DE1589721B2 - Schutzvorrichtung gegen die Wirkungen einer optischen Strahlung - Google Patents

Description

innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs eine praktisch wellenlängenunabhängige Schutzvorrichtung erhalten. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn weder der Zeitpunkt noch die Wellenlänge der einwirkenden Strahlung bekannt sind.

Hinsichtlich der Anwendung des Erfindungsgegenstands sind hierfür verschiedene Kombinationen in vorteilhafter Weise geeignet. So ist es möglich, daß das Filtersystem aus einem festen dielektrischen Material als erstem Medium und einer Flüssigkeit oder einem Thermoplast als zweitem Medium besteht. Ferner ist es möglich, daß das Filtersystem aus einem feinkörnigen dielektrischen Material und einem zweiten mit diesem innig verbundenen flüssigen Material besteht. Eines der beiden Medien kann auch ein Duroplast sein. Als besonders vorteilhaft hat sich eine dichte Schüttung feiner Körner eines durchsichtigen Festkörpers in einer Flüssigkeit, analog dem Aufbau des bekannten Christiansen-Filters (Dispersionsfilter), erwiesen. In diesem Fall wirken beispielsweise die Festkörperteilchen in der Flüssigkeit als Streukörper und/oder Absorptionskörper, so daß die eindringende intensive Strahlung durch Streuung und/oder Absorption derart geschwächt wird, daß die aus dem Filter austretende Strahlungsintensität einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die beiden das Filtersystem bildenden Medien aus zwei prismatisch begrenzten, mit ihren pris- · matischen Flächen unmittelbar aneinander grenzenden Körpern bestehen und daß ihre Grenzfläche feine Oberflächenstrukturen aufweist, wobei die Grenzflächenstruktur periodisch sein kann.

Weiter kann das nichtlinear schwächende Filtersystem mit einem anderen, beispielsweise fototropen und erst nach größenordnungsmäßig etwa 10~^;! Sekunden ansprechenden Filtersystem gekoppelt sein. In einem ein Objektiv und ein Okular aufweisenden Beobachtungsinstrument ist es zweckmäßig, daß das nichtlinear schwächende Filtersystem in der Brennebene des Objektives angeordnet ist und daß das Bild der Öffnungsblende des Objektivs in der Ebene der Austrittspupille wesentlich größer ist als eine in dieser Ebene angeordnete Blende. Durch diesen Kunstgriff wird die Bestrahlungsstärke im Fokus, also im erfindungsgemäßen Filtersystem unter sonst gleichen Umständen erhöht, so daß die Schutzwirkung bereits bei entsprechend kleineren Bestrahlungsstärken in dei Eintrittspupille einsetzt als im Normalfall, d. h., wenn das Bild der Eintrittspupille die gleiche Größe wie die Blende in der Austrittspupille besitzt.

Im folgenden wird an Hand einer Schemazeichnung ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 die wesentlichen Übergangsmöglichkeiten bei Einstrahlung einer Frequenz v,

Fig. la den spektralen Verlauf der Transparenz gemäß F i g. 1 und

F i g. 2 eine Fernrohranordnung mit nichtlinearem Filter.

Für die Realisierung einer Schutzvorrichtung mit nichtlinearen optischen Systemen können Medien mit vvenigtens zwei Energiebändern 1 und 5 (Fig. 1) benutzt werden, deren Energiedifferenz für quasimonochromatische Strahlung

AE₁₂ = hv_max = 2hv_min

und deren Breiten A E₁ und A E₂ folgender Ungleichung genügen müssen:

f AE₂ + AE₁₂) ^.

AE₁ + AE₂^E₁₂.

hv_max bzw. hv_min bestimmen hierbei die obere bzw. untere Grenze des nichtlinearen Sperrbereichs, wenn Zweiquantenübergänge vorausgesetzt werden. Allgemein gilt für Quantenübergänge

AE₁₂ = η hv_mln.

Sind die Quantenenergien kleiner als hv_ml„, so reichen sie nicht mehr aus, um im Zweiquantenprozeß die Energiedifferenz E₁₂ zu überbrücken. Für den wirksamen Spektralbereich, in dem der nichtlineare Effekt auftritt, gilt die Beziehung

= v_max - v_min — A

Das obere Energieband 1 besitzt die Breite AE₂. Zwischen seiner oberen Grenze 2 und seiner unteren Grenze 3 kann ein bestimmter Energiezustand besetzt werden. Der verbotene Bereich 4 besitzt die Breite A E₁₂. Vom unteren Energieband 5 mit der oberen Grenze 6 und der unteren Grenze 7 können Absorptionsübergänge ausgehen, und zwar sowohl Einquantenübergänge 8 als auch Mehrquantenübergänge 9. Für die Wirkung der Schutzvorrichtung sind insbebesondere die Zweiquantenübergänge 9 von Bedeutung, und zwar diejenigen, bei denen die Frequenz ν der beiden Quanten gleich ist. Das Auftreten von Zweiquantenübergängen bedeutet physikalisch nicht nur eine Absorption, sondern auch eine Änderung der Brechungsindizes für die den betreffenden Quantenenergien zugeordneten Frequenzen bzw. Wellenlängen. Je nachdem, ob das Spektrum der Strahlenquelle monochromatisch oder kontinuierlich ist, handelt es sich bei den Mehrquantenübergängen um eine Wechselwirkung von Quanten, deren Energien h ν einander gleich sind oder bei denen die Summe der Quantenenergien gleich der Energiedifferenz zwischen dem Anfangs- und dem Endzustand ist.

Auf Grund des in Fig. 1 dargestellten Term-Schemas kann sich der in F i g. 1 a dargestellte spektrale Verlauf der Transparenz ergeben. Die ausgezogene Kurve 1 stellt den spektralen Verlauf der Transparenz für den Fall einer intensitätsunabhängigen Extinktion, also im Bereich mäßiger Intensitäten dar. Wie die Kurve 1 zeigt, besitzt das Filter für diesen Fall insbesondere im sichtbaren Bereich eine hohe optische Transparenz. Die unterbrochene Kurve 2 im oberen Diagramm zeigt den bei nichtlinearer Wechselwirkung beispielsweise im Sichtbaren zusätzlichen absorbierenden Bereich. Diese Kurve 2 veranschaulicht also die wesentliche Schutzwirkung gegenüber extrem intensiven Strahlenquellen. Um im gesamten in Frage kommenden Spektralbereich eine vollkommene Schutzwirkung sicherzustellen, ist noch ein linear wirksames Zusatzfilter mit einer komplementären Durchlaßfunktion notwendig. Die Transparenzkurve 3 dieses Zusatzfilters ist im unteren Diagramm dargestellt.

Um bei vorgegebener Bestrahlungsstärke über einer größeren Fläche (z. B. im Fernfeld eines Lasers) die hinter dem nichtlinearen optischen Element auftre-

tende Bestrahlungsstärke klein zu halten, kann das Filter auch in die Brennebene eines geeigneten Ferniohres gesetzt werden, was aus Fig. 2 hervorgeht. Die einfallende Strahlung tritt hier durch das Objektiv 11 und wird von diesem in dessen Brennebene 12 fokussiert. Dort ist das nichtlineare optische Element 13 angeordnet. Seine Eigenschaften entsprechen für mäßige Intensitäten denjenigen einer optisch homogenen Planparallel-Platte oder einem Prisma. Während also das nichtlineare optische Element für mäßige Intensitäten auf die Intensitäten im Bilde und die resultierende Bildgüte praktisch keinen Einfluß besitzt, bewirkt es eine Streuung, oder Ablenkung und/oder Absorption, sobald die Bestrahlungsstärken in der Brennebene einen Schwellenwert überschreiten, der für die folgenden Elemente gefährlich ist. Durch das Umkehrsystem 14 wird das Bild aufgerichtet. Zur Betrachtung dient das Okular 15.

Insgesamt gesehen wird durch die beschriebene Anordnung der bekannte Effekt erreicht, daß die Bestrahlungsstärken (Feldstärken) des einfallenden Lichtes im Fokus wesentlich höher werden. Außerdem wird gemäß einer weiteren Überlegung die Eintrittspupille so groß gewählt, daß die zugeordnete Austrittspupille wesentlich größer ist als die an dieser Stelle wirksame Blende 16, z. B. die Augenpupille. Die Blende in der Ebene der Austrittspupille wird durch die Augenpupille selbst und/oder erforderlichenfalls auch durch das Bild einer materiellen Blende realisiert. Als Schutzfilter ist unter anderem eine Anordnung geignet, bei der beispielsweise die Winkelvergrößerung des Fernrohrs »1« betragen soll. In diesem Fall kann das Verhältnis vom Durchmesser der Austrittspupille des Abbildungssystems zum Durchmesser der das austretende Bündel begrenzenden Blende besonders groß gewählt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1 2

Patentansprüche- hoher Intensität, beispielsweise der Strahlung eines ' Lasers mit einem Filtersystem, das die Strahlung !.Schutzvorrichtung gegen die Wirkungen einer selbsttätig intensitätsabhängig schwächt,
optischen Strahlung extrem hoher Intensität, bei- Aus der USA.-Patentschrift 32 66 370 ist ein Filterspielsweise der Strahlung eines Lasers, mit einem 5 system zur Begrenzung der Strahlungsleistung einer Filtersystem, das die Strahlung selbsttätig intensi- intensiven Strahlungsquelle bekannt, das beispielstätsabhängig schwächt, dadurch gekenn- weise dem Schutz des Auges gegen Atomblitze dient, zeichnet, daß das Filtersystem aus zwei ver- die bei thermonuklearen Explosionen auftreten. Hierschiedenartigen Materialien besteht, die bei den für sind fototrope Materialien geeignet, deren Transfür eine optische Informationsübertragung übli- io parenz sich in Abhängigkeit von der Intensität der chen Strahlungsintensitäten über einen größeren Bestrahlung selbsttätig ändert. Die Änderung kann Wellenlängenbereich gleiche, bei hoher Strah- beispielsweise von einer ursprünglich hohen Durchlungsintensität dagegen auf Grund nichtlinearer lässigkeit bis hin zu einer annähernd völligen Unoptischer Effekte mit minimaler Verzögerung durchlässigkeit führen. Die Folien des beschriebenen verschieden große Brechungsindizes annehmen 15 Filtersystems besitzen bei geringer Intensität des ein- und daß ferner die Grenzflächen zwischen den fallenden Lichtbündels zunächst gleiche Eigenschaf-Materialien so gestaltet sind, daß bei hohen In- ten und sind nicht dichroitisch. Bei stärkerer Bestrahtensitäten durch die Brechungsindexunterschiede lung dagegen erfolgt eine unterschiedliche Absorption der Materialien eine Streuung der Strahlung der- der beiden durch Doppelbrechung entstehenden Teilart erfolgt, daß eine hinreichende Schwächung der 20 bündel. Für das außerordentliche Lichtbündel sind Strahlung in der Einfallsrichtung bewirkt wird. auch die Brechzahlen beider Folien unterschiedlich.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Die daraus resultierende Schutzwirkung der beiden, ■-■ kennzeichnet, daß das Filtersystem aus einem aus dem gleichen Material hergestellten, bezüglich * festen dielektrischen Medium als erstem Material ihrer Streckrichtung aber senkrecht zueinander ange- und einer Flüssigkeit als zweitem Material besteht. 25 ordneten Folien beruht jedoch ausschließlich auf

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- chemischen Prozessen. Da dieselben bestenfalls in kennzeichnet, daß ein festes dielektrisches Mate- Zeitintervallen von Millisekunden ablaufen, ist eine rial mit einem Thermoplast kombiniert ist. Schädigung menschlicher Organe oder auch emp-

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- findlicher optronischer Intrumente bei extrem kurzkennzeichnet, daß das Filtersystem aus einem 30 zeitigen, intensiven Strahlungseinwirkungen nicht ausfeinkörnigen dielektrischen Material und einem zuschließen.

zweiten, mit diesem innig verbundenen flüssigen Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

Material besteht. eine Vorrichtung zum Schutz des Auges oder eines

5. Vorrichtung nach einem der vorausgehen- empfindlichen Instruments vor extrem intensiver und den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß _{35 m} ihrer Intensität extrem schnell ansteigender optieines der beiden Materialien ein Duroplast ist. scher Strahlung zu schaffen, deren Schutzwirkung

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, spätestens ΙΟ"⁸ Sekunden nach dem Auftreffen der 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strahlung einsetzt.

das Filtersystem bildenden Materialien aus zwei _Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geprismatisch begrenzten, mit ihren Prismenflächen ₄₀ löst, daß das Filtersystem aus zwei verschiedenartigen unmittelbar aneinander grenzenden Körpern be- Materialien besteht, die bei den für eine optische Instehen und daß ihre Grenzfläche feine Ober- formationsübertragung üblichen Strahlungsintensitäflächenstrukturen aufweist. ten über einen größeren Wellenlängenbereich gleiche,

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge- b_ei hoher Strahlungsintensität dagegen auf Grund kennzeichnet, daß die Grenzflächenstruktur peri- ₄₅ nichtlinearer optischer Effekte mit minimaler Verodisch ist. zögerung verschieden große Brechungsindizes anneh-

8. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden _men und daß ferner die Grenzflächen zwischen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Materialien so gestaltet sind, daß bei hohen Intensinichtlinear schwächende Filtersystem mit einem täten durch die Brechungsindexunterschiede der Maanderen, beispielsweise fototropen und erst nach 50 terialien eine Streuung der Strahlung derart erfolgt, größenordnungsmäßig etwa 10~³ Sekunden an- daß eine hinreichende Schwächung der Strahlung in sprechenden Filtersystem gekoppelt ist. der Einfallsrichtung bewirkt wird.

9. Verwendung einer Vorrichtung nach einem Die Transparenz eines solchen Filtersystems nimmt der Ansprüche 1 bis 8 in einem ein Objektiv und _mjt zunehmender Intensität der in dieses eindringenein Okular aufweisenden Beobachtungsinstrument, ₅₅ den Strahlung z. B. durch Absorption, Reflexion an dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlinear Grenzflächen, Streuung, Brechung usw. monoton ab, schwächende Filtersystem in der Brennebene des _so daß die Intensität der aus dem Filtersystem wieder Objektivs angeordnet ist und daß das Bild der austretenden Strahlung einen bestimmten maximalen Öffnungsblende des Objektivs in der Ebene der Grenzwert nicht überschreiten kann und somit Strah-Austrittspupille wesentlich größer ist als eine in 60 lungsschäden vermieden werden können, sofern die dieser Ebene angeordnete Blende. Schutzwirkung nur entsprechend schnell einsetzt. Bei

mäßigen Strahlungsintensitäten ist das Filtersystem optisch homogen und seine Transparenz am größten,

so daß es eine Bildübertragung ohne wesentlichen In-

65 tensitäts- und Informationsverlust gestattet, solange sich die einfallenden Intensitäten in den für optische

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung gegen Informationsübertragung üblichen Grenzen bewegen,

die Wirkungen einer optischen Strahlung extrem Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann man