用于测量样品的散射的设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于测量样品的散射的光学设备。
【背景技术】
[0002]这类设备长期以来是已知的并且例如在分析、环境监控、质量监控和过程监控的领域上使用。折射在此用于检测折射率相关的物质(例如饮料中的糖)。从吸收中，从散射的微粒(例如牛奶中的脂肪)的弹性散射和从发荧光的物质(例如水中的荧光素钠)的非弹性的散射中产生吸收的物质(例如水中的芳烃)的信息。
[0003]DE 199 20 184 A1描述一种用于检测基本上不透明的样品的漫反射和镜面反射的设备。而DE 10 2004 018 754 A1描述一种用于测量基本上透明的样品的散射和吸收的设备。这两种设备共同地将辐射分散地射到成像透镜上并且平行地耦合输入到样品中。在透明的样品中，该耦合输入辐射到达设置在样品下游的反射镜并且被向回反射到传感器中。通过透镜，将穿过样品透射的该辐射成像到接收器上。在不透明的样品中，基本上从保护元件和样品边界面镜面反射的辐射在接收器上成像，所述辐射提供关于样品折射的信息。接收器和辐射源定位在共同的平面(辐射和接收平面)中。接收器和辐射源在此也能够是光波导的端面。接收器除了在朝样品的边界面处镜面反射的辐射外还由在其它边界面处(保护窗的内侧并且在透明的样品中经由反射镜的透射)镜面反射的辐射和样品的散射辐射加载。这是妨碍精确的折射测量的干扰。
[0004]因此，在US 8 355 121 B2中描述一种传感器方面的设备，所述设备允许同步地测量样品的折射、散射和吸收并且借助于上述设备消除折射测量的上述缺点。基本结构与上述设备类似。辐射源、透射接收器和散射接收器定位在辐射和接收平面中，所述辐射和接收平面位于透镜的焦平面中。另一散射接收器设置在单倍焦距之内并且设置在透镜附近以及设置在其光轴的外部。此外，在辐射和接收平面以及透镜之间定位另一辐射源(折射辐射源)。该折射辐射源同样位于透镜的单倍焦距内，设置在其光轴外部并且加载保护元件和样品。从保护元件和样品的样品侧的边界面镜面反射的辐射由另一接收器检测，所述另一接收器在传感器侧定位在透镜的光轴和单倍焦距外部。从传感器侧的、空气和保护元件的边界面镜面反射的辐射不射到接收器上从而也不干扰测量。射到折射接收器上的且干扰性的散射辐射借助由散射接收器测量的散射辐射来校正。与上述装置相比，就此能够在没有更大干扰的情况下确定折射。
[0005]在DE 10 2009 020 252 B4中使用用于测量荧光辐射的非常类似的传感器方面的设备，所述设备也描述基准辐射的测量。基准辐射在此是从激发辐射路径耦合输出的光子子流，所述光子子流与激发辐射的强度成比例。所述光子子流用于均衡辐射源的强度波动和漂移现象。在此，基准光子基本上经由附加地安装的辐射分配器导到光电子接收器(基准接收器)上。辐射分离器定位在辐射源和成像元件之间。
[0006]这类设备一方面由于确定唯一的测量过程中的多个光学变量的可行性而具有大的优势，即能够实现许多不同的且复杂的测量任务。另一方面，基本技术上的困难在于:系统的各个部件设置为，使得(i)部件本身不相互影响并且可能的外部影响(例如温度)为了简单校正的目的而均匀地作用到部件上并且(ii)为了可靠的数据解读的目的样品的散射辐射的消光之间的简单的数学关系是适用的并且不通过另一辐射干扰性地影响或者仅少量地通过另一辐射干扰性地影响所测量的辐射。如果这些点未充分良好地观察，那么这始终导致在检测样品折射和/或散射和/或吸收时的不精度。这限制了使用多样性。
【发明内容】
[0007]从中产生如下目的:实现一种用于同步地测量样品的折射和/或散射和/或吸收的设备，所述设备整体上特征在于更高的测量精度从而也在于更高的使用多样性。
[0008]对此，根据本发明，下述内容被认为是不利的。所使用的元件，如辐射源、折射辐射源、散射接收器、折射接收器和基准接收器或者与其相关联的光波导端面绝大部分定位在传感器中的不同的地点上。仅辐射源、透射接收器和散射接收器位于一个平面中。传感器内部的这种复杂的异质结构引起:每个部件本身能够是自主的(例如由于传感器内部的温度梯度)从而不同测量的辐射不再可相互比较，这导致校准功能中的较大的不精确性。此外，在这类复杂且异质的结构中，生产耗费是高的。
[0009]此外，被视为不利的是检测基准辐射的方式和方法。该辐射在光学系统内部在辐射源和成像元件之间耦合输出。因此，该基准尤其适合于检测辐射源的强度波动和漂移现象。因此当然，设置在下游的光学仪器的透射(例如由于老化、粘接部中的机械应力、热影响等引起的)的改变不能够被检测。此外，存在下述风险:样品中的干扰性的散射经由耦合输入通道射到基准接收器上。
[0010]值得改进的还有折射射测量。根据US 8 355 121 B2的设备中的折射接收器也接收出自样品的散射。这是干扰并且在该处为了校正而提出:使用借助于单独的散射接收器确定的散射。然而，所提到的单独的散射接收器不直接接近折射接收器设置，当然这对于散射测量是有利的，其中所述散射测量应代表射到折射接收器上的散射。该状态在特定的应用中(例如在微粒大小改变时)会导致检测折射时的不精确性。
[0011]此外，在散射测量中识别到下述状态。在透镜的单倍焦距之内并且在光轴之外定位的散射接收器加载出自样品体积(散射体积)的散射辐射，所述样品体积位于传感器侧的保护元件后方。该散射体积一方面通过由耦合输入到样品中的辐射(耦合输入辐射)加载的体积与由散射接收器检测的体积的叠加来确定。另一方面，该散射体积也通过样品的消光确定。消光是由样品中的散射和吸收引起的辐射的衰弱并且特征在于光密度。在样品透明的情况下，散射体积的大小或长度(耦合输入辐射沿着所述大小或长度传播)是恒定的，因为耦合输入辐射在样品中的射入深度始终大于散射体积的长度。在样品不太透明的情况下，耦合输入辐射仅还少量地射入到样品中。散射体积变小，与样品的消光相关从而不再恒定。这两种情况的特征在于样品的散射辐射和消光之间的不同的关系。这对于实际应用而言使解读数据或者建立标定功能困难。此外，被视为不利的是:由设置在成像元件的单倍焦距之内的散射接收器检测的散射位于更大的散射角范围中，也就是说，不单义地与特定方向相关联。然而，在不同的和限定的散射角下的测量例如在监控微粒浓度时是有利的:当微粒大小分布改变时，于是散射强度因此也改变。因此，散射强度不再仅与微粒浓度相关。确定不对应于实际的浓度。因为与角度相关的散射是微粒大小的函数，所以能够借助测量不同角下的散射来执行对所描述的干扰的补偿。
[0012]此外，指出下述内容。当应同时测量散射和透射时，散射接收器检测透射至反射镜的耦合输入辐射中的向后散射以及从由反射镜反射的耦合输入辐射中的向前散射。随着微粒浓度增加，首先所测量的散射强度提高。在进一步增加时，透射的耦合输入辐射不再到达反射镜。因此，散射接收器不再记录任何向前散射。所测量的散射强度下降。因此，在样品的散射和消光之间不存在任何单义的关联。
[0013]在上文中提到的目的根据本发明借助于用于测量样品的散射的设备通过如下方式实现:第一和第二散射接收器设置在共同的平坦的或者至少近似球形弯曲的面中，所述面垂直于成像元件的光轴取向，其中第一散射接收器构成和设置用于接收样品的饱和的散射辐射并且第二散射接收器构成和设置用于接收样品的线性的散射辐射。
[0014]球形弯曲的面尤其关于光轴对称地设置。光轴的一个部段例如构成面的曲率半径。
[0015]根据本发明的一个实施例，所述设备还具有用于接收在朝向样品的边界面处被镜面反射的辐射的折射接收器和/或用于接收透射穿过样品的辐射的至少一个透射接收器，其中折射接收器和/或透射接收器设置在散射接收器的面中。
[0016]此外，辐射源能够设置在散射接收器的面中。所述面例如在成像元件的焦平面中伸展，在所述面中设置有散射接收器。特别地，辐射源构成和设置为，使得借助于其可辐照样品的预设的体积。也可以考虑的是，第一散射接收器设置为，使得所述第一散射接收器与第二散射接收器相比接收出自样品的更大体积的散射辐射。
[0017]特别地，第二散射接收器设置为，使得所述第二散射接收器接收出自样品的可预设的体积的散射辐射。在此，可预设的体积能够通过如下方式预设:由辐射源产生的辐射和/或散射辐射的横截面借助光阑确定。也可行的是，可预设的体积通过成像元件距共同的面和/或距样品的间距确定。
[0018]因此，为了产生和检测线性的和饱和的散射辐射，借助耦合输入辐射可辐照样品中限定大小的体积并且借助接收器可检测样品的限定大小的体积。对于线性的散射辐射而言，其是足够小的体积，并且在饱和的散射辐射中，其是样品的足够大的体积。这一方面如所提到的那样通过将具有限定的开口的一个或者多个光阑接入到射束路径中来实现。这另一方面也能够通过调节成像元件距辐射和接收平面和/或距传感器侧的保护元件的限定的间距来进行。
[0019]基本上，借助所述措施可行的是，减小传感器中的寄生辐射从而优化折射辐射、散射辐射和透射辐射的测量。特别地，由此能够光学上调节样品的散射体积的大小。这一方面能够具有下述优点:例如在具有由于散射而高的消光的样品中样品的散射体积足够小地构成，以便能够主要产生和测量线性的散射辐射。另一方面，另一优点例如是，可控制线性的散射辐射、饱和的散射辐射和透射的强度的函数关系。因此可以简单的方式优化测量动态、信噪比和工作范围。
[0020]第一散射接收器与第二散