Helligkeit von Lichtblitzen messen

Roland Damm schrieb:

Das m=FCsstest Du schon mal mit einem Oszilloskop =FCberpr=FCfen.

Photowiderst=E4nde sind auf jeden Fall zu langsam. Auch mit einem einfachen Multimeter d=FCrfte eine solche Messung kaum m=F6glich sein. Du brauchst eine schnelle Fotodiode und eine S&H-Schaltung. Vielleicht ginge auch ein fertiger Blitzbelichtungs- messer, obwohl auch die eher f=FCr etwas l=E4ngere Zeiten gedacht sind.

Vielleicht gingen auch Avalanche - Fotodioden, aber das musst Du den jeweiligen Datenbl=E4ttern entnehmen. Da es sich bei Deinen Messungen schon um etwas aufw=E4ndrige Elektronik handelt. brauchst Du da auch schon einige Kenntnisse und Erfahrungen in der Entwicklung von Schaltungen.

=E4t

so

Das Streulicht muss sich in der St=E4rke aber schon deutlich vomUmgebungslicht unterscheiden, sonst wird der Messfehler zu gross. Gruss Harald

"Roland Damm" schrieb im Newsbeitrag news:44160205$0$12921$ snipped-for-privacy@newsread4.arcor-online.net...

Intensitaet in der Hoehe (Watt) oder der Energie des Impulses (Wattsekunde, Integral ueber die, eventuell leicht verschiedene, Pulsdauer) ? Nehme an letzteres. Umgebungslicht ist ja immer da, wenn gerdae kein Puls kommt, koennte man also bei Trigger=0 kompensieren. Klingt wie Photodiode, Integrator, S/H-Schaltung, wobei die S/H auch ein Spitzenwertmesser (Gleichrichter mit Kondensator) sein koennte an dein ein Voltmeter angeschlossen wird. Trotz Kompensation wird das Messergebnis aber Umgebungslichtabhaengig, und Streulicht haengt ja wohl auch von vielen Faktoren ab, die nicht auf unterschiedlicher Strahlintensitaet basieren, z.B Staubanteil in der Luft, daher werden die Messergebnisse unzureichend sein.

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Moin,

Harald Wilhelms schrub:

Das werde ich bei Gelegenheit mal überprüfen. Nur kann ich damit leider nur das Aussehen des Triggersignal ansehen, nicht jedoch, wie dieses zeitlich zum Lichtblitz liegt - es sei denn ich könnte dieses messen.

Na ja, Abwandlung: wenn das Messgerät einen Mittelwert anzeigt, dann wäre der immernoch verwendbar, falls man nichts an der Pulsfrequenz ändert. Damit ließe sich auch noch leben.

S&H, ja sicher. Andererseits würde es mit ja auch reichen, das Signal der Photodiode über einen gewissen Zeitraum zu integrieren. Oder einen trägen Mittelwert bilden. Die Frage ist, nur, welchen Sensor brauche ich damit das Meßergebnis von der Lichtstärke abhängt. Ein Sensor, der in die Sättigung fährt und daraus wieder zurückkommt wird mit immer die gleiche Signalstärke liefern. Andererseits brauche ich aber gar keinen Sensor der den Blitz zeitlich auflösen kann.

In dem Zusammenhang sind mir pyroelektronische IR-Sensoren untergekommen. Die arbeiten ja mit der Erwärmung des Sensors, haben folglich den Integrator gleich eingebaut. Da dürfte es also nicht zu einem Sättigungseffekt kommen. Übrigens funktionieren die Profi-Laserpuls-Energiemessgeräte nach dem selben Prinzip, nur sind die sauteuer und aus mechanisch-geometrischen Gründen nicht tauglich. Dir Frage wäre, ob man so einen IR-Pyro-Sensor für sichtbares Licht sensibilisieren kann. Direkt mit dem Laser draufschießen hieße, eine QuickOut-Halterung konstruieren zu müssen:-). Oder den Sensor dick Metallbeschichten... - denkbar wäre das. (Randbemerkung: Der Laser macht harte UV-Strahlung, die würde die Keramik vom Sensor auf Dauer zerlegen. Das 'Streulicht' ist in Wahrheit Fluoreszenslicht)

Schade, das hieße für mich bettelnd durch Nachbarabteilungen laufen und Klinken putzen...

Das Problem ist auch, dass ich nicht weiß, wie stark das wirklich ist. Die leuchtende Fläche gibt so was bei geschätzt und gerechnet

10..100kW/cm^2 an Licht ab. Das wäre schon heller als Umgebung. Aber eben immer nur sehr kurz... Wenn ich die mittlere Helligkeit über ein Sekunde messe, habe ich auf jeden Fall ein zu große Abhängigkeit vom Umgebungslicht. Messe ich nur einen Peak oder ein Mittelwert über 50ns, dann kann mir das Umgebungslicht wohl egal sein.

CU Rollo

Roland Damm schrieb:

An den zweite Kanal kommt dann die sowieso ben=F6tigte schnelle Fotodiode...

Fotowiderst=E4nde haben Zeitkonstanten bis in den Minutenbereich hinein. Ob es mit derart kurzen Impulsen noch eine Integration gibt, glaube ich eher nicht. ausserdem st=F6rt bei Integration dann zunehmend das Umgebungslicht.

Bei der Floureszens findet m.W. auch schon eine Integration statt.

Also alles im allen, keine Aufgabe, die man in zwei Stunden l=F6st... Gruss Harald

"Roland Damm"

Nur als Idee. Eine Fotodiode an einen Differenzverstärker mit vorgeschaltetem Hochpass. mit dem verstärkten Signal über eine Diode einen Kondensator laden und dessen Spannung mit einem Billigmultimeter messen. Evtl. den Innenwiderstand des Messgeräts etwas erhöhen. 20ns wären 50 Mhz. Das ist zu schnell für eine Fotodiode. Evtl. gehts ja mit dem Lesekopf aus einem CD-Rom.Ob das Funktionieren kann weiß ich nicht. Ist nur so eine spontane Überlegung.

Markus schrieb:

.=2E.und, was glaubst Du denn, was in so einem Lesekopf drin ist? Eine schnelle Fotodiode.

20 ns ist zwar schnell, aber nicht sehr schnell. Sowas konnte man auch schon vor Jahrzehnten mit einem Fotomultipier messen Gruss Harald

Moin,

MaWin schrub:

Ja letzteres. Die Pulsdauer mag auch schwanken, und genau gesagt würde mich sogar die Spitzenleistung und die Pulsenergie interessieren, aber die Pulsdauer ist jenseits meiner Beeinflussbarkeit also betrachte ich erst mal Mittelwert, Spitzenwert und Integral als alles das selbe. Üblich ist aber die Energie zu benennen.

Dann muß man nur auch wissen, wann wirklich Null ist.

Ja, nur bin ich mir mit der Photodiode nicht so sicher. Was ist, wenn der Lichtblitz so intensiv ist, dass die Diode sowieso immer ein Sättigungssignal liefert, egal wie stark der Blitz wirklich ist? Die langfristige Durchschnittshelligkeit ist jedenfalls recht gering, gerade ein schwaches glimmen. Nur hat das Licht in dem Fall aber ein Tastverhältnis von 20ns/5ms (an/aus).

Wie stark hängt natürlich vom Umgebungslicht ab und der Intensität des Streulichtes. Wie stark das alles ist, muß ich natürlich herausfinden, das kann mir hier keiner beantworten...

Kein Staub in der Luft. Die 'Luft' ist hochreiner Stickstoff. Ich meinte ja auch nicht so sehr Streulicht als viel mehr Fluoreszenslicht, das an einer Linse entsteht wenn diese das UV-Licht durchlässt.

CU Rollo

Moin,

Harald Wilhelms schrub:

Mir geht es ja eigentlich gar nicht darum, diese 20ns aufzulösen. Ich will ja nur ein Signal bekommen, das proportional zum gesuchten Wert ist. Aber vermutlich hängt das miteinander zusammen.

CU Rollo

Roland Damm schrieb:

Ich denke Du hast ein Triggersignal ?!

ACK

Photodioden liefern einen =FCber viele Dekaden zur Beleuchtungsst=E4rke proportionalen Strom. Falls die Intensit=E4t trotzdem zu hoch ist, musst Du eben ein Graufilter vorsetzen. Die richtige Dimensionierung musst Du sowieso vorher mit einem Oszilloskop festlegen.

Bist Du sicher, das das Fluoreszenzlicht proportional Blitzenergie ist? Da w=FCrde ich eigentlich eher S=E4ttigungseffekte erwarten. Gruss Harald

Die handelsüblichste, großflächige wäre ein BPW34, gibts von Siemens/Infineon/Osram auch "blue enhanced" wenn das hilft. Wenn man mehr Fläche braucht kann man mehr parallelschalten. Wegen der Fläche hat sie saftig Kapazität, wird also Puls nicht folgen können. Soweit man aber nur Blitze integrieren will wäre das nicht unbedingt schädlich, vermutlich würde man dann sogar Kapazität parallschalten:

---+---+--+ max 32Vdc | | | K | Schalter Diode A C | | | | +---+--+-- out | R | --+--

Das Ausgangssignal "out" würde man mit OP in Impedanzwandlerschaltung puffern. Der Schalter ( Transistor, Analogschalter ) ist für die Meßintegration nötig: wenn nicht gemessen wird ist er zu. Das Problem ist, daß wenn kein Blitz anliegt auch DC-Strom fließt wegen Umgebungslicht und wegen temperaturabhängigem Sperrstrom.

Das Timing des Triggerausgang muß zuverlässig genug sein, daß es den Lichtpuls umfaßt. Z.B. mit Monoflop auf 1msec verbreitern. Während dieser 1msec Kondensator mit Lichtpuls plus Umgebungslicht laden. Bei fallender Flanke das Signal in Sample & Hold übernehmen. Während der folgenden Lowphase des Triggers mit gleichem 1msec Monoflop die Messung nochmal aber eben diesmal nur mit Umgebungslicht machen. Bei fallnder Flanke in andere S&H übernehmen. Den Ausgang der beiden S&H mit OP-Addiererschaltung subtrahieren, sodaß das Umgebungslicht rausfällt.

Man kann sowas auch mit A/D-Wandlern und Controller machen.

MfG JRD

Hallo!

Roland Damm schrieb:

Laserlicht ist üblicherweise sehr schmalbandig. Schon mal daran gedacht, das Umgebungslicht einfach durch einen optischen Filter loszuwerden?

Gruß Jürgen

--
GPG key: 
http://pgp.mit.edu:11371/pks/lookup?search=J%FCrgen+Appel&op=get

Moin,

Jürgen Appel schrub:

Jein. Das Laserlicht an sich hat eine Wellenlänge, die durch kein Glas oder Kunststoff durchgeht. Auch nicht durch das Fenster einer Photodiode. Was ich deswegen messen wollte wäre das Fluoreszenslicht, das das Laserlicht in den Caziumfluorid-Linsen erzeugt. Oder ich könnte einen Teil 'Abfall'-Laserlicht auf eine Glasplatte fallen lassen, die dann sichtbar weiß leuchtet. Das Fluoreszenslicht aus den Linsen sieht blau aus, vermutlich hat auch das ein charakteristisches Spektrum, aber das kenne ich nicht.

CU Rollo

Moin,

Harald Wilhelms schrub:

Sicher, es hätte nur eine gewisse Eleganz, dieses nicht verwenden zu müssen:-).

Kann ich daraus auch schließen, daß die durchgelassene Ladungsmenge proportional zur Lichtpulsenergie ist? Egal wie, ich werde wohl erst mal messen müssen.

Sicher bin ich mir nicht, aber mit einer gewissen Erfahrung kann ich zumindest die Größenordnung der Laserpulsenergie anhand der gesehenen Helligkeit einschätzen.

CU Rollo

Roland Damm :

Durch optische Filter dafür sorgen, das der Sensor nicht übersteuert wird? Der Strom einer Fotodiode sieht im logarithmischen Diagramm ziemlich "linear" aus. Schau mal ins sfh205.pdf (google).

M.

--
Bitte auf mwnews2@pentax.boerde.de antworten.

Roland Damm wrote:

Kurzzusammenfassung aus 20 Jahren Ärger mit ähnlichen Problemen:

Egal ob du nur Signale von Detektoren anschauen willst oder eine eigene Elektronik zusammenzunageln gedenkst, um ein anständiges DSO kommt man kaum herum. So 100 MHz, 1 GSPS (echte, nicht interleave oder so), 2 Kanäle, schwarzweiss ;-), zweitkleinste von Tek genügt. Mit einem KO bekommt man bei der Reprate kein vernünftiges Bild, schon gar nicht ohne Spock-Tüte. Diese Geräte haben dann auch für diese Anwendung interessante Features wie Signalmittelung und Pegelmessung (Vpp oder so). Korrekte Auswertung wäre das Integral der Intensität über den Puls. Wollte man das dann mit DSO auswerten und den Trend dann anzeigen lassen, braucht es Geräte schon wesentlich unangenehmerer Preisklasse. Mit dem LeCroy hab ich es mal hingekriegt, aber nur einmal... Als Fotodiode ist BPW34 und dergleichen eher ungeeignet. Sie ist nicht unbedingt (viel) zu langsam, doch hat sie irgendwelche Innenwiderstände und/oder Zeitkonstanten, die die Diode schon bei kleinen Pulsenergien in Sättigung gehen lassen. Der Puls wird dann zerbeult und breiter, eventuell ist das Integral noch nicht so stark betroffen. Bei der genannten Pulslänge passiert das bei 100mV an 50 Ohm, grössen- ordnungsmässig. Damit hat so eine Diode einen viel zu kleinen dynamischen Bereich. Bei DC gehen da 6 Grösenordnungen oder mehr, das nützt hier nichts. Aus dem Geschilderten spekuliere ich mal, dass ein ArF oder gar F2 Excimerlaser vorliegt. Dort drin werden kA in ns geschaltet, das produziert Störnebel, egal, wieviele Blechkisten drumrum geschraubt werden und wie dick die Metall-Bienenwaben vor den Lüftern sind. 20mV Gezappel auf sämtlichen Messleitungen, ob mit Laser verbunden oder nicht, sind da "normal". Bewährt haben sich schnellere Dioden, mit denen Signale im Voltbereich (an 50 Ohm) ohne Sättigung erreichbar sind. Beim Verramscher (C usw.) gibt es manchmal Restposten, SFHnnn geeigneter Art, allerdings hat neulich ein so depperter Akademiker das Lager aufgekauft. Bei Bedarf geb ich aber gern eine ab :-]. Die Diode kommt an eine 50 Ohm Leitung. Zwischen Leitung und Oszi wird so ein Kästchen mit 2 BNC-Buchsen eingebaut, damit man die Vorspannung einkoppeln kann. Etwa via 10kOhm ab 9 Volt Batterie, Ankopplung via einige nF Kerko. Damit ist man auch das Problem mit Hintergrundlicht los und man nutzt die hohe Intensität des Pulses aus. Ein Pappröhrchen an der Diode verbessert Umlichteinfluss, den man zwar dank

50 Ohm am Oszi nicht sieht, der aber die Batterie leert ;-). Da das Fluoreszenzlicht der Linse angeschaut wird, sollte man auch mal das Zeitverhalten der Fluoreszenz anschauen, damit man da keinen Mist misst. Auch kann das Fluoreszenzlicht bei diesen Intensitäten schnell mal gesättigt sein, da muss man mal mit Attenuators rumspielen (oder der besagten Blende). Die Fluoreszenzausbeute ändert auch mit der Zeit. Auch muss man sehen, dass das fluoreszierende Material einen repräsentativen Teil des Strahls sieht und nicht nur irgend welches Streulicht. Eventuell kann der Rückreflex eines optischen Elements auf einen dauerhaften Fluoreszenzschirm angeschaut werden. Ausgediente FL- Birne aus Strassenbeleuchtung schnorren und sorgfältig zerdeppern; der Eu-Phosphor hält einiges aus, er ist sich 193nm gewohnt und ist wohl auch schon vorgealtert ;-). Korrekte Auswertung des Diodensignals ohne Oszi bedingt einen "gated integrator". Keine Ahnung, ob es das mittlerweile billig und genau gibt. Teuer und driftanfällig gibt es das bei SRS als Einschubsystem. Das Diodensignal muss aber in den empfindlichsten Stufen des Geräts angeschaut werden, und da ist es fraglich, ob der Laser schneller driftet als die Elektronik. Besonders bei wechselnder Reprate seh ich da Probleme. Idee Nummer 2 mit pyroelektrischem Sensor ist auch nicht schlecht. Der Sensor misst den Temperatursprung beim Auftreffen des Laserpulses. Für Streulicht also zu wenig empfindlich, aber ein Rückreflex eines Fensters oder einer Linse ist idR stark genug. Es kommt aber ein DC-freies dispersionsförmiges Signal raus, womit eine Auswerteelektronik schnell mal aufwendig wird. (Preamp, Peak detect, S&H, ca. 5-6 ICs, ev mit MOSFET-Schalter garniert, Eurokarte schnell mal voll). Mit Oszi kein Problem. Mit Py-Folie und etwas Mech-Arbeit ist der Sensor auch selber baubar.

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mfg Rolf Bombach

Ein PMT ist was ganz anderes. Und das Alter von Technologien sagt nichts über deren Leistungsfähigkeit. Ein PMT hat typischer- weise eine Bandbreite von 100 MHz und eine Verstärkung von 1E7. Berechnen das Gain-Bandwidth-Produkt und sinniere, warum man mit Photodioden rasch mal in die Klemme kommt. Noch krasser wird es, wenn man zur Lichtdetektion auf eine grosse Detektor- fläche angewiesen ist. Schnelle Dioden sind submillimeter, PMT gibt es bis 60cm oder so. Wie ich in einem andern Posting erwähnte, die BPW34 ff haben sich für den Zweck nicht bewährt.

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mfg Rolf Bombach

Bei DC, ja, bei Pulsen fehlt dir die Dynamik. Was die Diode liefert, ist Ladung. Und die ist klein, selbst wenn der Strom 10 mA beträgt, da der Puls sehr kurz ist. Wobei 10 mA Linearität bei einer BPW34 illusorisch wären. Jedenfalls würde das bei diesen Repetitionsraten auf DC gemittelt im nA-Bereich enden und damit im Dunkelstrom resp. Hintergrundsignal untergehen.

Oder eine Streuscheibe, z.B. Scotchtape ;-) in geeignetem Abstand. Aber eben, für den Nachweis braucht man einiges an Intensität und gute Linearität des Detektors dabei.

Normale Sample and hold oder Peakdetektoren kann man bei Anstiegszeiten von 2ns oder so vergessen.

Ein Ansatz, der so mittelprächtig funktioniert: Die Diode wird eh an Koaxkabel betrieben. Dessen Kapazität stellt eine Landungs-Spannungs-Umsetzer dar (eventuell

1us warten, bis sich die Reflexionen weggeklingelt haben). Dieses Signal dann mit LF398 (?) oder solchen Standard- S&H erfassen. Belastungswiderstand (10kOhm z.B.) kann man dann so wählen, dass ein Optimum (fauler Kompromiss) zwischen Dachschräge des Signals während der Speicherung und Unempfindlichkeit gegen Hintergrund erreicht wird.

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mfg Rolf Bombach

Moin,

Rolf_B schrub:

Vorweg, ich les' das ja jetzt erst.... Also:

Habe derzeit eine BPW24 am Wickel. Sieht für meinen Geschmack eigentlich ganz gut aus.

Die Pulsform ist derart, daß die Spannung ganz steil ansteigt und dann über runde 40µs wieder abfällt. Sättigung bei so um die 100..300mV Spitzenwert. Allerdings habe ich dämlicherweise als Kabel ein Klingeldraht angelötet. Da muß wohl noch mal ein geschirmtes - eventuell twistet-pair ran. Das Problem ist, dass ich am Einbauort der Diode nicht im laufenden Betrieb basteln kann, jede technische Änderung kostet mindestens einen Tag Wartezeit.

Exakt, F2. Tatsächlich brauche ich auch gar nicht so einen großen Dynamikbereich, im Extremfall reicht es zu erkennen, ob die Strahlung mehr oder weniger geworden ist.

Ja, habe ich inzwischen auch gesehen.

Nett, aber wie gesagt, die Diode die ich da gerade habe, hält ihre Spannung für runde 5µs. Das sollte doch hoffentlich reichen um den Wert zu bekommen oder zumindest einen zu diesem Wert proportionalen. Ist ja nicht so, dass der ganze Spannungspuls nur 20ns dauern würde. Vermutlich kommt die Trägheit einerseits daher, dass ich bis jetzt an die Diode keine Spannung angelegt habe und andererseits, dass das Fluoreszenslicht auch eine Trägheit hat: Das wäre mit ja sehr recht.

Muss das sein? Vorspannung dient doch IMO hauptsächlich dazu, den Empfänger schneller zu machen. Das interessiert mich aber nicht.

Das ist allerdings einleuchtend. Kondensator in Reihe zur Diode.

Ist schon ein paar Jahre alt. Aber By the Way: Das sauberste Signal habe ich bekommen, wenn ich die Diode selbst mit dem Licht beleuchte, weil dann das Glas der Frontlinse der Diode leuchtet wie nur was. Wegen der Laserstrahlführung kann ich das machen, es gibt einen Bereich mit 'Abfalllicht' in den ich die Diode reinsetzten kann. Wäre jetzt nur die Frage, wie sich das Glas der Linse über die Zeit verändert, aber das ist meine geringere Sorge. Entweder passiert da garnichts oder es ist nach einer Stunde nichts mehr oder es ändert sich zu langsam als das es stören würde. Das Glas wegschießen tue ich jedenfalls nicht:-).

Ich dachte dan an einen PeakHold mit einer Diode die wie ein Gleichrichter wirkt. Dahinter wieder ein Kondensator zur Masse und noch eine Verstärkerstufe um wasauchimmer anzutreiben. Dachte ich mir so...:-)

Habe einen solchen Sensor gekauft und damit herumprobiert. Soweit ich das messen konnte, verstärkt der Sensor (genauer sein eingebauter FET) allen Sch*** mit. Nadelimpulse, Brummen, Matsch, Komisches und unter all dem Schrott war dann auch ein Nutzsignal zu erahnen. Machte auf mich jedenfalls nicht den Eindruck, damit was anfangen zu können.

CU Rollo

Aha, was topaktuelles ;-].

Also totale Sättigung.

Da werden wir noch drüber nachdenken müssen, wie.

Viel zu viel. Ist das Signal länger als der Puls, ist die Diode in Sättigung. Eine Idee wäre allenfalls, die Puls- länge zu bestimmen. Eventuell das Integral. Aus der Ampli- tude wird sich nichts vernünftiges ableiten lassen, allen- falls die Temperatur der Diode. Im Fotovoltaikbetrieb würde ich keine Spannung an der Diode entstehen lassen, macht man selbst bei DC nicht.

[Vorspannung an PIN Diode]

Wenn du die Amplitude als Messwert haben willst, wird es nicht anders gehen.

Kein Wunder, dann ist das Signal gesättigt. Eine Aussage über die Lichtmenge pro Puls wird dann sehr schwierig.

Diode bei 200mV? Ohne Elektronik geht da nichts. Für das eigentliche Lichtsignal wird ein Peakdetektor schwierig, da die Anstiegszeiten im ns-Bereich liegen. Standard- schaltungen gehen da nicht. Ich schlage vor, doch was mit Vorspannung zu versuchen. Dann direkt in C als Ladungsspeicher, parallel dazu hochohmiger R zum Entladen bis zum nächsten Puls. Vielleicht kriegt man dann trotz Sättigung irgend ein Signal, welches irgendwie mit der Lichtmenge korreliert, mal ganz vorsichtig formuliert. Deinem Aufbau, sorry, trau ich da gar nicht über den Weg.

Wenn du wie du sagst, genug Licht zum Messen hast, kannst du doch einen Sensor ohne FET verwenden (Molectron IIRC, müsste sonst noch mal nachsehen, hab ihn glaub ich von Laser components). In Excimer-Umgebung wird das sicher nicht lustig. Zum Glück ist mein Gasvorrat alle und das Budget reicht nicht für Nachschub... Bleibe daher bei YAG.

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mfg Rolf Bombach