CN104067105A - 用于通过光散射测量颗粒尺寸分布的设备和方法 - Google Patents

用于通过光散射测量颗粒尺寸分布的设备和方法 Download PDF

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Abstract

用于通过光散射测量颗粒尺寸分布的设备（100），包括蓝色LED（102）和633纳米的氦氖激光器（104）。来自LED和激光器的光输出由二向色元件（116）分别地传送或反射到一个穿过容纳有样品的样品池（122）的共同路径上，样品的颗粒尺寸分布是待测量的。从样品池散射的光由一个或更多个检测器（112B-H）检测。由样品池传送的光由检测器112A，112J检测。来自一个或更多个检测器的输出信号被传递给计算单元（114），计算单元计算颗粒尺寸分布。来自蓝色发光二极管的光有一小部分被二向色元件反射到检测器（110）。类似地，来自激光器的光的一小部分经过二向色元件传送至检测器。来自检测器的输出信号被反馈到控制单元（106,108），以稳定发光二极管和激光器的输出功率。

Description

用于通过光散射测量颗粒尺寸分布的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于通过光散射测量颗粒尺寸分布的设备和方法。
背景技术
用于通过监控由样品散射的光来测量样品的颗粒尺寸分布的方法和设备是已知的。在某些这种技术中，监控在两种不同波长处散射的光，以便扩展可以被测量的颗粒尺寸的范围，和/或提高分辨率。例如，在0992785的欧洲专利中描述的方法和设备中，在使用具有更长波长输出的激光，例如氦氖激光，来进行散射测量之外，还使用来自蓝色激光二极管或蓝色LED的光来实施散射测量，以改进对次微米颗粒尺寸的检测和分辨率。
为了获得在两种不同波长的散射测量，来自两个合适的光源的光学输出光束通常多路传输到一个共同的路径上，路径穿过包含颗粒的样品，或者至少提供一些设置，以便每个光束可以在各自的时期沿着同样的路径撞击样品。分束器或分色镜可以用来实现这一功能。通常为了在接触样品之前检测光束而提供装置，使得在光源的输出功率中的波动可以通过调整光源而被修正，或，使得这种波动可以在计算颗粒尺寸分布时被考虑到。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于通过光散射测量样品的颗粒尺寸分布的设备，所述设备包括：光生成装置，所述光生成装置用于生成分别具有第一和第二波长的光的第一光束和第二光束；二向色元件，所述二向色元件设置为通过在所述二向色元件处分别传送和反射所述第一光束和所述第二光束来将大部分的所述第一光束和第二光束的功率引导至共同路径上，及其中所述设备进一步包括第一检测器，所述第一检测器设置为检测由所述二向色元件反射的所述第一光束的一部分。
在本发明的设备中，第一光束的功率可通过检测由二向色反射镜反射至第一检测器的第一光束的部分来监控。这避免了需要更复杂的设置来监控入射在样品上的所述第一光束的功率。本发明的设备因此比具有相同的功能的现有技术的设备更简单和更便宜，并且利用了在其他应用中被浪费的光能。通过相对于现有技术的设备降低光学元件的数量，设备内的杂散反射和不必要的散射减少，从而改善了由样品散射并随后在设备中检测到的光的信噪比。这在检测由样品背散射的光时是尤为重要的。
所述设备可以包括控制系统，所述控制系统用于控制所述第一光束的功率，所述控制系统设置为接收来自所述第一检测器的输出信号并响应于所述输出信号调整所述第一光束的功率。例如，如果是由激光器提供第一光束，控制系统可设置为在由第一检测器检测到的功率减低时增加激光器的泵送速率，而在由第一检测器检测到的功率增加时降低泵送速率，以便稳定第一光束的功率。
所述设备可以包括计算单元，所述计算单元设置为接收来自第一检测器的信号，并部分地基于所述信号计算所述样品的颗粒尺寸分布。在这种情况下，计算单元设置为在计算样品中颗粒的颗粒尺寸分布时将第一光束的功率波动考虑在内。
所述第一检测器除了设置为检测由二向色元件反射的第一光线的部分外，可设置为检测由所述二向色元件传送的所述第二光束的一部分。这使得第一和第二光束两者的功率都可被监控并且也可被使用以稳定它们各自的功率或在确定样品颗粒尺寸分布时被考虑在内。使用通用二向色元件来使得检测器检测第一和第二光束以及将光束引导至共同路径上，减少了光学部件的数量并由此使设备更简单，而且减少了任何不可避免的由每个额外的光学元件引起的散射。
另外，为了额外地监控第二光束的功率，设备进一步包括第二检测器和光学元件，所述光学元件设置为传送所述第二光束的基本上所有的功率至所述二向色元件并将所述第二光束的一部分功率反射至所述第二检测器。
第一波长比所述第二波长短，例如，第一光束可以由蓝色激光二极管或蓝色LED生成，第二光束可由633纳米氦氖激光器或红色LED生成。
二向色元件是玻璃元件，其具有大致上平面的平行侧面，所述侧面的其中之一涂覆有二向色涂层。优选地，二向色涂层的反射率的变化率在所述第一波长上作为波长的函数基本上位零，这样二向色元件的性能对于第一波长中的变化不敏感，这种变化可能在光生成装置首次打开时发生。对于典型二向色涂层来说，红色光的透光率在0.2%左右，然而更优选地，在所述第二波长上二向色涂层的透光率范围是2％和10％之间。
二向色元件与其他一个或更多个光学元件一起包含在无尘壳中，用于将光传递至所述设备内的样品。这减少了光源和样品之间不必要的散射。
本发明的第二方面提供了一种测量样品颗粒尺寸分布的方法，所述方法包括以下步骤：
（1）生成分别具有第一和第二波长的第一光束和第二光束；及
（2）使用二向色元件通过在所述二向色元件处分别传送和反射所述第一光束和所述第二光束来将大部分的所述第一光束和第二光束的功率引导至共同路径上；
其中所述方法包括步骤：使用第一检测器检测由所述二向色元件反射的所述第一光束的一部分并产生对应的输出信号。
本发明的另一方面提供了一种用于通过光散射测量样品的颗粒尺寸分布的设备，设备包括：光生成装置，所述光生成装置用于生成分别具有第一和第二波长的第一光束和第二光束；第一波长比第二波长短；用于将两束光束各自的部分沿着共同路径引导至会聚光学件的装置，会聚光学件设置为提供在第一和第二波长上的会聚光至样品池；以及焦平面检测器，所述焦平面检测器设置为检测由样品池传送的第二波长的光，并且其中设备进一步包括光学部件，光学部件放置在样品池和焦平面检测器之间，并设置为将第一波长的光反射至光学检测器。
附图说明
以下通过附图详细地描述本发明的实施例，其中图1-4示出各自的用于测量颗粒尺寸分布的设备。
具体实施方式
参见图1，用于测量颗粒尺寸分布的例示性设备100包括蓝色LED、633纳米氦氖（HeNe）激光器104、控制单元106，108、二向色元件116、样品池122、光学检测器110、检测设置、和计算单元114，二向色元件116在其一侧面上具有二向色涂层117，样品池122容纳颗粒样品，该颗粒样品的尺寸分布待测量，检测设置具有检测器112A-J。示出的例示性实施例适宜性地且简化地表示出适合于实现本发明的设备。更多的部件，比如附加到附图所示的那些中去的透镜和反射镜，可以在不偏离本发明的范畴的情况下合并到本发明中。
设备100典型地分开地使用蓝色LED102和氦氖激光器104操作来获得光散射测量，样品池122中的样品的颗粒尺寸分布可以通过计算单元114从所获得的光散射测量中推断出来。来自蓝色LED102的蓝色光的第一光束131大部分由二向色元件116传播并经由聚光光学件115传播到样品池122，它在样品池122中散射并随后由检测器112B-H中的一个或更多个检测。少量百分比的来自蓝色LED的光被二向色元件116的第一表面141反射并传播到检测器110。由氦氖激光器104输出的红色光的第二光束132被反射镜118反射并入射到二向色元件116的相对第二表面142上。少量百分比的红光穿过二向色元件116至检测器110，其余的红光被二向色元件116的第二表面142朝向样品池122反射，在样品池122中散射并由检测器112B-H中的一个或更多个检测。来自LED102的蓝色光的第一光束131和来自氦氖激光器104的红色光的第二光束132由此沿着一条从二向色元件116的第二表面142到样品池122的共同路径133传播。来自检测设置中单独的检测器112B-H的信号（由对散射光的检测产生）被传送至计算单元114，计算单元114设置成响应于信号来为样品池122中的颗粒计算颗粒尺寸分布。由样品池122传送的蓝色光由检测器112J检测。由样品池122传送的红色光由反射元件124反射并由检测器112A检测。来自检测器112A、112J的输出信号同样传送至计算单元114并在为样品池122中样品的颗粒尺寸分布的计算中使用。
来自检测器110的输出被传送至控制单元106和108，控制单元106和108的运作用于稳定LED102和氦氖激光器104的输出功率。（在可选实施例中，仅有LED102的输出功率被控制。）如果由检测器110检测到的功率降低了，相关的控制单元106或108运作，以增加LED102或激光器104的输出功率。类似地，如果由检测器110检测到的功率增加了，相关的控制单元106或108运作，以降低LED102或氦氖激光器104的输出功率。通过使用由二向色元件116的第一表面141反射的蓝色光和由二向色元件116传送的红色光来监控LED102和激光器104的输出功率，就避免了需要更多复杂的设置来监控入射在样品上的光束功率。而且，这种光能量不会如在现有技术中那样轻易地浪费掉，而且设备100中的光学元件的数量减少了，减少了不必要的散射和杂散反射并提高了由样品散射的和由检测器112B-H检测的光的信噪比。
计算单元114被编程以包含由控制单元106，108设定的用于LED102和氦氖激光器108的稳定状态输出功率值。
图2示出本发明的用于测量颗粒尺寸分布的第二示例设备200。与图1中设备100的部件相对应的设备200的部件使用与图1中标示相对应部件所使用的标号相差100的标号来标示。来自蓝色LED202和氦氖激光器204的光的第一光束231可以联合至穿过样品池222的一个共同路径233上，样品池222容纳了颗粒样品，该颗粒样品的尺寸分布待测。二向色元件216带有标准二向色涂层217，二向色涂层217将从氦氖激光器204入射来的功率的0.2%传送至检测器210。设备200包括反射元件219，反射元件219将少量百分比的氦氖激光器204的输出能量反射至第二检测器211。少量百分比的蓝色LED202的输出能量由二向色元件216反射至第一检测器210。控制单元206、208分别响应于来自第一检测器210和第二检测器211的输出信号，稳定来自LED202的第一光束231的输出功率和来自氦氖激光器204的第二光束232的输出功率。由样品池222传送的蓝色光和红色光两者都由检测器212A检测。由样品池222中样品散射的两种波长的光由检测器212B-H中的一个或更多个检测。来自检测器212A-H的输出信号被传送至计算单元214，计算单元214被编程以包含由控制单元204、206设定的LED202和氦氖激光器104的输出功率的稳定状态值。
二向色元件216与反射镜218、反射元件219和聚光光学件215一起整合至无尘壳220中。无尘壳220减少或消除LED202和氦氖激光器204与样品池222之间的光散射。
图3示出本发明的第三示例设备300。与图1中设备100的部件相对应的设备200的部件使用与图1中标示相对应的部件所使用的标号相差200的标号来标示。设备300类似于图2的设备200，其中二向色涂层317是标准二向色涂层以及第一检测器310和第二检测器311被提供以监控LED302和氦氖激光器311的输出功率。来自第一检测器310和第二检测器311的输出与来自检测器312A-H的输出一起传送至计算单元314，以实现对样品池322内的样品的颗粒尺寸分布的计算。检测器312A检测由样品池322传送的蓝光和红光。
图4示出本发明的第四示例设备400。与图1中设备100的部件相对应的设备400的部件使用与图1中标示相应部件所使用的标号相差300的标号来标示。设备包括二向色元件416，二向色元件416具有定制的二向色涂层417，二向色涂层417传播来自氦氖激光器404的光的5%。单个检测器410被用于监控蓝色LED402和氦氖激光器404的输出功率。来自检测器410的输出信号与来自检测器412A-J的输出信号一起传送至计算单元414，以实现对样品池422内的样品的颗粒尺寸分布的计算。检测器412J检测由样品池422传送的蓝色光。由样品池422传送的红色光被反射至检测器412A。
二向色元件416与反射镜418和聚光光学件415一起包括在无尘壳420中以减少由LED402和样品池422之间，以及激光器404和样品池422之间的灰尘引起的不必要的散射。
如由所附权利要求限定的，其他实施例被认为属于本发明的范畴。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于通过光散射测量样品的颗粒尺寸分布的设备(100，200)，所述设备包括：光生成装置(102，104)，所述光生成装置用于分别生成具有第一和第二波长的第一光束(131)和第二光束(132)；二向色元件(116)，所述二向色元件设置为通过在所述二向色元件(116)处分别传送和反射所述第一光束(131)和所述第二光束(132)来将大部分所述第一光束(131)和第二光束(132)的功率引导至穿过所述样品的共同路径(133)上；并且，其中所述设备(100)还包括第一检测器(110)，所述第一检测器设置为检测由所述二向色元件(116)反射的所述第一光束(131)的一部分。
2.根据权利要求1所述的设备(100)，还包括控制系统(106)，所述控制系统用于控制所述第一光束(131)的功率，且其中所述控制系统(106)设置为接收来自所述第一检测器(110)的输出信号并响应于所述输出信号调整所述第一光束(131)的功率。
3.根据权利要求1所述的设备(100)，包括计算单元(114)，所述计算单元设置为接收来自检测器(112A，112J)的信号，所述检测器(112A，112J)设置为接收来自所述共同路径(133)的所述第一或第二光束的一部分，并部分地基于所述信号计算所述样品的颗粒尺寸分布。
4.根据权利要求1所述的设备(100)，其中所述第一检测器(110)设置为检测由所述二向色元件(116)传送的所述第二光束(132)的一部分。
5.根据权利要求1所述的设备(200)，所述设备还包括第二检测器(211)和光学元件(219)，所述光学元件设置为大致上传送所述第二光束(232)的所有的功率至所述二向色元件(116)并将所述第二光束(232)的一部分功率反射至所述第二检测器(211)。
6.根据权利要求4或5所述的设备(200)，所述设备还包括控制系统(206，208)，所述控制系统用于控制所述第一光束(231)和所述第二光束(232)的功率，且其中所述控制系统(206，208)设置为接收来自所述第一检测器(210)的输出信号，或根据具体情况可以是来自所述第一检测器(210)和所述第二检测器(211)的输出信号，并响应于所述信号调整所述第一光束(231)和所述第二光束(232)的功率。
7.根据权利要求4或5所述的设备(100，200)，包括计算单元(214)，所述计算单元设置为接收来自所述第一检测器(210)的输出信号，或根据具体情况可以是来自所述第一检测器(210)和所述第二检测器(211)的输出信号，并部分地基于所述输出信号或所述这些输出信号计算所述样品的颗粒尺寸分布。
8.根据任一前述权利要求所述的设备(100，200)，其中所述第一波长比所述第二波长短。
9.根据权利要求8所述的设备(100，200)，其中所述光生成装置(102，202；104，204)包括用于生成所述第一光束(131，231)的蓝色激光二极管或蓝色LED，以及用于生成所述第二光束(132，232)的氦氖激光器或红色LED。
10.根据权利要求8或9所述的设备(100，200)，其中所述二向色元件(116)是玻璃的光学元件，其具有大致上平面的平行侧面(141，142；241，242)，所述这些侧面的其中之一带有二向色涂层(117，217)。
11.根据权利要求10所述的设备(100，200)，其中所述二向色涂层(117，217)的反射率的变化率作为波长的函数在所述第一波长上大致上为零。
12.根据权利要求10或11所述的设备(100，200)，其中所述二向色涂层(117，217)的透光率Τλ2在所述第二波长上的范围是2％≤Τλ2≤10％。
13.根据任一前述权利要求所述的设备(200，400)，其中所述二向色元件(216，416)与一个或多个其他光学元件(215，218，219；415，418)一起包含在无尘壳(220，420)中，用于将光传递至所述设备(200，400)内的样品(222，422)。
14.一种测量样品(122)颗粒尺寸分布的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)生成分别具有第一和第二波长的光的第一光束(131)和第二光束(132)；及
(2)使用二向色元件(116)通过在所述二向色元件处分别传送和反射所述第一光束(131)和所述第二光束(132)来将大部分的所述第一光束(131)和第二光束(132)的功率引导至穿过所述样品的共同路径(133)上；
其中所述方法包括步骤：使用第一检测器(110)检测由所述二向色元件(116)反射的所述第一光束(131)的一部分并产生对应的输出信号。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括步骤：向控制系统(106)提供所述第一检测器(110)的所述输出信号，所述控制系统(106)被设置为响应于所述输出信号而调整所述第一光束(131)的功率。
16.根据权利要求14所述的方法，包括步骤：向计算单元(214)提供来自于检测器(112A，112J)的所述输出信号，所述检测器(112A，112J)设置为接收来自所述共同路径(133)的所述第一或第二光束(131，132)的一部分，所述计算单元设置为部分地基于所述输出信号计算所述样品(122)的颗粒尺寸分布。
17.根据权利要求14所述的方法，包括步骤：使用所述第一检测器(110)检测由所述二向色元件(116)传送的所述第二光束的一部分。
18.根据权利要求14所述的方法，包括步骤：在所述第二光束(232)中使用光学元件(219)传送所述第二光束(232)的大部分的功率至所述二向色元件(116)并将所述第二光束(232)的一部分功率反射至所述第二检测器(211)。
19.根据权利要求17或18所述的方法，包括步骤：向控制系统(206，208)提供来自所述第一检测器(210)的输出信号，或根据具体情况可以是来自所述第一检测器(210)的输出信号和来自所述第二检测器(211)的输出信号，所述控制系统(206，208)设置为响应于它们，控制所述第一光束(231)和所述第二光束(232)的功率。
20.根据权利要求17或18所述的方法，包括步骤：向计算单元(214)提供所述第一检测器(210)的所述输出信号，或根据具体情况可以是来自所述第一检测器(210)的所述输出信号和来自所述第二检测器(211)的所述输出信号，所述计算单元设置为部分地基于所述输出信号或所述这些输出信号，计算所述样品的颗粒尺寸分布。

Claims (20)

1.一种用于通过光散射测量样品的颗粒尺寸分布的设备（100，200），所述设备包括：光生成装置（102，104），所述光生成装置用于分别生成具有第一和第二波长的第一光束（131）和第二光束（132）；二向色元件（116），所述二向色元件设置为通过在所述二向色元件（116）处分别传送和反射所述第一光束（131）和所述第二光束（132）来将大部分所述第一光束（131）和第二光束（132）的功率引导至共同路径（133）上；并且，其中所述设备（100）还包括第一检测器（110），所述第一检测器设置为检测由所述二向色元件（116）反射的所述第一光束（131）的一部分。
2.根据权利要求1所述的设备（100），还包括控制系统（106），所述控制系统用于控制所述第一光束（131）的功率，且其中所述控制系统（106）设置为接收来自所述第一检测器（110）的输出信号并响应于所述输出信号调整所述第一光束（131）的功率。
3.根据权利要求1所述的设备（100），包括计算单元（114），所述计算单元设置为接收来自检测器（112A，112J）的信号，所述检测器（112A，112J）设置为接收来自所述共同路径（133）的所述第一或第二光束的一部分，并部分地基于所述信号计算所述样品的颗粒尺寸分布。
4.根据权利要求1所述的设备（100），其中所述第一检测器（110）设置为检测由所述二向色元件（116）传送的所述第二光束（132）的一部分。
5.根据权利要求1所述的设备（200），所述设备还包括第二检测器（211）和光学元件（219），所述光学元件设置为大致上传送所述第二光束（232）的所有的功率至所述二向色元件（116）并将所述第二光束（232）的一部分功率反射至所述第二检测器（211）。
6.根据权利要求4或5所述的设备（200），所述设备还包括控制系统（206，208），所述控制系统用于控制所述第一光束（231）和所述第二光束（232）的功率，且其中所述控制系统（206，208）设置为接收来自所述第一检测器（210）的输出信号，或根据具体情况可以是来自所述第一检测器（210）和所述第二检测器（211）的输出信号，并响应于所述信号调整所述第一光束（231）和所述第二光束（232）的功率。
7.根据权利要求4或5所述的设备（100，200），包括计算单元（214），所述计算单元设置为接收来自所述第一检测器（210）的输出信号，或根据具体情况可以是来自所述第一检测器（210）和所述第二检测器（211）的输出信号，并部分地基于所述输出信号或所述这些输出信号计算所述样品的颗粒尺寸分布。
8.根据任一前述权利要求所述的设备（100，200），其中所述第一波长比所述第二波长短。
9.根据权利要求8所述的设备（100，200），其中所述光生成装置（102，202；104，204）包括用于生成所述第一光束（131，231）的蓝色激光二极管或蓝色LED，以及用于生成所述第二光束（132，232）的氦氖激光器或红色LED。
10.根据权利要求8或9所述的设备（100，200），其中所述二向色元件（116）是玻璃的光学元件，其具有大致上平面的平行侧面（141，142；241，242），所述这些侧面的其中之一带有二向色涂层（117，217）。
11.根据权利要求10所述的设备（100，200），其中所述二向色涂层（117，217）的反射率的变化率作为波长的函数在所述第一波长上大致上为零。
12.根据权利要求10或11所述的设备（100，200），其中所述二向色涂层（117，217）的透光率Τλ2在所述第二波长上的范围是2％≤Τλ2≤10％。
13.根据任一前述权利要求所述的设备（200，400），其中所述二向色元件（216，416）与一个或多个其他光学元件（215，218，219；415，418）一起包含在无尘壳（220，420）中，用于将光传递至所述设备（200，400）内的样品（222，422）。
14.一种测量样品（122）颗粒尺寸分布的方法，所述方法包括以下步骤：
（1）生成分别具有第一和第二波长的光的第一光束（131）和第二光束（132）；及
（2）使用二向色元件（116）通过在所述二向色元件处分别传送和反射所述第一光束（131）和所述第二光束（132）来将大部分的所述第一光束（131）和第二光束（132）的功率引导至共同路径（133）上；
其中所述方法包括步骤：使用第一检测器（110）检测由所述二向色元件（116）反射的所述第一光束（131）的一部分并产生对应的输出信号。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括步骤：向控制系统（106）提供所述第一检测器（110）的所述输出信号，所述控制系统（106）被设置为响应于所述输出信号而调整所述第一光束（131）的功率。
16.根据权利要求14所述的方法，包括步骤：向计算单元（214）提供来自于检测器（112A，112J）的所述输出信号，所述检测器（112A，112J）设置为接收来自所述共同路径（133）的所述第一或第二光束（131，132）的一部分，所述计算单元设置为部分地基于所述输出信号计算所述样品（122）的颗粒尺寸分布。
17.根据权利要求14所述的方法，包括步骤：使用所述第一检测器（110）检测由所述二向色元件（116）传送的所述第二光束的一部分。
18.根据权利要求14所述的方法，包括步骤：在所述第二光束（232）中使用光学元件（219）传送所述第二光束（232）的大部分的功率至所述二向色元件（116）并将所述第二光束（232）的一部分功率反射至所述第二检测器（211）。
19.根据权利要求17或18所述的方法，包括步骤：向控制系统（206，208）提供来自所述第一检测器（210）的输出信号，或根据具体情况可以是来自所述第一检测器（210）的输出信号和来自所述第二检测器（211）的输出信号，所述控制系统（206，208）设置为响应于它们，控制所述第一光束（231）和所述第二光束（232）的功率。
20.根据权利要求17或18所述的方法，包括步骤：向计算单元（214）提供所述第一检测器（210）的所述输出信号，或根据具体情况可以是来自所述第一检测器（210）的所述输出信号和来自所述第二检测器（211）的所述输出信号，所述计算单元设置为部分地基于所述输出信号或所述这些输出信号，计算所述样品的颗粒尺寸分布。
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