DE10012536A1

DE10012536A1 - Vorrichtung zum Messen der Intensität eines Lichtstrahls

Info

Publication number: DE10012536A1
Application number: DE2000112536
Authority: DE
Inventors: Julian Richard Sarkies
Original assignee: LITRON OPTICAL Ltd RUGBY
Current assignee: LITRON OPTICAL Ltd RUGBY
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2000-09-21
Also published as: GB2347998A; GB9905955D0

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Diese Aufgabe wird mit der im Patentanspruch 1 ange gebenen Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen genannt.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Erfindung umfaßt daher unter anderem ein oder mehrere Oberflächenstreuelemente (z. B. mit einer oder mehre ren matten Oberflächen), gefolgt von:

a) einem oder mehreren nichtgleichförmig streuenden Elementen, deren Lichtdurchlässigkeit und/oder Streuung sich von der Mittelachse zum Umfang des oder der Elemente ändert;
b) einem oder mehreren Volumenstreuelementen oder Streuelementen mit matten Oberflächen; und
c) einem oder mehreren Abschwächerelementen, die ei ne stückweise Abschwächung des auf das oder die Elemente ein fallenden, gestreuten Lichts bewirken.

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.

Es erfolgt nun eine Beschreibung der bevorzugten Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

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.

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.

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.

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.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Vorderansicht einer Vor richtung zur Intensitäts-, Energie- oder Leistungsmessung;

Fig. 2 eine perspektivische Rückansicht der Vorrich tung der 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. 4 eine Aufsicht auf ein nichtgleichförmig streu endes Element, das Teil des optischen Systems der Vorrichtung der Fig. 1 ist;

Fig. 5 eine Aufsicht auf ein Abschwächerelement, das ebenfalls Teil des optischen Systems der Vorrichtung der Fig. 1 ist;

Fig. 6 eine Aufsicht auf eines der Volumenstreuele mente, die auch Teil des optischen Systems der Vorrichtung der Fig. 1 sind;

Fig. 7 ein vereinfachtes Schaltbild der Detektor- und Verarbeitungselektronik;

Fig. 8 und Fig. 9 eine Seiten- bzw. Vorderansicht ei nes alternativen nichtgleichförmig streuenden Elements;

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. 11 ein Diagramm für den Quantenwirkungsgrad ge gen die Wellenlänge bei einer typischen Silizium-Photodiode; und

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Das Element 60 kann eine Aluminiumoxid-Keramikscheibe mit gleichmäßiger Dicke sein, die der Dicke des Elements 44 ähnlich ist.

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.

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

α = N.A_Öffnunung/A_{Abschwächwächer}

wobei N die Anzahl der Öffnungen, A_Öffnung die Fläche einer Öffnung und A_Abschwächer 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

wobei N die Gesamtzahl an Öffnungen und A_i 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).

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.

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.

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.

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 mm²betragen.

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.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der Intensität eines Licht strahls, der auf einer Oberfläche, auf die der Strahl ein fällt, einen Lichtfleck (20) bildet, mit einem lichtaufneh menden Fenster (18), einer Einrichtung (18, 44, 48, 54, 60, 66, 68, 74, 76) zum Streuen und Abschwächen des auf das Fen ster fallenden Lichts, und mit einem Detektor (50) zum Erfas sen der Intensität des gestreuten Lichts; gekennzeichnet durch eine optisch nichtgleichförmig streuende Einrichtung (44) zwischen dem lichtaufnehmenden Fenster (18) und dem De tektor (50), deren Streueigenschaften sich von der Mitte zum Rand hin ändern, wobei die nichtgleichförmig streuende Ein richtung (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.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens ein Element (18; 54) vor der nichtgleichförmig streuenden Einrichtung (44), wobei das wenigstens eine Ele ment ein Oberflächenstreuelement aus optisch transparentem Material ist, von dem wenigstens eine Oberfläche matt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtaufnehmende Fenster (18) ein Oberflächenstreu element mit einer polierten Vorderseite und einer mattierten Rückseite (52) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein zweites Oberflächenstreuelement (54) mit wenigstens einer matten Oberfläche (56; 58).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Oberflächen (56, 58) des zweiten Oberflächenstreu elements (54) mattiert sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtgleichförmig streuende Einrichtung (44) mit Öff nungen in einem Muster versehen ist, das die Nichtgleichför migkeit ergibt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtgleichförmig streuende Einrichtung (44a) eine sich ändernde Dicke besitzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtgleichförmig streuende Einrichtung durch eine nichtgleichförmig absorbierende Einrichtung (44b) ersetzt ist, deren optische Absorption von der Mitte zum Rand hin abnimmt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtgleichförmig streuende Einrichtung (44) ein Streuvermögen aufweist, das von der Mitte zum Rand hin ab nimmt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtgleichförmig streuende Einrichtung aus einem einzigen Element (44) besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtgleichförmig streuende Einrichtung aus einer Anzahl von in Längsrichtung beabstandeten Elementen (44, 44c) besteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtgleichförmig streuende Einrichtung ein mit Öff nungen versehenes Element (44) umfaßt, das mit einem gleich mäßig streuenden Element (60) in Kontakt steht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtgleichförmig streuende Einrichtung aus einem volumenstreuenden Material besteht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Keramik ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik aus Aluminiumoxid ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik aus Zirkoniumoxid ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der nichtgleichförmig streuenden Einrichtung (44) und dem Detektor (50) wenigstens ein Element (74; 76) aus einem volumenstreuenden Material vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der nichtgleichförmig streuenden Einrichtung (44) und dem Detektor (50) eine Anzahl von in Längsrichtung beabstandeten Elementen (74, 76) aus einem volumenstreuenden Material vorgesehen ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem lichtaufnehmenden Fenster (18) und dem De tektor (50) ein Abschwächerelement (48) aus einem optisch undurchlässigen Material mit einer Matrix von Öffnungen, de ren Anzahl größer als 10 ist, vorgesehen ist, um einfallendes gestreutes oder inkohärentes Licht stückweise abzuschwächen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschwächerelement (48) zwischen benachbarten, in Längsrichtung beabstandeten Elementen (66, 68) aus einem vo lumenstreuenden Material angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschwächerelement (48) Öffnungen, die etwa 10 bis 200 Mikrometer groß sind, und eine Elementdicke von 25 bis 500 Mikrometern aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschwächerelement (48) Öffnungen, die etwa 200 Mi krometer bis 4 Millimeter groß sind, und eine Elementdicke von 25 bis 500 Mikrometern aufweist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (50) eine Photodiode oder ein pyroelektri scher Detektor ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (50) eine Fläche von etwa 1 mm² besitzt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (50) eine Fläche von etwa 5 mm² besitzt.

26. Vorrichtung nach Anspruch. 1, gekennzeichnet durch einen im wesentlichen wellenlängenunabhängigen Abschwächer (48), einer analogen oder digitalen Verarbeitungselektronik für das Signal vom Photodetektor (50), und durch eine Ein richtung zum Einstellen der Verstärkung der Elektronik ent sprechend der Wellenlänge der einfallenden Strahlung.

27. Verwendung eines optischen Streuelements (44) mit einem Substratmaterial mit einer Matrix von mehr als 10 Öff nungen, das einfallendes gestreutes oder inkohärentes Licht stückweise abschwächt und streut, bei einer Vorrichtung nach Anspruch 1.

28. Optischer Abschwächer, gekennzeichnet durch ein op tisch undurchlässiges Substratmaterial mit einer Matrix von Öffnungen, deren Anzahl größer als 10 ist, um einfallendes gestreutes oder inkohärentes Licht stückweise abzuschwächen.

29. Abschwächer nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch Öffnungen mit 10 bis 200 Mikrometer Größe und durch eine Ele mentdicke von 25 bis 500 Mikrometern.

30. Abschwächer nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch Öffnungen mit 200 Mikrometer bis 4 mm Größe und durch eine Elementdicke von 25 bis 500 Mikrometern.

31. Abschwächer nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Material rostfreier Stahl ist.

32. Abschwächer nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Öffnungen größer als 100 ist.

33. Optischer Abschwächer, gekennzeichnet durch ein op tisch streuendes Substratmaterial mit einer Matrix von Öff nungen, deren Anzahl größer als 10 ist, um einfallendes ge streutes oder inkohärentes Licht stückweise abzuschwächen.

34. Abschwächer nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch Öffnungen mit 10 bis 200 Mikrometer Größe und durch eine Ele mentdicke von 100 Mikrometern bis 2 mm.

35. Abschwächer nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch Öffnungen mit 200 Mikrometer bis 4 mm Größe und durch eine Elementdicke von 100 Mikrometern bis 2 mm.

36. Abschwächer nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Keramik ist.

37. Abschwächer nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Aluminiumoxid ist.

38. Abschwächer nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Zirkoniumoxid ist.