umgeschaltet» Der durchschnittliche Ausgangswert des Detektorfeldes während der Zeit, in der der Detektor auf die Bezugsquelle gerichtet ist, wird mit dem Durchschnittsausgangswert des Detektorfeldes bei Betrachten der abgetasteten Szehe verglichen, damit Signale erzeugt werden, die die Bezugstemperaturquelle so einstellen, daß sie der Durchschnittstemperatur der betrachteten Szene entspricht.

Die Ausgangssignale des Detektorfeldes in der Zeit, in— der die Bezugstemperaturquelle betrachtet wird, werden als Bezugssignale für die Wiedergewinnung des Gleichspannungswerts der das Emitterfeld ansteuernden Signale verwendet.

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Das Detektorfeld ist in einer Kammer angebracht, in der zur Aufrechterhaltung eines Vakuums ein Getter angebracht ist. Diese Eigenschaft macht die Notwendigkeit mechanischer Vakuumpumpen, die bei bekannten Anordnungen verwendet wurden, vollkommen überflüssig. Die Beseitigung der bei bekannten Anordnungen zur Abtastung verwendeten Drehspiegel ermöglicht es, das sowohl den Detektoren als auch den Emittern zugeordnete Linsensystem in irgendeinem passenden Abstand von diesen Feldern anzubringen. Die Beseitigung der Drehspiegel vergrössert auch den Nutzungsfaktor des Detektorfeldes, da die Zeitperioden eliminiert werden, in denen die Drehspiegel so gestellt waren, daß keine Strahlung von der Szene auf die Detektoren traf. Diese Eigenschaften des neuartigen Verfahrens und der neuartigen Anordnung der optischen Abtastung führen zu einer beträchtlichen Verbesserung der Gesamtleistung. Die Empfindlichkeit der Abtastanordnung kann leicht um 20% erhöht werden, wenn dieses Verfahren angewendet wird, während zugleich die Wartungsschwierigkeiten infolge der Beseitigung komplizierter mechanischer Teile wie der Drehspiegel verringert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 eine perspektivische Ansicht des Drehabschnitts der Abtastanordnung,

Fig.2 einen Schnitt durch die Abtastanordnung längs der Drehachse,

Fig.3 einen Schnitt durch die Abtastanordnung längs einer quer zur Drehachse verlaufenden Achse,

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Fig.4 eine Explosionsdarstellung des"Dewar-Gefässes,in dem das Detektorfeld angebracht ist,

Fig.5 eine perspektivische Ansicht des Emitterkopfs, wobei Teile im Schnitt dargestellt sind,

Fig.6 eine Draufsicht auf ein entweder als Detektorfeld oder als Emitterfeld verwendbares Feld,

Fig.6A eine vergrößerte Darstellung einer Gruppe von Dioden,

die entweder das Detektor- oder das Emitterfeld . bilden,

Fig.7 eine perspektische Ansicht des Zerhackerspiegels und der Temperaturbezugsquelle und

Fig.8A und Fig.8B Funktionsblockschaltbilder der Abtastanordnung.

Fig.1 zeigt perspektivisch die Hauptdrehteile der Abtastanordnung, die in der bevorzugten Ausführungsform im Infrarotbereich arbeiten. Dabei ist ein Dewar-Gefäß 10 vorgesehen, in dem ein Feld aus Infrarotdetektoren 11 angebracht ist. Das Feld ausühfrarotdetektoren ist in Fig.1 nicht zuerkennen, doch ist es in Fig.4 dargestellt, und es wird später im einzelnen genauer beschrieben. Das Feld der Infrarotdetektoren 11 ist auf einem Kühlfinger 12 befestigt. Der Kühlfinger wird mit Hilfe eines in einem Stirlingzyklus arbeitenden Kühlaggregats13 auf einer Temperatur von etwa 50⁰K gehalten. Um das Kälteaggregat 13 herum ist ein Wärmeaustauscher 14 angebracht. In der gesamten Anordnung strömt Luft durch den Wärmeaustauscher 14, damit Wärme von dem Kälteaggregat 13 abgeführt wird. Um den Aussen-

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durchmesser des Wärmeaustauschers 14 ist ein Befestigungselement 15 angebracht. Die Innenfläche des Befestigungselements 15 ist kreisförmig ausgeführt, und die Außenflächen 20 sind zur Befestigung der Schaltungsplatten 21 flach ausgebildet. Zum Auswuchten der sich drehenden Bauteile sind an jeder Fläche 20 und um den Halsabschnitt 30 des Dewar-Gefässes 10 Schaltungsplatten befestigt. Zur Vereinfachung der Darstellung ist nur eine Reihe von Schaltungsplatten 21 dargestellt.

An jeder Fläche 20 ist eine Aufnahmeplatte 22 befestigt, an der mehrere Anschlußglieder 23 angebracht sind. Die zweite Hälfte der Anschlußglieder ist an den Schaltungsplatten 21 befestigt, damit diese in die Aufnahmeplatte 22 gesteckt werden können. Auch am oberen Abschnitt jeder der Schaltungsplatten 21 kann ein Anschlußglied befestigt sein. Dieses Anschlußglied ist nur an ausgewählten Schaltungsplatten angebracht. Die Verwendung dieses Anschlußglieds 32 wird nachfolgend erläutert. Am Ende der Aufnahmeplatte 22 ist ein Ausgangskabel befestigt, das mit einem Leuchtdiodenfeld 26 in Verbindung steht. Das Leuchtdiodenfeld 26 enthält für jedes Element des Infrarotdetektorfeldes 11 eine Diode. Die Einzelheiten des Leuchtdiodenfeldes 26 werden später noch genauer erläutert.

Längs des Halsabschnitts des Dewar-Gefässes 10 sind Aufnahmeplatten 37 angebracht, die über ein Kabel 38 mit dem Infrarotdetektorfeld 11 verbunden sind. Für jede Schaltungsplattenreihe ist ein eigenes Kabel 38 vorgesehen. Die längs des Halsabschnitts 30 des Dewar-Gefässes 1o angebrachten Schaltungsplatten 21

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sind mit den um den Wärmeaustauscher 14 angebrachten Schaltungsplatten mit Hilfe eines Kabels 31 verbunden. Das Kabel 31 ist am oberen Abschnitt der Schaltungsplatten 21 unter Verwendung des Anschlußgliedes 32 befestigt, das am oberen Abschnitt der jeweiligen Schaltungsplatte 21 angebracht ist. Die genaue Funktion der Schaltungsplatten 21 wird später noch beschrieben. Weitere ähnliche Schaltungsplatten und Stromversorgungsanordnungen zum Betrieb der Elektronik sind auf die anderen flachen Flächen 20 des Befestigungselements 15 verteilt, so daß der rotierende Aufbau um eine durch die Mitte des Leuchtdiodenfeldes 26 und des Infrarotdetektorfeldes 11 führende Achse dynamisch ausgewuchtet wird.

Die Schaltungsplatten 21 müssen mit (nicht dargestellten) Halterungen versehen sein, damit sich die Anschlußglieder 23 und 32 nicht trennen, wenn die Anordnung um die Achs« gedreht wird.

Das Infrarotdetektorfeld 11 wird durch Einschalten des Kühlaggregats 13 gekühlt. Vor dem Infrarotdetektorfeld ist ein (nicht dargestelltes ) Linsensystem angebracht, damit die Infrarotenergie auf das Feld fokussiert wird, und die Anordnung wird um die horizontale Achse 34 gedreht, damit das Infrarotdetektorfeld 11 die Szene abtasten kann. Die auf den Schaltungsplatten 21 angebrachte elektronische Schaltung ist so eingestellt, daß das Ausgangssignal jedes Elements des Leuchtdiodenfeldes 26 eine vorbestimmte Beziehung zu der Infrarotstrahlung aufweist, die auf das jeweils entsprechende Element des Infrarotdetektorfeldes 11 fällt. Dies ermöglicht die Abtastung der zu betrachtenden Szene durch Drehen der Gesamtanordnung um die Achse 34,wogegen bei bekannten Systemen zwischen dem Linsensystem und dem '

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Infrarotdetektorfeld sowie zwischen dem Emitterfeld 26 und dem Schirm oder der (nicht dargestellten) Fernsehkamera, auf die das Ausgangssignal des Emitterfeldes zur Wiedergabe der Szene projiziert wurde, Abtastspiegel erforderlich waren.

Aus Fig.2, in der ein Schnitt durch die Abtastanordnung längs der Drehachse 34 dargestellt ist, ist zu erkennen, daß das Dewar-Gefäß 10 mit einem Ende des Kühlaggregats verbunden ist. Der Emitterkopf 35 ist über das Befestigungselement 15 mit dem Kühlaggregat 13 verbunden. Die Schaltungsplatten 21 sind rund um das Kühlaggregat 13 am Befestigungselement 15 befestigt. In dieser Figur sind Stirnansichten typischer Schaltungsplatten zu erkennen. Auch eine der Stromversorgungsanordnungen 40 ist in dieser Darstellung symbolisch angegeben. Die Ansicht erfolgt längs der Schnittlinie 2-2 von Fig.3.

Auf das in dieser Figur(nicht dargestellte )Leuchtdiodenfeld 26 ist über Prismen 42, 43 und 44 eine Fernsehkamera 41 fokussiert, damit ein Fernsehbild der von dem Infrarotdetektorfeld 11 abgetasteten Szene erzeugt wird. Die Fernsehkamera 41 ist im wesentlichen parallel zur Achse angebracht. Das Bild wird durch das erste Prisma 42 um 90° abgelenkt, durch das rotierende Prisma 43 übertragen und dann vom Prisma 44 um weitere 90° abgelenkt, damit es auf die Fernsehkamera 41 fällt. Das Prisma 43 ist so ausgelegt, daß das Bild der Szene, wie es die Fernsehkamera sieht, durch Drehen dieses Prismas gedreht werden kann. Damit wird eine einfache Einrichtung geschaffen, mit der das Fernsehbild auf das für das Infrarotdetektorfeld 11 zu'sehende Bild ausgerichtet werden kann.

Die aus dem Kühlaggregat 13 , den Schaltungjsplatten 21, dem Dewar-Gefäß 10 , dem Emitterkopf 35 und den Stromversorgungsanordnungen 40 bestehende Drehanordnung ist

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in zwei Lagern 45 und 50 gelagert. ZiM Drehen dieser Anordnung wird ein speziell ausgelegter Elektromotor verwendet. Der Rotor 51 dieses Motors ist an der Drehanordnung befestigt, während der Stator.52 am Gehäuse der Abtastanordnung befestigt ist. Zum Ankoppeln von elektrischer Energie und von Steuersignalen an die Abtastanordnung werden mehrere Schleifringe 54 verwendet. Eine Leuchtdiode 55 und ein Lichtdetektor 60 sind an entgegengesetzten Seiten eines dünnen Metallrings 61 befestigt, der mit' der Drehanordnung verbunden ist. In dem Metallring 61 sind in ausgewählter Weise öffnungen angebracht, so daß der Lichtdetektor 60 periodisch Signale erzeugt, die in einer bestimmten Beziehung mit der Geschwindigkeit stehen, mit der sich der Elektromotor dreht. Die Ausgangsimpulse des Lichtdetektors 60 werden zur Erzeugung von Synchronisierungsimpulsen verwendet, mit denen die Fernsehkamera 41 mit der Drehung des Leuchtdiodenfeldes 26 synchronisiert wird. In dieser Ansicht ist auch ein Gebläse 62 dargestellt. Dieses Gebläse läßt Luft durch den Wärmeaustauscher 14 zirkulieren, damit Wärme von dem Kühlaggregat 13 und rund um die Außenkanten der Drehanordnung abgeführt wird und die Schaltungsplatten 21 sowie die Stromversorgungsanordnungen 40- gekühlt werden..

Fig.3 zeigt die Abtastanordnung im Schnitt längs der Linie 3-3 von Fig.2. In dieser Figur sind zwei Stromversorungsanordnungen 40 dargestellt, die auf beiden Seiten der Drehachse angeordnet sind. Die zwei Stromversorgungsanordnungen 40 werden auf beiden Seiten der Drehachse angeordnet, damit zur dynamischen Auswuchtung der Drehanordnung beigetragen wird. Die Nachverstärker und die Vorverstärker, die von den Schaltungsplatten 21 gebildet werden, sind in gleicher Weise auf beiden Seiten der Drehachse angebracht. Die Funktion dieser

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Vor- und Nachverstärker wird unten noch genauer beschrieben.

Die dynamische Auswuchtung ist besonders wichtig, da sich die hier beschriebene Anordnung in einer Ausführungsform mit 1800 Umdrehungen pro Minute dreht. Falls eine richtige dynamische Auswuchtung durch symmetrisches Anbringen gleichartiger Schaltungsplatten 21 und der Stromversorgungsanordnungen 40 in Bezug auf die Drehachse 34 nicht erreicht wird, können Auswuchtgewichte verwendet werden. Die Drehanordnung ist in einem kreisförmigen Gehäuse 53 angebracht, und die Gesamtanordnung befindet eich exzentrisch innerhalb eines Aussengehäuses 63. Dadurch entsteht zwischen dem kreisförmigen Gehäuse 53 und dem Aussengehäuse 63 ein Raum für die Gebläse 62 und die Fernsehkamera 41.

Fig.4 zeigt in einer Explosionsdarstellung in teilweise weggebrochenen Teilen die Einzelheiten des Dewar-Gefässes. Das Dewar-Gefäß ist mit einem unteren Vakuummantel 64 versehen. Dieser Mantel ist etwa-trichterförmig ausgebildet, und er enthält einen flachen oberen Lippenabschnitt sowie einen Halsabschnitt, der sich zum Kühlaggregat 13 erstreckt und dort befestigt ist (Fig.1). Der Vakuummantel 64 könnte auch zylindrisch ausgeführt sein; die genaue Form ergibt sich aus Zweckmässigkeitsgründen. Durch den Halsabschnitt des Vakuummantels erstreckt sich ein Kühlfinger 12, auf dem das Infrarotdetektorfeld 11 befestigt ist. Ein Träger 65 isoliert das Infrarotdetektorfeld 11 elektrisch vom Kühlfinger Unmittelbar über dem Vakuummantel 64 ist ein unterer Dichtungsring 66 angebracht. Der Dichtungsring 66 ist sowohl am oberen als auch am unteren Rand mit Ansatz-

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flächen versehen. Die untere Ansatzfläche ist am Lippenabschnitt des Vakuummantels 64 mittels einer Hartlötung oder auf sonstige Weise befestigt.

Unmittelbar über dem Dichtungsring 66 ist ein Durchführungsträger 70 angebracht. Dieser Träger ist ein elektrischer Isolator, beispielsweise aus Keramik, und er ist längs seines Aussenumfangs mit einer Reihe von Anschlußklemmen 71 versehen. Die Zahl der am Aussenumfang des DurchfUhrungsträgers70 angebrachten Anschlußklemmen wird von der. Zahl der Elemente des Infrarotdetektorfeldes 11 bestimmt. Eine zweite Reihe von Anschlußklemmen 72 ist längs des Innenumfangs des Durchführungsträgers 70 angebracht, wobei die Klemmen 72 und 71 miteinander verbunden sind. Die . Leitungen, die die äußeren Anschlußklemmen 71 und die inneren Anschlußklemmen 72 miteinander verbinden, sind mit einer dünnen Schicht aus Isoliermaterial, beispielsweise Keramik, überzogen, und ein oberer Dichtungsring 73 kann düurch mitdem Durchführungsträger 70 verbunden sein, daß auf dem Durchführungsträger 70 eine .beispielsweise aus Gold bestehende dünne Schicht gebildet und der obere Dichtungsring 73 hartverlötet wird. Der untere Dichtungsring 66 ist in gleicher Weise mit der anderen Seite des Durchführungsträgers 70 verbunden.

Am Kühlfinger 12 ist ein Linsenhalterun^ing 74 dadurch angebracht, daß er auf kleine zapfenförmige Abschnitte des Kühlfingers 12 gesetzt wird, die sich durch in ihm angebrachte Löcher erstrecken und daß .er mit Hilfe von Aufdrückmuttern 80 in seiner Lage gehalten wird. Als nächstes wird eine Linse 81 in den Linsenhalterungsring 74 gelegt und darin in geeigneter Weise befestigt. Auf der Oberseite des Linsenhalterungsrings 74 ist eine Kälteabschirmung 83 angebracht, die mit einer länglichen

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Öffnung versehen ist, damit das Gesichtsfeld des Infrarotdetektorfeldes 11 auf den gewünschten Winkel begrenzt wird. Unmittelbar unter der Kälteabschirmung 83 ist ein daran befestigtes Kälteabschirmblech 82 befestigt. Die Kälteabschirmung 83 und das Kälteabschirmblech 82 stehen in gutem thermischem Kontakt mit dem Kühlfinger 12, und sie wirken als eine Abschirmung, die eine unerwünschte Infrarotstrahlung daran hindert, auf das Infrarotdetektorfeld 11 zu treffen. Auch im Kälteabschirmungsblech 82 ist eine längliche Öffnung angebracht, damit das Gesichtsfeld des Infrarotdetektorfeldes 11 auf den gewünschten Winkel begrenzt wird.

Unmittelbar über dem oberen Dichtungsring 73 befindet sich ein oberer Vakuummantel 86. Der obere Vakuummantel ist mit einer kreisförmigen öffnung versehen, in der sich ein Fenster 84 befindet. Das Fenster 84 besteht aus einem Material, das im Infrarotbereich des elektromagnetischen Strahlungsspektrums gute Durchlaßeigenschaften aufweist. Das Fenster 84 besteht beispielsweise aus Itran-2. Itran-2 ist ein gepreßtes, gesintertes Zinksulfid , das von der Eastman Kodak Company, Rochester, N.Y. geliefert wird. Der obere Vakuummantel 86 ist an den oberen Dichtungsring 73,beispielsweise durch Hartlöten, befestigt.

Am Aussenumfang des oberen Vakuummantels 86 sind mehrere Vakuumgetterpumpen 85 angebracht. Die Funktion dieser Pumpen besteht darin, zur Aufrechterhaltung eines Vakuums Gasmoleküle zu absorbieren, die sich innerhalb des Dewar-Gefässes befinden. Eine für diesen Zweck geeignete Vakuumgetterpumpe wird von der Firma SOCOETA APPARECfiHI ELETTRICIE SCIENTIFICS hergestellt und vertrieben.

In dem Dewar-Gefäß 10 muß ein Vakuum aufrechterhalten werden, damit gewährleistet wird, daß das Kühlaggregat 10 das Infrarotdetektorfeld 11 und die anderen Teile des

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Dewar-Gefässes auf einer ausreichend niedrigen Temperatur halten kann, damit das Infrarotdetektorfeld 11 mit einem annehmbaren Wirkungsgrad arbeitet. Die Vakuumgetterpumpen 85 stellen eine beträchtliche Verbesserung gegenüber mechanischen Vakuumpumpen dar, die bisher verwendet wurden, da sie zum Anschliessen des Dewar-Gefäßes an die Vakuumpumpe keine komplizierten Hochvakuumleitungen erfordern. Die bisher verwendeten mechanischen Vakuumpumpen ergaben auch beträchtliche Wartungsprobleme. Auch sind bisherige Vakuumsysteme für die hier beschriebene Anordnung nicht brauchbar, da das Dewar-Gefäß 10 gedreht werden muß.

Mehrere Flachkabel 38 enden am Aussenumfang des Durchführungsträgers 70, und sie stellen die Verbindung zu den Anschlußklemmen 71 her. Dies ist eine zweckmässige Anordnung zum Verbinden des Infrarotdetektorfeldes 11 mit den auf den Schaltungsplatten 21 angebrachten elektronischen Schaltungen.

In Fig.5 sind Einzelheiten des Emitterkopfs 35 dargestellt. Der Emitterkopf 35 1st mit einem Befestigungsring 90 versehen. Am Befestigungsring 90 ist ein isolierender Träger 91 angebracht. Das Leuchtdiodenfeld 26 ist auf dem Träger 91 befestigt, und zwischen jeder der Leuchtdioden und einzelnen Durchführungen 92 ist eine Verbindungsleitung angebracht. Am Trägerring 90 ist ein Fensterhaltering 93 befestigt. Im Fensterhaltering 93 ist ein Fenster 94 angebracht, das die Betrachtung des Leuchtdiodenfeldes 26 gestattet.

Fig.6 zeigt eine Draufsicht auf das Leuchtdiodenfeld. Die Grundausführung des Feldes eignet sich für die Verwendung für das Infrarotdetektorfeld 11 oder für das

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Leuchtdiodenfeld 26, wobei der grundlegende Unterschied zwischen den Leuchtdioden und den infrarotdetektoren im Halbleitermaterial und in dem zur Bildung der Dioden verwendeten Dotierungsmittel besteht. Auf alle Fälle sollte die Zahl der Dioden im Infrarotdetektorfeld 11 und die Zahl der Dioden im Leuchtdiodenfeld 26 einander entsprechen. Im Fall des Detektorfeldes können die Dioden durch Eindiffundieren von Störstoffen in einen Quecksilber-Cadmium-Tellur-Halbleiter hergestellt werden. Beim Leuchtdiodenfeld können die Dioden durch selektives Dotieren von Galliumarsenid hergestellt werden. Allgemein ist das Leuchtdiodenfeld mit größeren Dioden aid das Detektorfeld ausgestattet. Dies ist jedoch kein notwendiges Merkmal der hier beschriebenen Anordnung. Es sei bemerkt, daß die Größe der Dioden des Infrarotdetektorfeldes die Auflösung der Abtastanordnungen bestimmt und die Gesamtgröße der Anordnungen beeinflußt. Das Feld sollte demnach soviele Elemente wie möglich enthalten,und Jede Diode sollte so klein sein, wie es derzeit praktisch durchführbar ist.

Fig.6A zeigt eine größere Einzelansicht einer der Diodengruppen, aus denen das in Fig.6 dargestellte Feld besteht. Jede dieser Diodengruppen enthält einen gemeinsamen Anodenanschluß 95 und einen getrennten Katodenanschluß 100 für jede D^.ode des Feldes. Die zwischen dem Katodenanschluß 95 und dem Anodenanschluß 100 angegebene Fläche 101 bildet die aktiven Zonen der das Feld bildenden Dioden.

Wie oben bereits erwähnt wurde, können das Detektorfeld und das Leuchtdiodenfeld gleichartig angeordnet sein. Die zur Bildung der aktiven Zonen verwendeten Halbleitermaterialien sind gewöhnlich jedoch unterschiedlich.

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Unter Bezugnahme auf Fig.7 wird nun die Funktionsweise des Lichtzerhackers erklärt. Die Funktion des Licht zerhackers besteht darin, daß Gesichtsfeld des Infrarotdetektorfeldes 11 derart abzulenken, daß dieses Detektorfeld Strahlungen von einer Bezugstempe raturquelle 106 empfängt. Die Bezugstemperaturquelle 106 wird auf einer solchen Temperatur gehalten, daß sie eine Infrarotstrahlung aussendet, die gleich der vom Hintergrund der Szene bei der Betrachtung durch das Infrarotdetektorfeld abgestrahlten Infrarotstrahlung ist.

Der Zerhacker enthält einen Spiegel 102, der mit Hilfe einer Welle 104 an einem Zahnrad 103 befestigt ist. Ein nicht angetriebenes Zahnrad 105 verbindet das Zahnrad 103 mit dem Drehabschnitt der Abtastanordnung. Dadurch wird der Spiegel 102 während jedes Drehzyklus des Infrarotdetektorfeldes 11 für eine sehr kurze Zeitdauer in eine solche Lage gebracht, daß das Gesichtsfeld des Infrarotdetektorfeldes 11 umgelenkt wird, so daß das Detektorfeld Strahlung von der Bezugstemperaturquelle empfängt. Dadurch entsteht ein während des Gleichspahnuhgswiedergewinnungszyklus zu verwendendes Gleichspannungssignal. Dies wird später genauer erläutert.

Das nicht angetriebene Zahnrad 105 wird dazu verwendet, das Zahnrad 103 des Drehabschnitts der Abtastanordnung anzukoppeln, damit gewährleistet wird, daß sich der Spiegel 104 in der gleichen Richtung wie das Infrarotdetektorfeld 11 dreht. Dadurch entsteht eine geringere Verzerrung der letzlich erzielten Darstellung als die Verzerrung, die auftreten würde, wenn sich der Spiegel und das Infrarotdetektorfeld entgegengesetzt drehen würden.

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Die Bezugstemperaturquelle 106 ist typischerweise ein an einem thermoelektrischen Kühlelement befestigter Wärmeableitkörper. Das im einzelnen nicht gezeigte KUhlelement ist ein thermoelektrisches Kühlelement, das den Wärmeableitkörper kühlt, wenn es vom Strom in der einen Richtung durchflossen wird, während es den Wärmeableitkörper erhitzt, wenn die Stromrichtung umgekehrt wird. Dadurch kann die Bezugstemperaturquelle 106 entweder gekühlt oder erwärmt werden, damit sie auf einer der Durchschnittstemperatur der von der Abtastanordnung betrachteten Szene entsprechenden Temperatur gehalten wird.

Die Figuren 8A und 8B zeigen ein FunktionsblockschalVbild der gesamten Abtastanordnung. Die Infrarotstrahlung der betrachteten Szene gelangt.durch ein symbolisch dargestelltens Linsensystem in die Abtastanordnung. Das Linsensystem 110 enthält auch eine automatische Fokussiervorrichtung 111. Diese automatische Fokussiervorrichtung bewirkt eine Nachfokussierung des Linsensystems 110 zur Kompensation von Temperaturänderungen. DieseEigenschaft bewirkt eine beträchtliche Verbesserung der Leistung der Abtastanordnung im Bereich der im Betrieb auftretenden Umgebungstemperaturen. Unter Anwendung dieses Verfahrens kann eine genaue Fokussierung in ehern Temperaturbereich von -1° bis 54⁰C (30° bis 130° F) erreicht werden.

Ein Detektorfeld 112 ist in Blockform symbolisch dargestellt. Im Betrieb empfängt das Detektorfeld 112 Vorspannungssignale zum Vorspannen jeder der das Detektorfeld 112 bildenden Dioden aus einer Vorverstärkerschaltung 113» und es erzeugt in Abhängigkeit von der auf jeder der einzelnen, das Feld bildenden Dioden, fallenden Infrarotstrahlung ein Videosignal. Die Videosignale werden

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im Vorverstärker 113 verstärkt. Das Kühlaggregat 114 wird von einem Kühlungssteuersystem 115 gesteuert. Das Kühlaggregat 114 ermöglicht sowohl einen Kühl - als auch einen Erwärmungszyklus, damit die Temperatur des Infrarotdetektorfeldes 11 zum Konstanthalten der Temperatur entweder erhöht oder erniedrigt werden kann. Der Kühlfinger und das Infrarotdetektorfeld 112 sind , wie oben erörtert wurde,in einem Vakuum untergebracht, damit eine , Anordnung entsteht , in der der Wärmewiderstand zwischen den Elementen und der Umgebung sehr hoch ist. Dies ermöglicht eine wirksame Kühlung des Infrarotdetektorfeldes 112 , jedoch ergibt sich infolge der für eine Erhöhung der Temperatur benötigte Zeit ein Steuerungsproblem, wenn die Temperatur von dem Kühlaggregat 114 zu sehr erniedrigt werden sollte. Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten ist das Kühlaggregat 114 mit einer Heizvorrichtung ausgestattet. Das Kühlungssteuersystem 115 wählt nach Bedarf die Kühl- oder Erwärmungszyklen so, daß die Temperatur des Detektorfeldes 112 relativ konstant auf einem vorgewählten Wer"c gehalten wird.

Das Videoausgangssignal des Vorverstärkers 114 wird an einem Nachverstärker 120 angelegt. Der Nachverstärker 120 enthält alle für die Gleichspannungswiefe^wnnuTg des Videosignals notwendigen Schaltungen sowie einen Impulsdauermodulator zur Erzeugung eines impulsdauermodulierten Videosignals an seinem Ausgang. Der· Nachverstärker 120 wird von einem Steuertreiber 121 gesteuert. Der Steuertreiber 121 erhält von der Steuerplatte der Anordnung Verstärkungs-, Pegel- und Emphasissignale sowie Gleichspannungswiederherstellungssignale vom Lichtzerhaoker 122.

Die Ausgangssignale der Dioden des Infrarotdetektorfeldes 112 sind sich ändernde Gleichspannungen. Die Durchschnittsgleichspannungsanteile dieser Signale werden

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von der Infrarotstrahlung des Hintergrundes der abgetasteten Szene bestimmt. Die sich ändernden Komponenten entstehen infolge von Abtastpunkten, die eine über oder unter der vom Hintergrund abgestrahlten Strahlung liegende Infrarotstrahlung abgeben. Die sich ändernden Anteile dieser Signale haben verhältnismäßig niedrige Amplituden, so daß sie bei Verwendung direkt gekoppelter Verstärker nicht verstärkt werden können. Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß jedes dieser Signale in einem wechselstromgekoppelten Vorverstärker 113 verstärkt wird,und daß die Gleichspannungskomponente des verstärkten Signals wiedergewonnen wird, damit sichergestellt wird, daß es den richtigen Durchschnittswert hat.

Die Wiedergewinnung der Gleichspannungskomponente wird dadurch erzielt, daß das Gesichtsfeld der Abtastanordnung periodisch derart abgelenkt wird, daß das Infrarotdetektorfeld 112 Strahlung von einer Bezugstemperaturquelle 133 empfängt. Während dieser Zeit wird der Ausgang des WechselSpannungsverstärkers auf einer Bezugsspannung festgeklemmt, wobei Masse eine geeignete Bezugsspannungsquelle darstellt. Dadurch entsteht am Ausgang Jedes der Wechselspannungsverstärker eine durchschnittliche Ausgangsspannung mit dem Wert Null.

Die Ausgangssignale aller Dioden des Infrarotdetektorfeldes 112 werden über die Abtastzeit der Szene und über die Betrachtungszeit der Bezugstemperaturquelle gemittelt. Die zwei sich dabei ergebenden Meßwerte werden miteinander verglichen, und die Temperatur der Bezugstemperaturquelle 133 wird verstellt, bis diese zwei Meßwerte gleich sind. Dies verhindert eine Sättigung der Wechselspannungsverstärker infolge von Differenzsignalen, die vom Lichtzerhacker 122 erzeugt würden, wenn

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das Gesichtsfeld von der abgetasteten Szene zur Bezugstemperaturquelle 133 und umgekehrt umgeschaltet würde, wenn zwischen dem Hintergrund der Szene und der Bezugstemperaturquelle 133 eine große Differenz vorhanden wäre.

Das impulsdauermodulierte Videosignal aus dem Nachverstärker 120 wird in eine Treiber - und Normalieierungsschaltung 123 eingegeben. Diese Schaltung' erzeugt die Treiber-Stromsignale für das Emitterfeld 124. Die ,Treiber - und Normalisierungsschaltung 123 enthält für jedes Element des- Emitterfeldes 124 eine Steueranordnung zur Steuerung des Gleichstromwerts, damit das zu jedem Element des Emitterfeldes 124 geführte Signal zur Erzielung eines gleichmässigen Hintergrundes eingestellt werden kann. Die Vorverstärkerschaltung 113 enthält auch eine Verstärkungssteueranordnung für jedes Element des Detektorfeldes 112, die eine Amplitudeneinstellung dieaer Signale gestattet, damit eine Anzeige entsteht, in der das Ausgangssignal jedes Elements des Emitterfeldes 124 der Intensität der auf das entsprechende Element des Detektorfeldes 112 fallenden Infrarotstrahlung proportional ist. Der Steuertreiber 121 empfängt von der Steuerplatte der Abtastanordnung Verstärkungs-, Pegel- und Emphasissignale, wie oben bereits erläutert wurde. Die Verstärkungs- und Pegelsteuersignale ermöglichen es der Bedienungsperson, den Hintergrundwert und den Kontrast der Anzeige einzustellen, während die Bedienungsperson mit Hilfe der Emphasissteuersignale den Anzeigewert für Abtastpunkte mit niedrigem Wert in Bezug auf Abtastpunkte mit hohem Wert einstellen kann, so daß auf Wunsch entweder die Abtastwerte mit hohem oder mit niedrigem Wert in Bezug aufeinander hervorgehoben werden können.

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Auf das Emitterfeld 124 wird eine Fernsehkamera 130
fokussiert, damit ein Videosignalgemisch erzeugt wird. Ein Synchronisierungssignalgenerator 131 empfängt
Synchronisierungsimpulse vom Antriebsmotor, und er
erzeugt Synchronisierungssignale für die Fernsehkamera 130. Der Synchronisierungssignalgenerator 131 empfängt von (nicht dargestellten) Motorantriebsschaltungen Drehzahlbegrenzungssignale, damit die vom Motor stammenden Synchronisierungsimpulse hinsichtlich ihrer Wirkung
übersteuert werden, wenn diese Signale um einen Betrag vom Normalwert abweichen, der so groß ist, daß die Fernsehkamera 130 nicht mehr richtig synchronisiert werden kann.

Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

Verfahren zum Abtasten einer Szene, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger zur Abtastung der Szene gedreht wird, auf dem ein Feld von Strahlungsdetektoren und ein Feld von Strahlungsemittern angebracht sind, so daß die Detektoren in Abhängigkeit von der von der Szene ausgesendeten Strahlung elektrische Signale erzeugen, und daß die elektrischen Signale zur Erzeugung von Ausgangssignalen, die mit der abgetasteten Szene in Beziehung stehen, zu den Strahlungsemittern zurückgeführt werden.

<. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die von der Szene ausgehende Strahlungsenergie auf das rotierende Feld von Strahlungsdetektoren fokussiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der Szene ausgehende Strahlung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums festgestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signale von den Detektoren über getrennte Kanäle zu jeweils einem der Strahlungsemitter geleitet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale zur Erzeugung eines . ildes der abgetasteten Szene verwendet werden.

6. Abtastanordnung zum Abtasten einer Szene zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Drehteil und wenigstens einen mit dem Drehteil verbundenen Strahlungsenergiedetektor zum Abtasten

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und Feststellen der von der Szene ausgehenden Strahlungsenergie.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein Halbleiterdetektor ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Drehteil ein Feld von Strahlungsdetektoren zur Feststellung elektromagnetischer Strahlung zum Abtasten der Szene und zum Erzeugen von elektrischen Signalen in Abhängigkeit \on der von der Szene ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung verbunden ist und daß mit dem Drehteil ein Feld aus Emittern verbunden ist, die in Abhängigkeit von den elektrischen Signalen ein Bild der Szene anzeigende Ausgangssignale erzeugen.

^l3. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch elektronische Signalübertragungseinrichtungen, die an dem Drehteil befestigt sind und die Detektoren mit den Emittern verbinden.

0. Anordnung nach Anspruch 9_t dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Emitter gleich der Zahl der Detektoren ist und daß für jedes Paar der Emitter und Detektoren in den Signalübertragungseinrichtungen ein eigener Kanal vorgesehen ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Szene und die Detektorelemente ein optisches System zum Fokussieren der Strahlung auf die Detektoren eingefügt ist.

Ί2. Anordnung nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet,daß das optische System ein Linsensystem enthält.

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13. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter und die Detektoren HaIbleiteremitter und Halbleiterdetektoren sind.

14. Anordnung nach Anspruch 13,dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter und Detektoren jeweils mehrere Halbleiterdioden enthalten, die in einem vorbestimmten Muster angeordnet sind.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren für Strahlung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums empfindlich sind. ...

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter Lichtemitter sind, deren Emissionsspektrum im .sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegt.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, gekennzeichnet durch eine auf das Feld der Emitter fokussierte Abtastkamera zur Erzeugung eines Videosignals in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch

gekennzeichnet, daß das Detektorfeld in einem Dewargefäß mit einem ersten Träger für die Detektoren befestigt ist, daß eine Außenvorrichtung vorgesehen ist, durch die sich mehrere, gegeneinander isolierte Leiter erstrecken, daß eine für elektromagnetische Strahlung durchlässige Frontplatte vorgesehen ist, die zusammen mit der Außenanordnung und dem Träger ein im wesentlichen vakuumdichtes Dewar-Gefäß bildet, und daß in dem Dewar-Gefäß Getter« Vakuumpumpen zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen gasatom- oder gasmolekülfreien Zustand©® innerhalb' des Gefässes vorgesehen sind.

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19. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 17tdadurch gekennzeichnet, daß das Detektorfeld in einem Dewar-Gefäß mit einem ersten Körperabschnitt befestigt ist, der im wesentlichen zylindrisch aufgebaut ist und Wände aufweist, die ausreichend steif sind, um ihre Form beizubehalten und im Gefäßinneren ein Vakuum aufrecht zu erhalten, daß an der Außenkante eines dünnen, ringförmigen , elektrisch isolierenden Glieds eine erste Gruppe von Anschlußklemmen angebracht ist, daß längs der Innenkante dieses Glieds eine zweite Gruppe von Anschlußklemmen angebracht ist, die über elektrische Leiter wahlweise die erste und zweite Gruppe von Anschlußklemmen miteinander verbindet,daß ein zweiter, napfförmiger Körperabschnitt vorgesehen ist, der eine im wesentlichen zylindrische Seitenwand und einen im wesentlichen flachen Bodenteil aufweist und ausreichend starr ist, um in dem Dewar-Gefäß ein Vakuum aufrecht zu erhalten, daß in dem Bodenteil ein für elektromagnetische Strahlung durchlässiger Abschnitt angebracht ist, daß in den Wänden des zweiten Körperabschnitts Vakuumgetterpumpen angebracht sind, daß die ersten und zweiten Körperabschnitte mit ersten und zweiten Seiten des ringförmigen Gliede zur Bildung eines Dewar-Gefässes verbunden sind, in dem mit Hilfe der Vakuum-Getterpumpen ein Vakuum aufrechterhalten werden kann, so daß für die darin angebrachten Strahlungsdetektoren eine Schutzhülle entsteht.

20. Anordnung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsdetektoren in dem Dewar-Gefäß auf einem Kühlfinger befestigt sind, der aus einer konzentrisch innerhalb des ersten Abschnitts angebrachten Stange und einem im wesentlichen flachen Stirnabschnitt besteht, auf dem die Strahlungsdetektoren befestigt sind.

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