背景技术：
1、本发明涉及根据权利要求1的前序部分的设备以及根据权利要求12的前序部分的方法。
2、开头所提及类型的设备和方法本身是已知的并且用于各种应用中以确定颗粒特性，例如颗粒位置、颗粒速度或者例如颗粒尺寸。例如，该信息可以用于监测或控制工业制造和加工过程。
3、例如，从de 10 2019 209 213 a1已知用于确定颗粒特性的设备，并且该设备包括光源，借助于该光源，沿射束轴投射光束。沿射束轴布置射束成形光学单元。射束成形光学单元构造成在区段式地沿射束轴延伸的测量体积中调整光束的位置相关的强度分布。位于测量体积中的待表征的颗粒将光束至少部分地反射或散射为测量射束。该测量射束由探测器检测，该探测器将强度信号输出至分析处理单元。分析处理单元用于根据强度信号来确定测量体积内的颗粒特性。
4、发明目的
5、原则上，期望能够以高准确度表征测量体积内的颗粒。与先前已知的设备相比，例如通过增加所使用的光源的功率来提高准确度是可能的，但是这通常与高成本相关联。因此，本发明的目的在于：提出与表征颗粒的可实现准确度和由此产生的成本之间的良好比率相关联的设备和方法。
技术实现思路
1、该目的通过具有根据权利要求1的特征的设备并且通过具有根据权利要求12的特征的方法来实现。有利的扩展方案是各个从属权利要求的主题。
2、以本身已知的方式，根据本发明的设备具有光源，该光源用于沿射束轴投射至少一个光束。射束成形光学单元沿射束轴布置并且构造成在区段式地沿射束轴延伸的测量体积中调整光束的位置相关的强度分布。探测器用于检测由测量体积中的颗粒反射和/或散射的测量射束并向分析处理单元输出至少一个强度信号。分析处理单元构造成根据强度信号来确定测量体积内的颗粒特性。
3、根据本发明的设备与先前已知的设备的不同之处在于：射束成形光学单元构造成，使位置相关的强度分布在测量体积内的横向于射束轴延伸的投射平面中如此构造，使得光束的强度沿椭圆的外轮廓最小并且在椭圆内的至少一个点处最大。
4、本发明基于下述发现：调整其中光束在投射平面中具有基本椭圆形状的位置相关的强度分布与提高在较大的空间区域中确定颗粒特性的准确度相关联。与其中光束的强度例如沿圆形轮廓最小的径向对称的强度分布相比，该强度分布沿椭圆的竖轴在较大的长度上延伸并且沿椭圆的横轴在较小的长度上延伸。另外，光束沿竖轴可以比沿横轴更易聚焦。与先前已知的设备相比，对于投影平面中相同的光源功率，光束可以因此具有总体更高的每单位面积功率。这意味着光束可以被测量体积中的颗粒以相应更高的强度反射和/或散射。可以在较大的空间区域中、特别是沿椭圆的竖轴以高空间分辨率表征颗粒。
5、有利地，光束的强度至少在椭圆的面中心点处最大，其中，特别地可以存在高斯强度分布。强度从面中心点朝向椭圆的外轮廓连续减小。特别地，椭圆具有竖轴和横轴，与之相关地，椭圆构造成分别相对于竖轴和横轴对称，并且沿竖轴的尺寸大于沿横轴的尺寸。优选地，椭圆是椭圆形，并且特别地不是圆形。
6、颗粒特性可以例如是颗粒的尺寸，或者优选地是沿投射平面中的椭圆的竖轴的颗粒位置。特别地，设备构造成使得可以以1微米的空间分辨率求取沿竖轴的颗粒位置。优选地，探测器在测量体积内具有从5微米至0.1微米、特别优选地从3微米至1微米、最优选地为1微米的空间分辨率。
7、颗粒可以是位于气体、真空或液体中的固体。它也可以是水浴中的油滴，或者反之是油浴中的水滴。它还可以是气体或真空中的液滴，或者特别地，是从喷嘴、特别是喷雾喷嘴射出的液滴。
8、本发明不受限于光源的具体实施方式。在简单的实施方式中，光源包括具有激光二极管、超发光二极管、卤素发光体或类似光束源的至少一个激光器。
9、在本发明的范围内，至少光源和探测器可以以透射布置或反射布置而存在。在透射布置中，光源和探测器布置在投射平面的不同侧。此处，光束由待表征的颗粒散射，使得测量射束作为透射射束存在。在反射布置中，光源和探测器相对于投射平面布置在同一侧。光束由待表征的颗粒反射，使得测量射束作为反射射束存在。本发明的范围还在于，提供至少两个探测器，其中，第一探测器和光源布置在投射平面的不同侧，并且其中，第二探测器和光源布置在投射平面的一侧。在这样的实施方式中，提供了光源与探测器之间的反射布置和透射布置的组合。
10、射束成形光学单元可以包括圆柱透镜，其中透镜表面在一个轴上弯曲，并且借助于该圆柱透镜可以调整根据本发明的光束的强度分布。探测器可以包括聚光透镜，借助于该聚光透镜，测量射束被聚束并引导到探测器的至少一个传感器元件上。特别地，传感器元件是下述光电二极管，该光电二极管在检测到测量射束时向分析处理单元发射电信号并且该电信号的幅度优选地取决于测量射束的强度。
11、优选地，至少光源和射束成形光学单元被沿射束轴位置固定地布置，并且特别地彼此限定对准。至少在反射布置中，优选地利用与光束的射束轴成一定角度的测量轴来布置探测器，可以沿该测量轴检测测量射束。
12、分析处理单元可以构造为电子计算单元，借助于该电子计算单元可以求取颗粒特性。可以在分析处理单元上实现数学模型，该数学模型描述了测量射束的强度与颗粒特性之间分析性地或经验性地求取的关系。通过对测量射束的强度进行测量，可以使用数学模型将由探测器输出的强度信号分配给待求取的颗粒特性。
13、附加地或替代地，可以在分析处理单元上存储离散表值，借助于该离散表值可以将测量射束的所测量强度值与所存储的强度值进行比较，并且将该所测量强度值分配给相关联的颗粒特性。
14、附加地或替代地，可以在分析处理单元中存储至少一个特性曲线，该特性曲线基于颗粒特性程度来指示强度变化过程。利用特性曲线，可以将测量射束的所测量强度分配给待求取的颗粒特性。特别地，特性曲线基于沿投射平面中的轴线、特别是椭圆的竖轴的颗粒位置描述来测量射束的强度的变化过程。
15、在有利的扩展方案中，射束成形光学单元构造成除了位置相关的强度分布之外还调整投射平面中的位置相关的偏振分布，其中，沿椭圆的竖轴存在具有不同偏振方向的第一偏振和第二偏振。探测器构造成确定具有第一偏振和/或第二偏振的测量射束的至少两个强度，并且向分析处理单元输出两个偏振相关的强度信号。分析处理单元构造成基于两个偏振相关的强度信号来求取颗粒特性。
16、上述扩展方案基于申请人的下述发现：测量射束的强度可能同时取决于多个颗粒特性，例如颗粒位置和颗粒大小。这使得难以唯一明确地确定这些颗粒特性中的仅一者，这是因为，例如，具有相同颗粒位置的不同待表征颗粒之间变化的颗粒大小可能导致不同的可测量强度。由于射束成形光学单元的设计，可以借助于该射束成形光学单元调整投射平面中的位置相关的强度分布和位置相关的偏振分布，可以调整并考虑光束的另外的光性质。这使得不仅可以考虑测量射束的强度，还可以考虑偏振，以便能够求取唯一明确的颗粒特性、特别是颗粒位置。强度分布和偏振分布的这种实施方式意指，由颗粒反射和/或散射的测量射束可以具有至少两个偏振不同的强度分量。
17、为了更好地理解，请参考以下针对三个颗粒进行位置确定的示例：如果第一颗粒位于测量体积中并且以第一强度和第一偏振散射或反射光束，则可以将第一强度和第一偏振分配给第一颗粒位置。如果第二颗粒位于测量体积中并且以第二偏振和高于第一强度的第二强度散射或反射光束，则可以得出结论：第二颗粒处于第二位置。如果第三颗粒位于测量体积中并且以第二强度和第一偏振散射或反射光束，则可以得出结论：第三颗粒的第三位置对应于第一颗粒的第一位置并且第二强度是由于较大颗粒尺寸而产生的。
18、在简单的实施方式中，射束成形光学单元可以包括所谓的延迟板，延迟板产生具有第一偏振方向和第二偏振方向的期望位置相关的偏振分布。这样的延迟板是可以根据需要改变经过的光波的偏振和相位的光学部件。优选地，延迟板构造为所谓的空间偏振转换器，其例如从ep 2705393 b1已知并且可以根据从us20200408953 a1已知的方法制造。替代地，还可以使用所谓的空间光调制器或所谓的涡旋板来产生位置相关的偏振分布。
19、例如，探测器可以包括两个光电二极管，所述两个光电二极管中的每一个具有偏振滤光器，以能够实现偏振敏感触发。第一光电二极管可以构造成，使其基于具有第一偏振的测量射束的强度来输出第一电信号。第二光电二极管可以被设计使其基于具有第二偏振的测量射束的强度来输出第二电信号。
20、在简单的实施方式中，可以以已经描述的方式在分析处理单元中实现数学模型，该数学模型将具有不同偏振的多个强度值分配给对应数目的颗粒特性、特别是颗粒位置。特别地，分析处理单元可以具有所存储的分析处理例程，借助于该分析处理例程相对于彼此设置具有不同偏振的至少两个强度值，并且利用数学模型和/或表格和/或特性曲线将该比率分配给颗粒位置。代替上述比率，还可以求取与该比率对应的特性数值(kennzahl)。
21、在有利的扩展方案中，射束成形光学单元构造成产生位置相关的偏振分布，使得第一偏振的偏振方向与第二偏振的偏振方向之间存在180度的角度。沿椭圆的竖轴、优选地在椭圆内强度最大的点的区域中存在至少一个第三偏振。在第一偏振的偏振方向与第三偏振的偏振方向之间和/或在第二偏振的偏振方向与第三偏振的偏振方向之间分别存在90度的角度。
22、上述扩展方案使得能够进一步提高在确定颗粒特性时的准确度。在这方面，射束成形光学单元构造成调整第三偏振。此外，探测器构造成检测具有第三偏振的测量射束的强度。分析处理单元被进一步设计成基于第一偏振、第二偏振和第三偏振下的三个强度信号来确定颗粒特性。
23、在另一有利的扩展方案中，射束成形光学单元构造成产生位置相关的偏振分布，使得沿椭圆的竖轴并且在第一偏振与第三偏振之间和/或在第二偏振与第三偏振之间存在第四偏振，其中，第四偏振的偏振方向与第三偏振的偏振方向之间存在45度的角度。
24、上述扩展方案使得能够进一步提高在确定颗粒特性时的准确度。在这方面，射束成形光学单元构造成调整第四偏振。此外，探测器构造成检测具有第四偏振的测量射束的强度。分析处理单元被进一步设计成基于第一偏振、第二偏振和第三偏振以及第四偏振下的四个强度信号来确定颗粒特性。
25、在有利的扩展方案中，探测器构造成使得可以在以下偏振中的至少两个偏振下确定测量射束的偏振相关的强度分量：0度、45度、90度、135度。
26、上述扩展方案是有利的，因为可以使用常见的射束成形光学单元来容易地调整所提及的偏振方向。探测器可以具有多个光电二极管，所述多个光电二极管具有至少两个偏振滤光器，所述偏振滤光器相对于彼此布置，使得来自光电二极管的光仅在偏振滤光器的偏振方向上被检测到。
27、优选地，光束中具有不同偏振方向的部分之间不存在相位差或者相位差为180°。这使得能够容易地调整线性偏振。然而，申请人的研究还表明，为了能够唯一明确地确定颗粒特性、特别是颗粒位置，调整圆偏振或椭圆偏振也是有利的。在有利的扩展方案中，光源和/或射束成形光学单元因此构造成产生具有相位差的至少两个光束，其中，相位差为90度，以便至少局部地调整投射平面中的圆偏振，或者其中，相位差在0度与90度之间或者在90度与180度之间，以便至少局部地调整投射平面中的椭圆偏振。
28、在另一有利的扩展方案中，光源和/或射束成形光学单元构造成使位置相关的强度分布在投射平面中如此成形，使得沿两个椭圆的两个外轮廓的光束的强度最小并且在两个椭圆的竖轴的区域中的强度分布最大，所述两个椭圆的竖轴相对于彼此以v形布置。探测器构造成以时间偏移的方式检测两个测量射束的强度。分析处理单元用于基于两个测量射束的所测量强度之间的时间间隔来确定测量体积内的颗粒位置。
29、上述扩展方案基于申请人的下述发现：为了能够可靠地求取颗粒特性、特别是颗粒位置，可以使光束的位置相关的强度分布的实施方式(其中沿椭圆的外轮廓的强度最小)在投射平面中倍增。当颗粒在测量体积中穿过投射平面并且穿过两个椭圆的竖轴时，两个测量射束以相互时间偏移的方式反射和/或散射，并由探测器以对应时间偏移进行检测。如果已知相对于彼此以v形布置的竖轴之间的角度并且已知颗粒速度，则可以通过考虑两个强度信号之间的时间间隔来确定颗粒位置。如果待表征的多个颗粒的颗粒速度没有差异并且是已知的，则这种扩展方案是特别有利的。
30、替代地，设备可以构造成使得沿三个椭圆的三个外轮廓的光束的强度最小并且在三个椭圆的竖轴的区域中的强度分布最大，所述三个椭圆的竖轴相对于彼此以n形布置。探测器构造成以时间偏移的方式检测三个测量射束的强度。分析处理单元用于基于三个测量射束的所测量强度之间的至少两个时间间隔来确定测量体积内的颗粒位置。
31、上述扩展方案的一个优点在于：可以独立于颗粒速度来确定测量体积内的颗粒位置。特别地，可以基于两个时间间隔的比率来求取颗粒位置。申请人的发现在于：确定两个时间间隔的这种比率使得即使在颗粒速度变化且未知的情况下也能可靠地确定颗粒位置。
32、在另一有利的扩展方案中，光源和/或射束成形光学单元构造成分别沿射束轴投射具有不同波长的两个光束，所述两个光束在投射平面中重叠并且从而具有位置相关的强度分布和位置相关的波长分布。探测器构造成检测测量射束的至少一个波长相关的强度。分析处理单元构造成根据测量射束的波长相关的强度来确定测量体积内的颗粒位置。
33、利用位置相关的波长分布，除了测量射束的强度之外，还可以考虑其他光性质，以便能够唯一明确地求取颗粒特性。特别地，除了位置相关的偏振分布之外或者作为位置相关的偏振分布的替代，可以使用位置相关的波长分布，以便能够唯一明确地确定测量体积内的颗粒位置。位置相关的强度分布可以构造成相对于椭圆的竖轴和横轴对称。例如，位置相关的波长分布可以沿竖轴在两个间隔开的位置处不同。强度分布和波长分布的这种实施方式意指，被颗粒反射为测量射束的形式的光束可以具有至少两个波长分量，考虑所述波长分量使得能够唯一明确地确定投射平面内的颗粒的位置。
34、探测器可以具有多个光电二极管，所述多个光电二极管构造成对波长敏感，使得检测到的具有不同波长分量的测量射束引起对应光电二极管的不同信号幅度。可以使用数学模型、表格或特性曲线来评估波长相关信号，以确定颗粒特性、特别是颗粒位置。
35、在有利的扩展方案中，测量体积沿射束轴具有对应于光束的瑞利长度两倍的长度。
36、瑞利长度以本身已知的方式描述了沿射束轴在焦平面与其截面积相对于焦平面加倍的位置之间的距离。因此，可以基于光束、特别是其焦平面的性质来调整测量体积相对于射束轴的尺寸和/或位置。
37、优选地，射束成形光学单元和/或探测器构造成根据应用并且以可调节尺寸形成测量体积。优选地，投射平面中的椭圆具有在10微米与1000微米之间的高度和/或在100微米与5厘米之间的宽度。
38、特别地，基于多个偏振相关的强度值来确定颗粒位置的一个优点在于：不需要摄像设备系统。而是，可以基于离散值来确定颗粒位置，其中，探测器和分析处理单元两者可以具有简单的设计。申请人的研究表明，分析处理单元可以构造成确定频率高于10mhz的多个颗粒位置。
39、在有利的扩展方案中，光源和/或射束成形光学单元和/或探测器被相对于彼此空间固定地布置，以便位置固定地形成测量体积并检测测量体积中的移动颗粒。替代地，光源和/或射束成形光学单元和/或探测器以可移动的方式布置，以便借助于扫描移动来使测量体积移位并检测测量体积中静止的颗粒。优选地，光源和/或射束成形光学单元和/或探测器在扫描移动期间相对于彼此以不可移动的方式布置。
40、扫描移动可以借助于本身已知的移动学例如关节臂机器人或类似设备来实现。在该设备的这种实施方式中，可以特别地检查表面以确定所述表面是否被一个或更多个颗粒污染。
41、如上面所提及的，该目的还通过根据权利要求12的方法来实现。
42、在根据本发明的用于表征颗粒的方法中，沿射束轴投射光束，其中，光束在区段式地沿射束轴延伸的测量体积中具有位置相关的强度分布。待表征的颗粒将测量体积中的光束至少部分地反射或散射为测量射束。根据测量射束的至少一个强度来确定测量体积内的颗粒特性。
43、对于该方法至关重要的是，在测量体积内横向于射束轴延伸的投射平面中的位置相关的强度分布沿椭圆的外轮廓最小并且在椭圆内的至少一个点处最大，特别地在椭圆的面中心点处最大。
44、优选地，该方法可以借助于根据本发明的设备或其有利的扩展方案来执行。因此，上面已经关于根据本发明的设备和有利的扩展方案提供的相同说明适用于此处可以实现的优点。
45、在有利的扩展方案中，产生具有位置相关的偏振分布的光束，并且根据测量射束的偏振相关的强度来求取颗粒特性。
46、在另一有利的扩展方案中，产生具有不同波长的光束，该光束在测量体积中重叠，其中，重叠的光束在投射平面中具有位置相关的强度分布和位置相关的波长分布，并且其中，根据测量射束的波长相关的强度来确定测量体积内待表征的颗粒。
47、在另一有利的扩展方案中，在投射平面中产生位置相关的强度分布，使得光束的强度沿两个椭圆的外轮廓最小并且在两个椭圆的竖轴的区域中最大，所述两个椭圆的竖轴以v形布置。待表征的颗粒将测量体积中的光束至少部分地反射或散射为两个测量射束。以时间偏移的方式来检测两个测量射束的强度。根据测量射束的所测量强度之间的两个时间间隔来确定测量体积内的颗粒特性、特别是颗粒位置。
48、替代地，在投射平面中产生位置相关的强度分布，使得光束的强度沿三个椭圆的外轮廓最小并且在三个椭圆的竖轴的区域中最大，所述三个椭圆的竖轴以n形布置。以时间偏移的方式来检测三个测量射束的强度。根据测量射束的所测量强度之间的两个时间间隔并且优选地独立于颗粒速度来确定测量体积内的颗粒特性。