專利名稱：用于產生光學測量儀器中所用的光束的裝置和方法
用于產生光學測量儀器中所用的光束的裝置和方法 本發明涉及一種用于提供在光學測量儀器中使用的光束的裝置，其包括用于產生 光束的設備；用于將該設備所產生的光束進行整形的器具，在使用中，該器具的尺寸被設計 以確定光束形狀，該器具包括小孔以及用于抑制所述光束中特定范圍之上的空間頻率分 量的器具。 本發明還涉及一種提供光學測量儀器中的光束的方法，其包括產生光束；使該光 束穿過通道，所述通道的尺寸被設計，以確定光束形狀；并且從所述光束中去除特定范圍之 上的空間頻率分量。 本發明還涉及一種通過光的散射確定顆粒尺寸的光散射儀器，其包括用于提供光 束以照亮顆粒樣品的裝置。 這種裝置、方法和儀器的實施例是公知的。US 5610712描述了一種常用的基于 針孔的空間濾波器，其主要包括產生光的激光二極管，該激光二極管的光束穿過第一圓形 光束阻擋器，所述第一圓形光束阻擋器用于消除不需要的外圍光線并使該光束的形狀為圓 形；聚焦透鏡；針孔構件；以及第二光束阻擋器，該第二光束阻擋器用于去除由射到針孔邊 緣的部分光束所產生的衍射環。最后，所述激光光束被一透鏡校直并且傳遞進入一包含有 樣品的單元中。 已知結構的問題在于，在未校準(misalignment)會導致最終的光束的空間相干 性顯著惡化的意義上來說，該結構對于針孔構件和來自激光二極管的光束的未校準是敏感 的。 本發明的目的在于提供一種在開篇段落所提及的、在面臨部件的未校準和容差擴 大時，仍能形成相對良好的準直光束的所述類型的裝置、方法和儀器，所述部件為用于將， 來自于產生光束的設備的光束，進行整形的裝置的部件。 該目的是通過本發明的裝置實現的，所述裝置的特征還在于包括一空間低通濾波
器，該空間低通濾波器被布置為對所述光束整形器具所提供的光束進行濾波。 某種程度上與直覺相反的是，現已發現通過添加第二空間濾波器來增加光學部件
的數目，實際上使最后形成的裝置對于未校準和容差較不敏感，尤其是對小孔的未校準和
容差較不敏感。在所述的用于光束整形的器具包括針孔和光束阻擋器的組合時，針孔相對
于光束和/或光束阻擋器的未校準變得不那么重要。此外，為實現空間頻率分量的良好分
離，針孔不需要是非常小的，從而使得該裝置更易于制造并且允許有更大的光通過量。 應注意的是，US 5，610，712還公開了一種用于確定布置在樣品中的多個顆粒的相
應尺寸和尺寸分布的方法，該方法包括使激光束穿過單模光學纖維以在纖維的一端產生一
個具有高相干度的點光源。所述纖維必須是足夠長的，使得傳播通過纖維覆層的外來光被
衰減至其不會損害一純凈的、空間濾波的光束輸出的程度。在所述實施方案中，將六米長的 光學纖維電纜以線圈形狀繞圓柱形管纏繞以提供一相對小的、緊湊的組件，然后將其覆蓋
以收縮薄膜包裝覆層。其中沒有公開布置一空間低通濾波器以將光束整形器具所提供的光 束濾波。 根據本發明的裝置提供了一相對良好的光束質量，因為從單模光學纖維的小孔中將形成具有相應于貝塞耳函數強度分布并具有低強度旁瓣的光束(參見，例如，1988年 Springer出片反的Neumann, E. -G. ， "Single mode fiber fundamentals (單模光纖原理)，， 第202-203頁)。應用本發明，沿傳播方向下游存在的空間低通濾波器仍將具有效果，即使， 作為濾波器的光學纖維的截止點和空間低通濾波器的截止點相同。在光束整形器具包括有 單模光學纖維的情況下實現的另一效果是，光學纖維末端的老化得以補償。光學纖維末端 必須具有超精細拋光以獲取質量足夠高的光束。然而，光學纖維的端面易受到環境老化的 影響。這會不利地影響測量的可重復性。 在本發明的一個實施方案中，空間低通濾波器包括一中繼透鏡組(relay lens arrangement)，其發揮傅立葉變換透鏡的作用；以及一光圈擋片，其被基本定位在中繼透鏡 組的焦平面內。 —個效果是使得該裝置被制造得相對緊湊并且使其可以提供相對高的光輸出。中 繼透鏡組改善了光束的數值孔徑，從而降低了對光束整形器具追求更小孔徑方面的需要。 應該避免光束整形器具的孔徑較小，因為小孔的圓度對于光束質量變得更加關鍵，并且小 的孔徑也降低了光輸出量。因為中繼透鏡組增加了通過其中的光束的數值孔徑，它也縮短 了所得光學系統的長度。 在一變體中，中繼透鏡組包括附接在一起的多個單個透鏡組成的組件，所述單個 透鏡中的至少兩個包括呈現不同折射率和色散的介質。 相比于傳統的中繼透鏡組，例如非球面體和鼓形透鏡，該變體的配置具有引入微 小像差或小角散射(這不能被濾除)的效果。在一變體中，中繼透鏡組具有的直徑在1. 5 3. 5mm的范圍內。 確定所述光束整形器具的尺寸，使得基本上所有通過的光都被中繼透鏡捕獲。相
對緊湊的尺寸對于這種配置的中繼透鏡組是不常見的，但是卻有利于裝置的整體緊湊度。 在一實施方案中，光束整形器具包括一基本圓形的針孔，其提供所述小孔，并且相
對于由用于產生光束的設備所產生的光束來設計小孔尺寸，以在平面內生成一埃里圖樣
(Airy pattern);以及一光束阻擋器，其被定位在所述平面中，用于阻擋所述埃里圖樣的次
最大值。 —個效果是為光束整形器具提供緊湊設計以及相對良好的溫度穩定性。溫度變化 相對不可能導致次最大值被光束阻擋器"遺漏"。這種結構不要求大長度的光學纖維并且其 對由于溫度和/或振動引起的幾何變化不像光學纖維變體那么敏感。增加的效果是這種配 置提供了偏振穩定性。相反，在純單模纖維的光束整形器具中，偏振面隨著溫度和應力而變 化。諸如光束分離器等對偏振有依賴性的光學元件的存在(例如，用于光束功率監控)和/ 或光學測量系統中的鏡子的存在意味著，偏振穩定性提高測量的可重復性。為了實現具有 單模光學纖維的偏振穩定性，人們必須訴諸于應力雙折射，所述應力雙折射對于光束圓度 和光束強度分布的旁瓣中的功率分布均具有不利影響。 在一實施方案中，所述針孔被提供在一個基本不透明的材料層中，所述基本不透 明的材料層被沉積在厚度基本高于所述層的基本透明的襯底上。 從而，針孔形狀被良好地限定、被精確地制造并且在使用中相對穩定，使得以低的 制造成本引入極少像差。所述由襯底支撐的層，相對于在針孔平面處的入射光束的直徑可 以是非常薄的。在那種尺度下，針孔成形為較不像圓柱形。結果，在該"圓柱形"內存在較
5少反射，該"圓柱形"可看作實際的光源，引起埃里圖樣的像差。
在一實施方案中，所述針孔可通過平版印刷法獲得。 —個效果是針孔的一致性質量(良好圓度)是可實現的，原則上其由光刻用掩模 的質量(在光刻法的情況下)或者電子束波長(在電子束刻蝕的情況下)以及接下來的蝕 刻過程所確定。 在一實施方案中，所述載有不透明層的襯底的一表面和該襯底的基本相對表面中
的至少一個，在使用中被定位為與光束穿過襯底傳播的方向成一角度。 —個效果是防止在襯底的界面處所反射的光進入產生光束的設備中。 所述裝置的一個實施方案包括一透鏡組，在使用中，該透鏡組用于將光聚焦到針孔上。 —個效果是增加效率。 在一實施方案中，所述透鏡組包括附接在一起的多個單個透鏡組成的組件，所述
單個透鏡中的至少兩個包括呈現不同折射率和色散的介質。 結果，引入了相對小的像差或小角度散射。 在一實施方案中，所述裝置被配置使得，在使用中，在所述針孔處的所述光束的1/ e2直徑與針孔直徑的比值在3 8的范圍內。 所述1/V直徑是相應于距離傳播軸的、其強度是傳播軸上的強度的1/V處的徑向 距離的兩倍的直徑，此處。已發現，該值產生了相對良好的效果，即該裝置對于用于產生光 的常見設備而言具有充足的光輸出，但是對于未對準的敏感度相對較低。所傳輸的光束在 其空間相干性方面的質量是受衍射限制的。 根據另一方面，根據本發明的提供光學測量儀器中的光束的方法的特征在于，一 旦確定了光束形狀并且去除了所述空間頻率分量，就使所獲得的光束通過一空間低通濾波 器。 在一實施方案中，所述方法包括使用根據本發明的裝置。 根據另一方面，根據本發明的光散射儀器包括一如下裝置，所述裝置用于提供光 束以照亮根據本發明的顆粒樣品。 由用于提供光束的裝置所提供的效果在用于通過散射光來確定顆粒尺寸的光散 射儀器中表現出來。用于提供光束的裝置具有相對小的空間封裝，從而為樣品載體和傳感 器留出空間。該裝置提供了具有高空間相干性的光束，這對于將散射光從非散射光中分離 開是重要的。所述裝置允許人們對不同波長進行重新配置，而不像單模光學纖維濾波器一 樣，該單模光學纖維濾波器被設計用于一個窄的波長帶。而且，用于提供光束的裝置的許多 實施方案的偏振穩定性是有利的，因為光散射在Mi e散射理論所應用的顆粒尺寸和波長范 圍下是取決于偏振的，并且因為基本測量光束功率，為此通常將一光束分離器或半透明反 射鏡布置在光束的路徑中。 現在將參照附圖更加詳細地描述本發明，在所述附圖中
圖1是未按比例畫出的、光散射儀器的各部件的示意圖；
圖2是用于該光散射儀器中的檢測器的示意性正視圖； 圖3是利用體光束整形器具(bulk optic beam sh即ing means)來產生光束的裝 置的實施方案的示意 圖4是用于產生光束的裝置的實施方案的示意圖，其中利用光學纖維來對光束整 形； 圖5是示出不存在額外空間濾波器時，對激光在圖1的光散射儀器的橫向方向上 的未校準的敏感度的曲線圖； 圖6是示出存在額外空間濾波器時，對激光在圖1的光散射儀器的橫向方向上的 未校準的敏感度的曲線圖； 圖7是示出不存在額外的空間濾波器時，對第一空間濾波器中的光束阻擋器在圖 1的光散射儀器的橫向方向上的未校準的敏感度的曲線圖； 圖8是示出存在額外的空間濾波器時，對第一空間濾波器中的光束阻擋器在圖1 的光散射儀器的橫向方向上的未校準的敏感度的曲線圖； 圖9是示出對激光在圖1的光散射儀器的橫向方向的未校準的敏感度的曲線圖， 所述儀器中具有一額外的空間濾波器用于各種被用來對光束進行整形的針孔尺寸。
光散射(LS)儀器l，也被公知為激光衍射儀器，包括用于產生空間相干光束的裝 置2、全距透鏡(range lens) 3、測量區4以及傳感器陣列5。傳感器陣列5基本被布置在全 距透鏡3的焦平面中。在使用中，將懸液中的顆粒樣品引入到測量區4中。所述顆粒以一
強度分布，將光束散射沿前向或反向散射，所述強度分布取決于粒徑。前向散射的光被傳感 器陣列5的傳感器段6a 6k(圖2)檢測到。傳感器段6a 6k相對于基本與準直光束重 合的光軸分布在逐漸增大的徑向距離處。未被散射的光穿過中心孔7到達用于探測未被散 射的光的傳輸的光電傳感器8上。 許多光學測量儀器需要通過光將目標對象照亮，并需要將隨后的從對象中散射出 來的光與穿過其中而未被散射的光分離開。通過這種方法，所述儀器能夠區分出小角散射 和原本可能被混合在一起的目標吸收特性。小角散射與沒有被散射的光束之間的可分離性 方面所遇到的限制是由公知的衍射極限而限定的，該衍射極限對于聚焦光束的可實現的光 斑尺寸設置了一下邊界。對"衍射極限聚焦光斑"的獲取表明了在使用中，照射光束實際上 不能從完全空間相干源中區分出來。 因此，實際上可獲得的最高空間相干性是在已實現的真實焦斑中重復該理論衍射 極限。這要求使用TEM。。光束傳播以給予光束高斯橫向強度分布，其通常通過聚焦點處的 1/e2光束直徑來表征。對于大于該衍射極限的1/V直徑的3 4倍的小孔，在焦平面上接 收的功率可被認為原則上可從完全空間過濾光束中忽略，以允許這些區域被用于檢測散射 光。 然而，由于透鏡制造上的非理想性以及部件形成上的誤差，真實的光學系統很少 能達到光束光斑尺寸的衍射極限。所述非理想性和誤差易于形成疊加在焦斑上的像差，并 導致從主高斯光斑中"泄漏出"光功率。這產生一些來自所述源的光，其"遮蔽"了在像差 所覆蓋的角度處的對來自目標對象的散射的測量。 從主光束逃逸出來的光功率原則上會到達激光器所聚焦的焦平面中的任何地方，
然而，幾乎所有一般的像差都會導致功率泄漏到最小的散射角中。結果，是最接近于光束的
檢測器記錄下來自于在空間上已被充分過濾的光束的明顯的功率泄漏。 因此應清楚，在這種測量儀器中，具有較高空間相干度的源通過使得較小角度的
散射光從未被散射的光束中精確分離，來提供改進的性能。
例如，在基于角光散射的顆粒尺寸的分析中，任意固定的光學系統中可被測量的
最大顆粒尺寸直接由可被可靠測量的最小散射角度決定。在衍射極限下的光斑尺寸對可實
現的最大尺寸設置了一個基本限制時，在光束傳播中存在的像差通常追加了一較低的獲取
限制。因此，光源光束的較好空間相干性為這些光學測量系統提供了真正的優勢。 LS儀器1的運行原理公知如下。先進的變體將具有用于檢測背散射光的光檢測
器，并且其可具有多個附加光源，所述多個附加光源具有不同波長的光，如EP 0992785中
所解釋的。本說明書針對前向散射光的測量，為此附圖中省略了這些特征。 顆粒的小角度的前向散射可使用Fra皿hofer理論作為一近似值來模擬。所述強
度分布由下式決定 / = /,
4
(l + cosS)2
(x sin 0
、2
,x =—— 其中e是散射角(相對于照明光束的傳播軸來測量)，a是照明光的波長，d是 顆粒直徑。衛代表一階貝塞耳函數。當存在顆粒樣品時，形成一總體強度分布，可通過使用 包含在信號處理單元(未示出)所執行的算法中的模型而使該強度分布與顆粒直徑分布相
關聯。在實際的LS儀器1中，算法是基于Mie理論而非Fra皿hofer理論，但是如果顆粒遠 遠大于照明光束的波長，對于小角度前向散射，前者還原為后者。 根據上述等式，顯而易見的是，大顆粒在大角度下散射較少，具有較小波長的光以 較大角度被散射。由此可見，為了區分位于可檢測的顆粒尺寸范圍的上端處的顆粒在小角 度下散射的光和根本未被散射的光，進入測量區4的光束必須盡可能是空間相干的。在本 文中，這意味著，光束的基諧模式必須起主導作用，并且光束必須近似于點光源所產生的光 束，即具有球形波陣面(漸進極限下為平面波陣面)。在此處所述的所有實施方案中，用于 產生光束的設備和用于將所述設備產生的光束進行整形的器具的組件，被布置為產生具有 大致TEM。。分布的光束。空間相干性的進一步提高由另一空間濾波器來提供，所述另一空間 濾波器接收來自于光束整形器具的光。 根據散射理論，還可得出，較小波長的光以較大角度散射。使用較小波長所具有的 一個優點在于其能夠使LS儀器1變得更加緊湊。如果散射光對著更大角度，那么傳感器陣 列5可以——事實上是必須一被布置得更加接近于測量區4。 所述Mie和Fraunhofer理論都假設入射光是空間相干的。盡管裝置2也可以應 用于使用逆向傅立葉結構的LS儀器，但是所示出的實施例將平行光束應用至測量區4。為 此，LS儀器1包括準直透鏡組件9。如果向準直透鏡組件9施加具有基本高斯強度分布的 空間相干圓形光束，那么所述準直透鏡組件9將僅形成充分準直的光束。
對于裝置2所產生的光束的空間相干性的一種合適量度是，傳感器陣列5的兩個 最里面的傳感器段6a、6b的強度值之和。這種量度在此處將被用于顯示所述裝置2及其變 體的各種部件的效果，但使用來自于光電傳感器8中的信號將這種量度換算至相應于3mW 功率輸出，以將裝置2內不同程度的反射和消耗損失考慮在內。 圖1中所示的裝置2包括用于產生基本單色的光束的設備10 ;透鏡ll，其用于將 設備IO發射的光聚焦到點光源發生器12的針孔上；第一光圈擋片，此處指得是埃里削波器 (Airy clipper) 13 ;中繼透鏡14 ;第二光圈擋片15以及第二光電傳感器16。
所述用于產生基本單色的光束的設備10可以是發光二極管、固態激光器或氣體
8激光器。所述第二光電傳感器16被布置為向控制設備提供一信號，用于控制所述設備10 所發射的光束的功率。所述設備10就下述意義而言是過度配置的其額定功率輸出高于， 為在傳感器陣列5處產生可觀察到的強度分布所需的功率輸出。在裝置2的壽命中，部件 會稍微被污染和/或未校準，這將導致到達準直透鏡組件9的光束的功率的減少。設備10 的內部控制回路和過度配置確保了這種減少在實際情況中不會發生。這也是裝置2的所有 替代性方案——在下面將更加詳細描述——的特征。 圖3示出了利用激光二極管光源17時的實現。在一實施方案中，激光二極管光源 17被配置為發射其峰值強度波長在可見范圍內，低于500nm，優選地在405nm左右，的光。這 種藍色激光二極管可大量獲取，用于消費型電子設備，以使它們在顧客負擔能力內。相對較 低的波長確保了相對較小的顆粒也落在LS儀器1的測量范圍內。激光二極管自身發射具 有低空間相干性的光，但是這一影響通過裝置2的其它部件得以緩解。 聚焦透鏡組18包括如下一雙合透鏡(doublet):—個由兩個附接在一起的單個透 鏡組成的組件，所述單個透鏡由呈現出不同的折射率和色散的不同類型的玻璃制成。 一個 效果是基本避免低空間頻率處的像差和噪聲。這是符合希望的，因為裝置2原本只包括低 通空間濾波器和光束整形器，使得任何這樣的像差和噪聲都保留在用于照亮所述測量區域 4的光束中。形成聚焦透鏡組18的所述雙合透鏡被拋光以提供所期望的特性。
如圖3中所示，點光源發生器12包括襯底19和涂層20，其中設置有針孔21。所 述針孔21形成圓形小孔，使用中，所述圓形小孔的尺寸被設計，以確定從其出來的光束的 形狀。這也就是說，其直徑基本小于所述聚焦透鏡組18將來自于激光二極管光源17的光 束聚焦在其上的光斑的大小。如果針孔21處的光束的1/e2直徑與針孔21直徑的比值在 3 8范圍內，則會獲得良好結果。 在這些尺寸下，針孔21表現為點光源。相對于設備10所產生的光束來確定針孔 的尺寸，以在布置有埃里削波器13的平面內產生埃里圖樣。這也就是說，強度分布基本由 埃里函數確定
A sin P 其中Jl代表一階貝塞爾函數，a代表針孔21的半徑，k是波數。9代表與光軸所 成的角度，所述光軸與激光束的傳播方向重合。 埃里削波器13包括在原本不透明的板中的光傳輸小孔，所述光傳輸小孔的大小 被設計，使與第一最小值一致，從而阻擋埃里圖樣的第二以及所有更高階的極大值。以這樣 的方式，埃里削波器13被操作用于抑制光束中特定范圍之上的空間頻率分量。
埃里圖樣——埃里斑(Airy disk)——的中心最大值，很好地近似為，等于高斯分 布，從而從埃里削波器13出來的光束基本具有TEM。。分布。為了產生近乎完美的埃里圖樣， 針孔21上的強度應大致恒定。這可通過使針孔21非常小來實現。然而，這給制造容差以 及光通過量方面制造了一些問題，其中就制造容差而言，針孔21還應具有良好圓度。包括 中繼透鏡14和第二光圈擋片15的空間濾波器的存在，使得在某種程度上放松了對針孔21 直徑的要求。 可想到的是，在一些實施方案中，可使用金屬箔片中的針孔來代替在此處詳細描 述的點光源發生器12。然而，薄涂層20使得可更加容易地制造針孔21——其在激光束傳 順=/(0)播方向上具有小的長度。這進一步有利于在埃里削波器13的平面中產生良好地限定的埃 里圖樣。 在一個實施方案中，涂層20由鎳制成。例如，鎳箔片可結合至襯底19。在另一實 施方案中，涂層20由鉻制成，例如，鉻在應用時通過氣相沉積被沉積至350nm的厚度。鉻涂 層20比銅箔片或鎳箔片的制造成本更低。襯底19例如可由熔融石英制成。點光源發生器 12的原型已被制造為具有6 ii m 18 ii m的針孔直徑。因為針孔21確定了裝置2的光束形 狀，所以良好圓度和準確尺寸都是可期望的。這是通過借助于平版印刷過程，例如使用光刻 影印或者直接的電子束刻蝕來產生針孔21而實現的。高質量掩模確保了用于一系列以該 方式制造的點光源生成器12的一致圓形的針孔21。在一實施方案中，點光源生成器12是 從一個較大的涂層襯底制造而來的，所述較大的涂層襯底被切割成多個單獨的點光源發生 器12。所述點光源發生器12被傾斜，其中其在表面22上的法線相對于光軸所成的角度在 1° 10°的范圍內，優選地大約1.5° ，所述表面22與支撐所述涂層20的表面相對。一 個效果是，在涂層20處反射的任何光都不返回至激光二極管光源17。 返回圖l，埃里削波器13包括一個在例如由銅或鎳的光密材料制成的板中的小 孔。所述小孔的直徑通常在l 2mm的范圍內。其也可使用平版印刷技術被制造，或者其可 通過電鑄被制造。所述電鑄過程重新生成一沒有收縮或扭曲的形狀，并且不需要襯底。如 果在該過程中使用的心軸具有高質量的磨光，則埃里削波器13的小孔將具有高圓度以及 在相對小的容差范圍內的直徑。 埃里削波器13之后是包括中繼透鏡組14和第二光圈擋片15的空間濾波器。所 述中繼透鏡組14發揮傅立葉變換透鏡的作用，在其焦平面內——該處布置有第二光圈擋片 15——形成光束的傅立葉變換，所述光束從包括點光源發生器12和埃里削波器13的光束 整形器具接收。光束的較高空間頻率分量被第二光圈擋片15阻擋。 在示出的實施方案中，中繼透鏡組14是定制拋光的雙合透鏡，如同圖3的聚焦透 鏡組18。然而，中繼透鏡組14具有的直徑在1. 5 3. 5mm的范圍內。代替定制拋光的雙合 透鏡，也可使用非球面體或鼓形透鏡。然而，在一模具中制造的非球面體，會引入低強度低 頻噪聲。鼓形透鏡容易引入像差。 第二光圈擋片15通常是具有如下小孔的銅箔片，所述小孔具有的直徑在10 50iim范圍內，優選為大約30 45iim。相對于小孔的直徑而言，第二光圈擋片15較薄，例 如，約薄至小孔的直徑的8倍。 圖4示出了用于制造LS儀器1中所用的光束的替代裝置23，其取代裝置2。所述 替代裝置23包括光學纖維24，使用中，該光學纖維的尺寸被設計以確定光束形狀并且還包 括小孔25，在空間上過濾的激光光束從該小孔出來。光學纖維24形成一用于抑制所述光束 中特定范圍之上的空間頻率分量的器具。然而，從所述小孔25中出來的光具有與貝塞爾函 數一致的強度分布，為此，提供了包括中繼透鏡26和光圈擋片27的空間濾波器。光學纖維 24被示為聯接至一用于產生單色光束的設備28，例如，與激光二極管光源17類似的激光二 極管。所述中繼透鏡26和光圈擋片27類似于圖1和圖3的實施方案的中繼透鏡組14和 第二光圈擋片15。 如所示意性示出的，光學纖維24被纏繞以允許其在原本緊湊的儀器中具有大長 度。所述覆層模的抑制隨光學纖維24長度的增大而提高。然而，即使在漸變折射率光纖中，仍存在一種小孔25，其導致與貝塞爾函數一致的強度分布并具有旁瓣，這增加了被過濾 的光束的畸變。圖4的實施方案基于意識到不能通過增加光學纖維24的長度來獲得進一 步改善，因為小孔25施加了一基本限制。反而，通過在小孔25之后布置一額外的體光學空 間低通濾波器，進一步改善了光束質量。 同時使用光束整形器具——其被布置用于抑制所述光束中特定范圍之上的空間 頻率分量——和空間濾波器的有益效果是，降低了對未校準的敏感度。這在圖5 9中被 示出，通過使用根據圖1 3的LS儀器1的原型獲得。 取決于來自準直透鏡組件9的光束的質量，當不存在顆粒時，將存在或多或少的 發散、并呈現或多或少的小角度衍射。因此，如上所解釋的，第一和第二傳感器段6a、6b上 的入射功率之和是用于進行比較的良好度量。 圖5示出了，一個不帶有由中繼透鏡組14和第二光圈擋片15組成的空間濾波器 的結構的合計功率。圖6示出了實際相同的具有中繼透鏡組514和第二光圈擋片15的結 構的合計功率。所述合計功率已被換算，以將中繼透鏡組14中的衰減和試驗之間的不同光 束功率水平考慮在內。所述合計功率是以模擬/數字轉換器(未示出)的輸出來繪制的， 所述模擬/數字轉換器用于使從傳感器陣列5中獲得的光電流信號離散化。
圖5和圖6中的曲線圖是基于通過改變，用于產生光束的設備10到點光源發生器 12、埃里削波器13以及中心小孔7的光軸的距離，而獲得的測量結果的。這種未校準是使 用X-Y工作臺故意引入的。可觀察到，由第一和第二傳感器段6a、6b兩者所測量的合計功 率被繪制，因為這兩者位于中心光軸的相對側面。如果僅觀察入射到一個傳感器段上的功 率，則未校準會導致所觀察的光束質量的顯而易見的改善。 陰影區域29、30指示利用現有技術中的實驗用LS儀器來執行相同的實驗時所獲 得的合計功率水平的范圍，所述現有技術中的實驗用LS儀器包括He-Ne氣體激光器和單個 體光學空間濾波器。相反地，LS儀器1的原型使用激光二極管。現有技術儀器的激光器沒 有處于未校準X軸上的陰影區域29、30的位置不具有任何意義。圓31a 31e、32a 32e 代表源自全距透鏡3的總光束功率，但是未畫至y-軸。第一圓31a、32a相應于3mW的光束 功率。清楚的是，總光束功率隨著不斷增加的未校準而減少。而且，入射到內部段6a、6b上 的總功率對于用以獲得圖6的配置而言為更小。 還清楚的是，當使用空間濾波器時，對未校準的敏感度——其由曲線33、34的梯度 表示——更小。而且，光束質量可與陰影區域29、30所表示的參考儀器的光束質量相比較。
圖5和圖6的結果是使用具有直徑為8. 8 ii m的針孔21的點光源發生器12而獲 得的，其中所述涂層20由鉻制成。襯底19是一個通用于制造光刻用掩模、被切割為一定尺 寸且以2t:傾斜的襯底。埃里削波器13具有直徑為lmm的小孔。第二光圈擋片15的小孔 具有40 ii m的直徑。激光二極管光源17是35mW紅色激光二極管，其被布置為以大約658nm 的波長發射光。 圖7和圖8示出所述埃里削波器13的未校準的影響。同樣，曲線35、36代表由兩 個內傳感器段6a、6b所測量的強度的經換算的總和。圓37、38代表絕對激光功率。陰影區 域39、40代表用于比較的實驗儀器的合計功率(沒有未校準)。再次，從曲線35、36的斜率 可清晰看到，包括中繼透鏡組14和第二光圈擋片15的空間濾波器的效果是減少LS儀器1 對于未校準的敏感度。
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圖9顯示，空間濾波器允許使用具有較大直徑的針孔21，使用具有較大直徑的針孔不極大地降低光束質量。該曲線圖是使用與獲取圖6和圖8的曲線圖時所用的結構相同的結構來獲得的，其中除了使用不同地構成的點光源發生器12來獲得第一、第二和第三曲線圖41、42和43外。激光二極管光源17在橫向于光軸的方向上未對準，未對準的量在X軸上示出。同樣，曲線41、42、43代表換算至3mW光束功率的合計強度。第一、第二和第三個圓44、45、46代表絕對功率水平，陰影區域47代表與圖5 8的曲線中的陰影區域29、30、39、40相同的參考。第一曲線41和第一圓44是使用在銅箔片中具有17 y m直徑的針孔21獲得的。第二曲線42和第二圓45代表通過在銅箔片中具有14 ii m直徑的針孔21獲得的測量。第三曲線43和第三圓46代表使用與獲得圖5 8時所用的點光源發生器相同的點光源發生器12所獲得的測量。 人們可看到，可使用14iim的針孔21來代替8.8iim針孔，同時不會使光束質量降
低至該光束質量不再與現有技術中的實驗儀器的光束質量相當的程度。圓45所指示的功
率水平對于具有較大直徑的針孔21而言是較高的，這是理想的，其取決于具有合適的額定
功率的激光二極管光源17的可獲取性以及取決于待分析的樣品類型。 第二和第三曲線42、43顯示出對于未校準的低敏感度，這是此處所述的實施方案
的特征。LS儀器1的原型也是相對緊湊的，通常沿光軸的長度小于160mm。 本發明不限于上述實施方案，所述實施方案可在所附權利要求的范圍內改變。例
如，二極管抽運固體激光器可被用于產生其強度光譜峰位于可見范圍內的波長值下的光
束。在所有實施方案中，用于產生光束的設備io可被實施為氣體激光器，例如，氦氖激光器。這種激光器包括由一鏡子和半透明反射鏡(half-mirror)所構成的光腔。若非使用此處所述裝置的光束整形器具和空間濾波器，由通常使用的實際平面鏡所形成的光束漂移將導致使用中的未校準問題。尤其是，在使用點光源發生器12的情況下，光束漂移的效應相當大程度上被消除，因為針孔21被超出。 盡管本說明書聚焦于一種用于提供在衍射儀器中使用的光束的裝置，但它同樣適合用于空間相干性對于其而言相當重要的其它類型的光學測量儀器。例如，該裝置還可應用于光譜學領域。
權利要求
用于提供在光學測量儀器(1)中使用的光束的裝置，包括用于產生光束的設備(10；17；28)；以及用于將由所述設備(10；17；28)所產生的光束進行整形的器具(12，21；24)，在使用中，該器具的尺寸被設計以確定光束形狀，所述器具包括小孔(21，25)以及用于抑制所述光束中特定范圍之上的空間頻率分量的器具(13；24)，其特征在于還包括一個空間低通濾波器(14，15；26，27)，其被布置為對所述光束整形器具所提供的光束進行濾波。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述空間低通濾波器包括，中繼透鏡組(14;26)，其發揮傅立葉變換透鏡的作用；以及光圈擋片(15;27)，其被基本定位在中繼透鏡組(14 ;26)的焦平面內。
3. 根據權利要求2所述的裝置，其中所述中繼透鏡組(14)包括附接在一起的多個單個透鏡組成的組件，所述單個透鏡中的至少兩個包括呈現不同折射率和色散的介質。
4. 根據權利要求2或3所述的裝置，其中所述中繼透鏡組(14 ;26)具有的直徑在1. 5 3. 5mm的范圍內。
5. 根據任一上述權利要求所述的裝置，其中所述光束整形器具包括，基本圓形的針孔(21)，其提供所述小孔，并且相對于由用于產生光束的設備(10 ;17 ;28)所產生的光束來設計針孔的尺寸，以在一平面內生成埃里圖樣；以及光束阻擋器(13)，其被定位在所述平面中，用于阻擋所述埃里圖樣的次最大值。
6. 根據權利要求5所述的裝置，其中所述針孔(21)被提供在一基本不透明材料層(20)中，所述基本不透明材料層被沉積在其厚度基本大于所述層的厚度的基本透明襯底(19)上。
7. 根據權利要求5或6所述的裝置，其中所述針孔(21)可通過平版印刷法獲得。
8. 根據權利要求5 7中任一權利要求所述的裝置，其中所述載有不透明層(20)的襯底(19)的一表面和襯底(19)的基本相反的表面(21)中的至少一個，在使用中被定位為與光束穿過襯底(19)傳播的方向成一角度。
9. 根據權利要求5 8中任一權利要求所述的裝置，包括一透鏡組(11，18)，在使用中，其用于將光聚焦到針孔(21)上。
10. 根據權利要求9所述的裝置，其中所述透鏡組包括附接在一起的多個單個透鏡組成的組件，所述單個透鏡中的至少兩個包括呈現不同折射率和色散的介質。
11. 根據權利要求9 10中任一權利要求所述的裝置，其被配置使得，在使用中，在針孔(21)處所述光束的1/V直徑與針孔(21)直徑的比值在3 8的范圍內。
12. 提供光學測量儀器(1)中的光束的方法，其包括產生光束；以及使該光束穿過通道(21 ;24)，該通道的尺寸被設計以確定光束形狀并且去除該光束中特定范圍以上的空間頻率分量，其特征在于，一旦確定了光束形狀并且去除了所述空間頻率分量，就使所獲得的光束通過一空間低通濾波器(14,15 ;26,27)。
13. 根據權利要求12所述的方法，包括使用根據權利要求1 11中任一權利要求所述的裝置(2 ;23)。
14. 用于通過散射光來確定顆粒尺寸的光散射儀器，包括根據權利要求1 11中任一權利要求所述的用于提供光束以照亮顆粒樣品的裝置(2 ;23)。
全文摘要
一種用于提供在衍射儀器(1)中使用的光束的裝置，其包括用于產生光束的設備(10；17；28)；以及用于將由設備(10；17；28)所產生的光束進行整形的器具(12，21；24)，使用中，該器具的尺寸被設計，以確定光束形狀，該器具還包括小孔(21，25)以及用于抑制所述光束中特定范圍之上的空間頻率分量的器具(13；24)。所述裝置還包括一個空間低通濾波器(14，15；26，27)，該空間低通濾波器被布置用于對所述光束整形器具所提供的光束進行濾波。
文檔編號G01N15/02GK101743500SQ200880024857
公開日2010年6月16日 申請日期2008年6月30日 優先權日2007年7月26日
發明者D·A·斯普林費洛, D·M·斯普里格斯 申請人:馬爾文儀器有限公司
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