背景技術：

1、本發明涉及根據權利要求1的前序部分的設備以及根據權利要求12的前序部分的方法。

2、開頭所提及類型的設備和方法本身是已知的并且用于各種應用中以確定顆粒特性，例如顆粒位置、顆粒速度或者例如顆粒尺寸。例如，該信息可以用于監測或控制工業制造和加工過程。

3、例如，從de?10?2019?209?213?a1已知用于確定顆粒特性的設備，并且該設備包括光源，借助于該光源，沿射束軸投射光束。沿射束軸布置射束成形光學單元。射束成形光學單元構造成在區段式地沿射束軸延伸的測量體積中調整光束的位置相關的強度分布。位于測量體積中的待表征的顆粒將光束至少部分地反射或散射為測量射束。該測量射束由探測器檢測，該探測器將強度信號輸出至分析處理單元。分析處理單元用于根據強度信號來確定測量體積內的顆粒特性。

4、發明目的

5、原則上，期望能夠以高準確度表征測量體積內的顆粒。與先前已知的設備相比，例如通過增加所使用的光源的功率來提高準確度是可能的，但是這通常與高成本相關聯。因此，本發明的目的在于：提出與表征顆粒的可實現準確度和由此產生的成本之間的良好比率相關聯的設備和方法。

技術實現思路

1、該目的通過具有根據權利要求1的特征的設備并且通過具有根據權利要求12的特征的方法來實現。有利的擴展方案是各個從屬權利要求的主題。

2、以本身已知的方式，根據本發明的設備具有光源，該光源用于沿射束軸投射至少一個光束。射束成形光學單元沿射束軸布置并且構造成在區段式地沿射束軸延伸的測量體積中調整光束的位置相關的強度分布。探測器用于檢測由測量體積中的顆粒反射和/或散射的測量射束并向分析處理單元輸出至少一個強度信號。分析處理單元構造成根據強度信號來確定測量體積內的顆粒特性。

3、根據本發明的設備與先前已知的設備的不同之處在于：射束成形光學單元構造成，使位置相關的強度分布在測量體積內的橫向于射束軸延伸的投射平面中如此構造，使得光束的強度沿橢圓的外輪廓最小并且在橢圓內的至少一個點處最大。

4、本發明基于下述發現：調整其中光束在投射平面中具有基本橢圓形狀的位置相關的強度分布與提高在較大的空間區域中確定顆粒特性的準確度相關聯。與其中光束的強度例如沿圓形輪廓最小的徑向對稱的強度分布相比，該強度分布沿橢圓的豎軸在較大的長度上延伸并且沿橢圓的橫軸在較小的長度上延伸。另外，光束沿豎軸可以比沿橫軸更易聚焦。與先前已知的設備相比，對于投影平面中相同的光源功率，光束可以因此具有總體更高的每單位面積功率。這意味著光束可以被測量體積中的顆粒以相應更高的強度反射和/或散射。可以在較大的空間區域中、特別是沿橢圓的豎軸以高空間分辨率表征顆粒。

5、有利地，光束的強度至少在橢圓的面中心點處最大，其中，特別地可以存在高斯強度分布。強度從面中心點朝向橢圓的外輪廓連續減小。特別地，橢圓具有豎軸和橫軸，與之相關地，橢圓構造成分別相對于豎軸和橫軸對稱，并且沿豎軸的尺寸大于沿橫軸的尺寸。優選地，橢圓是橢圓形，并且特別地不是圓形。

6、顆粒特性可以例如是顆粒的尺寸，或者優選地是沿投射平面中的橢圓的豎軸的顆粒位置。特別地，設備構造成使得可以以1微米的空間分辨率求取沿豎軸的顆粒位置。優選地，探測器在測量體積內具有從5微米至0.1微米、特別優選地從3微米至1微米、最優選地為1微米的空間分辨率。

7、顆粒可以是位于氣體、真空或液體中的固體。它也可以是水浴中的油滴，或者反之是油浴中的水滴。它還可以是氣體或真空中的液滴，或者特別地，是從噴嘴、特別是噴霧噴嘴射出的液滴。

8、本發明不受限于光源的具體實施方式。在簡單的實施方式中，光源包括具有激光二極管、超發光二極管、鹵素發光體或類似光束源的至少一個激光器。

9、在本發明的范圍內，至少光源和探測器可以以透射布置或反射布置而存在。在透射布置中，光源和探測器布置在投射平面的不同側。此處，光束由待表征的顆粒散射，使得測量射束作為透射射束存在。在反射布置中，光源和探測器相對于投射平面布置在同一側。光束由待表征的顆粒反射，使得測量射束作為反射射束存在。本發明的范圍還在于，提供至少兩個探測器，其中，第一探測器和光源布置在投射平面的不同側，并且其中，第二探測器和光源布置在投射平面的一側。在這樣的實施方式中，提供了光源與探測器之間的反射布置和透射布置的組合。

10、射束成形光學單元可以包括圓柱透鏡，其中透鏡表面在一個軸上彎曲，并且借助于該圓柱透鏡可以調整根據本發明的光束的強度分布。探測器可以包括聚光透鏡，借助于該聚光透鏡，測量射束被聚束并引導到探測器的至少一個傳感器元件上。特別地，傳感器元件是下述光電二極管，該光電二極管在檢測到測量射束時向分析處理單元發射電信號并且該電信號的幅度優選地取決于測量射束的強度。

11、優選地，至少光源和射束成形光學單元被沿射束軸位置固定地布置，并且特別地彼此限定對準。至少在反射布置中，優選地利用與光束的射束軸成一定角度的測量軸來布置探測器，可以沿該測量軸檢測測量射束。

12、分析處理單元可以構造為電子計算單元，借助于該電子計算單元可以求取顆粒特性。可以在分析處理單元上實現數學模型，該數學模型描述了測量射束的強度與顆粒特性之間分析性地或經驗性地求取的關系。通過對測量射束的強度進行測量，可以使用數學模型將由探測器輸出的強度信號分配給待求取的顆粒特性。

13、附加地或替代地，可以在分析處理單元上存儲離散表值，借助于該離散表值可以將測量射束的所測量強度值與所存儲的強度值進行比較，并且將該所測量強度值分配給相關聯的顆粒特性。

14、附加地或替代地，可以在分析處理單元中存儲至少一個特性曲線，該特性曲線基于顆粒特性程度來指示強度變化過程。利用特性曲線，可以將測量射束的所測量強度分配給待求取的顆粒特性。特別地，特性曲線基于沿投射平面中的軸線、特別是橢圓的豎軸的顆粒位置描述來測量射束的強度的變化過程。

15、在有利的擴展方案中，射束成形光學單元構造成除了位置相關的強度分布之外還調整投射平面中的位置相關的偏振分布，其中，沿橢圓的豎軸存在具有不同偏振方向的第一偏振和第二偏振。探測器構造成確定具有第一偏振和/或第二偏振的測量射束的至少兩個強度，并且向分析處理單元輸出兩個偏振相關的強度信號。分析處理單元構造成基于兩個偏振相關的強度信號來求取顆粒特性。

16、上述擴展方案基于申請人的下述發現：測量射束的強度可能同時取決于多個顆粒特性，例如顆粒位置和顆粒大小。這使得難以唯一明確地確定這些顆粒特性中的僅一者，這是因為，例如，具有相同顆粒位置的不同待表征顆粒之間變化的顆粒大小可能導致不同的可測量強度。由于射束成形光學單元的設計，可以借助于該射束成形光學單元調整投射平面中的位置相關的強度分布和位置相關的偏振分布，可以調整并考慮光束的另外的光性質。這使得不僅可以考慮測量射束的強度，還可以考慮偏振，以便能夠求取唯一明確的顆粒特性、特別是顆粒位置。強度分布和偏振分布的這種實施方式意指，由顆粒反射和/或散射的測量射束可以具有至少兩個偏振不同的強度分量。

17、為了更好地理解，請參考以下針對三個顆粒進行位置確定的示例：如果第一顆粒位于測量體積中并且以第一強度和第一偏振散射或反射光束，則可以將第一強度和第一偏振分配給第一顆粒位置。如果第二顆粒位于測量體積中并且以第二偏振和高于第一強度的第二強度散射或反射光束，則可以得出結論：第二顆粒處于第二位置。如果第三顆粒位于測量體積中并且以第二強度和第一偏振散射或反射光束，則可以得出結論：第三顆粒的第三位置對應于第一顆粒的第一位置并且第二強度是由于較大顆粒尺寸而產生的。

18、在簡單的實施方式中，射束成形光學單元可以包括所謂的延遲板，延遲板產生具有第一偏振方向和第二偏振方向的期望位置相關的偏振分布。這樣的延遲板是可以根據需要改變經過的光波的偏振和相位的光學部件。優選地，延遲板構造為所謂的空間偏振轉換器，其例如從ep?2705393?b1已知并且可以根據從us20200408953?a1已知的方法制造。替代地，還可以使用所謂的空間光調制器或所謂的渦旋板來產生位置相關的偏振分布。

19、例如，探測器可以包括兩個光電二極管，所述兩個光電二極管中的每一個具有偏振濾光器，以能夠實現偏振敏感觸發。第一光電二極管可以構造成，使其基于具有第一偏振的測量射束的強度來輸出第一電信號。第二光電二極管可以被設計使其基于具有第二偏振的測量射束的強度來輸出第二電信號。

20、在簡單的實施方式中，可以以已經描述的方式在分析處理單元中實現數學模型，該數學模型將具有不同偏振的多個強度值分配給對應數目的顆粒特性、特別是顆粒位置。特別地，分析處理單元可以具有所存儲的分析處理例程，借助于該分析處理例程相對于彼此設置具有不同偏振的至少兩個強度值，并且利用數學模型和/或表格和/或特性曲線將該比率分配給顆粒位置。代替上述比率，還可以求取與該比率對應的特性數值(kennzahl)。

21、在有利的擴展方案中，射束成形光學單元構造成產生位置相關的偏振分布，使得第一偏振的偏振方向與第二偏振的偏振方向之間存在180度的角度。沿橢圓的豎軸、優選地在橢圓內強度最大的點的區域中存在至少一個第三偏振。在第一偏振的偏振方向與第三偏振的偏振方向之間和/或在第二偏振的偏振方向與第三偏振的偏振方向之間分別存在90度的角度。

22、上述擴展方案使得能夠進一步提高在確定顆粒特性時的準確度。在這方面，射束成形光學單元構造成調整第三偏振。此外，探測器構造成檢測具有第三偏振的測量射束的強度。分析處理單元被進一步設計成基于第一偏振、第二偏振和第三偏振下的三個強度信號來確定顆粒特性。

23、在另一有利的擴展方案中，射束成形光學單元構造成產生位置相關的偏振分布，使得沿橢圓的豎軸并且在第一偏振與第三偏振之間和/或在第二偏振與第三偏振之間存在第四偏振，其中，第四偏振的偏振方向與第三偏振的偏振方向之間存在45度的角度。

24、上述擴展方案使得能夠進一步提高在確定顆粒特性時的準確度。在這方面，射束成形光學單元構造成調整第四偏振。此外，探測器構造成檢測具有第四偏振的測量射束的強度。分析處理單元被進一步設計成基于第一偏振、第二偏振和第三偏振以及第四偏振下的四個強度信號來確定顆粒特性。

25、在有利的擴展方案中，探測器構造成使得可以在以下偏振中的至少兩個偏振下確定測量射束的偏振相關的強度分量：0度、45度、90度、135度。

26、上述擴展方案是有利的，因為可以使用常見的射束成形光學單元來容易地調整所提及的偏振方向。探測器可以具有多個光電二極管，所述多個光電二極管具有至少兩個偏振濾光器，所述偏振濾光器相對于彼此布置，使得來自光電二極管的光僅在偏振濾光器的偏振方向上被檢測到。

27、優選地，光束中具有不同偏振方向的部分之間不存在相位差或者相位差為180°。這使得能夠容易地調整線性偏振。然而，申請人的研究還表明，為了能夠唯一明確地確定顆粒特性、特別是顆粒位置，調整圓偏振或橢圓偏振也是有利的。在有利的擴展方案中，光源和/或射束成形光學單元因此構造成產生具有相位差的至少兩個光束，其中，相位差為90度，以便至少局部地調整投射平面中的圓偏振，或者其中，相位差在0度與90度之間或者在90度與180度之間，以便至少局部地調整投射平面中的橢圓偏振。

28、在另一有利的擴展方案中，光源和/或射束成形光學單元構造成使位置相關的強度分布在投射平面中如此成形，使得沿兩個橢圓的兩個外輪廓的光束的強度最小并且在兩個橢圓的豎軸的區域中的強度分布最大，所述兩個橢圓的豎軸相對于彼此以v形布置。探測器構造成以時間偏移的方式檢測兩個測量射束的強度。分析處理單元用于基于兩個測量射束的所測量強度之間的時間間隔來確定測量體積內的顆粒位置。

29、上述擴展方案基于申請人的下述發現：為了能夠可靠地求取顆粒特性、特別是顆粒位置，可以使光束的位置相關的強度分布的實施方式(其中沿橢圓的外輪廓的強度最小)在投射平面中倍增。當顆粒在測量體積中穿過投射平面并且穿過兩個橢圓的豎軸時，兩個測量射束以相互時間偏移的方式反射和/或散射，并由探測器以對應時間偏移進行檢測。如果已知相對于彼此以v形布置的豎軸之間的角度并且已知顆粒速度，則可以通過考慮兩個強度信號之間的時間間隔來確定顆粒位置。如果待表征的多個顆粒的顆粒速度沒有差異并且是已知的，則這種擴展方案是特別有利的。

30、替代地，設備可以構造成使得沿三個橢圓的三個外輪廓的光束的強度最小并且在三個橢圓的豎軸的區域中的強度分布最大，所述三個橢圓的豎軸相對于彼此以n形布置。探測器構造成以時間偏移的方式檢測三個測量射束的強度。分析處理單元用于基于三個測量射束的所測量強度之間的至少兩個時間間隔來確定測量體積內的顆粒位置。

31、上述擴展方案的一個優點在于：可以獨立于顆粒速度來確定測量體積內的顆粒位置。特別地，可以基于兩個時間間隔的比率來求取顆粒位置。申請人的發現在于：確定兩個時間間隔的這種比率使得即使在顆粒速度變化且未知的情況下也能可靠地確定顆粒位置。

32、在另一有利的擴展方案中，光源和/或射束成形光學單元構造成分別沿射束軸投射具有不同波長的兩個光束，所述兩個光束在投射平面中重疊并且從而具有位置相關的強度分布和位置相關的波長分布。探測器構造成檢測測量射束的至少一個波長相關的強度。分析處理單元構造成根據測量射束的波長相關的強度來確定測量體積內的顆粒位置。

33、利用位置相關的波長分布，除了測量射束的強度之外，還可以考慮其他光性質，以便能夠唯一明確地求取顆粒特性。特別地，除了位置相關的偏振分布之外或者作為位置相關的偏振分布的替代，可以使用位置相關的波長分布，以便能夠唯一明確地確定測量體積內的顆粒位置。位置相關的強度分布可以構造成相對于橢圓的豎軸和橫軸對稱。例如，位置相關的波長分布可以沿豎軸在兩個間隔開的位置處不同。強度分布和波長分布的這種實施方式意指，被顆粒反射為測量射束的形式的光束可以具有至少兩個波長分量，考慮所述波長分量使得能夠唯一明確地確定投射平面內的顆粒的位置。

34、探測器可以具有多個光電二極管，所述多個光電二極管構造成對波長敏感，使得檢測到的具有不同波長分量的測量射束引起對應光電二極管的不同信號幅度。可以使用數學模型、表格或特性曲線來評估波長相關信號，以確定顆粒特性、特別是顆粒位置。

35、在有利的擴展方案中，測量體積沿射束軸具有對應于光束的瑞利長度兩倍的長度。

36、瑞利長度以本身已知的方式描述了沿射束軸在焦平面與其截面積相對于焦平面加倍的位置之間的距離。因此，可以基于光束、特別是其焦平面的性質來調整測量體積相對于射束軸的尺寸和/或位置。

37、優選地，射束成形光學單元和/或探測器構造成根據應用并且以可調節尺寸形成測量體積。優選地，投射平面中的橢圓具有在10微米與1000微米之間的高度和/或在100微米與5厘米之間的寬度。

38、特別地，基于多個偏振相關的強度值來確定顆粒位置的一個優點在于：不需要攝像設備系統。而是，可以基于離散值來確定顆粒位置，其中，探測器和分析處理單元兩者可以具有簡單的設計。申請人的研究表明，分析處理單元可以構造成確定頻率高于10mhz的多個顆粒位置。

39、在有利的擴展方案中，光源和/或射束成形光學單元和/或探測器被相對于彼此空間固定地布置，以便位置固定地形成測量體積并檢測測量體積中的移動顆粒。替代地，光源和/或射束成形光學單元和/或探測器以可移動的方式布置，以便借助于掃描移動來使測量體積移位并檢測測量體積中靜止的顆粒。優選地，光源和/或射束成形光學單元和/或探測器在掃描移動期間相對于彼此以不可移動的方式布置。

40、掃描移動可以借助于本身已知的移動學例如關節臂機器人或類似設備來實現。在該設備的這種實施方式中，可以特別地檢查表面以確定所述表面是否被一個或更多個顆粒污染。

41、如上面所提及的，該目的還通過根據權利要求12的方法來實現。

42、在根據本發明的用于表征顆粒的方法中，沿射束軸投射光束，其中，光束在區段式地沿射束軸延伸的測量體積中具有位置相關的強度分布。待表征的顆粒將測量體積中的光束至少部分地反射或散射為測量射束。根據測量射束的至少一個強度來確定測量體積內的顆粒特性。

43、對于該方法至關重要的是，在測量體積內橫向于射束軸延伸的投射平面中的位置相關的強度分布沿橢圓的外輪廓最小并且在橢圓內的至少一個點處最大，特別地在橢圓的面中心點處最大。

44、優選地，該方法可以借助于根據本發明的設備或其有利的擴展方案來執行。因此，上面已經關于根據本發明的設備和有利的擴展方案提供的相同說明適用于此處可以實現的優點。

45、在有利的擴展方案中，產生具有位置相關的偏振分布的光束，并且根據測量射束的偏振相關的強度來求取顆粒特性。

46、在另一有利的擴展方案中，產生具有不同波長的光束，該光束在測量體積中重疊，其中，重疊的光束在投射平面中具有位置相關的強度分布和位置相關的波長分布，并且其中，根據測量射束的波長相關的強度來確定測量體積內待表征的顆粒。

47、在另一有利的擴展方案中，在投射平面中產生位置相關的強度分布，使得光束的強度沿兩個橢圓的外輪廓最小并且在兩個橢圓的豎軸的區域中最大，所述兩個橢圓的豎軸以v形布置。待表征的顆粒將測量體積中的光束至少部分地反射或散射為兩個測量射束。以時間偏移的方式來檢測兩個測量射束的強度。根據測量射束的所測量強度之間的兩個時間間隔來確定測量體積內的顆粒特性、特別是顆粒位置。

48、替代地，在投射平面中產生位置相關的強度分布，使得光束的強度沿三個橢圓的外輪廓最小并且在三個橢圓的豎軸的區域中最大，所述三個橢圓的豎軸以n形布置。以時間偏移的方式來檢測三個測量射束的強度。根據測量射束的所測量強度之間的兩個時間間隔并且優選地獨立于顆粒速度來確定測量體積內的顆粒特性。