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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Teilchengrößenbestimmung
der Art, welche eine Laserbeugung verwendet, um die Teilchengröße zu messen.
Die vorliegende Erfindung verwendet im besonderen, zusammen mit
andere Komponenten, einen Monomode-Lichtleiter zum Erzeugen eines
Lichtstrahls mit einem hohen Grad an räumlicher Kohärenz in
einem Raumfilter, der einfach auszurichten, ersetzbar, stabil und
kosteneffektiv ist.
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Stand der Technik
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Die
Verwendung einer Laserlichtbeugung, um eine Teilchengröße zu messen,
ist eine weit bekannte Technik. Laserbeugung ist ein Verfahren zur Teilchengrößenbestimmung,
welches die durchschnittliche relative Winkelintensität des gestreuten Lichts
nutzt. Instrumente, welche eine Beugung von Laserlicht nutzen, um
die Teilchengröße zu messen, sind
seit vielen Jahren von einer Vielzahl unterschiedlicher Hersteller
erhältlich.
Alle Laserbeugungsinstrumente verwenden das gleiche grundsätzliche
Verfahren, um die Teilchengröße zu messen. Alle
Laserbeugungsinstrumente benötigen
einen Strahl monochromatischen Lichts mit einer sehr gleichförmigen Wellenform.
Dieser Strahl von Laserlicht wird auf die auszumessenden Probenteilchen gerichtet.
Wenn das Licht auf die Teilchen trifft, wird das Licht von den Teilchen
gebeugt oder gestreut. Detektoren werden verwendet, um die relative Durchschnittsintensität des Streulichts
von dem Probenmaterial unter verschiedenen Winkeln zu messen. Sobald
die relative Intensität
des gestreuten Lichts von den Teilchen unter verschiedenen unterschiedlichen
Winkeln bekannt ist, kann die Teilchengröße und Teilchenverteilung berechnet
werden.
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Die
Fähigkeit,
genaue Messungen der Teilchengröße durchzuführen, steht
direkt mit der Qualität,
seiner räumlichen
Kohärenz,
des Strahls in Beziehung, welcher die Probenteilchen beleuchtet.
Dieser monochromatische Lichtstrahl muss hochgradig kollimiert bzw.
parallelgerichtet sein, was bedeutet, dass alle Lichtstrahlen, die
in dem Strahl laufen, parallel zueinander sind.
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Damit
ein Lichtstrahl hochgradig kollimiert ist, muss das Licht eine sehr
gleichförmige
Wellenfront von der Lichtquelle haben. Idealerweise würde die
Lichtquelle ein perfekter Punktstrahler sein, der infinitesimal
klein ist. Auch muss die Lichtquelle frei von einer Beugung sein,
welche durch Staubpartikel in der Luft bewirkt werden könnte oder
weil der Lichtstrahl teilweise verdeckt ist. Zusätzlich müssen jegliche optische Linsen,
die zur Kollimierung bzw. Parallelrichtung des Lichtstrahls verwendet
werden, frei von Oberflächen-
und Materialfehlern bzw. – ungänzen sein,
welche ebenfalls eine Lichtbeugung bewirken würden. Zu guter Letzt müssen jegliche
optische Linsen zur Kollimierung des Strahls so ausgelegt sein,
dass sie jegliche Aberration bzw. Abbildungsfehler, die durch die
Linsen selbst bewirkt wird, minimieren. Diese Eigenschaften sind
notwendig, um hochauflösende
Größenmessungen
zu erreichen.
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Eine
Vorrichtung und ein Verfahren unter Verwendung einer Laserbeugung,
um Teilchen zu messen, ist wesentlich verschieden von einer Vorrichtung
und einem Verfahren mit dynamischer Lichtstreuung zur Teilchenanalyse.
Eine dynamische Lichtstreuung benötigt eine Messung der Zeitfluktuation
bzw. des Zeitunterschieds oder des Leistungs- bzw. Energiespektrums
des gestreuten Lichts. Dagegen benötigt die Laserbeugung eine
Messung der durchschnittlichen bzw. gemittelten relativen Winkelintensität des gestreuten
Lichts bei einer Mehrzahl von Messwinkeln, was keine zeit- oder
frequenzbasierte Messung ist. Die grundsätzlichen Unterschiede zwischen
Struktur, Verfahren und optischen Anforderungen von Laserbeugung
im Gegensatz zur dynamischen Lichtstreuung sind den Fachleuten bekannt. Jedoch
mögen einige
komplizierte und feine Unterschiede der Laserbeugung den Fachleuten
auf dem Gebiet der dynamischen Lichtstreutechnologie nicht so bekannt
sein.
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Bei
Laserbeugungsgeräten,
wie beispielsweise den COULTER® LS und Wettbewerbergeräten, wird
ein räumliches
Filtern des Laserstrahls verwendet, um den oben besprochenen Strahl
mit hoher räumlicher
Kohärenzqualität zu erzeugen,
und dies ist einer der wichtigsten Aspekte des Instruments. Bei dem
COULTER LS wird, um die kleine Winkelablenkung des Laserstrahls
zu messen, die durch Beugung an sehr großen Teilchen, wie beispielsweise
mit einer Größe von neunhundert
Mikrometern (900 μm), erzeugt
wird, das bei so kleinen Winkeln wie 0,05 Millirad (mR) gestreute
Licht gemessen, und eine Winkelauflösung von ungefähr 0,05
mR ist wünschenswert.
Um dieses Niveau an Strahlqualität
zu erreichen, muss der Laserstrahl auf ungefähr dreizehn (13) mm aufgeweitet
werden, und ein beugungsbegrenzter Strahl dieses Durchmessers muss
durch die kollimierende Optik gebildet werden. Ein beugungsbegrenzter
Gausscher Strahl von dreizehn (13) mm Durchmesser mit einer Wellenlänge von
siebenhundertfünfzig
Nanometern (750 nm) hat eine Divergenz von 0,04 mR. Jede ernsthafte
Abweichung zwischen dem gewünschten
Niveau an räumlicher
Kohärenz und
Kollimation und der tatsächlichen
Leistung führt zu
einer Verschlechterung in der Auflösung des Instruments.
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Alle
Instrumente zur Teilchengrößenbestimmung,
die auf Laserbeugungstechniken basieren, verwenden ein Raumfilter,
um diese sehr hohe Laserlichtstrahlqualität bereitzustellen. All diese
Raumfilter verwenden eine Lochblende zusammen mit anderen optischen
Elementen, um den Lichtstrahl mit der benötigen Qualität zu erzeugen.
Eine Lochblende ist ein kleines, kreisförmiges Loch in einem dünnen, ebenen Stück eines
festen, lichtundurchlässigen
Materials. Ein typisches Lochblenden-Raumfilter ist auf die folgende
Weise aufgebaut. Eine Lichtquelle, wie beispielsweise eine Laserdiode,
beleuchtet einen kreisförmigen
Strahlstopper ("beam
stop"), welcher
den Lichtstrahl kreisförmig
macht. Der kreisförmige
Lichtstrahl durchläuft
dann ein System optischer Linsen. Diese Linsen fokussieren den Laserstrahl
weiter auf die Lochblende, welche typischerweise zwischen zwanzig
und fünfzig
(20 – 50) μm im Durchmesser misst,
was es dem Großteil
des Lichtstrahls erlaubt, die Lochblende zu passieren. Jegliche
Verunreinigungen in dem Laserlicht, die durch Beugung oder eine
Linsenaberration bewirkt werden, passieren die Lochblende nicht,
sondern werden durch das die Lochblende umgebende lichtundurchlässige Material abgeblockt.
Das durch die Lochblende hindurchgehende Licht ist dann "sauber", außer für einige
durch die Lochblende selbst erzeugte Beugungsringe. Diese Beugungsringe
werden durch einen weiteren Strahlstopper entfernt, welcher sich
an dem genauen Minimum des ersten Beugungsrings befindet. Als letztes
kollimiert eine Linse diesen divergierenden bzw. auseinanderlaufenden
kreis förmigen
Lichtstrahl an der Stelle, an welcher der gewünschte Strahldurchmesser, dreizehn
(13) mm im Fall des COULTER LS, erreicht ist, wodurch ein hochgradig
kollimierter Lichtstrahl mit einer gleichförmigen Wellenfront erzeugt
wird, welcher zur Teilchengrößenbestimmung
durch Laserbeugung verwendbar ist.
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Während das
Lochblendenverfahren zum Erzeugen dieses Lichtstrahls effizient
arbeitet, hat es in der Praxis viele Probleme. Zunächst müssen, um den
größten Teil
des Lichts von der Laserquelle durch die Lochblende zu führen, die
optischen Elemente, einschließlich
der Quelle, des ersten Strahlstoppers, der Linsen und der Lochblende,
genau fokussiert und innerhalb einiger Mikrometer ausgerichtet sein.
Dies bedingt die Verwendung sehr komplizierter und teurer mechanischer
Elemente, um die feine Auflösung bereitzustellen,
die diese Justierungen benötigen. Zusätzlich kann
die Zeit, die benötigt
wird, um die Anordnung ausreichend zu justieren, viele Stunden betragen.
Zweitens kann die Anordnung, wenn sie voll ausgerichtet ist, einfach
durch mechanische Verformungen von einem Einspannen oder durch Temperaturänderungen
verstellt werden, welche die verschiedenen Komponenten dazu bringen,
sich entsprechend ihrer jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auszudehnen. Auch können
Stöße und Rütteln während eines
Verschickens des Instruments bewirken, dass die Lochblendenanordnung
verstellt wird, was zu einem teuren und zeitaufwendigen Außendiensteinsatz
führt.
Sobald sie sich in Verwendung in dem Labor befindet, muss die gesamte
optische Anordnung für
einen Teileaustausch und die dann folgende zeitaufwendige, teure
optische Wiederausrichtung zur Fabrik zurückgeschickt werden, falls eine
Komponente im optischen Pfad des Raumfilters ausbrennt oder beschädigt wird.
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Daher
wäre es
für eine
Laserbeugungs-Teilchenanalysevorrichtung vorteilhaft, die Lochblendenart
der Raumfilteranordnung zu verbessern, um die oben angesprochenen
Nachteile zu verringern oder zu beseitigen. Falls alternativ die
Lochblende und andere zugehörige
Komponenten ersetzt werden könnten,
um eine Anordnung bereitzustellen, welche viel stabiler, viel unempfindlicher
gegenüber
Verformungen ist, die durch thermische Effekte, Stoß und Rütteln auf treten,
sehr wenig Ausrichtung benötigt
und kostengünstiger
ist, würde
eine solche Ersetzung ein lange bestehendes Bedürfnis befriedigen.
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Viele
Geräte,
beispielsweise diejenigen, die in einer oder mehreren der im folgenden
aufgelisteten Veröffentlichungen
beschrieben werden, verwenden unterschiedliche Formen von Lichtleitern,
einschließlich
monomodalen und multimodalen Leitern, in Licht übertragenden und Licht detektierenden
Anordnungen. Jedoch beschreibt keine der Geräte nach dem Stand der Technik
eine Monomodelichtleiter-Vorrichtung in einem Raumfilter, welche
in der Lage ist, den hochqualitativen Lichtstrahl bereitzustellen,
welcher für
eine Teilchengrößenbestimmung unter
Verwendung von Laserbeugungstechniken verlangt ist.
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- US-Patent 4,953,978, Steven E. Bott et al., Coulter: Electronics
of New England, Inc., PARTICLE SIZE ANALYSIS UTILIZING POLARIZATION
INTENSITY DIFFERENTIAL SCATTERING.
- US-Patent 4,975,237, Robert G.W. Brown, The Secretary of State
for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of
Great Britain and Northern Ireland: DYNAMIC LIGHT SCATTERING APPARATUS.
- US-Patent 5,056,918, Steven E. Bott et al., Coulter, Electronics
of New England, Inc., METHOD AND APPARATUS FOR PARTICLE SIZE ANALYSIS.
- Juskaitis, R., et al., 1992, Electronics Letters Band 28(11),
FIBRE-OPTIC BASED CONFOCAL SCANNING MICROSCOPY WITH SEMICONDUCTOR
LASER EXCITATION AND DETECTION.
- Brown, R.G.W., et al., 1987, J.Physics E., Band 20, MONOMODE
FIBRE COMPONENTS FOR DYNAMIC LIGHT SCATTERING.
- Brown, R.G.W., 1988, HMSO, MINIATURE INSTRUMENTATION FOR LASER
LIGHT SCATTERING EXPERIMENTS.
- Knuhtsen, J., et al., 1982, The Institute of Physics, FIBRE
OPTIC LASER DOPPLER ANEMOMETER WITH BRAGG FREQUENCY SHIFT UTILISING
POLARISATION-PRESERVING SINGLE-MODE FIBRE.
- Brown, R.G.W., 1987, Applied Optics, Band 26(22), DYNAMIC LIGHT
SCATTERING USING MONOMODE OPTICAL FIBERS.
- Dabbs, T., et al., 1992, Applied Optics, Band 31(16), FIBER
OPTIC CONFOCAL MICROSCOPE: FOCON.
- Brown, R.G.W., 1987, DESIGNS OF FIBRE OPTIC PROBES FOR LASER
ANEMOMETRY: Paper 9, Second International Conference on Laser Anemometry – Advances
and Applications, Strathclyde, UK.
- Siehe auch US-Patent 4,871,251.
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US-Patent
4,975,237 an Brown bezieht sich auf die Verwendung von Monomode-Lichtleitern
in einer Lichtdetektoranordnung in einer Vorrichtung zur dynamischen
Lichtstreuung. Brown beschreibt die Ersetzung einer Lochblende vor
einem Photodetektor durch einen Monomode-Lichtleiter, dessen Zweck es
ist, eine kleine Lichtfläche
von einer großen
Menge von den Teilchen gestreuten Lichts zu isolierten. Brown verwendet
einen Monomode-Lichtleiter einfach deshalb, weil der Kerndurchmesser
des Monomode-Lichtleiter ungefähr
der richtigen Größe entspricht,
um eine einzelne Kohärenzfläche des
gestreuten Lichts zu isolieren. Brown verwendet einen Lichtleiter
nicht als Lichtzuführungs-
und Filtergerät, das
für eine
Laserbeugung geeignet ist. In 1 von Brown
ist ein Monomode-Lichtleiter in einem Strahlzuführungspfad gezeigt. Brown lehrt
jedoch keine Vorteile eines Raumfilterns unter Verwendung des Monomode-Lichtleiters, noch
legt er dieses nahe, weil das Verfahren zur dynamischen Lichtstreuung dieses
Geräts
nicht die für
eine Vorrichtung zur Größenbestimmung
durch Laserbeugung benötigte
Qualität
benötigt.
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Andere
Vorrichtungen, wie beispielsweise das konfokale Mikroskop von Juskaitis
et al., verwenden Monomode-Lichtleiter sowohl für die Zuführung als auch die Detektion
von Licht. Solche Geräte
und ihre Verfahren beziehen sich nicht auf eine Teilchengrößenbestimmung
mittels Laserbeugung und lehren nicht die Verwendung von Monomode-Lichtleitern
in Raumfilteranordnungen für
dieselben.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Teilchengrößenbestimmung
mittels Laserbeugung gemäß der Patentansprüche 1 bzw.
2 bereitgestellt. Bevorzugte Ausführungsformen lassen sich den
abhängigen
Ansprüchen
entnehmen.
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Es
wurde entdeckt und gezeigt, dass ein Monomode-Lichtleiter in einer
Raumfilteranordnung verwendet werden kann, um die Filtervorteile
herkömmlicher,
Lochblenden-basierter Raumfilteranordnungen bereitzustellen, um
die räumlich
saubere, mit einer gleichförmigen
Wellenfront versehene Punktquelle monochromatischen Lichts zu erzeugen,
welche für
Laserbeugungstechniken der Teilchengrößenbestimmung benötigt wird.
Die erlangte Lichtpunktquelle ist näher an der idealen Punktquelle.
Die räumliche
Kohärenz
ist insbesondere hochgradig. Die Lichtleiter-basierende Filteranordnung
stellt die zusätzlichen
Vorteile bereit, dass sie preiswerter, stabiler, einfacher auszurichten
und widerstandsfähiger gegenüber thermischen
und Vibrations-Effekten ist.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
dieser Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezug auf die zu dieser
Beschreibung gehörigen
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
schematische Darstellung eines typischen herkömmlichen Lochblenden-Raumfilters nach
dem Stand der Technik ist;
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2 eine
Teilschnittdarstellung in Seitenansicht eines Lichtleiter-basierten
Raumfilters unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
schematische Darstellung einer Laserbeugungsvorrichtung unter Verwendung
der Lichtleiter-basierten Raumfilteranordnung unter Verwendung der
Erfindung ist; und
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4 eine
schematische Darstellung, ähnlich
zu 3, ist, welche eine Umkehr-Fourier-Linse verwendet.
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Arten zum Durchführen der
Erfindung
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Wie
in der schematischen Ansicht von 1 der Zeichnungen
dargestellt, umfasst ein herkömmliches,
Lochblenden-basiertes Raumfilter 10 nach dem Stand der
Technik allgemein: eine lichterzeugende Laserdiode 12,
den Strahl 14, welcher zu einem ersten kreisförmigen Strahlstopper 16 weitergeleitet
wird, welcher so arbeitet, dass er unerwünschte Umgebungslichtstrahlen
beseitigt und den Lichtstrahl kreisförmig macht; Fokussierlinsen 18 und 20,
ein Lochblendenelement 22; einen zweiten Strahlstopper 24,
um Beugungsringe zu entfernen, welche durch Teile des Strahls 14 erzeugt
werden, welche die Kanten der Lochblende 22 treffen; und
letztlich wird der Laserlichtstrahl durch eine Linse 26 kollimiert
und zu einer eine Probe enthaltenen Zelle, Durchgang oder Flusspfad
(nicht gezeigt) zur Größenbestimmung
bestimmter darin enthaltener Materie weitergeführt. Der zweite Strahlstopper 24 und
die kollimierender Linse 26 sind notwendige Teile der Raumfilteranordnung
nach dem Stand der Technik. Verunreinigungen in den Linsen 18 und 20 und Staubteilchen
zwischen der Laserquelle und der Lochblende kann einige Beugung
des Strahls 14 bewirken und unerwünschte oder "schmutzige" Lichtstrahlen erzeugen,
welche die Lochblende 22 nicht passieren, sondern abgeblockt
werden.
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Im
Gegensatz zum oben aufgeführten
Stand der Technik wird in 2 der erfindungsgemäße Lichtleiter-basierte
Raumfilter der Vorrichtung zur Teilchengrößenbestimmung mittels Laserbeugung gezeigt
und nun beschrieben. Die Vorrichtung zur Teilchengrößenbestimmung
mittels Laserbeugung, welche die neuartige Wellenleiter-basierte
Raumfilteranordnung gemäß dieser
Erfindung umfasst, ist in den 3 und 4 der
Zeichnungen dargestellt.
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Wie
in 2 gezeigt, umfasst eine Monomode-Lichtleiter-basierte
Raumfilteranordnung 30 gemäß der bevorzugten Ausführungsform
viele Elemente. Ein erstes steifes, vertikales Halterungselement 32 hält eine
Laserdiode an einem Lichtleiterkoppler 34, welcher das
Licht von einer Laserdiode (nicht gezeigt) in ein Monomode-Lichtleiterkabel 36 einkoppelt.
Der Aufbau von Lichtleiterkopplern ist weit verfügbar, wie sie auch in der Telekommunikationsindustrie
verwendet werden. Das Lichtleiterkabel 36 wird auf ungefähr 6 m Länge zugeschnitten.
Die bestimmte Länge
ist für
die Erfindung nicht kritisch, muss aber ausreichend lang sein, so
dass das durch den Mantel (nicht gezeigt) des Leiters hindurchgehende
Fremdlicht so weit gedämpft
wird, dass es der Ausgabe eines sauberen, räumlich gefilterten Strahls nicht
abträglich
ist. Der Lichtleiter-Optokoppler 34 wird
durch eine Leiterplatte 38 gehalten, welches ein Einbau- bzw. Montageelement
für individuelle
Schaltkreiskomponenten 40 bereitstellt, die nicht weiter
beschrieben werden, welche einen elektrischen Strom bzw. eine elektrische
Leistung an die Laserdiode anlegen (nicht gezeigt). Die Leiterplatte 38 wird
durch das erste steife Halterungselement 32 gestützt, welches
selbst auf einem steifen Trägerelement 42 aufliegt.
Das Halterungselement 32 hält auch eine kurze zylindrische
Schale oder Rohr 44. Die 6 m Länge des Lichtleiterkabels 36 werden
um das zylindrische Rohr 44 herum gewickelt, um eine vergleichsweise
kleine und kompakte Anordnung 46 zu schaffen, welche im folgenden
durch eine Einschweiß-
bzw. Schrumpffolien-Abdeckung 48 abgedeckt ist, welche
das Kabel vor einer Beschädigung
durch eine Handhabung schützt.
Ein sich nach vorne erstreckendes Ende 50 des Lichtleiterkabels 36 schließt mit einer
Lichtleiterverbindung 52 ab, um es der Anordnung 46 zu
erlauben, im Feld ersetzt zu werden, falls Teile davon beschädigt werden
oder ausbrennen.
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Der
Lichtleiter
36 ist ein Monomode- (Einzelmoden-) Lichtleiter
mit einem Kerndurchmesser von ungefähr fünf (5) μm und einem Manteldurchmesser von
einhundertfünfundzwanzig
(125) μm.
Ein Lichtleiter ist als ein Einzelmode für eine gegebene Lichtwellenlänge definiert,
wenn die normalisierte Frequenz (V-Zahl) des Leiters geringer oder
gleich 2,405 ist. Die V-Zahl wird folgendermaßen berechnet:
wobei:
- NA =
- numerischer Blendendurchmesser
des Leiters (dimensionslos)
- a =
- Radium des Leiterkerns
(μm)
- λ =
- Lichtwellenlänge (μm).
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung betrug der numerische Blendendurchmesser
des Lichtleiters 0,11, die Wellenlänge des Laserlichts 750 nm
und der Radius des Leiterkerns 2,5 μm. Diese Ausgestaltung erreicht
eine V-Zahl von 2,30.
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Leiterkoppler,
wie beispielsweise der Koppler 34, weisen typischerweise
Mittel zum Befestigen der Laserdiode relativ zu einer Linse auf,
welche das Licht auf die Eintrittsfläche des Lichtleiters fokussiert. Leiterkoppler
können
mit unterschiedlichen Graden an Kopplungseffizienz besorgt werden,
im Allgemeinen aber mit weniger als 45 %; dies bedeutet, dass nur
45 % der Ausgabe- bzw. Austrittsleistung der Laserdiode in den Lichtleiter
eingekoppelt wird. Jedoch ist diese Kopplungseffizienz ein- bis
dreimal besser als die für
eine typische Lochblenden-basierte Filteranordnung aufgefundene
Effizienz. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird eine Laserdiode mit einer fünf Milliwatt (5 mW) Ausgangsleistung
in den Lichtleiter 26 mit ungefähr 20 Effizienz eingekoppelt,
um eine Ausgabeleistung des Leiters von ungefähr einem (1) mW zu erzeugen.
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Das
meiste Licht, das in den Lichtleiter eingekoppelt wird, läuft durch
den Kern des Lichtleiters, aber ein Teil des Lichts wird in den
Mantel des Lichtleiters eingekoppelt. Dieses "Mantellicht" kann eine Quelle für eine sehr schlechte Leis tung
des Raumfilters sein, falls es nicht adäquat ausgelöscht wird. In der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Lichtleiter vergleichsweise
langer Länge
verwendet, nämlich
von ungefähr
6 m, um es dem durch den Mantel laufenden Licht zu erlauben, aufgrund
der inhärenten
hohen Dämpfungsverluste
des Mantels ausgelöscht
zu werden. Alternativ könnte
dieses Mantelmodenlicht aus dem Mantel durch Verwendung eines Brechungsindex
abgestimmten Gels entfernt werden, welches den Mantel entlang des
Leiters umgibt.
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Nachdem
das durch den Leiter laufende Mantellicht ausreichend abgedämpft worden
ist, verlässt
das Licht das Ende des Leiters bzw. der Faserdurch seinen Kern (5 μm Durchmesser).
Dieser Kerndurchmesser, der mit Licht von siebenhundertfünfzig (750)
nm verwendet wird, bewirkt, dass die Lichtausgabe des Monomode-Lichtleiters
näher an
einer idealen Punktlichtquelle ist als das typische Lochblendenraumfilter,
welches eine Lochblende von zwanzig bis fünfzig (20 – 50) μm Durchmesser verwendet. Auch
besteht aufgrund des Kerndurchmessers und der begrenzten numerischen
Blendenöffnung
bzw. Apertur der Lichtausgabe von einem Monomode-Lichtleiter keine
Notwendigkeit für
den zweiten Strahlstopper 24, der in dem Lochblenden-artigen Filter
aus 1 nach dem Stand der Technik benötigt wird.
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Die
Lichtleiterverbindung 52 ist durch ein zweites steifes,
vertikales Halterungselement 54 angebracht, welches ebenfalls
an dem Trägerelement 42 befestigt
ist. Der Laserlichtstrahl 56 tritt aus dem Ende oder der
Spitze 58 des Lichtleiters 36 aus. Aufgrund der
Natur des Monomode-Lichtleiters hat das aus dem Lichtleiter austretende
Licht eine Wellenfrontenverzerrung von typischerweise weniger als λ/10, ist
kreisförmig,
hat ein Gauss'sches
Intensitätsprofil
und divergiert gemäß der numerischen
Blendenöffnung
des Leiters, welche in der bevorzugten Ausführungsform 0,11 betrug. In
der bevorzugten Ausführungsform
hat der Ausgabestrahl 56 einen hohen Grad räumlicher
Kohärenz
und kann auf ungefähr
dreizehn (13) mm im Durchmesser ausgedehnt werden, bevor er kollimiert
bzw. parallelgerichtet wird.
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Die
Lichtwellenverbindung 52 wird mit einem weiblichen Verbindungselement 60 verbunden,
welches wiederum an einer steifen Positionierscheibe 62 angebracht
ist. Während
eines Zusammenbaus erlaubt es die Scheibe 62 der Spitze 58 des
Lichtleiters 36, statisch zur nominalen Mittenposition
eines Paars kollimierender oder strahlformender Linsen 64 und 66 zentriert
zu werden. Die Positionierscheibe 62 wird durch Anziehen
von Schrauben 67 an einem zweiten, vertikalen Haltungselement 68 an
ihrem Platz gehalten, welches ebenfalls auf dem Trägerelement 42 montiert
ist.
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Die
Positionierscheibe 62 befindet sich innerhalb eines Positionierrings 70,
welcher eine Einbaumöglichkeit
für zwei
Justierschrauben 72 (von denen nur eine gezeigt ist) vorsieht.
Die Justierschrauben 72 bewegen die Positionierscheibe 62 und
dadurch die Leiterspitze 58 sowohl in X- als auch in Y-Achsenrichtung,
wodurch der Lichtstrahl 56 auf die nominelle Mitte der
strahlformenden Linsen 64 und 66 zentriert werden
kann. Sobald die Positionierscheibe 62 zentriert ist, werden
die Verschlussschrauben 67 angezogen, wodurch sie die Position der
Scheibe 62 an dem vertikalen Halterungselement 68 und
dem Trägerelement 42 festsetzen.
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Die
Linsen 64 und 66 sind in einer Linsenfassung 74 angeordnet,
welche an einem Linsenrohr 76 befestigt ist, welches entlang
der Z-Achse durch ein blockähnliches
Halterungselement 78 hindurch verschiebbar ist, wobei es
ein solches Verschieben den Linsen erlaubt, fokussiert zu werden.
Sobald das Fokussieren durchgeführt
wurde, hält
eine Feststellschraube (nicht gezeigt) das Linsenrohr 76 in
Bezug auf das Halterungsblockelement 78 fest an seinem Platz.
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Die
Linsen 64 und 66 werden relativ zu den X- und
Y-Achsen durch Bewegen des Blocks 78 positioniert. Dieser
Block 78 wird von dem Halterungselement 54 durch
vier gleichbeabstandete, an Ecken aufgelegte und flexiblen drahtähnliche
Elementen 80 flexibel gehalten, welche sich von dem ersten
Halterungselement 54 in Vorwärtsrichtung durch Durchgangslöcher bzw.
Durchsteckbohrungen in dem zweiten vertikalen Halterungselement 68 zum
Block 78 erstrecken. Durch Verwendung von zwei Schrittmotoren 82 (von
denen nur einer gezeigt ist) wird der Block 78 in einer
X-Y-Ausrichtung und Kombinationen daraus positioniert. Dieser flexible
Aufbau erlaubt es der Laserbeugungsvorrichtung, den Lichtstrahl 56 in
Bezug auf den Rest der Vorrichtung dynamisch auszurichten.
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Wie
in der schematischen Ansicht von 3 zu sehen,
wird die Vorrichtung zur Teilchengrößenbestimmung mittels Laserbeugung,
welche die vorliegende Einzelmoden-Lichtleiter-basierte Filteranordnung 30 enthält, mit
dem kollimierten Laserlichtstrahl 56 gezeigt, welcher in
einen Probendurchgang 84 hinein und hindurch geht, durch
welchen sich Feststoffe bzw. Partikel enthaltende Materie 86 mit
verschieden großen
Teilchen in Richtung des Pfeils 88 bewegt oder strömt. Der
Durchgang 84 kann eine Strömungszelle, ein in Luft strömender Probenstrom
oder ein Strom von Proben sein, die von einem anderen Medium überzogen
sind. Es ist für
die Teilchenprobe nicht notwendig, dass sie strömt. Die Teilchen 86 (die in
dieser Figur aus Vereinfachungsgründen die gleiche Größe aufweisen)
beugen bzw. brechen etwas des einfallenden Laserlichtstrahls gemäß der gut
bekannten Fraunhofer-Beugung und anderer Streutheorien. Das aus
dem Strahl gebrochene Licht besteht aus einer Vielzahl von gebeugten
bzw. gebrochenen Lichtstrahlen 90, die sich von den Teilchen
weg ausbreiten, wie es in 3 dargestellt
ist. Der Winkel des bezüglich
des kollimierten Lichtstrahls 56 gebrochenen Lichts 90 ist
im groben invers proportional zur Größe der Teilchen 86.
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Das
gebrochene Licht 90 läuft
dann durch eine Fourier-Linse 92, welche unter einem gegebenen
Winkel 94 auf die Linse einfallendes Licht dazu bringt,
auf eine Fourier-Oberfläche
oder -Ebene 96 fokussiert zu werden, welche um einen Abstand
von der Fourier-Linse 92 verschoben ist, welcher gleich der
Brennweite dieser Linse ist. Ein Photodetektor 98 ist übereinstimmend
mit der Fourier-Ebene 96 positioniert. Das Photodetektorfeld 98 besteht
aus einer großen
Zahl einzelner Photodetektoren, welche eine Lichtintensität messen.
Durch Messen der Lichtintensität
an einer großen
Zahl von Detektorplätzen
an dem Photodetektorfeld 98 erlangt man ein genaues Profil
der gestreuten Lichtintensität
gegen den Streuwinkel. Ein Computer (nicht gezeigt), der in Wirkverbindung mit
der Laserbeugungs-Größenbestimmungsvorrichtung
steht, kann die tatsächliche
Größe und Größenverteilung
der Probenteilchen 86 bestimmen.
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4 zeigt
eine Ausführungsform
der Erfindung, in welcher die kollimierenden Linsen 64 und 66 durch
eine Umkehr-Fourier-Linse 100 ersetzt werden, welche aus
dem Stand der Technik gut bekannt ist,. Die Umkehr-Fourier-Linse 100 umgeht
die Notwendigkeit für
die Fourier-Linse 92 aus 3, aber hat
als ihre Fourier-Ebene die gleiche Ebene 96 wie die Fourier-Linse 92 aus 3.
Die Umkehr-Fourier-Linse 100 erzeugt einen konvergenten
Strahl 102, welcher an einem Punkt 104 auf der
Fourier-Ebene konvergiert; der Konvergenzpunkt 104 ist auch
der gleiche für
die Fourier-Linse 92. Die Umkehr-Fourier-Linse 100 und
die Kollimatorlinsen 64 und 66 werden allgemein
als "Strahlbildemittel" angezeigt.
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Zusammenfassend
stellt die vorliegende Erfindung die gleichen Funktionen wie herkömmliche Lochblenden-basierte
Raumfilteranordnungen bereit, aber ohne deren zweiten Strahlstopper,
teure Ausrichtungsanordnungen, die mit dem zeitaufwendigen Ausrichtungsvorgehen
verbundenen hohen Kosten und den mit dem Versenden der empfindlichen
Lochblenden-basierten Filter zusammenhängenden Außendienst-Wartungsprobleme.
Der Laserlicht-Ausgabestrahl des Monomode-Lichtleiter-basierten
Filters ist von besserer Qualität,
räumlicher Kohärenz, als
die typischen Lochblenden-basierten Filter, weil die Größe der effektiven
lichtaussendenden Quelle näher
an derjenigen der idealen Punktlichtquelle ist. Beispielsweise kann
mit der Lichtleiter-basierten Technologie ein 5-μm-Kerndurchmesser
ziemlich einfach erreicht werden; wobei ein Lochblendenbasiertes
Filter entsprechender Größe praktisch
unmöglich
auszurichten und erfolgreich in einem kommerziellen Produkt zu versenden
wäre.
