DE19807471C2

DE19807471C2 - Methods for the detection and minimization of losses of light radiation

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Publication number: DE19807471C2
Application number: DE1998107471
Authority: DE
Inventors: Peter Hering; Jens Bongartz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-02-24
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 2001-03-08
Anticipated expiration: 2018-02-25
Also published as: DE19807471A1

Abstract

Wenn ein Lichtstrahl durch eine Blendenöffnung geführt wird, können Verluste am Blendenrand auftreten. Das neue Verfahren kann für gepulste oder getaktete Lichtstrahlen diese Verluste detektieren und ein dazu proportionales Ausgangssignal liefern. DOLLAR A Das neue Verfahren beruht auf der Detektion von Schallwellen, die erzeugt werden, wenn gepulste oder getaktete Strahlung vom Blendenrand absorbiert wird. Durch Anordnung eines Resonanzraumes vor der Blende wird das entstehende akustische Signal verstärkt und von einem Mikrofon detektiert. Das Mikrofonsignal steht zur weiteren Auswertung zur Verfügung. DOLLAR A Das neue Verfahren kann als Justagehilfe genutzt werden, um eine Lichtquelle und eine Blendenöffnung aufeinander zu justieren. Ferner kann die Durchtrittseffizienz der Strahlung durch die Blendenöffnung ständig kontrolliert und eine Abweichung sofort detektiert werden.If a light beam is passed through an aperture, losses can occur at the edge of the aperture. The new method can detect these losses for pulsed or clocked light beams and deliver a proportional output signal. DOLLAR A The new method is based on the detection of sound waves that are generated when pulsed or pulsed radiation is absorbed by the aperture edge. By arranging a resonance room in front of the aperture, the acoustic signal is amplified and detected by a microphone. The microphone signal is available for further evaluation. DOLLAR A The new procedure can be used as an adjustment aid to align a light source and an aperture. Furthermore, the passage efficiency of the radiation through the aperture can be continuously checked and a deviation can be detected immediately.

Description

Wenn ein Lichtstrahl durch eine Öffnung geführt wird, ist es wichtig zu wissen, ob und wieviel Strahlungsenergie dabei verlorengeht. Die Strahlungsenergie wird beim Durchgang reduziert, falls ein Teil des Lichtstrahls durch die Berandung der Öffnung ausgeblendet wird. Die hier vorgestellte Erfindung kann für gepulste oder getaktete Lichtstrahlen diese Verluste detektieren und ein dazu proportionales Ausgangssignal liefern. Da bei der Detektion der betrachtete Lichtstrahl nicht beeinflußt wird, ist eine ständige Messung der Verluste möglich. Hervorzuheben ist, daß es sich bei der Erfindung um einen preiswerten und einfachen Aufbau handelt.When a light beam is passed through an opening, it is important to know whether and how much radiation energy is lost. The radiation energy is at the passage reduced if part of the light beam is blocked out by the edges of the opening. The invention presented here can do these losses for pulsed or clocked light beams detect and deliver a proportional output signal. Since in the detection of considered light beam is not affected, a constant measurement of the losses is possible. It should be emphasized that the invention is an inexpensive and simple structure acts.

Explanation of the invention

Die Erfindung beruht auf der Detektion von Schallwellen, die erzeugt werden, wenn gepulste oder getaktete Strahlungsenergie absorbiert wird.The invention is based on the detection of sound waves that are generated when pulsed or clocked radiation energy is absorbed.

Die Erfindung wird anhand Abb. 1 des beigefügten Zeichnungsblattes erläutert. Zur Vereinfachung wird im folgenden als berandete Öffnung eine Blende betrachtet, die in der Zeichnung mit B gekennzeichnet ist. Durch diese Blende soll in vorgegebener Richtung ein Lichtstrahl hindurchtreten. Der Blende (B) ist ein Resonanzraum (R) vorangestellt, der durch zwei für die benutzte Strahlung transparente Fenster (F) begrenzt wird.The invention is explained with reference to Fig. 1 of the attached drawing sheet. For the sake of simplicity, an aperture which is marked with B in the drawing is considered below as a bordered opening. A light beam is to pass through this aperture in the predetermined direction. The aperture (B) is preceded by a resonance chamber (R) which is delimited by two windows (F) which are transparent to the radiation used.

Trifft der betrachtete Lichtstrahl zum Teil auf den Blendenrand, d. h. es treten Verluste an der Blende auf, so bewirkt die auf dem Blendenrand absorbierte Strahlungsenergie eine lokale Erwärmung der Oberfläche der Blende. Die deponierte Wärmemenge dringt zum Teil in das Blendenmaterial ein, zum Teil findet aber auch ein Wärmefluß in das den Resonanzraum ausfüllende Gas (z. B.: Luft) statt. Durch diesen Wärmefluß wird in dem Resonanzraumgas eine Schallwelle erzeugt. Dabei kann unter der Voraussetzung, daß die akustische Wellenlänge viel größer als die thermische Diffusionslänge im Gas ist, die Oberfläche der Blende als Erregungsort angesehen werden. [1, 2] Bei dieser Anregung durch einen Strahlungspuls handelt es sich um eine Art Stoßanregung, die gemäß der Fourier-Analyse ein großes Frequenzspektrum enthält. Im Resonanzraum (R) werden jedoch nur dessen Eigenfrequenzen verstärkt, wobei die Grundfrequenz dominiert. Die erzeugte monofrequente Schwingung klingt exponentiell ab und wird mit dem Schallaufnehmer (S) detektiert. Dieses Schallaufnehmersignal wird, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, einer Fourier- Analyse unterzogen, so daß das Signal nur im Bereich der Eigenfrequenz des Resonanzraumes ausgewertet werden kann. Die Amplitude des Peaks der Eigenfrequenz ist proportional zu der Strahlungsenergie, die an der Öffnung absorbiert wurde. Diese Eigenfrequenzamplitude ist das Ausgangssignal, welches durch die Erfindung zur Verfügung gestellt wird.Does the light beam considered partially hit the edge of the diaphragm, i.e. H. there are losses at the Aperture, the radiation energy absorbed on the edge of the aperture causes a local Warming the surface of the bezel. The amount of heat deposited penetrates partially into the A panel material, but in part also finds a heat flow in the resonance room filling gas (e.g. air) instead. Due to this heat flow is in the resonance chamber gas generates a sound wave. Provided that the acoustic Wavelength is much larger than the thermal diffusion length in the gas, the surface of the Aperture can be viewed as a place of excitation. [1, 2] With this excitation by a radiation pulse it is a kind of shock excitation, which according to the Fourier analysis is a big one Contains frequency spectrum. However, only the natural frequencies are in the resonance space (R) amplified, with the fundamental frequency dominating. The generated monofrequency vibration decays exponentially and is detected with the sound pickup (S). This In order to improve the signal-to-noise ratio, the sound pickup signal is a Fourier Analysis so that the signal only in the range of the natural frequency of the Resonance room can be evaluated. The amplitude of the natural frequency peak is proportional to the radiant energy absorbed at the opening. This Natural frequency amplitude is the output signal, which is available through the invention is provided.

Ein Schallaufnehmer besitzt einen begrenzten Dynamikbereich. Bei hohen Strahlungspulsenergien treten jedoch auch Schallwellen hoher Amplitude auf, die den Dynamikbereich überschreiten können. Aus diesem Grund befindet sich eine Bohrung in der Resonanzraumwand. Durch diese Bohrung wird ein Teil der Schallenergie aus dem Resonanzraum herausgeführt, so daß die Amplitude der erzeugten Schallwelle sinkt. Die Amplitude nimmt mit zunehmendem Durchmesser der Bohrung ab. [1]A sound pickup has a limited dynamic range. At high However, radiation pulse energies also occur with high-amplitude sound waves, which Can exceed dynamic range. For this reason there is a hole in the Resonance room wall. Through this hole part of the sound energy from the Led out resonance room, so that the amplitude of the sound wave generated decreases. The The amplitude decreases with increasing diameter of the hole. [1]

Durch die Bohrung wird der abgeschlossene Resonanzraum zu einem Helmholtz-Resonator, der praktisch obertonfrei ist. Zu beachten ist jedoch, daß durch Bohrungen unterschiedlicher Durchmesser sich auch die Resonanzfrequenz ändert. Allgemein gilt, daß mit zunehmendem Bohrungsdurchmesser die Resonanzfrequenz steigt. [3, 4] Dies muß bei der frequenzselektiven Meßsignalauswertung unbedingt beachtet werden. Zusätzlich zur Bohrung ist die Frequenz und Amplitude des akustischen Signals auch vom Resonanzraumvolumen abhängig.Through the hole, the closed resonance chamber becomes a Helmholtz resonator, which is practically free of overtones. It should be noted, however, that drilling different Diameter also changes the resonance frequency. The general rule is that with increasing Bore diameter the resonance frequency increases. [3, 4] This must be the case with frequency selective Measurement signal evaluation must be observed. In addition to the hole is the frequency and amplitude of the acoustic signal also depends on the resonance volume.

Das beschriebene Verfahren unterscheidet sich von bekannte Meßmethoden, die ebenfalls das photoakustische Prinzip benutzten, dadurch, daß es in einer Transmissions-Anordnung betrieben wird und der nicht absorbierte oder reflektierte Teil der Strahlungsenergie erhalten bleibt und genutzt werden kann. Andere Verfahren vernichten die gesamte Strahlung und wandeln sie in Wärme um. Bei der Verwendung von Hohlraumabsorbern wird durch Modulation der Strahlung auf die Eigenfrequenz der Meßzelle eine Empfindlichkeitserhöhung erzielt (DE 195 40 236 A1). The method described differs from known measuring methods, which also Use photoacoustic principle, in that it is in a transmission arrangement is operated and receive the non-absorbed or reflected part of the radiation energy stays and can be used. Other methods destroy all radiation and convert them to heat. When using cavity absorbers, through Modulation of the radiation to the natural frequency of the measuring cell increases sensitivity achieved (DE 195 40 236 A1).

Modifications of the Invention

Es ist möglich, eine oder beide den Resonanzraum begrenzenden Glasscheiben wegzulassen, um die Reflexionsverluste an ihnen zu vermeiden. Nachteilig ist jedoch, daß dadurch die Amplitude der erzeugten Schallwelle abnimmt und Obertöne der Resonanzgrundfrequenz stärker anschwingen können. Zudem ist das Kondensatormikrofon stärker äußeren akustischen Störungen ausgesetzt.It is possible to omit one or both glass panes delimiting the resonance space, to avoid the reflection losses on them. The disadvantage, however, is that the Amplitude of the generated sound wave decreases and overtones of the fundamental resonance frequency can swing more strongly. In addition, the condenser microphone is more external exposed to acoustic interference.

Als Ausgangssignal der Erfindung muß nicht unbedingt die Amplitude der Eigenraumresonanzfrequenz benutzt werden. Beispielsweise ist auch die Fläche des Eigenresonanzpeaks proportional zur ausgeblendeten Strahlungsenergie. Eine Fourier Analyse ist sogar nicht zwingend notwendig, man könnte ebenfalls direkt das zeitliche Mikrofonsignal geeignet auswerten.As the output signal of the invention, the amplitude of the Eigenspace resonance frequency can be used. For example, the area of the Natural resonance peaks proportional to the masked radiation energy. A Fourier In fact, analysis is not absolutely necessary; Evaluate the microphone signal appropriately.

Die in der Zeichnung enthaltene Resonatoröffnung kann sich auch an einer anderen Stelle als der angegebenen in der Resonanzraumwand befinden. Man könnte beispielsweise die Eintrittsglasscheibe entfernen und durch eine Wand mit einer Bohrung ersetzen. Diese dient dann zugleich als Resonatoröffnung, als auch als Lichtstrahleintritt.The resonator opening contained in the drawing can also be located at another location the specified are located in the resonance room wall. For example, you could Remove the entry glass pane and replace it with a wall with a hole. This serves then both as a resonator opening and as a light beam entry.

Um die Resonanzraumöffnung variabel zu gestalten, kann man eine Bohrung mit Gewinde in die Resonatorwand einfügen, in die Schrauben mit zentrischen Bohrungen unterschiedlicher Durchmesser eingeschraubt werden können. Somit kann man einen Resonator mit verschiedenen Bohrungsdurchmessern realisieren. To make the resonance chamber opening variable, you can drill a hole in insert the resonator wall into the screws with different center bores Diameter can be screwed. So you can use a resonator realize different bore diameters.

Statt durch eine Veränderung der Bohrung kann auch durch ein Variation des Resonanzraumvolumens die Amplitude und Frequenz des akustischen Signals beeinflußt werden.Instead of changing the hole, a variation of the Resonance volume affects the amplitude and frequency of the acoustic signal become.

Applications of the invention

Die Erfindung kann als Justagehilfe genutzt werden, um eine Lichtquelle und eine Öffnung aufeinander zu justieren. Während der Justage werden ständig die Verluste kontrolliert, die an der Öffnung auftreten. Man hat die optimale Justage erreicht, wenn Licht durch die Öffnung tritt und das Ausgangssignal der Erfindung dabei minimal ist.The invention can be used as an adjustment aid to a light source and an opening to adjust to each other. During the adjustment, the losses are constantly checked the opening occur. The optimal adjustment has been achieved when light comes through the opening occurs and the output signal of the invention is minimal.

Dadurch, daß die Erfindung den Lichtpuls nicht zusätzlich beeinflußt, kann sie als ständige Kontrolle an einer Öffnung dienen und Abweichung der Durchtrittseffizienz des gepulsten oder getakteten Lichtstrahls sofort detektieren.Because the invention does not additionally affect the light pulse, it can be considered permanent Serve control at an opening and deviation of the penetration efficiency of the pulsed or clocked light beam immediately detect.

Detektiert man nur die Schallwelle, die durch den Wärmefluß, der von der das Austrittsfenster verschließenden Scheibe herrührt, so ist, nach geeigneter vorhergehender Kalibrierung, eine absolute Bestimmung der durch die Öffnung durchtretenden Strahlungsenergie möglich.One only detects the sound wave caused by the heat flow from the exit window closing disc, then, after a suitable previous calibration, is a absolute determination of the radiation energy passing through the opening is possible.

Mit Hilfe oben beschriebener Blenden läßt sich die Richtung eines gepulsten Lichtstrahls bestimmen. Man setzt beide Blenden in den Strahlengang einer Lichtquelle und justiert diese auf optimale Transmission. Die Gerade, die beide Blendenöffnungen verbindet entspricht dann der Lichtstrahlrichtung.The direction of a pulsed light beam can be determined with the aid of the diaphragms described above determine. You place both diaphragms in the beam path of a light source and adjust them for optimal transmission. The straight line that connects both apertures corresponds then the direction of the light beam.

Durch eine Blende mit variabler Blendenöffnung kann man den Durchmesser eines Lichtstrahls abschätzen. Beim Verändern der Blendenöffnung detektiert man ständig die Verluste durch den Blendenrand. Sobald keine Verluste mehr auftreten, geht der Lichtstrahl vollständig durch die Blendenöffnung und muß somit im Durchmesser kleiner oder gleich dem Blendenöffnungsdurchmesser sein. A diaphragm with a variable aperture can be used to measure the diameter of a Estimate the light beam. When changing the aperture opening, the is constantly detected Losses through the aperture edge. As soon as there are no more losses, the light beam goes out completely through the aperture and must therefore be smaller or equal in diameter the aperture diameter.

literature

[1] Bongartz, J. Flüssigkeitgefüllte Lichtwellenleiter für medizinische Anwendung Diplomarbeit im Fachbereich Physik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, 1998. Kapitel 4 und 5.
[2] Petzold, S. Der Einfluß intensiver Laserpulse auf Metalloberflächen: Vom Heizen bis zum laserinduzierten Plasma, beobachtet mit dem akustischen "Mirage-Effekt", Verlag Dr. Köster Berlin, 1995 Zugl.: Berlin Freie Universität, Dissertation, 1995
[3] Bergmann, L. Lehrbuch der Experimentalphysik, Band [1] Bongartz, J. Liquid-filled fiber-optic cables for medical use Diploma thesis in the physics department of the Heinrich Heine University Düsseldorf, 1998. Chapters 4 and 5.
[2] Petzold, S. The influence of intense laser pulses on metal surfaces: From heating to laser-induced plasma, observed with the acoustic "Mirage Effect", Verlag Dr. Köster Berlin, 1995 Zugl .: Berlin Free University, dissertation, 1995
Bergmann, L. Textbook of Experimental Physics, Volume

11

Mechanik, Akustik, Wärme Mechanics, acoustics, warmth

1010th

. Auflage, de Gruyter . Edition, de Gruyter

19901990

[4] Fletcher, N. H. Rossing, T. D The physics of Musical Instruments Springer-Verlag, 1991[4] Fletcher, N.H. Rossing, T. D The physics of Musical Instruments Springer publishing house, 1991

Claims

1. Arrangement for the detection of light beam losses at an opening through which Light beam is to be guided, this arrangement comprising a resonator a resonance room (R), a resonator opening and an integrated sound pickup (S) and has two windows (F) through which a light beam through the resonator can pass through, the exit window being equipped with a diaphragm (B) and heat can flow into the resonator through this window.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the resonator is a Helmholtz Is resonator.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the diameter or / and the location of the resonator opening is variable.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the resonator opening so is arranged so that it forms the entrance window for the light beam.

5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the Windows are closed with transparent panes.

6. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the Aperture has a variable aperture.

7. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the Exit window for the light beam is formed through the opening through which the Light beam guided and the light beam losses are to be detected.

8. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the Resonance volume is variable.

9. Method for the detection of light beam losses at an opening through which an Beam of light to be guided, in which the arrangement according to one of claims 1 to 8 in the beam path near this opening and the loss Radiant energy determined by the fact that by hiding part of the Light beam coming from the edge of this opening in the heat flow into the Resonance space detected.

10. The method according to claim 9, characterized in that the adjustment by Loss of light radiation minimized.

11. The method according to claim 9, characterized in that one of the Exiting window closing disc originating heat flow detected.

12. Procedure for the absolute determination of those passing through the opening Radiant energy by using the method of claim 11 with a suitable one previous calibration.

13. Use of the arrangement according to one of claims 1 to 8 for light beam adjustment.

14. Use of the arrangement according to claim 6 for estimating the diameter of a Light beam.