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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine dynamische Lichtstreumesseinrichtung,
die im Stande ist, dynamische Lichtstreumessung von Partikeln in
einem Probenmedium durchzuführen.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Das
dynamische Lichtstreumessverfahren ist ein Verfahren zum Prüfen dynamischer
Eigenschaften von Streuern von auf ein Medium wie zum Beispiel eine
Suspension eingestrahltem Licht und zum Erfassen der Zeitschwankung
der Intensität
des von den Streuern in dem Medium gestreuten Streulichts unter
Verwendung einer Zeitkorrelationsfunktion und eines Leistungsspektrums,
und dieses Verfahren wird weithin verwendet zur Partikeldurchmessermessung,
Agglomerations- beziehungsweise
Aggregationsmessung und ähnlichem.
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Jedoch
wird dieses Verfahren in Bezug auf ein gelöstes Medium verwendet, auf
welches die Einzelstreutheorie (eine Theorie, dass einmal gestreutes
Licht erfasst werden kann ohne wieder durch andere Partikel gestreut
zu werden) anwendbar ist. Und demnach hat dieses Verfahren einen
derartigen Nachteil, dass wenn die Konzentration eines Mediums zu
hoch ist, um den Einfluss von Mehrfachstreuung zu ignorieren (ein Phänomen, dass
einmal gestreutes Licht auf andere Partikel auftrifft und wieder
gestreut wird), aufgrund der Einzelstreuungstheorie erfasste dynamische
Eigenschaften der Partikel sich von den realen dynamischen Eigenschaften
unterscheiden.
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Aus
diesem Grund wurden in jüngster
Zeit derartige Berichte herausgegeben, dass die Zeitkorrelationsfunktion
und das Leistungsspektrum von Streulicht unter Verwendung eines
Interferometers mit einer niederkohärenten Lichtquelle gemessen
werden. Die Verwendung eines solchen Interferometers mit einer niederkohärenten Lichtquelle
kann nur die Streulichtkomponente eines spezifizierten Abschnittes,
der im wesentlichen gleich der Lichtpfadlänge eines Referenzlichtes ist,
extrahiert werden, so dass aus einem Hochkonzentrationsmedium nur
die Einzelstreukomponente von Streulicht selektiv erfasst werden
kann.
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Basierend
hierauf können
das Zeitschwankungsspektrum von Streulicht und die Korrelationsfunktion erfasst
werden und hiermit die dynamischen Eigenschaften von Partikeln eines
Hochkonzentrationsmediums gemessen werden.
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Unter
Verwendung des oben erwähnten
Interferometers mit einer niederkohärenten Lichtquelle kann durch
längeres
Einstellen der Lichtpfadlänge
des Referenzlichtes Streulicht von Partikeln im tieferen Abschnitt eines
Probenmediums gemessen werden. Da jedoch Licht in einem Hochkonzentrationsmedium
stark abfällt, ist
es nicht vorzuziehen, einen so tiefen Abschnitt in einem Probenmedium
auszuwählen.
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Folglich
wird gefordert, einen Standard zum Einstellen eines geeigneten Bereichs
der Lichtpfadlänge des
Referenzlichtes einzurichten, um Streulicht effizient aus einem
Probenmedium zu extrahieren.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, zu belegen, dass bei der
spektralen Messung eines mehrfach streuenden Mediums das Spektrum
des mehrfach streuenden Mediums von der Lichtpfadlänge abhängt und
demnach eine dynamische Lichtstreumesseinrichtung unter Verwendung
des Phasenmodulationsinterferenzverfahrens bereitzustellen, die
im Stande ist, mit hoher Präzision
die dynamischen Eigenschaften eines Hochkonzentrationsmediums basierend
auf dem Streulicht von dem Hochkonzentrationsmedium zu messen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
dynamische Lichtstreumesseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
schließt
eine niederkohärente
Lichtquelle ein, eine Lichtpfadaufteilvorrichtung zum Aufteilen
von Licht von einer niederkohärenten Lichtquelle,
eine Strahlungsvorrichtung zum Abstrahlen eines der durch die Lichtpfadaufteilvorrichtung
geteilten Lichtanteile zu einem Probenmedium, eine Phasenmodulationsvorrichtung
zum Modulieren der Phase des anderen von der Lichtpfadaufteilvorrichtung
aufgeteilten Lichtanteils, eine Spektralmessvorrichtung zum Messen
des Spektrums des Interferenzlichtes zwischen dem phasenmodulierten
Referenzlicht und dem von dem Probenmedium ausgehenden Streulicht,
und einer Analysevorrichtung zum Messen der dynamischen Streuung
von Partikeln des Probenmediums basierend auf dem der Grundfrequenz
des oben erwähnten
Phasenmodulationssignals entsprechenden Spektrums erster Ordnung
entspricht oder einer höheren
Ordnung entsprechend der Frequenz von zwei- oder dreimal der Grundfrequenz,
die in dem durch die Spektralmessvorrichtung gemessenen Interferenzlichtspektrum
erscheint, und die Einrichtung ist gekennzeichnet dadurch, dass
der Betrag s/L, der durch Normieren der Lichtpfadlänge s innerhalb
des Probenmediums durch den mittleren freien Pfad L der Partikel
erhalten wird, festgelegt wird, um nicht größer zu sein als 3.
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Dieser
Aufbau der dynamischen Lichtstreuung der Partikel kann basieren
auf dem Spektrum erster Ordnung gemessen werden, das in der Position
der Frequenz des Phasenmodulationssignals erscheint, dem entsprechenden
Spektrum zweiter Ordnung, das in der Position von zweimal der Frequenz
des Phasenmodulationssignals erscheint, oder dem entsprechenden
Spektrum N-ter-Ordnung (N ist eine ganze Zahl nicht kleiner als
1), das in der Position von N-mal der Frequenz des Phasenmodulationssignals
in dem Interferenzlichtspektrum erscheint.
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In
diesem Fall ist es erforderlich, den Bereich der Lichtpfadlänge s innerhalb
des Abtastmediums festzulegen. Wenn die Lichtpfadlänge s festgelegt
ist, um nicht größer zu sein
als 3-mal die mittlere freie Pfadlänge der Partikel, kann die
Einzelstreuspektrumkomponente effizient aus dem Mehrfachstreuspektrum
des Abtastmediums extrahiert werden, so dass spektrale Messung mit
hoher Präzision
ausgeführt
werden kann. Demnach wird gemäß der vorliegenden
Erfindung der durch Normieren der Lichtpfadlänge s innerhalb des Probenmediums
auf die mittlere freie Pfadlänge
L der Partikel erhaltene Betrag s/L auf nicht größer als 3 beschränkt.
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Es
wird eher vorgezogen, den oben erwähnten Betrag s/L, der durch
Normieren der Lichtpfadlänge
s innerhalb des Probenmediums durch den mittleren freien Pfad L
der Partikel erhalten wird, auf nicht mehr als 2 festzulegen.
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Die
Lichtpfadlänge
s innerhalb des Probenmediums kann durch Abstimmen der Lichtpfadlänge des Referenzlichtes
oder der vorderen und hinteren Position des Probenmediums festgelegt
werden. Beispielsweise kann die Lichtpfadlänge s beliebig festgelegt werden
durch Festlegen der Lichtpfadlänge
des Referenzlichtes bei 0, dass der Lichtpfadlänge s in dem Fall eines reflektierten
Lichts von der Oberfläche
des erfassten Probenmediums entspricht, und darauffolgendes Entfernen
des Lichtpfades des Referenzlichtes oder des Streulichtes von 0.
Die oben erwähnte
Phasenmodulationsvorrichtung zum Modulieren der Phase des Referenzlichtes
kann eine solche sein, die die physikalische Länge des Lichtpfades moduliert.
In diesem Fall ist es erforderlich, die Amplitude der Lichtpfadlängenmodulation
durch die Phasenmodulationsvorrichtung kürzer festzulegen als die Kohärenzlänge der
oben erwähnten
Niederkohärenzlichtquelle.
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Die
oben erwähnte
Phasenmodulationsvorrichtung kann eine solche sein, die ein Spiegel
und ein Vibrationselement zum Vibrierenlassen dieses Spiegels einschließt. Ferner
kann die oben erwähnte
Niederkohärenzlichtquelle
durch eine SLD (Super Luminescent Diode beziehungsweise Super-Lumineszenzdiode)
realisiert werden.
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Eine
dynamische Lichtstreumesseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
schließt
eine Niederkohärenzlichtquelle
ein, eine Lichtpfadaufteilvorrichtung zum Aufteilen des Lichts von
der Niederkohärenzlichtquelle,
eine Bestrahlvorrichtung zum Einstrahlen lassen eines der Lichtanteile,
die durch die Lichtpfadaufteilvorrichtung aufgeteilt worden sind
auf ein Probenmedium, eine Phasenmodulationsvorrichtung zum modulieren
der Phase des anderen der durch die Lichtpfadaufteilungsvorrichtung
geteilten Lichtanteile, eine Spektralmessvorrichtung zum Messen
des Spektrums des Interferenzlichtes zwischen dem phasenmodulierten
Referenzlicht und dem Streulicht, das von dem Probenmedium ausgeht,
und eine Analysevorrichtung zum Messen der dynamischen Streuung
von Partikeln des Probenmediums basierend auf mindestens irgendeiner
Ordnung des der Grundfrequenz entsprechenden Spektrums erster Ordnung
des oben erwähnten
Phasenmodulationssignals oder eines entsprechenden Spektrums höherer Ordnung
der Frequenz gleich dem zwei-, drei-fachen und so weiter der Grundfrequenz,
die in dem von der spektralen Messvorrichtung gemessenen Interferenzlichtspektrum
erscheinen, und die Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass
die Modulationsamplitude der Lichtpfadlänge durch die Phasenmodulationsvorrichtung
festgelegt wird um einen solchen Wert zu haben, dass der Wert der
Bessel-Funktion entsprechend der Ordnung des zu beobachtenden Spektrums
im wesentlichen den Spitzenwert annimmt.
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Wenn
eine vorbestimmte Ordnung des Spektrums, die der Phasenmodulation
entspricht, zu beobachten angefordert wird, repräsentiert eine Fourier-Reihe
die Größe des Spektrums
und die Fourier-Funktion wird repräsentiert durch eine Bessel-
Funktion. Der Wert der Bessel-Funktion wird eine Funktion der Modulationsamplitude
der Lichtpfadlänge.
Daher wird die Modulationsamplitude der Lichtpfadlänge derart
abgestimmt, dass der Wert der Bessel-Funktion im wesentlichen der
Größte wird.
Hierdurch kann die vorbestimmte Ordnung des Spektrums mit geringem
Rauschen beobachtet werden.
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Die
oben erwähnte
Phasenmodulationsvorrichtung kann eine sein, die die Amplitude der
Lichtpfadlänge
durch eine Sinuswelle moduliert.
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Wie
oben erwähnt,
können
durch Messen eines heterodynen Spektrums bzw. Überlagerungsspektrums und Einbringen
von diesem in die theoretische Kurve dynamische Eigenschaften des
Streumediums erfasst werden. Ferner kann durch Beschränken des
Betrags s/L, der durch Normieren der Lichtpfadlänge s innerhalb des Probenmediums
auf die mittlere freie Pfadlänge
L der Partikel auf nicht mehr als 3 erhalten wird, das Einzelstreuspektrum
effizient aus dem Probenmedium extrahiert werden. Als ein Ergebnis
hiervon kann die Breite des Spektrums mit hoher Präzision gemessen
werden und der Partikeldurchmesser des Streumediums kann erfasst
werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt
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1 eine
Strukturansicht einer dynamischen Lichtstreumesseinrichtung unter
Verwendung des Niederkohärenzinterferenzverfahrens
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
Ansicht zum typischen Erläutern
des Lichtpfades eines in ein Lichtstreumedium in einer Probenzelle
eintreffenden Lichts;
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3 eine
Ansicht zum typischen Erläutern
eines Leistungsspektrums P(ω)
des von einem Spektrumanalysator erfassten Interferenzlichtes;
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4 eine
Grafik gemessener Leistungsspektren;
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5 eine
Grafik, in der der durch Dividieren der Pfadlänge s durch den mittleren freien
Pfad L von Partikeln normierte Betrag als Abszisse aufgetragen ist
und die Halbwertsbreite Δf
als Ordinate;
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6 eine
Grafik, in welcher das heterodyne Primärspektrum in einer theoretischen
Kurve aufgezeichnet ist und das homodyne Spektrum zum Vergleich
gezeigt ist;
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7 eine
Grafik, in welcher das heterodyne Primärspektrum auf einer theoretischen
Kurve, die durch die Formel (3) repräsentiert wird, aufgezeichnet
ist; und
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8 eine
Grafik, die erhalten wird durch Messen der Streulichtintensität Is(s) eines durch den Lichtpfad mit der Länge s innerhalb
des Mediums sich ausbreitenden Lichts, normiert durch Dividieren
der Streulichtintensität
Is(s) durch die Lichtintensität Is(o) des in die Zelle eintreffenden Lichts,
und Aufzeichnen desselben in Bezug auf die oben erwähnte normierte
Lichtpfadlänge
s/L.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im folgenden detailliert unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine Aufbauansicht einer dynamischen Lichtstreumesseinrichtung unter
Verwendung eines Michelson-Interferometers
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
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Eine
niederkohärente
Lichtquelle (SLD beziehungsweise Super-Lumineszenzdiode) 2 wird als
Lichtquelle dieser dynamischen Lichtstreumesseinrichtung 1 verwendet.
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Licht
von der niederkohärenten
Lichtquelle 2 tritt durch eine Linse 3 und tritt
in eine optische Faser 4a ein. Nachdem es sich durch die
optische Faser 4a ausgebreitet hat, tritt das Licht in
einen optischen Koppler 5 ein und wird durch den optischen
Koppler 5 in zwei Lichtanteile aufgeteilt. Einer der Lichtanteile
wird durch eine optische Faser 4b geleitet, von einem Kollimator 6 in
paralleles Licht umgeformt und von einem Spiegel 7 reflektiert.
Das reflektierte Licht tritt wieder in die optische Faser 4b ein
und tritt in den optischen Koppler 5 ein. Dieses Licht
wird "Referenzlicht" genannt. Wenn die
Einwegpfadlänge
vom optischen Koppler 5 zum Spiegel 7 als d0 dargestellt wird, ist die Lichtpfadlänge des
Referenzlichtes die Zweiweglichtpfadlänge 2d0 .
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Der
andere Lichtanteil der von dem optischen Koppler 5 aufgeteilten
Lichtanteile verläuft
durch eine optische Faser 4c und wird veranlasst, in ein
Streumedium in eine Probenzelle 9 durch einen Kondensor 10 einzufallen.
Rückwärtsstreulicht
von dem Streumedium verläuft
durch den Kondensor 10 und die optische Faser 4c und
tritt wieder in den optischen Koppler 5 ein. Dieses Licht
wird als "Streulicht" bezeichnet. Wenn
die Einwegepfadlänge
vom optischen Koppler 5 zu der Probenzelle 9 als
d1 dargestellt wird, hat der Lichtpfad des Streulichtes
die Zweiweglichtpfadlänge 2d1 .
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Das
oben erwähnte
Referenzlicht und das in den optischen Koppler 5 eintretende
Streulicht verlaufen durch eine optische Faser 4d und treten
in eine Lichtempfangsdiode (PD; Photodetektor) ein, so dass ein Spektrumanalysator 12 ein
Leistungsspektrum der Interferenzintensität dieser Lichtanteile erfasst.
Dieses Spektrum wird als "Überlagerungs-" bzw. "Heterodynspektrum" bezeichnet. Andererseits
wird ein durch Unterbrechen des Lichtpfades des Referenzlichts und
Erfassen der Intensität
nur des Streulichts erhaltenes Leistungsspektrum als "Homodynspektrum" bezeichnet.
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An
dem oben erwähnten
Spiegel 7 ist ein Vibrationselement 9 angebracht
zum Vibrierenlassen des Spiegels 7 zum Modulieren des Referenzlichtes.
Es wird angenommen, dass der Spiegels 7 durch Vibration des
Vibrationselementes 8 eine Sinusvibration mit der Amplitude Δd und der
Winkelfrequenz ωm erfährt.
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Das
Vibrationselement 8 kann beispielsweise einen piezoelektrischen
Transducer beziehungsweise Schallkopf (PZT) umfassen. Die Modulationsbreite
wird vorzugsweise auf einen Wert festgelegt, der kürzer ist als
die Kohärenzlänge der
niederkohärenten
Lichtquelle 2.
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Hier
wird zuerst angenommen, dass nicht die Niederkohärenzlichtquelle 2 sondern
eine perfekt kohärente
Lichtquelle als Lichtquelle verwendet wird. Das Referenzlicht Er
wird in einer komplexen Darstellung beschrieben als Er
ex [2jkd1+jωt]
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Und
das Streulicht Es wird geschrieben als Es ex
[2jkd2+jωt]
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Er
ist die Amplitude des Referenzlichtes; Es ist die Amplitude des
Streulichts, k ist die Wellenzahl; ω ist die Vibrationsfrequenz
des Lichts; t ist die Zeit und j ist ein Imaginärteil.
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Die
Interferenzlichtintensität
I wird dargestellt als I = |(Er+Es)|2 =
|Er|2 + |Es|2 +
2ErEs cos [2k(d1-d2)]wenn Frequenzmodulation exp[jωmt] dem Referenzlicht Er hinzugefügt wird,
wird die Interferenzlichtintensität I I =
|Er|2 + |Es|2 +
2ErEs cos[2k(d1-d2)+ ωmt],
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Wobei
cos[ ] eine einen Abschnitt repräsentierende
Interferenz ist.
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Als
nächstes
wird eine Niederkohärenzlichtquelle 2 als
Lichtquelle verwendet. Die Kohärenzfunktion der
Niederkohärenzlichtquelle 2 wird
geschrieben als γ(τ). Die oben
erwähnte
Interferenzlichtintensität
I wird wie folgt.
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I = |Er|2+ |Es|2+2ErEs γ (2(d1-d2)/c)
cos [2k(d1-d2) + ωmt]
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Wobei
2(d1-d2)/c die Zeit ist, während
der Licht durch die Differenz zwischen den Lichtpfadlängen des Referenzlichtes
und des Streulichtes sich ausbreitet und diese Zeit wird geschrieben
als t'. I = |Er|2+ |Es|2 +2ErEs γ (t') cos[2k(d1-d2) + ωmt]
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In
dieser Formel wird die den Abschnitt cos[ ] darstellende Interferenz
multipliziert mit der Kohärenzfunktion γ der Niederkohärenzlichtquelle 2.
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Dann
wird angenommen, dass das Streulicht Es eine Zeitschwankung aufweist.
Dieses schwankende Streulicht Es wird dargestellt als Es(t).
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2 ist
eine Ansicht einer typischen Darstellung des Lichtpfades von in
ein Streumedium in einer Probenzelle eintretendem Licht. Das Licht
wird durch Partikel in dem Streumedium mehrfach gestreut. Der Lichtpfad
des Streulichtes wird als s geschrieben. Da das Licht mehrfach gestreut
wird, ist der Lichtpfad s des sich im Streumedium ausbreitenden
Lichts nicht konstant, sondern kann eine Vielzahl von Werten von
0 bis unendlich annehmen. Wenn die komplexe Amplitude des sich durch
die Lichtpfadlänge
s ~ (s+ds) ausbreitenden Lichts geschrieben wird als Es(t, s)ds,
wird die komplexe Amplitude Es(t) des aus dem Streumedium austretenden
Streulichtes dargestellt durch die Formel Es
(t) = ∫ Es(t,
s)ds (Integrationsbereich s = 0 bis unendlich)
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Die
Zeitkorrelationsfunktion Γ(τ) der Interferenzlichtintensität I wird
betrachtet. < > ist ein Operator,
um den zeitlichen Durchschnitt zu nehmen und * ist ein Komplexkonjugiertenoperator. Γ(τ) = <I(t)I·(t+τ)>
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Wenn
diese Formel entwickelt wird, wird die folgende Formel erhalten
(Integrationsbereich s = 0 bis unendlich).
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In
dieser Formel wird als der zeitliche Mittelwert <Es(t)> =
0 des Streulichtes Es verwendet. Ir stellt die Referenzlichtintensität dar und
Is stellt die Streulichtintensität dar. γ Is(γ)
stellt die Zeitkorrelationsfunktion der Streulichtintensität dar. γEs(τ,s) stellt
die Zeitkorrelationsfunktion der Streulichtamplitude Es(t,s) dar.
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Wenn
die oben erwähnte
Formel (1) Fourier-transformiert wird, kann das Leistungsspektrum
P(ω) der Interferenz
durch die Intensität
I erhalten werden. Das Leistungsspektrum P(ω) der Interferenzlichtintensität I wird
dargestellt durch die folgende Formel (2).
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In
dieser Formel ist ω die
Winkelfrequenz des Lichts; δ (ω) ist die
Deltafunktion; PIs (ω) ist das Leistungsspektrum
der Streulichtintensität
und PEs(ω,s)
ist das normierte Leistungsspektrum der Streulichtamplitude, ausgebreitet
durch die Lichtpfadlänge
s.
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Die
oben erwähnte
Formel (2) stellt das Leistungsspektrum P(ω) dar, wobei der erste Abschnitt
ein Abschnitt entsprechend der Gleichstromkomponente der Zeitkorrelationsfunktion Γ(τ) ist und
ein Wert, der erhalten wird durch Multiplizieren des quadrierten
Wertes der durchschnittlich erfassten Intensität durch die Deltafunktion δ(ω). Der zweite
Abschnitt ist das Leistungsspektrum der gesamten Streulichtintensität, die unabhängig von
der Lichtpfadlänge
des Referenzlichtes ist und immer beobachtet wird: Im Falle der
Mehrfachstreuung wird der zweite Abschnitt gespreizt und ist schwer
zu beobachten.
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Der
dritte Abschnitt γ(t' + s/c) ist die Kohärenzfunktion
der Niederkohärenzlichtquelle 2 und
kann als Deltafunktion δ(t' + s/c) betrachtet
werden, da die Breite klein ist. Das heißt, sie nimmt den Wert 1 an,
wenn s einen solchen Wert hat, dass auf eine Integration über s der
Zusammenhang zwischen der Lichtpfadlängendifferenz (d1-d2) und s
zu t' + s/c = 0
wird, und nimmt den Wert 0 an, wenn s irgend ein Wert ist mit Ausnahme dieses
Wertes. Demnach ist es möglich,
das Leistungsspektrum der Intensität des Streulichtes mit einer
kürzeren
Pfadlängendifferenz
in Bezug auf das Referenzlicht als die Kohärenzlänge der Lichtquelle zu extrahieren.
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Als
ein Ergebnis von Fourier-Entwicklung wird in dem dritten Abschnitt
die Bessel-Funktion Jq(kΔd) als
ein Faktor multipliziert. k ist die Wellenzahl und q ist die Ordnungszahl
der Bessel-Funktion. q nimmt Werte an wie zum Beispiel q = 0, 1,
2, ....
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In
der oben erwähnten
Formel (2) ist es, da die Mittelfrequenz des Leistungsspektrums
entsprechend jeder Ordnungszahl von der Frequenz 0 um einen Betrag
der modulierten Frequenz des Referenzlichtes ± q ωm verschoben
ist, möglich,
das Leistungsspektrum der Intensität des Streulichtes mit einer
kürzeren
Pfadlängendifferenz
in Bezug auf das Referenzlicht als die Kohärenzlänge der Lichtquelle zu messen,
wenn die modulierte Frequenz ein ωm ausreichend
größer ist
als der Bandbereich des Streulichtspektrums.
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3 ist
einer Ansicht einer üblichen
Darstellung eines Leistungsspektrums P (ω) der durch die Formel (2)
dargestellten Interferenzlichtintensität, in welchem die Gleichstromkomponente
der Zeitkorrelationsfunktion des ersten Abschnittes der Formel (2)
an der Position der Frequenz ω =
0 erscheint. Das Leistungsspektrum der gesamten Streulichtintensität des zweiten
Abschnittes ist verteilt mit der Frequenz 0 als Zentrum. Dies ist
durch eine Voll-Linie in 3 gezeigt.
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Das
Leistungsspektrum der Intensität
des Streulichtes mit einer kürzeren
Pfadlängendifferenz
in Bezug auf das Referenzlicht als die Kohärenzlänge der Lichtquelle jeder Ordnungszahl
des dritten Abschnitts ist in unterbrochener Linie dargestellt.
Es gibt das Spektrum 0-ter Ordnung (0. Ordnung) in der Nähe der Position der
Frequenz 0, das Spektrum erster Ordnung (1. Ordnung) in der Position
der Frequenz ωm, das Spektrum zweiter Ordnung (2. Ordnung)
in der Position der Frequenz 2ωm, das Spektrum der -1. Ordnung in der Position der
Frequenz -ωm und so weiter.
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Wenn
der Spiegel 7 nicht vibriert, ist das von dem Spektrumanalysator 12 erfasste
Leistungsspektrum des Interferenzlichtes derart, wie das erhaltene
wenn ωm in der Formel (2) zu 0 gemacht wird. Das
heißt,
in der Grafik der 3, das Spektrum hat dieselbe
Form des Streulichtspektrums des in unterbrochener Linie dargestellten
dritten Abschnittes mit anderen Spektren als dem der 0-ten Ordnung
weggelassen.
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Durch
Vibrierenlassen des Spiegels 7 bei der Frequenz wm erscheinen das Streulichtspektrum erster Ordnung,
das Streulichtspektrum zweiter Ordnung und so weiter.
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Die
Größe dieses
Streulichtspektrums steht im Verhältnis zum Wert der Bessel-Funktion
Jq (kΔd),
wie aus dem dritten Abschnitt der Formel (2) ersichtlich. Wenn demnach
die Messung unter einer solchen Bedingung ausgeführt wird, dass der Wert der
Bessel-Funktion Jq (kΔd)
so groß wie
möglich
wird, kann das Streulichtspektrum früh beobachtet werden. Wenn beispielsweise
gewünscht
wird, das Streulichtspektrum erster Ordnung klar zu beobachten,
wird Δd
derart festgelegt, dass der Wert J1(kΔd) groß wird.
Hierdurch erscheint das Streulichtspektrum erster Ordnung groß ohne in
Rauschanteile eingebettet zu sein und folglich können Beobachtungsfehler reduziert
werden.
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Obwohl
oben Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist die vorliegende
Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise
kann eine andere Art von Interferometer als das Michelson-Interferometer
verwendet werden. Ferner kann statt eines eine optische Faser verwendenden
Interferometers ebenfalls ein Raumteilungs-Interferometer verwendet
werden. Eine Vielzahl anderer und weiterer Modifikationen können innerhalb
des Bereichs der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden.
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<BEISPIEL>
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Das
Leistungsspektrumsdiagramm wurde unter Verwendung einer dynamischen
Lichtstreumesseinrichtung 1 gemessen, die in 1 gezeigt
ist.
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Probenzellen 9 waren
jeweils mit suspendierten Wasserlösungen von Polystyren-Latex
gefüllt.
Die Partikeldurchmesser des Polystyren-Latex waren 450nm, 1090nm
beziehungsweise 3040nm. Die Konzentrationen waren jeweils 1 bis
10 % des Volumenanteils, um ein eher dickes Medium zu bereiten.
Der mittlere freie Pfad der Partikel im Medium wurde als L dargestellt.
L ist eine Funktion der Konzentration aber jedes L wurde durch Abgleichen
der Konzentration jeder Lösung
zu L = 84 μm
gemacht.
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Eine
Niederkohärenzlichtquelle 2 der
Wellenlänge
811 nm mit einer Wellenlängenschwankung
von 48 nm und der Kohärenzlänge von
30 μm (ein
SLD der Produktnummer L8414-04, hergestellt von HAMAMATU photonics
Co. Ltd.) wurde verwendet. Die Frequenz fm der Sinusschwingung des
Spiegels war 2000Hz und die Amplitude Δd davon war 0,18μm.
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4 ist
eine Grafik zum Zeigen der gemessenen Leistungsspektren. In dieser
Figur sind ein Heterodynspektrum (in einer Voll-Linie) gezeigt im
Falle des Vornehmens von Vibration des Spiegels, ein Heterodynspektrum
(in einer unterbrochenen Linie) im Falle des Messens mit festgehaltenem
Spiegel, und ein Homodynspektrum (in einer punktierten Linie; entsprechend
dem zweiten Abschnitt der 3) in dem
Fall der Messung mit eliminiertem Referenzlicht.
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In
dem Heterodynspektrum (in einer Voll-Linie) im Fall des Vornehmens
von Modulation erscheint das Spektrum erster Ordnung. Einer Halbwertbreite Δf dieses
Spektrums erster Ordnung wurde gemessen.
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Die
Lichtpfadlänge
s innerhalb des Mediums wurde basierend auf dem Abstand des Spiegelversatzes gemessen.
Wenn die Position des Spiegels, an welchem das reflektierte Licht
von der Glasoberfläche
der Probenzelle 9 erfasst wird, als 0 angesehen wird, ist
die Lichtpfadlänge
s zweimal der Abstand des Versatzes des Spiegels von dieser Position
0. Andernfalls können
die vordere und hintere Position des Abtastmediums angeglichen werden.
Aufgetragen wurde der Betrag normiert durch Dividieren der Lichtpfadlänge s durch
die mittlere freie Pfadlänge
L eines Partikels als Abszisse und die Halbwertsbreite Δf als Ordinate
zum Erhalten der Grafik der 5. In 5 zeigen
die schwarzen runden Punkte, die Quadrate und die Dreiecke Daten
der Proben der Partikeldurchmesser von 450nm, 1090nm beziehungsweise
3040nm.
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Welchen
Partikeldurchmesser das Partikel auch immer hatte, die Neigung der
Halbwertbreite Δf
in Bezug auf eine Änderung
der normierten Lichtpfadlänge
s/L wurde nicht beobachtet, solange s/L innerhalb von 3 lag. Wenn
diese Messung durch die Mehrfachstreuung beeinflusst war, galt,
dass je länger
die normierte Lichtpfadlänge
s/L wurde, umso größer die
Halbwertsbreite Δf
werden musste. Demnach belegt es, dass diese Messung nicht durch
Mehrfachstreuung beeinflusst war, solange die Lichtpfadlänge s/L
innerhalb von 3 lag. Jedoch wird angenommen, dass die Halbwertsbreite Δf groß wird,
wenn die Lichtpfadlänge
s/L jenseits von 3 liegt.
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Diese
Grafik der Messung des Heterodynspektrums ist versucht, mit der
theoretischen Kurve der Einzelstreuung übereinzustimmen. In dem Fall
des Einzelstreumodells verlässt
in die Zelle eintretendes Licht sie nach nur einem Auftreffen auf
Partikel im Medium. Wenn die Diffusionskonstante als D geschrieben
wird (diese wird eine Funktion des Partikeldurchmessers); der Streuvektor
als q; die Streulichtintensität
als I und das Leistungsspektrum P1(ω), wird die theoretische Kurve
des Leistungsspektrums P1(ω)
dargestellt durch die folgende Formel (3). Die hinzugefügte Ziffer
1 in der Formel (3) stellt dar, dass sich es sich hierbei um das
Sektrum erster Ordnung handelt.
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Ferner
wird die Spreizung der Frequenz Δf
s dargestellt als Δf s = D q2/2π
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6 ist
eine Grafik, in welcher das Heterodynspektrum erster Ordnung in
der Nähe
der Position s = 0 gemessen (in der Nähe der Oberfläche der
Zelle) aufgezeichnet ist auf die theoretische Kurve, die durch die Formel
(3) dargestellt wird. Das Homodynspektrum wird zum Vergleich in
runden Punkten dargestellt. Das Homodynspektrum spreizt mehr im
Vergleich zum Hetorodynspektrum. Dies ist dadurch bedingt, dass
das Spektrum als ein Ergebnis von Mehrfachstreuung spreizt. Es wird
beobachtet, dass das Heterodynspektrum eng und gut übereinstimmt
mit der theoretischen Kurve.
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7 ist
eine Grafik zum Zeigen des Messergebnisses des Heterodynspektrums
beim Ändern
des Partikeldurchmessers. In dieser Fig. sind die Heterodynspektren
der Proben der Partikeldurchmesser 450nm, 1090nm und 3040nm mit
schwarzen Kreisen, Quadraten bzw. Dreiecken jeweils in dieser Reihenfolge
aufgezeichnet. Das gemessene Spektrum erster Ordnung passt gut zu
der theoretischen Kurve des Einzelstreulichts zum Belegen, dass
diese Messmethode Einflüsse
durch Mehrfachstreuung ausschließen kann.
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Ferner
ist 8 eine Grafik, die durch Messen der Streulichtintensität Is(s) eines sich auf dem Lichtpfad mit einer
Länge s
innerhalb des Mediums ausbreitenden Lichts, normiert durch Dividieren
der Streulichtintensität
Is(s) durch die Lichtintensität Is(o) des in die Zelle eintretenden Lichts,
und Aufzeichnen desselben in Bezug auf die oben erwähnte normierte
Lichtpfadlänge
s/L erhalten wird. Jeweilige Is(s)/Is(o) der Proben der Partikeldurchmesser 450nm,
1090nm und 3040nm sind mit schwarzen runden Punkten, Quadraten bzw.
Dreiecken in dieser Reihenfolge dargestellt. Innerhalb des Bereichs,
in welchem s/L nicht größer als
3 ist, stimmt Is(s)/Is(o)
der Probe jedes Partikeldurchmessers mit dem theoretischen Exponential
(in dieser Figur als gerade Linie dargestellt) überein, um zu beweisen, dass
Einflüsse
durch Mehrfachstreuung eliminiert werden konnten. Speziell innerhalb
eines Bereichs, in welchem s/L nicht größer als 2 ist, stimmt Is(s)/Is(o) der Probe
jedes Partikeldurchmessers gut mit dem theoretischen Exponential überein.
