用于測量樣品的散射的設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的用于測量樣品的散射的光學(xué)設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]這類設(shè)備長期以來是已知的并且例如在分析、環(huán)境監(jiān)控、質(zhì)量監(jiān)控和過程監(jiān)控的領(lǐng)域上使用。折射在此用于檢測折射率相關(guān)的物質(zhì)(例如飲料中的糖)。從吸收中，從散射的微粒(例如牛奶中的脂肪)的彈性散射和從發(fā)熒光的物質(zhì)(例如水中的熒光素鈉)的非彈性的散射中產(chǎn)生吸收的物質(zhì)(例如水中的芳烴)的信息。
[0003]DE 199 20 184 A1描述一種用于檢測基本上不透明的樣品的漫反射和鏡面反射的設(shè)備。而DE 10 2004 018 754 A1描述一種用于測量基本上透明的樣品的散射和吸收的設(shè)備。這兩種設(shè)備共同地將輻射分散地射到成像透鏡上并且平行地耦合輸入到樣品中。在透明的樣品中，該耦合輸入輻射到達(dá)設(shè)置在樣品下游的反射鏡并且被向回反射到傳感器中。通過透鏡，將穿過樣品透射的該輻射成像到接收器上。在不透明的樣品中，基本上從保護(hù)元件和樣品邊界面鏡面反射的輻射在接收器上成像，所述輻射提供關(guān)于樣品折射的信息。接收器和輻射源定位在共同的平面(輻射和接收平面)中。接收器和輻射源在此也能夠是光波導(dǎo)的端面。接收器除了在朝樣品的邊界面處鏡面反射的輻射外還由在其它邊界面處(保護(hù)窗的內(nèi)側(cè)并且在透明的樣品中經(jīng)由反射鏡的透射)鏡面反射的輻射和樣品的散射輻射加載。這是妨礙精確的折射測量的干擾。
[0004]因此，在US 8 355 121 B2中描述一種傳感器方面的設(shè)備，所述設(shè)備允許同步地測量樣品的折射、散射和吸收并且借助于上述設(shè)備消除折射測量的上述缺點(diǎn)?；窘Y(jié)構(gòu)與上述設(shè)備類似。輻射源、透射接收器和散射接收器定位在輻射和接收平面中，所述輻射和接收平面位于透鏡的焦平面中。另一散射接收器設(shè)置在單倍焦距之內(nèi)并且設(shè)置在透鏡附近以及設(shè)置在其光軸的外部。此外，在輻射和接收平面以及透鏡之間定位另一輻射源(折射輻射源)。該折射輻射源同樣位于透鏡的單倍焦距內(nèi)，設(shè)置在其光軸外部并且加載保護(hù)元件和樣品。從保護(hù)元件和樣品的樣品側(cè)的邊界面鏡面反射的輻射由另一接收器檢測，所述另一接收器在傳感器側(cè)定位在透鏡的光軸和單倍焦距外部。從傳感器側(cè)的、空氣和保護(hù)元件的邊界面鏡面反射的輻射不射到接收器上從而也不干擾測量。射到折射接收器上的且干擾性的散射輻射借助由散射接收器測量的散射輻射來校正。與上述裝置相比，就此能夠在沒有更大干擾的情況下確定折射。
[0005]在DE 10 2009 020 252 B4中使用用于測量熒光輻射的非常類似的傳感器方面的設(shè)備，所述設(shè)備也描述基準(zhǔn)輻射的測量?；鶞?zhǔn)輻射在此是從激發(fā)輻射路徑耦合輸出的光子子流，所述光子子流與激發(fā)輻射的強(qiáng)度成比例。所述光子子流用于均衡輻射源的強(qiáng)度波動(dòng)和漂移現(xiàn)象。在此，基準(zhǔn)光子基本上經(jīng)由附加地安裝的輻射分配器導(dǎo)到光電子接收器(基準(zhǔn)接收器)上。輻射分離器定位在輻射源和成像元件之間。
[0006]這類設(shè)備一方面由于確定唯一的測量過程中的多個(gè)光學(xué)變量的可行性而具有大的優(yōu)勢，即能夠?qū)崿F(xiàn)許多不同的且復(fù)雜的測量任務(wù)。另一方面，基本技術(shù)上的困難在于:系統(tǒng)的各個(gè)部件設(shè)置為，使得(i)部件本身不相互影響并且可能的外部影響(例如溫度)為了簡單校正的目的而均勻地作用到部件上并且(ii)為了可靠的數(shù)據(jù)解讀的目的樣品的散射輻射的消光之間的簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系是適用的并且不通過另一輻射干擾性地影響或者僅少量地通過另一輻射干擾性地影響所測量的輻射。如果這些點(diǎn)未充分良好地觀察，那么這始終導(dǎo)致在檢測樣品折射和/或散射和/或吸收時(shí)的不精度。這限制了使用多樣性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]從中產(chǎn)生如下目的:實(shí)現(xiàn)一種用于同步地測量樣品的折射和/或散射和/或吸收的設(shè)備，所述設(shè)備整體上特征在于更高的測量精度從而也在于更高的使用多樣性。
[0008]對此，根據(jù)本發(fā)明，下述內(nèi)容被認(rèn)為是不利的。所使用的元件，如輻射源、折射輻射源、散射接收器、折射接收器和基準(zhǔn)接收器或者與其相關(guān)聯(lián)的光波導(dǎo)端面絕大部分定位在傳感器中的不同的地點(diǎn)上。僅輻射源、透射接收器和散射接收器位于一個(gè)平面中。傳感器內(nèi)部的這種復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)引起:每個(gè)部件本身能夠是自主的(例如由于傳感器內(nèi)部的溫度梯度)從而不同測量的輻射不再可相互比較，這導(dǎo)致校準(zhǔn)功能中的較大的不精確性。此外，在這類復(fù)雜且異質(zhì)的結(jié)構(gòu)中，生產(chǎn)耗費(fèi)是高的。
[0009]此外，被視為不利的是檢測基準(zhǔn)輻射的方式和方法。該輻射在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部在輻射源和成像元件之間耦合輸出。因此，該基準(zhǔn)尤其適合于檢測輻射源的強(qiáng)度波動(dòng)和漂移現(xiàn)象。因此當(dāng)然，設(shè)置在下游的光學(xué)儀器的透射(例如由于老化、粘接部中的機(jī)械應(yīng)力、熱影響等引起的)的改變不能夠被檢測。此外，存在下述風(fēng)險(xiǎn):樣品中的干擾性的散射經(jīng)由耦合輸入通道射到基準(zhǔn)接收器上。
[0010]值得改進(jìn)的還有折射射測量。根據(jù)US 8 355 121 B2的設(shè)備中的折射接收器也接收出自樣品的散射。這是干擾并且在該處為了校正而提出:使用借助于單獨(dú)的散射接收器確定的散射。然而，所提到的單獨(dú)的散射接收器不直接接近折射接收器設(shè)置，當(dāng)然這對于散射測量是有利的，其中所述散射測量應(yīng)代表射到折射接收器上的散射。該狀態(tài)在特定的應(yīng)用中(例如在微粒大小改變時(shí))會(huì)導(dǎo)致檢測折射時(shí)的不精確性。
[0011]此外，在散射測量中識別到下述狀態(tài)。在透鏡的單倍焦距之內(nèi)并且在光軸之外定位的散射接收器加載出自樣品體積(散射體積)的散射輻射，所述樣品體積位于傳感器側(cè)的保護(hù)元件后方。該散射體積一方面通過由耦合輸入到樣品中的輻射(耦合輸入輻射)加載的體積與由散射接收器檢測的體積的疊加來確定。另一方面，該散射體積也通過樣品的消光確定。消光是由樣品中的散射和吸收引起的輻射的衰弱并且特征在于光密度。在樣品透明的情況下，散射體積的大小或長度(耦合輸入輻射沿著所述大小或長度傳播)是恒定的，因?yàn)轳詈陷斎胼椛湓跇悠分械纳淙肷疃仁冀K大于散射體積的長度。在樣品不太透明的情況下，耦合輸入輻射僅還少量地射入到樣品中。散射體積變小，與樣品的消光相關(guān)從而不再恒定。這兩種情況的特征在于樣品的散射輻射和消光之間的不同的關(guān)系。這對于實(shí)際應(yīng)用而言使解讀數(shù)據(jù)或者建立標(biāo)定功能困難。此外，被視為不利的是:由設(shè)置在成像元件的單倍焦距之內(nèi)的散射接收器檢測的散射位于更大的散射角范圍中，也就是說，不單義地與特定方向相關(guān)聯(lián)。然而，在不同的和限定的散射角下的測量例如在監(jiān)控微粒濃度時(shí)是有利的:當(dāng)微粒大小分布改變時(shí)，于是散射強(qiáng)度因此也改變。因此，散射強(qiáng)度不再僅與微粒濃度相關(guān)。確定不對應(yīng)于實(shí)際的濃度。因?yàn)榕c角度相關(guān)的散射是微粒大小的函數(shù)，所以能夠借助測量不同角下的散射來執(zhí)行對所描述的干擾的補(bǔ)償。
[0012]此外，指出下述內(nèi)容。當(dāng)應(yīng)同時(shí)測量散射和透射時(shí)，散射接收器檢測透射至反射鏡的耦合輸入輻射中的向后散射以及從由反射鏡反射的耦合輸入輻射中的向前散射。隨著微粒濃度增加，首先所測量的散射強(qiáng)度提高。在進(jìn)一步增加時(shí)，透射的耦合輸入輻射不再到達(dá)反射鏡。因此，散射接收器不再記錄任何向前散射。所測量的散射強(qiáng)度下降。因此，在樣品的散射和消光之間不存在任何單義的關(guān)聯(lián)。
[0013]在上文中提到的目的根據(jù)本發(fā)明借助于用于測量樣品的散射的設(shè)備通過如下方式實(shí)現(xiàn):第一和第二散射接收器設(shè)置在共同的平坦的或者至少近似球形彎曲的面中，所述面垂直于成像元件的光軸取向，其中第一散射接收器構(gòu)成和設(shè)置用于接收樣品的飽和的散射輻射并且第二散射接收器構(gòu)成和設(shè)置用于接收樣品的線性的散射輻射。
[0014]球形彎曲的面尤其關(guān)于光軸對稱地設(shè)置。光軸的一個(gè)部段例如構(gòu)成面的曲率半徑。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述設(shè)備還具有用于接收在朝向樣品的邊界面處被鏡面反射的輻射的折射接收器和/或用于接收透射穿過樣品的輻射的至少一個(gè)透射接收器，其中折射接收器和/或透射接收器設(shè)置在散射接收器的面中。
[0016]此外，輻射源能夠設(shè)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，在所述面中設(shè)置有散射接收器。特別地，輻射源構(gòu)成和設(shè)置為，使得借助于其可輻照樣品的預(yù)設(shè)的體積。也可以考慮的是，第一散射接收器設(shè)置為，使得所述第一散射接收器與第二散射接收器相比接收出自樣品的更大體積的散射輻射。
[0017]特別地，第二散射接收器設(shè)置為，使得所述第二散射接收器接收出自樣品的可預(yù)設(shè)的體積的散射輻射。在此，可預(yù)設(shè)的體積能夠通過如下方式預(yù)設(shè):由輻射源產(chǎn)生的輻射和/或散射輻射的橫截面借助光闌確定。也可行的是，可預(yù)設(shè)的體積通過成像元件距共同的面和/或距樣品的間距確定。
[0018]因此，為了產(chǎn)生和檢測線性的和飽和的散射輻射，借助耦合輸入輻射可輻照樣品中限定大小的體積并且借助接收器可檢測樣品的限定大小的體積。對于線性的散射輻射而言，其是足夠小的體積，并且在飽和的散射輻射中，其是樣品的足夠大的體積。這一方面如所提到的那樣通過將具有限定的開口的一個(gè)或者多個(gè)光闌接入到射束路徑中來實(shí)現(xiàn)。這另一方面也能夠通過調(diào)節(jié)成像元件距輻射和接收平面和/或距傳感器側(cè)的保護(hù)元件的限定的間距來進(jìn)行。
[0019]基本上，借助所述措施可行的是，減小傳感器中的寄生輻射從而優(yōu)化折射輻射、散射輻射和透射輻射的測量。特別地，由此能夠光學(xué)上調(diào)節(jié)樣品的散射體積的大小。這一方面能夠具有下述優(yōu)點(diǎn):例如在具有由于散射而高的消光的樣品中樣品的散射體積足夠小地構(gòu)成，以便能夠主要產(chǎn)生和測量線性的散射輻射。另一方面，另一優(yōu)點(diǎn)例如是，可控制線性的散射輻射、飽和的散射輻射和透射的強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系。因此可以簡單的方式優(yōu)化測量動(dòng)態(tài)、信噪比和工作范圍。
[0020]第一散射接收器與第二散