DE3338351A1

DE3338351A1 - Vorrichtung zur optischen erkennung von individuellen vielparametrischen eigenschaften von teilchen

Info

Publication number: DE3338351A1
Application number: DE19833338351
Authority: DE
Inventors: Bernard 42100 Saint-Etienne Faure; Jean-Claude Healy; Jean 42000 Saint-Etienne Monin; Georges Soldat
Original assignee: SAINT ETIENNE, University of
Current assignee: SAINT ETIENNE, University of
Priority date: 1982-10-22
Filing date: 1983-10-21
Publication date: 1984-05-17
Also published as: FR2535053B1; JPS59122931A; FR2535053A1

Description

Vorrichtung zur optischen Erkennung von individuellen vielparametrischen Eigenschaften von Teilchen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Erkennung von individuellen vielparametrischen Eigenschaften von Teilchen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im einzelnen betrifft die Erfindung die Meßtechnik von bestimmten von Parametern von Teilchen sehr kleiner Dimension, in der Größenordnung eines Mikrometers, die entweder pulverförmig vorliegen können oder sich als Suspension im Inneren eines flüssigen oder gasförmigen Fluids, das sie transportiert, befinden.

"Büro Prankiun/Frcinkfurt Offire:

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In einer Vielzahl von Bereichen ist es notwendig, mindestens gewisse physikalische Eigenschaften von Teilchen bewerten zu können, um bestimmen zu können, ob sie bestimmten Bezugskriterien entsprechen oder dies nicht tun, je nach Benutzungs- oder Verwendungsfunktion, für die sie gedacht sind.

Demzufolge ist es manchmal notwendig , genau die Anzahl der Teilchen feststellen zu können, die in ein Medium bzw. eine Umgebung eintreten oder aus dieser austreten oder, darüber hinaus, die Korngröße bewerten zu können, und zwar entweder in Bezug auf die Kenntnis eines Mittelwertes einer vorgegebenen Auswahl bzw. Stichprobe oder weiterhin einer zuvor vorgenommenen Sortierung.

In anderen Bereichen ist es notwendig, die Form dieser Teilchen bestimmen zu können.

Der verfügbare Stand der Technik, der diesen obengenannten Bereich betrifft, ist wenig ergiebig.

Die FR-OS 21 21 987 zielt auf Verbesserungen, welche bei der Korngrößenbestimmung eines pulverförmigen Stoffes mit Hilfe eines Laserbündels angewandt werden. Nach dieser Technik wird vorgeschlagen, das Laserbündel auf ein durchsichtiges Kapillarrohr zu richten, das einen geringen Querschnitt aufweist und das dazu bestimmt ist, von dem pulverförmigen Stoff zur Analyse durchströmt zu werden. Nachdem das Laserbündel das Kapillarrohr durchdrungen hat, trifft es im Anschluß an die Durchdringung des zu messenden Mediums auf ein System zur Analyse der gebeugten Strahlung.

Wenn auch diese Technik erlaubt, eine Anzahl von Globalmessungen zu verwirklichen, muß doch angeführt werden, daß sie für Fälle, in denen es darum geht, Werte über die

individuellen Parameter der Teilchen zu ermitteln, nicht befriedigt.

Tatsächlich muß diese Technik der Bewertung gemäß dieser Druckschrift als grob oder makroskopisch qualifiziert werden und erlaubt demzufolge nicht die Bestimmung wenigstens eines der Parameter jedes für sich betrachteten Teilchens.

Demzufolge ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obengenannten Nachteile dadurch zu beheben, daß sie eine neue Vorrichtung ^zur Erkennung von mehrparametrischen Eigenschaften vorschlägt, wie z. B. Größe, Volumen, Absorptionsvermögen usw., und zwar für deformierbare oder nicht deformierbare Teilchen, für die eine Messung der individuellen physikalischen Merkmale verwirklicht werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine neue Technik vorzuschlagen, die erlaubt, schnell und mit großer Genauigkeit Stichproben von Teilchen, die kontinuierlich innerhalb eines Meßgerätes fließen, zu behandeln.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Einer der Vorteile des Gerätes zur multiparametrisehen Erkennung besteht in der Möglichkeit, daß optische Informationen in einem Volumen, welches mindestens gleich 3 1f Steradiant (sr) zentriert auf jedes zu untersuchende Teilchen ist, gesammelt werden und zwar dadurch, daß für jedes von ihnen ein Bündel spezifischer Informationen gesammelt wird, was eine hohe Genauigkeit der Erkennung ergibt.

Um die obengenannten Ziele zu erreichen, ist das erfindungs gg gemäße Gerät dadurch gekennzeichnet,

daß es einen nicht divergenten Reflektor mit einer Fläche

zweiten Grades aufweist,

daß es ein durchsichtiges Kapillarrohr aufweist, welches durch den Brennpunkt des Reflektors verläuft und das den Einzeldurchtritt eines jeden einzelnen Teilchens in Suspension ermöglicht,

daß es wenigstens eine Bestrahlungseinrichtung aufweist, welche entlang einer zur Rohrachse senkrechten Richtung strahlt, wobei dieser Teil des Rohrs durch den Brennpunkt verläuft,

daß eine Maske die gebeugten Strahlen, welche bei der Bestrahlung nicht reflektiert werden, abdeckt, 15

daß es ein lichtempfindliches Element aufweist, welches die unterschiedlich gebeugten und reflektierten Strahlen auffängt, und

daß es Einrichtungen zur Verarbeitung und Auswertung der von dem lichtempfindlichen Element erzeugten Signale aufweist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit, daß für die Bestrahlung der gesamte Wellenlängenbereich ausgehend von dem ultravioletten Bereich über den Sehbereich bis hin zum Infrarotbereich benützt werden kann.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur multiparametrischen Erkennung.

Die Vorrichtung zur mulitparametrischen Erkennung von verschiedenen Teilchen, die sowohl fest als auch verformbar sein können, weist einen nicht divergenten Reflektor 1 mit einer Fläche zweiten Grades auf, welche auf ein übliches Unterteil, was nicht näher dargestellt ist, montiert ist» Unter Reflektor und Fläche zweiten Grades versteht man alle Spiegel, die paraboloidisch oder ellipsoidisch ausgebildet sind.

Der Reflektor 1 ist mit einem Kapillarrohr 3 verbunden, welches aus durchsichtigem Material besteht. Das Kapillarrohr 3 weist ein nutzbares Volumen auf, welches der mittleren Größe der zu identifizierenden Teilchen angepaßt ist, so daß nur jedes Teilchen einzeln durchtreten kann.

Die Teilchen werden im Innern des Kapillarrohrs 3 derart fortbewegt, daß sie mittels eines passenden Fluides mit laminarer Strömung im Innern des Kapillarrohrs 3 transportiert werden, was durch eine Pumpe 4 geschieht, welche ^aus einem Vorratsbehälter 5, der die Suspension enthält, fördert.

Das Kapillarrohr 3 kann aus verschiedenen passenden bekannten Materialien hergestellt werden, wie z. B. aus Glas.

Das Rohr 3 ist mit dem Reflektor 1 auf solche Weise verbunden, daß ein geradliniger Teilbereich der Leitung 3 durch den Brennpunkt F des Reflektors 1 verläuft. In einer

OQ erfindungsgemäßen Ausführung, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, durchquert das Rohr 3 den Scheitelpunkt des Reflektors 1 und erstreckt sich entlang der Rotationsachse x-x' des Reflektors. Dies sollte jedoch auch so verstanden werden, daß das Kapillarrohr 3 so angeordnet

gg werden kann, daß ein geradliniger Teilbereich den Brennpunkt F durchdringt und dabei in einer radialen Richtung

bezüglich der Rotationsachse x-x¹, ζ. Β. senkrecht zur Zeichenebene, verläuft.

Das Rohr 3 erstreckt sich über den offenen Querschnitt des Reflektors 1 hinaus, wonach es dann zu einem Behälter umgelenkt wird, einem Gerät oder einer gänzlich anderen Einrichtung zur Sortierung, zur Aufnahme usw. der Teilchen.

.Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin wenigstens eine Bestrahlungseinrichtung auf, welche in ihrer Gesamtheit mit der Bezugszahl 6 bezeichnet ist. Die Bestrahlungseinrichtung 6 weist eine Emissionsquelle 7 auf, deren Strahlen so ausgerichtet sind, daß sie das geradlinige Teilstück des Rohres 3 im Brennpunkt F senkrecht durchstoßen, wobei sie überdies auf diesen gerichtet sind. Des weiteren könnte die Bestrahlungseinrichtung 6 derart angeordnet sein, daß sie zum Erreichen des Brennpunkts F durch den Scheitelpunkt des Reflektors 1 verläuft, wenn das Rohr 3, wie oben beschrieben, radial angeordnet ist.

Im Falle der radialen Anordnung der Bestrahlungseinrichtung 6, wie in der Figur dargestellt, können mehrere Quellen 7 an der Peripherie derart angeordnet sein, daß sie sich in gleichen Abständen voneinander oder nicht winklig zueinander befinden. Die Quelle 7 ist vorzugsweise als Laser ausgebildet, dessen Eigenschaften wie Leistung und Wellenlänge entsprechend der physikalischen Eigenschaften der zu identifizierenden Teilchen gewählt sind.

gO Auf jeden Fall ist die Bestrahlungseinrichtung so gewählt oder so eingestellt, daß das bestrahlte Feld im Brennpunkt F der Größenordnung des zu messenden Teilchens entspricht.

Die Bestrahlungseinrichtung 6 weist weiterhin im Falle der radialen Anordnung eine Durchtrittsöffnung 8 auf, welche radial im Reflektor 1 derart angeordnet ist, daß sie das Strahlenbündel, welches durch die Quelle 7 emittiert wird,

zum Brennpunkt F führt.

Die Vorrichtung weist weiterhin eine Maske 9 auf, deren Oberfläche so gewählt ist, daß sie nur auf die gebeugte Strahlung wirkt, die nicht durch den Reflektor reflektiert wird. Gemäß der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform ist die Maske 9 von dem Rohr 3 gehalten und weist eine Oberfläche auf, welche höchstens gleich der Querschnittsfläche der Ausnehmung ist, welche für den Durchtritt des Rohres 3 im Scheitelpunkt des Reflektors 1 vorgesehen ist. Die Stellung der Maske 9 auf dem Rohr 3 kann entsprechend der aktiven Fläche eines lichtempfindlichen Elementes 10 eingestellt werden, welches die Aufgabe hat, die gebeugte reflektierte und vom· Reflektor 1 emittierte Strahlung zu empfangen und auszuwerten. Dieses Element kann entweder ein photoelektrischer Empfänger oder ein BiIdanalysator sein. Das Element 10 leitet die empfangenen Signale an eine Auswertungseinrichtung 11 weiter.

Vorzugsweise kann das Element 10 von einer Videokamera gebildet sein, deren Objektiv auf den Reflektor 1 gerichtet ist, wobei es dann senkrecht zur Achse x-x' angeordnet ist.

Die obenbeschriebene Vorrichtung funktioniert auf folgende Weise:

Die Quelle ist so ausgebildet, daß sie eine Strahlung emittiert, die auf den Brennpunkt F auftrifft. Wenn das Rohr 3 von keinem einzigen Teilchen durchströmt wird und nur den Fluß eines nicht beaufschlagten Fluides gewährleistet, erfährt die Strahlung, die in der Figur mit R bezeichnet ist, keine Beugung und passiert den Reflektor 1 über eine Durchtrittsöffnung 12, die dafür bezüglich des Kapillarrohres 3 diametral der Durchtrittsöffnung 8 gegenüberliegend angeordnet ist.

4.

je

Sobald ein Teilchen, das sich in dem Rohr 3 bewegt, die Strahlung, welche im Brennpunkt F einfällt, schneidet, wird das emittierte Strahlenbündel räumlich gebeugt und in gebeugte Strahlen aufgeteilt, welche auf den Reflektor 1 gerichtet werden. Die gebeugten Strahlen werden reflektiert und richten sich parallel zueinander aus, wobei sie auf das lichtempfindliche Element 10 gerichtet werden. Die gebeugten Strahlen ermöglichen sodann eine Transformierung der Informationen , welche in drei Dimensionen ausgesandt IQ werden, und eine Zusammenfassung der Information in zwei Dimensionen.

Die Lichtinformationen, die von dem lichtempfindlichen Element 10 aufgefangen werden, werden direkt oder unter Zwischenschaltung der Auswertungseinrichtung bzw. Auswertungsschaltung 11 verarbeitet und derart ausgewertet, daß sie eine logische, digitale oder analoge Darstellung der Erkennungsparameter des Teilchens liefern.

2Q Diese Parameter können von verschiedener Ordnung sein, je nach konstruktiver Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Tatsächlich erlaubt die Bestrahlung eines jeden Teilchens oc im Brennpunkt F des Reflektors 1 das Verfügen über eine

Beugungs-Indikatrix für mindestens 3^ sr und erlaubt demzufolge die Berücksichtigung einer großen Anzahl von charakteristischen Informationen, welche von den gebeugten Strahlen geliefert werden und welche den exakten physika-„₀ lischen Eigenschaften des Teilchens entsprechen.

Es wird demzufolge möglich, die Teilchengröße im Falle der Anwendung der Korngrößenbestimmung im kontinuierlichen Fluß zu erkennen. Geht man davon aus, daß die gesammelten Infor-

_nc mationen von einer räumlichen Hülle, die mindestens ob

gleich 3Fsr ist, stammen, wird es möglich, auch die Fakto-

ren der Form jedes einzelnen Teilchens zu erkennen und mittels einer solchen Einrichtung eine eventuelle Auswahl und/oder eine Zählung unter einer Population oder einer Auswahl bzw. Stichprobe, welche verschiedene Typen von Teilchen enthält, durch die traditionellen Identifikationstechniken der Mathematik und Informatik und der Signalverarbeitung vorzunehmen. Es wird ebenso möglich, eine einfache Zählung für den Fall vorzunehmen, in dem es notwendig ist, über eine quantitative Information des Vorliegens von Teilchen im Innern eines gegebenen flüssigen Mediums zu verfügen.

Es ist ebenso möglich, das Gerät für die Datenerfassung einer Vielzahl von Parametern, ausgehend von optischen Eigenschaften, zu verwenden und zwar einschließlich nach der Einverleibung von Fluorochromen in Teilchen oder zu untersuchenden Gegenständen.

' Alle diese einzelnen Erfassungsvorgänge können im kontinuierlichen Fluß mit einer großen Genauigkeit ausgeführt werden, da die gesammelten Daten aus einer räumlichen nahezu geschlossenen Hüllkurve stammen.

Kombiniert man diese Einrichtungen zur Verarbeitung von Informationen, wird es möglich, eine Vielzahl von gleichzeitigen parametrischen Identifizierungen der Teilchen im Innern eines Fluides oder irgendeiner Flüssigkeit auszuführen. Es ist so möglich, die gesamte Zählung, die differentielle Zählung als Funktion der Form und z. B. die relative Proportion eines jeden Teilchens im Innern eines vorgegebenen Mediums, z. B. als Konzentration pro Volumeneinheit zu berücksichtigen bzw. durchzuführen.

Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht in der Einfachheit des verwendeten Materials und in den relativ geringen Kosten sowohl bei der Herstellung als auch

beim Unterhalt. Tatsächlich besteht der Reflektor 1 aus handelsüblichem Material/ für .das lediglich eine Anpassung für ein oder mehrere notwendige Durchtrittsöffnungen zur Anordnung des Kapillarrohrs 3 und zur Führung des Strahlenbündeis, welches durch die Quelle 7 emittiert wird, notwendig macht.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Möglichkeit der schnellen Analyse durch die Vorrichtung, welche eine multiparametrische Erkennung im kontinuierlichen Fluß und ein sofortiges oder nach Speicherung eventuell späteres Verarbeiten von Informationen, welche zu jedem einzelnen erfaßten Teilchen gehören, erlaubt.

Weiterhin ist anzuführen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung für die multiparametrische Erkennung sowohl von festen als- auch flüslsTgen^Teilchen verwendet werden kann, welche von. einerrrpluid durch das Rohr 3—transportiert werden. -

Eine solche Vorrichtung erlaubt weiterhin die eventuellen Formfaktoren solcher Teilchen zu erkennen, und zwar als Funktion der Zusätze zur Oberflächenbehandlung, die ihnen direkt oder im Innern des Transportmediums zugefügt werden, oder z. B. ihre Durchtrittsfrequenz^ und ihre Anzahl.

In einem Anwendungsbeispiel zur Kontrolle der Korngröße von Latexteilchen mit 10 μΐη Durchmesser werden folgende i · Einrichtungen zusammengestellt: . ■ _

Rohr 3 innerer Durchmesser in der

Größenordnung von 2 5 bis 30 μΐη

Zirkulationsgeschwindigkeit eirrige Millimeter pro Sekunde Transportfluid ^ durchlässig, nicht streuend

dessen Merkmal verschie- ; den von^denen der Teilchen ist

Volumenkonzentration der Suspension Laserleistung Wellenlänge Reflektor Element

AS

in der Größenordnung von 1 %

einige Milliwatt

632,8 nm

parabolisch

Videokamera ausgerüstet mit einer Speicherplatte bzw. einer Scheibe aus Silicium

10 wie bereits erwähnt, können eine Anzahl η von Strahlungseinrichtungen vorgesehen werden. In einem solchen Fall emittieren sie Strahlenbündel mit unterschiedlichen Wellenlängen und sind derart angeordnet, daß sie zum Brennpunkt F hin konvergieren. Das Analysesystem enthält

15 demzufolge Farbfilter, die erlauben, die unterschiedlichen gebeugten und reflektierten Strahlen zu sortieren.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

( 1.)Vorrichtung zur optischen Erkennung von individuellen vielparametrischen Eigenschaften von Teilchen oder Objekten, welche in einem kontinuierlichen Fluß bewegt werden, mit einem Reflektor, auf dessen Brennpunkt von der einen Seite die zu identifizierenden Teilchen und von der anderen Seite der oder die Strahlen einer Bestrahlungseinrichtung auftreffen, welche senkrecht zur Bewegungsrichtung der Teilchen zum Brennpunkt hin verlaufen, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Reflektor (1) einer Fläche zweiten Grades, der offen und nicht divergent ist, vorgesehen ist,

daß ein durchgehendes transparentes Kapillarrohr (3) vorgesehen ist, das so angeordnet ist, daß es durch

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den Brennpunkt (F) des Reflektors (1) verläuft und eine individuelle Bewegungsbahn der Teilchen, die sich in einer Suspension im Innern eines fließenden Mediums befinden, gewährleistet,

daß eine Maske (9) vorgesehen ist, die die nicht reflektierten gebeugten Strahlen abdeckt, welche von einem Teilchen emittiert werden, welches im Brennpunkt (F) die Strahlung schneidet, die von der Bestrahlungseinrichtung (6) einfällt,

daß ein lichtempfindliches Element (10) zum Empfang der verschiedenen gebeugten und reflektierten Strahlen vorgesehen ist_, und

daß eine Einrichtung (11) zur Verarbeitung und Auswertung der vom lichtempfindlichen Element (10) erzeugten Signale vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits der Reflektor (1) einer Leitung (3) zugeordnet ist, welche den Scheitelpunkt des Reflektors (3) durchquert und sich entlang der Drehachse (x-x¹) des Reflektors (1) erstreckt und daß andererseits wenigstens

2g eine Bestrahlungseinrichtung (6) vorgesehen ist, die eine Strahlenquelle (7) aufweist, die radial angeordnet ist und eine Strahlung emittiert, die auf den Brennpunkt (F) fokussiert ist.

oQ
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (9) auf der Leitung (3) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichg₅ net, daß der der Leitung (3) zugeordnete Reflektor (1) sich im rechten Winkel zur Drehachse (x-x¹) erstreckt,

die durch den Brennpunkt (F) verläuft, auf den die Strahlung der wenigstens einen Strahlungseinrichtung fokussiert ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß π Strahlungseinrichtungen vorgesehen sind, die ein Strahlenbündel verschiedener Wellenlängen emittieren, und daß das lichtempfindliche Element (10) als Bildanalysator ausgebildet ist, dessen Analysesystem Passfilter aufweist, die den Wellenlängen zugeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Bestrahlungseinrichtung eine Durchtrittsöffnung (12) vorgesehen ist, die in
dem Reflektor (1) derart vorgesehen ist, daß sie der Stellung, die von der Bestrahlungseinrichtung eingenommen ist, diametral gegenübersteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungseinrichtung (6) im Brennpunkt (F) ein Bestrahlungsfeld einer Größenordnung einnimmt, das der Größenordnung des zu untersuchenden Teilchens entspricht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungseinrichtung (6) eine Strahlenquelle (7) aufweist, die von einem Laser gebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch

gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Element (10) von dem Objektiv einer Videokamera gebildet ist.

3510. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das durchsichtige Kapillarrohr (3)

in Bezug auf den mittleren Durchmesser der Teilchen ein solches Volumen besitzt, das nur einen Einzeldurchtritt eines jeden dieser Teilchen im Meßvolumen zuläßt, das von der Strahlungseinrichtung beaufschlagt ist.