DE102007062067A1 - Optisches Verfahren und Vorrichtung zur Klassifizierung von Partikeln - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung von Partikeln, in welchem die zu charakterisierenden Partikel mit sichtbarem Licht bestrahlt werden und das hierbei zurückgeworfene Licht detektiert wird, und wobei die Partikel außerdem mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden und das hierdurch von den Partikeln abgestrahlte sichtbare Licht detektiert wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine entsprechende Vorrichtung zur Charakterisierung von Partikeln.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung von Partikeln, in welchem die zu charakterisierenden Partikel mit sichtbarem Licht bestrahlt werden und das hierbei zurückgeworfene Licht detektiert wird, und wobei die Partikel außerdem mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden und das hierdurch von den Partikeln abgestrahlte sichtbare Licht detektiert wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine entsprechende Vorrichtung zur Charakterisierung von Partikeln.
  • In sauberkeitskritischen Produktionen ist die Partikelfreiheit der Produktionsumgebung und Fertigungseinrichtung ein entscheidender Einflussfaktor für die Qualität des Produkts. Für eine erfolgreiche Prozesskontrolle und Qualitätssicherung, auch als Nachweis gegenüber Weiterverarbeitern und Kunden, hat dies zur Folge, dass evtl. auftretende Partikel messtechnisch erfasst werden müssen. Dies stellt einen wesentlichen Beitrag zur Überwachung und Optimierung von Herstellungsprozessen dar.
  • Die als kritisch zu bewertenden Kontaminationen sind je nach Produktion bzw. Produkt bezüglich ihrer Größe, Anzahl und darüber hinaus auch ihres materiellen Ursprungs sehr unterschiedlich. Wird beispielsweise in sauberkeitskritischen Produktionen der Mikroelektronik die Kontamination durch teilchenförmige Verunreinigungen generell als Problem beschrieben, so werden Partikel in den hygienischen Produktionen der Pharmazie hinsichtlich ihres biotischen oder abiotischen Ursprungs unterschieden. In der Feinwerktechnik (z. B. Automobilzulieferindustrie) wiederum stellen hauptsächlich harte abrasive Partikel und in der Elektronikindustrie elektrisch leitende Partikel eine Gefährdung für das Produkt dar. Das bedeutet, dass zur Ermittlung des Schädigungspotenzials eines Partikels die Materialzusammensetzung des Partikels ein notwendiges Kriterium darstellt.
  • Darüber hinaus sind bei auftretender Kontamination und somit Schädigung des Produkts in der Fertigung Kenntnisse über den materiellen Ursprung dieser Partikel notwendig, um die Ursache der Partikelentstehung (sog. Partikelquelle), etwa Personal oder Fertigungseinrichtung, schnell lokalisieren und gezielt Gegenmaßnahmen einleiten zu können.
  • Bei den derzeit eingesetzten Messverfahren zur Bestimmung der materiellen Zusammensetzung von Partikeln handelt es sich um zeit- und kostenintensive Laborverfahren. Die Partikelanalysen erfordern ein hohes Maß an manueller Probenvor- und Aufbereitung, weshalb das Ergebnis oftmals erst Stunden oder in Extremfällen Tage nach der eigentlichen Probenahme vorliegt. Die Messeinrichtungen sind stationäre Laborgeräte, weshalb eine Analyse nicht direkt am Ort der Probenahme möglich ist, sondern erst nach einem Transport der Probe in ein räumlich getrenntes Labor. Dies ist oftmals mit einer unerwünschten Verfälschung der eigentlichen Partikelprobe verbunden. Des Weiteren handelt es sich oftmals um teure und hochgenaue Analyseverfahren zur Bestimmung der genauen elementaren Zusammensetzung der Partikel, obwohl in vielen Fällen eine einfache Klassifizierung der Partikel in bestimmte Materialklassen (z. B. Metall und Kunststoff) genügen würde.
  • Im einzelnen stehen nach dem Stand der Technik die folgenden Verfahren und Geräte zur Verfügung.
  • Die Rasterelektronen-Mikroskopie (REM) mit integrierter Röntgenmikroanalyse (EDX) ermöglicht Aussagen über die elementare Zusammensetzung einer Probe. Die Oberfläche eines Partikels wird mit einem gebündelten Elektronenstrahl abgerastert. Die Wechselwirkung zwischen Primärelektronen des Strahls und Elektronen der Hüllen der Probenatome führt zur Emission von Röntgenstrahlung (Sekundärelektronen). Da die Energie der Röntgenstrahlung von der Ordnungszahl der Atome abhängt, kann anhand der Röntgenspektren auf die chemische Zusammensetzung der Probe geschlossen werden. Das EDX-System erlaubt eine qualitative und eine halbquantitative Analyse der chemischen Elemente des Partikels.
  • Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die Partikelproben vakuumbeständig sein müssen, da diese Analysen nur unter Hochvakuum störungsfrei ab laufen können, und dass elektrisch nicht leitfähige Proben mit einer elektrisch leitenden Goldschicht versehen werden müssen.
  • Da organische Proben hauptsächlich aus Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen bestehen, ist bei REM-EDX-Analysen außerdem kein Rückschluss auf die molekulare Struktur und somit auf den materiellen Ursprung des Partikels möglich.
  • Auch mittels Raman-Spektrometrie lassen sich Partikel bestimmen. Bestrahlt man Moleküle mit monochromatischem Licht, so wird das eingestrahlte Licht gestreut. Zerlegt man dieses Streulicht, so zeigen sich neben der Spektrallinie der Lichtquelle zusätzliche Spektrallinien, die gegenüber der Frequenz der Lichtquelle verschoben sind. Diese Linien nennt man Raman-Linien. Bei einer Raman-Spektroskopie-Analyse werden die Wellenlängen und Intensitäten dieser Raman-Linien ermittelt. Da dieses Wellenlängen-Spektrum charakteristisch für die molekulare Struktur einer Probe ist, können Rückschlüsse auf deren molekulare Zusammensetzung gemacht werden.
  • Nachteil hierbei ist, dass bei fluoreszierenden Proben das Raman-Signal überlagert wird und dadurch keine Analyse möglich ist. Darüberhinaus erzeugen metallische Proben kein Raman-Signal und können somit nicht analysiert werden.
  • In der IR-Spektroskopie führt die Bestrahlung von Molekülen mit elektromagnetischen Wellen im Infrarot-Bereich dazu, dass Molekülbindungen zur Schwingung angeregt werden. Dies führt gleichzeitig zu Energieabsorption der anregenden Strahlung. Anhand von charakteristischen Frequenzen des Infrarot-Lichts, welche nötig sind, um bestimmte Teile von Molekülen zur Schwingung anzuregen, können diese identifiziert werden.
  • Nachteile dieses Verfahrens liegen darin, dass dieses Verfahren nur für organische Materialien, hauptsächlich für organische Öle und Fette geeignet ist und für einzelne, kleine (bis ca. 100 μm) Partikel dieses Verfahren zu ungenau ist, da die Signale zu schwach sind.
  • Bei der Röntgenfluoreszenzanalyse wird das zu untersuchende Material wird mit energiereichen Photonen (Röntgenstrahlung) bestrahlt und dabei zur Eigenstrahlung (Röntgenfluoreszenz) angeregt. Diese Röntgenfluoreszenz besteht aus verschiedenen, von den einzelnen Elementen der Probe erzeugten charakteristischen Wellenlängen, welche mit einem Strahlungsspektrometer erfasst werden können. Mittels dieser charakteristischen Wellenlängen lässt sich feststellen, welche Elemente in der Probe vorliegen. Die Bestimmung der Gehalte der einzelnen Elemente ist durch Messung der Intensität der einzelnen Spektrallinien möglich.
  • Die Röntgenfluoreszenzanalyse ist ein sehr teures und messtechnisch aufwändiges Analyseverfahren. Darüber hinaus können nicht alle Elemente hiermit bestimmt werden (nur Elemente die leichter sind als Bor). Pulverförmige oder partikuläre Proben müssen aufwändig vorbereitet werden (gemahlen und mit einem Bindemittel zu einer Tablette gepresst).
  • Die derzeitigen Verfahren erfüllen die Anforderungen an eine Klassifizierung von Partikeln entweder nur teilweise oder sie sind zeitlich, personell oder technisch sehr aufwändig, weshalb die Analysen sehr teuer sind. Zusammengefasst lassen sich folgende Nachteile aufzeigen:
    • 1. zeitlich aufwändige Prüfung,
    • 2. mit hohem manuellem präparativen Aufwand verbundene Messungen,
    • 3. messtechnisch aufwändige und somit teure Analyseverfahren,
    • 4. hochgenaue Analyseverfahren, obwohl oftmals eine einfache Klassifizierung der Partikel in einzelne Stoffgruppen genügen würde,
    • 5. unflexible stationäre Labormessgeräte, weshalb ein Transport der Proben zum Analysegerät notwendig ist,
    • 6. bereits existierende Klassifizierverfahren sind nur für bestimmte Stoffgruppen (Metalle-Nichtmetalle) einsetzbar und darüber hinaus ungenügend.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messverfahren und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung anzugeben, welches die genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet und eine schnelle und einfache Einteilung von Partikeln in verschiedene Stoffgruppen ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung zur Charakterisierung von Partikeln nach Anspruch 13. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden durch die jewei ligen Unteransprüche gegeben.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren ist eine schnelle und einfache Einteilung von Partikeln in verschiedene Stoffgruppen, wie z. B. Kunststoffe, Metalle, biotische Partikel und Mineralien, möglich.
  • Das erfindungsgemäße Charakterisierungsverfahren weist zumindest zwei Schritte auf. In einem Schritt werden Partikel mit sichtbarem Licht bestrahlt und das hierdurch von den Partikeln reflektierte und/oder abgestrahlte Licht detektiert. In einem anderen Schritt werden die Partikel mit ultraviolettem Licht bestrahlt und das hierdurch von den Partikeln abgestrahlte sichtbare Licht detektiert. In diesem Falle werden also die Partikel durch das ultraviolette Licht in einem gewissen Maße zur Autofluoreszenz angeregt. Das durch die Fluoreszenz abgestrahlte Licht wird dann detektiert. Anhand des in den beiden Schritten detektierten Lichts können nun die Partikel charakterisiert werden. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Partikel unterschiedliche Autofluoreszenzeigenschaften aufweisen, die weitgehend davon unabhängig sind, wie die entsprechenden Partikel sichtbares Licht reflektieren und/oder abstrahlen, wenn sie mit sichtbarem Licht bestrahlt werden. Die beiden Schritte können in beliebiger Reihenfolge nacheinander durchgeführt werden. Weitere Schritte können vor, nach oder zwischen diesen beiden Schritten durchgeführt werden.
  • Vorteilhafterweise wird in jenem Schritt, in welchem die Partikel mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden, ein Binärbild von den Partikeln erstellt, in welchem jene Partikel, die mit einer Intensität fluoreszieren, die einen bestimmten Wert überschreitet, im Bild mit einem Farb- und/oder Helligkeitswert abgebildet werden und jene Partikel, deren Fluoreszenzintensität diesen Wert unterschreitet, ausgeblendet werden. Das so erhaltene Bild ist ein Binärbild, weil alle Intensitätswerte der Fluoreszenz, die unterhalb des Schwellenwertes liegen, nicht abgebildet werden, während alle Intensitätswerte, die den Schwellenwert überschreiten, mit einem, für alle derartige Intensitätswerte gleichen Wert abgebildet werden.
  • Vorteilhafterweise werden die Partikel im einen und/oder im anderen Schritt und/oder in einem weiteren Schritt mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen bestrahlt. Das für jede Wellenlänge hierbei reflektierte und/oder abgestrahlte Licht wird dann detektiert. Es können hierbei also unterschiedliche Wellenlängen im sichtbaren Bereich und/oder im UV-Bereich eingestrahlt werden. Es können außerdem weitere Beleuchtungs- und Detektionsschritte hinzugefügt werden, in welchem die Wellenlänge verändert wird.
  • Es ist bevorzugt, wenn in einem, mehreren oder allen Schritten des Verfahrens das Spektrum des von den Partikeln reflektierten und/oder abgestrahlten Lichts zumindest bereichsweise vermessen wird. Die Vermessung des Spektrums erfolgt hierbei mit einem für die entsprechende Wellenlänge geeigneten Spektrometer. Dieses kann beispielsweise auf einem Prisma oder einem Gitter basieren.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn in dem erfindungsgemäßen Verfahren in mehreren oder allen der Schritte das reflektierte und/oder abgestrahlte Licht ortsaufgelöst vermessen wird. Entsprechend kann auch das Spektrum ortsaufgelöst vermessen werden. Die ortsaufgelöste Vermessung kann z. B. dadurch erfolgen, dass die Probe gescannt oder gerastert wird oder dass zur Detektion des Lichts ein ortsauflösender Sensor, wie beispielsweise ein CCD-Detektor oder eine Kamera, verwendet wird.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn das reflektierte Licht, dessen Intensität und/oder dessen Spektrum für einzelne Partikel vermessen wird.
  • Die ortsaufgelöste Vermessung und insbesondere die Vermessung des von einzelnen Partikeln reflektierten und/oder abgestrahlten Lichts ist besonders vorteilhaft mittels eines Mikroskops zu bewerkstelligen. Je nach Abmessung der Partikelprobe kann hierbei an den Bildbereich oder das Okular des Mikroskops ein ortsaufgelöster Sensor, wie beispielsweise eine Kamera oder ein CCD-Chip angebracht werden. Es kann aber auch ein nicht ortsauflösender Sensor verwendet werden und dann der Objektbereich des Mikroskops gegenüber der Partikelprobe so verschoben werden, dass jeweils nur das von einem oder wenigen Partikeln reflektierte oder abgestrahlte Licht in das Objektiv des Mikroskops fällt.
  • Besonders einfach und kostengünstig lässt sich das Verfahren realisieren, wenn in einem oder mehreren der durchzuführenden Schritte zur Detektion des Lichts ein Detektor verwendet wird, der die Intensität des Lichts misst.
  • Besonders bevorzugt ist ein Detektor, welcher das Licht ortsaufgelöst so detektiert, dass sich ein Bild der Partikel ergibt. Hierbei kommt z. B. eine Kamera oder eine CCD-Kamera in Frage. Wird ein solcher Detektor verwendet, ist es möglich, die Partikel auch anhand ihrer Form zu charakterisieren. Hierbei wird vorzugsweise der Kamera ein Objektiv oder ein Mikroskop vorgeschaltet, welches eine solche Vergrößerung liefert, dass die Form der Partikel unterscheidbar ist. Die Klassifizierung anhand der Form der Partikel kann dadurch geschehen, dass die detektierten Formen mit in einer Datenbank gespeicherten Formen verglichen werden oder dass die Formen anhand abstrakter Klassifizierungsmerkmale oder Formparameter eingeordnet werden und anhand dieser Merkmale unterschieden werden.
  • In weiteren zusätzlichen Schritten können im erfindungsgemäßen Verfahren die zu untersuchenden Partikel außerdem mittels Polarisationstechnik charakterisiert werden. Hierbei werden die Partikel mit unterschiedlich polarisiertem Licht bestrahlt und das hierbei reflektierte Licht detektiert. Reflektieren die Partikel polarisationsselektiv, so können sie hierdurch charakterisiert werden, da das Licht unterschiedlicher Polarisation unterschiedlich reflektiert wird.
  • Darüberhinaus kann auch Nah-Infrarot-Spektroskopie zum Einsatz kommen. Hierbei werden die Partikel mit infrarotem Licht im Nahinfrarotbereich bestrahlt. Die Charakterisierung erfolgt hierbei durch Bestimmung der Wellenlänge, welche von den Partikeln absorbiert oder emittiert wird.
  • Vorteilhafterweise werden die zu untersuchenden Partikel auf einem Träger, wie beispielsweise einer Trägermembran abgeschieden. Auf diesem Träger können die Partikel dann wie oben beschrieben charakterisiert werden.
  • Zusammenfassend können also im erfindungsgemäßen Verfahren Partikel durch Beleuchtung mit sichtbarem Licht (etwa 400 nm bis 700 nm) und Detektion des Streulichts oder abgestrahlten Lichts mittels beispielsweise einer Farb- oder Schwarzweißkamera oder eines anderen Detektors sichtbar gemacht werden. Werden die Partikel außerdem mit Licht einer ausgewählten Bande im ultravioletten Wellenlängenbereich (kleiner als etwa 290 nm) bestrahlt, so werden Partikel bestimmter Materialklassen zur Autofluoreszenz angeregt und emittieren langwelligeres Fluoreszenzlicht (größer als etwa 390 nm). Dieses Autofluoreszenzsignal wird mit der Kamera oder einem anderen Detektor sichtbar gemacht. Durch Umwandlung des Farb- oder Grauwertbildes in ein Binärbild mittels digitaler Bildverarbeitung können Partikel, von denen bei Anregung in dem gewählten Wellenlängenbereich kein Autofluoreszenzsignal ausgeht, optisch ausgeblendet werden. Diese Selektierung in fluoreszierende und nicht-fluoreszierende Partikel kann dann als erstes Klassifizierungsmerkmal dienen. Über das Farbspektrum und die Intensität des Fluoreszenzsignals der Partikel, welche beispielsweise mit einem Spektrometer bestimmt werden können, kann dann eine weitere Einteilung der Partikel in verschiedene Materialklassen erfolgen. Für eine bessere Klassifizierung kann anschließend die Wellenlänge des Anregungslichts verändert werden und der Ablauf wiederholt werden. Dadurch wird es auch möglich, Stoffe, die ein ähnliches Fluoreszenzspektrum aber unterschiedlich breite Anregungswellenlängenbereiche aufweisen, zu selektieren.
  • Die Auswahl der Wellenlängenbereiche und der Bandbreite des Anregungslichts richtet sich nach der gewünschten Stoffgruppenklassifizierung der zu untersuchenden Partikel. Stoffgruppen, die nicht zur Autofluoreszenz angeregt werden können, sind beispielsweise reine Metalle. Biotische Partikel senden bei entsprechender Anregung mit Fluoreszenzlicht im blauen Spektralbereich (ca. 440 nm bis 480 nm), keramische Materialien auf Aluminiumoxidbasis dem gelb-roten Spektralbereich (ca. 580 nm bis 700 nm) aus.
  • Das oben beschriebene Verfahren kann mit einer Vorrichtung zur Charakterisierung von Partikeln entsprechend der Erfindung durchgeführt werden. Eine solche Vorrichtung weist eine Lichtquelle für sichtbares Licht auf, mit welcher die zu untersuchenden Partikel beleuchtbar sind. Sie weist außerdem eine Lichtquelle für ultraviolettes Licht auf, mit welchem die Partikel ebenfalls beleuchtbar sind. Außerdem weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Detektor für sichtbares Licht auf, mit welchem von den Partikeln ausgehendes sichtbares Licht detektierbar ist.
  • Für eine weitere Klassifizierbarkeit der Partikel ist es außerdem vorteilhaft, wenn die Vorrichtung ein Spektrometer aufweist, mit welchem das optische Spektrum des von den Partikeln ausgehenden bzw. ausgesendeten Lichts zumindest in Bereichen vermessbar ist.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Lichtquelle für sichtbares Licht und/oder die Lichtquelle für ultraviolettes Licht ringförmig ausgebildet, wobei der Ring den Strahlengang umläuft, den von den Partikeln ausgehendes Licht nimmt, welches auf den Detektor fällt. Auf diese Weise wird eine besonders homogene Ausleuchtung erreicht.
  • Kommt in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Spektrometer zum Einsatz, so werden besonders präzise Ergebnisse erreicht, wenn das von den Partikeln abgesandte Licht mittels eines Strahlteilers zum Teil auf den Detektor und zum Teil auf das Spektrometer gelenkt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass mit dem Detektor und dem Spektrometer die gleichen Partikel vermessen werden.
  • Vorteilhafterweise wird im Strahlengang des von den Partikeln ausgehenden und auf den Detektor treffenden Lichts ein Filter angeordnet, durch welchen Licht, das nicht durch Fluoreszenz erzeugt wird, aus dem von den Partikeln ausgehenden Licht zumindest teilweise herausfilterbar ist. Dies ist möglich, weil sich im Allgemeinen die Wellenlänge des durch Fluoreszenz erzeugten Lichts von anderem Licht, welches beispielsweise an den Partikeln reflektiert wurde, unterscheidet.
  • Als Detektor eignet sich besonders vorteilhaft eine Kamera, vorzugsweise eine CCD-Kamera.
  • Für eine ortsaufgelöste Vermessung, insbesondere für eine Vermessung einzelner Partikel, ist es besonders bevorzugt, wenn die Partikelprobe, wie beispielsweise die Membran, auf einem Probenhalter angeordnet ist, der in ein oder zwei Richtungen senkrecht zu einer Blickrichtung des Detektors bewegbar ist. Auf diese Weise kann der Objektbereich des Detektors gegenüber der Partikelprobe verschoben werden und die Partikelprobe gescannt oder gerastert werden.
  • Das erfindungsgemäße Messverfahren ermöglicht eine schnelle und einfache Einteilung von Partikeln in Materialklassen (z. B. Kunststoff Partikel, biotische Partikel, mineralisch und metallische Partikel). Dadurch lassen sich schnelle Aussagen über das Gefährdungspotenzial des Partikels machen und Rückschlüsse auf die Entstehung der Partikel (sog. Partikelquelle) in der Fertigung ziehen. Somit können gezielte Gegenmaßnahmen zur Verbesserung der Sauberkeit eingeleitet werden. Da dieses Verfahren auch mobil ausführbar ist, können die Partikel direkt am Ort der Probenahme klassifiziert werden, ohne Beeinträchtigung durch Transport in ein Labor.
  • Das Verfahren ist vollständig automatisierbar, wodurch der manuelle Aufwand minimiert werden kann.
  • Das Messgerät kann so ausgeführt werden, dass es an Ort und Stelle der Partikel-Probenahme einfach aufgebaut und einsatzbereit ist. Dadurch soll ein Probetransport und somit die Gefahr der Veränderung der Partikelproben aufgrund der zeitlichen und räumlichen Trennung zwischen Probenahme und Analyse vermieden werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die einzelnen Funktionsgruppen des Messgeräts (Probentisch, Beleuchtung, Optik, Detektor und Spektrometer) als einzelne Module realisiert werden, die einfach aneinander angekoppelt werden können. Die Probenahme vor Ort erfolgt vorzugsweise entweder über einen separaten Impaktor für Probenahme in Luft oder einen Filternutsche für Probenahme in Flüssigkeiten.
  • Durch die Möglichkeit der Ankopplung an ein Labormikroskop ist darüber hinaus die Möglichkeit gegeben, das Verfahren auch serienmäßig im Labor einzusetzen. In diesem Fall wird das Spektrometer mittels eines Lichtwellenleiters und eines Strahlteilers am Okular an das Mikroskops angeschlossen (optisch eingekoppelt). Des Weiteren ist hierzu eine Synchronisierung des Probentisches mit der Auswerteeinheit notwendig.
  • Das Autofluoreszenzanalyseverfahren lässt sich mit anderen lichtoptischen Verfahren zur genaueren Klas sifizierung kombinieren. Hierzu kommen beispielsweise die Polarisationstechnik oder die NIR-Spektrometrie in Betracht.
  • Als weitere Verfeinerung der Klassifizierung ist es möglich, die Partikel mittels digitaler Bildverarbeitung aufgrund von Formfaktoren (Morphologie der Partikel) zusätzlich zu selektieren. Dadurch wird es beispielsweise möglich, die aufgrund der Autofluoreszenz eingeteilten Partikel in fasrige Partikel einzuteilen z. B. bei Partikel mit einem Verhältnis von Länge zu Breite größer als 30.
  • Für die Erfindung sind unter anderem folgende Anwendungsbereiche von Interesse:
    • • Bestimmung des Schädigungspotenzials von Partikeln, z. B. bei der Sauberkeitsprüfung von Bauteilen in der Automobilindustrie,
    • • gezieltes Auffinden von Partikelquellen in der Produktionsumgebung,
    • • Bestimmung des Kontaminationsverhaltens bei der Entwicklung von Anlagen und Produktionseinrichtungen für die Reinstproduktion,
    • • Vorklassifizierung von Partikelproben zur Beschleunigung von hochgenauen Laboranalyseverfahren von Proben, z. B. in der Forensik.
  • Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Die Figuren sind in keiner Weise beschränkend zu verstehen und die gezeigten Merkmale können auch einzeln zur Anwendung kommen.
  • Es zeigt
  • 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Klassifizierung von Partikeln,
  • 2A, B, C Bilder, wie sie von einer Kamera im erfindungsgemäßen Verfahren produziert werden können und
  • 3 die Fluoreszenzfarbspektren eines biotischen Partikels und eines abrasiven Schleifpartikels.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Klassifizierung und Charakterisierung von Partikeln in einer Partikelprobe 1. Im gezeigten Beispiel werden die Partikel 1 mit einer ringförmigen Beleuchtungseinrichtung 3 bestrahlt, in welcher eine sichtbare (VIS) Lichtquelle und eine ultraviolette (UV) Lichtquelle verschiedener Wellenlängenbereiche zur Beleuchtung und Autofluoreszenzanregung der Partikel 1 kombiniert sind. Über eine optische Einheit 4 und eine CCD-Kamera 8 werden die mit sichtbarem Licht beleuchteten Partikel visualisiert und mittels digitaler Bildverarbeitung vermessen. Über einen optischen Filter 5 kann das ultraviolette und/oder sichtbare Streulicht unterdrückt werden, um lediglich die im Gegensatz zum UV-Anregungslicht langwelligeren Autofluoreszenzsignale sichtbar zu machen. Die Partikelprobe 1 kann mittels eines X/Y-Verfahrenstisches 2 gegenüber der Optik 4 bewegt werden, so dass eine ortsaufgelöste Untersuchung der Probe möglich ist. Bei entsprechender Vergrößerung der Optik 4 kann jeweils ein Partikel der Probe 1 in den Strahlengang der Optik 4 geschoben werden, so dass die Partikel 1 einzeln vermessbar sind. Im gezeigten Beispiel ist in dem Strahlengang des von den Partikeln 1 ausgehenden Lichts ein Strahlteiler 6 angeordnet, welcher einen Teil des auf ihn treffenden Lichts zur Kamera 8 passieren lässt und einen anderen Teil auf ein Spektrometer 9 ablenkt. Streulicht wird hierbei durch eine Blende 7 unterdrückt. Mit der gezeigten Anordnung kann daher das Spektrum der zu vermessenden Partikel gleichzeitig zu ihrer Abbildung vermessen werden.
  • 2A zeigt ein Bild der Partikelprobe 1 auf einer Filtermembran, wie es durch eine lichtmikroskopische Aufnahme erhalten werden kann. In diesem Bild ist es möglich, die Größe und die Form (Morphologie) der Partikel zu bestimmen. Allein aus diesem Bild kann jedoch noch keine Aussage über den materiellen Ursprung der Partikel gemacht werden.
  • 2B zeigt nun ein Bild, wie es von einer Kamera 8 erhalten wird, wenn die Partikel mittels lichtgeeigneter Wellenlänge zur Fluoreszenz angeregt werden, beispielsweise mit UV-Licht. Die Partikel strahlen hierbei in Abhängigkeit von ihrer materiellen Zusammensetzung unterschiedliches Autofluoreszenzlicht ab. Dadurch sind in dieser Abbildung nur ein Teil der in 2A gezeigten Partikel zu erkennen.
  • 2C zeigt nun ein Binärbild, wie es mittels digitaler Bildverarbeitung aus dem in 2B gezeigten Bild erzeugt werden kann. Hierbei wird allen Bildpunkten, in welchen die Intensität in 2B einen bestimmten Wert überschreitet, in 2C ein fester, für alle derartigen Bildpunkte gleicher Wert zugeordnet, während allen anderen Bildpunkten ein anderer fester Wert, beispielsweise Null, zugeordnet wird. Das Bild in 2C zeigt also nur zwei Intensitätsstufen, nämlich „keine Intensität" und „Inten sität". In diesem Bild lassen sich daher die Partikel der Partikelprobe 1 in fluoreszierende und nicht-fluoreszierende Partikel unterteilen. Dadurch lassen sich erste Aussagen über die Partikelzusammensetzung machen.
  • 3 zeigt die Fluoreszenz-Farbspektren eines biotischen Partikels und eines abrasiven Schleifpartikels. Man erkennt, dass die Fluoreszenzintensität des biotischen Partikels ihr Maximum bei kleineren Wellenlängen (ca. 470 bis 480 nm) hat als die Schleifpartikel, deren Maximum zwischen ca. 590 und 650 nm liegt. Wird mittels eines Spektrometers 9 also das Fluoreszenzlicht spektral analysiert, so lassen sich anhand dieser Intensitätsverteilung verschiedene Partikel, hier biotische Partikel und Schleifpartikel, voneinander unterscheiden. Es kann auf den materiellen Ursprung zurückgeschlossen werden und eine einfache Einteilung der Partikel in Stoffgruppen erfolgen.

Claims (20)

  1. Verfahren zur Charakterisierung von Partikeln, wobei in einem Schritt Partikel mit sichtbarem Licht bestrahlt werden und das hierdurch von den Partikeln reflektierte und/oder abgestrahlte Licht detektiert wird, und wobei in einem anderen Schritt die Partikel mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden und das hierdurch von den Partikeln abgestrahlte sichtbare Licht detektiert wird und wobei die Partikel anhand des im einen und im anderen Schritt detektierten Lichtes charakterisiert werden.
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im anderen Schritt ein Binärbild von den Partikeln erstellt wird, in welchem jene Partikel, bei denen die Intensität des von ihnen abgestrahlten sichtbaren Lichtes einen bestimmten Wert überschreitet, mit einem Farb- und/oder Helligkeitswert abgebildet werden und die anderen Partikel ausgeblendet werden.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Schritt vor oder nach dem anderen Schritt ausgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel im einen Schritt und/oder im anderen Schritt un d/oder in einem weiteren Schritt mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen bestrahlt werden und für jede Wellenlänge jeweils das hierdurch reflektierte und/oder abgestrahlte Licht detektiert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im einen Schritt und/oder im anderen Schritt und/oder in einem weiteren Schritt das Spektrum des von den Partikeln reflektierten und/oder abgestrahlten Lichtes zumindest bereichsweise vermessen wird.
  6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum ortsaufgelöst vermessen wird und/oder dass das Spektrum des von einzelnen Partikeln reflektierten und/oder abgestrahlten Lichtes vermessen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht im einen Schritt und/oder im anderen Schritt mit einem Detektor detektiert wird, der die Intensität des Lichtes misst.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht im ersten Schritt und/oder im zweiten Schritt mit einer Kamera, vorzugsweise einer CCD-Kamera, ortsaufgelöst, ein Bild der Partikel ergebend, detektiert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel außerdem anhand ihrer Form charakterisiert werden.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel vor dem einen und dem anderen Schritt auf einen Träger, vorzugsweise eine Trägermembran, abgeschieden werden.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel außerdem mittels Polarisationstechnik charakterisiert werden.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel außerdem mittels Nah-Infrarot-Spektroskopie charakterisiert werden.
  13. Vorrichtung zur Charakterisierung von Partikeln mit einer Lichtquelle für sichtbares Licht, mit der Partikel beleuchtbar sind, einer Lichtquelle für ultraviolettes Licht, mit der die Partikel beleuchtbar sind, und einem Detektor für sichtbares Licht, mit welchem von den Partikeln ausgehendes sichtbares Licht detektierbar ist.
  14. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch ein Spektrometer, mit welchem das Spektrum von den Partikeln ausgehenden Lichtes zumindest bereichsweise vermessbar ist.
  15. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle für sichtbares Licht und/oder die Lichtquelle für ultraviolettes Licht ringförmig ausgebildet ist, und dass von den Partikeln ausgehendes Licht, das vom Detektor detektiert wird, durch eine Ringöffnung der Lichtquelle läuft.
  16. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Strahlteiler aufweist, der so angeordnet ist, dass von den Partikeln ausgehendes Licht auf den Strahlteiler trifft, und der Strahlteiler einen Teil des Lichtes auf den Detektor leitet und einen Teil des Lichtes auf das Spektrometer leitet.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, gekennzeichnet durch einen Filter, der im Strahlengang des von den Partikeln ausgehenden und auf den Detektor treffenden Lichtes angeordnet ist, durch welchen Licht, das nicht durch Fluoreszenz erzeugt wird, aus dem von den Partikeln ausgehenden Licht zumindest teilweise herausfilterbar ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor eine Kamera, vorzugsweise eine CCD-Kamera, aufweist oder ist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel auf einem Probenhalter angeordnet sind, der in ein oder zwei Richtungen senkrecht zu einer Blickrichtung des Detektors bewegbar ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Vorrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchführbar ist.
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