WO1995006860A1 - Strahlungsmessgerät zum schutz vor hoher uv-strahlungsbelastung - Google Patents

Strahlungsmessgerät zum schutz vor hoher uv-strahlungsbelastung Download PDF

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WO1995006860A1
WO1995006860A1 PCT/DE1994/000983 DE9400983W WO9506860A1 WO 1995006860 A1 WO1995006860 A1 WO 1995006860A1 DE 9400983 W DE9400983 W DE 9400983W WO 9506860 A1 WO9506860 A1 WO 9506860A1
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radiation
lens
measuring device
detector
lens system
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Application number
PCT/DE1994/000983
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English (en)
French (fr)
Inventor
Anton NÄBAUER
Peter Berg
Original Assignee
Se Scientific Electronics München Gmbh
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Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/429—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to measurement of ultraviolet light
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors

Definitions

  • the present invention relates to a device with which the exposure of a body to ultraviolet radiation from the sun or artificial light sources is monitored and which emits a warning signal when a user-specific limit value is exceeded.
  • the discoloration of photochromic materials can be used to determine the radiation exposure ("Reusable Radiation Detector" US Pat. No. 4,130,760).
  • Another, much more precise way of monitoring the exposure to ultraviolet radiation can be provided by electronic devices which measure the actual intensity of the ultraviolet radiation with the aid of a special sensor.
  • a sensor for such a device is the subject of the present invention.
  • Jubb describes a sunburn warning device ("Sunburn Warning Device Comprising Detecting the Ultraviolet Component of Solar Radiation”), in which the instantaneous radiation dose can be displayed with the aid of an analog measuring device, and that with Exceeding a certain radiation dose can emit an acoustic warning signal.
  • Strutz describes a device for measuring the dose of ultraviolet radiation in the erythema-effective range, which contains an oscillator in which a photoresistor determines the frequency Member represents.
  • a shaded electronic counter counts the pulses of this oscillator and triggers an alarm when a certain, preset total number of pulses is reached.
  • Tulenko describes in US Pat. No. 4,229,733 (1980) a radiation measuring device ("Exposure Detecting Device") in which a dose signal is determined which increases as expected during the irradiation, but drops again when there is no irradiation. This should take into account the regeneration of the skin.
  • the ability of the skin to regenerate can also take into account the UV radiation monitoring device (“Ultraviolet Monitoring Device”) described in PCT application WO86 / 03319.
  • Pellegrino describes a device in US Pat. No. 4,482,050 (1984) which is intended to monitor radiation exposure and tanning, in particular when visiting a solarium ("tanning aid"): a computer (microprocessor) enables, inter alia, Skin type, sun protection factor of a sunscreen, initial skin tanning and the radiation side (belly / back) must be taken into account. Furthermore, it is described in this invention that the radiation for UV-A, UV-B and UV-C can be monitored separately with the aid of several light detectors and corresponding upstream filters.
  • Burnham describes a portable dosimeter with a sensor, microprocessor and display. Parameters such as the sun protection factor of the sunscreen can be entered using a keyboard. Burnham developed the dosimeter further and applied for another US patent (4608492: "Ultraviolet Monitor Suntan Alarm with Soap Test Routines"), in which the microprocessor continuously checks the function of the device and, among other things, warns of shadowing of the sensor.
  • Gat describes a portable radiation measuring device ("Personal UV Radiometer") with which the dose and dose rate of the radiation can be measured simultaneously.
  • Personal UV Radiometer a portable radiation measuring device with which the dose and dose rate of the radiation can be measured simultaneously.
  • attention is drawn to the need to align the radiation measuring device in the direction of maximum radiation intensity for precise measurements.
  • an ellipsoidal cavity is required, which is mentioned as an essential feature of this invention in the main claim, that is, the solution to the problem of this document is realized by the combination of a lens body with an ellipsoidal outside and an ellipsoidal one Cavity.
  • the fact that the manufacture of this lens body is very complex has proven to be disadvantageous, since a cavity must be made in the lens body and the optically relevant interfaces must be made ellipsoidal. In particular with small lens sizes of a few millimeters and below (exemplary size 1 mm), this lens body can only be realized with considerable technical and cost expenditure.
  • UV-A range of ultraviolet radiation
  • UV-B range of ultraviolet radiation
  • UV-C range of ultraviolet radiation
  • MED minimum erythema dose
  • UV-B radiation (wavelength 280 nm to 315 nm), which is the cause of skin cancer and sunburn, is much more dangerous. This radiation has a share of approx. 0.4% in the natural sun spectrum and can cause skin irritation even at very low doses (MED is approx. 25 mJ / cm 2 ). Light in the UV-C range (wavelengths below 280 nm) is almost completely absorbed in the atmosphere.
  • photodiodes made of silicon are used as detectors in UV radiation measuring devices, which detect radiation with wavelengths below 1100 nm and thus also the entire visible spectrum and parts of the infrared spectrum. Since the visible and infrared light in natural sunlight approx. Contains 95% of the radiation energy and this radiation component should not contribute to the measurement result, the use of Filters mentioned with which only the UV radiation can be filtered out in order to achieve a more favorable spectral sensitivity of the detection system.
  • the best known optical filters are based either on the principle of absorption of certain wavelength ranges by dyes or on the principle of interference.
  • European patent 0392442 describes a UV radiation measuring device ("Ultraviolet Ray Measuring Apparatus") which determines the UV radiation intensity with the aid of two detectors operated by differential measurement, one of which is additionally equipped with an easily producible UV radiation-absorbing filter is.
  • the transmission characteristic depends on the angle of incidence of the radiation. In practical operation of a UV radiation measuring device, this leads to falsification of the measurement result, since neither a perpendicular impingement of the light nor an impingement under a constant angular distribution can be ensured.
  • the object of the invention is therefore to avoid the disadvantages of a conventional photodiode with an upstream filter and to achieve a small, light and robust construction of the entire detection system for UV radiation.
  • the problem is solved by the features specified in claim 1.
  • the radiation measuring device for protection against high UV radiation for protection against high UV radiation
  • An input device for external input of parameters for external input of parameters
  • Signal processing which has a first device which evaluates the radiation intensity detected taking into account the input parameters, and which has a second device which generates a first signal in accordance with the evaluation,
  • the photodetector comprises a semiconductor with a band gap of over 2.25 eV,
  • a lens or a lens system (2) with a positive focal length is present in the beam path in front of the photodetector,
  • the lens or the lens system is arranged in the beam path in front of the detector (3),
  • the filter with the described disadvantages is completely eliminated; moreover, the commonly used silicon photodiode is replaced by a photodetector made of a suitable semiconductor material.
  • a semiconductor with a band gap greater than 2.25 eV essentially only electromagnetic radiation with a wavelength less than 545 nm is detected.
  • the ease of use and the informative value of the measurement are increased in the UV radiation measuring device according to the invention in that a sensor is used which improves the focus on the radiation-sensitive area of the detector with increasing angle of incidence, so that the effect is largely compensated for in a large angular range It can be seen that as the angle between the lens axis and the rays increases, fewer rays hit the sensor.
  • Gallium phosphide GaP
  • silicon carbide SiC
  • gallium nitride GaN
  • zinc sulfide ZnS
  • the spectral ranges which are particularly important for the UV radiation measuring device are 280 nm to 400 nm.
  • Semiconductor detectors with a band gap of 2.25 eV to 4.0 eV are particularly suitable for detecting these spectral ranges.
  • the limit value of the radiation dose should be adjustable as individually as possible for the user, an input device is advantageous with which the limit value is entered directly or indirectly (input of parameters with the aid of which the limit value can be calculated). It is advantageous if the UV radiation measuring device can determine the exposure of the irradiated tissue to UV radiation, taking into account UV protection devices (for example the sun protection factor of sunscreen). The radiation dose is a good approximation for the tissue load on the irradiated tissue. It is therefore advantageous if the UV radiation measuring device determines this. The radiation dose can be determined simply by integration from a freely selectable point in time (for example by pressing a start button).
  • the dermatologically relevant radiation exposure of the irradiated tissue is more closely approximated if the regeneration of the irradiated tissue is also taken into account when determining the effective radiation dose.
  • the user of the UV radiation measuring device according to the invention is advantageously warned when the limit value of the radiation dose set individually for the user is reached or exceeded.
  • the lens or at least one lens of the lens system in the sensor used has at least one convex lens surface which has a curvature increasing from the lens axis to the lens edge, the compensation described above can be amplified by improved focusing of the radiation onto the detector.
  • the lens or at least one lens of the lens system has at least one concave lens surface (for example in the case of a meniscus lens), in which the curvature decreases from the lens axis to the lens edge.
  • the lens or the lens system in this sensor can be a simple converging lens.
  • converging lenses a distinction can be made between plano-convex lenses, biconvex lenses, or meniscus lenses.
  • plano-convex lens proves to be particularly advantageous because the flat side thereof can be brought into direct contact with the surface of the detector, so that the detector reaches a maximum aperture and rays from a large angular range strike the detector .
  • the detector is embedded directly in the material from which the lens is made, as a result of which the sensor is compact, light and inexpensive to manufacture.
  • the angular dependence of the sensitivity of the sensor can be influenced in a targeted manner in this sensor.
  • FIG. 1 a sensor of the UV radiation measuring device according to the invention in an embodiment in plan view
  • FIG. 1 b sensor of FIG. 1 a in section AA
  • FIG. 2 sensor of FIG. 1 b with definition of the angle of incidence ⁇
  • Fig. 9 b sensor according to Fig. 9 a with areas of reduced radiation sensitivity in plan view
  • Fig. 10 Plano-convex embodiment of the lens
  • Fig. 11 Biconvex embodiment of the lens
  • Fig. 12 Embodiment of the lens as a meniscus lens
  • Fig. 13 Illustration of the terms radiation intensity (Fig. 13 a), detected
  • FIG. 13 d Radiation dose (FIG. 13 d) and effective radiation dose (FIG. 13 e) based on any irradiation over time.
  • FIG. 14 Block diagram of the radiation measuring device.
  • FIG. 15 Radiation measuring device in the form of a check card
  • the filter with the described disadvantages is completely eliminated; moreover, the commonly used silicon photodiode is replaced by a photodetector made of a suitable semiconductor material.
  • a semiconductor with a band gap greater than 2.25 eV By using a semiconductor with a band gap greater than 2.25 eV, essentially only electromagnetic radiation with a wavelength less than 545 nm is detected.
  • GaP gallium phosphide
  • a detector based on gallium phosphide is therefore used.
  • a substantial part of the visible light is also detected in photo detectors constructed in this way.
  • a further improvement in the spectral sensitivity can be achieved by using detectors which are constructed from semiconductors with a band gap of more than 2.75 eV, since here only light quanta with an energy of more than 2.75 eV (wavelength ⁇ 450 nm) are technically relevant dimension can generate electron-hole pairs, which in turn can be easily detected by current measurement.
  • the maximum sensitivity of such semiconductor detectors is at a significantly shorter wavelength than the wavelength which is determined by the bandgap of the semiconductor and is therefore generally in the UV range.
  • such a detector is implemented with the aid of a diode based on silicon carbide (SiC) or based on gallium nitride (GaN).
  • SiC is a semiconductor that can be manufactured with different lattice structures.
  • SiC with the technologically well-controlled 6-H grating structure (hexagonal symmetry) has a band gap of E gap »2.86 eV (indirect transition; at 300 K), so that light with a wavelength of less than 430 nm has a well-measurable photocurrent caused. It has been found that photodiodes constructed from such SiC have their maximum sensitivity in the UV range.
  • SiC with other lattice structures is also suitable, provided the band gap is sufficiently large at normal operating temperatures; this applies, among other things, to the structures 8 H (E gap * 2.75 eV), 21 R (E gap * 2.80 eV) and 15 R (E gap «2.95 eV) too.
  • Blue SiC diodes (for example 6 H) are often built up, which, as mass-produced products that can be produced cheaply, can function directly or only slightly modified, even for an inexpensive UV detector in UV radiation measuring devices.
  • the semiconductor material from which the UV detector 3 is constructed one is not limited to GaP, SiC and GaN: In principle, all semiconductors (including compound semiconductors) with a band gap of over 2.25 eV are suitable for the UV detector .
  • the spectral range to be detected is not determined by filters, but in particular by the selection of a suitable semiconductor material, its doping and the structure of the UV semiconductor detector. Since the UV-B range should be recorded as completely as possible, it does not make sense to use a semiconductor with a bandgap of more than 4 eV for the detector. However, detectors constructed with such semiconductors could function for the UV-C range, which could become interesting as the ozone hole increases further. The UV radiation measuring device could then contain a special detector made of a semiconductor with a band gap of more than 4 eV, which detects the particularly short-wave UV radiation.
  • UV detectors constructed in this way have a very high sensitivity to UV-B radiation, which is particularly harmful to humans, in the range around 300 nm, and the long-wave (> 355 to 385 nm) UV rays contribute only insignificantly Measurement result at.
  • This spectral behavior of the UV detector is particularly desirable since long-wave UV rays only cause radiation damage in a considerably larger radiation dose and therefore must not be overestimated when measuring the intensity of the damaging UV radiation.
  • Il / VI semiconductors based on ZnS and related ternary and quaternary semiconductors.
  • ZnS zinc is replaced by cadmium
  • sulfur replaced by selenium semiconductors with band gaps between 2.8 eV and 3.75 eV can be produced (for example ZnS: E gap «3.75 eV) (see: Ichino et al.”
  • Ichino et al Ultraviolet Semiconductor Laser Structures With Pseudomorphic ZnCdSSe Quaternary Alloys on GaP Substrates "in: Journal of Electronic Materials, pp. 445-451, Vol. 22, No. 5, 1993)
  • SiC is becoming increasingly cheaper due to its use for blue-shining diodes and is therefore particularly attractive for use as a UV detector. Even with the currently very expensive GaN, due to increasing use in other areas (including blue LED), a significant drop in prices is to be expected in the next few years, so that the attractiveness of the photodiodes built up for this application increases.
  • FIG. 13 a To illustrate the terms radiation intensity (FIG. 13 a), detected radiation intensity (FIG. 13 b), effective radiation intensity (FIG. 13 c), radiation dose (FIG. 13 d) and effective radiation dose (FIG. 13 e), the following Fig. 13 briefly explained:
  • a specific radiation intensity (I) is radiated in depending on the time (FIG. 13 a). Because of the spectral sensitivity, a part of this is detected by the detector, which is represented by the detected radiation intensity (I erf ) (FIG. 13 b). If the spectral sensitivity of the sensor agrees well with the sensitivity of the irradiated tissue, this is a good approximation for the tissue load on the unprotected tissue (for example skin without sunscreen or eye without sunglasses). Only a part of the load on the tissue the irradiated radiation intensity, namely that which reaches the tissue with a certain sun protection factor by means of a sunscreen which may be used.
  • the radiation intensity stressing the tissue is approximated by the effective radiation intensity (I eff ) (FIG. 13 c), which is determined from the radiation intensity detected (I erf ) divided by the sun protection factor.
  • the radiation dose (D) (FIG. 13 d) can be determined by integrating the effective radiation intensity over time from a selectable starting time. It represents a measure of the radiation dose stressing the tissue. To take the regeneration of the tissue into account, an effective radiation dose D eff (FIG. 13 e) can be determined.
  • the effective radiation dose (D eff ) can be determined in a similar way to the radiation dose (D) by integrating the effective radiation intensity (I eff ) over time, in contrast to this, however, a drop in the integral is also possible which, for example, exponentially or can be linear over time.
  • a first signal (alarm) is triggered when the limit value (G) of the radiation dose is exceeded.
  • a third embodiment of the UV radiation measuring device is shown in the block diagram in FIG. 14.
  • the signal of the detector 3 which is proportional to the detected radiation intensity (I erf ) is fed to the signal processing unit 9 which, taking into account parameters defined with the aid of the input device 8, feeds the first signal and / or further signals to an output device 10.
  • These signals can be, among other things: alarm signal for exceeding the limit value (G) of the radiation dose, radiation intensity (I), effective radiation intensity (I eff ), sun protection factor, radiation dose (D), effective radiation dose (D eff ), time, expected time until the limit (G) of the radiation dose is reached.
  • signal processing 9 can also include an analog / digital converter and a digital processing device. These can be implemented, for example, by a microcontroller.
  • the signal processing 9 contains the analog / digital converter and the digital processing device.
  • the signal processing determines the radiation dose (D) from the time-dependent radiation intensity (I). This is determined either from a certain start time (after pressing the Start button) or for a certain period (for example for the last 12 hours) by integration.
  • an effective radiation dose (D eff ) can also be calculated in the radiation monitoring device, a value at which the regeneration of the irradiated tissue (for example human skin) is taken into account.
  • the regeneration of the irradiated tissue can be taken into account approximately by using simple models, either by means of a drop in the effective radiation dose (D eff ) exponential or linear over time. Thanks to the performance of modern microcontrollers, however, more complicated algorithms can also be used which better approximate the regeneration. If the radiation dose (or the effective radiation dose) exceeds a specific limit value (G) of the radiation dose which can be individually set via the input device 8 (depending on the tissue, for example skin type), the first signal is emitted by the signal processing and by the output device as acoustic and / or optical signal (for example as an alarm signal) is displayed.
  • G specific limit value
  • the radiation measuring device can be implemented in the size of a check card: by using modern power-saving technologies and using low-consumption CMOS circuits, it is possible to measure the radiation measuring advises to supply wholly or partly by solar cells.
  • the device has a display on which the radiation dose or the radiation intensity, the sun protection factor and the probable time until the limit value of the radiation dose is reached.
  • the UV sensor and buttons for the input device can also be seen.
  • a fourth embodiment proposes a special optical detector system (to be referred to as "sensor" in the future) in which the radiation comes from the largest possible Solid angle range (in extreme cases 360 ° is desired; in practice, 120 ° to 180 ° is usually sufficient; 180 ° can be achieved with a sensor of the UV radiation measuring device according to the invention) is directed onto the radiation-sensitive surface of the detector.
  • Sensor optical detector system
  • this invention achieves high measurement accuracy even with diffuse radiation.
  • the sensor comprises a lens or a lens system 2 with a positive focal length, which is arranged in the beam path in front of the detector.
  • the arrangement or size and / or the sensitivity ranges of the detector are selected so that, when the radiation falls at an angle of incidence of zero degrees, only a portion of the radiation incident through the lens or the lens system contributes to the detection of the radiation.
  • the edge region 11 of the lens is defined as the region which is the furthest away from the lens axis when the lens is viewed at an angle of 0 degrees.
  • the photodetector 3 and the edge of the radiation-sensitive region 5 of the photodetector are shown in broken lines in FIG. 1a.
  • section AA the sensor can be seen in cross section.
  • the distance between the detector and the lens is less than the focal length for light incident parallel to the lens axis in the edge region 11 (see FIG. 1 a) of the lens.
  • the angle of incidence ⁇ is defined as the angle between the lens axis and the incident beam.
  • This improvement in focusing with increasing angle of incidence ⁇ is also illustrated in the computer simulations of the beam path shown in FIGS. 5 to 8. As a result, the effect can be largely compensated for in a large angular range that fewer rays hit the sensor as the angle between the lens axis and the rays increases.
  • the compensation shown above by improved focusing of the radiation on the detector 3 can be amplified in that the lens or at least one lens of the lens system has at least one convex lens surface which has a curvature that increases from the lens axis 4 to the lens edge 11 (see FIG. 10 to 12).
  • the compensation can also be increased by curvature of the concave lens surface from the lens axis 4 to Linsen ⁇ edge 11 decreases.
  • the lens or lens system 2 can be a simple converging lens.
  • converging lenses a distinction can be made between plano-convex lenses (FIG. 10), biconvex lenses (FIG. 11), or meniscus lenses (FIG. 12).
  • plano-convex lenses which is brought into direct contact with the surface of the detector 3 with the flat side, has proven to be particularly advantageous. that can, so that the detector reaches a maximum aperture, and rays from a large angular range strike the detector.
  • the optimal shape of the lens depends, among other things, on the refractive index of the lens material.
  • the refractive index of the lens material For a refractive index of 1, 4 very good results have been achieved by way of example with an aspherical plano-convex lens, the cross section of which represents a half ellipse and the thickness (h) of which is 0.57 times the radius (R) of the lens.
  • the circular light-sensitive area 5 of the detector 3 below it should have a radius (r s ) of approximately 0.6 times the lens radius R.
  • the optimal parameters for the respective application can advantageously be determined by computer simulation of the beam path, taking into account the respective boundary conditions.
  • the photodetector is embedded directly in the material from which the lens is made.
  • An additional degree of freedom for influencing the angular dependence of the sensitivity of the sensor is to vary the sensitivity S (r) of the detector 3 mounted according to the invention radially (see FIG. 9).
  • certain areas can be covered by special coatings and thus made less sensitive; there is also the possibility of specifically influencing the sensitivity of certain areas of the detector 3 by arranging the electrodes and the doping regions.
  • diaphragms can be attached at any point within the sensor, which prevent some of the radiation from reaching the radiation-sensitive area of the detector.
  • the use of the lens or the lens system for the sensor of the UV radiation measuring device according to the invention can be carried out in conjunction with the above-described photodetectors made of semiconductors with a band gap of 2.25 eV and above, but is not limited to this.
  • the following devices can increase the utility value of the device described.
  • the sun protection factor of the sunscreen used can be set on the device.
  • the effective radiation intensity, which results from the radiation intensity divided by the sun protection factor, is then used for the calculation of the radiation dose.
  • the device can calculate the time that will pass due to the previous radiation intensity curve and further parameters until the maximum radiation dose is reached.
  • the device contains a display on which, among other things, one or more of the following values can be displayed: radiation intensity, effective radiation intensity, sun protection factor, radiation dose, effective radiation dose, limit value of the radiation dose, time until the limit value of the radiation dose is reached.
  • the device is powered entirely or partially by solar cells.
  • the device determines the limit value of the radiation dose taking into account the skin type and the pretreatment of the skin.
  • the device has a further integrator and determines the total radiation dose over a long period of time from a certain point in time. In this way, for example, the annual dose can be determined in addition to the daily dose.
  • the device has an additional memory and stores the radiation intensity, time, and duration for each strong radiation exposure and can display or output this data on request.
  • the device has an interface via which it can exchange data (for example radiation intensity and radiation time) with another device, which is advantageously constructed electrically and / or optically.
  • the detector can also act as a transmitter and / or receiver in the optical transmission.
  • the device has power saving functions which switch off the display and / or analog / digital converter and / or other functional parts when there is little irradiation and when no button has been pressed for a long time.
  • the effectiveness of the power saving functions can be increased further by only switching on the analog / digital converter and the analog signal processing only briefly for carrying out the measurement and switching it off again immediately thereafter. If it has already been established over several measurements that the radiation intensity is only very low (for example at night or in the shade), the measurement rate can be reduced (for example step by step to 1 measurement per minute). If a higher radiation intensity is determined or the input device is actuated, the measurement rate is increased again to the original value (for example 1 measurement per second).
  • the device has a device which stores important operating parameters (sun protection factor, limit value of the radiation dose (G), skin type, previous radiation dose ”) in a memory in which they are retained even without a power supply (for example EEPROM) .
  • the radiation measuring device can be designed as a check card (see FIG. 15), in connection with an alarm clock, in a wristwatch, tie pin, piece of jewelry, built into make-up box, built into sunglasses, ballpoint pen, cooler bag, Ski goggles, ski hat, golf bag, lid from Sonnenmilch, device for vest pocket (sensor looks out, device is in vest pocket).
  • I detected radiation intensity radiation intensity which the photodetector detects
  • I eff effective radiation intensity radiation intensity divided by light protection factor
  • Limit value of the radiation dose limit value of the radiation dose or the effective radiation dose, when exceeded an alarm is triggered

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Abstract

Es wird ein Strahlungsmeßgerät zum Schutz vor hoher UV-Strahlungsbelastung vorgeschlagen mit einem speziellen Sensor (1) zur Erfassung der Strahlung, der einen Photodetektor mit einem Halbeiter mit einem Bandabstand von über 2,25 eV enthält, eine Linse oder ein Linsensystem (2) mit positiver Brennweite umfaßt, der Detektor im Strahlengang vor dem Brennpunkt, der sich bei im Randbereich der Linse oder des Linsensystems unter dem Einfallswinkel von null Grad einfallender Strahlung ergibt, angeordnet ist und Anordnung und/oder Empfindlichkeitsbereiche des Detektors so gewählt sind, daß bei Strahlungseinfall unter einem Einfallswinkel von null Grad nur ein Teil der durch die Linse oder das Linsensystem einfallenden Strahlung erfaßt wird, einer Eingabeeinrichtung (8) zur externen Eingabe von Parametern, einer Signalverarbeitung (9), welche eine erste Einrichtung aufweist, welche die erfaßte Strahlungsintensität unter Berücksichtigung der Eingabeparameter bewertet, und welche eine zweite Einrichtung aufweist, welche ein erstes Signal entsprechend der Bewertung erzeugt, und einer Ausgabeeinrichtung (10) zur optischen und/oder akustischen Anzeige des Ergebnisses der Bewertung.

Description

Strahlungsmeßgerät zum Schutz vor hoher UV-Strahlungsbelastung
Die vorliegende Erfindung behandelt ein Gerät, mit dem die Belastung eines Körpers durch ultraviolette Strahlung, die von der Sonne oder künstlichen Lichtquellen aus¬ geht, überwacht wird und das ein Warnsignal bei Überschreiten eines benutzerindi¬ viduellen Grenzwerts abgibt.
Mit dem Auftreten des Ozonlochs wird es zunehmend wichtiger, Schutzmaßnahmen vor Schäden, die durch hohe UV-Strahiungsbelastung (zum Beispiel Sonnenbrand, Hautkrebs, Schäden an den Augen ...) entstehen, zu treffen. Mögliche Schutzma߬ nahme sind beispielsweise die Verwendung von Sonnenschutzmitteln und die Ein¬ schränkung der Expositionszeit, die zum Beispiel mit Hilfe von Tabellen, die in Ab¬ hängigkeit vom Hauttyp eine Zeitdauer für die maximale empfohlene tägliche Son¬ nenbestrahlung angeben, ermittelt werden kann. Derartige Tabellen können jedoch nur einen groben Richtwert geben, da die Abhängigkeit der Intensität der Sonnen¬ bestrahlung von der Tageszeit, den Wetterbedingungen (Bewölkung, Dunst ...) und den Umgebungsbedingungen (Wasser, Hochgebirge, Schnee ...) nur unzureichend berücksichtigt werden können.
Um die tatsächliche Intensität der Strahlung zu berücksichtigen, kann die Verfärbung photochromer Materialien zur Ermittlung der Strahlungsbelastung herangezogen werden ("Reusable Radiation Detector" US-Patent 4 130760). Eine andere, wesentlich genauere Möglichkeit der Überwachung der Belastung durch ultraviolette Strahlung können elektronische Geräte leisten, die mit Hilfe eines speziellen Sensors die tatsächliche Intensität der ultravioletten Strahlung messen. Ein Sensor für ein derartiges Gerät ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Schon vor über 20 Jahren wurden elektronische Strahlungsmeßgeräte, die vor hoher Sonnenbestrahlung schützen sollen, beschrieben.
Im US-Patent 3 710 115 (1973) beschreibt Jubb ein Sonnenbrand-Warngerät ("Sunburn Warning Device Comprising Detecting the Ultraviolet Component of Solar Radiation"), bei dem die momentane Strahlungsdosis mit Hilfe eines analogen Me߬ geräts angezeigt werden kann und das bei Überschreiten einer bestimmten Strah¬ lungsdosis ein akustisches Warnsignal abgeben kann.
Im US-Patent 3 917 948 (1975) beschreibt Strutz ein Dosis-Meßgerät ("Device for Measuring the Dose of Ultraviolet Radiation in the Erythem-Effective Range"), das einen Oszillator enthält, bei dem ein Photowiderstand das frequenzbestimmende Glied darstellt. Ein nachgeschatteter elektronischer Zähler zählt die Impulse dieses Oszillators und löst bei Erreichen einer bestimmten, voreingestellten Gesamtzahl an Impulsen einen Alarm aus.
Tulenko beschreibt im US-Patent 4229 733 (1980) ein Strahlungsmeßgerät ("Exposure Detecting Device"), bei dem ein Dosissignal ermittelt wird, das während der Bestrahlung erwartungsgemäß ansteigt, bei fehlender Bestrahlung aber wieder abfällt. Hierdurch soll die Regeneration der Haut berücksichtigt werden. Die Regenerationsfähigkeit der Haut kann auch das in PCT-Anmeldung WO86/03319 beschriebene UV-Strahlungsüberwachungsgerät ("Ultraviolet Moni¬ toring Device") berücksichtigen.
Im US-Patent 4428050 (1984) ist von Pellegrino ein Gerät beschrieben, das insbe¬ sondere beim Solariumbesuch die Strahlungsbelastung und die Bräunung überwa¬ chen soll ("Tanning Aid"): Ein Computer (Mikroprozessor) ermöglicht es bei diesem Gerät unter anderem, Hauttyp, Lichtschutzfaktor einer Sonnencreme, anfängliche Hautbräunung sowie die Bestrahlungsseite (Bauch/Rücken) zu berücksichtigen. Weiterhin wird in dieser Erfindung beschrieben, daß die Strahlung für UV-A, UV-B und UV-C mit Hilfe mehrerer Lichtdetektoren und entsprechender vorgeschalteter Filter getrennt überwacht werden kann.
Im US-Patent 4 535244 beschreibt Burnham ein tragbares Dosimeter mit Sensor, Mikroprozessor und Anzeige. Durch eine Tastatur können Parameter wie zum Bei¬ spiel Lichtschutzfaktor der Sonnencreme eingegeben werden. Burnham entwickelte das Dosimeter weiter und meldete ein weiteres US-Patent (4608492: "Ultraviolet Monitor Suntan Alarm with Seif Test Routines") an, bei dem der Mikroprozessor laufend die Funktion des Geräts überprüft und unter anderem vor Abschattung des Sensors warnt.
Ein ähnliches Dosimeter, das in der Bedienung bezüglich der Eingabe des Licht¬ schutzfaktors weiterentwickelt wurde, ist in US-Patent 4962 910 (1990) von Shimizu beschrieben.
Im US-Patent 5008548 (1991) beschreibt Gat ein tragbares Strahlungsmeßgerät ("Personal UV Radiometer"), mit dem gleichzeitig Dosis und Dosisleistung der Strahlung gemessen werden können. Darüber hinaus wird auf die Notwendigkeit hingewiesen, für genaue Messungen das Strahlungsmeßgerät in Richtung maxima¬ ler Strahlungsintensität auszurichten.
Löbach beschreibt in seiner Patentanmeldung DE 36 30 988 (1986) zahlreiche Detailverbesserungen (insbesondere hinsichtlich der händischen Bedienung) für eine "Einrichtung zur Ermittlung einer Bestrahlungsmenge während eines Bräu¬ nungsvorganges", wobei diese Einrichtung mit einem Filter und in einer vorgeschla¬ genen Ausführungsform mit einer "UV-Sensitiven-Silizium-Diode" ausgestattet ist. In der Patentanmeldung DE 42 06 172 "Hochempfindliche Fotodiode zur Feststel¬ lung von UV-Strahlung" (1992) wird ein spezieller Aufbau einer Siliziumkarbid-Pho¬ todiode zur hochempfindlichen Messung von UV-Strahlung beschrieben. Die Erfindung gemäß Patent DE 3922 153 "Optischer Sensor" (1989) beruht ganz wesentlich auf der Tatsache, daß in Linsenmitte senkrecht einfallende Strahlen nicht auf den Sensor gelenkt, sondern zerstreut werden (siehe hierzu Fig. 3 d dieser Pa¬ tentschrift). Um diese negative Brennweite in Linsenmitte zu erreichen, wird ein el- lipsoidförmiger Hohlraum benötigt, der als wesentliches Merkmal dieser Erfindung im Hauptanspruch genannt wird, das heißt, die Aufgabenlösung dieser Schrift wird re¬ alisiert durch die Kombination eines Linsenkörpers mit ellipsoidförmiger Außenseite und einem ellipsoidförmigen Hohlraum. Als nachteilig erweist sich hierbei unter anderem der Umstand, daß die Herstellung dieses Linsenkörpers sehr aufwendig ist, da in den Linsenkörper ein Hohlraum eingebracht sein muß und die optisch relevan¬ ten Grenzflächen ellipsoidförmig gefertigt werden müssen. Insbesondere bei gerin¬ gen Linsengrößen von wenigen Millimetern und darunter (beispielhafte Größe 1 mm) ist dieser Linsenkörper nur mit erheblichem technischen und kostenmäßigen Auf¬ wand zu realisieren.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird darauf hingewiesen, daß der Bereich der ultravioletten Strahlung üblicherweise unterteilt wird in UV-A, UV-B und UV-C. Im UV-A Bereich (Wellenlänge 315 bis 400 nm) verursacht zu hohe Strahlungsbe¬ lastung eine schnellere Alterung der Haut, wobei die minimale Erythem-Dosis (MED; Strahlungsdosis, ab der eine Rötung der Haut festgestellt werden kann) bei ca. 25 J/cm2 liegt. Der Anteil dieser UV-A Strahlung im natürlichen Sonnenspektrum be¬ trägt ca. 4 %.
Wesentlich gefährlicher ist UV-B-Strahlung (Wellenlänge 280 nm bis 315 nm), die als Verursacher von Hautkrebs und Sonnenbrand gilt. Diese Strahlung hat einen Anteil von ca. 0,4 % im natürlichen Sonnenspektrum und kann schon bei sehr gerin¬ gen Dosen Hautreizungen verursachen (MED liegt bei ca. 25 mJ/cm2). Licht im UV-C-Bereich (Wellenlängen unter 280 nm) wird in der Atmosphäre so gut wie vollständig absorbiert.
Üblicherweise werden in UV-Strahlungsmeßgeräten als Detektoren Photodioden aus Silizium (Si) eingesetzt, die Strahlung mit Wellenlängen unter 1100 nm und damit auch das gesamte sichtbare Spektrum und Teile des infraroten Spektrums detektie- ren. Da das sichtbare und infrarote Licht im natürlichen Sonnenlicht ca. 95 % der Strahlungsenergie enthält und dieser Strahlungsanteil nicht zum Meßergebnis bei¬ tragen soll, wird in den meisten der oben angegebenen Patente der Einsatz von Filtern erwähnt, mit denen nur die UV-Strahlung herausgefiltert werden kann, um ei¬ ne günstigere spektrale Empfindlichkeit des Detektionssystems zu erzielen. Die bekanntesten optischen Filter beruhen entweder auf dem Prinzip der Absorption bestimmter Wellenlängenbereiche durch Farbstoffe oder auf dem Prinzip der Inter¬ ferenz.
Erstgenannte sind zwar leicht als UV-absorbierende, aber sehr schwer als UV- durchlässige Filter herzustellen. Im europäischen Patent 0392442 wird ein UV- Strahlungsmeßgerät ("Ultraviolet Ray Measuring Apparatus") beschrieben, das die UV-Strahlungsintensität mit Hilfe zweier in Differenzmessung betriebener Detektoren ermittelt, von denen einer zusätzlich mit einem leicht herstellbaren UV-Strahlung-ab- sorbierenden Filter ausgestattet ist.
Bei Interferenzfiltern, die nur Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich durchlassen, hängt die Durchlaßcharakteristik vom Einfallswinkel der Strahlung ab. Dies führt im praktischen Betrieb eines UV-Strahl ungsmeßgeräts zu Verfälschungen des Meßergebnisses, da weder ein senkrechtes Auftreffen des Licht noch ein Auf¬ treffen unter einer konstanten Winkelverteilung sichergestellt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, daß die dargestellten Nachteile einer herkömm¬ lichen Photodiode mit vorgeschaltetem Filter vermieden werden und darüber hinaus ein kleiner, leichter und robuster Aufbau des gesamten Detektionssystems für die UV-Strahlung bewerkstelligt wird.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Das Strahlungsmeßgerät zum Schutz vor hoher UV-Strahlungsbelastung mit
• einem Photodetektor zum Erfassen der Strahlungsintensität,
• einer Eingabeeinrichtung zur externen Eingabe von Parametern,
• einer Signalverarbeitung, welche eine erste Einrichtung aufweist, welche die er¬ faßte Strahlungsintensität unter Berücksichtigung der Eingabeparameter bewer¬ tet, und welche eine zweite Einrichtung aufweist, welche ein erstes Signal ent¬ sprechend der Bewertung erzeugt,
• einer Ausgabeeinrichtung zur optischen und/oder akustischen Anzeige des ersten Signals,
• ist dadurch gekennzeichnet, daß
• der Photodetektor einen Halbleiter mit einem Bandabstand von über 2,25 eV um¬ faßt,
• im Strahlengang vor dem Photodetektor eine Linse oder ein Linsensystem (2) mit positiver Brennweite vorhanden ist,
• die Linse oder das Linsensystem im Strahlengang vor dem Detektor (3) angeord¬ net ist, • der Detektor (3) im Strahlengang vor dem Brennpunkt angeordnet ist, der sich bei im Randbereich (11) der Linse oder des Linsensystems (2) unter dem Einfalls¬ winkel von α = 0° einfallender Strahlung ergibt,
• Anordnung und/oder Empfindlichkeitsbereiche des Detektors so gewählt sind, daß bei Strahlungseinfall unter einem Einfallswinkel von α = 0° nur ein Teil der durch die Linse oder das Linsensystem einfallenden Strahlung erfaßt wird.
Bei der vorliegenden Erfindung entfällt der Filter mit den beschriebenen Nachteilen vollständig, darüber hinaus wird die üblicherweise verwendete Silizium-Photodiode durch einen Photodetektor aus einem geeigneten Halbleitermaterial ersetzt. Durch Verwendung eines Halbleiters mit einem Bandabstand größer als 2,25 eV werden im wesentlichen nur elektromagnetische Strahlungen mit einer Wellenlänge kleiner als 545 nm erfaßt. Bedienungskomfort und Aussagekraft der Messung werden beim erfindungsgemäßen UV-Strahlungsmeßgerät dadurch erhöht, daß ein Sensor ver¬ wendet wird, der mit zunehmendem Einfallswinkel die Fokussierung auf den strah¬ lungsempfindlichen Bereich des Detektors verbessert, so daß in einem großen Win¬ kelbereich der Effekt weitgehend kompensiert werden kann, daß bei zunehmendem Winkel zwischen Linsenachse und Strahlen weniger Strahlen auf den Sensor treffen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die technisch am besten beherrschten Halbleiter mit dem geeigneten Bandabstand sind
Galliumphosphid (GaP), Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) und Zinksulfid (ZnS) sowie daraus hervorgehende ternäre und quatemäre Verbindungen. Durch ih¬ re relativ große Verbreitung ergibt sich eine kostengünstige Herstellung.
Die für das UV-Strahlungsmeßgerät in besonderem Maße wichtigen Spektralberei¬ che liegen bei 280 nm bis 400 nm. Zur Erfassung dieser Spektralbereiche eignen sich besonders Halbleiterdetektoren mit einem Bandabstand von 2,25 eV bis 4,0 eV.
Da der Grenzwert der Strahlungsdosis möglichst benutzerindividuell einstellbar sein soll, ist eine Eingabeeinrichtung vorteilhaft, mit der der Grenzwert direkt oder indi¬ rekt (Eingabe von Parametern, mit deren Hilfe der Grenzwert berechnet werden kann) eingegeben wird. Es ist von Vorteil, wenn das UV-Strahlungsmeßgerät die Belastung des bestrahlten Gewebes durch UV-Strahlung unter Berücksichtigung von UV-Schutzeinrichtungen (beispielsweise Lichtschutzfaktors von Sonnencreme) ermitteln kann. Die Strahlungsdosis stellt eine gute Näherung für die Gewebebelastung des be¬ strahlten Gewebes dar. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn das UV-Strahlungsmeßgerät diese ermittelt. Die Ermittlung der Strahlungsdosis kann einfach durch Integration ab einem frei wählbaren Zeitpunkt (beispielsweise durch Betätigen einer Start-Taste) erfolgen.
Die dermatologisch relevante Strahlungsbelastung des bestrahlten Gewebes wird genauer genähert, wenn bei der Ermittlung der effektiven Strahlungsdosis auch die Regeneration des bestrahlten Gewebes berücksichtigt wird.
Vorteilhafterweise wird der Benutzer des erfindungsgemäßen UV-Strahlungsmeßge¬ räts gewarnt, wenn der benutzerindividuell eingestellte Grenzwert der Strahlungs¬ dosis erreicht beziehungsweise überschritten ist.
Dadurch, daß bei dem verwendeten Sensor die Linse beziehungsweise mindestens eine Linse des Linsensystems mindestens eine konvexe Linsenfläche aufweist, die eine von der Linsenachse zum Linsenrand hin zunehmende Krümmung besitzt, kann die oben dargestellte Kompensation durch verbesserte Fokussierung der Strahlung auf den Detektor verstärkt werden.
Das gleiche gilt, wenn bei diesem Sensor die Linse beziehungsweise mindestens ei¬ ne Linse des Linsensystems mindestens eine konkave Linsenfläche (zum Beispiel bei einer Meniskuslinse) aufweist, bei der die Krümmung von der Linsenachse zum Linsenrand hin abnimmt.
Die Linse beziehungsweise das Linsensystem kann bei diesem Sensor im einfach¬ sten Fall eine einfache Sammellinse sein. Bei Sammellinsen kann man zwischen plankonvexen Linsen, bikonvexen Linsen, oder Meniskuslinsen unterscheiden. Be¬ sonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung einer plankonvexen Linse, weil diese mit der flachen Seite direkt in Kontakt mit der Oberfläche des Detektors ge¬ bracht werden kann, so daß der Detektor eine maximale Apertur erreicht und Strahlen aus einem großen Winkelbereich auf den Detektor treffen.
Aus fertigungstechnischen Gründen ist es besonders vorteilhaft, wenn bei diesem Sensor der Detektor direkt in das Material, aus dem die Linse besteht, eingebettet ist, wodurch der Sensor kompakt, leicht und kostengünstig herstellbar wird. Mit Hilfe von an beliebigen Stellen innerhalb des Sensors angebrachten Blenden kann bei diesem Sensor die Winkelabhängigkeit der Empfindlichkeit des Sensors gezielt beeinflußt werden.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Fig. 1 a: Sensor des erfindungsgemäßen UV-Strahlungsmeßgeräts in einer Ausfüh¬ rungsform in Draufsicht Fig. 1 b: Sensor von Fig. 1 a im Schnitt A-A Fig. 2: Sensor von Fig. 1 b mit Definition des Einfallswinkels α Fig. 3: Sensor von Fig. 1 b unter Einfall von Strahlung mit Einfallswinkel α = 0° Fig. 4: Sensor von Fig. 1 b unter Einfall von Strahlung unter einem Einfallswinkel α = 90° Fig. 5: Computersimulation des Strahlengangs bei Einfallswinkel α = 0° für Linse mit den Parametern h = 0,57-R; rs = 0,6-R
Fig. 6: Computersimulation des Strahlengangs bei Einfallswinkel α = 45° für Linse mit den Parametern h = 0,57-R; rs = 0,6- R
Fig. 7: Computersimulation des Strahlengangs bei Einfallswinkel α = 75° für Linse mit den Parametern h = 0,57 R; rs = 0,6 R
Fig. 8: Computersimulation des Strahlengangs bei Einfallswinkel α = 90° für Linse mit den Parametern h = 0,57 R; rs = 0,6 R
Fig. 9 a Sensor nach Fig. 1 b mit Bereichen verminderter Strahlungempfindlichkeit im Schnitt A-A
Fig. 9 b Sensor nach Fig. 9 a mit Bereichen verminderter Strahlungempfindlichkeit in Draufsicht
Fig. 9 c Radiale Empfindlichkeit des Detektors in Fig. 9 a im Schnitt A-A
Fig. 10: Plankonvexe Ausführungsform der Linse
Fig. 11 : Bikonvexe Ausführungsform der Linse
Fig. 12: Ausführungsform der Linse als Meniskuslinse
Fig. 13: Veranschaulichung der Begriffe Strahlungsintensität (Fig. 13 a), erfaßte
Strahlungsintensität (Fig. 13 b), effektive Strahlungsintensität (Fig. 13 c),
Strahlungsdosis (Fig. 13 d) und effektive Strahlungsdosis (Fig. 13 e) an¬ hand einer beliebigen Einstrahlung über der Zeit Fig. 14: Blockschaltbild des Strahlungsmeßgeräts Fig. 15: Strahlungsmeßgerät in Form einer Scheckkarte Bei der vorliegenden Erfindung entfällt der Filter mit den beschriebenen Nachteilen vollständig, darüber hinaus wird die üblicherweise verwendete Silizium-Photodiode durch einen Photodetektor aus einem geeigneten Halbleitermaterial ersetzt. Durch Verwendung eines Halbleiters mit einem Bandabstand größer als 2,25 eV werden im wesentlichen nur elektromagnetische Strahlungen mit einer Wellenlänge kleiner als 545 nm erfaßt.
Es wurde gefunden, daß mit Halbleiterdetektoren auf der Basis von Galliumphosphid (GaP), schon eine deutliche Verbesserung der spektralen Empfindlichkeit gegen¬ über Photodetektoren aus Si-Basis erzielt werden kann. GaP ist ein Halbleiter mit Bandabstand Egap « 2,3 eV, der im wesentlichen Strahlung mit Wellenlängen unter 540 nm detektiert.
In einer ersten Ausführungsform wird daher ein Detektor auf der Basis von Gallium¬ phosphid eingesetzt. Neben der UV-Strahlung wird bei derartig aufgebauten Photo¬ detektoren jedoch noch ein wesentlicher Teil des sichtbaren Lichts detektiert.
Eine weitere Verbesserung der spektralen Empfindlichkeit kann durch Verwendung von Detektoren erzielt werden, die aus Halbleitern mit einem Bandabstand von über 2,75 eV aufgebaut werden, da hier nur Lichtquanten mit einer Energie von über 2,75 eV (Wellenlänge < 450 nm) in technisch relevantem Maße Elektron-Loch-Paare generieren können, die ihrerseits durch Strommessung leicht nachgewiesen werden können. Das Maximum der Empfindlichkeit derartiger Halbleiterdetektoren liegt bei einer deutlich kürzeren Wellenlänge als der Wellenlänge, die durch den Bandabstand des Halbleiters bestimmt ist und liegt damit in der Regel im UV-Be¬ reich.
In einer zweiten Ausführungsform wird ein derartiger Detektor mit Hilfe einer Diode auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) oder auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) realisiert. SiC ist ein Halbleiter, der mit verschiedenen Gitterstrukturen hergestellt werden kann. SiC mit der technologisch gut beherrschten 6-H-Gitterstruktur (hexagonale Symmetrie) hat einen Bandabstand von Egap » 2,86 eV (indirekter Übergang; bei 300 K), so daß Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 430 nm einen gut meßbaren Photostrom verursacht. Es wurde gefunden, daß aus derarti¬ gem SiC aufgebaute Photodioden ihre maximale Empfindlichkeit im UV-Bereich ha¬ ben. Grundsätzlich eignet sich auch SiC mit anderen Gitterstrukturen, sofern der Bandabstand bei üblichen Betriebstemperaturen ausreichend groß ist; dies trifft un¬ ter anderem bei den Strukturen 8 H (Egap * 2,75 eV), 21 R (Egap * 2,80 eV) und 15 R (Egap « 2,95 eV) zu. Vielfach werden blaue Leuchtdioden aus SiC (zum Beispiel 6 H) aufgebaut, die als billig herstellbare Massenprodukte direkt oder nur geringfügig modifiziert auch für einen preiswerten UV-Detektor in UV-Strahlungsmeßgeräten fungieren können.
Bei der Herstellung des Sensors ist man jedoch nicht nur auf Dioden beschränkt: Es können auch andere photosensitive Bauelemente wie Phototransistoren oder Pho¬ toleiter aus den genannten Halbleitermaterialien verwendet werden. Bei der Auswahl des Halbleitermaterials, aus dem der UV-Detektor 3 aufgebaut ist, ist man nicht auf GaP, SiC und GaN beschränkt: Grundsätzlich eignen sich für den UV-Detektor alle Halbleiter (auch Verbindungshalbleiter) mit einem Bandabstand von über 2,25 eV. Je höher der Bandabstand des verwendeten Halbleitermaterials ist, desto mehr liegt die spektrale Empfindlichkeit eines damit aufgebauten UV-De¬ tektors im kurzwelligen UV-Bereich und desto weniger wird sichtbares Licht und langwelliges UV-Licht detektiert, dessen Photonenenergie dann nicht mehr zur Überwindung des Bandabstands des Halbleiters (Egap) ausreicht. Der zu detektie- rende Spektralbereich wird nicht durch Filter, sondern insbesondere durch die Aus¬ wahl eines geeigneten Halbleitermaterials, seine Dotierung und den Strukturaufbau des UV-Halbleiterdetektors bestimmt. Da der UV-B-Bereich möglichst vollständig erfaßt werden soll, ist es nicht sinnvoll, für den Detektor einen Halbleiter mit einem Bandabstand von über 4 eV zu verwenden. Mit derartigen Halbleitern aufgebaute Detektoren könnten jedoch für den UV-C-Bereich fungieren, der bei einer weiteren Zunahme des Ozonloches interessant werden könnte. Das UV-Strahlungsmeßgerät könnte dann einen speziellen Detektor aus einem Halbleiter mit über 4 eV Bandab¬ stand enthalten, der die besonders kurzwellige UV-Strahlung detektiert.
Von besonderem Interesse sind darüber hinaus Dioden, Transistoren und Photolei¬ ter aus Galliumnitrid, einem Halbleiter, der abhängig von der Gitterstruktur einen Bandabstand im Bereich von 3,2 bis 3,5 eV (direkter Übergang) aufweist. Damit auf¬ gebaute UV-Detektoren haben eine sehr hohe Empfindlichkeit bei der für den Men¬ schen besonders schädlichen UV-B-Strahlung im Bereich um 300 nm, die langwelli¬ gen (> 355 bis 385 nm) UV-Strahlen tragen nur unwesentlich zum Meßergebnis bei. Dieses spektrale Verhalten des UV-Detektors ist besonders wünschenswert, da langwellige UV-Strahlen nur in erheblich größerer Strahlungsdosis Strahlungsschä¬ den verursachen und daher bei der Intensitätsmessung der schädigenden UV- Strahlung nicht zu hoch bewertet werden dürfen.
Andere Halbleiter, die für UV-Detektoren von besonderem Interesse sind, sind die Il/Vl-Halbleiter auf der Basis von ZnS und diesem verwandte ternäre und quaternäre Halbleiter. Wird gegenüber ZnS bis zu 30 % des Zinks durch Cadmium ersetzt und bis zu 30 % des Schwefels durch Selen ersetzt, können Halbleiter mit Bandabstän¬ den zwischen 2,8 eV und 3,75 eV hergestellt werden (zum Beispiel ZnS: Egap « 3,75 eV) (siehe hierzu: Ichino et al. "Ultraviolet Semiconductor Laser Structures With Pseudomorphic ZnCdSSe Quaternary Alloys on GaP Substrates" in: Journal of Electronic Materials, S. 445-451 , Vol. 22, No. 5, 1993)
SiC wird durch seine Verwendung für blau leuchtende Dioden zunehmend preiswer¬ ter und ist daher für die Anwendung als UV-Detektor besonders attraktiv. Auch bei dem momentan noch sehr teurem GaN ist aufgrund zunehmender Anwendung auf anderen Gebieten (unter anderem auch blaue LED) in den nächsten Jahren mit ei¬ nem deutlichen Preisverfall zu rechnen, so daß die Attraktivität von damit aufgebau¬ ten Photodioden für diese Anwendung steigt.
Zur Veranschaulichung der Begriffe Strahlungsintensität (Fig. 13 a), erfaßte Strah¬ lungsintensität (Fig. 13 b), effektive Strahlungsintensität (Fig. 13 c), Strahlungsdosis (Fig. 13 d) und effektive Strahlungsdosis (Fig. 13 e) wird im folgenden Fig. 13 kurz erklärt:
Eingestrahlt wird in Abhängigkeit von der Zeit eine bestimmte Strahlungsintensität (I) (Fig. 13 a). Von dieser wird vom Detektor aufgrund der spektralen Empfindlichkeit ein Teil erfaßt, der durch die erfaßte Strahlungsintensität (Ierf) (Fig. 13 b) repräsen¬ tiert wird. Wenn die spektrale Empfindlichkeit des Sensors gut mit der Empfindlich¬ keit des bestrahlten Gewebes übereinstimmt, stellt dies eine gute Näherung für die Gewebebelastung des ungeschützten Gewebes (beispielsweise Haut ohne Son¬ nencreme oder Auge ohne Sonnenbrille) dar. Belastend für das Gewebe ist nur ein Teil der eingestrahlten Strahlungsintensität, nämlich der, der durch eine gegebe¬ nenfalls verwendete Sonnencreme mit einem bestimmten Lichtschutzfaktor das Ge¬ webe erreicht. Die das Gewebe belastende Strahlungsintensität wird durch die ef¬ fektive Strahlungsintensität (Ieff) (Fig. 13 c) angenähert, die aus der erfaßten Strah¬ lungsintensität (Ierf) geteilt durch den Lichtschutzfaktor ermittelt wird. Die Strah¬ lungsdosis (D) (Fig. 13 d) kann durch Integration der effektiven Strahlungsintensität über der Zeit ab einem wählbaren Startzeitpunkt ermittelt werden. Sie stellt ein Maß für die das Gewebe belastende Strahlungsdosis dar. Um die Regeneration des Ge¬ webes zu berücksichtigen, kann eine effektive Strahlungsdosis Deff (Fig. 13 e) ermit¬ telt werden. Die effektive Strahlungsdosis (Deff) kann ähnlich wie die Strahlungsdo¬ sis (D) durch Integration der effektiven Strahlungsintensität (Ieff) über der Zeit ermit¬ telt werden, im Gegensatz dazu wird jedoch auch ein Abfall des Integrals ermöglicht, der beispielsweise exponentiell oder linear über der Zeit erfolgen kann. Wie in (Fig. 13 d und Fig. 13 e) gezeigt, wird bei Überschreiten des Grenzwertes (G) der Strah¬ lungsdosis ein erstes Signal (Alarm) ausgelöst.
Eine dritte Ausführungsform des UV-Strahlungsmeßgeräts ist in Fig. 14 im Block¬ schaltbild dargestellt.
Das der erfaßten Strahlungsintensität (Ierf) proportionale Signal des Detektors 3 wird der Signalverarbeitung 9 zugeführt, die unter Berücksichtigung von mit Hilfe der Eingabeeinrichtung 8 festgelegter Parameter das erste Signal und/oder weitere Si¬ gnale einer Ausgabeeinrichtung 10 zuführt. Diese Signale können unter anderem sein: Alarmsignal für Überschreiten des Grenzwertes (G) der Strahlungsdosis, Strahlungsintensität (I), effektive Strahlungsintensität (Ieff), Lichtschutzfaktor, Strah¬ lungsdosis (D), effektive Strahlungsdosis (Deff), Uhrzeit, voraussichtliche Zeit bis zum Erreichen des Grenzwertes (G) der Strahlungsdosis.
Da die digitale Verarbeitung der analogen in vielen Punkten überlegen ist, kann die Signalverarbeitung 9 auch einen Anaiog/Digital-Wandler sowie eine digitale Verar¬ beitungseinrichtung umfassen. Diese können beispielsweise durch einen Mikrocon- trolier realisiert werden. Die Signalverarbeitung 9 enthält den Anaiog/Digital-Wand¬ ler sowie die digitale Verarbeitungseinrichtung. Die Signalverarbeitung ermittelt aus der zeitabhängigen Strahlungsintensität (I) die Strahlungsdosis (D). Diese wird entweder ab einem bestimmten Startzeitpunkt (ab dem Betätigen der Start-Taste) oder für einen bestimmten Zeitraum (zum Beispiel für die letzten 12 Stunden) durch Integration ermittelt. Darüber hinaus kann beim Strahlungsüberwachungsgerät auch eine effektive Strahlungsdosis (Deff) berechnet werden, ein Wert, bei dem die Re¬ generation des bestrahlten Gewebes (zum Beispiel menschliche Haut) berücksich¬ tigt wird. Hierfür kann die Regeneration des bestrahlten Gewebes unter Zugrunde¬ legung einfacher Modelle näherungsweise entweder durch einen über der Zeit ex- ponentiellen oder linearen Abfall der effektiven Strahlungsdosis (Deff) berücksichtigt werden. Dank der Leistungsfähigkeit moderner Mikrocontroller können jedoch auch kompliziertere Algorithmen angewandt werden, die die Regeneration besser annä¬ hern. Übersteigt die Strahlungsdosis (beziehungsweise die effektive Strahlungsdo¬ sis) einen bestimmten über die Eingabeeinrichtung 8 individuell einstellbaren Grenzwert (G) der Strahlungsdosis (abhängig vom Gewebe, zum Beispiel Hauttyp), wird von der Signalverarbeitung das erstes Signal abgegeben und von der Ausga¬ beeinrichtung als akustisches und/oder optisches Signal (zum Beispiel als Alarmsi¬ gnal) angezeigt.
Wie Fig. 15 beispielhaft zeigt, kann das Strahlungsmeßgerät in Größe einer Scheckkarte realisiert werden: Durch Einsatz moderner Stromspartechniken und Einsatz verbrauchsarmer CMOS-Schaltkreise ist es möglich, das Strahlungsmeßge- rät ganz oder teilweise durch Solarzellen zu versorgen. Darüber hinaus verfügt das Gerät über eine Anzeige, an der die Strahlungsdosis beziehungsweise die Strah¬ lungsintensität, der Lichtschutzfaktor sowie voraussichtliche Zeit bis zum Erreichen des Grenzwertes der Strahlungsdosis angezeigt sind. Weiterhin sind der UV-Sensor sowie Tasten für die Eingabeeinrichtung zu erkennen.
Ein weiteres Problem beim praktischen Einsatz von UV-Strahlungsmeßgeräten stellt die Abhängigkeit der Strahlungsintensität von der Winkelverteilung, mit der die Strahlung auf den Photodetektor trifft, dar. Im US-Patent 5008548 wurde vorge¬ schlagen, den Photodetektor in Richtung maximaler Strahlungsintensität auszurich¬ ten.
Da dieser Vorschlag im praktischen Betrieb bei einem UV-Strahlungsmeßgerät nicht sinnvoll umgesetzt werden kann, wird in einer vierten Ausführungsform ein speziel¬ les Optik-Detektor-System (wird künftig als "Sensor" bezeichnet) vorgeschlagen, bei dem die Strahlung aus einem möglichst großen Raumwinkelbereich (im Extremfall werden 360° gewünscht; in der Praxis genügen meist 120° bis 180°; 180° können mit einem Sensor des erfindungsgemäßen UV-Strahlungsmeßgeräts erreicht wer¬ den) auf die strahlungsempfindliche Fläche des Detektors gelenkt wird. Damit ist nur noch eine grobe Ausrichtung des Detektors in Richtung der Strahlungsquelle erforderlich. Darüber hinaus wird durch diese Erfindung auch bei diffuser Strahlung eine hohe Meßgenauigkeit erreicht.
Der Sensor umfaßt eine Linse beziehungsweise ein Linsensystem 2 mit positiver Brennweite, die im Strahlengang vor dem Detektor angeordnet ist. Der Detektor ist im Strahlengang vor dem Brennpunkt angeordnet ist, der sich bei im Randbereich 11 der Linse beziehungsweise des Linsensystems unter dem Einfallswinkel α = 0 Grad einfallender Strahlung ergibt.
Die Anordnung beziehungsweise Größe und/oder die Empfindlichkeitsbereiche des Detektors sind so gewählt, daß bei Strahlungseinfall unter einem Einfallswinkel von null Grad nur ein Teil der durch die Linse beziehungsweise das Linsensystem einfal¬ lenden Strahlung zur Erfassung der Strahlung beiträgt.
Wie in Fig. 1 zu ersehen, ist als Randbereich 11 der Linse der Bereich definiert, der bei Sicht auf die Linse unter Winkel von 0 Grad am weitesten von der Linsenachse entfernt ist. Gestrichelt ist in Fig. 1 a der Photodetektor 3 sowie der Rand des strah¬ lungsempfindlichen Bereichs 5 des Photodetektors eingezeichnet. Im Schnitt A-A ist der Sensor im Querschnitt zu sehen. Der Abstand zwischen Detektor und Linse ist geringer als die Brennweite für parallel zur Linsenachse im Randbereich 11 (vergleiche Fig. 1 a) der Linse einfallendes Licht. Der Detektor ist hierbei also nicht wie üblich im oder in der Nähe des Brenn¬ punktes für in Linsenmitte einfallendes Licht angebracht. Wenn Strahlung unter ei¬ nem Einfallswinkel α von α = 0° auf den Sensor fällt, ist die auf den Detektor 3 auf¬ treffende Strahlung stark defokussiert. Der Einfallswinkel α ist gemäß Fig. 2 definiert als Winkel zwischen Linsenachse und einfallendem Strahl.
Wie in Fig. 3 ersichtlich ist, wird die Größe des strahlungsempfindlichen Bereichs des Detektors so gewählt, daß bei Strahlungseinfall unter einem Einfallswinkel α = 0° nur ein Teil der durch die Linse einfallenden Strahlen den sensitiven Bereich des Detektors erreicht. Dadurch wird ermöglicht, daß mit zunehmendem Einfalls¬ winkel α zwischen Linsenachse 4 und Strahlen 7 (vergleiche Fig. 2) der auf den strahlungsempfindlichen Bereich 5 des Detektors 3 treffende Anteil aller in die Linse beziehungsweise Linsensystem 2 einfallender Strahlen zunimmt, da sich die Fo¬ kussierung der Lichtstrahlen auf den Detektor 3 verbessert (siehe hierzu Fig. 4). Diese Verbesserung der Fokussierung mit zunehmendem Einfallswinkel α wird auch in den in Fig. 5 bis 8. dargestellten Computersimulationen des Strahlengangs veranschaulicht. Hierdurch kann in einem großen Winkelbereich der Effekt weitge¬ hend kompensiert werden, daß bei zunehmendem Winkel zwischen Linsenachse und Strahlen weniger Strahlen auf den Sensor treffen.
Die oben dargestellte Kompensation durch verbesserte Fokussierung der Strahlung auf den Detektor 3 kann dadurch verstärkt werden, daß die Linse beziehungsweise mindestens eine Linse des Linsensystems mindestens eine konvexe Linsenfläche aufweist, die eine von der Linsenachse 4 zum Linsenrand 11 hin zunehmende Krümmung aufweist (vergleiche Fig. 10 bis 12).
Sofern die Linse beziehungsweise mindestens eine Linse des Linsensystems min¬ destens eine konkave Fläche (zum Beispiel eine Meniskuslinse) aufweist (vergleiche Fig. 12), kann eine Verstärkung der Kompensation auch dadurch erreicht werden, daß die Krümmung der konkaven Linsenfläche von der Linsenachse 4 zum Linsen¬ rand 11 hin abnimmt.
Die Linse beziehungsweise das Linsensystem 2 kann im einfachsten Fall eine einfa¬ che Sammellinse sein. Bei Sammellinsen kann man zwischen plankonvexen Linsen (Fig. 10), bikonvexen Linsen (Fig. 11), oder Meniskuslinsen (Fig. 12) unterscheiden. Besonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung einer plankonvexen Linse, die mit der flachen Seite direkt in Kontakt mit der Oberfläche des Detektors 3 gebracht wer- den kann, so daß der Detektor eine maximale Apertur erreicht, und Strahlen aus ei¬ nem großen Winkelbereich auf den Detektor treffen.
Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau hängt die optimale Form der Linse (Radius, Dicke, Krümmung ...) unter anderem vom Brechungsindex des Linsenmaterials ab. Für einen Brechungsindex von 1 ,4 wurden beispielhaft sehr gute Resultate mit einer asphärischen plankonvexen Linse erzielt, deren Querschnitt eine halbe Ellipse dar¬ stellt und deren Dicke (h) beim 0,57fachen Radius (R) der Linse liegt. Der kreisför¬ mige lichtempfindliche Bereich 5 des darunterliegenden Detektors 3 soll in diesem Fall einen Radius (rs) von etwa dem 0,6fachen Linsenradius R aufweisen. Die Computersimulationen des Strahlengangs bei diesen Parametern in Fig. 5 bis 8 zeigen deutlich, daß mit wachsendem Einfallswinkel α ein immer größerer Anteil der in die Linse einfallenden Strahlen auf den strahlungsempfindlichen Bereich 5 des Detektors auftrifft. Die für den jeweiligen Anwendungsfall optimalen Parameter (genaue Linsenform, Größe des Detektors ...) können unter Berücksichtigung der jeweiligen Randbedingungen vorteilhafterweise durch Computersimulation des Strahlenganges ermittelt werden.
In einer fünften Ausführungsform ist der Photodetektor, wie bei lichtemittierenden Di¬ oden (LEDs) üblich, direkt in das Material, aus dem die Linse besteht, eingebettet. Anders als bei LEDs, bei denen der Halbleiter in der Nähe des Brennpunkts der Op¬ tik angeordnet ist, ist der Detektor bei der vorliegenden Erfindung so anzuordnen, daß Strahlen aus einem möglichst großen Bereich von Raumrichtungen mit nähe¬ rungsweise gleicher Wahrscheinlichkeit auf den Detektor 3 treffen; dies ist, wie oben beschrieben, der Fall, wenn der Detektor vor dem Brennpunkt (Brennpunkt bei Lichteinfall unter einem Einfallswinkel α = 0° im Linsenrand) angeordnet ist.
Ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die Beeinflussung der Winkelabhängigkeit der Empfindlichkeit des Sensors liegt darin, die Empfindlichkeit S(r) des erfindungsge¬ mäß angebrachten Detektors 3 radial zu variieren (siehe Fig. 9). So können bei¬ spielsweise durch spezielle Beschichtungen bestimmte Bereiche abgedeckt und dadurch weniger empfindlich gemacht werden; weiterhin besteht die Möglichkeit, durch Anordnung der Elektroden sowie der Dotierungsgebiete die Empfindlichkeit bestimmter Bereiche des Detektors 3 gezielt zu beeinflussen. Um dies zu erreichen, können auch an beliebigen Stellen innerhalb des Sensors Blenden angebracht werden, die einen Teil der Strahlung daran hindern, den strahlungsempfindlichen Bereich des Detektors zu erreichen. Mit den oben erwähnten Parametern h = 0,57-R, rs = 0,6-R wurde gefunden, daß durch Abdecken des mittleren Bereichs (kreisförmiger Bereich mit Radius ru =0,15 R) des Detektors 3 die unter Einfallswinkel α = 0° einfallende Strahlung deutlich schwächer bewertet wird, während unter großen Winkeln zur Linsenachse einfallende Strahlung fast unvermindert bewertet wird. Ein Entwurf dieser sechsten vorteilhaften Ausführungsform ist Fig. 9 zu entnehmen. Bei der hier dargestellten Möglichkeit, die Abhängigkeit der Empfindlichkeit des Sensors vom Einfallswinkel der Strahlung gezielt zu beeinflussen, ist man nicht auf zylindersymmetrische An¬ ordnungen beschränkt, so daß damit auch eine nicht zylindersymmetrische Abhän¬ gigkeit der Empfindlichkeit des Sensors von der Einfallsrichtung erreicht werden kann.
Die hier dargestellten Möglichkeiten der Beeinflussung der Abhängigkeit der Emp¬ findlichkeit des Sensors vom Einfallswinkel kann nicht nur zur Erreichung einer für alle Einfallsrichtungen möglichst homogenen Empfindlichkeit genutzt werden, son¬ dern auch gezielt dazu, den Sensor für bestimmte Raumrichtungen empfindlich be¬ ziehungsweise unempfindlich zu machen. Bei der Suche nach den für bestimmte Anwendungszwecke geeigneten Linsenformen, Empfindlichkeitsverteilungen auf dem Detektor beziehungsweise Anordnungen von Blenden im Sensor empfiehlt sich eine Computersimulation des Strahlenganges.
Die Verwendung der Linse beziehungsweise des Linsensystems für den Sensor des erfindungsgemäßen UV-Strahl ungsmeßgeräts kann in Verbindung mit den oben be¬ schriebenen Photodetektoren aus Halbleitern mit einem Bandabstand von 2,25 eV und darüber erfolgen, sie ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Der Gebrauchswert des beschriebenen Geräts kann durch folgende Einrichtungen noch erhöht werden.
1. Am Gerät kann der Lichtschutzfaktor des verwendeten Sonnenschutzmittels eingestellt werden. Für die Berechnung der Strahlungsdosis wird dann die ef¬ fektive Strahlungsintensität verwendet, die sich aus der Strahlungsintensität geteilt durch den Lichtschutzfaktor ergibt.
2. Das Gerät kann die Zeit berechnen, die aufgrund des bisherigen Strahlungsin¬ tensitätsverlaufs und weiterer Parameter bis zur Erreichung der maximalen Strahlungsdosis vergehen wird.
3. Das Gerät enthält eine Anzeige, an der unter anderem einer oder mehrere der folgenden Werte angezeigt werden können: Strahlungsintensität, effektive Strahlungsintensität, Lichtschutzfaktor, Strahlungsdosis, effektive Strahlungs- dosis, Grenzwert der Strahlungsdosis, Zeit bis zum Erreichen des Grenzwerts der Strahlungsdosis.
4. Die Energieversorgung des Geräts erfolgt ganz oder teilweise über Solarzellen.
5. Das Gerät ermittelt den Grenzwert der Strahlungsdosis unter Berücksichtigung des Hauttyps und der Vorbehandlung der Haut.
6. Das Gerät besitzt einen weiteren Integrator und ermittelt die gesamte Strah¬ lungsdosis über einen langen Zeitraum ab einem bestimmten Zeitpunkt. Hiermit kann beispielsweise zusätzlich zur Tagesdosis die Jahresdosis ermittelt werden.
7. Das Gerät besitzt einen zusätzlichen Speicher und speichert bei jeder stärkeren Strahlungsbelastung Strahlungsintensität, Zeitpunkt, und Dauer und kann diese Daten auf Abfrage anzeigen oder ausgeben.
8. Das Gerät verfügt über eine Schnittstelle, über die es mit einem anderen Gerät Daten (beispielsweise Bestrahlungsintensität und Bestrahlungszeit) austau¬ schen kann, die vorteilhafterweise elektrisch und/oder optisch aufgebaut ist. Der Detektor kann dabei auch als Sender und/oder Empfänger bei der opti¬ schen Übertragung fungieren.
9. Das Gerät verfügt über Stromsparfunktionen, die bei geringer Einstrahlung und dann, wenn längere Zeit keine Taste betätigt wurde, Anzeige und/oder Ana- log/Digital-Wandler und/oder andere Funktionsteile abschalten. Die Effektivität der Stromsparfunktionen kann noch dadurch gesteigert werden, daß der Ana- log/Digital-Wandler sowie die analoge Signalverarbeitung immer nur kurz zur Durchführung der Messung eingeschaltet und unmittelbar darauf wieder ausge¬ schaltet werden. Wurde schon über mehrere Messungen festgestellt, daß die Strahlungsintensität nur sehr gering ist (zum Beispiel nachts oder im Schatten), kann die Meßrate abgesenkt werden (beispielsweise schrittweise auf 1 Mes¬ sung pro Minute). Bei Feststellung einer höheren Strahlungsintensität oder Betätigung der Eingabevorrichtung wird die Meßrate wieder auf den ursprüngli¬ chen Wert (beispielsweise 1 Messung pro Sekunde) erhöht.
10. Das Gerät verfügt über eine Einrichtung, die wichtige Betriebsparameter (Lichtschutzfaktor, Grenzwert der Strahlungsdosis (G), Hauttyp, bisherige Strahlungsdosis ...) in einem Speicher ablegt, in dem sie auch ohne Stromver¬ sorgung erhalten bleiben (zum Beispiel EEPROM).
Das Strahlungsmeßgerät kann gestaltet sein als Scheckkarte (siehe Fig. 15), in Verbindung mit Uhr Wecker, in Armbanduhr, Krawattennadel, Schmuckstück, ein¬ gebaut in Schminkkästchen, eingebaut in Sonnenbrille, Kugelschreiber, Kühltasche, Skibrille, Skimütze, Golfsack, Deckel von Sonnenmilch, Gerät für Westentasche (Sensor schaut heraus, Gerät ist in Westentasche).
Legende:
1 Sensor zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung
2 Linse beziehungsweise Linsensystem
3 Detektor beziehungsweise Photodetektor beziehungsweise UV-Detektor
4 Linsenachse (optische Achse)
5 strahlungsempfindliche Bereiche des Detektors beziehungsweise Photodetek¬ tors
6 strahlungsunempfindliche Bereiche des Detektors beziehungsweise Photode¬ tektors
7 einfallende Strahlung
8 Eingabeeinrichtung
9 Signalverarbeitung
10 Ausgabeeinrichtung
11 Linsenrand
12 konvexe Linsenfläche
13 konkave Linsenfläche α Einfallswinkel: Winkel zwischen einfallenden Strahlen und Achse der Linse
I Strahlungsintensität = Intensität der Lichtquelle
Ierf erfaßte Strahlungsintensität = Strahlungsintensität die der Photodetektor erfaßt
Ieff effektive Strahlungsintensität = Strahlungsintensität geteilt durch Lichtschutz¬ faktor
D Strahlungsdosis = Integral der effektiven Strahlungsintensität über der Zeit
Deff effektive Strahlungsdosis = Strahlungsdosis unter Berücksichtigung der Regeneration
G Grenzwert der Strahlungsdosis = Grenzwert der Strahlungsdosis oder der effektiven Strahlungsdosis, bei dessen Überschreiten Alarm ausgelöst wird

Claims

Patentansprüche
Strahlungsmeßgerät zum Schutz vor hoher UV-Strahlungsbelastung mit einem Photodetektor (3) zum Erfassen der Strahlungsintensität, einer Eingabeeinrichtung (8) zur externen Eingabe von Parametern, einer Signalverarbeitung (9), welche eine erste Einrichtung aufweist, welche die erfaßte Strahlungsintensität unter Berücksichtigung der Eingabeparameter be¬ wertet, und welche eine zweite Einrichtung aufweist, welche ein erstes Signal entsprechend der Bewertung erzeugt, einer Ausgabeeinrichtung (10) zur optischen und/oder akustischen Anzeige des ersten Signals, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (3) einen Halbleiter mit einem Bandabstand von über 2,25 eV umfaßt, im Strahlengang vor dem Photodetektor eine Linse oder ein Linsensystem
(2) mit positiver Brennweite vorhanden ist, die Linse oder das Linsensystem im Strahlengang vor dem Detektor (3) ange¬ ordnet ist, der Detektor
(3) im Strahlengang vor dem Brennpunkt angeordnet ist, der sich bei im Randbereich (11) der Linse oder des Linsensystems (2) unter dem Ein¬ fallswinkel von α = 0° einfallender Strahlung ergibt,
Anordnung und/oder Empfindlichkeitsbereiche des Detektors so gewählt sind, daß bei Strahlungseinfall unter einem Einfallswinkel von α = 0° nur ein Teil der durch die Linse oder das Linsensystem einfallenden Strahlung erfaßt wird.
Strahlungsmeßgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Halb¬ leiter Galliumphosphid (GaP) oder Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) oder Zinksulfid (ZnS) oder eine daraus hervorgehende ternäre oder quaternäre Zusammensetzung umfaßt, wobei bis zu 30% des Zinks durch Cadmium und bis zu 30 % des Schwefels durch Selen ersetzt werden können.
Strahlungsmeßgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Bandabstand des Halbleiters vorzugsweise in einem Bereich von 2,25 eV bis 4,0 eV, insbesondere in einem Bereich von 2,8 eV bis 3,75 eV sowie hier insbesondere in einem Bereich von 3,2 eV bis 3,5 eV liegt.
4. Strahlungsmeßgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Eingabeeinrichtung (8) vorgesehen ist zur Eingabe eines Grenzwerts der Strahlungsdosis und/oder zur Eingabe von Parametern, aus de¬ nen der Grenzwert (G) der Strahlungsdosis berechnet werden kann.
5. Strahlungsmeßgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Signalverarbeitung (9) eine dritte Einrichtung aufweist, welche aus der erfaßten Strahlungsintensität (Ierf) unter Berücksichtigung des Licht¬ schutzfaktors die effektive Strahlungsintensität (Ieff) ermittelt.
6. Strahlungsmeßgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Signalverarbeitung (9) eine vierte Einrichtung aufweist, welche aus der effektiven Strahlungsintensität (Ieff) die Strahlungsdosis (D) ermittelt.
7. Strahlungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Signalverarbeitung (9) eine fünfte Einrichtung aufweist, welche durch Integration der effektiven Strahlungsintensität (Ieff) über die Zeit ab einem wählbaren Zeitpunkt die Strahlungsdosis (D) ermittelt.
8. Strahlungsmeßgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Signalverarbeitung (9) eine sechste Einrichtung aufweist, wel¬ che unter Berücksichtigung der Regeneration des bestrahlten Gewebes die ef¬ fektive Strahlungsdosis (Deff) ermittelt.
9. Strahlungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeich¬ net, daß die erste Einrichtung aus einem Vergleich der Strahlungsdosis (D) be¬ ziehungsweise der effektiven Strahlungsdosis (Deff) mit dem Grenzwert (G) der Strahlungsdosis das erste Signal erzeugt.
10. Strahlungsmeßgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Linse oder das Linsensystem (2) mindestens eine konvexe Linsenfläche mit einer von der Linsenachse (4) zum Linsenrand (11) hin zu¬ nehmenden Krümmung aufweist.
11. Strahlungsmeßgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Linse oder das Linsensystem (2) mindestens eine konkave Linsenfläche mit einer von der Linsenachse (4) zum Linsenrand (11) hin abneh¬ menden Krümmung aufweist.
12. Strahlungsmeßgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Linse oder mindestens eine Linse des Linsensystems eine plankonvexe Linse ist.
13. Strahlungsmeßgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Detektor von der Linse oder dem Linsensystem (2) umschlos¬ sen wird.
14. Strahlungsmeßgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß im Strahlengang vor dem Detektor mindestens eine Blende vorhanden ist.
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