EP4587809A1 - Vorrichtung und verfahren zur charakterisierung eines partikels - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur charakterisierung eines partikels

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EP4587809A1
EP4587809A1 EP23769168.8A EP23769168A EP4587809A1 EP 4587809 A1 EP4587809 A1 EP 4587809A1 EP 23769168 A EP23769168 A EP 23769168A EP 4587809 A1 EP4587809 A1 EP 4587809A1
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EP
European Patent Office
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polarization
particle
intensity
designed
measuring
Prior art date
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Pending
Application number
EP23769168.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Helge HATTERMANN
Michael Foertsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
QAnt GmbH
Original Assignee
QAnt GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means
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    • G01N15/1459—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals the analysis being performed on a sample stream
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    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N2015/1493—Particle size

Definitions

  • the invention relates to a device according to the preamble of claim 1 and a method according to the preamble of claim 12.
  • a device and a method of the types mentioned are basically known and are used in various applications to determine a particle characteristic, such as a particle position, a particle speed or a particle size. This can be used, for example, to monitor or regulate industrial manufacturing and processing processes.
  • the device has, in a manner known per se, a light source for projecting at least one light beam along a beam axis.
  • One Beam shaping optics are arranged along the beam axis and designed to set a location-dependent intensity distribution of the light beam in a measuring volume which extends in sections along the beam axis.
  • a detector serves to detect a measurement beam reflected and/or scattered by the particle in the case of a particle located in the measurement volume and to output at least one intensity signal to an evaluation unit.
  • the evaluation unit is designed to determine a particle characteristic within the measurement volume depending on the intensity signal.
  • the device according to the invention differs from previously known devices in that the beam shaping optics are designed to form the location-dependent intensity distribution in a projection plane, which extends transversely to the beam axis within the measurement volume, such that an intensity of the light beam along an outer contour of an oval is minimal and is maximum in at least one point within the oval.
  • the particle characteristic can be, for example, a dimension of the particle or, preferably, a particle position along the vertical axis of the oval in the projection plane.
  • the device is designed such that the particle position along the vertical axis can be determined with a spatial resolution of 1 micrometer.
  • the detector within the measurement volume has a spatial resolution of 5 micrometers to 0.1 micrometers, particularly preferably of 3 micrometers to 1 micrometer, most preferably 1 micrometer.
  • the beam shaping optics are designed to set a location-dependent polarization distribution in the projection plane in addition to the location-dependent intensity distribution, with a first polarization and a second polarization with different polarization directions being present along the vertical axis of the oval.
  • the detector is designed to detect at least two intensities of the measuring steel, which has the first polarization and/or the second polarization, and to output two polarization-dependent intensity signals to the evaluation unit.
  • the evaluation unit is designed to determine the particle characteristics as a function of the two polarization-dependent intensity signals.
  • the intensity of the measuring beam can simultaneously depend on several particle characteristics, for example a particle position and a particle size. This makes it difficult to clearly determine just one of these particle characteristics, since, for example, a varying particle size between different particles to be characterized can lead to different measurable intensities with the same particle position.
  • the beam shaping optics by means of which a location-dependent intensity distribution and a location-dependent polarization distribution can be set in the projection plane, a further light property of the light beam can be set and taken into account. This makes it possible to take into account not only the intensity of the measuring beam, but also the polarization in order to be able to determine a clear particle characteristic, in particular a particle position.
  • Such a configuration of the intensity distribution and the polarization distribution means that the measuring beam reflected and/or scattered by the particle can have at least two intensity components of different polarization.
  • first particle is in the measurement volume and scatters or reflects the light beam with a first intensity and a first polarization
  • the first intensity and the first polarization can be assigned to a first particle position .
  • second particle in the measurement volume and scatters or reflects the light beam with a second intensity, which is higher than the first intensity, and a second polarization, it can be concluded that the second particle is in a second position.
  • the third position of the third particle corresponds to the first position of the first particle and the second intensity is caused by a larger particle dimension .
  • the beam shaping optics can comprise a so-called retardation plate, which generates the desired location-dependent polarization distribution with the first and second polarization directions.
  • a delay plate is an optical component that controls the polarization and phase of light waves passing through it can change if necessary.
  • the delay plate is preferably designed as a so-called spatial polarization converter (also: spatial polarization converter), which is known, for example, from EP 2705393 B1 and can be produced in accordance with the method known from US 20200408953 A1.
  • the location-dependent polarization distribution can also be generated using a so-called spatial light modulator or a so-called vortex plate.
  • the detector can, for example, comprise two photodiodes, each of which has a polarization filter in order to be able to be triggered in a polarization-sensitive manner.
  • a first photodiode can be designed such that it outputs a first electrical signal depending on the intensity of the measuring beam with the first polarization.
  • a second photodiode can be designed such that it outputs a second electrical signal with a second polarization depending on the intensity of the measuring beam.
  • a mathematical model can be implemented in the evaluation unit in the manner already described, which assigns a large number of intensity values of different polarizations to a corresponding number of particle characteristics, in particular particle positions.
  • the evaluation unit can have a stored evaluation routine, by means of which at least two intensity values of different polarizations are put into a relationship with one another and this relationship is assigned to a particle position using a mathematical model and/or a table and/or a characteristic curve.
  • a key figure corresponding to the ratio can also be determined.
  • the beam shaping optics are designed to generate the location-dependent polarization distribution in such a way that an angle of 180 degrees exists between the polarization directions of the first polarization and the second polarization.
  • At least a third polarization is present along the vertical axis of the oval, preferably in the area of the point within the oval in which the intensity is maximum.
  • the beam shaping optics are designed to adjust the third polarization. Furthermore, the detector is designed to detect an intensity of the measuring beam with the third polarization. The evaluation unit is further designed to determine the particle characteristics depending on three intensity signals at the first, second and third polarization.
  • the beam shaping optics are designed to generate the location-dependent polarization distribution in such a way that a fourth polarization is present along the vertical axis of the oval and between the first polarization and the third polarization and/or between the second polarization and the third polarization, wherein There is an angle of 45 degrees between the polarization directions of the fourth polarization and the third polarization.
  • a particular advantage of determining the particle position as a function of a plurality of polarization-dependent intensity values is that no camera system is required. Instead, said particle position can be determined as a function of discrete values, whereby both the detector and the evaluation unit can be designed to be simple. Investigations by the applicant have shown that the evaluation unit can be designed to determine a plurality of particle positions with a frequency above 10 MHz.
  • Figure 4 shows an alternative embodiment of the intensity distribution in the projection plane, which can be generated using a device that essentially corresponds to the device 1 according to Figure 1.
  • the light source is designed to generate the location-dependent intensity distribution in the projection plane in such a way that the intensity is arranged in a V-shape along an outer contour of two ovals 11, 11 ', the vertical axes H, H' , is minimal and that the intensity in the areas of the vertical axes H, H ', in the present case in the surface centers 14, 14' of the two ovals 11 and 11', is maximum.
  • the detector is designed to detect the intensities of two measuring beams with a time delay.
  • the evaluation unit is designed to determine a particle position within the measurement volume depending on a time interval between the measured intensities of the two measurement beams.

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Abstract

Vorrichtung (1) zur Partikelcharakterisierung, mit einer Lichtquelle (2) zur Projektion eines Lichtstrahls (4) entlang einer Strahlenachse (5) und mit einer Strahlformungsoptik (3), welche entlang der Strahlenachse (5) angeordnet und dazu ausgebildet ist, in einem Messvolumen (6), welches sich abschnittsweise entlang der Strahlenachse (5) erstreckt, eine ortsabhängige Intensitätsverteilung des Lichtstrahls (4) einzustellen. Ein Detektor (10), ist dazu ausgebildet, um bei einem in dem Messvolumen (6) befindlichen Partikel (7) einen von dem Partikel (7) reflektierten und/oder gestreuten Messstrahl (8) zu erfassen und ein Intensitätssignal an eine Auswerteeinheit auszugeben. Die Auswerteeinheit ist ausgebildet, um in Abhängigkeit des Intensitätssignals eine Partikelcharakteristik innerhalb des Messvolumens zu bestimmen. Die Strahlformungsoptik (3) ist ausgebildet, um die Intensitätsverteilung in einer Projektionsebene (x-y), welche sich quer zu der Strahlenachse (5) erstreckt, derart auszubilden, dass eine Intensität des Lichtstrahls entlang einer Außenkontur (15) eines Ovals (11) minimal und in mindestens einem Punkt innerhalb (14) des Ovals (11) maximal ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Charakterisierung eines Partikels
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Eine Vorrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Arten sind grundsätzlich bekannt und dienen in verschiedenen Anwendungen dazu, eine Partikelcharakteristik, wie zum Beispiel eine Partikelposition, eine Partikelgeschwindigkeit oder etwa eine Partikelgröße zu bestimmen. Dies kann beispielsweise zur Überwachung oder Regelung industrieller Herstellungs- und Bearbeitungsprozesse dienen.
Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Partikelcharakteristik ist beispielsweise aus der DE 10 2019209213 A1 bekannt und umfasst eine Lichtquelle, mittels derer ein Lichtstrahl entlang einer Strahlenachse projiziert wird. Eine Strahlformungsoptik ist entlang der Strahlenachse angeordnet. Die Strahlformungsoptik ist ausgebildet, um in einem Messvolumen, welches sich abschnittsweise entlang der Strahlenachse erstreckt, eine ortsabhängige Intensitätsverteilung des Lichtstrahls einzustellen. Ein zu charakterisierender Partikel, welcher sich in dem Messvolumen befindet, reflektiert oder streut den Lichtstrahl zumindest teilweise als einen Messstrahl. Dieser Messstrahl wird mittels eines Detektors erfasst, welcher ein Intensitätssignal an eine Auswerteeinheit ausgibt. Die Auswerteeinheit dient zur Bestimmung der Partikelcharakteristik innerhalb des Messvolumens in Abhängigkeit des Intensitätssignals.
Grundsätzlich ist es gewünscht, den Partikel innerhalb des Messvolumens mit einer hohen Genauigkeit charakterisieren zu können. Eine Genauigkeitssteigerung ist gegenüber der vorbekannten Vorrichtung beispielsweise möglich, indem die Leistung der verwendeten Lichtquelle erhöht wird, allerdings geht dies typischerweise mit hohen Kosten einher. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren vorzuschlagen, die mit einem guten Verhältnis zwischen der erzielbaren Genauigkeit bei der Partikelcharakterisierung und den aufzuwendenden Kosten einhergehen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 12. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstände der jeweils abhängigen Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist in an sich bekannter Weise eine Lichtquelle zur Projektion mindestens eines Lichtstrahls entlang einer Strahlenachse auf. Eine Strahlformungsoptik ist entlang der Strahlenachse angeordnet und dazu ausgebildet, in einem Messvolumen, welches sich abschnittsweise entlang der Strahlenachse erstreckt, eine ortsabhängige Intensitätsverteilung des Lichtstrahls einzustellen. Ein Detektor dient dazu, um bei einem in dem Messvolumen befindlichen Partikel einen von dem Partikel reflektierten und/oder gestreuten Messstrahl zu erfassen und zumindest ein Intensitätssignal an eine Auswerteeinheit auszugeben. Die Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, um in Abhängigkeit des Intensitätssignals eine Partikelcharakteristik innerhalb des Messvolumens zu bestimmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich dadurch von vorbekannten Vorrichtungen, dass die Strahlformungsoptik ausgebildet ist, um die ortsabhängige Intensitätsverteilung in einer Projektionsebene, welche sich innerhalb des Messvolumens quer zu der Strahlenachse erstreckt, derart auszubilden, dass eine Intensität des Lichtstrahls entlang einer Außenkontur eines Ovals minimal ist und in mindestens einem Punkt innerhalb des Ovals maximal ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Einstellung der ortsabhängigen Intensitätsverteilung, bei der der Lichtstrahl in der Projektionsebene eine ovale Grundform aufweist, mit einer erhöhten Genauigkeit bei der Bestimmung der Partikelcharakteristik in einem größeren Raumbereich einhergeht. Im Vergleich zu einer radialsymmetrischen Intensitätsverteilung, bei der die Intensität des Lichtstrahls beispielsweise entlang einer kreisrunden Kontur minimal ist, erstreckt sich die Intensitätsverteilung entlang der Hochachse des Ovals über eine größere Länge und entlang der Breitenachse des Ovals über einen kleinere Länge. Darüber hinaus kann der Lichtstrahl entlang der Hochachse stärker gebündelt sein als entlang der Breitenachse. Im Vergleich zu vorbekannten Vorrichtungen kann der Lichtstrahl bei gleicher Lichtleistung der Lichtquelle in der Projektionsebene deshalb eine insgesamt höhere Leistung pro Flächeneinheit aufweisen. Dies bewirkt, dass der Lichtstrahl von einem in dem Messvolumen befindlichen Partikel mit einer entsprechend höheren Intensität reflektiert und/oder gestreut werden kann. Es ist insbesondere entlang der Hochachse des Ovals möglich, ein Partikel mit einer hohen räumlichen Auflösung in einem großen Raumbereich zu charakterisieren.
Vorteilhafterweise ist die Intensität des Lichtstrahls zumindest in einem Flächenmittelpunkt des Ovals maximal, wobei insbesondere eine Gauß’sche Intensitätsverteilung vorliegen kann. Hierbei nimmt die Intensität ausgehend von dem Flächenmittelpunkt zu der Außenkontur des Ovals hin kontinuierlich ab. Das Oval weist insbesondere eine Hochachse und eine Breitenachse auf, bezüglich derer das Oval jeweils symmetrisch ausgebildet ist und entlang der Hochachse eine größere Abmessung aufweist als entlang der Breitenachse. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Oval um eine Ellipse und insbesondere nicht um einen Kreis.
Bei der Partikelcharakteristik kann es sich beispielsweise um eine Abmessung des Partikels oder, vorzugsweise um eine Partikelposition entlang der Hochachse des Ovals in der Projektionsebene handeln. Insbesondere ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass die Partikelposition entlang der Hochachse mit einer räumlichen Auflösung von 1 Mikrometer ermittelbar ist. Vorzugsweise weist der Detektor innerhalb des Messvolumens eine räumliche Auflösung von 5 Mikrometer bis 0.1 Mikrometer auf, besonders vorzugsweise von 3 Mikrometer bis 1 Mikrometer, höchst vorzugsweise 1 Mikrometer.
Bei dem Partikel kann es sich um einen Feststoff handeln, welcher sich in einem Gas, in einem Vakuum oder einer Flüssigkeit befindet. Ferner kann es sich um einen Öltropfen in einem Wasserbad handeln, oder umgekehrt, einen Wassertropfen in einem Ölbad. Ebenso kann es sich um einen flüssigen Tropfen in einem Gas oder Vakuum handeln oder insbesondere um einen flüssigen Tropfen, der aus einer Düse, insbesondere aus einer Sprühdüse austritt.
Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Ausgestaltung der Lichtquelle beschränkt. In einer einfachen Ausgestaltung umfasst die Lichtquelle zumindest einen Laser mit einer Laserdiode, eine Superlumineszenzdiode, ein Halogenleuchtmittel oder eine vergleichbare optische Strahlenquelle.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass zumindest die Lichtquelle und der Detektor in einer Transmissionsanordnung oder in einer Reflexionsanordnung vorliegen können. Bei der Transmissionsanordnung sind die Lichtquelle und der Detektor zu unterschiedlichen Seiten der Projektionsebene angeordnet. Dabei wird der Lichtstrahl mittels des zu charakterisierenden Partikels gestreut, sodass der Messtrahl als Transmissionsstrahl vorliegt. Bei der Reflexionsanordnung sind die Lichtquelle und der Detektor in Bezug auf die Projektionsebene zu der gleichen Seite angeordnet. Hierbei wird der Lichtstrahl mittels des zu charakterisierenden Partikels reflektiert, sodass der Messstrahl als Reflexionsstrahl vorliegt. Es liegt ferner im Rahmen der Erfindung, dass zumindest zwei Detektoren vorgesehen sind, wobei ein erster Detektor und die Lichtquelle auf unterschiedlichen Seiten der Projektionsebene angeordnet sind und wobei ein zweiter Detektor und die Lichtquelle in auf einer Seite der Projektionsebene angeordnet sind. Bei einer derartigen Ausgestaltung liegt eine Kombination aus einer Reflexionsanordnung und einer Transmissionsanordnung zwischen der Lichtquelle und dem Detektor vor. Die Strahlformungsoptik kann eine Zylinderlinse umfassen, bei der eine Linsenfläche in einer Achse gekrümmt ist und mittels derer die erfindungsgemäße Intensitätsverteilung des Lichtstrahls eingestellt werden kann. Der Detektor kann eine Kollektorlinse umfassen, mittels derer der Messstrahl gebündelt und auf mindestens ein Sensorelement des Detektors gelenkt wird. Insbesondere handelt es sich bei dem Sensorelement um eine Photodiode, welche bei Erfassung des Messstrahls ein elektrisches Signal an die Auswerteeinheit ausgibt und deren Amplitude vorzugsweise von der Intensität des Messstrahls abhängig ist.
Vorzugsweise sind zumindest die Lichtquelle und die Strahlformungsoptik entlang der Strahlenachse ortsfest und insbesondere in einer definierten Ausrichtung zueinander angeordnet. Zumindest bei einer Reflexionsanordnung ist der Detektor vorzugsweise mit einer Messachse, entlang derer der Messstrahl detektierbar ist, winklig zu der Strahlenachse des Lichtstrahls angeordnet.
Die Auswerteeinheit kann als elektrische Recheneinheit ausgebildet sein, mittels derer die Partikelcharakteristik ermittelbar ist. Ein mathematisches Modell, welches einen analytisch oder empirisch ermittelten Zusammenhang zwischen einer Intensität des Messstrahls und der Partikelcharakteristik beschreibt, kann auf der Auswerteeinheit implementiert sein. Durch Messung einer Intensität des Messstrahls kann das von dem Detektor ausgegebene Intensitätssignal mittels des mathematischen Modells der zu ermittelnden Partikelcharakteristik zugeordnet werden.
Zusätzlich oder alternativ können diskrete Tabellenwerte auf der Auswerteeinheit gespeichert sein, mittels derer ein gemessener Intensitätswert des Messstrahls mit einem gespeicherten Intensitätswert vergleichbar ist und der zugehörigen Partikelcharakteristik zugeordnet werden kann.
Zusätzlich oder alternativ kann mindestens eine Kennlinie in der Auswerteeinheit gespeichert sein, die einen Intensitätsverlauf in Abhängigkeit der Ausprägung einer Partikelcharakteristik angibt. Anhand der Kennlinie kann eine gemessene Intensität des Messstrahls der zu ermittelnden Partikelcharakteristik zugeordnet werden. Insbesondere beschreibt die Kennlinie einen Verlauf einer Intensität des Messstrahls in Abhängigkeit einer Partikelposition entlang einer Achse in der Projektionsebene, insbesondere der Hochachse des Ovals.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Strahlformungsoptik ausgebildet, um zusätzlich zu der ortsabhängigen Intensitätsverteilung eine ortsabhängige Polarisationsverteilung in der Projektionsebene einzustellen, wobei entlang der Hochachse des Ovals eine erste Polarisation und eine zweite Polarisation mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen vorliegen. Der Detektor ist dazu ausgebildet, mindestens zwei Intensitäten des Messstahls, welcher die erste Polarisation und/oder die zweite Polarisation aufweist, zu bestimmen und zwei polarisationsabhängige Intensitätssignale an die Auswerteeinheit auszugeben. Die Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, die die Partikelcharakteristik in Abhängigkeit der zwei polarisationsabhängigen Intensitätssignale zu ermitteln.
Die vorstehend beschriebene Weiterbildung beruht auf der Erkenntnis der Anmelderin, dass die Intensität des Messstrahls gleichzeitig von mehreren Partikelcharakteristika, beispielsweise einer Partikelposition und einer Partikelgröße, abhängig sein kann. Dies erschwert die eindeutige Bestimmung lediglich einer dieser Partikelcharakteristiken, da beispielsweise eine variierende Partikelgröße zwischen unterschiedlichen zu charakterisierenden Partikeln bei gleicher Partikelposition zu unterschiedlichen messbaren Intensitäten führen kann. Durch die Ausgestaltung der Strahlformungsoptik, mittels derer in der Projektionsebene eine ortsabhängige Intensitätsverteilung und eine ortsabhängige Polarisationsverteilung einstellbar ist, kann eine weitere Lichteigenschaft des Lichtstrahls eingestellt und berücksichtigt werden. Dadurch ist es möglich, nicht lediglich die Intensität des Messstrahls, sondern auch die Polarisation zu berücksichtigen, um eine eindeutige Partikelcharakteristik, insbesondere eine Partikelposition, ermitteln zu können. Eine derartige Ausgestaltung der Intensitätsverteilung und der Polarisationsverteilung führt dazu, dass der von dem Partikel reflektierte und/oder gestreute Messstrahl mindestens zwei Intensitätsanteile unterschiedlicher Polarisation aufweisen kann.
Zum besseren Verständnis sei auf die nachfolgend beispielhaft beschriebene Positionsbestimmung dreier Partikel verwiesen: Befindet sich ein erster Partikel in dem Messvolumen und streut oder reflektiert den Lichtstrahl mit einer ersten Intensität und einer ersten Polarisation, können die erste Intensität und die erste Polarisation einer ersten Partikelposition zugeordnet werden. Befindet sich ein zweiter Partikel in dem Messvolumen und streut oder reflektiert den Lichtstrahl mit einer zweiten Intensität, welche höher ist als die erste Intensität, und einer zweiten Polarisation kann darauf geschlossen werden, dass der zweite Partikel sich in einer zweiten Position befindet. Befindet sich ein dritter Partikel in dem Messvolumen und streut oder reflektiert den Lichtstrahl mit der zweiten Intensität und der ersten Polarisation kann darauf geschlossen werden, dass dritte Position des dritten Partikels der ersten Position des ersten Partikels entspricht und die zweite Intensität durch eine größere Partikelabmessung bedingt ist.
In einer einfachen Ausführungsform kann die Strahlformungsoptik eine sog. Verzögerungsplatte umfassen, welche die gewünschte ortsabhängige Polarisationsverteilung mit der ersten und zweiten Polarisationsrichtung erzeugt. Eine derartige Verzögerungsplatte ist ein optisches Bauelement, das die Polarisation und Phase durchtretender Lichtwellen bedarfsweise ändern kann. Bevorzugt ist die Verzögerungsplatte als sog. raumvarianter Polarisationswandler (auch: Spatial Polarization Converter) ausgebildet, welcher beispielsweise aus EP 2705393 B1 bekannt ist und entsprechend dem aus US 20200408953 A1 bekannten Verfahren herstellbar ist. Alternativ lässt sich die ortsabhängige Polarisationsverteilung auch mittels eines sog. Spatial Light Modulator oder einer sog. Vortex-Platte erzeugen.
Der Detektor kann beispielweise zwei Photodioden umfassen, welche jeweils einen Polarisationsfilter aufweisen, um polarisationssensitiv getriggert werden zu können. Eine erste Photodiode kann derart ausgebildet sein, dass sie ein erstes elektrisches Signal in Abhängigkeit der Intensität des Messstrahls mit der ersten Polarisation ausgibt. Eine zweite Photodiode kann derart ausgebildet sein, dass sie ein zweites elektrisches Signal in Abhängigkeit der Intensität des Messstrahls mit einer zweiten Polarisation ausgibt.
In einer einfachen Ausführungsform kann in der Auswerteeinheit, in bereits beschriebener Weise, ein mathematisches Modell implementiert sein, welches eine Vielzahl an Intensitätswerten unterschiedlicher Polarisationen einer entsprechenden Anzahl an Partikelcharakteristika, insbesondere Partikelpositionen, zuordnet. Insbesondere kann die Auswerteeinheit eine gespeicherte Auswerteroutine aufweisen, mittels derer mindestens zwei Intensitätswerte unterschiedlicher Polarisationen in ein Verhältnis zueinander gesetzt und dieses Verhältnis anhand eines mathematischen Modells und/oder einer Tabelle und/oder einer Kennlinie einer Partikelposition zugeordnet wird. Anstelle des vorstehend genannten Verhältnisses kann auch eine zu dem Verhältnis korrespondierende Kennzahl ermittelt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Strahlformungsoptik ausgebildet, um die ortsabhängige Polarisationsverteilung derart zu erzeugen, dass zwischen den Polarisationsrichtungen der ersten Polarisation und der zweiten Polarisation ein Winkel von 180 Grad vorliegt. Entlang der Hochachse des Ovals, vorzugsweise im Bereich des Punktes innerhalb des Ovals, in welchem die Intensität maximal ist, liegt zumindest eine dritte Polarisation vor. Zwischen den Polarisationsrichtungen der ersten Polarisation und der dritten Polarisation und/oder zwischen den Polarisationsrichtungen der zweiten Polarisation und der dritten Polarisation liegt jeweils ein Winkel von 90 Grad vor.
Die vorstehend beschriebene Weiterbildung ermöglicht eine weitere Steigerung der Genauigkeit bei der Ermittlung der Partikelcharakteristik. Hierbei ist die Strahlformungsoptik zur Einstellung der dritten Polarisation ausgebildet. Ferner ist der Detektor dazu ausgebildet, eine Intensität des Messstrahls mit der dritten Polarisation zu erfassen. Die Auswerteeinheit ist ferner ausgebildet, um die Partikelcharakteristik in Abhängigkeit dreier Intensitätssignale bei der ersten, zweiten und dritten Polarisation zu bestimmen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Strahlformungsoptik ausgebildet, um die ortsabhängige Polarisationsverteilung derart zu erzeugen, dass entlang der Hochachse des Ovals und zwischen der ersten Polarisation und der dritten Polarisation und/oder zwischen der zweiten Polarisation und der dritten Polarisation eine vierte Polarisation vorliegt, wobei zwischen den Polarisationsrichtungen der vierten Polarisation und der dritten Polarisation ein Winkel von 45 Grad vorliegt.
Die vorstehend beschriebene Weiterbildung ermöglicht eine weitere Steigerung der Genauigkeit bei der Ermittlung der Partikelcharakteristik. Hierbei ist die Strahlformungsoptik zur Einstellung der vierten Polarisation ausgebildet. Ferner ist der Detektor dazu ausgebildet, eine Intensität des Messstrahls mit der vierten Polarisation zu erfassen. Die Auswerteeinheit ist ferner ausgebildet, um die Partikelcharakteristik in Abhängigkeit vierer Intensitätssignale bei der ersten, zweiten und dritten und vierten Polarisation zu bestimmen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Detektor derart ausgebildet, dass die polarisationsabhängigen Intensitätsanteile des Messstrahls in zumindest zwei der folgenden Polarisationen bestimmbar sind: 0 Grad, 45 Grad, 90 Grad, 135 Grad.
Die vorstehend beschriebene Weiterbildung ist vorteilhaft, da die genannten Polarisationsrichtungen mit gängigen Strahlformungsoptiken in einfacher Weise einstellbar sind. Der Detektor kann eine Mehrzahl an Photodioden mit mindestens zwei Polarisationsfiltern aufweisen, die derart zueinander angeordnet sind, dass Licht von den Photodioden nur in den Polarisationsrichtungen der Polarisationsfilter detektiert wird.
Vorzugsweise liegt zwischen den Anteilen des Lichtstrahls, welche unterschiedliche Polarisationsrichtungen aufweisen, keine Phasendifferenz bzw. eine Phasendifferenz von 180° vor. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine lineare Polarisation einstellen. Untersuchungen der Anmelderin haben jedoch auch gezeigt, dass die Einstellung einer zirkularen oder elliptischen Polarisation ebenfalls vorteilhaft ist, um eine Partikelcharakteristik, insbesondere eine Partikelposition, eindeutig bestimmen zu können. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Lichtquelle und/oder die Strahlformungsoptik daher ausgebildet, um zumindest zwei Lichtstrahlen mit einer Phasendifferenz zu erzeugen, wobei die Phasendifferenz 90 Grad beträgt, um in der Projektionsebene zumindest bereichsweise eine zirkulare Polarisation einzustellen oder wobei die Phasendifferenz zwischen 0 Grad und 90 Grad oder zwischen 90 Grad und 180 Grad liegt, um in der Projektionsebene zumindest bereichsweise eine elliptische Polarisation einzustellen. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Lichtquelle und/oder die Strahlformungsoptik ausgebildet, um die ortsabhängige Intensitätsverteilung in der Projektionsebene derart auszubilden, dass die Intensität des Lichtstrahls entlang zweier Außenkonturen zweier Ovale, deren Hochachsen V-förmig zueinander angeordnet sind, minimal ist und dass die Intensitätsverteilung in den Bereichen der Hochachsen der zwei Ovale maximal ist. Der Detektor ist ausgebildet, um die Intensitäten zweier Messstrahlen zeitversetzt zu erfassen. Die Auswerteeinheit dient dazu, eine Partikelposition innerhalb des Messvolumens in Abhängigkeit eines Zeitintervalls zwischen den gemessenen Intensitäten der zwei Messstrahlen zu bestimmen.
Die vorstehend beschriebene Weiterbildung beruht auf der Erkenntnis der Anmelderin, dass die Ausgestaltung der ortsabhängigen Intensitätsverteilung der Lichtstrahlung, bei der die Intensität entlang der Außenkontur eines Ovals minimal ist, in der Projektionsebene vervielfältigt werden kann, um ein Partikelcharakteristikum, insbesondere eine Partikelposition, zuverlässig ermitteln zu können. Wenn ein Partikel, welches das Messvolumen in der Projektionsebene durchquert und die Hochachsen der zwei Ovale kreuzt, werden zwei Messstrahlen zeitlich versetzt zueinander reflektiert und/oder gestreut und mit einem entsprechenden Zeitversatz von dem Detektor erfasst. Bei bekanntem Winkel zwischen den V-förmig zueinander angeordneten Hochachsen und einer bekannten Partikelgeschwindigkeit kann unter Berücksichtigung des Zeitintervalls zwischen den beiden Intensitätssignalen auf die Partikelposition geschlossen werden. Diese Weiterbildung ist besonders vorteilhaft, wenn die Partikelgeschwindigkeiten mehrerer zu charakterisierender Partikel sich nicht unterscheiden und bekannt sind.
Alternativ kann die Vorrichtung derart ausgebildet sein, dass die Intensität des Lichtstrahls entlang dreier Außenkonturen dreier sich Ovale, deren Hochachsen N-förmig zueinander angeordnet sind, minimal ist und dass die Intensitätsverteilung in den Bereichen der Hochachsen der drei Ovale maximal ist. Der Detektor ist ausgebildet, um die Intensitäten dreier Messstrahlen zeitversetzt zu erfassen. Die Auswerteeinheit dient dazu, eine Partikelposition innerhalb des Messvolumens in Abhängigkeit mindestens zweier Zeitintervalle zwischen den gemessenen Intensitäten der drei Messstrahlen zu bestimmen.
Ein Vorteil der vorstehend beschriebenen Weiterbildung besteht darin, dass die Partikelposition innerhalb des Messvolumens unabhängig von einer Partikelgeschwindigkeit ermittelbar ist. Insbesondere kann die Partikelposition in Abhängigkeit eines Verhältnisses der zwei Zeitintervalle bestimmt werden. Es ist eine Erkenntnis der Anmelderin, dass die Ermittlung eines derartigen Verhältnisses der zwei Zeitintervalle auch bei variierenden und unbekannten Partikelgeschwindigkeiten eine zuverlässige Bestimmung der Partikelposition ermöglicht.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Lichtquelle und/oder die Strahlformungsoptik ausgebildet, um zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen jeweils entlang einer Strahlenachse zu projizieren, welche in der Projektionsebene überlappen, und dabei die ortsabhängige Intensitätsverteilung und eine ortsabhängige Wellenlängenverteilung aufweisen. Der Detektor ist ausgebildet, um mindestens eine wellenlängenabhängige Intensität des Messstrahls zu erfassen. Die Auswerteeinheit ist ausgebildet, um eine Partikelposition innerhalb des Messvolumens in Abhängigkeit der wellenlängenabhängigen Intensitäten des Messstrahls zu bestimmen.
Mit der ortsabhängigen Wellenlängenverteilung kann neben der Intensität des Messstrahls eine weitere Lichteigenschaft berücksichtigt werden, um eine Partikelcharakteristik eindeutig ermitteln zu können. Die ortsabhängige Wellenlängenverteilung kann insbesondere zusätzlich oder alternativ zu einer ortsabhängigen Polarisationsverteilung genutzt werden, um eine Partikelposition innerhalb des Messvolumens eindeutig bestimmen zu können. Hierbei kann die ortsabhängige Intensitätsverteilung in Bezug auf die Hochachse sowie die Breitenachse des Ovals symmetrisch ausgebildet sein. Die ortsabhängige Wellenlängenverteilung kann beispielsweise entlang der Hochachse an zwei beabstandeten Positionen unterschiedlich sein. Eine derartige Ausgestaltung der Intensitätsverteilung und der Wellenlängenverteilung führt dazu, dass der von dem Partikel reflektierte Lichtstrahl in Gestalt des Messstrahls mindestens zwei Wellenlängenanteile aufweisen kann, deren Berücksichtigung eine eindeutige Positionsbestimmung des Partikels innerhalb der Projektionsebene ermöglicht.
Der Detektor kann mehrere Photodioden aufweisen, die wellenlängensensitiv ausgebildet sind, sodass ein detektierter Messstrahl mit unterschiedlichen Wellenlängenanteilen zu unterschiedlichen Signalamplituden der entsprechenden Photodioden führt. Die Auswertung der wellenlängenabhängigen Signale kann anhand eines mathematischen Modells, einer Tabelle oder einer Kennlinie erfolgen, um das Partikelcharakteristikum, insbesondere die Partikelposition bestimmen zu können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Messvolumen entlang der Strahlenachse eine Länge auf, welche der doppelten Rayleigh-Länge des Lichtstrahls entspricht.
Die Rayleigh-Länge beschreibt in an sich bekannter Weise die Distanz entlang der Strahlenachse zwischen der Fokusebene und einer Position, in der seine Querschnittsfläche sich gegenüber der Fokusebene verdoppelt. Daher können die Abmessungen und/oder die Position des Messvolumens in Bezug auf die Strahlenachse in Abhängigkeit der Eigenschaften des Lichtstrahls, insbesondere seiner Fokusebene, eingestellt werden.
Bevorzugt ist die Strahlformungsoptik und/oder der Detektor ausgebildet, um das Messvolumen anwendungsabhängig und mit einstellbaren Abmessungen auszubilden. Bevorzugt weist das Oval in der Projektionsebene eine Höhe zwischen 10 Mikrometer bis 1000 Mikrometer und/oder eine Breite zwischen 100 Mikrometer bis 5 Zentimeter auf.
Ein Vorteil bei der Bestimmung der Partikelposition in Abhängigkeit einer Mehrzahl von polarisationsabhängigen Intensitätswerten besteht insbesondere darin, dass kein Kamerasystem erforderlich ist. Stattdessen kann die besagte Partikelposition in Abhängigkeit diskreter Werte bestimmt werden, wobei sowohl der Detektor als auch die Auswerteeinheit einfach ausgebildet sein können. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass die Auswerteeinheit ausgebildet sein kann, um eine Mehrzahl an Partikelpositionen mit einer Frequenz oberhalb von 10 MHz zu bestimmen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Lichtquelle und/oder die Strahlformungsoptik und/oder der Detektor raumfest zueinander angeordnet, um das Messvolumen ortsfest auszubilden und ein sich bewegendes Partikel in dem Messvolumen zu erfassen. Alternativ ist die Lichtquelle und/oder die Strahlformungsoptik und/oder der Detektor beweglich angeordnet, um das Messvolumen mittels einer Scanbewegung zu verlagern und ein ruhendes Partikel in dem Messvolumen zu erfassen. Bevorzugt ist die Lichtquelle und/oder die Strahlformungsoptik und/oder der Detektor bei der Scanbewegung relativ zueinander unbeweglich angeordnet.
Die Scanbewegung kann mittels einer an sich bekannten Kinematik, zum Beispiel einem Knickarmroboter oder einer vergleichbaren Vorrichtung, realisiert werden. Bei einer derartigen Ausführungsform der Vorrichtung können insbesondere Oberflächen dahingehend untersucht werden, ob sie mit einem oder mehreren Partikeln kontaminiert sind.
Wie oben erwähnt, wird die Aufgabe auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Charakterisierung eines Partikels wird ein Lichtstrahl entlang einer Strahlenachse projiziert, wobei der Lichtstrahl in einem Messvolumen, welches sich abschnittsweise entlang der Strahlenachse erstreckt, eine ortsabhängige Intensitätsverteilung aufweist. Ein zu charakterisierendes Partikel reflektiert oder streut den Lichtstrahl in dem Messvolumen zumindest teilweise als einen Messstrahl. Eine Partikelcharakteristik wird innerhalb des Messvolumens in Abhängigkeit mindestens einer Intensität des Messstrahls bestimmt. Es ist wesentlich für das Verfahren, dass die ortsabhängige Intensitätsverteilung in einer Projektionsebene, welche sich innerhalb des Messvolumens quer zu der Strahlenachse erstreckt, entlang einer Außenkontur eines Ovals minimal ist und in zumindest einem Punkt innerhalb des Ovals, insbesondere einem Flächenmittelpunkt des Ovals, maximal ist.
Vorzugsweise ist das Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder einer vorteilhaften Weiterbildung davon ausführbar. Dementsprechend gelten hinsichtlich der erreichbaren Vorteile die gleichen Ausführungen, die oben bereits in Hinblick auf die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie die vorteilhaften Weiterbildungen gemacht sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird der Lichtstrahl mit einer ortsabhängigen Polarisationsverteilung erzeugt und die Partikelcharakteristik in Abhängigkeit einer polarisationsabhängigen Intensität des Messstrahls ermittelt.
In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung wird der Lichtstrahl mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt, die sich in dem Messvolumen überlappen, wobei die überlappenden Lichtstrahlen in der Projektionsebene die ortsabhängige Intensitätsverteilung und eine ortsabhängige Wellenlängenverteilung aufweisen und wobei der zu charakterisierende Partikel innerhalb des Messvolumens in Abhängigkeit einer wellenlängenabhängigen Intensität des Messstrahls bestimmt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die ortsabhängige Intensitätsverteilung in der Projektionsebene derart erzeugt, dass die Intensität des Lichtstrahls entlang einer Außenkontur zweier Ovale, deren Hochachsen V-förmig angeordnet sind, minimal ist und in den Bereichen der Hochachsen der zwei Ovale maximal ist. Der zu charakterisierende Partikel reflektiert oder streut den Lichtstrahl in dem Messvolumen zumindest teilweise als zwei Messstrahlen. Die Intensitäten der zwei Messstrahlen werden zeitversetzt erfasst. Die Partikelcharakteristik, insbesondere eine Partikelposition, wird innerhalb des Messvolumens in Abhängigkeit eines Zeitintervalls zwischen zwei gemessenen Intensitäten der Messstrahlen bestimmt.
Alternativ wird die ortsabhängige Intensitätsverteilung in der Projektionsebene derart erzeugt, dass die Intensität des Lichtstrahls entlang einer Außenkontur dreier Ovale, deren Hochachsen N-förmig angeordnet sind, minimal ist und in den Bereichen der Hochachsen der drei Ovale maximal ist. Die Intensitäten der drei Messstrahlen werden zeitversetzt erfasst. Die Partikelcharakteristik wird innerhalb des Messvolumens in Abhängigkeit zweier Zeitintervalle zwischen den gemessenen Intensitäten der Messstrahlen und bevorzugt unabhängig von einer Partikelgeschwindigkeit bestimmt. Weitere Vorteile der Erfindung sind nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren erläutert.
Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Charakterisierung eines Partikels;
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer ortsabhängigen
Intensitätserteilung mit einer ortsabhängigen Polarisationsverteilung;
Figur 3 ein Diagramm mit einer Mehrzahl an polarisationsabhängigen
Intensitätsverläufen zur Bestimmung einer Partikelposition;
Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer ortsabhängigen
Intensitätsverteilung;
Figur 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer ortsabhängigen
Intensitätsverteilung;
Figur 6 ein viertes Ausführungsbeispiel einer ortsabhängigen
Intensitätsverteilung.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1, mittels derer eine Partikelposition optisch bestimmt werden kann. Hierfür weist die Vorrichtung 1 einen Laser 2 sowie eine Strahlformungsoptik 3 auf, die in hier nicht gezeigter Weise eine Vortex-Platte und eine Zylinderlinse umfasst.
Der Laser 2 dient zur Erzeugung eines Lichtstrahls 4, welcher sich entlang einer Strahlenachse 5 erstreckt. Ein Abschnitt des Lichtstrahls 4 entlang der Strahlenachse 5 dient vorliegend als Messvolumen 6, welches von einem bewegten Partikel 7 durchquert wird. Gemäß Figur 1 ist der Partikel 7 während einer geradlinigen Bewegung in zwei Positionen gezeigt.
Wie anhand der Figuren 2 und 3 noch im Detail erläutert ist, dient die Strahlformungsoptik 3 mit der Zylinderlinse und der Vortex-Platte dazu, in einer Projektionsebene, welche sich senkrecht zu der Strahlenachse 5 erstreckt, eine ortsabhängige Intensitätsverteilung sowie eine ortsabhängige Polarisationsverteilung des Lichtstrahls 4 einzustellen.
Der in dem Messvolumen 6 befindliche Partikel 7 reflektiert den Lichtstrahl 4 zumindest teilweise in Gestalt eines Messstrahls 8, der durch die Kollektorlinse 9 gesammelt und zu einem Detektor 10 gelenkt wird. Dabei weist der Messstrahl 8 eine Mehrzahl an polarisationsabhängigen Intensitäten auf, die mittels des Detektors 10 ermittelt werden können. Eine Auswerteeinheit, welche in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel in den Detektor 10 integriert ist, dient dazu, um in Abhängigkeit zumindest einer polarisationsabhängigen Intensität des Messstrahls 8 die gewünschte Partikelposition innerhalb des Messvolumens 6 zu bestimmen.
Wie anhand von Figur 2 gezeigt ist, weist der Lichtstrahl in der Projektionsebene im Wesentlichen die Form eines Ovals 11 mit zwei Symmetrieachsen, also einer Ellipse, auf. Entlang einer senkrecht verlaufenden Hochachse H weist das Oval eine Höhenabmessung 12 auf, die größer ist als eine Breitenabmessung 13 entlang einer horizontal verlaufenden Breitenachse. Die Intensität des Lichtstrahls ist derart verteilt, dass sie in dem Flächenmittelpunkt 14 des Ovals 11 maximal und entlang einer Außenkontur 15 minimal ist. Innerhalb des Ovals 11 liegt in einer Ebene, die senkrecht zu der Projektionsebene verläuft, eine zweidimensionale Gauß’schen Intensitätsverteilung vor. In anderen Worten verläuft die Intensität in einem Bereich zwischen dem Flächenmittelpunkt 14 und der umlaufenden Außenkontur 15 kontinuierlich, wobei die Intensität ausgehend von dem Flächenmittelpunkt 14 in radialer Richtung zu der Außenkontur 15 hin abnimmt.
Eine derartige Intensitätsverteilung bewirkt, dass der Lichtstrahl entlang der Hochachse H des Ovals mit unterschiedlichen Intensitäten reflektiert werden kann. Durch Messung der Intensität des Messstrahls kann eine Partikelcharakteristik mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Sofern es sich bei der zu bestimmenden Partikelcharakteristik um eine Partikelposition handelt, ist es vorteilhaft zu berücksichtigen, dass die Intensität des Messsignals auch in Abhängigkeit der Partikelgröße variieren kann. Daher sieht es die Figur 2 gezeigte Ausführungsform der Intensitätsverteilung vor, dass die Strahlformungsoptik eine ortsabhängige Polarisationsverteilung erzeugt, die in Figur 2 durch die Pfeile 16, 17, 18, 19 und 20 kenntlich gemacht ist. Hierbei liegen entlang der Hochachse H eine erste Polarisation 16 und eine zweite Polarisation 17 vor, welche entlang der Hochachse H des Ovals 11 zueinander beabstandet sind und deren Polarisationsrichtungen einen Winkel von 180 Grad zueinander aufweisen. Im Bereich des Flächenmittelpunktes 14 liegt eine dritte Polarisation 18 vor, deren Polarisationsrichtung zu den Polarisationsrichtungen der ersten und der zweiten Polarisation jeweils einen Polarisationswinkel von 90 Grad aufweist. Zwischen der ersten Polarisation 16 und der dritten Polarisation 18 liegt eine vierte Polarisation 19 vor, deren Polarisationsrichtung gegenüber der Polarisationsrichtung der dritten Polarisation 18 einen Winkel von 45 Grad aufweist. Zwischen der zweiten Polarisation 17 und der dritten Polarisation 18 liegt eine fünfte Polarisation 20 vor, die gegenüber der dritten Polarisation 18 ebenfalls eine Winkeldifferenz von 45 Grad aufweist. Entgegen der gezeigten Darstellung verläuft die ortsabhängige Polarisationsverteilung entlang der Hochachse H kontinuierlich und umfasst die diskret gezeigten Polarisationen 16, 17, 18, 19 und 20. Befindet sich der Partikel 7 in der Projektionsebene und im Bereich der Hochachse H des Ovals 11 so wird der Lichtstrahl derart reflektiert, dass der Messstrahl eine Mehrzahl an Intensitätsanteilen unterschiedlicher Polarisation aufweist. Die Berücksichtigung dieser polarisationsabhängigen Intensitätsanteile ermöglicht die Bestimmung einer eindeutigen Position des Partikels innerhalb der Projektionsebene.
Figur 3 zeigt ein Diagramm mit den ortsabhängigen Intensitätsverläufen 21, 22, 23 und 24. Diese Intensitätsverläufe beschreiben jeweils die polarisationsabhängige Intensität des Lichtstrahls entlang der Hochachse des Ovals in seiner Projektionsebene. Hierbei entspricht der erste Intensitätsverlauf 21 der ortsabhängigen Intensität des Lichtstrahls mit der ersten Polarisation 18 gemäß Figur 2. Der zweite Intensitätsverlauf 22 entspricht der ortsabhängigen Intensität des Lichtstrahls mit der zweiten Polarisation 16 und der dritten Polarisation 17 gemäß Figur 2. Die Polarisationsrichtungen der Polarisationen 16 und 17 weisen einen Winkel von 180 Grad auf, sodass ein Polarisationsfilter für Licht mit beiden Polarisationen 16, 17 durchlässig ist. Der dritte Intensitätsverlauf 23 entspricht der ortsabhängigen Intensität des Lichtstrahls mit der vierten Polarisation 19 gemäß Figur 2. Der vierte Intensitätsverlauf 24 entspricht der ortsabhängigen Intensität des Lichtstrahls mit der fünften Polarisation 20 gemäß Figur 2.
Befindet sich ein Partikel in der Projektionsebene des Lichtstrahls, welche der Bildebene der Figur 2 entspricht, so weist der zurückgeworfene Messstrahl eine Mehrzahl an polarisationsabhängigen Intensitäten auf, die, je nach y-Position des Partikels zu den Intensitätsverläufen 21, 22, 23 und 24 gemäß Figur 3 korrespondieren. Befindet sich der Partikel also beispielsweise auf Höhe von 0 pm entlang der y-Achse, so weist der Messstrahl einen dominierenden Intensitätsanteil auf, der zu dem ersten Intensitätsverlauf 21 korrespondiert und die entsprechende erste Polarisation 18 aufweist. Gleichzeitig weist der Messstrahl in diesem Beispiel weniger stark ausgeprägte Intensitätsanteile auf, die zu den Intensitätsverläufen 23 und 24 korrespondieren und die entsprechenden vierte Polarisation 19 bzw. fünfte Polarisation 20 aufweisen. In anderen Worten herrscht bei der y-Position von 0 pm überwiegend die Polarisation 18 gemäß Figur 2 vor, welche sich jedoch durch lineare Superposition aus gleichen Teilen der Polarisationen 19 und 20 gemäß Figur 2 darstellen lässt.
Durch Messung der polarisationsabhängigen Intensitäten mittels des Detektors 10, können diese beispielsweise anhand eines mathematischen Modells oder etwa einer Tabelle einer eindeutigen Position des Partikels entlang der y-Achse zugeordnet werden. Der asymmetrische Verlauf der Intensitätsverläufe 23, 24 erlaubt hierbei insbesondere eine eindeutige Unterscheidung zwischen zwei Partikelpositionen entlang der y-Achse. In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 wird das Licht mit einem sog. 50:50 Strahlteiler polarisationsunabhängig in zwei Strahlen aufgespalten. Entlang des optischen Pfades sind hinter diesem Strahlteiler zwei Photodioden angeordnet, die dazu ausgebildet sind, unterschiedliche Polarisationskomponenten zu detektieren. Eine erste Photodiode ist dabei ausgebildet, um die Polarisationen 18, 16 bzw. 17 gemäß Figur 2 zu detektieren. Die zweite Photodiode ist ausgebildet, um die Polarisationen 19 und 20 zu erfassen. Messstrahl. Die Photodioden geben bei Erfassung des aufgespaltenen Messstrahls jeweils ein elektrisches Signal aus, welches zu der Intensität des entsprechend gemessenen Lichtanteils einer der genannten Polarisationen korrespondiert. Die Auswertung der Signale erfolgt, in der Auswerteeinheit, beispielsweise mittels des oben genannten mathematischen Modells.
Figur 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Intensitätsverteilung in der Projektionsebene, welche mittels einer Vorrichtung erzeugt werden kann, die im Wesentlichen der Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 entspricht. Im Unterschied zu der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist die Lichtquelle dazu ausgebildet, um die ortsabhängige Intensitätsverteilung in der Projektionsebene derart zu erzeugen, dass die Intensität entlang einer Außenkontur zweier Ovale 11 , 11 ‘, deren Hochachsen H, H‘ V-förmig angeordnet sind, minimal ist und dass die Intensität in den Bereichen der Hochachsen H, H‘, vorliegend in den Flächenmittelpunkten 14, 14‘ der zwei Ovale 11 bzw. 11‘, maximal ist. Der Detektor ist ausgebildet, um die Intensitäten zweier Messstrahlen zeitversetzt zu erfassen. Die Auswerteeinheit ist ausgebildet, um eine Partikelposition innerhalb des Messvolumens in Abhängigkeit eines Zeitintervalls zwischen den gemessenen Intensitäten der zwei Messstrahlen zu bestimmen.
Die in Figur 4 gezeigte Intensitätsverteilung erstreckt sich entlang der x-Achse über einen Bereich von etwa 1 mm. In einer alternativen Ausführungsform kann die Erstreckung entlang der x-Achse bis zu 3 mm betragen. Wenn ein Partikel, welches das Messvolumen sich parallel zu der x-Achse bewegt und die Projektionsebene x-y durchquert und die Hochachsen H, H‘ der zwei zusammenhängenden Ovale 11 , 1 T kreuzt, werden zwei Messstrahlen zeitlich versetzt zueinander reflektiert und mit einem entsprechenden Zeitversatz von dem Detektor erfasst. Bei bekanntem Winkel zwischen den V-förmig zueinander angeordneten Hochachsen H, H‘ und einer bekannten Partikelgeschwindigkeit kann unter Berücksichtigung der gemessenen Intensitäten insbesondere auf eine Partikelposition geschlossen werden. Die Anwendung dieser Weiterbildung ist besonders vorteilhaft, wenn die Partikelgeschwindigkeiten mehrerer zu charakterisierender Partikel bekannt sind und sich nicht unterscheiden. Dabei ist es anhand des gemessenen Zeitintervalls unmittelbar möglich auf eine Partikelposition zu schließen. Figur 5 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Intensitätsverteilung in der Projektionsebene, welche mittels einer Vorrichtung erzeugt werden kann, die im Wesentlichen der Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 entspricht. Im Unterschied zu der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung ist die Lichtquelle dazu ausgebildet, um die ortsabhängige Intensitätsverteilung in der Projektionsebene derart auszubilden, dass die Intensität entlang einer Außenkontur dreier Ovale 11 , 1 T, 11“, deren Hochachsen H, H‘, H“ N-förmig angeordnet sind, minimal ist und dass die Intensität in den Bereichen der Hochachsen H, H‘, H“, vorliegend in den Flächenmittelpunkten 14, 14‘ und 14“ drei Ovale 11 bzw. 11 ‘ bzw. 11“ maximal ist, wobei der Detektor ausgebildet ist, um die Intensitäten dreier Messstrahlen zeitversetzt zu erfassen und wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, eine Partikelposition innerhalb des Messvolumens in Abhängigkeit zweier Zeitintervalle zwischen den zwei gemessenen Intensitäten der Messstrahlen und insbesondere unabhängig von einer
Partikelgeschwindigkeit, zu bestimmen. Die in Figur 5 gezeigte Intensitätsverteilung erstreckt sich entlang der x-Achse über einen Bereich von etwa 1 mm. In einer alternativen Ausführungsform kann die Erstreckung entlang der x-Achse bis zu 3 mm betragen.
Ein Vorteil der in Figur 5 gezeigten Intensitätsverteilung besteht darin, dass die Partikelposition innerhalb des Messvolumens unabhängig von einer Partikelgeschwindigkeit ermittelbar ist.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung, bei der die Lichtquelle 2 ausgebildet ist, um zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen Ai, Ä2 entlang jeweils einer Strahlenachse zu projizieren, welche sich in der Projektionsebene x-y überlappen und dabei die ortsabhängige Intensitätsverteilung und eine ortsabhängige Wellenlängenverteilung aufweisen, und wobei der Detektor ausgebildet ist, um mindestens eine wellenlängenabhängige Intensität des Messstrahls zu erfassen ein wellenlängenabhängiges Intensitätssignal an die Auswerteeinheit auszugeben, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, eine Partikelposition innerhalb des Messvolumens in Abhängigkeit des wellenlängenabhängigen Intensitätssignals zu bestimmen.
Mit der ortsabhängigen Wellenlängenverteilung kann neben der Intensität des Messstrahls eine weitere Lichteigenschaft berücksichtigt werden, um eine Partikelcharakteristik eindeutig ermitteln zu können. Die ortsabhängige Wellenlängenverteilung kann insbesondere zusätzlich oder alternativ zu einer ortsabhängigen Polarisationsverteilung genutzt werden, um eine Partikelposition innerhalb des Messvolumens eindeutig bestimmen zu können. Die in Figur 6 gezeigte Ausgestaltung der Intensitätsverteilung und der Wellenlängenverteilung führt dazu, dass der von dem Partikel reflektierte oder gestreute Lichtstrahl in Gestalt des Messstrahls mindestens zwei Wellenlängenanteile aufweisen kann, deren Berücksichtigung eine eindeutige Positionsbestimmung des Partikels innerhalb der Projektionsebene ermöglicht.
Der Detektor kann mehrere Photodioden aufweisen, die wellenlängensensitiv ausgebildet sind, sodass ein detektierter Reflexionsstahl mit unterschiedlichen Wellenlängenanteilen zu unterschiedlichen Signalamplituden der entsprechenden Photodioden führt. Die Auswertung der wellenlängenabhängigen Signale kann anhand eines mathematischen Modells, einer Tabelle oder einer Kennlinie erfolgen, um das Partikelcharakteristikum, insbesondere die Partikelposition bestimmen zu können.

Claims

Ansprüche Vorrichtung (1) zur Charakterisierung eines Partikels, mit einer Lichtquelle (2), insbesondere einem Laser, zur Projektion mindestens eines Lichtstrahls (4) entlang einer Strahlenachse (5) und mit einer Strahlformungsoptik (3), welche entlang der Strahlenachse (5) angeordnet und dazu ausgebildet ist, in einem Messvolumen (6), welches sich abschnittsweise entlang der Strahlenachse (5) erstreckt, eine ortsabhängige Intensitätsverteilung des Lichtstrahls (4) einzustellen, und mit zumindest einem Detektor (10), welcher ausgebildet ist, um bei einem in dem Messvolumen (6) befindlichen Partikel (7) mindestens einen von dem Partikel (7) reflektierten und/oder gestreuten Messstrahl (8) zu erfassen und zumindest ein Intensitätssignal an eine Auswerteeinheit auszugeben, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, um in Abhängigkeit des Intensitätssignals eine Partikelcharakteristik innerhalb des Messvolumens zu bestimmen, dadu rch geken nzei ch net, dass die Strahlformungsoptik (3) ausgebildet ist, um die ortsabhängige Intensitätsverteilung in einer Projektionsebene (x-y), welche sich innerhalb des Messvolumens quer zu der Strahlenachse (5) erstreckt, derart auszubilden, dass eine Intensität des Lichtstrahls entlang einer Außenkontur (15) eines Ovals (11) minimal ist und in mindestens einem Punkt innerhalb (14) des Ovals (11) maximal ist, insbesondere zumindest in einem Flächenmittelpunkt des Ovals (11). Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der die Strahlformungsoptik (3) ausgebildet ist, um eine ortsabhängige Polarisationsverteilung in der Projektionsebene (x-y) einzustellen, wobei entlang einer Hochachse (H) des Ovals (11) mindestens eine erste Polarisation (16) und eine zweite Polarisation (17) mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen vorliegen, und der Detektor (10) dazu ausgebildet ist, mindestens zwei Intensitäten des Messstrahls (8), welcher die erste Polarisation (16) und/oder die zweite Polarisation (17) aufweist, zu bestimmen und zwei polarisationsabhängige Intensitätssignale an die Auswerteeinheit auszugeben, und wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, um die Partikelcharakteristik, insbesondere eine Partikelposition, in Abhängigkeit der mindestens zwei polarisationsabhängigen Intensitätssignale zu ermitteln. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, bei der die Strahlformungsoptik (3) ausgebildet ist, um die ortsabhängige Polarisationsverteilung derart zu erzeugen, dass zwischen den Polarisationsrichtungen der ersten Polarisation (16) und der zweiten Polarisation (17) ein Winkel von 180 Grad vorliegt und entlang der Hochachse (H) des Ovals (11), vorzugsweise im Bereich des Punktes des Ovals (11), in welchem die Intensität maximal ist, zumindest eine dritte Polarisation (18) vorliegt, wobei jeweils zwischen den Polarisationsrichtungen der ersten Polarisation (16) und der dritten Polarisation und/oder zwischen den Polarisationsrichtungen der zweiten Polarisation (17) und der dritten Polarisation ein Winkel von 90 Grad vorliegt. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, bei der die Strahlformungsoptik (3) ausgebildet ist, um die ortsabhängige Polarisationsverteilung derart zu erzeugen, dass entlang der Hochachse (H) des Ovals (11) und zwischen der ersten Polarisation (16) und der dritten Polarisation (18) und/oder zwischen der zweiten Polarisation (17) und der dritten Polarisation (18) eine vierte Polarisation (19, 20) vorliegt, wobei zwischen den Polarisationsrichtungen der vierten Polarisation (19, 20) und der dritten Polarisation (18) ein Winkel von 45 Grad vorliegt. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, bei der der Detektor derart ausgebildet ist, um die polarisationsabhängigen Intensitätsanteile des Messstrahls (8) in zumindest zwei der folgenden Polarisationen zu bestimmen: 0 Grad, 45 Grad, 90 Grad, 135 Grad. Vorrichtung (1) zumindest nach Anspruch 2, bei der die Lichtquelle und/oder die Strahlformungsoptik ausgebildet ist, um zumindest zwei Lichtstrahlen mit einer Phasendifferenz zu erzeugen, wobei die Phasendifferenz 90 Grad beträgt, um in der Projektionsebene (x-y) zumindest bereichsweise eine zirkulare Polarisation einzustellen oder wobei die Phasendifferenz zwischen 0 Grad und 90 Grad oder zwischen 90 Grad und 180 Grad liegt, um in der Projektionsebene (x-y) zumindest bereichsweise eine elliptische Polarisation einzustellen. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Lichtquelle (2), insbesondere der Laser (2), und/oder die Strahlformungsoptik (3) ausgebildet sind, um die ortsabhängige Intensitätsverteilung in der Projektionsebene (x-y) derart auszubilden, dass die Intensität entlang zweier Außenkonturen zweier Ovale (11 , 11 ‘), deren Hochachsen (H, H‘) V-förmig angeordnet sind, minimal ist und dass die Intensität in den Bereichen der Hochachsen (H; H‘) der zwei Ovale (11 , 1 T) maximal ist wobei der Detektor (10) ausgebildet ist, um die Intensitäten zweier Messstrahlen (8) zeitversetzt zu erfassen und wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, eine Partikelposition innerhalb des Messvolumens (6) zumindest in Abhängigkeit eines Zeitintervalls zwischen den gemessenen Intensitäten der zwei Messstrahlen (8) zu bestimmen. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Lichtquelle (2), insbesondere der Laser (2), und/oder die Strahlformungsoptik (3) ausgebildet sind, um die ortsabhängige Intensitätsverteilung in der Projektionsebene derart auszubilden, dass die Intensität entlang dreier Außenkonturen dreier Ovale (11 , 1 T, 11“), deren Hochachsen (H, H‘, H“) N-förmig angeordnet sind, minimal ist und dass die Intensität in den Bereichen der Hochachsen (H, H‘, H“) der drei Ovale (11 , 11‘,11“) maximal ist wobei der Detektor (10) ausgebildet ist, um die Intensitäten dreier Messstrahlen (8) zeitversetzt zu erfassen und wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, eine Partikelposition innerhalb des Messvolumens (6) in Abhängigkeit zweier Zeitintervalle zwischen den gemessenen Intensitäten der drei Messstrahlen (8) und insbesondere unabhängig von einer Partikelgeschwindigkeit zu bestimmen. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Lichtquelle (2), insbesondere der Laser (2), und/oder die Strahlformungsoptik (3) ausgebildet ist, um zwei Lichtstrahlen (4) mit unterschiedlichen Wellenlängen (Ai, A2) entlang jeweils einer Strahlenachse (5) zu projizieren, welche sich in der Projektionsebene (x-y) überlappen und dabei die ortsabhängige Intensitätsverteilung und eine ortsabhängige Wellenlängenverteilung aufweisen, und wobei der Detektor (10) ausgebildet ist, um mindestens eine wellenlängenabhängige Intensität des Messstrahls (8) zu erfassen ein wellenlängenabhängiges Intensitätssignal an die Auswerteeinheit auszugeben, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, eine Partikelposition innerhalb des Messvolumens in Abhängigkeit des wellenlängenabhängigen Intensitätssignals zu bestimmen. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Detektor (10) innerhalb des Messvolumens eine räumliche Auflösung von 5 Mikrometer bis 0.1 Mikrometer aufweist, vorzugsweise von 3 Mikrometer bis 1 Mikrometer, höchst vorzugsweise 1 Mikrometer. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der zumindest die Lichtquelle (2), insbesondere der Laser (2), und/oder die Strahlformungsoptik (3) unbeweglich angeordnet sind, um das Messvolumen (6) ortsfest auszubilden oder bei der die Lichtquelle (2), insbesondere der Laser (2), und/oder die Strahlformungsoptik (3) und/oder der Detektor (10) beweglich angeordnet sind, um das Messvolumen (6) mittels mindestens einer Scanbewegung zu verlagern. Verfahren zur Charakterisierung eines Partikels (7), bei dem ein Lichtstrahl (4) entlang einer Strahlenachse (5) projiziert wird, wobei der Lichtstrahl (4) in einem Messvolumen (6), welches sich abschnittsweise entlang der Strahlenachse erstreckt, eine ortsabhängige Intensitätsverteilung aufweist, und wobei ein zu charakterisierender Partikel (7) den Lichtstrahl (4) in dem Messvolumen (6) zumindest teilweise als einen Messstrahl (8) reflektiert oder streut, und eine Partikelcharakteristik innerhalb des Messvolumens (6) in Abhängigkeit mindestens einer Intensität des Messstrahls (8) bestimmt wird dadu rch geken nzei ch net, dass die ortsabhängige Intensitätsverteilung in einer Projektionsebene (x-y), welche sich innerhalb des Messvolumens vorzugsweise quer zu der Strahlenachse (5) erstreckt, eine Intensität aufweist, die entlang einer Außenkontur (15) eines Ovals (11) minimal ist und in zumindest einem Punkt (14) innerhalb des Ovals (11) maximal ist. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Lichtstrahl (4) eine ortsabhängige Polarisationsverteilung aufweist und die Partikelcharakteristik in Abhängigkeit einer polarisationsabhängigen Intensität des Messstrahls (8) ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem zwei Lichtstrahlen (4) mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt werden und sich in dem Messvolumen überlappen, wobei die überlappenden Lichtstrahlen in der Projektionsebene (x-y) die ortsabhängige Intensitätsverteilung und eine ortsabhängige Wellenlängenverteilung aufweisen, und wobei die Partikelcharakteristik innerhalb des Messvolumens in Abhängigkeit einer wellenlängenabhängigen Intensität des Messstrahls (8) bestimmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die ortsabhängige Intensitätsverteilung in der Projektionsebene (x-y) derart erzeugt wird, dass die Intensität des Lichtstrahls (4) entlang einer Außenkontur dreier Ovale (11), deren Hochachsen (H, H’, H“) N-förmig angeordnet sind, minimal ist und in den Bereichen der Hochachsen (H, H’, H“) der drei Ovale (11) maximal ist und wobei der zu charakterisierende Partikel (7) den Lichtstrahl (4) in dem Messvolumen (6) zumindest teilweise als drei Messstrahlen (8) reflektiert oder streut, wobei die Intensitäten der drei Messstrahlen zeitversetzt erfasst werden und die Partikelcharakteristik, insbesondere eine Partikelposition, innerhalb des Messvolumens (6) in Abhängigkeit zweier Zeitintervalle zwischen den gemessenen Intensitäten der Messstrahlen (8) und bevorzugt unabhängig von einer Partikelgeschwindigkeit bestimmt wird.
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