DE102009040660A1

DE102009040660A1 - Laser-Dosimeter

Info

Publication number: DE102009040660A1
Application number: DE200910040660
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Gowin; Eric Ten Have
Original assignee: Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Current assignee: Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2011-03-10
Also published as: WO2011029513A1

Abstract

Um ein möglichst einfach und kompakt aufgebautes Laser-Dosimeter (1) zu erhalten, schlägt die Erfindung vor, dass das Laser-Dosimeter (1) aus einem Gehäuse (2) besteht, welches in seiner dem Laserlicht zugewandten Außenwand (3) mehrere Laserlicht durchlassende Öffnungen (4) aufweist, hinter denen jeweils mindestens ein optischer Sensor (6) angeordnet ist. Die einzelnen Sensoren (6) messen Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen und/oder unterschiedlicher Wellenlängenbereiche, wobei jeder der Sensoren (6) mit einer in dem Gehäuse (2) befindlichen Auswerteelektronik (7) elektrisch verbunden ist, welche die empfangenen Signale auswertet und speichert. Die für den Betrieb der Auswerteelektronik (7) benötigte Energieversorgung erfolgt vorzugsweise mittels einer ebenfalls in dem Gehäuse (2) angeordneten Stromquelle (8).

Description

Laser-Dosimeter werden zur Messung der auf eine Person auftreffenden Laserstrahlung, etwa auf einem Gefechtsfeld oder in Räumen, in denen Laser eingesetzt werden, benötigt. Derartige Laser-Dosimeter sollen möglichst klein sein und etwa die Größe einer Ausweis- oder Badge-Karte besitzen, sodass sie auf einfache Weise von der auf Laserstrahlen zu überwachenden Person getragen werden kann.
Ein derartiges (Personen-)Laser-Dosimeter ist beispielsweise aus der US 5,698,343 bekannt. Dieses bekannte Laser-Dosimeter besteht im Wesentlichen aus einem kleinen Fresnel-Biprisma, welches in optischem Kontakt mit einer Schicht aus einem photopolymerisierbaren Material besteht. Auf dieser Schicht werden dann Hologramme von Interferenzmustern aufgezeichnet, wenn eine Bestrahlung des Dosimeters mit kohärentem Licht (in der Regel Laserlicht) erfolgt, und nach Ende eines Überwachungszeitraumes ausgewertet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst einfach und kompakt aufgebautes Laser-Dosimeter anzugeben, mit dem der Einsatz von Lasern und insbesondere verbotenen Laserwaffen gesichert und quantifiziert nachweisen zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
Die Erfindung beruht im Wesentlichen auf dem Gedanken, ein Lasermesser aufzuzeigen, bei dem auf ein Prisma und ein Interferenz-Hologramme aufzeichnendes Material verzichtet werden kann. Dabei messen einzelne oder verschiedene Detektoren für einzelne oder verschiedene Wellenlängen und Leistungs- bzw. Energiebereiche die auf den/die Detektor(en) fallende Laserstrahlung.
Für eine gesicherte Detektion auch von gepulsten Lasern (nichtlineare Prozesse) mit einer niedrigen mittleren Leistung wird die kurzpulsige Laserstrahlung ausgewertet. Zum Nachweis dieser kurzpulsigen Laserstrahlung kann ein nichtlinearer Effekt (nichtlineares Medium) genutzt werden, z. B. mittels stimulierte Raman- Streuung, Fluoreszenzkonversion, Phosphoressenzkonversion oder die Anwendung von sättigbaren Absorbern. Da dem Detektorprinzip eine Wellenlängenverschiebung zugrunde liegt, sollte hinter dem nichtlinearen Medium ein weiterer optischer Filter verwendet werden, der die konvertierte zur detektierten Wellenlänge durchlässt, aber die einfallende Wellenlänge blockiert. Erst danach fallen diese auf den/die Detektor(en).
Stimulierte Raman Streuung als auch die Fluoreszenz- und Phosphoressenzkonversion werden dabei zur Realisierung einer Wellenlängenverschiebung eingesetzt, wobei Photonen des einfallenden Lichts absorbiert und über den nicht linearen Prozess Photonen einer anderen Wellenlänge emittiert werden. Die Stärke bzw. die Effizienz diese Vorgangs ist dabei von deren Intensität der einfallenden Strahlung abhängig, sodass sich diese Vorgänge besonders für den Nachweis kurzpulsiger Laseranwendungen eignen, da hier hohe Spitzenintensitäten erreicht werden.
Als Medium für die Raman Streuung sind eine Vielzahl gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe verwendbar, insbesondere aber LiNbO₃ als auch InSb. Die Wahl als geeignetes Medium hängt jedoch von den jeweiligen Details der zu detektierenden Wellenlängen und Signalstärken ab und ist auf diese abzustimmen.
Für die Flouressenz- und Phosphoressenzkonversion gibt es verschiedene Farbstoffe, die angewendet werden können. Diese können in einer niedrigen Konzentration in einer Polymermatrix (z. B. PMMA) angeordnet werden, um so einfacher in den Detektor eingebaut werden zu können. Für die unterschiedlichen zu detektierenden Wellenlängen sind die anzuwendenden Farbstoffe anhand ihrer Absorption- und Emissionsspektren auszuwählen, um so die Kombination von zu detektierenden Signalen und verwendeten Farbstoffen zu optimieren. – Zum Nachweis der Wellenlänge von beispielsweise 532 nm würden sich beispielsweise die Farbstoffe Dil oder SYTO 82 eignen, für den Nachweis der Wellenlänge 633 nm hingegen DiD oder SYTOR Red (siehe auch http://www.invitrogen.com/site/us/en/home/support/Research-Tools/Fluorescence-SpectraViewer.html).
Sättigbare Absorber verändern die Wellenlänge der einfallenden Strahlung nicht, können aber zur Unterscheidung von kurzpulsiger Strahlung und Dauerstrichstrahlung herangezogen werden. Die Absorber erreichen ihrerseits einen gesättigten Zustand, sodass das Medium nicht länger mehr als Absorber funktioniert. Die Sättigung hängt dabei von der Intensität der einfallenden Strahlung ab, bei kurzen Pulsen mit hoher Spitzenintensität sorgt die ansteigende Flanke für die Sättigung des Absorbers, sodass der Bereich der höchsten Intensität keine Absorption mehr erfährt. Nach Abklingen des Pulses relaxiert das Material und gelangt in seinen Grundzustand zurück. Als Absorber können ebenfalls Farbstofflösungen verwendet werden, deren Absorptionsspektrum auf die zu detektierende Wellenlänge abgestimmt sein sollte. Auch können schaltbare Halbleiterelemente als sättigbare Absorber verwendet werden.
Das Laser-Dosimeter besteht aus einem Gehäuse, welches in seiner dem Laserlicht zugewandten Außenwand vorzugsweise mehrere, Laserlicht durchlassende Öffnungen aufweist, hinter denen jeweils mindestens ein optischer Sensor angeordnet ist. Die einzelnen Sensoren messen Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen und/oder unterschiedlicher Wellenlängenbereiche, wobei jeder der Sensoren mit einer in dem Gehäuse befindlichen Auswerteelektronik elektrisch verbunden ist, welche die empfangenen Signale auswertet und speichert. Die für den Betrieb der Auswerteelektronik benötigte Energieversorgung erfolgt vorzugsweise mittels einer ebenfalls in dem Gehäuse angeordneten Stromquelle.
Bei einem derartigen Laser-Dosimeter kann das Gehäuse klein gehalten werden, sodass problemlos auch mehrere Dosimeter außen am Körper der jeweiligen auf Laserstrahlung zu überwachenden Person getragen werden können. Außerdem können Sensoren entsprechend dem neuesten Stand der Technik eingesetzt und im Hinblick auf den jeweiligen Einsatzfall (Bedrohungsprofil) optimiert werden.
Vorzugsweise sollte das Gehäuse des Laser-Dosimeters robust und manipulationssicher sein, um eine Verfälschung der gemessenen Daten zu verhindern bzw. Spuren zu hinterlassen. Die Auswertung der Dosimeter durch eine Dritte unparteiische Instanz ist dabei ebenfalls möglich.
Das Erreichen der Manipulationssicherheit ist auf verschiedene Möglichkeiten realisierbar. In der einfachsten Variante kann das Gehäuse durch eine Rück- und eine Frontplatte mit einer Öffnung für den Eintritt der Laserstrahlung gebildet sein. Hierbei wäre dann beispielsweise eine saubere Verschlussnaht zwischen den beiden Gehäuseteilen zu sehen sein. Eine andere Möglichkeit ist das Umspritzen der Elektronikbauteile mit Kunststoff und/oder Kunstharz. Auch ein Verkleben der Nahtstellen mit einem Versiegelungsaufkleber bietet sich an. Hierbei ist eine Zerstörung ebenfalls leicht erkennbar und neue Aufkleber nur durch autorisierte Personen wieder aufbringbar. Ein verschweißen der Nahtstellen mit Plastikfolie ähnlich wie bei Medikamentenverpackungen ist eine weitere Alternative. Da es sic hierbei um eine Spezialapparatur handelt für das Verschweißen ist ein Wiederverschließen durch Unberechtigte ausgeschlossen. Zum anderen kann eine besondere Folie verwendet werden, beispielsweise mit einem besonderen Schriftzug oder ein Hologramm. Bekannt ist auch Farblack an wenigstens einer Befestigungsschraube.
Um mit den einzelnen Sensoren unterschiedliche Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche auf Laserstrahlung zu analysieren, werden den Sensoren optische Filter vorgeschaltet sind, welche nur Licht der vorgegebenen Wellenlänge oder des vorgegebenen Wellenlängenbereiches durchlassen.
Vorzugsweise kann die Auswerteelektronik derart aufgebaut sein, dass die von den Sensoren empfangenen Signale jeweils mit einem voreinstellbaren Schwellenwert verglichen werden und dass beim Überschreiten des Schwellenwertes ein Alarmsignal (optisch, akustisch, taktil oder dergleichen) ausgelöst wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand einer Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
1 einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Laser-Dosimeters,
2 einen schematischen Querschnitt einer weiteren Variante (auszugsweise).
Die Kombination von Filter, Detektor (Sensor) und Auswerteeinheit kann an das jeweils herrschende (Bedrohungs-)Profil bzw. Vorgaben angepasst werden. Insbesondere die Schwellwerte sind dazu variierbar.
In der 1 ist als ein repräsentatives Ausführungsbeispiel mit 1 ein Laser-Dosimeter bezeichnet, welches ein Gehäuse 2 umfasst, das vorzugsweise in etwa die Abmessungen einer Badge-Karte (auch einer dickeren Smart-Karte, einer Ausweiskarte oder dergleichen) besitzt und sehr robust sowie manipulationssicher (beispielsweise durch Umspritzen des Gehäuses 2 oder der elektronischen Baugruppen mit Kunststoff) aufgebaut ist.
Die dem Laserlicht zugewandte Außenwand 3 des Gehäuses 2 enthält vorzugsweise mehrere Laserlicht durchlassende Öffnungen 4. Hinter jeder der Öffnungen 4 ist ein optisches Filter 5 angeordnet, wobei die einzelnen Filter 5 Licht unterschiedlicher Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche durchlassen. Im Inneren des Gehäuses 2 sind den Filtern 5 optische Sensoren 6 nachgeschaltet. Dabei ist jeder der Sensoren 6 mit einer in dem Gehäuse 2 befindlichen Auswerteelektronik 7 elektrisch verbunden, welche die Sensorsignale auswertet und speichert. Die Sensoren können 3 können auf einer Leiterplatte (nicht weiter dargestellt) ausgebracht und dadurch elektrisch kontaktiert sein.
Zum Betrieb der Auswerteelektronik 7 ist eine Batterie 8 oder ein anderer Energiespeicher vorgesehen, die/der ebenfalls in dem Gehäuse 2 angeordnet ist. Allerdings besitzt die Auswerteelektronik 7 Speicherelemente (nicht dargestellt), die sicherstellen, dass bereits gespeicherte Messergebnisse auch beim Abschalten der Batteriespannung nicht verloren gehen (insbesondere dann, wenn die Batterie(n) leer ist/sind). Außerdem ist die Auswerteelektronik 7 bevorzugt so ausgelegt, dass sie nach dem Auslesen der Messwerte für die wiederholte Verwendung reinitialisiert werden kann.
2 zeigt eine Variante zum Messen kurzpulsiger (gepulster) Laserstrahlungen. Für diesen nichtlinearen Prozess werden hinter dem bereits in 1 eingebundenen Filter 5 zwei weitere Filter 9, 10 platziert. Der nichtlineare Filter 9 ist dabei beispielsweise ein Fluoreszenzfarbstoff in einer Polymermatrix und der zweite Filter 10 ein optischer Filter. Der zweite Filter dient dabei zur Trennung von Laser- und Fluoreszenzlicht. Diesen ist dann der Sensor 6 nachgeschaltet. Im Fall der sättigbaren Absorption ist nur der nichtlineare Filter 9 von Nöten.
Die Auswerteelektronik 7 ist derart aufgebaut, dass die von den Sensoren 6 empfangenen Signale (beider Varianten) allgemein als entsprechender Signalwert gespeichert und in einer bevorzugten Ausführung jeweils mit einem voreinstellbaren Schwellenwert verglichen werden. Beim Überschreiten des Schwellenwertes kann ein Alarmsignal ausgelöst werden. Das Alarmsignal kann dann beispielsweise einem ebenfalls in dem Laser-Dosimeter 1 befindlichen Lautsprecher (nicht dargestellt) zugeführt werden.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So können die Öffnungen 4 auch durch lichtdurchlässige Scheiben aus Glas oder Kunststoff verschlossen sein. Diese können gegebenenfalls auch mindestens teilweise die Funktion der optischen Filter übernehmen.
Ferner kann auch auf die optischen Filter 5 ganz verzichtet werden, wenn Sensoren 6 verwendet werden, welche nur in dem vorgegebenen Wellenlängenbereich lichtempfindlich sind.
Das Gehäuse 2 kann durch eine nachweisliche Verschlussnaht 11 und/oder einen Versigelungsaufkleber 12 etc. manipulationssicher verschlossen werden.
Bezugszeichenliste

1: Laser-Dosimeter
2: Gehäuse
3: Außenwand
4: Öffnung
5: optischer Filter
6: Sensor
7: Auswerteelektronik
8: Stromquelle, Batterie
9: nichtlinearer Filter
10: optischer Filter (zweiter)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5698343 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.invitrogen.com/site/us/en/home/support/Research-Tools/Fluorescence-SpectraViewer.html [0009]

Claims

Laser-Dosimeter, mit ein Gehäuse (2), welches in seiner dem Laserlicht zugewandten Außenwand (3) mindestens eine, vorzugsweise mehrere Laserlicht durchlassende Öffnungen (4) aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass hinter jeder der Öffnungen (4) der Außenwand (3) im Inneren des Gehäuses (2) wenigstens ein das Laserlicht einer vorgegebenen Wellenlänge und/oder eines vorgegebenen Wellenlängenbereiches detektierender Sensor (6) angeordnet ist und der einzelne oder die verschiedenen Sensoren (6) für einzelne oder verschiedene Wellenlängen und Leistungs- bzw. Energiebereiche die auf den/die Detektor(en) fallende Laserstrahlung messen, wozu diesen jeweils ein Filter (5) vorgeschaltet ist.
Laser-Dosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Nachweis einer kurzpulsigen Laserstrahlung ein oder zwei zusätzliche Filter (9, 10) vorgesehen sind, welche dem jeweiligen Filter (5) nachgeschaltet und den Sensoren (6) vorgeschaltet werden.
Laser-Dosimeter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein nichtlinearer Effekt mittels nichtlineares Medium genutzt wird, beispielsweise ein mittels stimulierter Raman- Streuung, Fluoreszenzkonversion, Phosphoressenzkonversion oder die Anwendung von sättigbaren Absorbern erzeugter nichtlinearer Effekt, um auch gepulste Laserstrahlungen mit einer niedrigen mittleren Leistung aufnehmen zu können.
Laser-Dosimeter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stimulierte Raman Streuung als auch die Fluoreszenz- und Phosphoressenzkonversion für eine Wellenlängenverschiebung eingesetzt werden, wobei Photonen des einfallenden Lichts absorbiert und über den nicht linearen Prozess Photonen einer anderen Wellenlänge emittiert werden.
Laser-Dosimeter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem nichtlinearen Medium ein weiterer optischer Filter verwendet wird, der die konvertierte zur detektierten Wellenlänge durchlässt, aber die einfallende Wellenlänge blockiert.
Laser-Dosimeter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium für die Raman Streuung eine Vielzahl gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe verwendbar sind, insbesondere aber LiNbO₃ als auch InSb.
Laser-Dosimeter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium für die Flouressenz- und Phosphoressenzkonversion verschiedene Farbstoffe in einer niedrigen Konzentration in einer Polymermatrix angewendet werden können.
Laser-Dosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Sensoren (6) mit einer in dem Gehäuse (2) befindlichen Auswerteelektronik (7) verbunden ist, welche die Messsignale der Sensoren (6) auswertet und speichert und die Auswerteelektronik (7) ist mit einer ebenfalls in dem Gehäuse (2) angeordneten Stromquelle (8) verbunden.
Laser-Dosimeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Laser-Dosimeter (1) um eine von nur einer Person tragbare Einrichtung handelt.
Laser-Dosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) des Laser-Dosimeters (1) etwa die Abmessungen einer Badge-Karte oder dergleichen besitzt und mittels einer Trageeinrichtung versehen ist, sodass das Laser-Dosimeter (1) außen am Körper von einer auf Laserstrahlung zu überwachenden Person getragen werden kann.
Laser-Dosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) des Laser-Dosimeters (1) derart verschlossen ist, dass es von einer unberechtigten Person nicht geöffnet werden kann, ohne dass der Öffnungsvorgang anschließend feststellbar ist.
Laser-Dosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (7) derart aufgebaut ist, dass die von den Sensoren (6) bereitgestellten Messsignale jeweils mit einem voreinstellbaren Schwellenwert verglichen werden, wobei beim Überschreiten des Schwellenwertes ein Alarmsignal ausgelöst werden kann.
Laser-Dosimeter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Alarmsignal optischer, akustischer und/oder taktiler Art ist.