用于颗粒大小和浓度测量的检测方案的制作方法
【专利摘要】本发明提供颗粒大小和浓度测量的系统和方法，该方法包括以下步骤：提供聚焦合成结构化激光束，使该光束与颗粒相互作用，测量相互作用信号和光束与颗粒单位时间的相互作用数，以及利用算法来将相互作用信号映射到颗粒大小并将单位时间的相互作用数映射到浓度。
【专利说明】用于颗粒大小和浓度测量的检测方案
【技术领域】
[0001]本发明涉及测量颗粒大小和浓度的领域。更具体地说，涉及使用光学方法来测量颗粒大小和浓度。
【背景技术】
[0002]存在 用于颗粒大小和浓度分析(PSA)的许多技术，它们可以在Terry Alan写的书籍“Introduction to Particle Size Analysis，，T.Allen, Particle size analysis Johnffiley&Sons ；ISBN:0471262218 June, 1983中回顾。最常用的技术是光学的，其基于测量到的颗粒与激光辐射的相互作用。特别地，当接近大约I微米和以下的颗粒大小范围时，因为颗粒的折射率的实部和虚部的影响，这些技术中的大多数遭受不准确性。例如，已知的是，在某些技术中，如基于夫琅和费谱线衍射分析的技术，吸收光的颗粒因吸收而产生的能量损失将导致尺寸过大，而在高浓度中，颗粒将因二次散射等而将导致尺寸过小。
[0003]对这些问题较不敏感的光学技术被已知为渡越时间(Time of Transition)或TOT。在该技术中，在时域而非幅度域来分析扫描的聚焦激光束和颗粒的相互作用，从而导致对折射率变化的低灵敏性。该技术的详细描述发表于论文“Improvements inAccuracy and Speed Using the Time-of-Transition Method and Dynamic ImageAnalysis For Particle Sizing by Bruce Weiner, Walter Tscharnuter, and NirKarasikov，，，[Particle Size Distribution III !Assessment and Characterization ；Editor(s):Theodore Provderl ；Volume 693,Publication Date(Print):JunelO, 1998 ;Copyright ? 1998American Chemical Society]。很多大程度上,在该技术中，来自相互作用信号的已知激光束轮廓的去卷积算法导出该大小。由聚焦激光束的已知体积内的每单位时间相互作用数导出浓度。
[0004]在TOT技术中，颗粒与聚焦扫描激光束相互作用。为了测量较小的颗粒，使用较小的聚焦点。然而，根据针对高斯激光束的衍射定律，如果光束的腰为D，则该光束的发散性与λ/D成比例，其中，λ是激光的波长。用于分辨小颗粒至焦点体积的能力与测量浓度时的准确性之间的折中是显见的。因而，如果TOT技术的目标是，解析并测量微米和亚微米范围的颗粒，则因为瞬时焦点体积小并且颗粒的相互作用率低，在测量低浓度的能力方面受限。在另一方面，采用更大的斑点将提高浓度测量率，但将使大小分析的质量和分辨率劣化。
[0005]可以利用较短波长可以实现改进。因为太短的波长将导致激光被光学装置吸收，所以这仅可以具有最多成为2倍的有限效果，而且在颗粒处于液体中的情况下，激光还被液体吸收。
[0006]本发明人以前的发明(US7746469)引入了用于在两个矛盾需求之间解耦的新技术和装置:分辨小颗粒的能力，和使用基于利用结构化激光束的单颗粒相互作用的测量结果来测量低浓度的能力。
[0007]因此，本发明的一目的是，提供这样的新检测方案，即，其由于相互作用信号对于颗粒直径的较低依赖性而提供较高灵敏度。[0008]本发明的另一目的是，提供这样的新检测方案，S卩，由于固有的光噪声滤波而提供测量更高颗粒浓度的能力。
[0009]本发明的另一目的是，提供这样的新检测方案，S卩，提供根据颗粒沿正向散射和后向散射这两者中的相互作用信号来表征颗粒的能力。
[0010]本发明进一步的目的和优点将随着本描述的进行而呈现。
【发明内容】
[0011]本发明提供了一种颗粒尺寸和浓度测量的系统和方法，其包括以下步骤:提供聚焦合成结构化激光束，使该光束与颗粒相互作用，测量相互作用信号和光束与颗粒的单位时间的相互作用数，以及利用算法来将相互作用信号映射到颗粒大小并将单位时间的相互作用数映射到浓度。
[0012]该颗粒可以在流体承载、气体承载，或者表面上，并且具有范围从亚微米至几千微米的大小。在本发明优选实施方式中，聚焦合成结构化激光束是暗光束。
[0013]可以通过在高斯激光束上采用掩模、通过直接修改激光腔、通过组合来自数个激光器的光束，或者通过对激光束的其它操纵(如在干涉测量或偏振修改方案中)来生成该结构化光束。该测量可以利用与扫描光束(包括暗场)的相互作用的持续时间来进行。本发明还提供了一种用于颗粒大小和浓度测量的系统。
[0014]具有不利用任何运动部件来扫描光束的优点的另选方案是使颗粒经过聚焦激光束的焦点区域。
[0015]本发明的其它方面涉及改进检测方案，该方案能够根据正向和后向散射来进行更好颗粒表征，检测颗粒荧光以及测量颗粒速度。
[0016]本发明引入了新检测方案，该方案提供:因相互作用信号对颗粒直径的较低依赖性(更加低于如亚波长颗粒的常规散射的r~4至r~6)得到的较高灵敏度；由于固有光噪声过滤而得到的测量较高颗粒浓度的能力；通过颗粒沿正向散射和后向散射这两者的相互作用信号来表征颗粒的能力，例如，区分在液体中流动的气泡与颗粒；测量来自颗粒的荧光的能力；以及测量颗粒的速度的能力。后者使得实现无扫描器系统，其中，颗粒按已知速度流动或者各颗粒的速度被固有地测量。
[0017]本发明为一种颗粒监测系统，该系统包括:生成高斯光束的激光器；用于将所述高斯激光束转换成结构化暗光束的装置；聚焦透镜，该聚焦透镜将暗光束聚焦到运动通过照明暗光束的颗粒上；以及两个检测器。两个检测器中的一个检测器相对于暗光束的各强度波瓣定位。
[0018]本发明的颗粒监测系统被设置成使得颗粒在相对于暗光束的方向的90度角的方向运动通过照明暗光束。
[0019]按下列方式中的至少一个方式记录来自所述两个检测器的信号:
[0020]a)作为单独信号；
[0021]b)作为所述两个检测器信号的差分信号；以及
[0022]c)作为两个检测器信号的和。
[0023]本发明的颗粒监测系统的实施方式包括分束器和在暗光束的暗线的垂直方向上定向的第二组检测器。[0024]本发明的颗粒监测系统的实施方式包括分束器和第三检测器，该第三检测器被设置成允许同时测量来自所述颗粒的后向散射辐射。
[0025]参照附图，通过下面对本发明实施方式的例示性且非限制性描述，本发明的所有上述和其它特征以及优点将进一步变清楚。在图中，有时使用相同数字来指示不同图中的相同部件。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1示意性地示出了颗粒监测系统的实施方式；
[0027]图2示出了图1的系统的检测器相对于照明暗光束模式的定位；
[0028]图3(a)和图3(b)示出了由图1的系统中的两个检测器测量的典型信号；
[0029]图4是示出由图1的系统的两个检测器针对水中的气泡和胶乳颗粒检测的信号的一半的散射模拟；
[0030]图5示出了随着不同大小的颗粒从中心向外移动，针对来自图1的两个检测器的信号之间的差异的模拟(simulated)信号；
[0031]图6示意性地示出了图1的检测器系统的实施方式，其已经被修改成还允许测量来自颗粒的向后散射辐射；
[0032]图7示出了本发明可以怎样用于通过聚类来分类的示例；
[0033]图8示出了利用无监督学习方法来进行多维聚类的示例；
[0034]图9示意性地示出了暗光束的轮廓；
[0035]图1OA示出了存在噪声时针对三个照明光束结构的两个检测器信号的差分信号和抑制常见噪声时暗光束的优点；
[0036]图出了针对和图1OA中相同的三个照明光束结构的两个检测器信号的求和
信号;
[0037]图11是示出与斑点大小的一半相对应的、相互作用信号中的两个肩部的画面截图；以及
[0038]图12示出了在本发明的系统的实施方式中，检测器相对于照明暗光束模式的定位，该系统包括第二组两个正向检测器，和沿垂直于该暗光束的暗线的方向定向的分束器。
【具体实施方式】
[0039]图1示意性地示出了颗粒监测系统的实施方式。图1所示的系统包括:生成高斯光束的激光器(I);准直透镜(2);用于将高斯激光束转换成结构化暗光束的相位掩模；聚焦透镜(4)，其将暗光束聚焦在比色皿(5)内，包含颗粒(6)的水通过该比色皿(5)沿箭头方向流动；以及两个检测器(7)和(8)。应注意到，在气载颗粒的情况下，承载颗粒的气流不需要被限制在比色皿内。图2示出了检测器相对于照明暗光束模式的定位。在该实施方式中，一个检测器相对于(over)原始暗光束的每个强度波瓣定位。随着颗粒经过光束，输出强度模式被修改并且检测器感测该变化。可以通过将检测器对准至暗光束的最大强度梯度来针对灵敏度优化检测器间隔。出于不同分析目的，该检测器信号可以被记录为:
[0040]a)单独的信号；
[0041]b)作为所述两个检测器的差分信号；以及[0042]c)作为所述两个检测器信号的和。
[0043]在另一实施方式中，使用了第二组两个正向检测器，经由沿垂直于暗光束的暗线的方向的分束器。这两个检测器相对于光束大小是较大的，并且积分总光束强度。图12示出了在这个实施方式中相对于照明暗光束模式定位第二组检测器，通过检查来自这两个检测器的信号的对称性，可以导出一颗粒是否已经沿其直径(信号等同)或者沿弦(信号不同)经过聚焦区域，以及有关颗粒大小的重要信息，例如相互作用的宽度或该信号中的调制的深度。这两个信号的定时还提供了有关颗粒流方向的对准和其成层状并且垂直于光学轴到什么程度的信息。
[0044]图3(a)和图3(b)示出了由图1的系统中的两个检测器测量的典型信号。在这些图中，由检测器1(7)测量的信号用数字(10)标识，而由检测器2(8)测量的信号用于数字
(12)标识。为了适当的信号解释，必需确认颗粒沿焦平面经过光束。根据本发明，，如图3a所示，当颗粒在焦点处经过光束时，两个检测器的信号同时出现。如果该颗粒不沿着焦平面经过，则如图3b所示，一个检测器信号相对于另一检测器信号延迟。该移位方向还确定颗粒是在焦点之前还是之后经过光束。应注意到，该信号的形状表示固有颗粒特征。
[0045]因为检测器信号定性地表示干涉响应，所以它们对通过运动的颗粒引起的相位调制起反应。由此，作为一示例，具有比周围介质大的折射率的颗粒(例如，水中的胶乳)将首先在检测器I中感生负信号并且在检测器2中感生正信号，而具有比该介质小的折射率的颗粒(水中的气泡)将生成相反的信号。应注意到，主要特征是相反的信号。通过改变检测器次序，可以颠倒正/负。图4以图形形式示出了模拟信号的一半，其示出针对水中的气泡和胶乳颗粒、检测器输出与颗粒移动距离的关系。结果，可以辨别气泡与颗粒。在该图中，曲线(14)示出了针对水中空气的、来自传感器I的信号；曲线(16)示出了针对水中空气的、来自传感器2的信号；曲线(18)示出了针对水中胶乳的、来自传感器I的信号；而曲线(20)示出了针对水中胶乳的、来自传感器2的信号。
[0046]本发明的另一重要方面是，信号强度对颗粒半径!具有较低依赖性的检测方案。根据经典散射理论，散射的能量根据r~4甚或r~6进行表现，而在本发明中，信号是相移的结果，并且r依赖性处于r~2至r~4之间。图5是示出差分信号的依赖性的模拟的示例，即，针对从图2所示的暗光束模式中心移出的三种不同大小的颗粒(r = 50nm-点线；r =IOOnm-实线；r = 200nm-短划线)的、两个检测器的信号之间的差异。由本发明提供的相对于相关技术的优点是，对检测器动态范围的较低需求和较简单的检测方案。使检测器具有动态范围1:10000至1:1000000的挑战(如根据瑞利来检测0.1至I微米范围内的颗粒所需的)是熟悉本领域的任何人所清楚的。
[0047]对于通常大于斑点大小的颗粒来说，在两个检测器上的强度将达到平稳段并且测量参数将为检测器求和宽度，其与颗粒大小成比例。
[0048]图6示意性地示出了图1的检测器系统的实施方式，其已经被修改成允许测量来自颗粒的向后散射辐射。如上在本文中针对图1说明的，该安装添加了分束器(24)、会聚透镜(26)、针孔，以及后向散射检测器(30)。来自聚焦透镜(4)焦点的颗粒(6)的后向散射辐射被聚焦透镜(4)聚集、准直、被分束器(24)反射，并且经由会聚透镜(26)引导，该会聚透镜将辐射通过针孔(28)聚焦到后向散射检测器(30)上。另外，如激光器输出的类型可能需要的，在激光器(I)与准直透镜(2)之间添加了另一透镜(32)，以使透镜(32)和(2)一起充当扩束器(34)。
[0049]在本发明中，后向散射检测器具有四个角色:
[0050].后向散射检测器(30)的显见用途是在共焦检测方案中验证与颗粒的相互作用确实被聚焦。
[0051].提供附加大小信息，其中，对于小于暗斑点的颗粒来说，暗光束调制与颗粒大小成反比。另一方面，对于大于暗斑点并且以恒定速度运动的颗粒来说，相互作用持续时间与颗粒大小成比例。
[0052]?后向散射相互作用基于相互作用指纹的精细细节(其可以包括反射特性)，添加了用于在颗粒组中进行区分的另一维度。
[0053].后向散射检测器可以检测由照明光束生成的荧光。在该申请中，分束器(24)用分色镜代替，其将荧光反射至BS检测器。与利用正向检测器检测并行地测量荧光的能力在用荧光染色对颗粒群进行了染色的情况下，添加了强大的分类工具。这非常适用于藻类，以帮助表征藻类类型，或者检测致病生物。
[0054]分束器和分色镜的组合允许用两个后向散射检测器来检测后向散射光和荧光。
[0055]两个正向信号和可选的后向散射信号(具有和没有荧光)是与高分辨率激光聚焦光束的单颗粒相互作用。这些相互作用充当高分辨率一维扫描激光显微镜，并且提供有关颗粒基础结构的大量信息。该信息可以被用于表征特定颗粒。相同大小但内部结构不同的颗粒将具有相同相互作用宽度，但内部相互作用脉冲表现不同而是像颗粒的“指纹”。图7中示出了本发明可以怎样用于针对藻类通过聚类来分类的示例。
[0056] 图7示出了采用二维特征空间的数据。针对三种不同类型的藻类获取了一组相互作用:小球藻(Chlorella)、四面体藻(Tetrahedron)以及盘星藻(Pediastrum)(在图中分别用X、+，以及*来指示)。对相互作用信号应用验证过滤器，包括两个通道的对称性、相互作用上升时间，及其其它。验证过滤器保证相互作用处于暗光束的焦点区域中。利用过滤器的不同子集进行测试，但图7呈现了当应用了全部验证过滤器时的数据。从满足验证过滤器的相互作用提取特征，并且示出了不同类型藻类的聚类。
[0057]尽管特征空间是多维的，但图7呈现了 2D散射图，其中，X轴是以微秒为单位的相互作用脉冲宽度，而Y轴是通过检测器检测到的、每相互作用的最大信号。在该2D表述中，已经存在不同藻类类型的清楚分组。为帮助指明该分组，在图中描画了椭圆，以指示这些组之间的边界。在该2D表示图中，仍存在某些交叠，该交叠可以在多维特征空间中减小。接着，在多维空间中，使用人工智能聚类技术，以标识该边界。
[0058]应用该机制使得当建立已知藻类群时，就可以监测例如被藻类污染的水，并且检测混合物中是否呈现遵守该群的藻类。这将给出有关藻类种群的实时信息，并且对尝试减少藻类种群的任何处理进行反馈。
[0059]虽然在此针对藻类展示了本发明的能力，但其可以与其在此描述的所有检测选项一起使用，以针对其它事件训练该系统，如致病生物，并且在出现遵守所述生物群的事件时，触发警告信号。针对指纹引出该类推，其中，属于同一组的对象在特征空间中将具有共性，并且可以按根据人的指纹来标识人的相同方式利用该共性来进行标识。
[0060]可以利用人工智能工具将通过聚类方法来分类扩展至多维空间，以向该系统教导特定事件的性质，并接着针对这种事件的存在性进行监测。[0061]本发明一个实施方式是，通过无监督的学习来聚类检测器信号(请访问http://WWW.autonlab.0rg/tutorials/以获得Andrew的数据挖掘教程的库)。图8示出了利用无监督的学习方法来进行多维聚类的示例。
[0062]图1和图6的测量系统可以被用于测量运动通过比色皿的颗粒的固有速度。因为相互作用信号持续时间与颗粒速度成反比，所以这是可能的。虽然在某些构造中，可以实现恒定且已知的速度，但本发明的更一般方法是，根据相互作用信号中的固有信息来提取速度信息。这通过将暗光束的轮廓(图9中示意性地示出)考虑在内来进行的。光束分布模式的波瓣的强度峰值之间的距离等于W0*2~0.5，其中，WO是高斯腰。该值是已知的，并因此可以用于测量经过颗粒速度，而使用调制深度来提取大小信息。这对于小颗粒来说适用，其中，颗粒的“透镜效应”可忽略。对于较大颗粒来说，如图11所示，相互作用信号中存在在与斑点大小的一半相对应的2个肩部。
[0063]许多颗粒监测应用特征在于有掺杂有稍大颗粒的、大量的很小颗粒。示例可以是胶质；CMP灰浆；结晶过程以及更多。与主浓度相比，稍大颗粒的尾部浓度(tailconcentration)的比率可以小了 10~6:1左右。现今技术发展水平的仪器仪表实际上看不到这些小浓度。虽然小并且对测量有挑战性，但这种小尾部在CMP或其它过程的情况下可能导致破坏和擦伤。本发明提供了用于测量这种尾部中的比10~6:1小的浓度的能力。选择斑点大小使得总体中的主要部分被滤出并且成为背景噪声，同时将较大颗粒示出为清楚的相互作用。
[0064]基于暗光束照明结合将检测器信号记录为两个检测器的差分信号，本发明对于背景噪声来说鲁棒性极其高，并且可以帮助检测高电平的背景噪声。通过图10Α和图10Β中呈现的模拟例示了这种鲁棒性。图10Α针对三种照明光束结构，按任意比例尺示出了差分信号，同时200nm颗粒从中心经过光束:高斯(短划线)、高斯_拉盖尔(Gauss-Laguerre),以及暗光束(点线)。图10B类似于图10A，但用于两个检测器信号的和。该模拟是在包含10%总照明功率的半动态噪声下进行，并且该模拟中的其它光学参数如下:
[0065].NA = 0.125
[0066].λ = 400nm
[0067]在图10A中，与针对其它两个光束结构的信号相比，针对暗光束获得了高达二倍的信号。该曲线的符号差异不重要而是依赖于检测器相对于颗粒方向在减法中的次序。
[0068]要记住的是，与高斯光束相比暗光束的斑点和景深越大，对于实现对比点更小的颗粒的有效测量，噪声免疫力就更加明显。与求和构造(图10B)相比，差分构造(图10A)的减少噪声的显著优点是显见的。
[0069]在实际测量中，基于本发明的测量装置能够检测较大颗粒的尾部，与较小颗粒的主体相比，其浓度在浓度上小了 10~6倍。
[0070]尽管本发明的实施方式已经通过例示进行了描述，但应当明白，在不超出权利要求的范围的情况下，可以利用许多变型例、修改例，以及改变例来执行本发明。
【权利要求】
1.一种颗粒监测系统，该颗粒监测系统包括:生成高斯光束的激光器；用于将所述高斯激光束转换成结构化暗光束的装置；聚焦透镜，该聚焦透镜将所述暗光束聚焦到运动通过所述照明暗光束的颗粒上；以及两个检测器，其中，所述两个检测器中的一个检测器相对于所述暗光束的各强度波瓣定位。
2.根据权利要求1所述的颗粒监测系统，其中，所述颗粒在相对于所述暗光束的方向成90度角的方向运动通过所述照明暗光束。
3.根据权利要求1所述的颗粒监测系统，其中，按下列方式中的至少一个方式记录来自所述两个检测器的信号: a)作为单独信号； b)作为所述两个检测器信号的差分信号；以及 c)作为所述两个检测器信号的和。
4.根据权利要求1所述的颗粒监测系统，所述颗粒监测系统包括分束器和在所述暗光束的暗线的垂直方向上定向的第二组检测器。
5.根据权利要求1所述的颗粒监测系统，所述颗粒监测系统包括分束器和第三检测器，该第三检测器被设置成允许同时测量来自所述颗粒的后向散射辐射。
【文档编号】G01N15/14GK103959039SQ201280059154
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年11月29日 优先权日:2011年12月1日
【发明者】J·沙米尔 申请人:P.M.L.离子监测装置有限公司