[发明专利]用于产生光学测量仪器中所用的光束的装置和方法

说明书

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 5 610 712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，所述装置还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，其特征在于：该空间低通滤波器包括一中继透镜组(relaylens arrangement)——其发挥傅立叶变换透镜的作用，以及包括一个光圈挡片，其基本位于中继透镜组的焦平面内。

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，然后将其覆盖以收缩薄膜包装覆层。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出版的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。

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。

一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，它也缩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。