专利名称：用于产生光学测量仪器中所用的光束的装置和方法
用于产生光学测量仪器中所用的光束的装置和方法 本发明涉及一种用于提供在光学测量仪器中使用的光束的装置，其包括用于产生 光束的设备；用于将该设备所产生的光束进行整形的器具，在使用中，该器具的尺寸被设计 以确定光束形状，该器具包括小孔以及用于抑制所述光束中特定范围之上的空间频率分 量的器具。 本发明还涉及一种提供光学测量仪器中的光束的方法，其包括产生光束；使该光 束穿过通道，所述通道的尺寸被设计，以确定光束形状；并且从所述光束中去除特定范围之 上的空间频率分量。 本发明还涉及一种通过光的散射确定颗粒尺寸的光散射仪器，其包括用于提供光 束以照亮颗粒样品的装置。 这种装置、方法和仪器的实施例是公知的。US 5610712描述了一种常用的基于 针孔的空间滤波器，其主要包括产生光的激光二极管，该激光二极管的光束穿过第一圆形 光束阻挡器，所述第一圆形光束阻挡器用于消除不需要的外围光线并使该光束的形状为圆 形；聚焦透镜；针孔构件；以及第二光束阻挡器，该第二光束阻挡器用于去除由射到针孔边 缘的部分光束所产生的衍射环。最后，所述激光光束被一透镜校直并且传递进入一包含有 样品的单元中。 已知结构的问题在于，在未校准(misalignment)会导致最终的光束的空间相干 性显著恶化的意义上来说，该结构对于针孔构件和来自激光二极管的光束的未校准是敏感 的。 本发明的目的在于提供一种在开篇段落所提及的、在面临部件的未校准和容差扩 大时，仍能形成相对良好的准直光束的所述类型的装置、方法和仪器，所述部件为用于将， 来自于产生光束的设备的光束，进行整形的装置的部件。 该目的是通过本发明的装置实现的，所述装置的特征还在于包括一空间低通滤波
器，该空间低通滤波器被布置为对所述光束整形器具所提供的光束进行滤波。 某种程度上与直觉相反的是，现已发现通过添加第二空间滤波器来增加光学部件
的数目，实际上使最后形成的装置对于未校准和容差较不敏感，尤其是对小孔的未校准和
容差较不敏感。在所述的用于光束整形的器具包括针孔和光束阻挡器的组合时，针孔相对
于光束和/或光束阻挡器的未校准变得不那么重要。此外，为实现空间频率分量的良好分
离，针孔不需要是非常小的，从而使得该装置更易于制造并且允许有更大的光通过量。 应注意的是，US 5，610，712还公开了一种用于确定布置在样品中的多个颗粒的相
应尺寸和尺寸分布的方法，该方法包括使激光束穿过单模光学纤维以在纤维的一端产生一
个具有高相干度的点光源。所述纤维必须是足够长的，使得传播通过纤维覆层的外来光被
衰减至其不会损害一纯净的、空间滤波的光束输出的程度。在所述实施方案中，将六米长的 光学纤维电缆以线圈形状绕圆柱形管缠绕以提供一相对小的、紧凑的组件，然后将其覆盖
以收縮薄膜包装覆层。其中没有公开布置一空间低通滤波器以将光束整形器具所提供的光 束滤波。 根据本发明的装置提供了一相对良好的光束质量，因为从单模光学纤维的小孔中将形成具有相应于贝塞耳函数强度分布并具有低强度旁瓣的光束(参见，例如，1988年 Springer出片反的Neumann, E. -G. ， "Single mode fiber fundamentals (单模光纤原理)，， 第202-203页)。应用本发明，沿传播方向下游存在的空间低通滤波器仍将具有效果，即使， 作为滤波器的光学纤维的截止点和空间低通滤波器的截止点相同。在光束整形器具包括有 单模光学纤维的情况下实现的另一效果是，光学纤维末端的老化得以补偿。光学纤维末端 必须具有超精细抛光以获取质量足够高的光束。然而，光学纤维的端面易受到环境老化的 影响。这会不利地影响测量的可重复性。 在本发明的一个实施方案中，空间低通滤波器包括一中继透镜组(relay lens arrangement)，其发挥傅立叶变换透镜的作用；以及一光圈挡片，其被基本定位在中继透镜 组的焦平面内。 —个效果是使得该装置被制造得相对紧凑并且使其可以提供相对高的光输出。中 继透镜组改善了光束的数值孔径，从而降低了对光束整形器具追求更小孔径方面的需要。 应该避免光束整形器具的孔径较小，因为小孔的圆度对于光束质量变得更加关键，并且小 的孔径也降低了光输出量。因为中继透镜组增加了通过其中的光束的数值孔径，它也縮短 了所得光学系统的长度。 在一变体中，中继透镜组包括附接在一起的多个单个透镜组成的组件，所述单个 透镜中的至少两个包括呈现不同折射率和色散的介质。 相比于传统的中继透镜组，例如非球面体和鼓形透镜，该变体的配置具有引入微 小像差或小角散射(这不能被滤除)的效果。在一变体中，中继透镜组具有的直径在1. 5 3. 5mm的范围内。 确定所述光束整形器具的尺寸，使得基本上所有通过的光都被中继透镜捕获。相
对紧凑的尺寸对于这种配置的中继透镜组是不常见的，但是却有利于装置的整体紧凑度。 在一实施方案中，光束整形器具包括一基本圆形的针孔，其提供所述小孔，并且相
对于由用于产生光束的设备所产生的光束来设计小孔尺寸，以在平面内生成一埃里图样
(Airy pattern);以及一光束阻挡器，其被定位在所述平面中，用于阻挡所述埃里图样的次
最大值。 —个效果是为光束整形器具提供紧凑设计以及相对良好的温度稳定性。温度变化 相对不可能导致次最大值被光束阻挡器"遗漏"。这种结构不要求大长度的光学纤维并且其 对由于温度和/或振动引起的几何变化不像光学纤维变体那么敏感。增加的效果是这种配 置提供了偏振稳定性。相反，在纯单模纤维的光束整形器具中，偏振面随着温度和应力而变 化。诸如光束分离器等对偏振有依赖性的光学元件的存在(例如，用于光束功率监控)和/ 或光学测量系统中的镜子的存在意味着，偏振稳定性提高测量的可重复性。为了实现具有 单模光学纤维的偏振稳定性，人们必须诉诸于应力双折射，所述应力双折射对于光束圆度 和光束强度分布的旁瓣中的功率分布均具有不利影响。 在一实施方案中，所述针孔被提供在一个基本不透明的材料层中，所述基本不透 明的材料层被沉积在厚度基本高于所述层的基本透明的衬底上。 从而，针孔形状被良好地限定、被精确地制造并且在使用中相对稳定，使得以低的 制造成本引入极少像差。所述由衬底支撑的层，相对于在针孔平面处的入射光束的直径可 以是非常薄的。在那种尺度下，针孔成形为较不像圆柱形。结果，在该"圆柱形"内存在较
5少反射，该"圆柱形"可看作实际的光源，引起埃里图样的像差。
在一实施方案中，所述针孔可通过平版印刷法获得。 —个效果是针孔的一致性质量(良好圆度)是可实现的，原则上其由光刻用掩模 的质量(在光刻法的情况下)或者电子束波长(在电子束刻蚀的情况下)以及接下来的蚀 刻过程所确定。 在一实施方案中，所述载有不透明层的衬底的一表面和该衬底的基本相对表面中
的至少一个，在使用中被定位为与光束穿过衬底传播的方向成一角度。 —个效果是防止在衬底的界面处所反射的光进入产生光束的设备中。 所述装置的一个实施方案包括一透镜组，在使用中，该透镜组用于将光聚焦到针孔上。 —个效果是增加效率。 在一实施方案中，所述透镜组包括附接在一起的多个单个透镜组成的组件，所述
单个透镜中的至少两个包括呈现不同折射率和色散的介质。 结果，引入了相对小的像差或小角度散射。 在一实施方案中，所述装置被配置使得，在使用中，在所述针孔处的所述光束的1/ e2直径与针孔直径的比值在3 8的范围内。 所述1/V直径是相应于距离传播轴的、其强度是传播轴上的强度的1/V处的径向 距离的两倍的直径，此处。已发现，该值产生了相对良好的效果，即该装置对于用于产生光 的常见设备而言具有充足的光输出，但是对于未对准的敏感度相对较低。所传输的光束在 其空间相干性方面的质量是受衍射限制的。 根据另一方面，根据本发明的提供光学测量仪器中的光束的方法的特征在于，一 旦确定了光束形状并且去除了所述空间频率分量，就使所获得的光束通过一空间低通滤波 器。 在一实施方案中，所述方法包括使用根据本发明的装置。 根据另一方面，根据本发明的光散射仪器包括一如下装置，所述装置用于提供光 束以照亮根据本发明的颗粒样品。 由用于提供光束的装置所提供的效果在用于通过散射光来确定颗粒尺寸的光散 射仪器中表现出来。用于提供光束的装置具有相对小的空间封装，从而为样品载体和传感 器留出空间。该装置提供了具有高空间相干性的光束，这对于将散射光从非散射光中分离 开是重要的。所述装置允许人们对不同波长进行重新配置，而不像单模光学纤维滤波器一 样，该单模光学纤维滤波器被设计用于一个窄的波长带。而且，用于提供光束的装置的许多 实施方案的偏振稳定性是有利的，因为光散射在Mi e散射理论所应用的颗粒尺寸和波长范 围下是取决于偏振的，并且因为基本测量光束功率，为此通常将一光束分离器或半透明反 射镜布置在光束的路径中。 现在将参照附图更加详细地描述本发明，在所述附图中
图1是未按比例画出的、光散射仪器的各部件的示意图；
图2是用于该光散射仪器中的检测器的示意性正视图； 图3是利用体光束整形器具(bulk optic beam sh即ing means)来产生光束的装 置的实施方案的示意 图4是用于产生光束的装置的实施方案的示意图，其中利用光学纤维来对光束整 形； 图5是示出不存在额外空间滤波器时，对激光在图1的光散射仪器的横向方向上 的未校准的敏感度的曲线图； 图6是示出存在额外空间滤波器时，对激光在图1的光散射仪器的横向方向上的 未校准的敏感度的曲线图； 图7是示出不存在额外的空间滤波器时，对第一空间滤波器中的光束阻挡器在图 1的光散射仪器的横向方向上的未校准的敏感度的曲线图； 图8是示出存在额外的空间滤波器时，对第一空间滤波器中的光束阻挡器在图1 的光散射仪器的横向方向上的未校准的敏感度的曲线图； 图9是示出对激光在图1的光散射仪器的横向方向的未校准的敏感度的曲线图， 所述仪器中具有一额外的空间滤波器用于各种被用来对光束进行整形的针孔尺寸。
光散射(LS)仪器l，也被公知为激光衍射仪器，包括用于产生空间相干光束的装 置2、全距透镜(range lens) 3、测量区4以及传感器阵列5。传感器阵列5基本被布置在全 距透镜3的焦平面中。在使用中，将悬液中的颗粒样品引入到测量区4中。所述颗粒以一
强度分布，将光束散射沿前向或反向散射，所述强度分布取决于粒径。前向散射的光被传感 器阵列5的传感器段6a 6k(图2)检测到。传感器段6a 6k相对于基本与准直光束重 合的光轴分布在逐渐增大的径向距离处。未被散射的光穿过中心孔7到达用于探测未被散 射的光的传输的光电传感器8上。 许多光学测量仪器需要通过光将目标对象照亮，并需要将随后的从对象中散射出 来的光与穿过其中而未被散射的光分离开。通过这种方法，所述仪器能够区分出小角散射 和原本可能被混合在一起的目标吸收特性。小角散射与没有被散射的光束之间的可分离性 方面所遇到的限制是由公知的衍射极限而限定的，该衍射极限对于聚焦光束的可实现的光 斑尺寸设置了一下边界。对"衍射极限聚焦光斑"的获取表明了在使用中，照射光束实际上 不能从完全空间相干源中区分出来。 因此，实际上可获得的最高空间相干性是在已实现的真实焦斑中重复该理论衍射 极限。这要求使用TEM。。光束传播以给予光束高斯横向强度分布，其通常通过聚焦点处的 1/e2光束直径来表征。对于大于该衍射极限的1/V直径的3 4倍的小孔，在焦平面上接 收的功率可被认为原则上可从完全空间过滤光束中忽略，以允许这些区域被用于检测散射 光。 然而，由于透镜制造上的非理想性以及部件形成上的误差，真实的光学系统很少 能达到光束光斑尺寸的衍射极限。所述非理想性和误差易于形成叠加在焦斑上的像差，并 导致从主高斯光斑中"泄漏出"光功率。这产生一些来自所述源的光，其"遮蔽"了在像差 所覆盖的角度处的对来自目标对象的散射的测量。 从主光束逃逸出来的光功率原则上会到达激光器所聚焦的焦平面中的任何地方，
然而，几乎所有一般的像差都会导致功率泄漏到最小的散射角中。结果，是最接近于光束的
检测器记录下来自于在空间上已被充分过滤的光束的明显的功率泄漏。 因此应清楚，在这种测量仪器中，具有较高空间相干度的源通过使得较小角度的
散射光从未被散射的光束中精确分离，来提供改进的性能。
例如，在基于角光散射的颗粒尺寸的分析中，任意固定的光学系统中可被测量的
最大颗粒尺寸直接由可被可靠测量的最小散射角度决定。在衍射极限下的光斑尺寸对可实
现的最大尺寸设置了一个基本限制时，在光束传播中存在的像差通常追加了一较低的获取
限制。因此，光源光束的较好空间相干性为这些光学测量系统提供了真正的优势。 LS仪器1的运行原理公知如下。先进的变体将具有用于检测背散射光的光检测
器，并且其可具有多个附加光源，所述多个附加光源具有不同波长的光，如EP 0992785中
所解释的。本说明书针对前向散射光的测量，为此附图中省略了这些特征。 颗粒的小角度的前向散射可使用Fra皿hofer理论作为一近似值来模拟。所述强
度分布由下式决定 / = /,
4
(l + cosS)2
(x sin 0
、2
,x =—— 其中e是散射角(相对于照明光束的传播轴来测量)，a是照明光的波长，d是 颗粒直径。卫代表一阶贝塞耳函数。当存在颗粒样品时，形成一总体强度分布，可通过使用 包含在信号处理单元(未示出)所执行的算法中的模型而使该强度分布与颗粒直径分布相
关联。在实际的LS仪器1中，算法是基于Mie理论而非Fra皿hofer理论，但是如果颗粒远 远大于照明光束的波长，对于小角度前向散射，前者还原为后者。 根据上述等式，显而易见的是，大颗粒在大角度下散射较少，具有较小波长的光以 较大角度被散射。由此可见，为了区分位于可检测的颗粒尺寸范围的上端处的颗粒在小角 度下散射的光和根本未被散射的光，进入测量区4的光束必须尽可能是空间相干的。在本 文中，这意味着，光束的基谐模式必须起主导作用，并且光束必须近似于点光源所产生的光 束，即具有球形波阵面(渐进极限下为平面波阵面)。在此处所述的所有实施方案中，用于 产生光束的设备和用于将所述设备产生的光束进行整形的器具的组件，被布置为产生具有 大致TEM。。分布的光束。空间相干性的进一步提高由另一空间滤波器来提供，所述另一空间 滤波器接收来自于光束整形器具的光。 根据散射理论，还可得出，较小波长的光以较大角度散射。使用较小波长所具有的 一个优点在于其能够使LS仪器1变得更加紧凑。如果散射光对着更大角度，那么传感器阵 列5可以——事实上是必须一被布置得更加接近于测量区4。 所述Mie和Fraunhofer理论都假设入射光是空间相干的。尽管装置2也可以应 用于使用逆向傅立叶结构的LS仪器，但是所示出的实施例将平行光束应用至测量区4。为 此，LS仪器1包括准直透镜组件9。如果向准直透镜组件9施加具有基本高斯强度分布的 空间相干圆形光束，那么所述准直透镜组件9将仅形成充分准直的光束。
对于装置2所产生的光束的空间相干性的一种合适量度是，传感器阵列5的两个 最里面的传感器段6a、6b的强度值之和。这种量度在此处将被用于显示所述装置2及其变 体的各种部件的效果，但使用来自于光电传感器8中的信号将这种量度换算至相应于3mW 功率输出，以将装置2内不同程度的反射和消耗损失考虑在内。 图1中所示的装置2包括用于产生基本单色的光束的设备10 ;透镜ll，其用于将 设备IO发射的光聚焦到点光源发生器12的针孔上；第一光圈挡片，此处指得是埃里削波器 (Airy clipper) 13 ;中继透镜14 ;第二光圈挡片15以及第二光电传感器16。
所述用于产生基本单色的光束的设备10可以是发光二极管、固态激光器或气体
8激光器。所述第二光电传感器16被布置为向控制设备提供一信号，用于控制所述设备10 所发射的光束的功率。所述设备10就下述意义而言是过度配置的其额定功率输出高于， 为在传感器阵列5处产生可观察到的强度分布所需的功率输出。在装置2的寿命中，部件 会稍微被污染和/或未校准，这将导致到达准直透镜组件9的光束的功率的减少。设备10 的内部控制回路和过度配置确保了这种减少在实际情况中不会发生。这也是装置2的所有 替代性方案——在下面将更加详细描述——的特征。 图3示出了利用激光二极管光源17时的实现。在一实施方案中，激光二极管光源 17被配置为发射其峰值强度波长在可见范围内，低于500nm，优选地在405nm左右，的光。这 种蓝色激光二极管可大量获取，用于消费型电子设备，以使它们在顾客负担能力内。相对较 低的波长确保了相对较小的颗粒也落在LS仪器1的测量范围内。激光二极管自身发射具 有低空间相干性的光，但是这一影响通过装置2的其它部件得以缓解。 聚焦透镜组18包括如下一双合透镜(doublet):—个由两个附接在一起的单个透 镜组成的组件，所述单个透镜由呈现出不同的折射率和色散的不同类型的玻璃制成。 一个 效果是基本避免低空间频率处的像差和噪声。这是符合希望的，因为装置2原本只包括低 通空间滤波器和光束整形器，使得任何这样的像差和噪声都保留在用于照亮所述测量区域 4的光束中。形成聚焦透镜组18的所述双合透镜被抛光以提供所期望的特性。
如图3中所示，点光源发生器12包括衬底19和涂层20，其中设置有针孔21。所 述针孔21形成圆形小孔，使用中，所述圆形小孔的尺寸被设计，以确定从其出来的光束的 形状。这也就是说，其直径基本小于所述聚焦透镜组18将来自于激光二极管光源17的光 束聚焦在其上的光斑的大小。如果针孔21处的光束的1/e2直径与针孔21直径的比值在 3 8范围内，则会获得良好结果。 在这些尺寸下，针孔21表现为点光源。相对于设备10所产生的光束来确定针孔 的尺寸，以在布置有埃里削波器13的平面内产生埃里图样。这也就是说，强度分布基本由 埃里函数确定
A sin P 其中Jl代表一阶贝塞尔函数，a代表针孔21的半径，k是波数。9代表与光轴所 成的角度，所述光轴与激光束的传播方向重合。 埃里削波器13包括在原本不透明的板中的光传输小孔，所述光传输小孔的大小 被设计，使与第一最小值一致，从而阻挡埃里图样的第二以及所有更高阶的极大值。以这样 的方式，埃里削波器13被操作用于抑制光束中特定范围之上的空间频率分量。
埃里图样——埃里斑(Airy disk)——的中心最大值，很好地近似为，等于高斯分 布，从而从埃里削波器13出来的光束基本具有TEM。。分布。为了产生近乎完美的埃里图样， 针孔21上的强度应大致恒定。这可通过使针孔21非常小来实现。然而，这给制造容差以 及光通过量方面制造了一些问题，其中就制造容差而言，针孔21还应具有良好圆度。包括 中继透镜14和第二光圈挡片15的空间滤波器的存在，使得在某种程度上放松了对针孔21 直径的要求。 可想到的是，在一些实施方案中，可使用金属箔片中的针孔来代替在此处详细描 述的点光源发生器12。然而，薄涂层20使得可更加容易地制造针孔21——其在激光束传 顺=/(0)播方向上具有小的长度。这进一步有利于在埃里削波器13的平面中产生良好地限定的埃 里图样。 在一个实施方案中，涂层20由镍制成。例如，镍箔片可结合至衬底19。在另一实 施方案中，涂层20由铬制成，例如，铬在应用时通过气相沉积被沉积至350nm的厚度。铬涂 层20比铜箔片或镍箔片的制造成本更低。衬底19例如可由熔融石英制成。点光源发生器 12的原型已被制造为具有6 ii m 18 ii m的针孔直径。因为针孔21确定了装置2的光束形 状，所以良好圆度和准确尺寸都是可期望的。这是通过借助于平版印刷过程，例如使用光刻 影印或者直接的电子束刻蚀来产生针孔21而实现的。高质量掩模确保了用于一系列以该 方式制造的点光源生成器12的一致圆形的针孔21。在一实施方案中，点光源生成器12是 从一个较大的涂层衬底制造而来的，所述较大的涂层衬底被切割成多个单独的点光源发生 器12。所述点光源发生器12被倾斜，其中其在表面22上的法线相对于光轴所成的角度在 1° 10°的范围内，优选地大约1.5° ，所述表面22与支撑所述涂层20的表面相对。一 个效果是，在涂层20处反射的任何光都不返回至激光二极管光源17。 返回图l，埃里削波器13包括一个在例如由铜或镍的光密材料制成的板中的小 孔。所述小孔的直径通常在l 2mm的范围内。其也可使用平版印刷技术被制造，或者其可 通过电铸被制造。所述电铸过程重新生成一没有收縮或扭曲的形状，并且不需要衬底。如 果在该过程中使用的心轴具有高质量的磨光，则埃里削波器13的小孔将具有高圆度以及 在相对小的容差范围内的直径。 埃里削波器13之后是包括中继透镜组14和第二光圈挡片15的空间滤波器。所 述中继透镜组14发挥傅立叶变换透镜的作用，在其焦平面内——该处布置有第二光圈挡片 15——形成光束的傅立叶变换，所述光束从包括点光源发生器12和埃里削波器13的光束 整形器具接收。光束的较高空间频率分量被第二光圈挡片15阻挡。 在示出的实施方案中，中继透镜组14是定制抛光的双合透镜，如同图3的聚焦透 镜组18。然而，中继透镜组14具有的直径在1. 5 3. 5mm的范围内。代替定制抛光的双合 透镜，也可使用非球面体或鼓形透镜。然而，在一模具中制造的非球面体，会引入低强度低 频噪声。鼓形透镜容易引入像差。 第二光圈挡片15通常是具有如下小孔的铜箔片，所述小孔具有的直径在10 50iim范围内，优选为大约30 45iim。相对于小孔的直径而言，第二光圈挡片15较薄，例 如，约薄至小孔的直径的8倍。 图4示出了用于制造LS仪器1中所用的光束的替代装置23，其取代装置2。所述 替代装置23包括光学纤维24，使用中，该光学纤维的尺寸被设计以确定光束形状并且还包 括小孔25，在空间上过滤的激光光束从该小孔出来。光学纤维24形成一用于抑制所述光束 中特定范围之上的空间频率分量的器具。然而，从所述小孔25中出来的光具有与贝塞尔函 数一致的强度分布，为此，提供了包括中继透镜26和光圈挡片27的空间滤波器。光学纤维 24被示为联接至一用于产生单色光束的设备28，例如，与激光二极管光源17类似的激光二 极管。所述中继透镜26和光圈挡片27类似于图1和图3的实施方案的中继透镜组14和 第二光圈挡片15。 如所示意性示出的，光学纤维24被缠绕以允许其在原本紧凑的仪器中具有大长 度。所述覆层模的抑制随光学纤维24长度的增大而提高。然而，即使在渐变折射率光纤中，仍存在一种小孔25，其导致与贝塞尔函数一致的强度分布并具有旁瓣，这增加了被过滤 的光束的畸变。图4的实施方案基于意识到不能通过增加光学纤维24的长度来获得进一 步改善，因为小孔25施加了一基本限制。反而，通过在小孔25之后布置一额外的体光学空 间低通滤波器，进一步改善了光束质量。 同时使用光束整形器具——其被布置用于抑制所述光束中特定范围之上的空间 频率分量——和空间滤波器的有益效果是，降低了对未校准的敏感度。这在图5 9中被 示出，通过使用根据图1 3的LS仪器1的原型获得。 取决于来自准直透镜组件9的光束的质量，当不存在颗粒时，将存在或多或少的 发散、并呈现或多或少的小角度衍射。因此，如上所解释的，第一和第二传感器段6a、6b上 的入射功率之和是用于进行比较的良好度量。 图5示出了，一个不带有由中继透镜组14和第二光圈挡片15组成的空间滤波器 的结构的合计功率。图6示出了实际相同的具有中继透镜组514和第二光圈挡片15的结 构的合计功率。所述合计功率已被换算，以将中继透镜组14中的衰减和试验之间的不同光 束功率水平考虑在内。所述合计功率是以模拟/数字转换器(未示出)的输出来绘制的， 所述模拟/数字转换器用于使从传感器阵列5中获得的光电流信号离散化。
图5和图6中的曲线图是基于通过改变，用于产生光束的设备10到点光源发生器 12、埃里削波器13以及中心小孔7的光轴的距离，而获得的测量结果的。这种未校准是使 用X-Y工作台故意引入的。可观察到，由第一和第二传感器段6a、6b两者所测量的合计功 率被绘制，因为这两者位于中心光轴的相对侧面。如果仅观察入射到一个传感器段上的功 率，则未校准会导致所观察的光束质量的显而易见的改善。 阴影区域29、30指示利用现有技术中的实验用LS仪器来执行相同的实验时所获 得的合计功率水平的范围，所述现有技术中的实验用LS仪器包括He-Ne气体激光器和单个 体光学空间滤波器。相反地，LS仪器1的原型使用激光二极管。现有技术仪器的激光器没 有处于未校准X轴上的阴影区域29、30的位置不具有任何意义。圆31a 31e、32a 32e 代表源自全距透镜3的总光束功率，但是未画至y-轴。第一圆31a、32a相应于3mW的光束 功率。清楚的是，总光束功率随着不断增加的未校准而减少。而且，入射到内部段6a、6b上 的总功率对于用以获得图6的配置而言为更小。 还清楚的是，当使用空间滤波器时，对未校准的敏感度——其由曲线33、34的梯度 表示——更小。而且，光束质量可与阴影区域29、30所表示的参考仪器的光束质量相比较。
图5和图6的结果是使用具有直径为8. 8 ii m的针孔21的点光源发生器12而获 得的，其中所述涂层20由铬制成。衬底19是一个通用于制造光刻用掩模、被切割为一定尺 寸且以2t:倾斜的衬底。埃里削波器13具有直径为lmm的小孔。第二光圈挡片15的小孔 具有40 ii m的直径。激光二极管光源17是35mW红色激光二极管，其被布置为以大约658nm 的波长发射光。 图7和图8示出所述埃里削波器13的未校准的影响。同样，曲线35、36代表由两 个内传感器段6a、6b所测量的强度的经换算的总和。圆37、38代表绝对激光功率。阴影区 域39、40代表用于比较的实验仪器的合计功率(没有未校准)。再次，从曲线35、36的斜率 可清晰看到，包括中继透镜组14和第二光圈挡片15的空间滤波器的效果是减少LS仪器1 对于未校准的敏感度。
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图9显示，空间滤波器允许使用具有较大直径的针孔21，使用具有较大直径的针孔不极大地降低光束质量。该曲线图是使用与获取图6和图8的曲线图时所用的结构相同的结构来获得的，其中除了使用不同地构成的点光源发生器12来获得第一、第二和第三曲线图41、42和43外。激光二极管光源17在横向于光轴的方向上未对准，未对准的量在X轴上示出。同样，曲线41、42、43代表换算至3mW光束功率的合计强度。第一、第二和第三个圆44、45、46代表绝对功率水平，阴影区域47代表与图5 8的曲线中的阴影区域29、30、39、40相同的参考。第一曲线41和第一圆44是使用在铜箔片中具有17 y m直径的针孔21获得的。第二曲线42和第二圆45代表通过在铜箔片中具有14 ii m直径的针孔21获得的测量。第三曲线43和第三圆46代表使用与获得图5 8时所用的点光源发生器相同的点光源发生器12所获得的测量。 人们可看到，可使用14iim的针孔21来代替8.8iim针孔，同时不会使光束质量降
低至该光束质量不再与现有技术中的实验仪器的光束质量相当的程度。圆45所指示的功
率水平对于具有较大直径的针孔21而言是较高的，这是理想的，其取决于具有合适的额定
功率的激光二极管光源17的可获取性以及取决于待分析的样品类型。 第二和第三曲线42、43显示出对于未校准的低敏感度，这是此处所述的实施方案
的特征。LS仪器1的原型也是相对紧凑的，通常沿光轴的长度小于160mm。 本发明不限于上述实施方案，所述实施方案可在所附权利要求的范围内改变。例
如，二极管抽运固体激光器可被用于产生其强度光谱峰位于可见范围内的波长值下的光
束。在所有实施方案中，用于产生光束的设备io可被实施为气体激光器，例如，氦氖激光器。这种激光器包括由一镜子和半透明反射镜(half-mirror)所构成的光腔。若非使用此处所述装置的光束整形器具和空间滤波器，由通常使用的实际平面镜所形成的光束漂移将导致使用中的未校准问题。尤其是，在使用点光源发生器12的情况下，光束漂移的效应相当大程度上被消除，因为针孔21被超出。 尽管本说明书聚焦于一种用于提供在衍射仪器中使用的光束的装置，但它同样适合用于空间相干性对于其而言相当重要的其它类型的光学测量仪器。例如，该装置还可应用于光谱学领域。
权利要求
用于提供在光学测量仪器(1)中使用的光束的装置，包括用于产生光束的设备(10；17；28)；以及用于将由所述设备(10；17；28)所产生的光束进行整形的器具(12，21；24)，在使用中，该器具的尺寸被设计以确定光束形状，所述器具包括小孔(21，25)以及用于抑制所述光束中特定范围之上的空间频率分量的器具(13；24)，其特征在于还包括一个空间低通滤波器(14，15；26，27)，其被布置为对所述光束整形器具所提供的光束进行滤波。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中所述空间低通滤波器包括，中继透镜组(14;26)，其发挥傅立叶变换透镜的作用；以及光圈挡片(15;27)，其被基本定位在中继透镜组(14 ;26)的焦平面内。
3. 根据权利要求2所述的装置，其中所述中继透镜组(14)包括附接在一起的多个单个透镜组成的组件，所述单个透镜中的至少两个包括呈现不同折射率和色散的介质。
4. 根据权利要求2或3所述的装置，其中所述中继透镜组(14 ;26)具有的直径在1. 5 3. 5mm的范围内。
5. 根据任一上述权利要求所述的装置，其中所述光束整形器具包括，基本圆形的针孔(21)，其提供所述小孔，并且相对于由用于产生光束的设备(10 ;17 ;28)所产生的光束来设计针孔的尺寸，以在一平面内生成埃里图样；以及光束阻挡器(13)，其被定位在所述平面中，用于阻挡所述埃里图样的次最大值。
6. 根据权利要求5所述的装置，其中所述针孔(21)被提供在一基本不透明材料层(20)中，所述基本不透明材料层被沉积在其厚度基本大于所述层的厚度的基本透明衬底(19)上。
7. 根据权利要求5或6所述的装置，其中所述针孔(21)可通过平版印刷法获得。
8. 根据权利要求5 7中任一权利要求所述的装置，其中所述载有不透明层(20)的衬底(19)的一表面和衬底(19)的基本相反的表面(21)中的至少一个，在使用中被定位为与光束穿过衬底(19)传播的方向成一角度。
9. 根据权利要求5 8中任一权利要求所述的装置，包括一透镜组(11，18)，在使用中，其用于将光聚焦到针孔(21)上。
10. 根据权利要求9所述的装置，其中所述透镜组包括附接在一起的多个单个透镜组成的组件，所述单个透镜中的至少两个包括呈现不同折射率和色散的介质。
11. 根据权利要求9 10中任一权利要求所述的装置，其被配置使得，在使用中，在针孔(21)处所述光束的1/V直径与针孔(21)直径的比值在3 8的范围内。
12. 提供光学测量仪器(1)中的光束的方法，其包括产生光束；以及使该光束穿过通道(21 ;24)，该通道的尺寸被设计以确定光束形状并且去除该光束中特定范围以上的空间频率分量，其特征在于，一旦确定了光束形状并且去除了所述空间频率分量，就使所获得的光束通过一空间低通滤波器(14,15 ;26,27)。
13. 根据权利要求12所述的方法，包括使用根据权利要求1 11中任一权利要求所述的装置(2 ;23)。
14. 用于通过散射光来确定颗粒尺寸的光散射仪器，包括根据权利要求1 11中任一权利要求所述的用于提供光束以照亮颗粒样品的装置(2 ;23)。
全文摘要
一种用于提供在衍射仪器(1)中使用的光束的装置，其包括用于产生光束的设备(10；17；28)；以及用于将由设备(10；17；28)所产生的光束进行整形的器具(12，21；24)，使用中，该器具的尺寸被设计，以确定光束形状，该器具还包括小孔(21，25)以及用于抑制所述光束中特定范围之上的空间频率分量的器具(13；24)。所述装置还包括一个空间低通滤波器(14，15；26，27)，该空间低通滤波器被布置用于对所述光束整形器具所提供的光束进行滤波。
文档编号G01N15/02GK101743500SQ200880024857
公开日2010年6月16日 申请日期2008年6月30日 优先权日2007年7月26日
发明者D·A·斯普林费洛, D·M·斯普里格斯 申请人:马尔文仪器有限公司