DE19700379A1

DE19700379A1 - Verfahren zur Einstellung der optischen Achse einer Meßvorrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels des Streueffekts

Info

Publication number: DE19700379A1
Application number: DE1997100379
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Igushi; Yoshiaki Togawa
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1996-01-11
Filing date: 1997-01-08
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2017-01-09
Also published as: JP3258889B2; JPH09189653A; DE19700379B4

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einstellung der optischen Achse einer Meßvorrichtung zur Messung der Teilchengrößen verteilung mittels des Streueffekts. Durch eine solche Meßvorrichtung wird eine Probe mit dem Licht einer Lichtquelle bestrahlt. Danach beauf schlagt das gestreute Licht über eine Kondensorlinse einen Photodetek tor. Die Teilchengrößenverteilung der Probe wird auf Grundlage des In tensitätsmusters des gestreuten Lichts gemessen.

Beschreibung des Standes der Technik

Die Fig. 4 zeigt ein Schaubild der wichtigsten Baugruppen einer herkömmlichen Meßvorrichtung zur Messung der Teilchengrößenvertei lung mittels des Streueffekts. Hier stellt das Bezugszeichen 1 eine Laser röhre dar, die einen Laserstrahl 2 ab strahlt, das Bezugszeichen 3 einen Strahlaufweiter, der den Laserstrahl 2 wie gewünscht aufweitet, das Bezugszeichen 4 einen Probenbehälter, der die Probe 5 aufnimmt, das Bezugszeichen 6 eine Kondensorlinse, die hinter dem Probenbehälter 4 angebracht ist, das Bezugszeichen 7 einen Photodetektor, der Photo dioden zur Detektion von Licht enthält, das über die Kondensorlinse 6 gestreut wurde. Das Bezugszeichen 8 stellt einen Multiplexer zur Aufnahme von Signalen des Photodetektors 7 dar und das Bezugszeichen 9 eine CPU, die Signale vom Multiplexer 8 empfängt und auf Grundlage der Intensitäts muster des gestreuten Lichts Berechnungen durchführt, um die Teilchen größenverteilung zu bestimmen.

Bei der Meßvorrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels des Streueffekts wird die Probe 5 in dem Probenbehälter 4 gehal ten und mit dem Laserstrahl 2 bestrahlt. Ein Teil des Laserstrahls 2 bestrahlt die Teilchen der Probe 5 innerhalb des Probenbehälters 4 und wird dadurch zu gestreutem Licht 10. Der Rest des Lichts verläuft zwischen den einzelnen Teilchen hindurch und wird dadurch zu durch gehendem Licht 11. Sowohl das gestreute Licht 10 als auch das durch gehende Licht 11 erreichen den Photodetektor 7 über die Licht-Konden sorlinse 6.

In dieser Meßvorrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels des Streueffekts muß die optische Achse der Laserröhre 1 genau mit der des Photodetektors 7 übereinstimmen. Unterliegt die Laserröhre thermischen Verformungen oder verformt sich eine nicht gezeigte Monta gebank, auf die der Probenbehälter 4, die Linse 6, der Photodetektor etc. angeordnet sind, durch Wärme oder wird der Probenbehälter 4 aus getauscht, so kann sich eine Abweichung der beiden optischen Achsen voneinander ergeben.

Um die optischen Achsen zur Übereinstimmung zu bringen und somit eine optische Achse der Meßvorrichtung einzustellen ist in einer herkömmlichen Meßvorrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels des Streueffekts in der Mitte 7A der optischen Achse des Photodetektors 7 zum Beispiel ein viergeteilter und Photodioden enthaltender Lichtemp fangsbereich 12 angeordnet, wie in der Fig. 5 gezeigt. Die Position des Photo detektors 7 wird so eingestellt, daß von den vier lichtempfangenden Elementen 12a-12d, die den Lichtempfangsbereich 12 zur Justierung der optischen Achse bilden, jeweils ein gleicher Betrag der ausgegebenen Intensitätssignale erhalten wird, wodurch die optische Achse der Meßvor richtung eingestellt wird.

In der Fig. 5 wird durch das Bezugszeichen 13 einen Meßbereich zur Feststellung von gestreutem Licht dargestellt, der eine Mehrzahl lichtempfangender Elemente 13a, 13b, 13c, . . . 13n für gestreutes Licht enthält, die konzentrisch um den Lichtempfangsbereich 12 zur Einstellung der optischen Achse angebracht sind. Das Bezugszeichen 14 stellt Isolationslücken dar, die zwischen den lichtempfangenden Elemen ten 13a bis 13n für gestreutes Licht vorhanden sind.

Um die oben beschriebene Justierung der optischen Achse durchführen zu können, muß der Lichtempfangsbereich 12 so ausgelegt sein, daß sein Radius größer oder gleich der Abweichung des von der Laserröhre 1 abgestrahlten Laserstrahls ist. Weicht der Laserstrahl zum Beispiel maxi mal 100 µm ab, so muß der Inkreisradius des Lichtempfangsbereichs 12 mindestens 100 µm groß sein, um die Abweichung messen zu können.

Wird bei einer solchen Meßvorrichtung zur Messung der Teilchengrößen verteilung mittels des Streueffekts der Durchmesser eines Teilchens größer, so wird der Winkel des dadurch gestreuten Lichts mit der opti schen Achse kleiner. Deshalb ist es nötig, einen Meßbereich 13 zur Fest stellung des gestreuten Lichts nahe an der Mitte 7A der optischen Achse anzubringen. Hat der zur Einstellung der optischen Achse dienende Licht empfangsbereich 12 eine wie oben beschriebene signifikante Größe, so kann ein lichtempfangendes Element 13a für gestreutes Licht etc. nicht in der Nähe der Mitte 7A der optischen Achse angebracht werden. Dadurch er gibt sich eine bestimmte Begrenzung bei der Messung großer Partikel.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Einstellung der optischen Achse einer Meßvorrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels des Streueffekts (nachfolgend der Einfachheit halber mit "Einstellverfahren für die optische Achse" bezeichnet) anzugeben, durch das die optische Achse auch dann genau eingestellt werden kann, wenn die das gestreute Licht empfangenden Elemente genügend nahe an der Mitte der optischen Achse des Photo detektors angebracht sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Einstellung der optischen Achse ei ner Meßvorrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels des Streueffekts, wobei die optische Achse eine Lichtquelle mit der Mitte eines Photode tektors verbindet, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht in die optische Achse eingebracht wird und die optische Achse auf Grundlage des durch dieses Mittel erzeugten gebeugten oder gestreuten Lichts eingestellt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgestellten Patentan sprüchen definiert.

Wird die Einstellung auf Grundlage der Lichtintensität des gebeugten oder gestreuten Lichts durchgeführt, so kann die Genauigkeit der Position der optischen Achse durch eine solche Feineinstellung der opti schen Achse weiter verbessert werden, die das durch die Kondensorlinse kondensierte und auf den in der Mitte des Photodetektors angebrachten Detektor einfallende Licht maximiert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen in einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Meßvorrichtung zur Messung der Teilchengrößen verteilung mittels des Streueffekts, bei der das erfindungsgemäße Verfahren zur Einstellung der optischen Achse angewandt werden kann;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften Mittels zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht, das bei dem erfindungsgemäßen Einstellverfahren für die optische Achse verwendet wird;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des planaren Aufbaus des Photodetektors der Meßvorrichtung zur Messung der Tellchengrößenverteilung mittels des Streueffekts, die nach den erfindungsgemäßen Einstellverfahren einge stellt werden kann;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer herkömmlichen Meßvorrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels des Streueffekts; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung des planaren Aufbaus des Photodetektors der herkömmlichen Meßvorrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels des Streueffekts.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

In bezug auf die Zeichnungen wird eine Ausführungsform, bei der das erfindungsgemäße Verfahren Verwendung finden kann nachfolgend detail liert beschrieben. Baugruppen mit gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 4 und 5 haben die gleiche Funktion und werden nachfolgend nicht näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt den Aufbau der Meßvorrichtung zur Messung der Teilchen größenverteilung mittels des Streueffekts, deren optische Achse nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingestellt werden kann. Diese Meß vorrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels des Streu effekts ist im wesentlichen gleich zu der in Fig. 4 gezeigten; sie weicht im wesentlichen dadurch ab, daß ein Mittel 15 zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht zur Einstellung der optischen Achse in den opti schen Weg von der Laserröhre 1 und der Kondensorlinse 6 angeordnet ist und darin, daß das durch dieses Mittel 15 zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht erzeugte gebeugte oder gestreute Licht von dem Photodetektor 16 detektiert wird. Dieses wird nachfolgend detaillierter beschrieben.

Die Fig. 2 zeigt ein Beispiel für das Mittel 15 zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht, wobei in dieser Zeichnung das Referenzzeichen 17 eine lichtundurchlässige dünne Platte bezeichnet, in deren ungefährer Mitte ein feines Loch 18 gebildet ist.

Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel des planaren Aufbaus des Photodetektors 16, wobei in dieser Zeichnung das Referenzzeichen 19 ein Detektor zur Kontrolle von Ausgangssignalen ist, der in der Mitte 0 der optischen Achse des Photodetektors 16 angebracht und mit einem lichtempfindlichen Bereich versehen ist, der gleich zum Strahldurchmesser des Laserstrahls 2 ist. Das Referenzzeichen 20 stellt einen Meßbereich zur Feststellung von gestreutem Licht dar, der eine Mehrzahl lichtempfangender Elemente 20a-20n enthält, die fächerförmig und konzentrisch mit einem Ausdeh nungswinkel von 90° von der Mitte 0 der optischen Achse (Detektor 19 zur Kontrolle des Ausgangssignals) her angebracht sind. Das Referenzzeichen 21 stellt Isolationslücken zwischen den lichtempfangenden Elementen 20a-20n für gestreutes Licht dar. Die Referenzzeichen 22a-22d zeigen De tektoren für gebeugtes oder gestreutes Licht, die zur Kontrolle des Ausgangs signals um den Detektor 19 herum angebracht sind und sich nicht mit den lichtempfangenden Elementen 20a-20n überlappen. In dem dargestellten Beispiel sind sie so angebracht, daß sie den Umfang gleichmäßig auf teilen.

Bei der Meßvorrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels des Streueffekts wird zur Messung der Teilchengrößenverteilung der Probe 5 ein Laserstrahl 2 von der Laserröhre 1 auf die sich in dem Probenbehälter 4 befindliche Probe 5 abgestrahlt. In diesem Fall bewegt sich das Mittel 15 zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht in die Richtung des Pfeils U, der in der Fig. 1 dargestellt ist, und befindet sich demnach nicht im optischen Weg, um eine Beeinflussung der Messung zu verhindern. Die sich in der Probe 5 innerhalb des Probenbehälters 4 befindlichen Teilchen werden mit einem Teil des Laserstrahls 2 bestrahlt, der zu gestreutem Licht 10 wird. Der Rest des Lichts läuft zwischen den Teilchen hindurch und wird zu durchgehendem Licht 11. Sowohl das gestreute Licht 10 als auch das durchgehende Licht 11 erreichen den Photodetektor 16 über die Kondensorlinse 6. Das so erhaltene Ausgangs signal des Photodetektors 16 wird über einen Multiplexer 8 an die CPU 9 geleitet, die durch Berechnungen auf der Grundlage des Intensitäts musters des gestreuten Lichts die Teilchengrößenverteilung bestimmen kann.

Im Fall der Einstellung der optischen Achse wird das Mittel 15 zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht in Richtung des Pfeils V bewegt und befindet sich demnach zwischen dem Strahlausweiter 3 und dem Probenbehälter 4. Wird der Laserstrahl 2 nun in Richtung des Probenbehälters abgestrahlt, so wird gebeugtes oder gestreutes Licht erzeugt, das durch die folgende Fraunhofer Diffraktion 1 angenähert wird:

I = I₀ (J₁ (x)/x)²
x = 2πrs/λf,

wobei
λf: Wellenlänge
r: Radius des feinen Lochs
s: Position des Detektors
J₁: Primäre Besselfunktion
I₀: Lichtintensität des einfallenden Lichts.

In diesem Fall wird der Durchmesser des feinen Lochs 18, das in der dünnen Platte 17 vorhanden ist, so gesetzt, daß das gebeugte oder gestreute Licht, das durch das Mittel 15 zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht erzeugt wurde, auf jedem Detektor 22 für gebeugtes oder gestreutes Licht des Photodetektors 16 auftrifft. Anschließend wird die Position des Photodetektors 16 so verändert, daß die Ausgangssignale der vier Detektoren 22 für gebeugtes oder gestreutes Licht gleich werden. Diese Position, in der die Ausgangssignale jedes der Detektoren 22 für gebeugtes oder gestreutes Licht gleich sind, wird bestimmt und der Photo detektor 16 wird in dieser Position fixiert. Zum Beispiel sollte das feine Loch 18 einen Durchmesser von 320 µm aufweisen, wenn eine Lichtinten sität von 1/2 der maximalen Intensität des gebeugten oder gestreuten Lichts an der 50 µm-Position vorhanden sein soll. In diesem Fall dehnt sich das gebeugte oder gestreute Licht auf einen Radius von 820 µm aus. Demzufolge kann eine Abweichung der optischen Achse des Laserstrahls 2 innerhalb dieses Bereichs eingestellt werden.

Wie aus der Fig. 3 hervorgeht, sind die lichtempfangenden Elemente 22a-22d, die den Detektor 22 für gebeugtes oder gestreutes Licht bilden, in Positionen angebracht, in denen sie sich nicht mit den lichtempfangenden Elementen 20a-20n des Meßbereichs 20 zur Detektion des gestreuten Lichts überlappen. Zusätzlich sind sie so angebracht, daß mindestens ein Element (in diesem Fall 20a) des Meßbereichs 20 zur Feststellung des gestreuten Lichts extrem nahe an der Mitte 0 der optischen Achse des Photodetektors 16 angebracht ist. Demzufolge können Teilchen mit einem großen Durchmesser zufriedenstellend gemessen werden, da die lichtempfangenden Elemente des Meßbereichs 20 zur Feststellung des gestreuten Lichts sehr nahe an der Mitte 0 der optischen Achse ange bracht werden können. Diese Messung konnte bisher nicht zufrieden stellend durchgeführt werden.

Es ist festzustellen, daß die Erfindung nicht auf die obige Ausführungs form begrenzt ist, und daß verschiedene Veränderungen und Modifi kationen durchgeführt werden können, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann als Mittel 15 zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht ein lichtdurchlässiges Bauteil verwendet werden, auf dem ein lichtundurchlässiger Bereich mit einem kleinen Durchmesser gebildet ist.

Das Mittel 15 zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht kann auch durch einen geeigneten Mechanismus automatisch in den optischen Weg eingefügt oder daraus herausgenommen werden. Weiter kann das Mittel 15 zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht an jeder Stelle im optischen Pfad angeordnet sein, die sich zwischen der Laserröh re 1 und der Kondensorlinse 6 befindet.

Das Verfahren zur Einstellung der optischen Achse ist für Meßvorrichtungen zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels des Streueffekts geeignet, bei denen der Probenbehälter 4 nicht entfernt werden kann, da das Mittel 15 zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht so ausgebildet ist, daß es zusammen mit dem Proben behälter im optischen Pfad vorhanden sein kann. Anstelle dieses Vor gehens kann der Probenbehälter 4 auch aus dem optischen Weg entfernt werden und das Mittel 15 zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht kann dafür eingefügt werden.

Die Anzahl der lichtempfangenden Elemente, die den auf dem Photo detektor 16 vorhandenen Detektor 22 für gebeugtes oder gestreutes Licht bilden, kann auch unterschiedlich zu vier sein. Hier sind wenigstens drei lichtempfangende Elemente nötig, da mittels des Laserstrahls 2 die Rich tungsabweichung detektiert und korrigiert wird, die in der Fig. 3 mit den Pfeilen X und Y dargestellt ist, also eine zweidimensionale Richtungsab weichung. Geeigneterweise ist es erwünscht, die lichtempfangenden Ele mente konzentrisch um die Mitte 0 des Photodetektors, also der optischen Achse, anzuordnen.

Zusätzlich kann in den verschiedenen Verfahren zur Einstellung der optischen Achse, die zuvor beschrieben wurden, eine Feineinstellung der optischen Achse so erfolgen, daß der durch die Kondensorlinse 6 kondensierte Laserstrahl maximiert wird, wodurch die Genauigkeit der Position der optischen Achse weiter verbessert wird.

Es braucht nicht erwähnt zu werden, daß dieses Verfahren zur Einstel lung der optischen Achse auch bei Meßvorrichtungen zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels des Streueffekts eingesetzt werden kann, die nicht einen Laserstrahl 2 sondern andere Lichtstrahlen verwenden.

Die Erfindung kann in der oben beschriebenen Weise ausgeführt werden, wobei sie die folgenden vorteilhaften Eigenschaften erzielt:

Im Vergleich mit herkömmlichen Meßvorrichtungen können die lichtemp fangenden Elemente des Meßbereichs zur Feststellung des gestreuten Lichts in Positionen näher an der Mitte der optischen Achse des Photo detektors angeordnet werden, wodurch Teilchen mit einem größeren Durchmesser gemessen und Teilchenverteilungen mit einem größeren Meßbereich gleichzeitig gemessen werden können.

Claims

1. Verfahren zur Einstellung der optischen Achse einer Meßvorrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels des Streueffekts, wobei die optische Achse eine Lichtquelle (1) mit der Mitte (0) eines Photodetektors (16) verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel (15) zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht in die optische Achse eingebracht wird und die optische Achse auf Grundlage des durch dieses Mittel (15) erzeugten gebeugten oder gestreuten Lichts eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Lichtstrahl (2) der Lichtquelle (1) über eine Kondensorlinse (6) auf den Photodetektor (16) einfällt;
das Mittel (15) zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht in der optischen Achse vorhanden ist;
mindestens drei Detektoren (22a-22d) für gebeugtes oder gestreutes Licht so gleichmaßig um die Mitte (0) des Photodetektors (16) angeordnet und am Photo detektor (16) befestigt sind, daß sie nicht mit einem auf dem Photodetektor (16) vorhandenen Meßbereich (20) zur Detektion der Teilchengrößenverteilung über lappen; und
die optische Achse eingestellt wird, indem die Position entweder des Photo detektors (16) oder der Lichtquelle (1) so verändert wird, daß das Ausgangssignal jedes der Detektoren (22a-22d) für gebeugtes oder gestreutes Licht gleich wird, wenn sie von dem gebeugten oder gestreuten Licht beaufschlagt werden, das von der Lichtquelle (1) durch das Mittel (15) zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Lichtstrahl (2) der Lichtquelle (1) auf eine Probe (5) abgestrahlt wird, wobei das dadurch gestreute Licht (10) über eine Kondensorlinse (6) auf den Photo detektor (16) einfällt;
das Mittel (15) zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht in der optischen Achse vorhanden ist während eine Messung der Teilchengrößen verteilung der Probe (5) durch das aufgrund des von den Teilchen der Probe (5) gestreuten Lichts (10) erhaltene Intensitätsmuster durchgeführt wird;
mindestens drei Detektoren (22a-22d) für gebeugtes oder gestreutes Licht so gleichmäßig um die Mitte (0) des Photodetektors (16) angeordnet und am Photo detektor (16) befestigt sind, daß sie nicht mit einem auf dem Photodetektor (16) vorhandenen Meßbereich (20) zur Detektion der Teilchengrößenverteilung über lappen; und
die optische Achse eingestellt wird, indem die Position entweder des Photo detektors (16) oder der Lichtquelle (1) so verändert wird, daß das Ausgangssignal jedes der Detektoren (22a-22d) für gebeugtes oder gestreutes Licht gleich wird, wenn sie von dem gebeugten oder gestreuten Licht beaufschlagt werden, das von der Lichtquelle (1) durch das Mittel (15) zur Erzeugung von gebeugtem oder gestreutem Licht erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel (15) zur Erzeugung des gebeugten oder gestreuten Lichts ein feines Loch (18) in einer lichtundurchlässigen dünnen Platte (17) gebildet ist, das im Lichtweg angeordnet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel (15) zur Erzeugung des gebeugten oder gestreuten Lichts ein licht undurchlässiger Bereich mit einem kleinen Durchmesser auf einer lichtdurch lässigen dünnen Platte gebildet ist, der im Lichtweg angeordnet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal eines Detektors (19), der in der Mitte (0) des Photodetek tors (16) angebracht ist, maximiert wird, indem die Position der Lichtquelle (1) oder des Photodetektors (16) so verändert wird, daß das gesamte von der Kondensor linse (6) übertragene nicht von den Teilchen der Probe (5) gestreute und nicht von dem Mittel (15) gebeugte oder gestreute durchgehende Licht (11) des Lichtstrahls (2) auf ihn einfällt.