DE3925148A1

DE3925148A1 - Teilchenzaehler

Info

Publication number: DE3925148A1
Application number: DE3925148A
Authority: DE
Inventors: Riichiro Suzuki; Yoshihiro Kubo
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1988-07-30
Filing date: 1989-07-28
Publication date: 1990-02-01
Anticipated expiration: 2009-07-29
Also published as: JPH0240535A; DE3925148C2; US4990795A; JPH0583858B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Teilchenzähler zur Bestimmung einer Konzentrati on (Quantität) und einer Teilchengrößeverteilung von kleinen Teilchen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Teilchen können organische Substanzen, Staubkörner, Bakterien oder ähnliches sein, die in einem Fluid enthalten sind, wie beispielsweise in ultrarei nem Wasser. Ultrareines Wasser wird zum Waschen von Wafern oder ähnlichem benötigt, beispielsweise bei der Herstellung von Halbleitern. Ferner werden Teil chenzähler bei der Überwachung der Luftreinheit in staubfreien Räumen verwen det.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen Teilchenzähler, der eine Bestrah lungsoptik enthält zur Bestrahlung eines zentralen Bereichs eines zu messenden Fluids, das mit einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit fließt. An diesem zentralen Bereich oder an dieser zentralen Position ist die Strömungsgeschwin digkeitsverteilung möglichst gleichmäßig. Die Bestrahlung erfolgt mittels Laser strahlen, die im rechten Winkel auf die Strömungsrichtung des zu messenden Flu ids auftreffen. Des weiteren enthält der Teilchenzähler eine Detektor- oder Erfas sungsoptik zur Erfassung des Streulichts der Laserstrahlen, das aufgrund der in dem zu messenden Fluid enthaltenen kleinen Teilchen entsteht.

Ein derartiger bekannter Teilchenzähler ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Ein Fluid S, dessen Partikelgehalt gemessen werden soll, wird mittels einer Düse 1 durch eine Durchflußzelle oder Durchflußmeßzelle geleitet. Eine Bestrahlungs optik a dient zur Bestrahlung eines zentralen Bereichs oder Teils, an dem eine möglichst gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung vorliegt. Die Bestrahlungs optika a bestrahlt das zu messende Fluid S mit Laserstrahlen L in einer zweiten Richtung (des weiteren als y-Richtung bezeichnet), die mit einer ersten Richtung, der Strömungsrichtung (des weiteren als z-Richtung bezeichnet) des zu messen den Fluids S einen rechten Winkel bildet. Eine Detektor- oder Erfassungsoptik b zur Erfassung des Streulichts L′ der Laserstrahlen L, das aufgrund der im zu mes senden Fluid S enthaltenen Teilchen entsteht, ist an einer Seite der z-Richtung vorhanden zur Messung einer Konzentration und einer Partikel- oder Teilchengrößeverteilung.

Die Bestrahlungsoptik a enthält beispielsweise eine Zylinderlinse 2 zur Abände rung der Laserstrahlen L in flache Strahlen mit der geringen Länge in der z- Richtung und der größeren Länge in einer dritten Richtung, die des weiteren als x- Richtung bezeichnet wird und sowohl zur z- als auch zur y-Richtung senkrecht steht. Die Detektoroptik b enthält Linsen 3 und eine mit einem Spalt 4′ versehene Schlitzblende 5′ zur Begrenzung eines Erfassungsbereichs r durch Begrenzen des Streulichts L′ in der y-Richtung und der x-Richtung an einer Position, an der das Realbild gebildet wird.

Bei einem derartigen Teilchenzähler ist es zur Erzielung eines gewünschten Auf lösungsgrads (insbesondere des Auflösungsgrads der Teilchengrößen) notwendig, die Messung in einem Bereich durchzuführen, in dem die Intensität der Laser strahlen L so gleichmäßig wie möglich ist (im Bereich des Maximums in der Mitte der Gaußschen Verteilung in der x-Richtung, wie in Fig. 5 mit gekreuzter Schraffur dargestellt), so daß die Detektoroptik b mit einer Schlitzblende 5′ mit einem äu ßerst schmalen Spalt 4′ versehen sein muß zur Begrenzung des Erfassungsbe reichs r nicht nur in Bestrahlungsrichtung der Laserstrahlen L (y-Richtung) son dern auch in dazu senkrechter Richtung (x-Richtung), wodurch die Strahlen aus reichend eng begrenzt werden (siehe Fig. 6) und das Streulicht L′ von einer in Fließ richtung (z-Richtung) des zu messenden Fluids S liegenden Seite aus erfaßt werden muß, die Detektoroptik b also innerhalb der Strömungsrichtung angeordnet sein muß.

Dies hat mehrere Nachteile:

A. Da das einfallende Streulicht L′ durch die Schlitzblende 5′ begrenzt wird (siehe Fig. 6), wird ein äußerer Randbereich eines Bildes I, das für die Aberration der De tektoroptik b notwendig ist, von allen Umfangslinien des Spalts 4′ abgeschnitten, wodurch der Auflösungsgrad vermindert und beträchtlich kleiner ist und infolge dessen die Aberration stark reduziert werden muß, beispielsweise durch eine Aberrationskompensation in der Detektoroptik b. Dies hat erhöhte Herstel lungskosten zur Folge.
B. Des weiteren führt die geringste Änderung des Brechungsindex des zu messen den Fluids S zu einer Veränderung des Brennpunktes innerhalb der Schlitzblende 5′, wodurch ein zusätzliches Abschneiden der äußeren Kanten des Bildes I durch die Umfangslinien des Spaltes 4′ hinzukommt, so daß die Schlitzblende 5′ zur Regulierung des Brennpunktes bzw. Fokus bewegt werden muß, wodurch der Auf lösungsgrad des weiteren reduziert ist. Demzufolge ist beispielsweise eine speziel le Feinjustierung für den Fokus vorhanden zum präzisen Bewegen der Schlitzblende 5′ in Abhängigkeit von der Änderung des Brechungsindex des zu messenden Fluids S. Dies führt zu einer komplizierten Konstruktion der Detek toroptik b und zu erhöhten Herstellungskosten.
C. Zur Sicherstellung des Auflösungsgrads muß die Aberration der Detektorop tik b wie unter A. beschrieben reduziert werden. In diesem Fall ist es aber schwie rig, die Öffnung des Spaltes 4′ zu vergrößern. Dadurch kann die Menge des empfan genen Streulichts L′ nur reduziert werden, wodurch das Signal-Rausch-Verhält nis (S/N) verschlechtert ist.
D. Da es notwendig ist, die Detektoroptik b in der Strömungsrichtung (z-Rich tung) des zu messenden Fluids S vorzusehen, muß der Durchfluß stromab von der Durchflußzelle als Meßteil gekrümmt sein, oder es muß eine verwirbelte Strö mung verwendet werden, so daß die Konstruktion kompliziert ist und größere Abmessungen aufweist und des weiteren die Steuerung der Fließgeschwindigkeit erschwert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Teilchenzähler anzugeben, bei dem auf technisch einfache Weise der Auflösungsgrad und das Signal-Rausch- Verhältnis verbessert sind zur Vergrößerung des Erfassungsbereichs.

Diese Aufgabe wird bei einem Teilchenzähler der eingangs genannten Art erfin dungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bestrahlungsoptik eine Einrichtung zur Licht intensitätskompensation enthält zur Abänderung der Verteilung der integrier ten Werte der Lichtintensität in einer Richtung, die sowohl mit der Fließrichtung des Fluids als auch mit der Bestrahlungsrichtung der Laserstrahlen einen annä hernd rechten Winkel bildet, in eine Verteilung, die einer angenäherten Rechteck funktion entspricht, und daß die Detektoroptik eine am Abbildungspunkt der De tektoroptik angeordnete Schlitzblende mit einem Spalt enthält, der in einer Richtung, die mit der Bestrahlungsrichtung einen annähernd rechten Winkel bil det, so breit ist, daß er die Abbildung des Streulichts der Laserstrahlen in dieser Richtung nicht begrenzt.

Ein derartiger Teilchenzähler hat folgende Eigenschaften:

Die Verteilung der integrierten Werte der Lichtintensität (diejenigen Werte, die in Fließrichtung des zu messenden Fluids integriert werden) der Laserstrahlen wird in eine Rechteckform gebracht, d. h. kompensiert, so daß sie als ganzes in einer zur Fließrichtung des zu messenden Fluids und zur Strahlrichtung der Laser strahlen senkrechten Richtung als nahezu einheitlich angesehen werden kön nen. Dabei beaufschlagen die Laserstrahlen einen zentralen Teil des zu messen den Fluids, in dem die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung möglichst gleich mäßig ist. Dies wird ermöglicht durch die oben beschriebene Einrichtung zur Lichtintensitätskompensation der Bestrahlungsoptik, so daß es nicht notwendig ist, lediglich einen Teil der Laserstrahlen (den zentralen Bereich bzw. Teil, in dem die Intensität nahezu gleichmäßig ist) als Erfassungsbereich zu begrenzen. Der Erfassungsbereich kann abgegrenzt werden, ohne Begrenzung zumindest der ra dialen Richtung der Laserstrahlen. Des weiteren ist der Spalt, der im Abbildungs punkt der Detektoroptik angeordneten Schlitzblende in der zur Strahlrichtung der Laserstrahlen senkrechten Richtung breit genug. Das heißt, die vergrößerte Weite bzw. Breite des Spalts begrenzt den Erfassungsbereich in Strahlrichtung der Laserstrahlen aber nicht den Erfassungsbereich in dazu senkrechter Richtung, so daß das Abschneiden der äußeren Randbereiche des Bildes aufgrund der Aberrati on der Detektoroptik und der Verschiebung der Brennweite, die aus der Änderung des Brechungsindex des zu messenden Fluids herrührt, weiterhin am Umfangsbe reich des Spalts in Richtung senkrecht zur Strahlenrichtung der Laserstrahlen auftritt, diese Phänomene aber nicht an den Umfangsbereichen des Spaltes in Strahlungsrichtung der Laserstrahlen auftreten, wodurch die Einflüsse der Aber ration und der Verschiebung der Brennweite im Vergleich zu bekannten Teilchen zählern spürbar verringert werden kann. Daher kann, selbst wenn die Detektor optik eine große Aberration bis zu einem bestimmten Wert aufweist, oder der Brennpunkt der Schlitzvorrichtung bis zu einem bestimmten Wert aufgrund der Änderung des Brechungsindex des Fluids verschoben ist, der Auflösungsgrad, ver glichen mit bekannten Teilchenzählern, deutlich verbessert werden.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Detektoroptik des erfindungsgemäßen Teil chenzählers nur noch eine sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber der Aberrati on und der Veränderung des Fokus aufweist und außerhalb der Fließrichtung des zu messenden Fluids angeordnet werden kann, und gleichzeitig die Außenabmes sungen minimiert und die Herstellungskosten reduziert werden.

Da eine spezielle Aberrationskompensation und eine Feinjustierung des Fokus nicht mehr notwendig ist, kann die Detektoroptik unkompliziert und kostengün stig hergestellt werden. Hinzu kommt, daß es bei einem erfindungsgemäßen Teil chenzähler nicht immer notwendig ist, die Detektoroptik innerhalb der Fließ richtung des zu messenden Fluids anzuordnen. Da die Detektoroptik senkrecht zur Strömungsrichtung an beliebigen Stellen angeordnet werden kann, ist es nicht notwendig, den stromabwärts der Durchflußzelle befindlichen Durchlaß zu krümmen, der der Meßbereich ist, wie bei bekannten Teilchenzählern, wodurch der Teilchenzähler noch einfacher und noch kleiner ausgebildet werden kann.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be schreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Es zeigt

Fig. 1 in Perspektivdarstellung die wesentlichen Teile eines Teilchenzäh lers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 2 die Lichtintensitätsverteilung von Laserstrahlen, die den Erfassungs bereich bestrahlen;

Fig. 3 eine vergrößerte schematische Vorderansicht der Schlitzblende der Detektoroptik;

Fig. 4 eine Perspektivdarstellung der wesentlichen Teile eines bekannten Teilchenzählers;

Fig. 5 die Verteilung der integrierten Werte (diejenigen Werte, die in Fließ richtung des zu messenden Fluids integriert sind) der Photointensität der Laserstrahlen, die den Erfassungsbereich des bekannten (Fig. 4) Teilchenzählers bestrahlen; und

Fig. 6 eine vergrößerte Vorderansicht der Schlitzblende in der Detektor optik des bekannten Teilchenzählers.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird eine bevorzugte Ausführungsform des Teilchenzählers näher beschrieben.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird ein zu messendes Fluid S in eine nicht dargestellte Durchflußzelle oder Durchflußmeßzelle mittels einer Düse 1 mit einer bestimm ten Fließ- bzw. Strömungsgeschwindigkeit eingegeben. Derjenige zentrale Be reich des zu messenden Fluids S, an dem die Strömungsgeschwindigkeits verteilung so gleichmäßig wie möglich ist, wird als Erfassungsbereich R ausge wählt. Ferner ist eine Bestrahlungsoptik A vorhanden zur Bestrahlung des Erfas sungsbereichs R mit Laserstrahlen L (zum Beispiel Helium-Neonlaser, Argonla ser oder Helium-Cadmiumlaser) von der Seite aus in einer zweiten Richtung (des weiteren als y-Richtung bezeichnet), die senkrecht auf einer ersten Richtung, der Fließrichtung (des weiteren als z-Richtung bezeichnet) des zu messenden Fluids S steht. Es sei daraufhingewiesen, daß es sich bei den genannten Winkeln auch um annähernd rechte Winkel handeln kann. Ferner ist eine Detektoroptik B vor handen zur Erfassung von, aufgrund der im zu messenden Fluid S enthaltenen Teilchen entstehenden Streulichts L′ der Laserstrahlen L von der Seite aus in ei ner dritten Richtung (des weiteren als x-Richtung bezeichnet), die senkrecht auf der z- und auf der y-Richtung steht, zur Messung der Konzentration und der Teil chengrößeverteilung der Teilchen.

Die Bestrahlungsoptik weist beispielsweise eine Zylinderlinse 2 auf zur Abände rung der Laserstrahlen L in flache Strahlen (kurz in z-Richtung und lang in x- Richtung). Der Zylinderlinse 2 nachgeschaltet ist eine Einrichtung 6 zur Lichtin tensitätskompensation zur Abwandlung der Verteilung der integrierten Werte der Lichtintensität in der x-Richtung (Werte, die in der z-Richtung integriert sind) in eine Verteilung, die annähernd einer Rechteckfunktion entspricht (beispiels weise durch Abschneiden beider Endteile der Gaußschen Verteilung mittels des Spalts oder Umwandlung der Verteilung der integrierten Werte der Lichtintensität in eine rechteckförmige als ganzes durch Verwendung von Strahlenformeinstell mitteln, wie Raumfilter (space filter) und weich abbildende Blenden (soft apertu re)). Diese Einrichtung 6 ist zwischen der Zylinderlinse 2 und dem Erfassungsbe reich R angeordnet, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Die Detektoroptik B enthält Linsen 3 und eine mit einem Spalt 4 versehene Schlitzblende 5. Der Spalt 4 ist in der in Fig. 1 mit z′ bezeichneten Richtung, die auf der y-Richtung senkrecht steht, groß genug. Der beschriebene Winkel kann ebenfalls ein annähernd rechter Winkel sein. Das bedeutet, daß die vergrößerte Weite den Erfassungsbereich R in Bestrahlungsrichtung (y-Richtung) der Laserstrahlen L begrenzt, aber nicht den Erfassungsbereich R in dazu senkrechter Richtung der Laserstrahlen L beim Ab bildungspunkt (derjenige Punkt bzw. Position, an der das Realbild abgebildet wird) begrenzt, wodurch der Lichteinfall des Streulichts L′ lediglich in der y-Rich tung begrenzt wird (siehe Fig. 3). Dadurch wird der Erfassungsbereich R so groß wie möglich, und es wird das Abschneiden des in der Schlitzblende 5 abgebildeten Bil des I durch die Umfangsbereiche des Spaltes 4 in Bestrahlungsrichtung (y-Rich tung) der Laserstrahlen L verhindert. Dieses senkt spürbar den Einfluß der Aber ration und der Verschiebung des Brennpunktes in der Detektoroptik B im Ver gleich mit bekannten Teilchenzählern.

In der dargestellten Ausführungsform des Teilchenzählers ist die Detektoroptik B nicht innerhalb der z-Richtung, wie in bekannten Teilchenzählern angeordnet, sondern seitlich in der x-Richtung, so daß es nicht notwendig ist, den stromab von der Durchflußzelle vorhandenen Durchlaß zu krümmen, oder eine verwirbelte Strömung zu verwenden, wie es bei bekannten Teilchenzählern der Fall ist. Bei bekannten Teilchenzählern ist die Durchflußzelle, die der Meßbereich ist, sehr groß, wenn die verwirbeltel Strömung verwendet wird.

Wie aus der Beschreibung entnehmbar, hat der Teilchenzähler derartige Kon struktionsmerkmale, daß die Bestrahlungsoptik eine Einrichtung zur Lichtin tensitätskompensation aufweist zur Abwandlung der Verteilung der integrierten Werte der Lichtintensität in einer Richtung, die senkrecht steht auf der Fließrich tung der Laserstrahlen, in eine rechteckförmige Verteilung. Ferner weist die De tektoroptik eine Schlitzblende auf mit einem Spalt, dessen Breite in Richtung senkrecht zur Bestrahlungsrichtung der Laserstrahlen am Abbildungspunkt groß genug ist, so daß die Einflüsse der Aberration und der Verschiebung des Brennpunkts reduziert werden können im Vergleich mit bekannten Teilchen zählern. Von besonderem Vorteil ist es, daß die Detektoroptik außerhalb der Strömung und der Strömungsrichtung an jeder beliebigen Position angeordnet werden kann. Dies vereinfacht die Konstruktion des Teilchenzählers und redu ziert seine Außenabmessungen.

Claims

1. Teilchenzähler mit einer Bestrahlungsoptik zur Bestrahlung eines zentra len Bereichs des Strömungsweges eines mit bestimmter und gleichmäßiger Strö mungsgeschwindigkeit fließenden Fluids mittels Laserstrahlen aus einer Rich tung, die mit der Fließrichtung des Fluids einen annähernd rechten Winkel bil det, und mit einer Detektoroptik zur Erfassung von aufgrund im Fluid enthalte nen Teilchen entstehenden Streulichts der Laserstrahlen, dadurch gekennzeich net, daß die Bestrahlungsoptik (A) eine Einrichtung (6) zur Lichtintensitätskom pensation enthält zur Abänderung der Verteilung der integrierten Werte der Licht intensität in einer Richtung (x), die sowohl mit der Fließrichtung (z) des Fluids (S) als auch mit der Bestrahlungsrichtung (y) der Laserstrahlen (L) jeweils einen an nähernd rechten Winkel bildet, in eine Verteilung, die einer angenäherten Recht eckfunktion (Fig. 2) entspricht, und daß die Detektoroptik (B) eine am Abbildungspunkt der Detektoroptik (B) angeordne te Schlitzblende (5) mit einem Spalt (4) enthält, der in einer Richtung (z′), die mit der Bestrahlungsrichtung einen annähernd rechten Winkel bildet, so breit ist, daß er die Abbildung (I) des Streulichts (L′) der Laserstrahlen (L) in dieser Richtung nicht begrenzt.

2. Teilchenzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detek toroptik (B) außerhalb des strömenden Fluids (S) so angeordnet ist, daß die Längs achse der Detektoroptik (B) sowohl mit der Fließrichtung (z) des strömenden Fluids (S) als auch mit der Bestrahlungsrichtung (y) der Laserstrahlen (L) jeweils ei nem annähernd rechten Winkel bildet.

3. Teilchenzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Fließrichtung (z) des strömenden Fluids (S) und der Bestrahlungs richtung (y) der Laserstrahlen (L) größer als 90° ist.

4. Teilchenzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Fließrichtung (z) des strömenden Fluids (S) und der Bestrahlungs richtung (y) der Laserstrahlen (L) kleiner als 90° ist.

5. Teilchenzähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel zwischen der Strömungsrichtung (z) des strömenden Fluids (S), der Bestrahlungs richtung (y) der Laserstrahlen (L) und der Längsachse (x) der Detektoroptik (B) grö ßer als 90° sind.

6. Teilchenzähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel zwischen der Strömungsrichtung (z) des strömenden Fluids (S), der Bestrahlungs richtung (y) der Laserstrahlen (L) und der Längsachse (x) der Detektoroptik (B) kleiner als 90° sind.

7. Teilchenzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsoptik (A) aus einer Zylinderlinse (2) und einem in Bestrah lungsrichtung nachgeschalteten Raumfilter (6) besteht.

8. Teilchenzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsoptik (A) aus einer Zylinderlinse (2) und einer in Bestrah lungsrichtung nachgeschalteten weich abbildenden Blende (6) besteht.

9. Teilchenzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoroptik (B) aus zwei Linsen (3) besteht.