本发明涉及一种用于对单独流体承载颗粒进行检测和/或形态分析的方法和设备。本发明特别地涉及一种用于通过时间分辨多像素光散射来对单独流体承载颗粒(例如，空气承载颗粒或液体承载颗粒)进行检测和/或形态分析的方法和设备。
背景技术：
本发明特别地但不完全地涉及如下领域：危险性流体承载颗粒的检测和/或分析、空气或水污染检测、空气或水的生物污染和/或化学污染检测和/或空气承载过敏原检测。例如，不同类型的气溶胶的浓度在大气中不断增加，而这正成为一个愈加重要的议题。它们对气候变化和空气质量的具体影响仍然还是未知数。此外，近来还出现了诸如采用生物颗粒作为大规模破坏性武器的生物恐怖主义之类的新型安全威胁。因此，市场上极其需要可靠性强、性价比高、检测速度快且辨别能力出色的气溶胶和/或水污染检测器。
特定种类的气溶胶颗粒(如花粉和孢子)对人体健康有相当大的危害。根据统计分析，它们中的一些给约20％的欧洲人口带来了健康威胁，比如让他们患上过敏症。
这些颗粒的计数仍然主要是在显微镜下手动完成。空气承载颗粒的大小范围涵盖了几微米到几百微米，这让颗粒的检测和识别变得更加困难。
现有用于检测空气承载颗粒的测量设备和方法，这些设备和方法允许基于对单独颗粒所散射的光的测量来估计气溶胶中包含的颗粒的大小。这些设备和方法采用了指向空气流的光源(激光器、激光二极管、led等)，并且还采用了用于在较大角度上收集由单独空气承载颗粒散射的光的光电检测器(或者在某些情况下是多个检测器或阵列检测器(1d或2d))，以便在不同方向上独立地从颗粒收集散射光。所收集的散射光提供了空气承载颗粒的静态表示。单个检测器设备仅能非常受限地确定单个颗粒的形态和表面结构，而具有多个检测器或阵列检测器的设备通常能更精确地确定这些参数。
然而，可从颗粒的静态图片获得的与颗粒形态和表面结构有关的信息是有限的。因此，需要的是用于对流体承载颗粒进行检测和形态分析的测量设备和方法，这些测量设备和方法能够提供关于流体承载颗粒的动力学的信息。
某些测量设备和方法还能通过确定空气承载颗粒在两个测量点之间的飞行时间，来测量单独空气承载颗粒的速度，其中所述两个测量点沿着空气流彼此相距指定距离。
速度测量允许直接估计出空气动力学颗粒大小，进而提供关于颗粒本身的其他信息。然而，这些测量设备和方法需要使用两个光源和两组光电检测器，这极大地增加了其成本。
技术实现要素：
因此，本发明的目的在于提供一种用于对流体承载颗粒进行检测和/或形态分析的设备和方法，该设备和方法允许以可靠且性价比高的方式确定流体承载颗粒的速度。
本发明的另一个目的在于提供一种用于对流体承载颗粒进行检测和/或形态分析的设备和方法，该设备和方法允许以可靠且性价比高的方式获得与颗粒在流体流中的动态行为有关的信息。
本发明的又一个目的在于提供一种用于对流体承载颗粒进行检测和/或形态分析的设备和方法，该设备和方法允许以性价比高的方式获得关于流体承载颗粒的形态、表面和/或结构的高级和精确信息。
通过根据相应独立权利要求所述的设备和方法来实现这些目的和其他优点。
具体地，通过用于对流体承载颗粒进行检测和/或分析的测量设备来实现这些目的和其他优点，该测量设备包括：用于沿着流体流动路径产生流体流的装置；激光器，其被布置用于在流体流动路径的测量体积中发射激光束；透镜组，其被设置用于收集由流体流中包含的流体承载颗粒在测量体积中所散射的激光；光电检测器，其被设置用于检测由透镜组收集的散射激光，其中透镜组配置为在透镜组(3)的焦距(f2)处将散射光聚焦成线，所述线横切优选地垂直于所述测量体积中流体流的流动方向(y)；光电检测器是用于捕获由透镜组聚焦的激光的线型多像素检测器，其中所述线型多像素检测器定位在距离透镜组的焦距一定距离处并且被定向为其纵向轴线与所述线平行。
在实施例中，用于产生流体流的装置是喷嘴，该喷嘴用于产生具有超过喷嘴的流动路径的空气层流。
在其他实施例中，用于产生流体流的装置包括管，该管用于产生具有沿所述管的流动路径的液体流。
在实施例中，透镜组配置为通过在平行于流动方向的方向上聚焦散射光线来将散射光聚焦成线，并使散射光线在垂直于流动方向的平面中彼此平行。
在实施例中，激光器配置为发射在流动方向上偏振的激光束。可选地，本发明的设备然后包括定位在激光器与测量体积之间的激光束路径中的激光束线性偏振器，从而仅允许在流动方向上线性偏振的激光到达测量体积。
在实施例中，透镜组包括平凸柱面光学透镜，该平凸柱面光学透镜定位成在平行于流动方向的方向上聚焦散射光线，并使散射光线在垂直于流动方向的方向上保持不变。
在实施例中，透镜组还包括定位在测量体积与柱面光学透镜之间的平凸球面光学透镜，使得平凸球面光学透镜的焦点位于测量体积中。
在实施例中，测量设备还包括定位在平凸球面光学透镜与平凸柱面光学透镜之间的散射光线性偏振器，用于仅保持来自由平凸球面光学透镜所收集的散射光的平行分量光。
在实施例中，测量设备还包括定位在平凸球面光学透镜与平凸柱面光学透镜之间的第一光阑，用于避免平凸球面激光和柱面光学透镜的范围效应和/或用于避免寄生光被平凸柱面光学透镜收集。
在实施例中，光电检测器配置为以比由测量设备所测量的最小大小的单独流体承载颗粒穿过测量体积的时间短至少十倍的采样间隔，对由透镜组聚焦的激光进行采样。例如，采样间隔比流体在测量体积中的行进时间短至少十倍，所述行进时间对应于测量体积中激光束在流动方向上的大小除以测量体积中流体流的速度。
例如，光电检测器配置为以高于或等于1、5、10或者甚至25msps(兆采样/秒)的采样速率对由透镜组聚焦的激光进行采样。
在实施例中，测量设备还包括定位在透镜组与光电检测器之间的第二光阑，用于避免寄生光被光电检测器捕获。
这些目的和其他优点同样具体地通过用于对流体承载颗粒进行检测和/或分析的测量方法来实现，该测量方法包括以下步骤：沿着流体流动路径产生流体流，所述流体流可能包含待检测的流体承载颗粒；在流体流动路径的测量体积中发射激光束；收集由流体流中包含的流体承载颗粒在测量体积中所散射的激光并且在焦距处将所述散射光聚焦成线，所述线垂直于测量体积中流体流的流动方向；利用线型多像素光电检测器捕获所收集并聚焦的散射激光，该线型多像素光电检测器定位在距离焦距一定距离处并且被定向为其纵向轴线与所述线平行；在由测量方法所测量的最小大小的单独流体承载颗粒穿过测量体积的时间期间，多次重复所述发射、收集和捕获的步骤。
在实施例中，流体流是空气层流。
在其他实施例中，流体流是液体流或气体流，优选地对激光是透明的。
在实施例中，在流动方向上对激光束进行偏振化。
在实施例中，将所收集的散射光聚焦成线包括将所收集的散射光线在平行于流动方向的方向上聚焦，并使其在垂直于流动方向的方向上彼此平行。
在实施例中，在由测量方法所测量的最小大小的单独流体承载颗粒穿过测量体积的时间期间，将所述发射、收集和捕获步骤重复至少十次。
例如，以高于或等于1、5、10或者甚至25msps(兆采样/秒)的采样速率重复所述发射、收集和捕获步骤。
在实施例中，在流体承载颗粒穿过测量体积期间所捕获的散射激光还被用于确定例如流体承载颗粒的大小、流体承载颗粒穿过测量体积的速度、流体承载颗粒的形状和/或流体承载颗粒的表面质量。
附图说明
通过阅读附图所示的以下描述，将更好地理解本发明，其中：
图1是用于检测空气承载颗粒的本发明设备的实施例的示意图；
图2a是图1的设备的详细垂直剖视图；图2b是图1的设备的详细水平剖视图；
图3是用于检测液体承载颗粒的本发明设备的实施例的示意图；
图4a是图3的设备的详细垂直剖视图；图4b是图3的设备的详细水平剖视图；
图5a、图5b和图5c示意性地示出了当流体承载颗粒穿过测量体积时本发明设备的线性光电检测器如何捕获由流体承载颗粒散射的光；
图6是示意性地示出了由本发明设备的线性光电检测器捕获图像的过程的流程图；
图7a示出了当流体承载颗粒穿过测量体积时由本发明设备的线性光电检测器捕获的时间角度散射图的示例；
图7b示出了当流体承载颗粒穿过测量体积时由本发明设备的线性光电检测器捕获的散射光的所有像素之和的时间分布的示例；
图7c示出了当流体承载颗粒穿过测量体积时由本发明设备的线性光电检测器捕获的散射光的所有像素的最大值的角度分布的示例；
图8a至图8f示出了根据本发明的设备所获得的时间分辨散射图与具有二维光电检测器的现有技术设备所获得的静态2d图案之间的对应关系。
具体实施方式
在实施例中并且参照图1、图2a和图2b，本发明的设备被配置用于对空气流中包含的空气承载颗粒进行检测和/或形态分析。
参考图1，该设备包括喷嘴1，用于沿着超过喷嘴1的流动路径产生空气层流，其中该空气层流可能包含单独气溶胶颗粒9。流动路径的流动方向y例如是垂直的。
该设备还包括光源，例如激光器2(例如660nm连续波长(cw)激光器)，该激光器被布置用于朝向空气流发射光束20。激光优选地沿着流动方向y(例如在垂直方向上)偏振。可选地，线性偏振器21定位在发射激光器2与空气流之间的光束20中，从而确保只有在流动方向y上偏振的光(例如垂直偏振光)继续经过并到达空气流。
激光束20与空气流的相交限定了空气承载颗粒9在流动方向y上穿过激光束20的测量体积，其中流动方向y对应于测量体积中空气流的方向。因此，激光束20至少部分地被穿过测量体积的单独颗粒9散射，并且散射光23至少部分地被光学透镜组3收集并随后由本发明设备的光电检测器4捕获。
根据本发明并且参考图2a和图2b，透镜组3配置用于将所收集的散射光线23会聚或聚焦成线，例如通过将所收集的散射光线23在平行于流动方向y的方向(例如在垂直方向上)聚焦，并且还配置用于使所收集的散射光线23在横切(优选地垂直于)流动方向y的方向上(例如在水平方向上)彼此平行地排列。在实施例中，透镜组3例如包括柱面光学透镜。例如，柱面光学透镜被布置成其纵向轴线横切(优选地垂直于)流动方向y，以便将所收集的散射光线23在与流动方向y平行的方向上会聚，同时还使所收集的散射光线23在横切(优选地垂直于)流动方向y的方向上保持不变。然而，在本发明的框架内，透镜组3的其他配置(特别是其他光学透镜或设备的使用)可用于将所收集的散射光23在透镜组3的焦距f2处聚焦成垂直于流动方向y的一条线。
在实施例中并且参照附图，透镜组3例如包括平凸柱面光学透镜30，该平凸柱面光学透镜30定位成其凸面侧朝向测量体积定向并且其平面侧朝向光电检测器4定向。透镜组3还包括例如定位在测量体积与平凸柱面光学透镜30之间的平凸球面光学透镜31，用于在将所收集的散射光线23引导至平凸柱面光学透镜30之前在所有方向上将它们彼此之间平行地对准。例如，平凸球面光学透镜31被布置成其平面侧朝向测量体积定向并且其凸面侧朝向平凸柱面光学透镜定向。平凸球面光学透镜31被布置成使得其焦点与测量体积的中心共轭或位于其中，换句话说，平凸球面光学透镜31与测量体积的中心之间的距离等于平凸球面光学透镜31的焦距f1。在实施例中，平凸柱面光学透镜30被定向为其纵向轴线垂直于流动方向y(例如水平方向)，以便将所收集的散射光23在平凸柱面光学透镜30的焦距f2处聚焦成与流动方向y垂直的一条线。
因此，本发明的设备的透镜组3形成了成像系统，此成像系统将来自测量体积的散射光线聚焦成平行于流动方向y的一条线，例如通过将所收集的散射光线在平行于流动方向y的方向上聚焦，同时还在垂直于流动方向y的方向上将所收集的散射光线彼此平行地对准。例如，在实施例中，平凸球面光学透镜31收集由在流动方向y上穿过激光束20的单独颗粒9在测量体积中散射的散射光23。在平凸球面光学透镜31的焦点与测量体积的中心共轭的情况下，所收集的散射光线23超过平凸球面光学透镜31彼此平行地对准，即，如同聚焦在无限远的焦距处。然后将所收集的散射光23引向平凸柱面光学透镜30，由于其形状和位置的缘故，平凸柱面光学透镜30在垂直于流动方向y的平面中(例如在水平平面中)具有无限焦距，并且在平行于流动方向y的平面中(例如在垂直平面中)具有有限焦距f2。因此，从平凸柱面光学透镜30射出的散射光线23在与流动方向y垂直的方向上(例如，在水平方向上)保持彼此平行，同时在平行于流动方向y的方向上(例如在垂直方向上)会聚。
上面描述的透镜组3基本上是平凸柱面光学透镜30和平凸球面光学透镜31的组合。然而，可以在本发明的框架内使用其他光学装置(特别是其他光学透镜组合)来收集由测量体积中的单独颗粒9所散射的至少部分光并将所收集的光线会聚成一条线。
在实施例中，透镜组3还包括用于滤除寄生光并且在实施例中用于滤除未被沿流动方向y偏振的散射光和/或用于对由成像系统形成的图像进行整形的装置。例如，在实施例中，透镜组3包括线性偏振器32，用于滤除未在流动方向y上偏振的光并因此仅保持平行分量或p偏振的散射光23。可选地，透镜组3还包括用于对由透镜组3形成的图像整形并且可选地用于避免光学透镜的边缘效应的光阑或针孔33。光阑33的开口例如是矩形开口，该矩形开口的形状和大小决定了在平凸柱面光学透镜30的焦距f2处由透镜组3投影的图像的形状和大小。光阑的开口33例如是矩形的，其长边例如被定向成垂直于流动方向y的方向。
根据本发明，光电检测器4是多像素光电检测器，优选地是线型多像素光电检测器，例如由线性阵列的集成光敏像素组成的线性阵列传感器。线性光电检测器的每个光敏像素在给定曝光时间内测量入射光，并且生成表示相应像素的曝光量的电压或数字输出。根据本发明，光电检测器4没有被布置在透镜组3的焦平面中，而是被布置在距焦距f2的非零距离d处，例如在超出透镜组3的焦距f2的非零距离d处。根据本发明，由本发明的成像系统3形成的图像是细长的，并且在垂直于流动方向y的方向上(例如在水平方向上)具有较长尺寸或长度并在垂直于流动方向y的方向上(例如在垂直方向上)具有较小的尺寸或高度。投影图像的长度取决于成像系统3的元件在相应方向上的大小和配置。例如，在实施例中，投影图像的长度等于针孔或光阑33在相同方向上的尺寸。因此，线性光电检测器4的大小或长度优选地被选为至少与图像的长度一样长，以便能够捕获由透镜组3投影的图像的整个长度。在光电检测器4的位置处(即，距离透镜组3的焦平面的距离d处)的图像的高度可以被计算为例如针孔或光阑33在相同方向上的尺寸乘以距离d并除以透镜组3的焦距f2(具体地，柱面光学透镜30的焦距)。
可选地，本发明的设备还包括位于透镜组3与光电检测器4之间的第二光阑40，用于滤除寄生光和/或对由透镜组3在焦平面中投射的图像整形。例如，第二光阑40被定位在透镜组3的焦平面中，即，距透镜组3的焦距f2处。
本发明的设备优选地还包括信号分析器5，用于接收来自光电检测器4的输出信号并使用这些输出信号向用户提供信息，例如，对所收集和捕获的光进行散射的颗粒9的时间分辨散射图案、颗粒9的速度指示等，如下面进一步解释的。在实施例中，本发明的设备包括光电检测器，例如光电二极管6，用于检测由激光器2发射的超出测量体积的激光束20。光电二极管6的输出信号例如被传输到信号分析器5，因此可以向信号分析器5告知激光束20是否存在。另外，光电二极管6优选地允许对激光束的强度波动进行持续性测量，然后可以用它来校正或调整由光电检测器4测量的信号。在实施例中，信号分析器5生成用于控制激光器2的控制信号，具体地，控制激光束20的发射或不发射。
根据本发明，透镜组3将所收集的散射光23聚集成垂直于流动方向y的一条线，以获得表示对所收集的光进行散射的颗粒的线性扇区的线图像，其垂直于测量体积中颗粒的行进方向，即垂直于流动方向y。因此，如下面进一步解释的，在单独颗粒穿过测量体积期间所捕获的它的连续线图像允许重建该颗粒的二维图像。因此在本申请中，表述“平行于流动方向y”和“垂直于流动方向y”必须被理解为分别平行和垂直于物理流动方向的含义，只要成像系统没有将旋转施加到所收集的散射光以及所形成的线图像。如果成像系统旋转了所收集的散射光，那么，当应用于线图像和/或成像系统内部或之后的元件时，表述“平行于流动方向y”和“垂直于流动方向y”必须被分别理解为平行于或垂直于由于在成像系统内部或其之后施加到散射光的旋转而旋转的流体方向的含义。
在优选实施例中，由激光器2发射的激光束20的光在流动方向y上偏振，该流动方向y对应于沿着测量体积中的流体流动路径的流体流动方向。然而，在其他实施例中，激光是与流动方向成一定角度地非偏振的、圆偏振的、椭圆偏振的或线性偏振的。
非偏振的、圆偏振的或部分偏振的光可以表示为垂直偏振分量和水平偏振分量的总和。当非偏振光被测量体积中的单独颗粒散射时，每个分量将产生其自身的散射图案，即，随着散射角变化的散射光强度的特定分布。当散射非偏振光时，所有分量的散射图案将在光电检测器4上重叠，并降低颗粒大小确定和形状测量的精度。即使线性偏振器放置在光电检测器4的前方，它也无法完全分离各种散射图案。
出于上述原因，线性偏振激光器对于本发明的基于光散射的设备和方法来说是优选的。
偏振方向优选地垂直于线性光电检测器4的纵向轴线，即平行于流动方向y，这是因为经过散射的偏振光将被视为在偏振方向上偏振的，与观察角度无关。
上面描述了本发明的设备，用于对存在于喷嘴1形成的气体流中(例如空气流中)的气溶胶颗粒9进行检测和/或形态分析。在图3、图4a和图4b内通过示例示出的实施例中，本发明的设备配置为检测和/或分析存在于流体中(即气体中或液体中)的流体承载颗粒的形态，而该流体优选地对激光是透明的。例如，在图3、图4a和图4b中通过说明性而非限制性示例示出的本发明设备配置为检测和/或分析水承载颗粒的形态。因此，本发明的设备包括流体引导装置，例如线性管10，其中可能携带有颗粒9的流体11沿着线性管10流动(例如在线性管10内部流动)。激光束20与流体11的相交限定了测量体积，其中单独流体承载颗粒9在穿过激光束20时对激光进行散射。本发明设备的其他元件及其功能与以上结合对空气承载颗粒的检测和/或分析来描述的那些元件和功能相同，唯一的区别在于用于沿着流体流动路径产生并引导流体流的装置。除非明确作出说明，否则相同的附图标记在各个附图中表示相同的元件。
在下面的段落中，针对空气承载颗粒的检测和分析的特殊情况，描述并说明了本发明的设备的用于检测和/或分析流体承载颗粒的功能以及相应方法。然而，在此描述的功能和方法适用于通过根据本发明的适当设备来对任何流体承载颗粒进行检测和/或分析，即，本发明设备包括用于沿着流体流动路径产生流体流的装置适应于流体的性质。
参考图5a至图5c，当单独颗粒9沿着流动方向y穿过测量体积中的激光束20时(例如垂直向下行进时)，由本发明设备(特别地是由透镜组3)创建的图像90也在平行于流动方向y的方向上(例如在相反的方向上)移动。根据所示出的示例，图像90的速度与颗粒9的速度通过如下公式直接相关：
vi＝-vg×f1/f2
其中vi是图像90的速度，vp是流体承载颗粒9的速度，f1是成像系统在测量体积一侧的焦距，例如对应于平凸球面光学透镜31的焦距，而f2是成像系统在光电检测器4一侧的焦距，例如对应于平凸柱面光学透镜30的焦距。
例如由光电倍增管、光电二极管、硅光电倍增管的阵列组成的多像素线性光电检测器4或者任何其他适当的光电检测器4获取光强度并将其转换为电流。光电检测器4的时间响应t优选地比单独颗粒9穿过激光束20的时间短得多：
t＜＜d/vpm
其中d是激光束20在流动方向y上的尺寸，例如激光束20的垂直尺寸，并且vpm是流体承载颗粒9的最大速度，通常是注射喷嘴1出口处的或者沿着管10的最大流体流动速度。
参考图6，由光电检测器4生成的电流信号例如被转换成电压，并由信号调节器41放大。信号调节器41的时间响应也必须比单独颗粒穿过测量体积的时间短得多。
模数转换器42以采样频率fs＞10*vpm/d(即，至少比单个颗粒穿过测量体积的时间高10倍的采样频率)对来自信号调节器41的所有电压信号进行并行采样。这样使得对于光电检测器4的每个像素来说都具有时间轨迹，该时间轨迹用至少10个采样来分辨在光电检测器4前面的图像的通过。经过采样的数字信号随后通过数据总线被发送到信号分析器5，以便例如在显示器上对单独颗粒9通过测量体积期间由光电检测器4捕获的图像进行图形表示。
图7a给出了时间-角度图的一个示例。对于本示例，激光波长为660nm，在流动方向上的激光尺寸(例如其垂直大小)为1.5mm，检测到的颗粒是直径为2μm的球形颗粒，f1/f2＝1，颗粒速度为约50m/s，线性光电检测器由24个像素的阵列组成，每个像素的宽度为1mm且相邻像素之间的间隙为1mm。
此图示出了光电检测器4如何看到由穿过测量体积的颗粒所产生的米氏散射图案。对于完全球形的颗粒，光电检测器的每个像素将测量与垂直平面中的激光强度分布相对应的高斯轮廓，激光束应在其截面上具有高斯光分布轮廓。每个单独像素的信号幅度取决于相应的散射角度，甚至可以等于零。然而，所有时间轨迹上的像素总和(其迹线例如在图7b中表示)给出了代表性信号，以通过估计所得轨迹的半高全款来确定测量体积内的颗粒速度。
本发明的设备还允许通过以2d表示的形式表示随时间获取的图像，精确地表示穿过测量体积的单独颗粒的表面结构。例如，图8a至图8f示出了通过根据本发明的设备所获得的时间分辨散射图(例如如图8a所示)与通过具有二维光电检测器的现有技术设备所获得的静态2d图案(例如如图8d所示)之间的对应关系。图8d示意性地示出了用于获取二维米氏图案的设置，其包括球面透镜39，该球面透镜39的焦点与测量体积的中心共轭；以及二维光电检测器49，例如分辨率为156×156像素的方形光电检测器，该检测器的尺寸被选为适合透镜39的尺寸。在2μm大小的球形颗粒穿过相应测量体积的情况下，在相对于激光束方向的90度处得到的二维米氏图案(如图8e所示)将仅包含具有弧形形状的垂直结构。穿过根据本发明的设备的测量体积的同一颗粒将产生如图8b所示的时间-角度散射图。如图8f中可见，非球形颗粒将产生还包含沿垂直轴线的振荡或波纹的二维米氏图案图像。这些波纹也将出现在时间-角度图上，如图8c所示，但它们将因为图像相对于线性检测器的移动而被表示为时间轴线上的振荡。
因此，本发明的设备允许通过散射光23和略微偏置的光电检测器4的高采样速度来确定单独颗粒通过测量体积的速度，并且还允许在使用单个激光器和比现有技术成像设备更简易的光电检测器的情况下获得颗粒的表面和结构的精确表示。光电检测器对散射光的采样速率例如高于或等于1msps(兆采样/秒)，优选地高于或等于5、10或者甚至25msps。