专利名称：激光粒度仪专用标准粒子样板制备方法
技术领域：
本发明属激光微粒尺寸测量技术领域，是一种激光粒度仪专用的标准粒子样板制备方法。
用激光Fraunhofer衍射原理测量微小粒子群体尺寸分布是国际上近年来迅速发展起来的一门新技术。使用该方法可以快速，精确地对大量微粒群体的尺寸分布(从几微米到几百微米)进行实时，非接触测量。该技术已在航空、航海、化工、医药、轻工、建材等国民经济很多领域获得广泛应用。相应于该测量方法的激光粒度仪市场上已有出售，如英国的MALVERNINSTRUMENTS PARTICLE SIZER。激光粒度仪在使用前必须定标，这是由于该仪器集光学、电子技术、计算机等高精技术为一体，其中任何一个环节调节不当均可引入一定测量误差。目前，国际上通用的定标方法是用激光粒度仪专用高精度标准粒子样板进行定标。例如美国的E.D.HIRLMAN教授(ARIZONA STATE UNIVERSITY)于1982年用计算机控制大型绘图仪制版，再结合大规模集成电路中光学掩膜技术研制成功一种标准粒子样板，用于激光粒度仪的定标测试。此方法需要计算机控制精密绘图仪和大规模集成电路中光刻掩膜和光学精缩等大型设备，投资昂贵，而且，制作样板周期长，工序繁琐，易引入误差，因而会影响标准粒子板的精度和应用范围。
本发明的目的在于提供一种工艺操作简便、设备投资少、制作周期短、产品精度高的制备激光粒度仪定标专用的标准粒子样板的方法。
本发明提出的制备激光粒度仪定标专用的标准粒子样板的方法，革新了原有方法的设计思想，使用了激光扫描，物孔成像等工艺，采用了新的光路设计，具体操作由微机控制，其方法的主要特点为1.用高分辩率激光直接扫描照相底版；2.在系统光路中设置了消激光相干性装置；3.照相底版根据粒子分布的要求，在微机的控制下作二维移动，同时保持激光成像光束始终处于系统光路的中心，以实现激光对底版的二维扫描。
本发明涉及的系统光路如
图1所示。该系统依次包括激光器1，声光控制快门2，消激光相干装置3，小孔滤波器4，物孔屏5，物镜6，成像透镜7，照相底版8，快门开启电路9，物孔屏驱动电路10和照相底版驱动电路11。其中，激光器1采用功率为100mw以下的He-Ne激光器，消相干装置是厚度为0.5～5.0mm以下的光学玻璃制作而成的毛玻璃，物孔屏5设有1～100个标准物孔，由小到大依次分行排列，便于换孔控制，物镜6的焦距f1为500～2000mm，成像透镜7的焦距f2为85～100mm，中央控制机采用AST/286微机12。
本发明的动作步骤如下打开激光器1，由微机通过快门开启电路控制声光快门2，以获得成象光束的准确曝光。激光束经过消相干装置3，消相干装置3以50～3000转/分的速度旋转，控制光束的相干性，然后激光束经过小孔滤波器4，扩束成Φ5～50mm的均匀照明高斯光束，照明物孔屏5的某一个标准孔，经过物镜6和成像透镜7，将物孔缩小10～100倍，最后成像于照相底版8上，底版由照相底版二维扫描驱动电路11驱动，由微机按随机地址(Xj，Yj)进行二维扫描。对应物孔屏上某一个直径的标准孔，曝光Ni次，这里i为不同直径粒子的排列序号，Ni为第i种粒子尺寸的粒子数，∑Ni＝N为粒子板上获得的粒子总数。Ni的数字由预先选定的粒子分布形式决定。物孔屏上的某一个尺寸的标准孔对应于标准粒子板上某一种尺寸的粒子，变换物孔屏的位置，即换为另一个标准尺寸物孔，上述动作过程由微机作中央控制，按分时制分别送出下列有关指令(对应于物孔屏上第i个标准孔)(1)曝光数据指令，以1μs～5ms时间间隔打开声光开关，以获得成象光束的准确曝光并控制曝光次数Ni(2)消相干参数设定指令，控制该装置转速在50～3000转/分范围之内，控制照明光的相干性(3)照相底版随机地址二维扫描指令，控制小孔成象在照相底版上位置(4)换物孔指令，即当上个孔曝光Ni次后，移动物孔屏，使下一个标准孔位于照明光路中。
计算机控制程序根据选取粒子板上粒子分布函数的要求在确定各种参数后，可以方便地计算对应于各种尺寸微粒的粒子数及它们的随机地址，并按分时制自动控制整个系统完成标准粒子样板的二维扫描曝光的制版过程。程序框图如图2所示。
如此重复上述步骤，直至各种尺寸的粒子全部成象于照相底版中。然后按全息底板标准冲洗工序进行显影，定影，水洗，即制得标准粒子样板的母板。
标准粒子样板上的粒子分布根据设计要求选定。一般可以选择群体微粒最常见的一种尺寸分布，即Rosin-Rammler(简记为(R-R)分布函数)F＝exp(-d/x)N
式中F为直径大于d的粒子所占的体积比，d为微粒直径，X为微粒的平均直径。N为R-R分布的指数，它代表了群体微粒尺寸分布弥散的程度，N愈大，尺寸分布愈集中。X和N是R-R分布的两个参数，因此具有X和N两个参数的R-R分布标准粒子样板可记为R-R-X-N。此外，也可以是单一尺寸分布，甚至可以是随机尺寸分布。
由本发明制得的标准粒子板可达到如下技术指标粒子尺寸精度≤3％；粒子位置精度≤1％；粒子分布范围Φ3～50mm；粒子分布可以是R-R分布，可以是带上限的对数正态分布，或独立分布，或其它分布。由于本发明用高分辨率激光直接扫描底版，可成倍缩短制作标准粒子板的周期，一般只要2-4小时即可，而且可以省去计算机控制绘图仪及光学精缩设备，大大降低设备投资；由于在系统光路中设计了消激光相干装置，既可有效地利用激光高单色性，高亮度，消除成象色差，缩短曝光时间，又可使相干成象系统转化为非相干系统，消除了激光成象固有的散斑效应；由于扫描光路设计为照相底版计算机控制二维扫描形式，使成象光束始终处于系统光路中心，因而，从根本上消除了离轴光束的象差与畸变，可高保真地摄制大量随机分布的微小物粒(线度1～1000μ)。
由本发明制备的激光粒度仪专用定标标准粒子样板(记为A)，在Malvern激光粒度仪上进行测试，与英国的Malvern标准粒子样板(记为B)测试数据对比如下(粒子分布采用R-R-50-3.0)
可见由本发明制备的样板性能已超过英国的Malvern标准粒子样板。
图1为本发明的计算机程序框图，图2为本发明系统光路图。
权利要求
1.一种制备激光粒度仪专用的标准粒子样板的方法，使用了激光扫描，物孔成象工艺，采用了新的光路设计，并由微机控制操作过程，其特征在于(1)用高分辨率激光直接扫描照相底版；(2)在系统光路中设置了消激光相干性装置；(3)照相底版根据粒子分布的要求在扫描控制装置驱动下作二维移动，使激光成象光束始终处于系统光路中心，以实现激光束对照相底版的二维扫描。
2.根据权利要求1所述的制备标准粒子样板的方法，其特征在于系统光路设计依次为激光器1，声光控制快门2，消激光相干装置3，小孔滤波器4，物孔屏5，物镜6，成像透镜7，照相底版8，快门开启电路9，物孔屏驱动电路10和照相底版驱动电路11。
3.根据权利要求2所述的制备标准粒子样板的方法，其特征在于消相干装置是一种厚度为0.5～5.0mm的光学毛玻璃，工作时，转速控制在50～3000转/分。
4.根据权利要求2所述的制备标准粒子样板的方法，其特征在于物孔屏上的标准孔为1～100个由小到大分行排列。
5.根据权利要求2所述的制备标准粒子样板的方法，其特征在于系统光路中物孔屏的移动，声光快门的开关，消相干装的转速，照相底版的二维扫描由微机中心控制操作；对于物孔屏上某个标准孔，微机按分时制分别送出如下指令(1)曝光数据指令，以1μs～5ms的脉宽控制声光快门的开关，以获得成象光束的准确曝光并控制曝光次数Ni。(2)消相干参数设定指令，使装置转速控制在适当的范围，控制照明光的相干性；(3)照相底版随机地址二维扫描指令，控制小孔成象在照相底版上的位置；(4)换物孔指令，当上个孔曝光次数结束后，移动物孔屏，使下一个标准孔位于照明光路中重复上述步骤，直至各种尺寸的粒子全部成像于照相底版中。
全文摘要
本发明是一种新颖的激光粒度仪专用标准粒子版制备方法，光路设计独特，用高分辨率激光束直接扫描照相底版，采用计算机控制整个系统，既有效地利用激光的高单色、高亮度特性，消除成象色差、缩短曝光时间；又克服激光散斑效应和普通扫描成象光路中的色差、象差、畸变，可高保真地摄制大量随机分布微小物体。本发明成象精度好，自动化程度高，制作工艺简单，生产周期短，投资少，可广泛应用于各种高精度微象摄影制版领域。
文档编号G01B11/08GK1121998SQ9411404
公开日1996年5月8日 申请日期1994年12月15日 优先权日1994年12月15日
发明者应萱同 申请人:复旦大学