DE4215908A1

DE4215908A1 - Optische Einrichtung zur Bestimmung der Größe von Partikeln

Info

Publication number: DE4215908A1
Application number: DE4215908A
Authority: DE
Inventors: Ubbo Prof Dr Ricklefs
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-05-14
Filing date: 1992-05-14
Publication date: 1993-11-18

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Partikelmeßverfahren für die Reinraumüberwachung und zur Kontrolle hochreiner Flüssigkei ten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei den bekannten Verfahren wird eine Gas- oder Flüssigkeits probe definierter Größe in einer vorgegebenen Zeitspanne durch ein Meßvolumen geführt. Bei der Untersuchung von Flüssigkeiten ist dieses Meßvolumen in der Regel einerseits durch die Küvet tenwände und andererseits durch den Querschnitt der beleuchten den Strahlung definiert. Bei der Untersuchung von Gasen wird das Probengas häufig ohne mechanische Meßvolumenbegrenzung durch den Beleuchtungsstrahlengang gesogen. Der Detektor zur Streulichtanalyse wird so angeordnet, daß möglichst nur Streulicht und keine Primärstrahlung das Meßsignal beeinflußt. In wenigen Fäl len wird auch die Schwächung der Primärstrahlung gemessen.

Partikel können nur dann nachgewiesen werden, wenn das Streu lichtsignal vom Rauschen unterschieden werden kann. Deshalb muß das Signal-Rauschverhältnis optimiert werden. Rauschen entsteht in der Elektronik und durch die Streuung an den Molekülen der Probe. Zur Reduktion des Rauschens wird üblicherweise das Fre quenzband so schmal wie möglich gehalten. Da aber die maximal zulässige Zählrate für ein Gerät nicht beliebig klein gewählt werden kann, darf auch das Frequenzband nicht beliebig verringert werden.

Eine weitere Möglichkeit ist im Patent DE 37 12 665 A1 beschrie ben. Hier wird durch die Verwendung einer Photodiodenzeile das Gesamtmeßvolumen auf mehrere Empfänger verteilt. So wird der Streulichtanteil der Moleküle entsprechend der Aufteilung redu ziert und das Streulichtsignal der Partikel stärker gewichtet.

Ziel der Entwicklung war es, ausgehend von einer gattungsgemäßen Einrichtung neue Einrichtungen zu suchen, die eine Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisse zulassen. Insbesondere wurde nach Verfahren gesucht, die es ermöglichen, den Frequenzbereich für die Signaldetektion zu verschieben, um so günstigere Signal- Rauschverhältnisse zu erlangen.

Bei der gattungsgemäßen Einrichtung wird dies dadurch gelöst, daß das Streulichtsignal der Partikel moduliert ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 11.

Entsprechend Anspruch 12 ist eine Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 und 8 bis 11 geeignet zur auf gabengemäßen Verwendung sowie zur Bestimmung der Probengeschwin digkeit.

Die nähere Beschreibung der Erfindung benutzt die Zeichnungen (Fig. 1 bis Fig. 7), welche den schematischen Aufbau der opti schen Einrichtung zur Bestimmung der Größe von Partikeln dar stellen.

Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 4 zeigen zunächst zwei typische Meßan ordnungen, wie sie für die Untersuchung von Gas- und Flüssig keitsströmungen üblich sind, indem die Beleuchtungseinrichtung (1) das Meßvolumen (3) beleuchtet und das Streulicht über eine Optik (6) auf den Empfänger (7) abgebildet wird. Die Probe wird über eine Vorrichtung (8) durch das Meßvolumen geführt. In der Regel ist dies bei Gasströmen eine Düsenanordnung und bei Flüs sigkeitsströmungen eine Küvette. Üblicherweise wird die Primär strahlung hinter dem Meßvolumen durch eine Lichtfalle (5) ab sorbiert, um kein Streulicht über die Wandungen und Glasober flächen in den Empfänger gelangen zu lassen. Anders als bei den üblichen Meßverfahren ist das Meßsignal bei einer Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 13 zeitlich moduliert.

Dies geschieht z. B. dadurch, daß ein Ortsfrequenzmuster (9) im Meßvolumen (3) erzeugt wird (Fig. 1, Fig. 2). Dies kann durch Gitter, HOEs usw. (2) geschehen, die zwischen Beleuchtungsein richtung (1) und Meßvolumen angebracht werden. Ein Partikel (10), das dieses Ortsfrequenzmuster durchläuft (Fig. 3a), er zeugt ein entsprechend moduliertes Meßsignal (Fig. 3b). Da das Ortsfrequenzmuster dem Meßsignal entspricht, d. h. das Meßsignal wird je nach Probengeschwindigkeit gedehnt, liefert der Ver gleich mit dem Meßsignal die aktuelle Probengeschwindigkeit. Bei dem in Fig. 3 gezeigten einfachen Beispiel ist der Abstand Δx (11) bekannt. Die Zeitspanne Δt (12), die zum Durchlaufen der Strecke Δx benötigt wird, wird gemessen. Die Geschwindigkeit v entspricht dann v=Δx/Δt.

Um ein Ortsfrequenzmuster im Meßvolumen zu erzeugen, kann man ebenso eine Lichtquelle verwenden, die eine starke Strukturie rung im Nah- oder Fernfeld aufweist. Durch eine Optik wird diese Struktur ins Meßvolumen abgebildet. Lichtquellen dieser Art sind z. B. Laserdioden- oder Leuchtdiodenzeilen.

Eine weitere Möglichkeit, das Streulichtsignal zu modulieren besteht darin (Fig. 4, Fig. 5), daß die Leistung der Strahlungs quelle moduliert wird. Dies wird bei einer Reihe von Lichtquellen am einfachsten durch die Modulation der zugeführten elek trischen Leistung (14) erreicht. Einige Lichtquellen wie Laser dioden, Laserröhren und Halogenlampen lassen sich auch gut durch Modulation der Temperatur in ihrer Ausgangsleistung modulieren. Wird ein Chopper (13) zwischen Lichtquelle (1) und Meßvolumen (3) angeordnet, so hat dies für die Modulation der Streustrah lung den gleichen Effekt.

Bei der Verwendung von Lasern als Strahlungsquelle kann die Wellenlänge vielfach durch Strom (30)- oder Temperaturmodulation geändert werden. Wird die Beleuchtungseinrichtung in der Form eines open- oder external-cavity Resonators (15) gebildet, so befindet sich das Meßvolumen (3) innerhalb des Resonators. In dem Resonator bildet sich eine stehende Welle. In Fig. 6a ist eine external-cavity-Anordnung dargestellt. Die Laserdiode (16) mit ihren integrierten Resonatorspiegeln (15) wird durch ein Objektiv nach unendlich abgebildet. Der externe Spiegel (15) bildet mit den Spiegeln der Laserdiode den externen Resonator. Durch die Änderung der Wellenlänge wird die Lage der Bäuche (22) und Knoten (21) verschoben. Dadurch wird das Partikelsignal moduliert. Fig. 6b soll diesen Vorgang für den Ausschnitt 20 verdeutlichen. Da die Bäuche und Knoten an verschiedenen Stellen im Resonator unterschiedlich schnell durchlaufen, wird das Sig nal - abhängig von der Position im Resonator - mit unterschied licher Frequenz moduliert. Dadurch kann das gesamte Frequenzband aufgeteilt werden. Jedem Teilband entspricht eine Position im Meßvolumen. Die Wahl des Frequenzbandes hat damit einen ähnli chen Effekt, wie die Aufteilung des Meßvolumens auf mehrere Dioden, die in dem oben angegebenen Patent beschrieben ist.

Beleuchtet man das Meßvolumen mit zwei Strahlungsströmen (43, 44), deren Phasenlage gegeneinander definiert ist, so ent stehen im Überlagerungsbereich Interferenzmuster (Fig. 7). Be sitzen die beiden Strahlungsströme nicht dieselbe optische Achse (45), so entsteht das Interferenzmuster (44) geneigt zur opti schen Achse. Ein Partikel erzeugt beim Durchlaufen des Ortsfre quenzmusters ein moduliertes Streusignal.

Durch eine Modulation der Phasenlage wandert das Interferenzmuster. Erreichen kann man dies beispielsweise mit einem Aufbau nach Fig. 7, indem man das Meßvolumen durch eine Laserdiode (16) über ein Objektiv (17) direkt beleuchtet und das Licht hinter dem Meßvolumen mit einem Spiegel (42) erneut auf das Meßvolumen abbildet. Wird jetzt mit einem Piezoantrieb (40) die Lage des Spiegels moduliert (46), so erhält man eine Modulation der Pha senlage zwischen den beiden Lichtströmen, die das Meßvolumen beleuchten.

Einen ähnlichen Effekt wie der Piezoantrieb hat ein Elektro optischer Modulator, der zwischen Meßvolumen (3) und Spiegel (42) angeordnet wird.

Claims

1. Optische Einrichtung zur Bestimmung der Größe von Partikeln, bestehend aus
einem Meßvolumen (3)
einer Vorrichtung (4), die es ermöglicht, eine auf Partikel (10) zu untersuchende Probe (8) durch das Meßvolumen zu leiten,
einer Beleuchtungseinrichtung (1) für das Meßvolumen,
einer Abbildungseinrichtung (6) mit Detektor (7), die das im Meßvolumen entstehende Streulicht detektiert, dadurch gekennzeichnet, daß die das Meßvolumen beleuchtende Strahlung derart moduliert ist, daß das Meßsignal zeitlich moduliert ist.

2. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Strahlung im Meßvolumen (3) durch ein optisches Bauteil, das zwischen Lichtquelle und Meßvolumen an geordnet ist, mit einer Ortsfrequenzverteilung (9) moduliert ist.

3. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Lichtquellenstrahlung modulierende optische Bauteil (2) ein Phasen- oder Amplitudengitter ist.

4. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Lichtquellenstrahlung modulierende optische Bauteil (2) eine Zonenplatte, ein Holographisch Opti sches Element oder ein Akusto Optischer Modulator ist.

5. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Strahlungsleistung der Lichtquelle zeit lich moduliert wird.

6. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsleistung durch mindestens ein zusätzliches Bauteil (13), das im Strahlengang zwischen Licht quelle und Meßvolumen angebracht ist, zeitlich moduliert wird.

7. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsleistung der Lichtquelle durch definierte Änderung der Betriebsbedingungen (14) zeitlich modu liert wird.

8. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß als Lichtquelle ein Laser (16) verwendet wird, daß das Meßvolumen (3) innerhalb eines Resonators (15) liegt und daß die Wellenlänge des Lasers moduliert wird (30).

9. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal durch mehrere gegeneinander abgestufte Filter analysiert wird.

10. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß im Meßvolumen ein Interferenzmuster erzeugt wird, indem das Meßvolumen durch zwei Strahlungsströme beleuch tet (43, 44) wird.

11. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 10, da durch gekennzeichnet, daß die Phasenlage der beiden Strahlungs ströme durch einen elektrooptischen Modulator oder ein elek tromechanisches Verschiebeelement (40) moduliert wird.

12. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 10, da durch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle im Meßvolumen eine Ortsfrequenzmodulation hervorruft.

13. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 12, da durch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laserdiodenarray oder eine Leuchtdiodenzeile ist.

14. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bis 4 und 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Vergleich des zeitlich modulierten Streulichtsignals (12) mit dem bekannten Ortsfrequenzmuster (11) auf die Probengeschwindigkeit geschlos sen wird.