DE3929549C1 - Sensitive measurer for light dispersed on optical component - has time-window discriminator blocking detector - Google Patents
Sensitive measurer for light dispersed on optical component - has time-window discriminator blocking detectorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur empfindlichen Messung des an einer optischen Komponente gestreuten Lichts mit einem Detektor, der das von einer Lichtquelle ausgesandte und an der optischen Komponente gestreute Licht nachweist.The invention relates to a device for sensitive Measurement of the light scattered on an optical component with a detector that emits that from a light source and detects light scattered on the optical component.
Solche Geräte dienen dazu, die Oberflächenrauhigkeit optischer Schichten oder auch die Materialhomogenität optischer Komponenten wie z. B. Linsen oder auch ganze Ob jektive anhand des Streulichts zu untersuchen.Such devices serve the surface roughness optical layers or material homogeneity optical components such as B. Lentils or whole to investigate jective using scattered light.
Der typische Aufbau solcher Meßgeräte ist in dem Aufsatz von P. Roche und E. Pelletier in Applied Optics, Vol. 23, Nr. 20, Seite 3561 (1984) beschrieben.The typical structure of such measuring devices is in the article by P. Roche and E. Pelletier in Applied Optics, Vol. 23, No. 20, Page 3561 (1984).
Als Lichtquelle dient meistens ein He-Ne-Laser. Damit das durch die zu untersuchende Probe transmittierte Licht des Dauerstrich-Lasers nicht nach einer Streuung an der Wand der Vakuumkammer mit in die Streulichtbilanz einfließt und zu falschen Meßergebnissen führt, ist eine Lichtfalle zur Beseitigung dieses Lichts vorgesehen. Diese Lichtfalle besteht hier aus einem Schwarzglas und einem Absorber, die sich innerhalb eines Gehäuses mit einer kleinen Eintrittsöffnung befinden.A He-Ne laser is usually used as the light source. So that light transmitted by the sample to be examined Continuous-wave laser not after scattering on the wall of the Vacuum chamber flows into the stray light balance and closes leads to incorrect measurement results, a light trap is Removal of this light is provided. This light trap here consists of a black glass and an absorber that itself inside a case with a small one Entry opening.
Ein solcher Meßaufbau ist nur für Messungen mit einem Streu lichtanteil, der größer als 10-6 ist, geeignet. Bei geringeren Streulichtanteilen führt das aus der Lichtfalle wieder austretende Licht zu fehlerhaften Meßergebnissen.Such a measurement setup is only suitable for measurements with a scattered light component that is greater than 10 -6 . With smaller stray light components, the light emerging from the light trap leads to incorrect measurement results.
In einigen Bereichen der optischen Nachrichtentechnik ist es wünschenswert, daß der Anteil des von den verwendeten optischen Komponenten in den Halbraum zurückgestreuten Lichts wesentlich geringer als 10-6 ist. Dies ist insbesondere der Fall, wenn bei der optischen Informationsübertragung über große räumliche Distanzen, beispielsweise zwischen Satelliten, die Sende/Empfangseinheit ein einziges Teleskop enthält, das sowohl das Sende- als auch das Empfangsteleskop darstellt.In some areas of optical communications technology, it is desirable that the proportion of light scattered back into the half-space by the optical components used is substantially less than 10 -6 . This is particularly the case if, in the case of optical information transmission over large spatial distances, for example between satellites, the transmitting / receiving unit contains a single telescope which represents both the transmitting and the receiving telescope.
Eine solche Sende/Empfangseinheit muß erkennen können, ob es sich bei einem detektierten Signal um eine Nachricht handelt, die von einem anderen Sender ausgesandt wurde, oder ob lediglich das Streulicht einer selbst ausgesandten Nachricht detektiert wird. Ein mögliches Unterscheidungskriterium dafür ist die Signalamplitude. Es ist dann notwendig, den Anteil des an den optischen Komponenten der Sende/Empfangseinheit gestreuten Lichts entsprechend niedrig zu halten.Such a transmitting / receiving unit must be able to recognize whether it is a detected signal is a message, which was broadcast by another station, or whether only the scattered light of a self-sent message is detected. A possible distinguishing criterion for this is the signal amplitude. It is then necessary to share of the optical components of the transmitter / receiver unit to keep scattered light low.
Bei der Herstellung solcher Sende/Empfangseinheiten müssen deshalb entsprechend streulichtarme optische Komponenten ausgewählt werden. Dazu ist es notwendig, entsprechend geringe Streulichtanteile zu messen.In the manufacture of such transmitting / receiving units therefore correspondingly low-scatter optical components to be chosen. To do this, it is necessary accordingly to measure small amounts of stray light.
Aus der US-PS 46 83 579 ist ein Gerät bekannt, mit dem die Zusammensetzung einer Blutprobe anhand des Streulichts ermittelt wird. Bei diesem Gerät wird die Blutprobe mit einer Lichtquelle beleuchtet und das gestreute Licht mit einem Detektor gemessen. Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel sieht vor, daß die Lichtquelle gepulst betrieben wird. Der Detektor wird dann von einem Analog-Digitalwandler nur in der Zeit ausgelesen, in der ein Lichtimpuls ausgesandt wird. Hierdurch werden Effekte unterdrückt, die durch gestreutes Tageslicht hervorgerufen werden. Anteile des an anderen Oberflächen als der Meßprobe gestreuten Meßlichts werden dagegen nicht ausgeschaltet.From US-PS 46 83 579 a device is known with which the Composition of a blood sample based on the scattered light is determined. With this device, the blood sample is taken with a Light source illuminates and the scattered light with one Detector measured. An advantageous embodiment provides that the light source is operated in a pulsed manner. The An analog-to-digital converter is then used only in the detector Time read out in which a light pulse is emitted. This suppresses effects caused by scattered Daylight. Shares of the other Surfaces as measuring light scattered from the measurement sample but not turned off.
Aus anderen Gebieten, in denen die räumliche Zusammensetzung oder auch die Entfernung eines Objekts, beispielsweise einer streuenden Wolke, zu bestimmen ist, sind andere Meßtechniken bekannt. From other areas where the spatial composition or the distance of an object, for example a scattering cloud to be determined are others Measurement techniques known.
So ist aus der US-PS 37 88 742 ein Verfahren bekannt, mit dem die Gegenwart, Dichte, Entfernung und Tiefe eines gasförmigen Stoffes in einem Gasgemisch ermittelt werden kann. Bei diesem Verfahren sendet ein Laser einen ultrakurzen, hochener getischen Lichtimpuls zu dem Gasgemisch aus. Die Zentral wellenlänge des Lichtimpulses stimmt dabei mit einer Ab sorptionsbande des nachzuweisenden Gases überein. Gemessen wird bei diesem Verfahren der zeitliche Verlauf des zurückge streuten Impulses und dessen spektrale Charakteristik. Aus diesen Meßwerten lassen sich dann die gewünschten Daten be rechnen. Wenn die Entfernung zu dem gasförmigen Stoff bekannt ist, ist zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses vorgesehen, daß der Detektor nur in einem Zeitintervall detektiert, in dem der zurückgestreute Impuls zu erwarten ist.A method is known from US Pat. No. 3,788,742 with which the presence, density, distance and depth of a gaseous Substance in a gas mixture can be determined. With this Process, a laser sends an ultrashort, higher get out light pulse to the gas mixture. The central The wavelength of the light pulse coincides with an Ab sorption band of the gas to be detected. Measured is the time course of the back in this process scattered impulse and its spectral characteristics. Out These measured values can then be used to obtain the desired data count. If the distance to the gaseous substance is known is to improve the signal-to-noise ratio provided that the detector only in one time interval detected in which the backscattered impulse can be expected is.
Desweiteren ist aus der US-PS 37 82 824 ein Gerät zur Messung des Extinktions-Koeffizienten eines gasförmigen Streumediums, beispielsweise einer Wolke, bekannt. Dieses Gerät sendet Lichtimpulse zum Streumedium aus. Aufgrund der räumlichen Tiefe des Streumediums haben die zurückgestreuten Lichtim pulse eine wesentlich größere Impulsdauer als die ausge sandten Impulse. Ein Detektor mißt die Intensität dieser zurückgestreuten Impulse innerhalb mehrerer kleiner Zeit intervalle. Jedes dieser Zeitintervalle ist kurz verglichen mit der Impulsdauer des zurückgestreuten Lichts. Durch diese Sampling-Technik wird die Intensität des zurückgestreuten Lichtimpulses als Funktion der Zeitverzögerung nach dem Aus senden des Lichtimpulses gemessen. Mit Hilfe der sogenannten koaxialen Lidar-Gleichung läßt sich aus diesem funktionellen Zusammenhang der Extinktions-Koeffizient des Streumediums berechnen.Furthermore, from US-PS 37 82 824 a device for measurement the extinction coefficient of a gaseous scattering medium, for example a cloud. This device is sending Light pulses to the scattering medium. Because of the spatial The backscattered light has depth of the scattering medium pulse a much longer pulse duration than that sent impulses. A detector measures the intensity of this backscattered pulses within several small times intervals. Each of these time intervals is compared briefly with the pulse duration of the backscattered light. Through this Sampling technique is the intensity of the backscattered Light pulse as a function of the time delay after the off sending the light pulse measured. With the help of the so-called coaxial lidar equation can be derived from this functional Relationship of the extinction coefficient of the scattering medium to calculate.
Die in den beiden letztgenannten Patentschriften beschriebenen Vorrichtungen detektieren jeweils den zeitlichen Verlauf des zurückgestreuten Lichtimpulses. Es handelt sich um Vorrichtungen, die im Freien arbeiten, bei denen es daher kaum Probleme mit dem zur Verfügung stehenden Raum gibt. Entsprechend große Laser werden als Lichtquellen eingesetzt. Diese Laser senden hochenergetische Lichtimpulse aus, um ein starkes Meßsignal zu erzeugen. Dies ist jedoch bei empfindlichen Messungen an optischen Komponenten nicht möglich, da thermische Effekte die Streueigenschaften der optischen Komponenten beeinflussen können. Ein Gerät zur empfindlichen Messung des an einer optischen Komponente gestreuten Lichts wird in beiden Patentschriften nicht beschrieben. Insbesondere wird nicht beschrieben, wie wirkungsvoll verhindert wird, daß das durch diese optische Komponente transmittierte Licht fälschlich in die Streulichtbilanz eingeht.The in the latter two patents described devices each detect the temporal course of the backscattered light pulse. It are devices that work outdoors which there are therefore hardly any problems with the available Space there. Correspondingly large lasers are used as light sources used. These lasers send high-energy light pulses to generate a strong measurement signal. However, this is not for sensitive measurements on optical components possible because thermal effects affect the scattering properties of the can influence optical components. A device for sensitive measurement of the on an optical component scattered light is not used in either patent described. In particular, it is not described how is effectively prevented by this optical Component incorrectly transmitted light into the Scattered light balance received.
Aus der DE-PS 29 36 285 ist es bei einem Ringinterferometer bekannt, einen gepulsten Laser zu verwenden. Mit Hilfe einer Gate-Schaltung werden die Detektoren nur während eines Zeit intervalls aktiviert, in dem das eigentliche Meßsignal er wartet wird. Dadurch läßt sich das Interferenzsignal des von den Faserenden oder des in der Faser gestreuten Lichts unterdrücken, wodurch Meßfehler vermieden werden. Bei diesem Ringinterferometer werden mit Hilfe der Gate-Schaltung Fehlersignale unterdrückt, die zeitlich vor dem eigentlichen Meßsignal am Detektor erscheinen. Desweiteren stehen am Detektor Lichtsignale mit genügend großer Lichtintensität zur Verfügung. Ein Gerät zur empfindlichen Messung des an einer optischen Komponente gestreuten Lichts, das also ein äußerst schwaches Lichtsignal mißt, wird wiederum nicht beschrieben.From DE-PS 29 36 285 it is in a ring interferometer known to use a pulsed laser. With the help of a The detectors will only gate during a period of time intervals activated in which the actual measurement signal is waiting. This allows the interference signal of the from the fiber ends or the light scattered in the fiber suppress, thereby avoiding measurement errors. With this Ring interferometers are made using the gate circuit Error signals suppressed, the time before the actual Measurement signal appear on the detector. Furthermore are on Detector light signals with a sufficiently high light intensity for Available. A device for sensitive measurement of the on one scattered light optical component, which is an extreme weak light signal is again not described.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vor richtung zu schaffen, die es ermöglicht, den Streulichtanteil extrem streuchlichtarmer optischer Komponenten, deren gesamter Streulichtanteil wesentlich kleiner als 10-6 ist, zu messen.It is the object of the present invention to provide a device which makes it possible to measure the scattered light component of extremely low-scatter optical components, the total scattered light component of which is significantly less than 10 -6 .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine gepulst betriebene Lichtquelle zur Erzeugung einer Folge von Lichtimpulsen, deren Impulsdauer t verglichen mit der Laufzeit des Lichts durch die Vorrichtung kurz ist, eine elektronische Einrichtung zur Sperrung des Detektors nach einer Zeit T5 nach dem Aussenden eines Lichtimpulses für ein vorgegebenes Zeitintervall, wobei die Zeit T5 größer als die Laufzeit T2 des Lichtimpulses von der Lichtquelle über die optische Komponente zum Detektor und kleiner als die Laufzeit des Lichtimpulses von der Lichtquelle über einen weiteren, hinter der optischen Komponente im Strahlengang angeordneten streuenden oder reflektierenden Gegenstand zum Detektor ist und durch eine Vakuumkammer, in der der optische Aufbau angeordnet ist.This object is achieved according to the invention by a pulsed light source for generating a sequence of light pulses, the pulse duration t of which is short compared to the transit time of the light through the device, an electronic device for blocking the detector after a time T 5 after the emission of a light pulse for a predetermined time interval, the time T 5 greater than the transit time T 2 of the light pulse from the light source via the optical component to the detector and less than the transit time of the light pulse from the light source via a further scattering or reflecting arranged behind the optical component in the beam path Object to the detector and through a vacuum chamber in which the optical structure is arranged.
Der Detektor bleibt bei dieser Vorrichtung bis zu der Zeit T5 empfangsbereit, so daß das an und in der optischen Komponente gestreute Licht detektiert wird. Das hinter der optischen Komponente an einem im Strahlengang befindlichen Gegenstand gestreute Licht erreicht dagegen den Detektor erst nach der Zeit T5 und geht demzufolge nicht in die Streulichtbilanz ein. Ein solcher im Strahlengang befindlicher Gegenstand kann z. B. die Wand der Vakuumkammer selbst sein. Die Anordnung des optischen Aufbaus in einer Vakuumkammer ist vorzusehen, damit kein an der Luft gestreutes Licht in die Streulichtbilanz eingeht.In this device, the detector remains ready to receive until time T 5 , so that the light scattered on and in the optical component is detected. The light scattered behind the optical component on an object located in the beam path, on the other hand, only reaches the detector after time T 5 and consequently does not enter into the scattered light balance. Such an object in the beam path can, for. B. the wall of the vacuum chamber itself. The arrangement of the optical structure in a vacuum chamber must be provided so that no light scattered in the air enters the scattered light balance.
Bezeichnet T1 die Laufzeit eines Lichtimpulses von der optischen Komponente bis zu dem hinter dieser optischen Komponente im Strahlengang befindlichen streuenden Gegenstand, so ist es vorteilhaft, wenn die Impulsdauer t der einzelnen Impulse kleiner als das Doppelte dieser Laufzeit T1 und der zeitliche Abstand T zweier aufeinanderfolgender Impulse größer als das Doppelte dieser Laufzeit ist. Der Detektor kann dann das an der optischen Komponente gestreute Licht des gesamten Lichtimpulses messen und er kann noch gesperrt werden, ehe das beispielsweise an der Wand der Vakuumkammer gestreute Licht den Detektor erreicht. Darüber hinaus wird durch den angepaßten Impulsabstand vermieden, daß das an der Kammerwand gestreute Licht in das zum nächsten Impuls ge hörende Meßsignal eingeht.If T 1 denotes the transit time of a light pulse from the optical component to the scattering object located behind this optical component in the beam path, it is advantageous if the pulse duration t of the individual pulses is less than twice this transit time T 1 and the time interval T two successive impulses is greater than twice this duration. The detector can then measure the light of the entire light pulse scattered on the optical component and it can still be blocked before the light scattered, for example, on the wall of the vacuum chamber reaches the detector. In addition, it is avoided by the adjusted pulse spacing that the light scattered on the chamber wall enters into the measurement signal belonging to the next pulse.
Hinter der optischen Komponente kann im Strahlengang ein absorbierendes Element, beispielsweise eine Lichtfalle, angeordnet sein. Es dient dazu, den Streulichtpegel in der Vakuumkammer niedrig zu halten.Behind the optical component can be in the beam path absorbent element, for example a light trap, be arranged. It serves to control the level of stray light in the Keep vacuum chamber low.
Durch eine Reduktion des Zeitintervalls, während dessen der Detektor empfangsbereit ist, auf eine minimale Zeitdauer T3 ist es möglich, nur das einfach gestreute Licht zu messen. Diese minimale Zeitdauer T3 ist die Summe aus der Impulsdauer t und der doppelten Laufzeit des Impulses innerhalb der optischen Komponente.By reducing the time interval during which the detector is ready to receive to a minimum time period T 3 , it is possible to measure only the simply scattered light. This minimum time period T 3 is the sum of the pulse duration t and twice the transit time of the pulse within the optical component.
Durch sukzessives Vergrößern des Zeitintervalls, während dessen der Detektor empfangsbereit ist, kann dann der Einfluß mehrfach gestreuten Lichts ermittelt werden. Derartige Messungen können beispielsweise Aufschlüsse über die Qualität von Fassungselementen liefern. Eine solche Unterscheidung zwischen einfach- und mehrfachgestreutem Licht ist mit den bisher bekannten Meßvorrichtungen nicht möglich.By gradually increasing the time interval while whose influence the detector is ready to receive multiple scattered light can be determined. Such For example, measurements can provide information about the quality supply of frame elements. Such a distinction between single and multiple scattered light is with the previously known measuring devices not possible.
Der Anteil des vielfach gestreuten Lichts, der mitgemessen wird, kann ermittelt werden, indem der Detektor für ein Zeit intervall aktiviert ist, ohne daß zuvor ein Lichtimpuls aus gesandt wurde. Dieses Untergrundsignal wird bei der Datenaus wertung von dem eigentlichen Meßwert abgezogen.The proportion of light that is scattered many times, that is also measured can be detected by the detector for a time interval is activated without a light pulse was sent. This underground signal is subtracted from the actual measured value.
Als empfindlicher Detektor kann ein Sekundärelektronenver vielfacher vorgesehen sein. Zur Messung äußerst geringer Rückstreuintensitäten, insbesondere wenn pro ausgesandtem Lichtimpuls im Mittel erheblich weniger als ein Rückstreu photon in den Detektor gelangt, ist zusätzlich eine Diskri minatoreinheit zum Zählen einzelner Photonen vorgesehen.A secondary electron ver be provided more times. Extremely low for measurement Backscatter intensities, especially if per emitted Light pulse on average considerably less than a backscatter photon in the detector is also a discri Minator unit provided for counting individual photons.
Einige Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfordern zusätzlich zur Messung des am Meßobjekt gestreuten Lichts auch die Messung des an diesem Meßobjekt reflektierten Lichts. Dies ist insbesondere der Fall, wenn das Meßobjekt eine Komponente des gemeinsamen Sende/Empfangsstrahlengangs einer optischen Sende/Empfangseinheit ist. Für solche Anwendungen ist ein Strahlteiler vorgesehen, der das am Meßobjekt gestreute und reflektierte Licht zum Detektor umlenkt. Das an diesem Strahlteiler gestreute oder reflektierte Licht geht bei entsprechender Wahl des Zeitintervalls, während dessen der Detektor empfangsbereit ist, nicht in die Streulichtbilanz ein.Some applications of the device according to the invention require in addition to the measurement of the scattered on the measurement object Light also the measurement of the reflected on this measurement object Light. This is particularly the case when the measurement object a component of the common transmit / receive beam path an optical transmitter / receiver unit. For such Applications a beam splitter is provided, which on Light scattered and reflected object to the detector redirects. That scattered on this beam splitter or reflected light goes with the appropriate choice of Time interval during which the detector is ready to receive is not in the stray light balance.
Desweiteren ist es für die optischen Komponenten in Sende/Empfangseinheiten notwendig und hinreichend, wenn unter anwendungsgleichen Bedingungen der Anteil des gestreuten und reflektierten Lichts genügend gering ist. Da die Streu charakteristik wellenlängenabhängig ist, ist für Messungen an solchen Komponenten für Sende/Empfangseinheiten als Licht quelle ein Diodenlaser vorgesehen, der Licht derselben Wellenlänge aussendet wie der Sender einer Sende/Empfangs einheit.Furthermore, it is in for the optical components Sending / receiving units necessary and sufficient if under application-equal conditions the proportion of the scattered and reflected light is sufficiently low. Because the litter characteristic is wavelength-dependent, is for measurements on such components for transmitter / receiver units as light Source a diode laser provided the light of the same Wavelength emits like the transmitter of a transmission / reception unit.
Der Anteil des reflektierten Lichts ist stark vom Modenbild und von der Strahldivergenz abhängig. Daher ist es nützlich, das Modenbild und auch die Strahldivergenz des Meßlichts mit Hilfe einer geeigneten Optik so einzustellen, daß sie den Anwendungsbedingungen entsprechen. Da bei hohen Impuls spitzenintensitäten das Modenbild und auch die Strahldiver genz aufgrund nichtlinearer optischer Effekte intensitätsab hängig werden, ist auch die Impulsspitzenintensität den An wendungsbedingungen angepaßt.The proportion of reflected light is strongly from the fashion image and depends on the beam divergence. So it’s useful the mode image and also the beam divergence of the measuring light With the help of suitable optics so that the Application conditions correspond. Because at high momentum top intensities the fashion image and also the beam divers difference due to nonlinear optical effects become dependent, the peak intensity is also important adapted to the application conditions.
Zur Normierung der jeweils ausgesandten Impulsspitzenintensi tät oder auch der Impulsenergie kann noch ein zusätzlicher Detektor vorgesehen sein, der einen Teil des Meßlichts empfängt. For normalizing the pulse peak intensities emitted in each case or the pulse energy can be an additional one Detector may be provided, which is part of the measuring light receives.
Das Ausgangssignal dieses Detektors kann auch als Trigger für die elektronische Steuereinheit dienen, die den ersten Detektor sperrt.The output signal of this detector can also act as a trigger for the electronic control unit serve the first Detector blocks.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigtExemplary embodiments of the invention are described below of the drawings explained in more detail. In detail shows
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten er findungsgemäßen Ausführungsbeispiels; Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment according to the invention;
Fig. 2 eine Darstellung der Impulsfolgen als Funktion der Zeit des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1; FIG. 2 shows a representation of the pulse sequences as a function of the time of the exemplary embodiment according to FIG. 1;
Fig. 3a den schematischen Aufbau einer optischen Sende/Empfangseinheit, deren Komponenten ein wichtiges Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind; . 3a shows the schematic structure of FIGS an optical transmitting / receiving unit, the components of an important application example of the apparatus of the invention;
Fig. 3b die Darstellung einer Vorrichtung zur Messung der Rückstreuintensität des gemeinsamen Sende/Empfangs teils einer Sende/Empfangseinheit nach Fig. 3a. FIG. 3b, the representation of a device for measuring the backscatter intensity of the common transmit / receive portion of a transmit / receive unit according to Fig. 3a.
In der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 ist als Licht quelle ein gepulst betriebener Diodenlaser (2) vorgesehen, dessen Licht von einer Optik (3) gebündelt wird. Die auf ihren Streulichtanteil zu untersuchende optische Komponente (5), beispielsweise ein Objektiv, ist im Strahlengang (4) des Laserlichts angeordnet. Ein Teil des an oder in der optischen Komponente (5) gestreuten Lichts (5a, 5b) wird von dem Sekundärelektronenvervielfacher (6) detektiert. Das Kathodenmaterial des Sekundärelektronenvervielfachers (6) ist auf die Wellenlänge des Diodenlasers (2) abgestimmt.In the device according to FIGS. 1 and 2, a pulsed diode laser ( 2 ) is provided as the light source, the light of which is bundled by optics ( 3 ). The optical component ( 5 ) to be examined for its scattered light component, for example a lens, is arranged in the beam path ( 4 ) of the laser light. Part of the light ( 5 a, 5 b) scattered on or in the optical component ( 5 ) is detected by the secondary electron multiplier ( 6 ). The cathode material of the secondary electron multiplier ( 6 ) is matched to the wavelength of the diode laser ( 2 ).
Hinter der zu untersuchenden optischen Komponente (5) ist ein absorbierendes optisches Element, eine Schwarzglasplatte (9), im Strahlengang angeordnet. Diese Schwarzglasplatte (9) ab sorbiert das durch die optische Komponente (5) transmittierte Licht und unterdrückt dadurch den Anteil des mehrfach ge streuten Lichts. Der gesamte optische Aufbau ist in einer lichtundurchlässigen Vakuumkammer (1) angeordnet, damit weder an den Luftmolekülen gestreutes Licht noch Umgebungslicht in die Streulichtbilanz eingeht.An absorbing optical element, a black glass plate ( 9 ), is arranged in the beam path behind the optical component ( 5 ) to be examined. This black glass plate ( 9 ) sorbs the light transmitted through the optical component ( 5 ) and thereby suppresses the proportion of light scattered several times. The entire optical structure is arranged in an opaque vacuum chamber ( 1 ), so that neither light scattered by the air molecules nor ambient light enters the scattered light balance.
Ein Strahlteiler (7) lenkt einen Teil des Meßlichts auf eine Referenz-Photodiode (8). Das Signal dieser Photodiode (8) ist ein Maß für die Impulsenergie der einzelnen Impulse des Meßlichts. Der Strahlteiler (7) und die Referenz-Photodiode (8) können auch in der Nähe der Schwarzglasplatte (9) angeordnet sein.A beam splitter ( 7 ) directs part of the measuring light onto a reference photodiode ( 8 ). The signal of this photodiode ( 8 ) is a measure of the pulse energy of the individual pulses of the measuring light. The beam splitter ( 7 ) and the reference photodiode ( 8 ) can also be arranged in the vicinity of the black glass plate ( 9 ).
Zur Steuerung und zur Auswertung der Messung ist ein Rechner (10) vorgesehen, der ein digitales Signal an einen Impuls generator (11) gibt. Der Impulsgenerator seinerseits erzeugt einen Stromimpuls, den er an den Diodenlaser (2) abgibt. Die Kurve (20) in Fig. 2 beschreibt die Signalfolge am Dioden laser (2). Zur Zeit t0 sendet der Diodenlaser einen Lichtim puls (24) der Impulsdauer t aus. Der zeitliche Abstand T zweier aufeinanderfolgender Impulse, die der Diodenlaser (2) abgibt, ist größer alsA computer ( 10 ) is provided for controlling and evaluating the measurement, which gives a digital signal to a pulse generator ( 11 ). The pulse generator in turn generates a current pulse, which it emits to the diode laser ( 2 ). The curve ( 20 ) in Fig. 2 describes the signal sequence on the diode laser ( 2 ). At time t 0 the diode laser emits a light pulse ( 24 ) of pulse duration t. The time interval T between two successive pulses, which the diode laser ( 2 ) emits, is greater than
2T1 = 2l1/c2T 1 = 2l 1 / c
wobei l1 der Abstand zwischen der optischen Komponente (5) und der Schwarzglasplatte (9) und c die Ausbreitungsge schwindigkeit der Lichtimpulse ist, die im Vakuum zugleich die Lichtgeschwindigkeit ist. Die Dauer t eines jeden Licht impulses ist kleiner als 2T1.where l 1 is the distance between the optical component ( 5 ) and the black glass plate ( 9 ) and c is the speed of the light pulses, which is also the speed of light in a vacuum. The duration t of each light pulse is less than 2T 1 .
Ein kleiner Teil des vom Diodenlaser (2) ausgesandten Meßlichts fällt auf die Referenz-Photodiode (8), deren Stromsignal von einem Meßgerät (12) gemessen wird. Das Meßgerät (12) gibt ein entsprechendes digitales Signal an den Rechner (10) zurück. A small part of the measuring light emitted by the diode laser ( 2 ) falls on the reference photodiode ( 8 ), the current signal of which is measured by a measuring device ( 12 ). The measuring device ( 12 ) returns a corresponding digital signal to the computer ( 10 ).
Der größte Teil des ausgesandten Lichtimpulses trifft als Meßlicht auf die zu untersuchende optische Komponente (5). Ein Teil des an dieser Komponente (5) gestreuten Lichts (5a, 5b) und des an der Schwarzglasscheibe (9) gestreuten Lichts (9a) wird von dem Sekundärelektronenvervielfacher (6) detektiert.The largest part of the emitted light pulse strikes the optical component ( 5 ) to be examined as measuring light. Some of the scattered on this component (5) the light (5 a, 5 b) and of the scattered on the black glass sheet (9) the light (9 a) is detected by the secondary electron multiplier (6).
Die Signalfolge am Sekundärelektronenvervielfacher (6) be schreibt die Kurve (21). Mit der Zeitverzögerung T2, die der Laufzeit des Lichtimpulses von dem Diodenlaser (2) über die optische Komponente (5) zum Sekundärelektronenvervielfacher (6) entspricht, erscheint ein erster Impuls (25) von an der optischen Komponente (5) gestreuten Photonen. Die Im pulsbreite T3 entspricht der Impulsdauer t zuzüglich der doppelten Laufzeit des Impulses durch die optische Komponente (5):The signal sequence at the secondary electron multiplier ( 6 ) describes the curve ( 21 ). With the time delay T 2 , which corresponds to the transit time of the light pulse from the diode laser ( 2 ) via the optical component ( 5 ) to the secondary electron multiplier ( 6 ), a first pulse ( 25 ) of photons scattered on the optical component ( 5 ) appears. The pulse width T 3 corresponds to the pulse duration t plus twice the transit time of the pulse through the optical component ( 5 ):
T3 = t + 2l3/c5.T 3 = t + 2l 3 / c 5 .
Dabei ist c5 die mittlere Gruppengeschwindigkeit in der opti schen Komponente (5). Eine Zeit 2T1 nach dem Impuls (25) erscheint ein weiterer Impuls (26) der an der Schwarzglas platte (9) gestreuten Photonen. Die Impulsbreite dieses zwei ten Impulses (26) entspricht der Impulsdauer t zuzüglich der Eindringtiefe des Lichtimpulses in die Schwarzglasplatte (9).Here, c 5 is the average group speed in the optical component ( 5 ). A time 2T 1 after the pulse ( 25 ), another pulse ( 26 ) of the photons scattered on the black glass plate ( 9 ) appears. The pulse width of this two-th pulse ( 26 ) corresponds to the pulse duration t plus the depth of penetration of the light pulse into the black glass plate ( 9 ).
Der Sekundärelektronenvervielfacher (6) gibt sein Ausgangs signal an einen Photonenzähl-Diskriminator (13) weiter. Der Photonenzähl-Diskriminator (13) erzeugt immer dann einen Ausgangsimpuls, wenn das Eingangssignal einen bestimmten Schwellwert übersteigt. Dieser Schwellwert ist auf die Ver stärkung des Sekundärelektronenvervielfachers (6) abgestimmt. Ein auf die Photokathode des Sekundärelektronenvervielfachers (6) treffendes Photon erzeugt ein Signal, das diesen Schwell wert übersteigt. Dagegen erzeugt ein aus einer Dynode des Sekundärelektronenvervielfachers (6) austretendes Elektron ein Signal, das unterhalb dieses Schwellwertes liegt. Gegen solche Ereignisse diskriminiert somit der Photonenzähl- Diskriminator (13).The secondary electron multiplier ( 6 ) passes its output signal to a photon counter discriminator ( 13 ). The photon count discriminator ( 13 ) always generates an output pulse when the input signal exceeds a certain threshold. This threshold is matched to the amplification of the secondary electron multiplier ( 6 ). A photon striking the photocathode of the secondary electron multiplier ( 6 ) generates a signal which exceeds this threshold value. In contrast, an electron emerging from a dynode of the secondary electron multiplier ( 6 ) generates a signal which is below this threshold value. The photon counter discriminator ( 13 ) thus discriminates against such events.
Das Ausgangssignal des Photonenzähl-Diskriminators (13) wird an einen ersten Eingang eines Zeitfenster-Diskriminators (14) weitergegeben. Die Signalfolge an diesem ersten Eingang des Zeitfenster-Diskriminators (14) zeigt Kurve (22). Sie ent spricht im wesentlichen der Situation am Sekundärelektronen vervielfacher (6), nur erscheinen alle Signale um eine der Prozeßzeit im Sekundärelektronenvervielfacher und im Photonenzähl-Diskriminator entsprechenden Zeit verzögert. Der Impuls (25a) der ersten an der optischen Komponente (5) gestreuten Photonen erscheinen daher erst eine Zeit T4, nachdem der Lichtimpuls ausgesandt wurde. Die Zeit T4 ist größer als T2. An einen zweiten Eingang des Zeitfenster- Diskriminators (14) wird ein Impulssignal des Rechners gegeben, das dem zu einem Lichtimpuls führenden Signal entspricht. Dieses Signal triggert den Zeitfenster- Diskriminator, der zwei Zeitfenster öffnet.The output signal of the photon counter discriminator ( 13 ) is passed on to a first input of a time window discriminator ( 14 ). The signal sequence at this first input of the time window discriminator ( 14 ) shows curve ( 22 ). It corresponds essentially to the situation at the secondary electron multiplier ( 6 ), only all signals appear delayed by a time corresponding to the process time in the secondary electron multiplier and in the photon counter discriminator. The pulse ( 25 a) of the first photons scattered on the optical component ( 5 ) therefore only appear a time T 4 after the light pulse has been emitted. The time T 4 is greater than T 2 . A pulse signal from the computer is given to a second input of the time window discriminator ( 14 ), which corresponds to the signal leading to a light pulse. This signal triggers the time window discriminator, which opens two time windows.
Die Lage der Zeitfenster des Zeitfenster-Diskriminators (14) zeigt Kurve (23). Eine Zeit T4 nachdem der Lichtimpuls (24) ausgesandt wurde und damit gleichzeitig mit dem Impuls (25a) wird das erste Zeitfenster (27) geöffnet. Die Fensterbreite ist T3, so daß der Impuls (25a) völlig innerhalb des Zeitfensters liegt. Der Impuls (26a) der an der Schwarzglasplatte gestreuten Photonen liegt dagegen außerhalb des Zeitfensters (27).The position of the time window of the time window discriminator ( 14 ) shows curve ( 23 ). A time T 4 after the light pulse ( 24 ) has been emitted and thus simultaneously with the pulse ( 25 a), the first time window ( 27 ) is opened. The window width is T 3 , so that the pulse ( 25 a) is completely within the time window. The pulse ( 26 a) of the photons scattered on the black glass plate, however, is outside the time window ( 27 ).
Der Zeitfenster-Diskriminator (14) gibt alle Ausgangsimpulse des Photonenzähl-Diskriminators (13), die innerhalb des Zeit fensters (27) liegen, an einen Zweikanalzähler (15) weiter, während außerhalb des Zeitfensters liegende Ausgangsimpulse nicht weitergegeben werden.The time window discriminator ( 14 ) passes all output pulses of the photon count discriminator ( 13 ), which are within the time window ( 27 ), to a two-channel counter ( 15 ), while output pulses lying outside the time window are not passed on.
Durch diese Schaltung wird der Streulichtimpuls (26) der an der Schwarzglasscheibe (9) gestreuten Photonen nicht mitge zählt, da er erst eine Zeit 2T1 hinter dem Zeitfenster (27) den Zeitfenster-Diskriminator (14) erreicht.This circuit does not count the scattered light pulse ( 26 ) of the photons scattered on the black glass pane ( 9 ) since it only reaches the time window discriminator ( 14 ) a time 2T 1 behind the time window ( 27 ).
Zur Ermittlung des Untergrundsignals kann eine Zeit T6 nach dem ersten Zeitfenster (27) ein zweites Zeitfenster (28) derselben Fensterbreite T3 geöffnet werden, ohne da zuvor ein Lichtimpuls ausgesandt wurde. Während dieses zweiten Zeitfensters (28) wird der Anteil des vielfach gestreuten Lichts, der später vom Meßwert abgezogen wird, gemessen. Die anfallenden Impulse werden, je nachdem ob zuvor ein Lichtim puls ausgesandt wurde oder nicht, jeweils von einem Kanal (15a, 15b) des Zweikanalzählers (15) gezählt.To determine the background signal, a time T 6 after the first time window ( 27 ), a second time window ( 28 ) of the same window width T 3 can be opened without a light pulse having previously been emitted. During this second time window ( 28 ), the proportion of light that is scattered many times and which is later subtracted from the measured value is measured. The impulses are counted, depending on whether a light pulse was previously emitted or not, in each case from one channel ( 15 a, 15 b) of the two-channel counter ( 15 ).
Die Zählraten des Zweikanalzählers werden dann digitalisiert zum Rechner (10) zur Datenauswertung weitergegeben.The counting rates of the two-channel counter are then digitized and forwarded to the computer ( 10 ) for data evaluation.
Die gesamte Messung und damit alle Impulsfolgen wiederholen sich nach der Zeit T nachdem der Lichtimpuls (24) ausgesandt wurde.The entire measurement and thus all pulse sequences are repeated after the time T after the light pulse ( 24 ) has been emitted.
Für den Fall, daß auf den Abzug des mehrfach gestreuten Lichts vom Meßwert verzichtet wird, oder daß das zweite Zeitfenster (28) zu einer früheren Zeit gesetzt wird, kann auch der zweite Lichtimpuls (24′) schon zu einer früheren Zeit ausgesandt werden. Dadurch läßt sich die Meßzeit wesentlich verkürzen.In the event that the multiple scattered light is not deducted from the measured value, or that the second time window ( 28 ) is set at an earlier time, the second light pulse ( 24 ' ) can also be emitted at an earlier time. The measuring time can thereby be shortened considerably.
Die Fig. 3a zeigt schematisch den Aufbau einer optischen Sende/Empfangseinheit. Eine solche Sende/Empfangseinheit besteht aus einem Sendeteil (31), einem Empfangsteil (32) und einer für beide Aufgaben gemeinsamen Komponente (33), die beispielsweise ein Teleskop enthält. Desweiteren ist ein Strahlteiler (34) vorhanden, der das empfangene Signal aus dem gemeinsamen Strahlengang zum Empfangsteil (32) umlenkt. Befinden sich zwei kommunizierende Sende/Empfangseinheiten in großem Abstand zueinander, so führt schon eine geringe Diver genz des Strahls (35) dazu, daß die andere Empfangseinheit nur einen kleinen Bruchteil des ausgesandten Lichts empfängt. Entsprechend schwach ist das zu empfangende Signal. Ist dieses zu empfangende Lichtsignal schwächer als der Anteil des von dem Sendeteil (31) ausgesandten Lichts, der an der gemeinsamen Komponente (33) gestreut oder reflektiert wird und in das Empfangsteil (32) gelangt, so kann das Empfangsteil (32) nicht zwischen beiden Signalen unterscheiden. Daher muß die an der gemeinsamen Komponente (33) gestreute und reflektierte Intensität des von dem Sendeteil (31) ausgesandten Lichts kleiner sein, als die Intensität eines zu empfangenden Signals. Diese an der gemeinsamen Komponente (33) gestreute und reflektierte Intensität kann mit einer Meßvorrichtung gemäß Fig. 3b er mittelt werden. Fig. 3a shows schematically the structure of an optical transmitter / receiver unit. Such a transmitting / receiving unit consists of a transmitting part ( 31 ), a receiving part ( 32 ) and a component ( 33 ) common to both tasks, which contains, for example, a telescope. Furthermore, there is a beam splitter ( 34 ) which deflects the received signal from the common beam path to the receiving part ( 32 ). Are two communicating transmitter / receiver units at a large distance from each other, so even a small divergence of the beam ( 35 ) leads to the fact that the other receiver unit receives only a small fraction of the emitted light. The signal to be received is correspondingly weak. If this light signal to be received is weaker than the proportion of the light emitted by the transmitting part ( 31 ), which is scattered or reflected at the common component ( 33 ) and reaches the receiving part ( 32 ), the receiving part ( 32 ) cannot between them Distinguish signals. Therefore, the intensity of the light emitted by the transmitting part ( 31 ) scattered and reflected on the common component ( 33 ) must be smaller than the intensity of a signal to be received. This intensity scattered and reflected on the common component ( 33 ) can be averaged with a measuring device according to FIG. 3b.
Eine solche Meßvorrichtung sieht eine einem Sendeteil (31) entsprechende Lichtquelle (31a) vor. Sie besteht aus einem gepulst betriebenen Diodenlaser (36) und einer Optik (37). Der Diodenlaser erzeugt Lichtimpulse mit einer Impulsdauer von ca. 10 nsec und einer Impulsenergie von ca. 1 nJ bei einer Zentralwellenlänge von 840 nm. Die Optik (37) erzeugt das gleiche Modenbild und dieselbe Strahldivergenz, wie sie bei einem Sendeteil (31) vorliegt.Such a measuring device provides a light source ( 31 a) corresponding to a transmitting part ( 31 ). It consists of a pulsed diode laser ( 36 ) and optics ( 37 ). The diode laser generates light pulses with a pulse duration of approx. 10 nsec and a pulse energy of approx. 1 nJ at a central wavelength of 840 nm. The optics ( 37 ) generate the same mode image and the same beam divergence as is the case with a transmission part ( 31 ).
Das an der zu vermessenden Komponente (33), die hier nur schematisch dargestellt ist, reflektierte und gestreute Licht wird von einem Strahlteiler (34) zu einem Sekundärelektronen vervielfacher (38) umgelenkt.The light reflected and scattered at the component ( 33 ) to be measured, which is shown only schematically here, is deflected by a beam splitter ( 34 ) to a secondary electron multiplier ( 38 ).
Wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist auch hier der optische Aufbau in einer lichtundurchlässigen Vakuumkammer (40) untergebracht. Die Lichtimpulse können sich auch in diesem Ausführungsbeispiel noch eine ZeitAs in the exemplary embodiment according to FIG. 1, the optical structure is accommodated in an opaque vacuum chamber ( 40 ). The light pulses can also take a while in this embodiment
T1 = l1/cT 1 = l 1 / c
hinter der zu vermessenden Komponente (33) ausbreiten. Spread out behind the component ( 33 ) to be measured.
Die Auswertung und Verarbeitung des Ausgangssignals des Sekundärelektronenvervielfachers erfolgt mit den gleichen Mitteln und auf dem gleichen Weg wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.The evaluation and processing of the output signal of the secondary electron multiplier is carried out using the same means and in the same way as in the exemplary embodiment according to FIG. 1.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das in eine einzige Richtung zurückgestreute oder reflektierte Licht gemessen. Zur Messung der Winkelabhängigkeit des Streulichts kann der Streulicht-Detektor drehbar angebracht sein, wie es z. B. P. Roche und E. Pelletier in ihrem Aufsatz in Applied Optics Vol. 23, Nr. 20, Seite 3561 (1984) beschreiben. Soll dagegen das gesamte in den Halbraum zurückgestreute Licht gemessen werden, ist es zum Aufsammeln des gestreuten Lichts möglich, zwischen der zu vermessenden optischen Komponente und dem Sekundärelektronenvervielfacher eine der US-Patent schrift 43 60 275 entsprechende Spiegelanordnung einzusetzen.In the described exemplary embodiments, this is broken down into a only direction scattered or reflected light measured. For measuring the angle dependence of the scattered light the scattered light detector can be rotatably attached, as is e.g. B. P. Roche and E. Pelletier in their article in Applied Optics Vol. 23, No. 20, page 3561 (1984). Should on the other hand, all the light scattered back into the half space be measured, it is for collecting the scattered light possible between the optical component to be measured and the secondary electron multiplier, one of the U.S. Patents font 43 60 275 to use appropriate mirror arrangement.
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