DE19801454C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines UV-Strahlungs-Indexes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines UV-Strahlungs-Indexes als Leitwert für einen gesundheitlich zuträglichen Umgang mit der in der Lichtstrah­ lung einer natürlichen oder künstlichen Strahlungsquelle enthaltenen, Hautschädi­ gungen verursachenden UV-Strahlung. Die Schädigungen der Haut sind bei gleichem UV-Strahlungsfluß umso stärker, je kürzer die Wellenlängen der Strahlung sind.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines sol­ chen Verfahrens.

Es ist allgemein bekannt, zur Bestimmung eines UV-Strahlungs-Indexes als Leitwert für einen gesundheitlich zuträglichen Umgang mit der in der Lichtstrahlung einer künstlichen oder natürlichen Strahlungsquelle, zum Beispiel der Sonne, enthalte­ nen, Hautschädigungen verursachenden UV-Strahlung Photometer einzusetzen. Die verwendeten Photometer bestehen dabei aus einem Silizium-Detektor mit einem Filter zur Abschwächung des für die menschliche Haut unschädlichen sichtbaren Anteils des Sonnenlichtes.

Derartige Photometer mit einem Filter zur Abschwächung des sichtbaren Anteils des Sonnenlichtes, für das der verwendete Silizium-Detektor in stärkerem Maße empfindlich ist, sind zwar sehr einfach aufgebaut, haben jedoch den Nachteil, daß bei der Erfassung von Sonnenstrahlung die mit einem solchen Photometer abgelei­ teten UV-Strahlungs-Indizes zu keinen zuverlässigen Angaben hinsichtlich des Hautschädigungen hervorrufenden UV-Strahlungsanteils führen. Ursache hierfür ist die Tatsache, daß sich die spektrale Intensitätsverteilung der Sonnenstrahlung und somit die wellenlängen- und strahlungsflußabhängigen Hautschädigungen in Ab­ hängigkeit vom Sonnenstand und von den Wetterbedingungen fortlaufend ändert, der Detektor mit seiner vorgegebenen, wellenlängen- und sonnenstandsabhängi­ gen Empfindlichkeit aber diese Veränderungen gar nicht wahrnehmen kann.

Es ist auch ein UV-Strahlungsdetektor bekannt, der einen aus einer dünnen Silici­ umscheibe bestehenden Wellenleiter aufweist, der mit einer ebenen Eingangsflä­ che versehen ist, die mit Ausnahme eines Spaltes für den Strahleneintritt mit einer strahlungsundurchlässigen Schicht bedeckt ist (WO 96/05487). Gegenüber dieser Eingangsfläche ist eine gekrümmmte Fläche vorgesehen, die UV-Strahlung reflek­ tiert, dagegen für Licht anderer Wellenlängen durchlässig ist. Der Strahlungsdetek­ tor umfaßt ferner ein ebenes Beugungsgitter, auf das der von der gekrümmten Flä­ che reflektierte, konvergierende Strahl gelenkt wird. Das Beugungsgitter fokussiert schließlich die in entsprechende Wellenlängen aufgefächerte UV-Strahlung auf ein Detektor-Array.

Es ist ferner ein Gerät bekannt, das ein oder mehrere jeweils mit einem Kollektor für UV-Strahlung ausgestattete Meßstationen sowie Mittel zur weiteren Verarbei­ tung und Anzeige von Daten der UV-Strahlung aufweist (US 4,975,584). An den ein­ zelnen Meßstationen wird dabei die Strahlung über optische Glasfasern empfan­ gen, deren Lichteintrittsenden auf einer Kugeloberfläche angeordnet sind.

Außerdem ist ein Meßgerät für UV-Strahlung bekannt, bei dem die Strahlung über ein Streuelement und unter Zwischenschaltung mehrerer Filter einem Photodetek­ tor zugeführt wird (US 4,882,598).

Aus DE 44 34 858 A1 ist ein UV-Sensor bekannt, bei dem ein solches Streuelement als Streuscheibe ausgebildet ist und aus opakem, amorphem Quarzglas besteht. Neben einer gegenüber der UV-Strahlung großen Strahlungsbeständigkeit soll hierdurch eine homogene Diffusivität erreicht werden, wobei die Intensität des auf die Streuscheibe auftreffenden UV-Lichtes mit dem Cosinus des Einfallswinkels bewertet wird.

In DE 43 29 666 C1 wird schließlich ein Strahlungsmeßgerät zum Schutz vor hoher UV-Strahlungsbelastung vorgeschlagen, das ohne Filter auskommt und bei dem die üblicherweise verwendete Silizium-Photodiode durch einen speziellen Photode­ tektor mit einem Halbleitermaterial mit einem Bandabstand von über 2,25 eV ersetzt ist und bei dem im Strahlengang vor dem Photodetektor eine Linse oder ein Lin­ sensystem mit positiver Brennweite angeordnet ist. Die Anordnung und/oder Emp­ findlichkeitsbereiche des Detektors sind dabei so gewählt, daß bei Strahlungsein­ falt unter einem Einfallswinkel von α = 0° nur ein Teil der durch die Linse bzw. das Linsensystem einfallenden Strahlung erfaßt wird. Durch diese Maßnahme soll der Effekt weitgehend kompensiert werden, daß bei zunehmendem Winkel zwischen Linsenachse und der Einfallsrichtung der Strahlung weniger Strahlen auf den Sen­ sor treffen. Außerdem sind bei diesem Strahlungsmeßgerät eine Eingabeeinrich­ tung zur externen Eingabe von Parametern sowie eine Signalverarbeitung vorgese­ hen, mit deren Hilfe die erfaßte Strahlungsintensität unter Berücksichtigung der Eingabeparameter bewertet und letztlich das Ergebnis zur Anzeige gebracht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem bzw. mit der es gelingt, insbesondere bei der Erfassung von Sonnenstrahlung zumindest für hohe Sonnenstände, d. h. für vergleichsweise kleine Zenitwinkel der Sonne, und damit für Tageszeiten, in denen der Hautschädigungen hervorrufende UV-Strahlungsanteil von besonderer Rele­ vanz ist, einen UV-Strahlungs-Index abzuleiten, der auch bei aufeinanderfolgenden Messungen, z. B. mit unterschiedlichen Sonnenständen, oder bei der Erfassung von künstlicher UV-Strahlung zuverlässige Angaben hinsichtlich des Hautschädigun­ gen verursachenden UV-Strahlungsanteils liefert.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren, wie es im Anspruch 1 definiert ist, sowie mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 2 erfindungsgemäß gelöst.

Vorzugsweise Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Ge­ genstand der Unteransprüche 3 bis 6.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zu­ gehörigen Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1a eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Indexes zur physiologischen Exposition durch UV-Strahlung,

Fig. 1b den mit Verlaufsfilter, Maske und Graufilter ergänzten Detektor der Vorrichtung nach Fig. 1a im einzelnen,

Fig. 1c die Maske nach Fig. 1b in Draufsicht sowie

Fig. 2a bis 2f Diagramme.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist eine Ulbricht-Kugel 1 auf, die auf ihrer oberen, der Strahlungsquelle zugewandten Hälfte mit einer Vielzahl von Löchern 2 gleichen Durchmessers und gleicher Anzahl pro Flächeneinheit versehen ist. Dabei sind die Löcher 2 flächenmäßig im Vergleich zur Kugeloberfläche sehr klein. Für Anwen­ dungen, bei denen die Strahlungsquelle im wesentlichen senkrecht zum Äquator der Ulbricht-Kugel steht, ist auch eine Ausführung denkbar, bei der die Löcher auf Pol-Großkreisen gleichen Winkelabstandes angeordnet sind, wobei jeweils benach­ barte, auf einem Pol-Großkreis angeordnete Löcher gleich weit voneinander ent­ fernt sind. In der unteren Hälfte der Ulbricht-Kugel 1 befindet sich eine Öffnung, in die eine mit ihrer Lichteintrittsfläche in die Kugelinnenwand eingepaßte Lichtstrah­ lungsdetektionseinheit 3 eingesetzt ist. Die Lichtstrahlungsdetektionseinheit 3 besteht aus einem Silizium-Detektor 4, der von einem Verlaufsfilter 5 bedeckt ist, auf dem wiederum eine Maske 6 plaziert ist. Je nach Bedarf kann die Lichtstrah­ lungsdetektionseinheit 3 zusätzlich von einem auf der Maske 6 angeordneten Graufilter 7 komplettiert werden. Mit der Lichtstrahlungsdetektionseinheit 3 elek­ trisch verbunden ist eine Anzeigeeinrichtung 8.

Die mit den Löchern 2 versehene als Diffusor dienende Ulbricht-Kugel 1 sorgt dafür, daß zumindest für hohe Sonnenstände, das heißt für vergleichsweise kleine Zenit­ winkel der Sonne, und damit für Tageszeiten, in denen der Hautschädigungen her­ vorrufende UV-Strahlungsanteil von besonderer Bedeutung ist, für eine spektrale Bewertung der Lichtstrahlung eine hinreichende Richtungsunabhängigkeit gewähr­ leistet ist, d. h. der Einstrahlungswinkel der Sonne bezüglich der Flächennormalen der Lichtempfangsfläche der Lichtstrahlungsdetektionseinheit 3 unberücksichtigt bleiben kann.

Die Tatsache, daß zum einen der auf die Ulbricht-Kugel 1 treffende und damit auch der in die Ulbricht-Kugel 1 fließende Strahlungsfluß ϕ stark von der Wellenlänge λ abhängt (wie in Fig. 2a veranschaulicht) und beispielsweise vom Sonnenstand und den Wetterbedingungen ständig modifiziert wird und daß zum anderen auch die biologische Wirksamkeit B (Fig. 2b), aber auch die Detektor-Empfindlichkeit A (Fig. 2f) stark von der Wellenlänge λ des eingestrahlten Lichtes abhängig sind, erfordert die biologische Bewertung der Gesamtstrahlung die Faltung der in den Fig. 2a, 2b und 2f dargestellten Kurven. Diesem Zweck dient das Verlaufsfilter 5, das den Silizium-Detektor 4 auf seiner rechteckförmigen Lichteintrittsfläche be­ deckt und auf dem Detektor 4 in x-Richtung nach Art eines Spektrometers eine Spektralverteilung der empfangenen Lichtstrahlung bewirkt. Mit der lichtstrah­ lungsundurchlässigen Maske 6, die entlang der x-Richtung einen Teil der rechteck­ förmigen Lichteintrittsfläche des Verlaufsfilters 5 abdeckt, und je nach Bedarf mit dem auf der Maske 6 zusätzlich plazierten Graufilter 7 werden die Spektralbereiche der Faltungsergebnisse der Funktionen ϕ(λ), B(λ), A(λ) derart ausgeglichen, daß das vom Silizium-Detektor 4 abgegebene Meßsignal die biologische Wirkung der Licht­ strahlung für alle Wellenlängenbereiche in gleicher Weise widerspiegelt und das ausgegebene Meßsignal an der nachgeschalteten Anzeigeeinrichtung 8 nach vor­ ausgegangener Kalibrierung direkt als UV-Strahlungsindex angezeigt werden kann. In den Fig. 2c, d und e sind in der Reihenfolge die Transmission T_V des Ver­ laufsfilters 5, die Transmission T_M der Maske 6 sowie die Transmission T_G des Graufilters bzw. Graukeils 7 dargestellt. Wie aus Fig. 2e) ersichtlich, nimmt die Transmission des Graufilters bzw. Graukeiles 7 in x-Richtung, d. h. in Richtung zu­ nehmender Wellenlänge ab. Der Einsatz eines solchen Graufilters bzw. Graukeiles 7 kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn die Abschwächung des langwelligen, biologisch weniger wirksamen Lichtanteils durch die Maske 6 aus Qualitäts- /Kostengründen nicht ausreicht.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung ist insbesondere zur Bestimmung eines UV-Indexes als Leitwert für einen gesundheitlich zuträglichen Umgang mit dem Hautschädigungen verursachenden UV-Strahlungsanteil des Sonnenlichtes, z. B. in Freibädern, an Stränden, in Bergregionen und in UV-strahlungsbelasteten Gebieten mit reduziertem UV-Schild, einsetzbar. Die Vorrichtung kann aber auch bei künstli­ chen Strahlungsquellen, z. B. an Arbeitsplätzen und UV-Lichtquellen oder in Bräu­ nungsstudios, Anwendung finden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung eines UV-Strahlungs-Indexes als Leitwert für ei­ nen gesundheitlich zuträglichen Umgang mit der in der Lichtstrahlung einer natürlichen oder künstlichen Strahlungsquelle enthaltenen, Hautschädigun­ gen verursachenden UV-Strahlung, bei dem Lichtstrahlung der Strahlungs­ quelle von einer als Diffusor dienenden Ulbricht-Kugel (1) eingefangen und im Inneren der Ulbricht-Kugel (1) auf eine Lichtstrahlungsdetektionseinheit (3) geleitet wird und bei dem in der Lichtstrahlungsdetektionseinheit (3) eine die biologische Wirksamkeit B der UV-Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge X widerspiegelnden Bewertungskurve mit der spektralen In­ tensitätsverteilung der im UV-Bereich empfangenen Strahlung und unter Be­ rücksichtigung der wellenlängenabhängigen Detektor-Empfindlichkeit A der­ art gefaltet wird, daß das vom Lichtdetektor (4) der Lichtstrahlungsdetek­ tionseinheit (3) ausgegebene Meßsignal an einer nachgeschalteten Anzei­ geeinrichtung (8) nach vorausgegangener Kalibrierung direkt als UV-Strah­ lungs-Index angezeigt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ulbricht-Kugel (1) auf ihrer oberen, der Strahlungsquelle zugewand­ ten Hälfte mit einer Vielzahl von Löchern (2) gleichen Durchmessers verse­ hen ist, wobei die Gesamtfläche der Löcher (2) im Vergleich zur Kugelober­ fläche klein ist, und daß der Lichtdetektor (4) der Lichtstrahlungsdetektions­ einheit (3) auf seiner rechteckförmigen Lichteintrittsfläche von einem Ver­ laufsfilter (5) bedeckt ist, das auf dem Lichtdetektor (4) in x-Richtung nach Art eines Spektrometers eine Spektralverteilung der empfangenen Lichtstrahlung bewirkt, wobei auf dem Verlaufsfilter (5) eine lichtstrah­ lungsundurchlässige Maske (6) plaziert ist, die entlang der x-Richtung einen Teil der rechteckförmigen Lichteintrittsfläche derart abdeckt, daß das Meßsi­ gnal vom Lichtdetektor (4) die biologische Wirkung B der empfangenen Lichtstrahlung für alle Wellenlängenbereiche in gleicher Weise widerspiegelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Löcher (2) pro Flächeneinheit gleich ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (2) auf Pol-Großkreisen gleichen Winkelabstandes angeord­ net sind, wobei jeweils benachbarte, auf einem Pol-Großkreis angeordnete Löcher (2) gleich weit voneinander entfernt sind, und der Äquator der Ulbricht-Kugel (1) in Richtung der Strahlungsquelle weist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Lichteintrittsseite der Lichtstrahlungsdetektionseinheit (3) auf der Maske (6) zusätzlich ein Graufilter (7) angeordnet ist, dessen Transmis­ sion in Richtung zunehmender Wellenlängen (x-Richtung) abnimmt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtdetektor (4) ein Siliziumdetektor ist.