Bild eines Teleskopspiegels auf Sichtfenster von IR-Diode projizieren

[Minifriese]

Moin,

Ich versuche einen Teil eines FLIR-Systems zu bauen. Ein Konkavspiegel mit d=7cm und f=28cm erzeugt ein Bild von z.B. einem bestimmten Himmelsausschnitt in seiner Brennebene. Hier wird das Bild durch eine Art Maske bzw. Blende (field stop) auf einen Durchmesser von 25mm begrenzt. Dieses Bild in der Brennebene will ich jetzt auf die Sensorfläche einer IR-Photodiode fokussieren/projizieren, sodaß die Diode detektiert, ob sich im Sichtfeld des Teleskops eine IR-Quelle von ausreichender Helligkeit befindet oder nicht.

Bei einem normalen Newton-Teleskop würde das vom Spiegel erzeugte Bild durch ein Okular (im einfachsten Fall eine einfache Sammellinse) zur Betrachtung vergrößert. Ich will quasi das Gegenteil machen und das Bild verkleinern, bis es auf die Dioden-Sensorfläche mit d=2,5mm paßt. Das entspricht einer Vergrößerung von 0,1, was mit einigen Sammellinsen machbar ist. Das Problem ist, wenn ich die nötigen Abstände der Linsen ausrechne, komme ich auf relativ große Abstände der Linsen vom Bild und zueinander. Ich denke, daß dadurch viel Licht verloren geht und das ganze Teil noch unempfindlicher als ohnehin schon werden wird. Außerdem wäre das Linsensystem fast so lang wie das Teleskop... Idealerweise würde ich die erste Linse direkt hinter die Maske/Blende setzen.

Gibt es eine Linsenkombination, mit der man auf möglichst geringer Strecke und mit möglichst wenig Lichtverlust eine starke Verkleinerung (Faktor 10) erreicht?

Gruß,
Nils

[HaLa]

Fresnell-Linse?

[Minifriese]

Fresnell-Linse?


Hm, mit der geringeren Abbildungsqualität von Fresel-Linsen könnte ich natürlich leben, mir geht's ja nur darum, möglichst alles Licht vom "Zwischenbild" auf den IR-Sensor zu bekommen. Der Nachteil wäre, daß die (erschwinglichen) Fresnel-Linsen aus Plastik geprägt sind und deutlich weniger lichtdurchlässig sind als Glaslinsen. Falls ich richtig rechne, bräuchte ich z.B. bei Fresnel-Linsen mit f=25 und f=16mm (gäbe es bei ebay) immer noch drei bis vier Linsen, um das Bild auf unter 3mm Durchmesser zu bekommen. Da läppern sich die Verluste schon zusammen.

Ich hatte eher gehofft, daß man durch schlaue Kombination von (Glas-)Linsen den Aufbau "stauchen" kann. So mit Konkav-/Konvexlinsen, ähnlich wie in aufwendigeren Kamera-Objektiven. Machen die nicht ähnliches?

[Moppi]

Eine Diode kann nur Aufschluss über die Gesamthelligkeit des Bildes geben.
Ich kenne Deinen Aufbau nicht. Deshalb werfe ich einfach mal Lochkamera (https://www.leifiphysik.de/optik/lichtausbreitung/grundwissen/lochkamera) in den Raum, da Du bei dem Bild keine Schärfe in bestimmten Bereichen benötigst.
Also nur eine Maske mit einem Loch vor der Diode, evtl. mit etwas Abstand.

MfG

[Minifriese]

Eine Diode kann nur Aufschluss über die Gesamthelligkeit des Bildes geben.
Ich kenne Deinen Aufbau nicht. Deshalb werfe ich einfach mal Lochkamera in den Raum, da Du bei dem Bild keine Schärfe in bestimmten Bereichen benötigst.
Also nur eine Maske mit einem Loch vor der Diode, evtl. mit etwas Abstand.

MfG


Oh, in die Richtung hatte ich noch überhaupt nicht gedacht :-) Für das zweite Bild (auf der Sensorfläche der Diode) brauche ich in der Tat keine Schärfe oder sonstige Bildqualität, da soll nur die Gesamthelligkeit des ersten Bildes (vom Teleskopspiegel) anstehen und als Ganzes per Diode meßbar sein. Aber verliere ich durch eine Lochkamera nicht den größten Teil der vom Teleskop empfangenen (Nah-IR-)Strahlungsleistung? Oder habe ich da jetzt ein falsches Bild im Kopf? Eine Lochmaske zwischen dem ersten Bild und der Diode würde doch das meiste Licht ausblenden, oder?

Der Aufbau ist tatsächlich nur so wie oben beschrieben: Ein Newton-Teleskop minus Okular, dann anstelle des Okulars erst die Maske/Blende in der Spiegel-Brennebene und dann der Teil, der das komplette eingefangene Licht aus dem durch die Maske/Blende bestimmten Sichtfeld auf die Diode bündelt. Letzterer Teil fehlt halt noch. Je nachdem wie empfindlich das ganze Ende ist, kann ich dann anhand des Ausgangssignals der Diode sagen, ob gerade ein Flugzeug oder Heißluftballon durch's Sichtfeld fliegt, oder vielleicht auch nur, ob mir in einer eiskalten Winterlandschaft ein warmer Mensch durchs Bild läuft. Ist bislang eher eine Machbarkeitsstudie. Falls das Teil empfindlich genug wird, evtl mit größerem Spiegel, kommt vielleicht eine mechanische Modulation des ersten Bildes (das vom Teleskopspiegel) dazu, um ein rudimentäres FLIR zu bauen.

[Moppi]

Ich hatte den Link dazu getan, damit Du schauen kannst, welchen Abstand Du bräuchtest, um das gesamte Bild einzufangen. Und da Du keine Schärfe brauchst, kann das Loch auch größer sein, als bspw. 0.1mm - 0.2mm. Dann kommt mehr Licht durch aber das Bild wird unschärfer. Es kommt auf einen Versuch an. Die Bündelung des Lichts auf die Diode, durch eine Linse, brauchst Du dann eigentlich nicht, dafür ist das Loch zuständig. Das Licht wird am Loch gebeugt, tritt hindurch und wird danach wieder gestreut; deswegen muss die Diode dann sehr nah dran, da die ja keine große "Empfangsfläche" für das Licht hat. Wie weit weg, müsstest Du ausrechnen können.

[Minifriese]

Ich hatte den Link dazu getan, damit Du schauen kannst

Ups, sorry, den Link hatte ich gar nicht als solchen erkannt, glatt drübergelesen...

Also um ein Abbild des ersten Bilds (das vom Spiegel) auf die Diode zu bekommen, wäre eine Lochkamera wohl tatsächlich geeignet. Allerdings habe ich in deinem Link das hier:


Jedoch passiert nur ein kleiner Teil dieses Lichtbündels das Loch der Kamera und trägt auf den Schirm, der sich in der Bildweite b (das ist der Abstand vom Loch zum Bild) hinter dem Loch befindet, zur Bildentstehung bei.

und auf Wikipedia das hier gefunden:


Die Lichtstärke realer Lochkameras ist 10- bis 500-mal kleiner als die von fokussierenden Kameras (damit fangen sie nur 1/100sten bis 1/250.000sten Teil des Lichts ein),

Ich glaube das bestätigt meine Vermutung, daß zwar die Bildinformation ziemlich gut zur Diode übertragen würde, aber eben die meiste Strahlungsenergie verloren geht. Das ist in meiner Anwendung wohl das KO-Kriterium für Lochkameras, weil ja gerade die Lichtstärke hier das kritische ist. Ist natürlich schade, weil das mechanisch genial einfach gewesen wäre.

D.h. ich muß mir tatsächlich ein Linsensystem bauen. Und zwar eins, was möglichst dicht hinter dem ersten Bild sitzt. Denn von hier beginnen die zum ersten Bild fokussierten Strahlen ja wieder zu divergieren. Je weiter weg von dieser Stelle ich anfange, die Strahlen ein zweites Mal zu fokussieren (diesmal auf die Diode), desto mehr Licht verliere ich, weil es dann schlicht an den Linsen vorbeischeint. Oder ich mache die erste Linse groß genug, daß sie den kompletten "Lichtkegel" der vom ersten Bild ausgeht, einfängt und zur nächsten Linse hin verengt. Was wiederum eine sehr kleine Brennweite bei dann relativ großer Linse erfordert, was wieder für Fresnel sprechen würde. Womit aus Preisgründen wieder das Problem der geringeren Transmissivität des Kunststoffs (PMMA) gegenüber Glas entsteht. Z.B. 92%, was bei drei oder vier Linsen schon 22 oder 28% Verlust bedeuten würde. Mal schauen, ob ich da vielleicht zumindest für die weiteren Linsen wieder Glas nehmen könnte. Ist dummerweise schon ein Vierteljahrhundert her, daß ich Optik in der Schule hatte :-)

Danke für die Antworten! Schön, daß man hier auch zu obskuren Ideen Hinweise bekommt...

[Moppi]

Ich glaube das bestätigt meine Vermutung, daß zwar die Bildinformation ziemlich gut zur Diode übertragen würde, aber eben die meiste Strahlungsenergie verloren geht.

Probieren geht über Studieren. Kommt drauf an, wie stark die Lichtquelle ist, wie empfindlich der Empfänger und wie gut die Elektronik. Da man auch mit Digitalkameras Bilder nur durch eine Lochblende aufnehmen kann, wäre das auf jeden Fall im Bereich des Möglichen, Helligkeitsunterschiede zu ermitteln.

[uffi]

Wäre es nicht am einfachsten, eine Art Okular-Attrappe mit der IR-Photodiode zu basteln, sodass die IR-Photodiode im Brennpunkt des Hauptspiegels zu liegen kommt? Sobald eine ausreichend helle IR-Quelle gefunden wurde, tauscht man die Okular-Attrappe gegen ein echtes Okular ein und kann beobachten.

[Gerdchen]

Ich würde mal mit einer Kondensorlinse experimentieren.