DE19510034A1 - Vorrichtung zur Bestimmung von Partikelgrößen und/oder Partikelgrößenverteilungen mittels Lichtbeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Partikelgrößen und/oder Partikelgrößenverteilungen mittels Laserlichtbeugung nach den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruchs 1.

Solche Vorrichtungen, insbesondere mit den Merkmalen des Ober­ begriffs von Anspruch 1 sind seit längerem bekannt und werden in vielen Anwendungsbereichen zur Partikelgrößenanalyse von dispersen Feststoffen oder Tropfenverteilungen herangezogen. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß ein von monochromati­ schem, kohärentem Licht angestrahltes Partikel in Abhängigkeit seiner Größe Teile dieses Lichtes unterschiedlich stark ab­ lenkt, wobei kleine Partikel das Licht stärker ablenken als große Partikel.

Diese Ablenkung des Lichtes ist bekannt als Beugung. In einer üblichen Anordnung gemäß Fig. 1 erzeugt ein Laser 1 gefolgt von einer Aufweiteoptik 2 einen ausgedehnten parallelen Meßlicht­ strahl 6, der die in eine Meßzelle 7, die in eine Meßzone 8 angeordnet wird, eingebrachten Partikel 9 beleuchtet. Die Partikel 9 wechselwirken mit dem Licht und erzeugen eine Verteilung der Intensität 12 über einen Winkel θ, gegenüber der optischen Achse, die der Größenverteilung der beleuchteten Partikel eindeutig entspricht. Üblicherweise wird der vorwärts gerichtete Teil der Lichtintensitätsverteilung über den Winkel zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung durch eine Abbil­ dungseinrichtung in Form einer Sammellinse 14 oder eines Linsensystems (im folgenden Fourier-Optik genannt) mit einer positiven Brennweite erfaßt und in der Brennebene der Fourier-Optik in eine Ortsverteilung umgewandelt. Die Ortsverteilung wird von einem in der Brennebene zweckmäßig angeordneten Feld von Fotodetektoren 16, z. B. einem halbkreis­ förmigen Multidetektor, aufgenommen. Aus den erzeugten elektri­ schen Signalen, die die Ortsverteilung der Intensitäten wider­ spiegeln, der Geometrie der Detektoren, der Wellenlänge des Lichtes und der Brennweite wird schließlich von einer Auswertungseinrichtung 20 - einem fest oder variabel program­ mierbaren Computer - über einen Rechenalgorithmus (basierend z. B. auf der Fraunhoferschen Beugung oder der Mie Theorie) die Parikelgrößenverteilung ermittelt. Die Partikel können die Meßzone trocken als Aerosol in einem Freistrahl dispergiert durchqueren oder sind in einer Flüssigkeit dispergiert, die durch die in der Meßzone 8 angeordnete Meßzelle 7 geleitet wird.

Normalerweise ist die Meßzone im parallelen Strahlengang vor der Fourier-Optik angeordnet. Aufgrund der beschränkten Fläche der üblicherweise verwendeten Fotodetektoren kann jedoch bei vorgegebener Brennweite der Fourier-Optik nur ein bestimmter Partikelgrößenbereich vermessen werden, da beispielsweise zur Vermessung großer Partikel eine Fourier-Optik mit großer Brenn­ weite notwendig ist, um auf dem Fotodetektor eine akzeptable Auflößung des Beugungsbildes zu erreichen, welches durch die an den großen Partikeln nur schwach abgelenkte Strahlung entsteht. Die große Brennweite führt zu einem entsprechend langen bzw. großen Gehäuse der Meßvorrichtung.

Umgekehrt ist zur Vermessung kleiner Partikelgrößen eine Fourier-Optik mit entsprechend kleiner Brennweite erforderlich, die zudem eine möglichst große Apertur aufweisen soll, um auch die an kleinsten Partikeln sehr stark abgelenkte Lichtstrahlung noch einzufangen. Übliche kurzbrennweitige Fourier-Optiken lassen sich, wenn sie nicht zu kostspielig werden dürfen, nur durch Linsen mit vergleichsweise geringen Aperturen realisieren und haben dabei große Abbildungsfehler. Das hat zur Folge, daß die Partikel dicht an der Fourier-Optik vorbeigeführt werden müssen und der Durchmesser des beleuchtenden Meßlichtstrahles stark eingeschränkt werden muß, wenn das unter großem Winkel gebeugte Licht der im Randbereich des Lasers beleuchteten Partikel noch durch die Eintrittsöffnung der Fourier-Optik auf den Detektor fallen soll. Die kleine Brennweite läßt ein kurzes bzw. kleines Gehäuse der Meßvorrichtung zu.

Zur Vermessung sehr kleiner Partikelgrößen ist deshalb vorge­ schlagen worden (europäische Patentschrift 0 207 176 B1), die Meßzone im konvergenten Strahlengang zwischen Fourier-Optik und Fotodetektor anzuordnen. Zwar ist diese Anordnung bis auf einen Phasenfaktor der Anordnung im parallelen Strahlengang gleich­ wertig, doch bestimmt nun der Abstand zwischen den Partikeln und dem Fotodetektor den Meßbereich. Dieser Abstand kann nicht genau definiert werden, da die Führung der Partikel durch die Meßzone für die größten zu vermessenden Partikel ausgelegt sein muß, weshalb es bei den die Meßzone durchströmenden kleineren Partikeln zwangsläufig zu einer unerwünschten Ortsunschärfe kommt, die sich als Meßfehler äußert, weil einige Teilchen relativ nahe am und andere relativ entfernt vom Detektor sind. Zudem treffen die bei zu großen Winkeln gebeugten Strahlen stark von der Senkrechten abweichend auf das Fotodetektorfeld, was eine präzise Intensitätsmessung erschwert. Diese Meßvor­ richtigung wurde daher für feine Partikel praktisch nur für Messungen in Flüssigkeiten realisiert, da man hier die Ortsun­ schärfe durch geeignete Wahl der Dichte der Meßzelle längs der optischen Achse gut begrenzen kann. Die Messung räumlich ausgedehnter feiner Aerosole, wie sie auftreten, wenn die Partikel in einem Gasstrom trocken dispergiert in die Meßzone eingeleitet werden, konnte wegen der damit verbundenen Meß­ fehler bisher nicht befriedigend realisiert werden.

Dieses gilt weitgehend auch für andere bekannte Vorrichtungen, die z. B. vorsehen, daß zusätzlich zu der auf der optischen Achse befindlichen Fourier-Optik weitere Optiken mit nachge­ schalteten Detektoren um bestimmte Winkel versetzt angebracht werden, um Intensitäten unter größeren diskreten Beugungswinkel zu erfassen (europäische Patentanmeldungsschrift 0 493 806 A2). Auch hier ist die mögliche Ausdehnung des Partikelkollektivs sehr begrenzt. Zudem besteht die Schwierigkeit, daß an die Begrenzungen des Meßvolumens erhöhte Anforderungen zu stellen sind, da neben Beugung auch Brechung, insbesondere in den verwendeten flüssigen Medien und in der das Meßvolumen umge­ bende Meßzelle bzw. Küvette erfolgt, die bei der Bewertung der Winkelverteilung der Intensität berücksichtigt werden muß. Gravierender ist jedoch, daß durch die Aufhebung der Zylinder­ symmetrie zur optischen Achse nichtkugelförmige Partikel zu fehlerhaften Meßsignalen führen, da die Winkelverteilung dann nicht mehr symmetrisch zur optischen Achse ist. Dieses gilt im verstärkten Maße, wenn diese nur geringfügig durch das strömen­ de Medium in der Meßzone ausgerichtet werden.

Um die Meßergebnisse mit den Resultaten der verwendeten physi­ kalischen Modellvorstellungen (Fraunhofersche Beugung, Mie Theorie, u. a.) möglichst gut in Übereinstimmung zu bringen, muß die Lichtquelle ein möglichst ideales Wellenfeld mit hoher Kohärenz liefern. Als Lichtquelle eignen sich daher besonders Gas-Laser, wie z. B. der häufig verwendete HeNe-Laser mit einer Wellenlänge von 632,8 nm, die nur in einem sehr engen Wellen­ längenbereich emittieren und damit der Forderung nach einer einzigen Wellenlänge bzw. nur einer Mode sehr nahekommen. Aufgrund ihrer Bauart emittieren sie ihre Strahlung jedoch gleichzeitig in verschiedenen Moden, die sich in der Meßzone störend überlagern. Präzisionsinstrumente verwenden daher am Ausgang des Lasers üblicherweise die in Fig. 1 dargestellte Aufweiteoptik 2, die aus zwei im Abstand ihrer Brennweiten angeordneten Sammellinsen 3 und 5 und einer im Brennpunkt der Eintrittslinse befindlichen Lochblende 4 besteht und die als Raumfilter ausgebildet ist. Wählt man das Loch klein genug (typisch 30 µm Durchmesser) gelangt nur die Zentral-Mode TEM00 (Transverse Electric and Magnetic Mode 00) durch das Loch und man erhält ein nahezu ideales Wellenfeld.

Der den Laser verlassende Meßstrahl ist in der Regel sehr dünn und beleuchtet somit nur ein begrenztes Meßvolumen, was insbe­ sondere bei Verteilungen mit wenigen groben Partikeln zu starken statistischen Fehlern führen kann. Ferner wirkt die Be­ grenzung des Meßstrahls als Quelle von Beugung, etwa vergleich­ bar mit Beugung an Partikeln mit dem Durchmesser des Meßstrahls. Es ist daher üblich, den Laserstrahl nicht direkt als Meßlicht­ strahl zu verwenden, sondern den Durchmesser des Laserstrahls durch eine geeignete Aufweiteoptik zunächst so zu vergrößern, daß er erheblich größer als die größten zu vermessenden Par­ tikel ist. Nur so kann am Ort des Detektors die Beugungsin­ formation der Partikel in ausreichendem Abstand von der Beugungs­ information von der Begrenzung des Meßstrahl abgebildet und detektiert werden. Die Strahlvergrößerung ergibt sich für das vorstehend beschriebene Raumfilter aus dem Verhältnis der Brennweiten der zweiten Sammellinse zu der der ersten Sammel­ linse.

Da die Brennweite der ersten Sammellinse aus Fertigungsgründen nicht beliebig klein gewählt werden kann, haben Aufweiteoptiken nicht selten Abmessungen, welche die Abmessungen der an sich schon großen Laser überschreiten. Da es gilt, im Raumfilter eine vergleichsweise kleine Blendenlochöffnung möglichst in ihrem Zentrum zu treffen, sind aus Gründen der Stabilität Laser und Aufweiteoptik in der Regel starr miteinander verbunden. Die Anordnung Gaslaser/Aufweiteoptik hat typisch etwa 0,8 m Länge. Zur Verringerung der Baulänge des Meßsystems sind Konstruktio­ nen bekannt, bei denen der aufgeweitete Strahl durch geeignete optische Hilfsmittel (z. B. Spiegel) gefaltet wird. Auch wird z. T. auf Halbleiterlaser mit erheblich geringeren Abmessungen zurückgegriffen, wobei die erheblich schlechteren Strahleigen­ schaften in Kauf genommen werden müssen.

Allen bisherigen Aufweiteoptiken ist gemeinsam, daß sie nur einen einzigen Meßstrahldurchmesser erzeugen, der sich üb­ licherweise an den Erfordernissen der größten zu bestimmenden Partikel orientiert. Das hat zur Folge, daß ausgedehnte Partikel­ kollektive, wie sie z. B. bei der Trockendispergierung oder als Sprühstrahl eines Sprays entstehen, bisher nur ab einer be­ stimmten Mindespartikelgröße bestimmt werden konnten. Fig. 2 stellt diesen Zusammenhang dar. Demnach ist der maximal mög­ liche Arbeitsabstand z eines Partikels 9 von der Fourier-Optik 14, das durch den Randbereich des einfallenden parallelen Lichtstrahls 6 mit dem Durchmesser w beleuchtet wird, angenä­ hert durch die Gleichung 1 beschrieben:

z ≅ f(d - w)/2D (1).

Dabei bezeichnet d den Durchmesser der Eintrittsöffnung der Sammellinse 14 mit der Brennweite f und D den Abstand der opti­ schen Achse zum äußersten Element des Detektorfeldes. f/D bestimmt den Meßbereich, so daß eine Anpassung des Arbeits­ abstandes z bei gegebenem Durchmesser der Fourieroptik nur über die Strahlbreite w erfolgen kann. Für die Bestimmung feiner Partikel muß daher der Durchmesser w des Meßstrahls verringert werden, da dem Eintrittsöffnungsdurchmesser d der Fourier-Optik bei kleiner Brennweite enge Grenzen gesetzt sind.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die sich vergleichweise klein und dennoch optisch stabil aufbauen läßt. Ferner soll der Durchmesser des Meßstrahls variabel den Erfordernissen des jeweiligen Meßbereiches stabil angepaßt werden können, so daß ausgedehnte Partikelkollektive bis herab zu feinsten Partikeln hinsichtlich ihrer Größenver­ teilung bestimmt werden können.

Die Erfindung geht aus von einer Meßvorrichtung mit mindestens einer Laserlichtquelle, einer Beleuchtungseinheit mit einer Kollimatorlinse zur Erzeugung eines parallelen Meßlichtstrahls hoher Kohärenz aus dem von der Laserlichtquelle abgegebenen Licht, einer Einrichtung zur Zuführung einer dispersen Partikel­ probe in eine Meßzone des parallelen Meßlichtstrahls, einer Abbildungseinrichtung, die die an den Partikeln gebeugte Meßlichtstrahlung auf ein in der Brennebene der Abbildungs­ einrichtung angeordnetes Feld von Fotodetektoren abbildet, und einer Auswerteinrichtung zur Errechnung von Partikelgrößen oder Partikelgrößenverteilungen aus den aufgrund der Intensitäts­ verteilung des Beugungsspektrums von den Fotodetektoren er­ zeugten elektrischen Meßsignalen.

Das Erfindungsproblem wird dadurch gelöst, daß das von der Laserlichtquelle abgegebene Licht in den aktiven Kern des Eintrittsendes eines Lichtleiters einkoppelbar ist, und daß das Austrittsende des Lichtleiters im Brennpunkt der Kollimator­ linse angeordnet ist und dessen Austrittslichtkegel wenigstens teilweise auf die Kollimatorlinse fällt.

Die Aufweiteoptik wird gebildet durch den Lichtleiter, der mit Abstand vor der Kollimatorlinse endet. Das Eintrittsende des (leichten) Lichtleiters ist der Laserlichtquelle und dessen Austrittsende der Kollimatorlinse fest zugeordnet. Dadurch ist eine weitgehende mechanische Entkoppelung zwischen Laserlicht­ quelle und Kollimatorlinse erreicht. Nur noch die Kollimator­ linse muß zur optischen Achse des Meßsystems ausgerichtet sein, während Ort und Ausrichtung der Beleuchtungsquelle für die Funktion keine Rolle mehr spielen.

Um eine möglichst gute Ausnutzung des von der Laserlichtquelle abgegebenen Lichts zu erreichen, sollte der freie Durchmesser der Kollimatorlinse dem Durchmesser des Austrittslichtkegels an der Stelle des Auftreffens auf die Kollimatorlinse etwa glei­ chen, d. h. daß der Arcustangens des Verhältnisses aus halbem freien Durchmesser und Brennweite der Kollimatorlinse etwas kleiner sein soll als der halbe Scheitelwinkel des aus dem Lichtleiter austretenden Lichtkegels. Eine besonders hohe Lichtausbeute läßt sich erzielen, wenn das Licht der Licht­ quelle auf den aktiven Kernbereich des Lichtleiters gebündelt wird. Nebenmoden können am Eintritt in den aktiven Kernbereich ausgeblendet werden, indem - vorzugsweise - nur die Zentralmode des Laserlichtstrahls in den aktiven Kern des Lichtleiters eingekoppelt wird. Bei bekannten Aufweiteoptiken mit Raumfilter ist eine Sammellinse vorgesehen, die das Licht der Lichtquelle in das Loch der Lochblende bündelt.

Zur Erzeugung unterschiedlicher Meßstrahldurchmesser ist vorge­ sehen, daß wahlweise Kollimatorlinsen unterschiedlicher Brenn­ weite und unterschiedlichen freien Durchmessers vor das Aus­ trittsende eines Lichtleiters bringbar sind, wobei auch hier die Abstimmung so sein sollte, daß alles vom Lichtleiter abge­ gebene Licht in den Meßstrahl gelangt. So läßt der Lichtleiter eine veränderliche Strahlaufweitung zu.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den oder jeden Lichtleiter als Monomodefaser auszubilden.

In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung werden z. B. drei verschiedene Strahldurchmesser verwendet; für Meßbereiche bis ca. 87,5 µm ein Meßstrahl mit 2,2 mm Durchmesser, bis zu 875 µm Durchmesser ein Meßstrahl mit 13 mm Durchmesser und für Meßbereiche darüber ein Meßstrahl mit 26 mm Durchmesser. Die Angaben bezeichnen dabei jeweils die Positionen im Meßstrahl, bei denen die Lichtintensität auf das Verhältnis 1/e² (mit e der Eulerschen Konstanten) abgefallen ist.

Vor einer Messung wird zunächst der Meßbereich z. B. anhand einer automatischen Identifikation der verwendeten Abbildungs­ optik, ermittelt und über eine Steuerungseinheit dieser mittels einer Tabelle ein Strahldurchmesser zugeordnet und dieser dann automatisch eingestellt.

Zur Vergrößerung bzw. zur Verkleinerung der Meßbereiche oder zur Erhöhung der Auflösung können auch mehrere Laser mit ver­ schiedenen Wellenlängen gleichzeitig oder zeitlich versetzt in jeweils zugeordnete Lichterleiter emittieren, die an ihren Austrittsenden zusammengeführt sind und so die gleiche Kolli­ matorlinse verwenden. Auch können sonstige Lichtquellen, z. B. Weißlichtquellen etc., zeitgleich oder zeitlich versetzt auf gleiche Weise eingekoppelt werden.

Darüberhinaus besteht die Möglichkeit, z. B. gepulste Licht­ quellen einschließlich gepulster Laser zusätzlich zum Laser zu verwenden, die das Partikelkollektiv blitzlichtartig kurzzeitig beleuchten und die Bewegung der Partikel dabei so einfrieren, daß das Bild scheinbar ruhender Partikel durch eine zusätzliche Abbildungsoptik mittels einer Kamera erfaßt werden kann. Durch geeignete Weiterverarbeitung eines oder mehrerer solcher Bilder besteht die Möglichkeit, die Partikel hinsichtlich Größe und Form zu charakterisieren und diese Information allein oder als Ergänzung zur Beugungsinformation zu verwenden. Dabei kann die Meßzone für Beugung und Bildverarbeitung identisch gewählt werden. So ist es möglich, z. B. extrem große Partikel zu ver­ messen, für welche die kleinen Beugungswinkel nicht mehr auf­ lösbar wären.

Erfindungsgemäß ersetzt der Lichtleiter zusammen mit der jeweiligen Einkoppelung das Raumfilter, und entkoppelt die Lichtquellen mechanisch von der Meßstrahlkollimation (= Parallelrichtung). Partikelgrößen oder Partikelgrößen­ verteilungen von ausgedehnten Partikelkollektiven, wie sie bevorzugt bei der Erzeugung von Feststoffaerosolen oder Sprays auftreten, können so mit einer vergleichsweise kleinen Meßvor­ richtung bis hin zu kleinsten Partikelgrößen vermessen werden. Die zur Meßbereichsveränderung erforderliche Vergrößerung oder Verkleinerung des Abstandes des Austrittsenders des Licht­ leiters von der Kollimatorlinse kann auf verschiedene bekannte Weisen vorgenommen werden. Durch die Verwendung mehrerer Licht­ quellen werden Auflösung und Meßbereich vergrößert. Eine Bild­ verarbeitung zur Charakterisierung bewegter Partikel kann in die Meßanordnung integriert werden.

Aufführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt:

Fig. 1 Aufbau des Lichtstrahlverlaufs in einer bekannten Meßvorrichtung zur Bestimmung der Partikelgrößenver­ teilung mittels Laserbeugung;

Fig. 2 Skizze zur Verdeutlichung des Zusammenhanges zwischen Arbeitsabstand z der Partikel von einer Fourieroptik und dem Meßstrahldurchmesser w;

Fig. 3 Einkoppelung eines Laserlichtstrahls in einen Licht­ leiter nach der Erfindung;

Fig. 4 Einleitung des aus einem Lichtleiter austretenden Lichts in eine Kollimatorlinse zur Erzeugung eines parallelen Meßlichtstrahls bestimmten Durchmessers;

Fig. 5 Strahlkollimation für mehrere Meßstrahldurchmesser;

Fig. 6 Strahlkollimation für mehrere Lichtquellen;

Fig. 7 Meßvorrichtung mit zwei Lichtquellen und zwei Strahl­ kollimatoren.

Gegenüber den herkömmlichen Standardaufweiteoptiken 2 für Laser, die nach Fig. 1 aus einer Sammellinse 3, einer im Brennpunkt angeordneten Blende 4 und einer Kollimatorlinse 5 bestehen, ist erfindungsgemäß die Blende durch einen Monomode­ glasfaser-Lichtleiter 24 ersetzt, der einlaßseitig von einer Aufnahmeplatte 19 gehalten ist. Solche Glasfasern bestehen üblicherweise aus einem sehr engen, optisch aktivem Kern mit ca. 4 µm Durchmesser, der von einem optisch inaktiven Mantel mit ca. 100 µm Durchmesser umgeben ist. Sie sind hochflexibel, von geringer Dämpfung und in nahezu beliebigen Längen verfüg­ bar. Das Licht wird innerhalb der Faser durch Totalreflexion weitergeleitet. Durch die Verwendung der Glasfaser ergibt sich zum einen eine vorteilhafte Entkoppelung zwischen der mit der Lichtquelle verbundenen Einkoppelung einerseits und der mit der optischen Achse der Meßzone verbundenen Auskoppelung anderer­ seits. Position und Lage des Lasers sind über die flexible Anbindung beliebig wählbar und die Gehäuselänge des Meßsystems kann in etwa um die Laserlänge verkürzt ausgeführt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die in Fig. 3 dargestellte Einkoppelung verwendet. Ein Laser 1 emit­ tiert einen parallelen Lichtstrahl mit geringem Durchmesser. Dieser wird mittels einer Sammellinse 3 mit kurzer Brennweite im Abstand der Brennweite dieser Linse in den Kern eines Mono­ modefaser-Lichtleiters 24 eingekoppelt. Durch angepaßte Ver­ gütung der Eintrittsfläche der Faser wird dafür Sorge getragen, daß ein großer Teil des Laserlichtes in die Faser eingekoppelt wird. Da der Durchmesser des Kerns sehr klein ist, ist eine Justageeinrichtung erforderlich, die die Eintrittsfläche des Faserkerns mit dem Brennpunkt der Linse in Übereinstimmung bringt. Dazu ist eine zweistufige Verstelleinrichtung vorge­ sehen. Zunächst wird die Faser über eine x/y-Verschiebeein­ richtung grob justiert, anschließend wird zur Feinjustage die Aufnahmeplatte 19 für den Lichtleiter geringfügig um die Achse 19.1 oder 19.2 geneigt wie dieses durch Pfeile angedeutet ist. Nach erfolgter Justage wird die Position der Aufnahmeplatte 19 durch Feststellschrauben gesichert. Die Größe des Kerndurch­ messers von ca. 4 µm ist erheblich geringer als die Durchmesser der Blendenöffnungen üblicher Raumfilter (ca. 30 µm). Die Kom­ bination Linse/Lichtleiter wirkt daher als verbessertes sehr gutes Raumfilter und blendet unerwünschte Nebenmoden sicher aus.

Am anderen Lichtleiterende tritt das eingekoppelte Licht mit geringfügig durch die Dämpfung verminderter Intensität kegel­ förmig wieder aus. Die Intensität verteilt sich dabei über einen Kegel, dessen Scheitelwinkel durch die Bauart des Licht­ leiters bestimmt ist und etwa 15 Grad beträgt. Die in Fig. 4 dargestellte Kollimatorlinse 5 wird nun so angebracht, daß sich das Austrittsende im vorderen Brennpunkt der Linse befindet, während der Durchmesser des Strahles bis zu der die Intensität auf das 1/e²-fache der Intensität abgefallen ist, nur von der Brennweite der Kollimatorlinse bestimmt ist. Dadurch erhält man einen parallelen Meßlichtstrahl, dessen Gesamtdurchmesser nur von dem Durchmesser der Linsenfassung 15 bestimmt ist, solange sich die gesamte Linse innerhalb des austretenden Lichtkegels des Lichtleiters 24 befindet. Die Strahlkollimation ist die gleiche wie nach einer Strahlaufweitung, wenn der Durchmesser der Austrittslinse größer als der Durchmesser des Eingangs­ strahles gewählt wird.

In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung wählt man das Verhältnis aus Linsendurchmesser und Brennweite so, daß der Arcustangens dieses Wertes etwas kleiner ist als der halbe Scheitelwinkel des austretenden Strahlkegels.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht einen Wechselmechanismus vor, mit dem abwechselnd Kollimatorlinsen mit verschiedenen Öffnungsdurchmessern in solchem Abstand vom Austrittsende des Lichtleiters in den Strahl gebracht werden, daß ihr Brennpunkt jeweils mit dem Faseraustritt zur Deckung kommt. Dadurch können wahlweise verschiedene Meßstrahldurchmesser erzeugt werden, wobei die Gesamtlichtmenge weitgehend gleich bleibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden dabei drei ver­ schiedene Meßstrahldurchmesser dadurch erzeugt, daß wahlweise eine Linse mit kleiner Öffnung, eine Linse mit mittlerer Öffnung und eine Linse mit großer Öffnung in den Strahl ge­ bracht werden. Dabei wurde die Brennweite der Linsen wieder so gewählt, daß die gesamte Linsenfläche durch den austretenden Strahl beleuchtet wird. Die Linsen sind gemeinsam auf einem verschieblichen Schlitten fest montiert, der entlang der Pfeile 35 in Fig. 5 motorisch verschoben werden kann. Das Austritts­ ende des Lichtleiters ist starr auf der optischen Achse gehal­ ten. Die Linsen sind auf dem Schlitten so ausgerichtet, daß, wenn man den Schlitten gegen einen hinteren Anschlag fährt, die Linse 5′ mit ihrem Brennpunkt in die Stirnfläche des Lichtlei­ ters zu liegen kommt. Fährt der Schlitten gegen einen vorderen Anschlag, so kommt die Linse 5′′ mit ihrem Brennpunkt in die Lichtleiterstirnflächen zu liegen. Schließlich kann durch z. B. einen Hubmagneten der Fahrweg gegen den vorderen Anschlag so verkürzt werden, daß die Linse 5 mit ihrem Brennpunkt in die Lichtleiterstirnfläche zu liegen kommt. Somit lassen sich wahlfrei die Strahldurchmesser A, B, und C erzeugen.

Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung des Motors durch eine Steuereinrichtung, die mittels Reflektionslichtschranken eine an den Fourier-Optiken angebrachte, eindeutig den Meßbereich charakterisierende Markierung ausliest und durch ein geeignetes Programm den zugehörigen Strahldurchmesser einstellt.

In einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung ist zwischen dem Lichtaustrittsende und der Linse oder der Licht­ quelle und dem Eintrittsende des Lichtleiters eine verschieb­ liche Blende angebracht, die den Strahlaustritt unterbricht. Wegen des geringen Strahldurchmessers sind nur kleine Verschie­ bewege der Blende erforderlich. Damit kann auf einfache Weise ein Laser-Shutter realisiert werden, der zum Personenschutz den Lichtstrahl zur Meßzone unterbricht, wenn nicht gemessen wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die gesamte Anordnung aus Fig. 5 in einem hermetisch geschlossenem Gehäuse untergebracht, das für den austretenden Lasermeßstrahl mit einem Fenster versehen ist. Die Anordnung ist dadurch gegen das Eindringen von Staub wirksam geschützt.

Eine der vorstehend beschriebenen Strahlaufweitungen kann dadurch erweitert werden, daß statt einer Lichtquelle nunmehr zwei, wie in Fig. 6 gezeigt, oder mehrere Lichtquellen über getrennte Monomodefaserlichtleiter dem Brennpunkt der Kolli­ matorlinse 5 zugeführt werden. Diese werden dazu im Austritt unmittelbar nebeneinander angeordnet. Wegen des geringen Durchmessers der Lichtleiter ist die Abweichung des erzeugten Strahles von der optischen Achse sehr gering. Der Winkel entspricht dem Arcustangens aus halbem Faserdurchmesser geteilt durch die Brennweite. Dadurch kann bei Wechsel zwischen den Lichtquellen auf eine erneute Ausrichtung des Fotodetektors auf die optische Achse in der Regel verzichtet werden.

In einer anderen Meßvorrichtung werden mehrere Laser unter­ schiedlicher Wellenlänge über jeweils eigene Lichtleiter mit eigenen Einkoppelungen zur Strahlaufweitung vor einer einzigen Kollimatorlinse eingesetzt. Die Laser können über in die Strahleinkoppelung integrierte Laser-Shutter zeitgleich oder nacheinander betrieben werden, so daß der Fotodetektor die Beugungsinformation des Partikelkollektives zeitgleich oder nacheinander für verschiedene Wellenlängen empfangen kann. Durch geeignete Wahl der Wellenlängen kann der Meßbereich vergrößert werden. So verschieben größere Wellenlängen den Meßbereich zu größeren Partikeln, kleinere Wellenlängen zu kleineren Partikeln. Sind die Wellenlängen nicht um ganzzahlige Vielfache verschieden, ergibt sich durch Vergleich der Detek­ torsignale für verschiedene Wellenlängen eine Erhöhung der Anzahl der ausgegebenen Partikelgrößenklassen.

In einer weiteren Ausführungsform wird für eine oder mehrere Lichtquellen der Laser durch eine Lampe ersetzt, die Licht breitbandig oder eingeengt durch vorgeschaltete Filter schmal­ bandig emittiert. Gemäß Fig. 7 besteht die Möglichkeit, Licht­ beugung mit Streulichtmessungen zur Partikelgrößenanalyse zu kombinieren, wobei das beleuchtete Partikelkollektiv unabhängig von der beleuchtenden Lichtquelle ist, d. h. man erhält die Beugungsinformationen und Streulichtinformationen von denselben Partikeln.

In einer anderen Ausführung ist eine der beleuchtenden Licht­ quellen als Pulslaser oder Blitzlichtlampe ausgeführt. Dadurch wird das Partikelkollektiv sehr kurzzeitig extrem stark be­ leuchtet. Innerhalb der kurzen Zeitspanne (bei Pulslasern typisch 10 ns), bewegen sich die Partikel bei üblichen Parti­ kelgeschwindigkeiten von deutlich weniger als 100 m/s bezogen auf ihren Durchmesser nur um eine sehr kurze Strecke weiter (im Vorstehenden Beispiel 1 µm). Für Partikel ab etwa 10 µm erhält man dadurch ein Standbild, das über eine Abbildungsoptik in Strahlrichtung oder unter einem Winkel dazu dazu erfaßt und auf die Aufnahmefläche einer TV-Kamera, z. B. einer CCD-Kamera, abgebildet wird. Die Kamera wandelt dieses Bild in elektrische Signale um, die der Helligkeit der Bildelemente entsprechen. Wird die Blendenöffnungszeit der Kamera mit dem Beleuchtungs­ puls synchronisiert, erfaßt die Kamera ein Standbild des Partikelkollektives. Durch ein nachgeschaltetes Auswerteverfah­ ren können die Partikel identifiziert und in Größe und Form analysiert werden. Zur Verbesserung der Statistik kann das Verfahren für mehrere aufeinanderfolgende Lichtpulse wiederholt werden.

Die Auswertung der vom Fotodetektorfeld erzeugten Meßsignale zur Errechnung der Partikelgrößen oder Partikelgrößenverteilung kann in einer an sich bekannten Auswerteeinrichtung, z. B. einem programmierbaren Computer, auf bekannte Weise mit bekannten Algorithmen erfolgen, weshalb auf eine nähere Beschreibung ver­ zichtet ist.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Bestimmung von Partikelgrößen und/oder Partikelgrößenverteilungen mit mindestens einer Laserlichtquelle (1),
einer Beleuchtungseinheit (2) mit einer Kollimatorlinse (5) zur Erzeugung eines parallelen Meßlichtstrahls (6) hoher Kohärenz aus dem von der Laserlichtquelle abgegebenen Licht,
einem als Monomodefaser ausgebildeten Lichtleiter (24), auf dessen aktivem Kern am Eintrittsende das von der Laserlicht­ quelle abgegebene Licht eingekoppelt wird und dessen Austrittsende (25) im Brennpunkt der Kollimatorlinse (5) angeordnet ist und dessen Austrittslichtkegel (26) auf die Kollimatorlinse fällt,
einer Einrichtung (7) zur Zuführung einer dispersen Partikel­ probe (9) in eine Meßzone (8) des parallelen Meßlichtstrahls, einer Abbildungseinrichtung (14), die die an den Partikeln gebeugte Meßlichtstrahlung auf ein in der Brennebene der Abbildungseinrichtung angeordnetes Feld von Fotodetektoren (16) abbildet, und
einer Auswertmeßeinrichtung (20) zur Errechnung von Partikel­ größen oder Partikelgrößenverteilungen aus den aufgrund der Intensitätsverteilung des Beugungsspektrums von den Fotodetek­ toren erzeugten elektrischen Meßsignalen,
dadurch gekennzeichnet, daß der freie Durchmesser der Kollimatorlinse (5) dem Durchmesser des Austrittslichtkegels an der Stelle des Auftreffens auf die Kollimatorlinse etwa gleicht, und daß zur Erzeugung unterschiedlicher Meßstrahldurchmesser wahlweise Kollimatorlinsen (5, 5′, 5′′) unterschiedlicher Brennweite und unterschiedlichen freien Durchmessers vor das Austrittsende eines Lichtleiters (24) bringbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht mehrerer Lichtquellen einzeln über an ihrem kol­ limatorseitigen Ende zusammengeführte Lichtleiter (24) vor einer gemeinsam genutzten Kollimatorlinse (5) an diese abgebbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine oder mehrere andere Lichtquellen (31) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Lichtleiter (24) als Monomodefaser ausge­ bildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (1) auf den aktiven Kernbereich des Lichtleiters (24) gebündelt wird (mittels Sammellinse 3).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht mehrerer Lichtquellen einzeln über an ihrem kol­ limatorseitigen Ende zusammengeführte Lichtleiter (24) vor einer gemeinsam genutzten Kollimatorlinse (5) an diese abgebbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine oder mehrere andere Lichtquellen (31) vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle das Licht blitzartig abgibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine zusätzliche Abbildungsvorrichtung das Bild der angeblitzten Partikel mittels einer Kamera erfaßbar ist.