DE10012536A1 - Device for measuring the intensity of a light beam - Google Patents
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Abstract
Die Vorrichtung erfordert zum Messen der Intensität eines Lichtstrahls keine exakte Ausrichtung. Sie umfaßt ein lichtaufnehmendes Fenster (18), eine Einrichtung (18, 44, 48, 54, 60, 66, 68, 74, 76) zum Streuen und Abschwächen des auf das Fenster fallenden Lichts und einen Detektor (50) zum Erfassen der Intensität des gestreuten Lichts. Zwischen dem lichtaufnehmenden Fenster (18) und dem Detektor (50) ist eine optisch nichtgleichförmig streuende oder abschwächende Einrichtung (44) vorgesehen, deren Streueigenschaften sich von der Mitte zum Rand hin ändern, wobei die nichtgleichförmig streuende oder abschwächende Einrichtung (44) dazu dient, die Empfindlichkeit des Wertes der erfaßten Lichtintensität auf (a) die Position im Fenster, an der der Lichtfleck ausgebildet wird, (b) den Einfallswinkel des Strahles auf das Fenster oder (c) sowohl die Position im Fenster als auch den Einfallswinkel zu verringern. Zusätzlich kann ein Abschwächerelement (48) vorgesehen sein, um die Intensität des Lichts in der Vorrichtung nach einer vorherigen Streuung auf einen Wert zu senken, der vom Detektor meßbar ist. Das Abschwächungselement (48) kann aus einem mit Löchern versehenen undurchsichtigen Material sein.The device does not require exact alignment to measure the intensity of a light beam. It comprises a light-receiving window (18), a device (18, 44, 48, 54, 60, 66, 68, 74, 76) for scattering and attenuating the light falling on the window and a detector (50) for detecting the intensity of the scattered light. An optically non-uniformly scattering or weakening device (44) is provided between the light-receiving window (18) and the detector (50), the scattering properties of which change from the center to the edge, the non-uniformly scattering or weakening device (44) serving to the sensitivity of the value of the detected light intensity to (a) the position in the window at which the light spot is formed, (b) the angle of incidence of the beam on the window or (c) to decrease both the position in the window and the angle of incidence. In addition, an attenuator element (48) can be provided in order to reduce the intensity of the light in the device after a previous scattering to a value which can be measured by the detector. The weakening element (48) can be made of an opaque material provided with holes.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Intensität eines Lichtstrahls, der auf einer Meßfläche in einem Fenster einen Lichtfleck bilden kann und mit der ein Ausgangssignal erhalten werden kann, dessen Wert weniger von der Position und/oder der Richtung und/oder weniger davon abhängt, wo der Lichtstrahl auf das Fenster einfällt.The invention relates to a device for measuring the intensity of a light beam which is measured on a measuring surface a window can form a light spot and with the one Output signal can be obtained, the value of which is less the position and / or direction and / or less thereof depends on where the light beam hits the window.
Auch wenn der Lichtstrahl bei dieser Erfindung im Prinzip von anderen Quellen kommen kann, liegt die Hauptan wendung der Erfindung auf dem Gebiet der Messung der Gesamt intensität, der Leistung oder der Energie eines Laserlicht strahls. Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf medizi nische und wissenschaftliche Laser sowie Industrielaser mit einem Ausgangsstrahl mit einem Durchmesser von etwa 1 bis 12 mm, die typischerweise im UV-Spektralbereich, im sichtbaren Spektralbereich und im nahen Infrarotbereich arbeiten. Die Lasertypen, die gegenwärtig kommerziell hergestellt werden und auf die die Erfindung angewendet werden kann, umfassen Nd:YAG-Laser und deren Harmonische, Er:YAG-Laser, Ho:YAG- Laser, Rubinlaser, Alexandritlaser, Ti-Saphirlaser, Farb stofflaser und Argon-Ionenlaser sowie Halbleiterlaser. Auch können die Ausgangsstrahlen von optischen Parameteroszillato ren gemessen werden. Dauerstrichlaser können eine Leistung von bis zu 1 kW haben. Gepulste Laser (Q-geschaltet oder freilaufend) können eine Energie von bis zu 50 J und Spitzen leistungen von 1 GW und mehr entwickeln. Medizinische Laser zum Entfernen von Haaren oder Tätowierungen und zur Behand lung von Feuermalen und dergleichen haben in der Regel Aus gangsenergien von bis zu etwa 30 J und Fleckgrößen von bis zu 10 mm. Es besteht derzeit ein Erfordernis für den Arzt, die Leistung solcher Laser vor einer Behandlung oder in regelmä ßigen, vorgegebenen Intervallen zu kalibrieren.Even if the light beam in this invention in The principle can come from other sources is the main one application of the invention in the field of measuring the total intensity, power or energy of a laser light radiant. The present invention is applicable to medical African and scientific lasers as well as industrial lasers an output beam with a diameter of about 1 to 12 mm, typically in the UV spectral range, in the visible Spectral range and work in the near infrared range. The Types of lasers currently manufactured commercially and to which the invention can be applied Nd: YAG laser and its harmonics, Er: YAG laser, Ho: YAG Laser, ruby laser, alexandrite laser, Ti sapphire laser, color fabric lasers and argon ion lasers as well as semiconductor lasers. Also can the output beams from optical parameter oscillato be measured. Continuous wave lasers can perform of up to 1 kW. Pulsed lasers (Q-switched or free running) can have an energy of up to 50 J and peaks develop capacities of 1 GW and more. Medical lasers for removing hair or tattoos and for treatment Fire marks and the like are usually off aisle energies of up to about 30 J and spot sizes of up to 10 mm. There is currently a requirement for the doctor that Performance of such lasers before treatment or in regular calibrated, predetermined intervals.
Bekannte Vorrichtungen zum Messen der Laser-Aus
gangsleistung und deren Nachteile sind:
Es gibt kalorimetrische Geräte, die auf der Absorpti
on des einfallenden Laserlichts in einer Absorptionsglas
scheibe beruhen, auf die das Laserlicht gerichtet wird. Sol
che Geräte haben wegen der Wärmespannungen im Glas eine nied
rige Schadensschwelle und weisen lange Regenerationszeiten
auf, da die Sensorscheibe zwischen den Messungen abkühlen
muß. Trotz dieser Probleme besitzen die kalorimetrischen Ge
räte gegenwärtig einen hohen Marktanteil.Known devices for measuring the laser output power and their disadvantages are:
There are calorimetric devices that are based on the absorption of the incident laser light in an absorption glass pane to which the laser light is directed. Such devices have a low damage threshold due to the thermal stresses in the glass and have long regeneration times because the sensor disk has to cool down between measurements. Despite these problems, the calorimetric devices currently have a large market share.
Es gibt auf Photodioden basierende Geräte, die mit einer Reflexion des einfallenden Laserlichts an einer reflek tierenden Oberfläche, einer erneuten Reflexion an einer dif fus verteilenden Oberfläche und dem Einfall des sich ergeben den, diffusen Lichts auf einen Photodetektor arbeiten. Solche Geräte sind gegen Winkel- und Positionsabweichungen des La serstrahls extrem empfindlich und besitzen aus diesem Grund gegenwärtig keinen wesentlichen Marktanteil.There are devices based on photodiodes that work with a reflection of the incident laser light on a reflec surface, a new reflection on a dif fus distributing surface and the incidence of the result the diffuse light work on a photodetector. Such Devices are against angular and positional deviations of the La serstrahls extremely sensitive and therefore have currently no significant market share.
Es gibt schließlich noch pyroelektrische Gräte, bei denen das Licht durch ein Fenster mit lichtstreuendem Kera mikmaterial einfällt, hinter dem sich ein pyroelektrischer Detektor befindet. Solche Geräte weisen in der Regel kleine Aperturgrößen auf und leiden unter dem Problem einer niedri gen Schadensschwelle.Finally, there are pyroelectric bones, too which the light through a window with light-scattering Kera micro material occurs behind which there is a pyroelectric Detector is located. Such devices usually have small ones Aperture sizes and suffer from the problem of a low damage threshold.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Intensitätsmessung zu schaffen, die vom Benutzer keine exakte Ausrichtung erfordert und die daher für die Verwendung durch medizinisches Personal und andere vielbeschäftigte Leute ge eignet ist, deren Hauptarbeitsgebiet nicht die Optik ist.The object of the invention is a device for Intensity measurement to create the user no exact Alignment required and therefore for use by medical staff and other busy people is suitable, whose main area of work is not optics.
Mit anderen Worten ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen der Intensität eines Lichtstrahls zu schaffen, der auf einer Meßfläche in einem Fenster einen Lichtfleck bilden kann, bei der ein Ausgangssignal erhalten wird, dessen Wert nur wenig von der Position und/oder der Richtung und/oder wenig davon abhängt, wo der Lichtstrahl auf das Fenster einfällt.In other words, it is an object of the invention to provide a Device for measuring the intensity of a light beam create one on a measuring surface in a window Can form light spot where an output signal is obtained whose value is little of the position and / or the Direction and / or little depends on where the light beam is on the window pops up.
Diese Aufgabe wird mit der im Patentanspruch 1 ange gebenen Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen genannt.This object is with the in claim 1 given device solved. Advantageous embodiments of the Device according to the invention are in the subclaims called.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen der In tensität eines Lichtstrahls, der auf einer Oberfläche, auf die der Strahl einfällt, einen Lichtfleck bildet, umfaßt ein lichtaufnehmendes Fenster, eine Einrichtung zum Streuen und/oder Abschwächen des auf das Fenster fallenden Lichts und einen Detektor zum Erfassen der Intensität des gestreuten Lichts, wobei eine optisch nichtgleichmäßig streuende Ein richtung zwischen dem lichtaufnehmenden Fenster und dem De tektor vorgesehen ist, deren Streuung und/oder Abschwächung sich vom Mittelpunkt: zum Rand ändert, wobei die nichtgleich mäßig streuende Einrichtung im Gebrauch dazu dient, die Emp findlichkeit des Wertes der erfaßten Lichtintensität auf (a) die Position im Fenster, an der der Lichtfleck ausgebildet wird, (b) den Einfallswinkel des Strahles auf das Fenster oder (c) beide Größen, die Position im Fenster und den Ein fallswinkel, zu verringern.The inventive device for measuring the In intensity of a light beam on a surface which the beam is incident on, forms a light spot, includes a light-absorbing window, a device for scattering and / or attenuating the light falling on the window and a detector for detecting the intensity of the scattered Light, with an optically non-uniformly scattering on direction between the light-receiving window and the De tector is provided, their dispersion and / or weakening changes from the center: to the edge, which is not the same moderately scattering device in use serves to emp sensitivity of the value of the detected light intensity to (a) the position in the window at which the light spot is formed (b) the angle of incidence of the beam on the window or (c) both sizes, the position in the window and the on fall angle to decrease.
Bei dieser Vorrichtung wird ein einfallender Laser strahl so gestreut, daß sichergestellt ist, daß die Abschwä chung am Detektor nur eine geringe (wenn überhaupt) Abhängig keit von der Einfallsrichtung in einem Bereich von zum Bei spiel ±15° zeigt und/oder im wesentlichen unabhängig von der Position des Strahls ist, der auf das lichtaufnehmende Fester der Vorrichtung fällt. Der Bereich des lichtaufnehmenden Fen sters kann um ein Mehrfaches größer sein wie die Fläche des Lichtstrahls, der darauf einfällt. Unabhängig von der Positi on des Eingangsstrahls auf dem lichtaufnehmenden Fenster ist die Intensität des gestreuten und abgeschwächten Lichts am Detektor für eine gegebene Eingangsstrahlenergie im wesentli chen konstant. Dies ist besonders dort wichtig, wo wegen ei nes schnellen Ansprechverhaltens und der Wirtschaftlichkeit die Detektorfläche viel kleiner ist als die Fläche der Eingangsapertur.This device uses an incident laser beam so scattered that it is ensured that the weakening only a slight (if any) dependence on the detector speed from the direction of incidence in a range from to game shows ± 15 ° and / or essentially independent of the Position of the beam is on the light receiving window the device falls. The area of the light-absorbing fen sters can be several times larger than the area of the Beam of light falling on it. Regardless of the positi on of the input beam on the light receiving window the intensity of the scattered and attenuated light on Detector for a given input beam energy essentially chen constant. This is particularly important where there is an egg quick response and economy the detector area is much smaller than the area of the Entrance aperture.
Ein weiteres Problem, mit dem sich die Erfindung be schäftigt, ist die Schaffung einer Vorrichtung, bei der eine einfache und effektive Einrichtung zum Abschwächen der Licht intensität in der genannten Vorrichtung innerhalb der Grenzen der vom Detektor meßbaren Intensitäten, im allgemeinen nach einer vorherigen Streuung des Eingangsstrahls, vorgesehen ist. Wenn beabsichtigt ist, die Vorrichtung über einen ganzen Bereich von Wellenlängen anzuwenden, sollte die Vorrichtung, die ein lichtaufnehmendes Fenster und eine Einrichtung zum Streuen und Abschwächen des in das Fenster fallenden Lichts umfaßt, eine so geringe Wellenlängenabhängigkeit wie möglich haben. Herkömmliche neutralgraue Glasfilter können bereits über relativ kleine Wellenlängenbereiche Unterschiede im Ab sorptionskoeffizienten zeigen, die über mehrere Größenordnun gen gehen. Dies kann zu großen Unterschieden im Detektor-Aus gangssignal für Eingangsstrahlen der gleichen Energie, aber mit verschiedenen Wellenlängen führen. Dadurch verringert sich wiederum das Signal-Rausch-Verhältnis der Verarbeitungs elektronik für bestimmte Wellenlängen.Another problem with which the invention be busy is creating a device where one simple and effective device to attenuate the light intensity in the device mentioned within the limits the intensities measurable by the detector, generally after a previous scattering of the input beam is provided is. If the device is intended to cover an entire area Range of wavelengths, the device, which has a light-absorbing window and a device for Scattering and weakening the light falling into the window includes as little wavelength dependency as possible to have. Conventional neutral gray glass filters can Differences in Ab over relatively small wavelength ranges show sorption coefficients that are over several orders of magnitude go to. This can lead to big differences in detector off output signal for input beams of the same energy, but with different wavelengths. This reduces the signal-to-noise ratio of the processing electronics for certain wavelengths.
Die vorliegende Erfindung überwindet dieses Problem durch das Vorsehen einer Vorrichtung zum Messen der Intensi tät eines Lichtstrahls, der auf einer Oberfläche, auf die der Strahl fällt, einen Lichtfleck bildet. Die Vorrichtung umfaßt ein lichtaufnehmendes Fenster, eine Einrichtung zum Streuen und/oder Abschwächen des auf das Fenster fallenden Lichts und einen Detektor zum Erfassen der Intensität des gestreuten und/oder abgeschwächten Lichts. Im optischen System ist we nigstens ein Abschwächerelement vorgesehen, etwa ein Element aus optisch undurchlässigem Material mit einer Matrix von Öffnungen zum Abschwächen des gestreuten, einfallenden Lichts. Die Größe der Öffnungen ist erheblich größer (z. B. um eine Größenordnung oder noch mehr) als die Wellenlänge des in die Vorrichtung eintretenden Lichts, so daß der Abschwächer eine stückweise Abschwächung des gestreuten, einfallenden Lichts bewirkt, die im wesentlichen wellenlängenunabhängig ist.The present invention overcomes this problem by providing a device for measuring the intensity act of a light beam, which is on a surface, on which the Beam falls, forms a spot of light. The device comprises a light-absorbing window, a device for scattering and / or attenuating the light falling on the window and a detector for detecting the intensity of the scattered and / or attenuated light. In the optical system is we at least one attenuator element is provided, such as one element made of optically opaque material with a matrix of Openings to weaken the scattered, incident Light. The size of the openings is considerably larger (e.g. around an order of magnitude or more) than the wavelength of the in the device entering light so that the attenuator a gradual weakening of the scattered, incident Light causes that are essentially wavelength independent is.
Ein anderes Problem, mit dem sich die vorliegende Er findung beschäftigt, ist das Schaffen einer Intensitätsmeß vorrichtung für Laser, bei der das optische System weniger anfällig gegen Schäden durch das einfallende Licht ist.Another problem with which the present Er is concerned with creating an intensity measurement device for lasers where the optical system is less is susceptible to damage from the incident light.
Dieses Problem läßt sich gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung dadurch lösen, daß das erste oder mehrere Elemente im Lichtweg Oberflächenstreuelemente sind, die eine viel höhere Schadensschwelle aufweisen als Volumen streuelemente. Solche Oberflächenstreuelemente bestehen aus einem optisch durchlässigen Glas (z. B. Quarzglas) oder einem Kristall (z. B. Saphir oder CaF2) mit einer matten Oberfläche. Das Licht, das die Oberflächenstreuelemente durchlaufen hat, kann in der Folge durch ein oder mehrere Elemente laufen, in denen es im Volumen des Elements gestreut oder absorbiert wird. Bei dem optischen System für die vorliegende Intensi tätsmeßvorrichtung wird eine Kombination von Oberflächen streuelementen und Volumenstreuelementen verwendet. Die opti sche Schadensschwelle gegen Laserlicht ist durch das Anordnen einiger oder aller der Oberflächenstreuelemente vor den Volu menstreuelementen erhöht, da diese die maximale Leistungs dichte so weit herabsetzen, daß die nachfolgenden Volumen streuelemente nicht geschädigt werden. Das erste Streuelement kann das Fenster darstellen und eine polierte Vorderseite besitzen, um die Reinigung zu erleichtern.According to a further aspect of the present invention, this problem can be solved in that the first or more elements in the light path are surface scattering elements which have a much higher damage threshold than volume scattering elements. Such surface scattering elements consist of an optically transparent glass (e.g. quartz glass) or a crystal (e.g. sapphire or CaF 2 ) with a matt surface. The light that has passed through the surface scattering elements can subsequently pass through one or more elements in which it is scattered or absorbed in the volume of the element. In the optical system for the present intensity measuring device, a combination of surface scattering elements and volume scattering elements is used. The optical damage threshold against laser light is increased by arranging some or all of the surface scattering elements in front of the volume scattering elements, since these reduce the maximum power density to such an extent that the subsequent volume scattering elements are not damaged. The first diffuser can be the window and have a polished front surface to facilitate cleaning.
Eine solche Vorrichtung ist besonders geeignet für die Verwendung mit einer Verarbeitungselektronik, deren Ver stärkung entsprechend der Wellenlänge der einfallenden Strah lung voreingestellt ist, um die Wellenlängen/Quantenausbeute eigenschaften des Detektors und eine mögliche Wellenlängenab hängigkeit der Optik zu kompensieren.Such a device is particularly suitable for the use with processing electronics, the Ver strengthening according to the wavelength of the incident beam lung is preset to the wavelengths / quantum efficiency properties of the detector and a possible wavelength to compensate for the dependence of the optics.
Die Erfindung umfaßt daher unter anderem ein oder
mehrere Oberflächenstreuelemente (z. B. mit einer oder mehre
ren matten Oberflächen), gefolgt von:
The invention therefore includes, among other things, one or more surface scattering elements (e.g. with one or more matt surfaces), followed by:
- a) einem oder mehreren nichtgleichförmig streuenden Elementen, deren Lichtdurchlässigkeit und/oder Streuung sich von der Mittelachse zum Umfang des oder der Elemente ändert;a) one or more non-uniformly scattering Elements whose translucency and / or scatter are different changes from the central axis to the circumference of the element or elements;
- b) einem oder mehreren Volumenstreuelementen oder Streuelementen mit matten Oberflächen; undb) one or more volume scattering elements or Diffusing elements with matt surfaces; and
- c) einem oder mehreren Abschwächerelementen, die ei ne stückweise Abschwächung des auf das oder die Elemente ein fallenden, gestreuten Lichts bewirken.c) one or more attenuator elements, the egg ne piecewise weakening of the one or more elements falling, scattered light.
Die Elemente (a) bis (c) können in beliebiger Reihen folge und Anzahl und nicht nur aufeinanderfolgend nach dem oder den Streuelementen mit matter Oberfläche angeordnet sein. Die Abstände zwischen den einzelnen Elementen können experimentell bestimmt werden, um die gewünschte Unempfind lichkeit gegen die Strahlrichtung und Strahlposition zu er zielen.The elements (a) to (c) can be in any order order and number and not just consecutively after or the scattering elements with a matt surface his. The distances between the individual elements can be determined experimentally to achieve the desired insensitivity against the beam direction and beam position aim.
Es erfolgt nun eine Beschreibung der bevorzugten Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung.A description will now be given of the preferred ones Features of the device according to the invention.
Die Volumenstreuelemente können aus dünnen Platten eines Licht streuenden Materials bestehen. Es können kerami sche Materialien wie zum Beispiel Aluminiumoxid oder Zirkoni umoxid verwendet werden.The volume scattering elements can be made of thin plates of a light-scattering material. It can be kerami materials such as aluminum oxide or zirconia umoxid can be used.
Die nichtgleichförmig streuende Einrichtung kann ver schiedene Formen annehmen. Die gewünschten Eigenschaften kön ne etwa durch das Ausbilden von Öffnungen an geeigneten Stel len in einem Element aus volumenstreuendem Material erhalten werden. Es ist jedoch auch möglich, ein Element aus einem volumenstreuenden Material zu verwenden, dessen Dicke sich so ändert, daß die erforderlichen Eigenschaften erhalten werden. Eine weitere Möglichkeit ist es, ein optisches Element zu verwenden, dessen optische Durchlässigkeit sich von der Mitte zum Rand ändert, zum Beispiel ein Glaselement, dessen Absorp tionskoeffizient sich von der Mitte zum Rand ändert. Die nichtgleichförmig streuende Einrichtung kann aus einem Ele ment oder aus einer Anzahl von Elementen bestehen, und es können so viele nichtgleichförmig streuende Elemente vorgese hen sein, wie erforderlich sind, um die gewünschte Positions- und Richtungsunabhängigkeit des Ausgangssignals von der Ein fallposition und/oder dem Winkel des Lichtstrahls zu erhal ten. Die jeweilige Position in dem Satz von Elementen und relativ zueinander kann experimentell bestimmt werden, und die Elemente brauchen nicht aufeinanderfolgen, sondern es können andere Elemente, die von der hier beschriebenen Art sein können, zwischen ihnen angeordnet sein. Das oder jedes der nichtgleichförmig streuenden Elemente können gegenüber einem Volumenstreuelement angeordnet sein und damit in Kon takt stehen, oder sie können jeweils zwischen zwei Volumen streuelementen angeordnet sein.The non-uniform scattering device can ver take different forms. The desired properties can ne, for example, by forming openings in suitable places len in an element made of volume-scattering material become. However, it is also possible to create an element from one to use volume-scattering material, the thickness of which is so changes that the required properties are obtained. Another option is to add an optical element use whose optical transmission is from the center changes to the edge, for example a glass element whose absorpt tion coefficient changes from the center to the edge. The non-uniform scattering device can be from an el ment or consist of a number of elements, and it can have so many non-uniformly scattering elements as required to achieve the desired position and directional independence of the output signal from the on Fall position and / or the angle of the light beam The respective position in the set of elements and relative to each other can be determined experimentally, and the elements don't need to be sequential, they need it can other elements of the type described here can be arranged between them. That or each of the non-uniformly scattering elements can face be arranged a volume scattering element and thus in Kon clock, or they can be between two volumes scattering elements can be arranged.
Die Abschwächerelemente können aus dünnen Platten aus optisch undurchsichtigem Material bestehen. Ein praktisches Beispiel ist ein Element aus rostfreiem Stahl (Edelstahl) mit etwa 150 Mikrometern Dicke mit Löchern von etwa 100 Mikrome ter Durchmesser, die gitterförmig mit einem gegenseitigen Abstand von 1 mm gebohrt sind. Es ergibt sich damit ein Ab schwächerelement, dessen über die Oberfläche des Elements integrierte Abschwächung bei 100 liegt. Die Verwendung von mehr als einem Abschwächer ermöglicht es, größere Abschwä chungen zu erhalten. Dadurch können auch Abschwächer mit grö ßeren Löchern verwendet werden, die leichter herzustellen sind und deren Löcher auch wesentlich größer wie die Wellen länge des Lichts sind. Die Verwendung einer Anzahl von Fil tern mit relativ großen Löchern kann der Verwendung eines einzigen Filters mit extrem kleinen Löchern vorzuziehen sein, da letzterer eine Wellenlängenabhängigkeit zeigen kann. Wenn zwei oder mehr Abschwächerelemente verwendet werden, kann es erforderlich sein, sie durch ein Volumenstreuelement zu tren nen. Dadurch wird das stückweise Muster des durchgelassenen Lichts verringert und eine gleichmäßigere (weniger stück- oder fleckweise) Beleuchtung des zweiten (und folgenden) Ab schwächerelements erreicht. Die Abschwächerelemente können auch aus einem Kunststoffmaterial bestehen, zum Beispiel aus Perspex, das große (5 bis 50 Mikrometer) Teilchen aus einem Material wie Karborundum enthält.The attenuator elements can be made from thin plates optically opaque material. A practical one Example is an element made of stainless steel (stainless steel) about 150 microns thick with holes about 100 microns ter diameter, which is latticed with a mutual Distance of 1 mm are drilled. This results in an ab weaker element, its over the surface of the element integrated attenuation is 100. The use of More than one attenuator allows larger attenuators to get results. As a result, attenuators with large larger holes are used, which are easier to manufacture and their holes are also much larger than the waves length of light. The use of a number of fil ters with relatively large holes can use a single filters with extremely small holes may be preferable, since the latter can show a wavelength dependency. If two or more attenuator elements can be used be necessary to separate them with a volume scattering element nen. This allows the piecewise pattern of the let through Light is reduced and a more uniform (less or in spots) Illumination of the second (and subsequent) Ab weaker element reached. The attenuator elements can also consist of a plastic material, for example Perspex, the large (5 to 50 micron) particle from one Contains material such as carborundum.
Der Abschwächer wird vorteilhaft in Verbindung mit einer Verarbeitungselektronik verwendet, die einen Detektor zum Messen der Lichtimpulse und einem separaten Detektor zum Auslösen der Elektronik bei niedrigem Lichtpegel umfaßt und die eine Einrichtung zum Einstellen der Verstärkung der Elek tronik gemäß der Wellenlänge der einfallenden Strahlung bein haltet, um Wellenlänge/Quantenausbeuteeigenschaften des De tektors und eine Wellenlängenabhängigkeit der Optik zu kom pensieren.The reducer is advantageous in connection with a processing electronics used a detector for measuring the light pulses and a separate detector for Triggering the electronics at low light levels includes and a device for adjusting the gain of the elec electronics according to the wavelength of the incident radiation considers the wavelength / quantum efficiency properties of the De tectors and a wavelength dependency of the optics retire.
Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are as follows described by way of example with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Vorderansicht einer Vor richtung zur Intensitäts-, Energie- oder Leistungsmessung; Fig. 1 is a front perspective view of a device for intensity, energy or power measurement;
Fig. 2 eine perspektivische Rückansicht der Vorrich tung der Fig. 1; Fig. 2 is a rear perspective view of the Vorrich device of Fig. 1;
Fig. 3 eine Schnittansicht der Vorrichtung der Fig. 1, in der die inneren optischen und Licht erfassenden Kompo nenten sowie ein Detektor und Leiterplatten für eine Anzeige zu sehen sind; Fig. 3 is a sectional view of the device of Figure 1, in which the inner optical and light-sensing components and a detector and circuit boards for a display can be seen.
Fig. 4 eine Aufsicht auf ein nichtgleichförmig streu endes Element, das Teil des optischen Systems der Vorrichtung der Fig. 1 ist; Figure 4 is a plan view of a non-uniformly scattering element which is part of the optical system of the device of Figure 1;
Fig. 5 eine Aufsicht auf ein Abschwächerelement, das ebenfalls Teil des optischen Systems der Vorrichtung der Fig. 1 ist; Figure 5 is a plan view of an attenuator element which is also part of the optical system of the device of Figure 1;
Fig. 6 eine Aufsicht auf eines der Volumenstreuele mente, die auch Teil des optischen Systems der Vorrichtung der Fig. 1 sind; Fig. 6 is a plan view of one of the volume scattering elements, which are also part of the optical system of the device of Fig. 1;
Fig. 7 ein vereinfachtes Schaltbild der Detektor- und Verarbeitungselektronik; Fig. 7 is a simplified circuit diagram of the detector and processing electronics;
Fig. 8 und Fig. 9 eine Seiten- bzw. Vorderansicht ei nes alternativen nichtgleichförmig streuenden Elements; . Fig. 8 and Fig 9 is a side and front views ei nes alternative non-uniform scattering element;
Fig. 10 ein Diagramm des Photodetektor-Ausgangs signals gegen den Abstand des Eingangsstrahls von der Mittel achse für die genannte Vorrichtung und für eine Vorrichtung ohne nichtgleichförmig streuende Elemente; Fig. 10 is a diagram of the photodetector output signal against the distance of the input beam from the central axis for said device and for a device without non-uniformly scattering elements;
Fig. 11 ein Diagramm für den Quantenwirkungsgrad ge gen die Wellenlänge bei einer typischen Silizium-Photodiode; und Figure 11 is a graph of quantum efficiency versus wavelength for a typical silicon photodiode. and
Fig. 12 und Fig. 13 schematische Ansichten von alter nativen Anordnungen der inneren optischen und Licht erfassen den Komponenten bei weiteren Ausführungsformen der genannten Vorrichtung. Fig. 12 and Fig. 13 are schematic views of arrangements of the old native inner optical and detect the light components in other embodiments of said device.
In den Fig. 1 und 2 ist eine Intensitätsmeßvorrich tung für einen Laserstrahl gezeigt, die im allgemeinen ein rechteckförmiges Gehäuse 10 mit einer vorderen Endwand 12 besitzt, in der sich eine Öffnung 14 befindet, die bei einer typischen Ausführungsform einen Durchmesser von etwa 30 bis 40 mm haben kann. Auf ein Fensterelement 18 in der Öffnung 14 fällt ein Strahl 16 aus Laserlicht und bildet einen Licht fleck 20, dessen Durchmesser typisch etwa 1 bis 12 mm be trägt. Der Lichtfleck 20 bzw. das Licht muß nicht unbedingt von einem Laser kommen, es kann zum Beispiel auch Licht sein, das von einer Linse auf das Fenster 18 fokussiert wird. Mit der vorliegenden Vorrichtung soll erreicht werden, daß das Fensterelement 18 ein Ziel für das einfallende Licht dar stellt, derart, daß, wenn der ganze Strahl innerhalb des Ziels liegt, unabhängig von der Position des Lichtflecks 20 im Fenster und unabhängig vom Einfallswinkel bei einer gege benen Eingangsenergie oder Eingangsleistung innerhalb be stimmter Grenzen ein im wesentlichen konstantes Ausgangs signal erhalten wird. In Figs. 1 and 2, a Intensitätsmeßvorrich is tung shown for a laser beam, which has generally a rectangular housing 10 having a front end wall 12, an opening 14 is in the that in a typical embodiment a diameter of about 30 to 40 mm can have. On a window element 18 in the opening 14 , a beam 16 of laser light falls and forms a light spot 20 , the diameter of which is typically about 1 to 12 mm. The light spot 20 or the light does not necessarily have to come from a laser; for example, it can also be light that is focused on the window 18 by a lens. With the present device is to be achieved that the window element 18 is a target for the incident light, such that when the entire beam is within the target, regardless of the position of the light spot 20 in the window and regardless of the angle of incidence at a benen input energy or input power within certain limits an essentially constant output signal is obtained.
Das Gehäuse 10, das aus einer Aluminiumlegierung oder einem anderen thermisch leitenden Material besteht, weist einen im allgemeinen rohrförmige Körper 22 auf, von dem Kühl rippen 24 wegstehen, die dabei helfen, Wärme abzustrahlen, die der einfallende Laserstrahl eventuell erzeugt. Hinter den Kühlrippen 24 befindet sich ein Abschnitt 26, der eine Detek tor-Leiterplatte 28 und eine Anzeige 30 beherbergt. Die Rück wand 32 des Gehäuses 10 weist einen Stromversorgungsanschluß 33 und einen Ausgangsanschluß 34 für z. B. einen Schreiber oder das Analoginterface eines Computers auf. Die Anzeige 30 umfaßt ein LCD 36, das die Energie numerisch anzeigt, und einen Schalter 38, der gedrückt oder gedreht werden kann, um zwischen Wellenlängen der einfallenden Strahlung umzuschal ten, wobei die jeweils gewählte Wellenlänge durch die selek tive Beleuchtung einer Anordnung von LEDs 40 angezeigt wird.The housing 10 , which is made of an aluminum alloy or other thermally conductive material, has a generally tubular body 22 , from which cooling fins 24 protrude, which help to radiate heat that the incident laser beam may generate. Behind the cooling fins 24 there is a section 26 which houses a detector circuit board 28 and a display 30 . The rear wall 32 of the housing 10 has a power supply connection 33 and an output connection 34 for z. B. a recorder or the analog interface of a computer. The display 30 includes an LCD 36 which numerically displays the energy and a switch 38 which can be pressed or rotated to switch between wavelengths of the incident radiation, the wavelength selected in each case by the selective illumination of an array of LEDs 40 is shown.
Das optische System der Vorrichtung ist schematisch in der Fig. 3 gezeigt. Es umfaßt eine Folge von plattenarti gen Elementen ohne Fokussierwirkung, die in der angegebenen Reihenfolge die folgende Wirkung auf das einfallende Laser licht haben: Oberflächenstreuung; ungleichförmige Streuung; Volumenstreuung; Abschwächung; Volumenstreuung und Erfassung.The optical system of the device is shown schematically in FIG. 3. It comprises a series of plate-like elements without focusing effect, which in the order given have the following effect on the incident laser light: surface scattering; non-uniform scatter; Volume dispersion; Weakening; Volume spread and detection.
Wie in der Fig. 3 gezeigt, können die Elemente in ei ne erste Gruppe 42 aus optisch transparenten Elementen mit matten Oberflächen, ein nichtgleichförmig streuendes Element 44 und eine zweite Gruppe 46 mit Volumenstreuelementen unter teilt werden, wobei sich in der zweiten Gruppe 46 ein Ab schwächer 48 befindet. Das gestreute Licht läuft vom letzten Element der zweiten Gruppe 46 zu einer Silizium-Photodiode 50 mit einer empfindlichen Fläche von etwa 1 mm2. Wie aus der Fig. 11 ersichtlich ist, weist die Photodiode in der Regel eine wellenlängenabhängige Quantenausbeute bzw. einen wellen längenabhängigen Quantenwirkungsgrad η(λ) auf, und die Verar beitungselektronik besitzt eine eingebaute Verstärkungs-Kom pensationseinrichtung, die so eingestellt werden kann, daß diese Wellenlängenabhängigkeit bei jeweils einer eines Satzes von Wellenlängen, für den die Vorrichtung. vorgesehen ist, kompensiert wird.As shown in FIG. 3, the elements can be subdivided into a first group 42 of optically transparent elements with matt surfaces, a non-uniformly scattering element 44 and a second group 46 with volume scattering elements, with the Ab in the second group 46 weaker 48 is located. The scattered light runs from the last element of the second group 46 to a silicon photodiode 50 with a sensitive area of approximately 1 mm 2 . As can be seen from Fig. 11, the photodiode usually has a wavelength-dependent quantum efficiency or a wavelength-dependent quantum efficiency η (λ), and the processing electronics has a built-in gain compensation device that can be adjusted so that it Wavelength dependence on each of a set of wavelengths for which the device. is provided, is compensated.
Die in der Fig. 3 genauer gezeigten optischen Elemen te haben bei dieser Ausführungsform der Vorrichtung jeweils einen Durchmesser von 35 mm. Die erste Gruppe 42 von Elemen ten umfaßt das Fenster 18, das eine polierte Vorderseite und eine mattierte Rückseite 52 besitzt, und ein zweites Element 54, das zwei mattierte Seiten 56, 58 besitzt. Der Abstand zwischen den beiden Elementen beträgt etwa 10 mm, und sie bewirken eine schwache Streuung des einfallenden Strahls, die die maximale Leistungsdichte herabsetzt, um Schäden an den folgenden Elementen zu vermeiden. Wenn das Licht in das Fen ster 18 eintritt, wird es zu einem Konus gestreut, das sich hinter dem Fenster 18 ausbreitende Licht ist immer noch im Mittelpunkt des Konusses intensiver als an dessen Peripherie. Das Licht wird beim Durchlaufen des zweiten Elements 54 wei ter gestreut.The optical elements shown in FIG. 3 in more detail in this embodiment of the device each have a diameter of 35 mm. The first group 42 of elements comprises the window 18 , which has a polished front and a matt back 52 , and a second element 54 , which has two matt sides 56 , 58 . The distance between the two elements is about 10 mm, and they cause a weak scattering of the incident beam, which reduces the maximum power density in order to avoid damage to the following elements. When the light enters the art Fen 18, it is scattered into a cone, the propagating behind the window 18 light is more intense still the focus of the cone than at its periphery. The light is scattered further as it passes through the second element 54 .
25 mm hinter dem zweiten Element 54 ist das nicht gleichförmig streuende Element 44 angeordnet, dessen Rücksei te mit einem Volumenstreuelement 60 in Kontakt steht. Das Element 44 ist in der Fig. 4 gezeigt; es ist eine Scheibe aus Aluminiumoxidkeramik oder einem anderen lichtstreuenden Mate rial mit einem massiven Zentralbereich und einem Außenbe reich, der mit Öffnungen 62, die in einem inneren Ring ange ordnet sind, und etwas größeren Öffnungen 64 versehen ist, die in einem äußeren Ring angeordnet sind, wobei beide Ringe konzentrisch zum äußeren Umfang des Elements sind. Wir haben festgestellt, daß auch dann, wenn Licht auf mehrere beabstan dete Streuvorrichtungen in Folge fällt, das Intensitätsprofil des gestreuten Lichts nichtgleichförmig bleibt mit der maxi malen Intensität an der Achse, entlang der der Eingangsstrahl einfällt, auch wenn es an jeder Streuvorrichtung weiter ge streut wird. Wenn ein relativ dünner Strahl über ein relativ großes Eingangsfenster streicht, hat die gestreute Strahlung ein Intensitätsmaximum, das über die Ausgangsapertur des op tischen Systems wandert. Ein relativ kleiner Detektor, der in der Ausgangsapertur angeordnet ist, wird in Abhängigkeit von der Position des Strahls auf dem Eingangsfenster mit unter schiedlichen Intensitäten beleuchtet. Das Element 44 kann diese Veränderung kompensieren. Der Effekt der Öffnungen 62, 64 ist, daß der Eingangsstrahl an der Mittelachse senkrecht zum Eingangsfenster und Detektor stärker gestreut/abge schwächt wird, und die Streuung/Abschwächung durch das Ele ment 44 nimmt ab, wenn sich der Strahl weiter von der Achse wegbewegt. Es ist anzumerken, daß andere Maßnahmen als das Ausbilden von Öffnungen in einer Scheibe aus lichtstreuendem Material dazu verwendet werden können, die erforderliche un gleichmäßige Streuung zu erhalten. Zum Beispiel zeigt die Fig. 8 ein Element 44a aus Aluminiumkeramik oder einem ande ren lichtstreuenden Material im Profil, das im Zentralbereich dicker ist als zu den Rändern hin. Die Fig. 9 zeigt als wei tere Alternative ein Element 44b aus einer Scheibe, deren Lichtstreuvermögen (oder optische Absorption) im Zentralbe reich hoch ist und zum Rand hin abnimmt.25 mm behind the second element 54 , the non-uniformly scattering element 44 is arranged, the rear side of which is in contact with a volume scattering element 60 . Element 44 is shown in FIG. 4; it is a disk made of alumina ceramic or other light-diffusing material with a solid central area and an outer area, which is provided with openings 62 , which are arranged in an inner ring, and slightly larger openings 64 , which are arranged in an outer ring , where both rings are concentric with the outer periphery of the element. We have found that even when light falls on multiple spaced scatterers in succession, the intensity profile of the scattered light remains non-uniform with the maximum intensity along the axis along which the input beam is incident, even though it continues to scatter on each scatterer becomes. When a relatively thin beam sweeps across a relatively large input window, the scattered radiation has an intensity maximum that travels across the output aperture of the optical system. A relatively small detector, which is arranged in the output aperture, is illuminated with different intensities depending on the position of the beam on the input window. Element 44 can compensate for this change. The effect of the openings 62 , 64 is that the input beam is scattered / weakened more at the central axis perpendicular to the input window and detector, and the scattering / attenuation by the element 44 decreases as the beam moves further away from the axis. It should be noted that measures other than the formation of openings in a sheet of light scattering material can be used to obtain the required uneven scatter. For example, FIG. 8 shows an element 44 a made of aluminum ceramic or another light-scattering material in profile, which is thicker in the central area than towards the edges. Fig. 9 shows as a further alternative element 44 b from a disc, the light scattering (or optical absorption) is high in the central area and decreases towards the edge.
Die Auswirkungen des Vorsehens des nichtgleichförmig streuenden Elements 44 sind in der Fig. 10 gezeigt, in der die gemessene Intensität gegen den Abstand des Eingangs- Lichtstrahls von der Mittelachse bei einer Vorrichtung der vorliegenden Art mit und ohne ein Element 44 wie in der Fig. 4 gezeigt aufgetragen ist. Die Messungen erfolgten mit Laser licht, das senkrecht zum Fester 18 einfiel und das eine Wel lenlänge von 1064 nm, einen Strahldurchmesser von 4 mm und eine Energie von 400 mJ besaß.The effects of providing the non-uniformly scattering element 44 are shown in FIG. 10, in which the measured intensity versus the distance of the input light beam from the central axis in a device of the present type with and without an element 44 as in FIG. 4 shown is applied. The measurements were carried out with laser light which was perpendicular to the window 18 and which had a wavelength of 1064 nm, a beam diameter of 4 mm and an energy of 400 mJ.
Das Element 60 kann eine Aluminiumoxid-Keramikscheibe mit gleichmäßiger Dicke sein, die der Dicke des Elements 44 ähnlich ist.Element 60 may be a uniform thickness alumina ceramic disk similar to element 44 thickness.
10 mm hinter dem Element 60 ist eine weitere Gruppe aus drei zusammenstoßenden Scheiben angeordnet. Sie umfaßt gleichförmige Scheiben 66, 68 aus Aluminiumoxidkeramik oder einem anderen volumenstreuenden Material ähnlich der Scheibe 60. Zwischen den beiden Scheiben 66, 68 ist das Abschwächer element 48 angeordnet. Das Abschwächerelement 48 ist vorhan den, da es, nachdem das Licht durch einige der Streuelemente gelaufen ist, immer noch erforderlich ist, es weiter abzu schwächen, bevor es auf den Detektor fällt. Herkömmlich er folgte diese Abschwächung mittels eines absorbierenden Ele ments, die Absorption ist bei solchen Elementen jedoch wel lenlängenabhängig; die Abschwächung in Glasfiltern zum Bei spiel kann über die gemessenen Wellenlängenbereiche um bis zu einer Größenordnung schwanken. Die gleiche Eingangsenergie erzeugt dann bei verschiedenen Wellenlängen am Detektor stark unterschiedliche Ausgangsspannungen. Das Abschwächerelement 48 erzeugt demgegenüber eine im wesentlichen wellenlän genunabhängige Abschwächung des diffusen Lichts in der Vor richtung.Another group of three colliding disks is arranged 10 mm behind the element 60 . It comprises uniform disks 66 , 68 made of alumina ceramic or another volume-spreading material similar to disk 60 . The attenuator element 48 is arranged between the two disks 66 , 68 . The attenuator element 48 is present because, after the light has passed through some of the diffusing elements, it is still necessary to further weaken it before it falls on the detector. Conventionally, he followed this weakening by means of an absorbent element, but the absorption of such elements is dependent on the wavelength; the attenuation in glass filters, for example, can fluctuate by up to an order of magnitude over the measured wavelength ranges. The same input energy then generates very different output voltages at the detector at different wavelengths. The attenuator element 48 , on the other hand, produces an essentially wavelength-independent attenuation of the diffuse light in the front direction.
Die Fig. 5 zeigt schematisch das Abschwächerelement
48, das aus einem dünnen, lichtundurchlässigen Material ist
und das in diesem Fall aus rostfreiem Stahl (Edelstahl) mit
etwa 150 Mikrometern. Dicke besteht, das mit einem Muster von
Öffnungen mit etwa 100 Mikrometern Größe versehen ist, die
mit einem gegenseitigen Abstand von etwa 1 mm über das Ele
ment verteilt sind. Die Größe und der Abstand der Löcher kann
so gewählt werden, daß sich für den jeweils verwendeten De
tektor die gewünschte Abschwächung ergibt. Die Abschwächung
des Lichts ist im wesentlichen unabhängig von der Wellenlän
ge, vorausgesetzt, die Größe der Öffnungen ist wesentlich
größer (zum Beispiel um das Zehnfache oder mehr) als die Wel
lenlänge des in die Vorrichtung eintretenden Lichts. Die Ge
samtfläche der Öffnungen im Vergleich zur Fläche des Abschwä
cherelements 48 ist so gewählt, daß das darauf fallende Licht
bei dieser Ausführungsform um etwa den Faktor 100 abge
schwächt wird. Die Durchlässigkeit α eines Abschwächerele
ments 48, dessen Dicke viel kleiner ist als die Größe der
Öffnungen, ist gegeben durch
FIG. 5 shows schematically the Abschwächerelement 48 which is made of a thin, opaque material, and in this case, stainless steel (stainless steel) of about 150 micrometers. Thickness is provided with a pattern of openings about 100 microns in size, which are spaced about 1 mm apart across the element. The size and spacing of the holes can be chosen so that the desired attenuation results for the detector used in each case. The attenuation of the light is substantially independent of the wavelength, provided the size of the openings is substantially larger (e.g. ten times or more) than the wavelength of the light entering the device. The total area of the openings compared to the area of the attenuator element 48 is selected so that the light falling on it is weakened by a factor of 100 in this embodiment. The permeability α of a weakening element 48 , the thickness of which is much smaller than the size of the openings, is given by
α = N.AÖffnunung/AAbschwächwächer
α = NA opening / A attenuator
wobei N die Anzahl der Öffnungen, AÖffnung die Fläche einer
Öffnung und AAbschwächer die Fläche des Abschwächerelements ist.
Es wird dabei vorausgesetzt, daß alle Öffnungen die gleiche
Größe haben. Bei einem Abschwächer mit Öffnungen mit unter
schiedlichen Größen ist die Durchlässigkeit α gegeben durch
where N is the number of openings, A opening is the area of an opening and A attenuator is the area of the attenuator element. It is assumed that all openings are the same size. In the case of an attenuator with openings of different sizes, the permeability is given by
wobei N die Gesamtzahl an Öffnungen und Ai die Fläche der i-ten Öffnung ist. Wenn die Dicke des Abschwächers vergleichbar mit oder größer als die Abmessungen der Öffnungen wird, muß der Raumwinkel für das Licht berücksichtigt werden, das in die Apertur auf der Rückseite des Abschwächerelements ein tritt. Die Öffnungen im scheibenförmigen Abschwächer 48 müs sen nicht periodisch angeordnet sein. Die Größen und Positio nen der Öffnungen können zum Beispiel auch zufällig sein, vorausgesetzt, die erforderliche Abschwächung wird erreicht und die stück- oder fleckweise Natur des durchgelassenen Lichts wird durch die folgenden Streuelemente aufgehoben. Es ist darüber hinaus anzumerken, daß, während die beschriebene Ausführungsform eine stückweise, gleichmäßige Abschwächung über die gesamte Arbeitsfläche des Abschwächers 48 ergibt, dies nicht unbedingt erforderlich ist und eine Abschwächung mit nichtgleichförmiger stückweiser Abschwächung über den gesamten Arbeitsbereich in manchen Fällen von Vorteil sein kann. Es können auch andere wellenlängenunabhängige Abschwä cher verwendet werden, zum Beispiel eine Scheibe aus transpa rentem Kunststoffmaterial, in das Teilchen eines lichtun durchlässigen Materials wie Karborundum eingebettet sind, wobei die Teilchengröße wesentlich größer ist als die abzu schwächende Wellenlänge (z. B. im Bereich von 5 bis 50 Mikro metern liegt). where N is the total number of openings and A i is the area of the i-th opening. If the thickness of the attenuator becomes comparable to or greater than the dimensions of the openings, the solid angle must be taken into account for the light that enters the aperture on the back of the attenuator element. The openings in the disc-shaped attenuator 48 need not be arranged periodically. The sizes and positions of the openings can, for example, also be random, provided the required attenuation is achieved and the piece or spot nature of the transmitted light is canceled out by the following scattering elements. It should also be noted that while the described embodiment results in a piecewise, even weakening over the entire working surface of the weakener 48 , this is not absolutely necessary and a weakening with non-uniform piecewise weakening over the entire working area can be advantageous in some cases. Other wavelength-independent attenuators can also be used, for example a disk made of transparent plastic material in which particles of an opaque material such as carborundum are embedded, the particle size being substantially larger than the wavelength to be attenuated (e.g. in the range of 5 to 50 microns is).
Das gestreute und abgeschwächte Licht tritt in zwei weitere Volumenstreuelemente 74, 76 ein, die jeweils in 10 mm-Abständen hinter dem Element 68 angeordnet sind und die das Licht weiter streuen, das dann auf die Photodiode 50 fällt, die sich auf der Mittelachse der Vorrichtung 2 bis 3 mm hinter dem Element 76 befindet. Die Elemente 60, 66, 68, 74 und 76 bilden die zweite Gruppe 46 der Fig. 3. Die ver schiedenen Elemente werden von rohrförmigen Abstandhaltern 77a-77e in Position gehalten, die genau in den Körper 22 pas sen.The scattered and attenuated light enters two further volume scattering elements 74 , 76 , which are each arranged at 10 mm intervals behind the element 68 and which further scatter the light which then falls on the photodiode 50 , which is located on the central axis of the device 2 to 3 mm behind the element 76 . The elements 60 , 66 , 68 , 74 and 76 form the second group 46 of FIG. 3. The various elements are held in position by tubular spacers 77 a- 77 e, which fit exactly into the body 22 .
Wie sich aus der Fig. 7 ergibt, fließt durch die in Sperrrichtung vorgespannte Photodiode 50 ein Strom, wenn sie beleuchtet wird. Davon wird ein Kondensator 78 geladen, und die sich ergebende Spannung kann von einer Verarbeitungselek tronik 80 analysiert (z. B. integriert) werden. Ein Widerstand. 82 parallel zum Kondensator 78 ergibt einen Entladungsweg.As can be seen from FIG. 7, a current flows through the reverse-biased photodiode 50 when it is illuminated. A capacitor 78 is charged therefrom, and the resulting voltage can be analyzed (eg integrated) by processing electronics 80 . A resistance. 82 parallel to the capacitor 78 results in a discharge path.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform kann auf vielfältige Weise modifiziert werden. Zum Beispiel ist in der Fig. 12 das Volumenabschwächungs- bzw. Streuelement 66 durch ein nichtgleichförmig streuendes Element 44c der in der Fig. 4 gezeigten Art ersetzt. Das ungleichförmig streuende Element 44c kann das gleiche sein wie das ungleichförmig streuende Element 44, oder es kann ein anderes Öffnungsmuster aufwei sen, abhängig von den gewünschten optischen Eigenschaften. In der Fig. 13 ist das einzige Abschwächerelement 48 durch zwei Elemente 48a, 48b vor und hinter dem Volumenstreuelement 66. und in direktem Kontakt damit ersetzt. Die Abschwächer 48a, 48b können gleich große Öffnungen und das gleiche Muster an Öffnungen aufweisen, oder die Öffnungen können unterschied lich groß und verschieden angeordnet sein.The embodiment described above can be modified in a variety of ways. For example, the Volumenabschwächungs- or scattering element 66 is shown in FIG. 12 by a not uniform dispersive element 44 of the type shown in Fig. 4 c replaced. The non-uniformly scattering element 44 c can be the same as the non-uniformly scattering element 44 , or it can have a different opening pattern, depending on the desired optical properties. In Fig. 13 the only Abschwächerelement 48 by two members 48 a, 48 b before and after the volume scattering element 66. and replaced in direct contact with it. The attenuators 48 a, 48 b can have openings of the same size and the same pattern of openings, or the openings can be arranged differently in size and differently.
Bei anderen Modifikationen ist der Detektor 50 keine Photodiode, sondern ein pyroelektrischer Detektor. Die Detek torfläche kann ebenfalls variieren und statt etwa 1 mm2 zum Beispiel etwa 5 mm2 betragen. In other modifications, the detector 50 is not a photodiode, but a pyroelectric detector. The detector area can also vary and, for example, be about 5 mm 2 instead of about 1 mm 2 .
Das Abschwächerelement 48 kann ganz allgemein aus ei nem optisch undurchlässiges Substratmaterial sein mit einer Matrix von Öffnungen, deren Anzahl größer als 10 ist, um ein fallendes gestreutes oder inkohärentes Licht stückweise abzu schwächen. Bei einer Elementdicke von 25 bis 500 Mikrometern können die Öffnungen 10 bis 200 Mikrometer Größe oder auch 200 Mikrometer bis 4 mm Größe haben. Die Anzahl der Öffnungen kann größer sein als 100. Das Abschwächerelement 48 kann auch aus einem optisch streuenden Substratmaterial sein. Bei einer Elementdicke von 100 Mikrometern bis 2 mm können die Öffnun gen dann wieder 10 Mikrometer bis 4 mm Größe haben. Das op tisch streuende Material für das Abschwächerelement 48 kann ein Keramikmaterial wie Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid sein.The attenuator element 48 can generally be made of an optically opaque substrate material with a matrix of openings, the number of which is greater than 10, in order to piece by piece weaken a falling scattered or incoherent light. With an element thickness of 25 to 500 micrometers, the openings can be 10 to 200 micrometers in size or 200 micrometers to 4 mm in size. The number of openings can be greater than 100. The attenuator element 48 can also be made of an optically scattering substrate material. With an element thickness of 100 micrometers to 2 mm, the openings can then again be 10 micrometers to 4 mm in size. The optically scattering material for the attenuator element 48 can be a ceramic material such as aluminum oxide or zirconium oxide.
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