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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren von Impulsen
elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Laserimpulsen, mit
wenigstens zwei benachbarten Fotodetektoren und optischen Einrichtungen
zum unterschiedlichen Aufgeben der einfallenden Strahlung auf die
Fotodetektoren als Funktion der Einfallsrichtung.
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Die
Anmelderin hat Detektoren für
elektromagnetische Strahlungsimpulse, insbesondere für Laserimpulse
untersucht, die einen oder mehrere Empfänger mit Fotodetektoreinrichtungen
aufweisen. Der Empfänger
weist einen oder mehrere durchscheinende Zylinder auf, die jeweils
auf ihrer Rotationsfläche
mit einem Empfangsfenster versehen sind, um dem Empfänger eine
Winkelempfindlichkeit in Seiten- und Höhenrichtung zu geben.
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Obwohl
diese Detektoren zufriedenstellend funktionieren hat die Anmelderin
festgestellt, daß bessere
Empfänger
geschaffen werden können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe einer Verbesserung der eingangs
genannten Detektoren zugrunde. Ein Ziel der Erfindung besteht darin,
einen Detektor zu schaffen, der imstande ist, den Winkel von einfallenden
Laserimpulsen über
einen Bereich von +/– 180° in Seitenrichtung
und +90° in
Höhenrichtung
zu überwachen.
Eine weitere Teilaufgabe besteht in der Verbesserung der Detektorempfindlichkeit.
Darüberhinaus
soll ein Detektor geschaffen werden, der leicht auf einem dichten
elektronischen Gehäuse
auf der Außenseite
des Fahrzeugs anbringbar ist.
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Zur
Lösung
der genannten Aufgabe schlägt die
Erfindung bei einer Vorrichtung mit mindestens zwei benachbarten
Fotodetektoren und optischen Mitteln zum Aufgeben der einfallenden
Strahlung auf die Fotodetektoren in Abhängigkeit von der Einfallsrichtung
der Strahlung vor, daß die
optischen Einrichtungen mindestens eine doppelte Reflexionsfläche aufweisen,
die sich in dem Bereich zwischen den Detektoren erstrecken und einen
Bereich begrenzen, der eine im wesentlichen isotrope Lichtdurchlässigkeit über die
Einfallsrichtungen hin aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
ist vorgesehen, daß der
genannte Bereich einen Rotationskörper aufweist, der durch eine
Erzeugende begrenzt ist, die die Drehachse schneidet und daß die Drehachse
im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Fotodetektoren steht. Eine äußerst bevorzugte
Ausgestaltung sieht vor, daß der
Körper
eine zusätzliche
innere Metallisation aufweist, die ihn schneidet und derart zwei zusätzliche
der selektiven Fotodetektoren ausgesetzte Bereiche bildet. Bei zwei
inneren Metallisierungen, die sich schneiden, erhält man also
vier der selektiven Fotodetektion zugängliche Bereiche.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die
beiden inneren Metallisationsebenen orthogonal zueinander und zur
Drehachse des Körpers
stehen. Eine praktische Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus,
daß der
Rotationskörper
durch eine erzeugende Kurve begrenzt ist, die die Drehachse unter
einem rechten Winkel schneidet, während die Erzeugende an ihrem entgegengesetzten
Ende abgeschnitten ist, so daß sich
im wesentlichen eine Halbkugel ergibt. Stellt man sich einen Ringweg
durch die vier Teile im trigonometrischen Sinne vor, so ergibt sich
eine Ausgestaltung, bei der die Fotodetektoreinrichtungen einen ersten,
einen zweiten, einen dritten und einen vierten Fotodetektor aufweisen,
die jeder mit einem der selektiven Fotodetektion ausgesetzten Bereich
verbunden sind.
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In
der Praxis bedeckt jeder Fotodetektor eine entsprechende Fläche, die
durch die beiden mit inneren Metallisationen am freien Ende des
Drehkörpers gegenüber der
oben genannten Erzeugenden angeordnet ist.
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In
bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Fotodetektoreinrichtung
mit folgenden Signalweiterverarbeitungseinrichtungen verbunden sind:
- – einem
ersten, einem zweiten, einem dritten und einem vierten Verstärker, die
jeweils die Ausgangssignale des ersten, zweiten, dritten und vierten
Fotodetektors empfangen;
- – einem
ersten Additionsverstärker
der Ausgänge der
Verstärker
der Fotodetektoren, die auf einer Seite der ersten Metallisation
angeordnet sind;
- – einem
zweiten Additionsverstärker
der Ausgänge
der Verstärker
der Fotodetektoren, die auf der anderen Seite der ersten Metallisation
angeordnet sind;
- – einem
dritten Additionsverstärker
der Ausgänge der
Verstärker
der Fotodetektoren, die auf einer Seite der zweiten inneren Metallisation
angeordnet sind; und
- – einem
vierten Additionsverstärker
der Ausgänge der
Verstärker
der Fotodetektoren, die auf der anderen Seite der zweiten inneren
Metallisation angeordnet sind.
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In
Weiterbildung ist vorgesehen, daß die Signalweiterverarbeitungseinrichtungen
weiterhin einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten
logarithmischen Verstärker
aufweisen, der jeweils die Signale des ersten, des zweiten, des
dritten und vierten Additionsverstärkers empfängt;
daß ein erster
Differenzverstärker
die Signale des ersten und des zweiten logarithmischen Verstärkers empfängt und
ein Meßsignal
ergibt, das für
den Seitenwinkel der einfallenden elektromagnetischen Strahlung
empfindlich ist;
und daß ein
zweiter Differenzverstärker
die Signale des dritten und vierten logarithmischen Verstärkers empfängt und
ein Meßsignal
abgibt, das für
die einfallende elektromagnetische Strahlung empfindlich ist.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, daß der Körper an seiner Basis durch
einen zusätzlichen
Drehkörper,
wie einen Zylinder, verlängert ist,
der aus für
die elektromagnetische Strahlung transparentem Material besteht
und auf der Außenseite
metallisiert ist und als Verbindung zu den Fotodetektoren dient,
daß die
beiden inneren Metallisationen durch beide Körper hindurchreichen und daß sie die
Körper
in vier selektiver Fotodetektion ausgesetzte Teile trennen.
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In
der Praxis wird der Durchmesser der Basis des Drehkörpers gleich
dem Durchmesser der Basis des zusätzlichen Körpers sein. Vorteilhafterweise
ist vorgesehen, daß Zwischenflächen zwischen
der Basis des zusätzlichen
Körpers
und den Fotodetektoreinrichtungen angeordnet sind. Die Zwischenfläche kann
eine dünne
Schicht aufweisen, die die Gesamtheit der Basis des zusätzlichen
Körpers
bedeckt, wobei das die Schicht bildende Material einen Brechungsindex
aufweist, der im wesent lichen demjenigen des die beiden Körper bildenden
Materials entspricht.
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In
einer Ausgestaltungsvariante kann die Zwischenschicht eine Luftschicht
beinhalten, die die Gesamtheit der Basis des zusätzlichen Körpers bedeckt. Vorteilhafterweise
besteht der zusätzliche
Körper
aus einem transparentem Material, das für die elektromagnetische Strahlung
volumenstreuend ist. Ebenfalls ist vorzugsweise vorgesehen, daß das lichtdurchlässige Milieu
transparentes Material aufweist, das für die elektromagnetische Strahlung
volumenstreuend ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und
aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen
erläutert
ist. Dabei zeigen:
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1 Eine
schematische Sicht eines Transversalschnitts durch den Detektor
in der Metallisationsebene PM2;
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2 eine
schematische Aufsicht auf den Detektor der 1;
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3 als
Blockschaltbild den elektronischen Teil des erfindungsgemäßen Detektors;
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4 eine
Darstellung zur Erläuterung
der Winkeldetektion von ankommenden Laserimpulsen; und
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5 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors.
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Die
Erfindung beinhaltet Merkmale, insbesondere geometrische Merkmale,
die anders als durch eine Zeichnung schwierig darzulegen sind. Daher
beinhalten die beigefügten
Zeichnungen einen integralen Bestandteil der Beschreibung und dienen nicht
nur zum besseren Verständnis
der Beschreibung, sondern auch gegebenenfalls darüberhinaus zur
Definition der Erfindung. Der Inhalt der Voranmeldungen P 37 42
773 und P 38 17 983 wird zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung
im Hinblick auf das Verständnis
der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Vorarbeiten gemacht.
In der 1 weist der Empfänger einen Rotationskörper C auf,
dessen Erzeugende die Drehachse R unter einem rechten Winkel schneidet.
Der Körper
C hat grundsätzlich
die Form einer Halbkugel.
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Der
Körper
C besteht beispielsweise aus Spezialglas (Bohrsilikat), dessen Durchlaßband sich beispielsweise
im Bereich von 0,3 bis 3 Mikrometer befindet. Man kann auch andere
Materialien, insbesondere metallische oder Kunststoffmaterialien,
verwenden, deren mechanische und thermische Eigenschaften geeignet
sind und die im nützlichen
oder interessanten Wellenlängenbereich
durchlässig
sind.
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Das
Glas kann feine Teilchen aus Titandioxid aufweisen, welches "Rutil" genannt wird und
welches dem Glas die Eigenschaft der Volumenlichtstreuung gibt.
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In
diesem Fall ist der Körper
im Inneren durchscheinend, das heißt, er ist transparent, aber volumenstreuend.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich aber auch auf einen Körper, der
die Volumenstreueigenschaft nicht aufweist.
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Im
Inneren des Körpers
C sind zwei metallisierte Ebenen PM vorgesehen, die auf ihren beiden Flächen für die zur
detektierenden Wellenlängen
so gute Reflektoren wie möglich
sind. Die beiden inneren Metallisationsebenen PM1, PM2 stehen aufeinander
senkrecht und parallel zur Drehachse des Körpers C. Genauer gesagt schneiden
die Metallisationsebenen PM1, PM2 die Drehachse R.
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Derart
sind im Körper
C ein oberer rechter Teil DS, ein unterer rechter Teil DI, ein oberer
linker Teil GS und ein unterer linker Teil GI definiert (für einen
Betrachter, der den gebogenen Teil des Körpers C in Aufsicht entsprechend
der 2 betrachtet).
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Die
vier Teile DS, DI, GS, GI sind jeweils mit Fotodetektoren D verbunden,
die entsprechend mit D1DS, D4DI, D2GS und D3GI bezeichnet sind und die
weiter unten erläutert
werden.
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An
der Basis des Körpers
C ist eine Verlängerung
OM vorgesehen. Die Verlängerung
OM ist ein Zylinder, der ebenfalls transparent ist. Eine äußere Metallisierung
ML umgibt die Verlängerung
OM. Die beiden Metallisationsebenen PM1, PM2 erstrecken sich vom
einen Ende zum anderen Ende der beiden Körper C und OM und begrenzen
derart die vier Teile, die selektiver Fotodetektion ausgesetzt sind.
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Man
stellt fest, daß der
Zylinder OM für
die Funktion des Detektors nicht absolut notwendig ist. Er erleichtert
aber die Installation des Detektors auf einem dichten Elektronikgehäuse, das
beispielsweise auf dem Äußeren eines
Luftfahrzeugs angeordnet ist.
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Weiterhin
ist eine Zwischenfläche
IT zwischen der Basis des Zylinders OM und den Fotodetektoren D
vorgesehen. Die Zwischenfläche
IT kann eine dünne
Materialschicht sein, die die untere Basis LI des Zylinders vollständig bedeckt.
Das die Schicht bildende Material ist beispielsweise ein optischer Klebstoff,
der einen Brechungsindex aufweist, der nahezu gleich dem des transparenten
Materials ist, das den Körper
C und den Zylinder OM bildet (dies ist wichtig, wenn der Körper C und
der Zylinder OM nicht lichtstreuend sind).
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung weist die Zwischenfläche IT die untere mattierte
Basis LI des Zylinders OM und eine Luftschicht (nicht dargestellt)
auf. Die Fotodetektoren D empfangen derart Licht, daß durch
die Mattierung der unteren Basis LI des Zylinders OM bestreut wurde,
ohne daß eine
Anpassung des optischen Index notwendig ist. Die Detektoreinrichtung
D weist vier Fotodetektoren auf, die jeweils mit einem der selektiven
Fotodetektion ausgesetzten Bereich verbunden sind.
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Jeder
Fotodetektor D1DS, D2GS, D3GI und D4DI bedeckt derart jeweils eine
Fläche,
die durch die beiden Metallisationsebenen PM1 und PM2 am freien
Ende des Zylinders OM begrenzt ist. Die Fotodetektoren D1DS, D2GS,
D3GI und D4DI sind optoelektronische Dioden, die eine Umwandlung
des durch den Körper
C empfangenen elektromagnetischen Signals in ein elektrisches Signal
bewirken.
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Die 3 zeigt
eine Übersicht
der mit den Fotodektoreinrichtungen verbundenen Signalweiterverarbeitungseinrichtungen.
Vier individuelle Verstärker
A1 bis A4 empfangen jeweils die Signale der vier Fotodetektoren
D1DS, D2GS, D3GI und D4DI, die entsprechend der 2 angeordnet
sind.
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Ein
erster Additionsverstärker
AS1 erhält
die Ausgänge
der Verstärker
A1 und A4 der Fotodetektoren D1DS und D4DI, die rechts der ersten
inneren Metallisationsebene PM1 angeordnet sind (2). Ein
zweiter Additionsverstärker
AS2 erhält
entsprechend die Ausgänge
der Verstärker
A2 und A3 der Fotodetektoren D2GS und D3GI, die links der inneren
Metallisierung PM1 angeordnet sind.
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Ein
dritter Additionsverstärker
AS3 empfängt die
Signale der Verstärker
A1 und A2 der beiden Fotodetektoren D1DS und D2GS, die auf der oberen Seite
der zweiten inneren Metallisation PM2 angeordnet sind (2).
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Ein
vierter Additionsverstärker
AS4 empfängt
in gleicher Weise die Ausgänge
der Verstärker A3
und A4 der beiden Foto detektoren D3GI und D4DI, die auf der Unterseite
der internen Metallisation PM2 angeordnet sind.
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Die
Verarbeitungseinrichtungen weisen noch vier logarithmische Verstärker AL
auf, die einzeln mit AL1 bis AL4 bezeichnet sind und entsprechend
die Ausgangssignale der vier Additionsverstarker AS bzw. individuell
bezeichnet mit AS1 bis AS4 empfangen.
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Ein
erster Differenzverstärker
AD1 empfängt die
Ausgangssignale der logarithmischen Verstärker AL1 und AL2, um ein Meßsignal
abzugeben, das für den
Seiteneinfallswinkel der von dem Körper C eingefangenen Laserimpulse
empfindlich ist, wie man im Detail im folgenden sehen wird.
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Ein
zweiter Differenzverstärker
AD2 empfängt
die Signale der logarithmischen Verstärker AL3 und AL4. Der Differenzverstärker AD2
liefert ein Meßsignal,
das für
den Einfallshöhenwinkel
der vom Körper
C eingefangenen Laserimpulse empfindlich ist, wie ebenfalls im folgenden
erläutert
wird.
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Die 4 zeigt
die Funktion der Verarbeitungseinrichtungen, die unter Bezugnahme
auf die 3 beschrieben wurden und stellt
einen Detektor im Transversialschnitt entlang der Metallisationsebene
PM2 dar (1). Das elektromagnetische Strahlenbündel RE
wird in zwei Unterbündel
RE1 und RE2 durch die Metallisationsebene PM1 aufgespalten.
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Die
Dioden D1DS und D4DI liefern – nach Addition
durch den Additionsverstärker
AS1 – ein elektrisches
Signal, das der im Strahlenbündel
R1 enthaltenen Energie proportional ist, während die Dioden D2GS und D3GI
nach Addition durch den Verstärker
AS2 ein Signal liefern, das der im Strahlenbündel RE2 enthaltenen Energie
proportional ist.
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Man
erhält
daher beim Differenzverstärker AD1
eine Information, die eine Funktion des Winkels a' ist. Der Winkel
a' ist das Komplement
zu dem Winkel a (a' =
90° – a), was
wiederum das Argument eines Kosinus des einfallenden Strahlenbündels RE relativ
zur Spur der Ebene PM1 in der Ebene der Fotodetektoren ist.
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Genauer
erhält
man die Winkelinformation a durch Division des Signals vom logarithmischen
Verstärker
AL1 (log D1DS + D4DI) durch das Signal des logarithmischen Verstärkers AL2
(log D2GS + D3GI).
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Vorteilhafterweise
erhält
man, wenn man die Summe der Signale des logarithmischen Verstärkers AL3
(log D1DS + D2GS) mit den Signalen des logarithmischen Verstärkers AL4
(log D3GI + D4DI) bildet, eine Information, die eine Funktion des
Winkels b' ist,
wobei b' das Komplement
zum Winkel b ist (b' =
90° – b). Dies
ist wiederum das Argument des anderen Kosinus, der die Richtung
der durch den Körper
C aufgefangenen Laserimpulse relativ zur Spur der Ebene PM2 in der
Ebene der Fotodetektoren bezeichnet.
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Der
Fachmann erkennt, daß,
ausgehend von den Informationen a und b, man zur Seitenrichtung und
zur Höhenrichtung
der empfangenen Impulsstrahlung ebenso wie zu deren (geographischen) Breite
und Länge
gelangt.
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Selbstverständlich ist
das beschriebene Beispiel nicht mehr als ein erläuterndes und nicht beschränkendes
Beispiel. Der Fachmann versteht, daß die Winkel a und b durch
eine unterschiedliche Ausgestaltung der Fotodetektoren und eine
unterschiedliche Anordnung des Detektors erhalten werden können.
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Es
ist zu bemerken, daß die
Funktionen von a' und
b' monoton sind
und unendlich zustreben, wenn die Winkel a' und b' 90° zustreben.
Die Anmelderin hat beobachtet, daß man diese Funktionen linearisieren
kann und sie einen endlichen Wert für a' und b' = 90° annähern kann,
wenn die Konfiguration der Metallisationsebenen geändert wird.
Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit derart modifizierten
inneren Metallisationen. Sie stellt den Detektor in einem Transversialschnitt entsprechend
dem der 1 dar. Man findet den Körper C wieder,
der durch den Zylinder OM verlängert
ist, die beide durch die inneren Metallisationen PM1 und PM2 begrenzt
sind. Im Hinblick auf die Linearisierung der Funktionen der Winkel
a' und b' läßt man einen
dünnen
Zwischenraum zwischen dem Umfang CC des Körpers C und dem Umfang CPM1,
der durch die inneren Metallisationen PM1 und PM2 bestimmt ist.
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Andererseits
kann man das Material des Körpers
C als Funktion des oder der zu bearbeitenden Wellenlängenbereiche
wählen.
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Darüberhinaus
kann die gesuchte Winkelempfindlichkeit anders als durch Seiten-
und Höhenwinkel
ausgedrückt
werden, wie dies oben erwähnt wurde.
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Wenn
der Körper
C und der Zylinder OM beide streuend sind (translozid, durchscheinend)
ist ihre optische Anpassung untereinander und mit den Fotodetektoren
nicht kritisch. In diesem Falle ist es nicht unabdingbar, daß die Fotodetektoren
die gesamte Innenfläche
des Zylinders OM bedecken. Dagegen ist die Linearität der Antwort
etwas weniger gut, was eine sorgfältigere Auswertung des Signals
bedingt. Wenn umgekehrt der Körper
C und der Zylinder OM rein transparent sind, sind sie mit einem
optischen Klebstoff zwischen ihnen und den Fotodetektoren verbunden.
Die Fotodetektoren bedecken dann praktisch die Gesamtheit der inneren
Fläche
des Zylinders OM.
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Die
Linearität
ist wesentlich besser und die Weiterverarbeitung der Signale ist
vereinfacht.
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Man
kann sich Zwichensituationen vorstellen, bei denen beispielsweise
der Körper
C rein transparent ist, während
der Zylinder OM zumindestens teilweise durchscheinend ist. Schließlich ist
vorstellbar, daß der
Körper
C und der Zylinder OM zumindestens teilweise durch ein gasförmiges Milieu
gegeben sind.