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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Einstellung der optischen Achse einer Messvorrichtung
zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels
des Streueffekts. Durch eine solche Messvorrichtung wird eine Probe
mit dem Licht einer Lichtquelle bestrahlt. Danach beaufschlagt das
gestreute Licht über
eine Kondensorlinse einen Photodetektor. Die Teilchengrößenverteilung
der Probe wird auf Grundlage des Intensitätsmusters des gestreuten Lichts
gemessen.
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Die 4 zeigt
ein Schaubild der wichtigsten Baugruppen einer herkömmlichen
Messvorrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels des Streueffekts.
Dabei sind vorgesehen eine Laserröhre 1, die einen Laserstrahl 2 abstrahlt,
ein Strahlaufweiter 3, der den Laserstrahl 2 wie
gewünscht
aufweitet, ein Probenbehälter 4,
der eine Probe 5 aufnimmt, eine Kondensorlinse 6,
die hinter dem Probenbehälter 4 angebracht
ist, und ein Photodetektor 7, der Photodioden zur Detektion
von Licht enthält, das über die
Kondensorlinse 6 gestreut wurde. Ein Multiplexer 8 nimmt
Signale des Photodetektors 7 auf, und eine CPU 9 empfängt die
Signale vom Multiplexer 8 und führt auf Grundlage der Intensitätsmuster
des gestreuten Lichts Berechnungen durch, um die Teilchengrößenverteilung
zu bestimmen.
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Bei der Messvorrichtung zur Messung
der Teilchengrößenverteilung
mittels des Streueffekts wird die Probe 5 in dem Probenbehälter 4 gehalten 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 durchgehendem
Licht 11. Sowohl das gestreute Licht 10 als auch
das durchgehende Licht 11 erreichen den Photodetektor 7 über die
Licht-Kondensorlinse 6.
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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
Montagebank, auf die der Probenbehälter 4, die Linse 6,
der Photodetektor etc. angeordnet sind, durch Wärme oder wird der Probenbehälter 4 ausgetauscht,
so kann sich eine Abweichung der beiden optischen Achsen voneinander
ergeben.
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Um die optischen Achsen zur Übereinstimmung
zu bringen und somit eine gemeinsame 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 Lichtempfangsbereich 12 angeordnet,
wie dies in der 5 gezeigt
wird. Die Position des Photodetektors 7 wird so eingestellt,
dass von 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 Messvorrichtung eingestellt
wird.
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In der 5 wird
durch das Bezugszeichen 13 ein 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 Elementen 13a bis 13n für gestreutes
Licht vorhanden sind.
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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 maximal 100 μm ab, so
muss der innere Kreisradius des Lichtempfangsbereichs 12 mindestens
100 μm groß sein,
um die Abweichung messen zu können.
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Wird bei einer solchen Messvorrichtung
zur Messung der Teilchengrößenverteilung
mittels des Streueffekts der Durchmesser eines Teilchens größer, so
wird der Winkel des dadurch gestreuten Lichts mit der optischen
Achse kleiner. Deshalb ist es nötig,
den Messbereich 13 zur Feststellung des gestreuten Lichts
nahe an der Mitte 7A der optischen Achse anzubringen. Hat
der zur Einstellung der optischen Achse dienende Lichtempfangsbereich 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 ergibt sich eine bestimmte Begrenzung
bei der Messung großer
Partikel.
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Im einzelnen ist in
JP 5-273114 A eine Messvorrichtung
zur Bestimmung der Korngrößenverteilung
beschrieben, bei der ein erstes Lichtempfangselement im Abstand
von zweiten Lichtempfangselementen umgeben ist, wobei sich an eines
der zweiten Lichtempfangselemente noch eine Lichtempfangselementgruppe
anschließt.
Streulicht wird durch das zweite Lichtempfangselement empfangen,
und die Stärke
des Streulichtes kann über
den üblichen
Bereich hinaus mittels der Lichtempfangselementgruppe festgestellt
werden.
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Der Erfindung liegt 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
sehr nahe an der Mitte der optischen Achse des Photodetektor angebracht
sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Patentanspruch
1 angegeben.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den dem unabhängigen
Patentanspruch 1 nachgestellten Patentansprüchen definiert.
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Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden
nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen in einer beispielsweisen
Ausführungsform
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer beispielhaften Messvorrichtung zur
Messung der Teilchengrößenverteilung
mittels des Streueffekts, bei der das erfindungsgemäße Verfahren
zur Einstellung der optischen Achse angewandt werden kann;
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2 eine
perspektivische Darstellung eines beispielhaften Mittels zur Erzeugung
von gebeugtem Licht, das bei dem erfindungsgemäßen Einstellverfahren für die optische
Achse verwendet wird;
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3 eine
schematische Darstellung des planaren Aufbaus des Photodetektors
der Messvorrichtung zur Messung der Teilchengrößen verteilung mittels des Streueffekts,
die nach den erfindungsgemäßen Einstellverfahren
eingestellt werden kann.
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4 eine
schematische Darstellung des Aufbaus einer herkömmlichen Messvorrichtung zur Messung
der Teilchengrößenverteilung
mittels des Streueffekts; und
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5 eine
schematische Darstellung des planare Aufbaus des Photodetektors
der herkömmlichen
Messvorrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung mittels des Streueffekts.
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In Bezug auf die Zeichnungen wird
eine Ausführungsform,
bei der das erfindungsgemäße Verfahren
Verwendung finden kann, nachfolgend detailliert beschrieben. Baugruppen
mit gleichen Bezugszeichen wie in den 4 und 5 haben die gleiche Funktion
und werden nachfolgend nicht näher
erläutert.
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Die 1 zeigt
den Aufbau der Messvorrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung
mittels des Streueffekts, deren optische Achse nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
eingestellt werden kann. Diese Messvorrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung
mittels des Streueffekts ist im Wesentlichen gleich zu der in 4 gezeigten; sie weicht
im Wesentlichen dadurch ab, dass ein Mittel 15 zur Erzeugung
von gebeugtem Licht zur Einstellung der optischen Achse in den optischen
Weg von der Laserröhre 1 und
der Kondensorlinse 6 angeordnet ist und darin, dass das
durch dieses Mittel 15 zur Erzeugung von gebeugtem Licht
erzeugte gebeugte Licht von dem Photodetektor 16 detektiert
wird. Dieses wird nachfolgend detaillierter beschrieben.
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Die 2 zeigt
ein Beispiel für
das Mittel 15 zur Erzeugung von gebeugtem Licht, wobei
in dieser Zeichnung das Bezugszeichen 17 eine lichtundurchlässige dünne Platte
bezeichnet, in deren ungefährer Mitte
ein feines Loch 18 gebildet ist.
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Die 3 zeigt
ein Beispiel des planaren Aufbaus des Photodetektors 16,
wobei in dieser Zeichnung das Bezugszeichen 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 Bezugszeichen 20 stellt
ei nen Messbereich zur Feststellung von gestreutem Licht dar, der
eine Mehrzahl lichtempfangender Elemente 20a–20n enthält, die
fächerförmig und
konzentrisch mit einem Ausdehnungswinkel von 90° von der Mitte 0 der
optischen Achse (Detektor 19 zur Kontrolle des Ausgangssignals)
her angebracht sind. Das Bezugszeichen 21 stellt Isolationslücken zwischen
den lichtempfangenden Elementen 20a bis 20n für gestreutes Licht
dar. Die Referenzzeichen 22a bis 22d zeigen Detektoren
für gebeugtes
Licht, die zur Kontrolle des Ausgangssignals um den Detektor 19 herum
angebracht sind und sich nicht mit den lichtempfangenden Elementen 20a bis 20n überlappen.
In dem dargestellten Beispiel sind sie so angebracht, dass sie den Umfang
gleichmäßig aufteilen.
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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 Licht in die Richtung des Pfeils U, der
in der 1 dargestellt
ist, und befindet sich demnach nicht im optischen Strahlengang,
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 Ausgangssignal des Photodetektors 16 wird über einen Multiplexer 8 an
die CPU 9 geleitet, die durch Berechnungen auf der Grundlage
des Intensitätsmusters des
gestreuten Lichts die Teilchengrößenverteilung bestimmen
kann.
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Im Fall der Einstellung der optischen
Achse wird das Mittel 15 zur Erzeugung von gebeugtem 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 Licht erzeugt, das durch die folgende Fraunhofer
Diffraktion I 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
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In diesem Fall wird der Durchmesser
des feinen Lochs 18, das in der dünnen Platte 17 vorhanden ist,
so gesetzt, dass das gebeugte Licht, das durch das Mittel 15 zur
Erzeugung von gebeugtem Licht erzeugt wurde, auf jedem Detektor 22 für gebeugtes Licht
des Photodetektors 16 auftrifft. Anschließend wird
die Position des Photodetektors 16 so verändert, dass
die Ausgangssignale der vier Detektoren 22 für gebeugtes
Licht gleich werden. Diese Position, in der die Ausgangssignale
jedes der Detektoren 22 für gebeugtes Licht gleich sind,
wird bestimmt und der Photodetektor 16 wird in dieser Position
fixiert. Zum Beispiel sollte das feine Loch 18 einen Durchmesser
von 320 μm
aufweisen, wenn eine Lichtintensität von 1/2 der maximalen Intensität des gebeugten
Lichts an der 50 μm-Position
vorhanden sein soll. In diesem Fall dehnt sich das gebeugte Licht
auf einen Radius von 820 μm
aus. Demzufolge kann eine Abweichung der optischen Achse des Laserstrahls 2 innerhalb dieses
Bereichs eingestellt werden.
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Wie aus der 3 hervorgeht, sind die lichtempfangenden
Elemente 22a bis 22d, die den Detektor 22 für gebeugtes
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 angebracht
werden können.
Diese Messung konnte bisher nicht zufriedenstellend durchgeführt werden.
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Es ist festzustellen, dass die Erfindung
nicht auf die obige Ausführungsform
begrenzt ist, und dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen durchgeführt werden
können,
ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
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Zum Beispiel kann als Mittel 15 zur
Erzeugung von gebeugtem Licht ein lichtdurchlässiges Bauteil verwendet werden,
auf dem ein lichtundurchlässiger
Bereich mit einem kleinen Durchmesser gebildet ist.
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Das Mittel 15 zur Erzeugung
von gebeugtem 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
Licht an jeder Stelle im optischen Pfad angeordnet sein, die sich
zwischen der Laserröhre 1 und
der Kondensorlinse 6 befindet.
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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 Licht so ausgebildet ist, dass es zusammen mit dem Probenbehälter im
optischen Pfad vorhanden sein kann. Anstelle dieses Vorgehens kann
der Probenbehälter 4 auch
aus dem optischen Weg entfernt werden, und das Mittel 15 zur
Erzeugung von gebeugtem Licht kann dafür eingefügt werden.
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Die Anzahl der lichtempfangenden
Elemente, die den auf dem Photodetektor 16 vorhandenen Detektor 22 für gebeugtes
Licht bilden, kann auch unterschiedlich zu vier sein. Hier sind
wenigstens drei lichtempfangende Elemente nötig, da mittels des Laserstrahls 2 die
Richtungsabweichung detektiert und korrigiert wird, die in der 3 mit den Pfeilen X und Y
dargestellt ist, also eine zweidimensionale Richtungsabweichung
vorliegt. Geeigneterweise ist es erwünscht, die lichtempfangenden
Elemente konzentrisch um die Mitte 0 des Photodetektors,
also der optischen Achse, anzuordnen.
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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.
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Es braucht nicht erwähnt zu werden,
dass dieses Verfahren zur Einstellung 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.
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Die Erfindung kann in der oben beschriebenen
Weise ausgeführt
werden, wobei sie die folgenden vorteilhaften Eigenschaften erzielt:
Im
Vergleich mit herkömmlichen
Messvorrichtungen können
die lichtempfangenden Elemente des Messbereichs zur Feststellung
des gestreuten Lichts in Positionen näher an der Mitte der optischen
Achse des Photodetektors angeordnet werden, wodurch Teilchen mit
einem größeren Durchmesser
gemessen und Teilchenverteilungen mit einem größeren Messbereich gleichzeitig
gemessen werden können.