用于同轴全息显微术的装置的制作方法

本发明一般涉及借助于同轴全息显微术(in-lineholographymicroscopy)来分析流体，诸如水。特别地，本发明涉及一种对这种分析的测量或成像装置。

背景技术：

水质是针对生产、供应或使用清洁水的各种应用的重要参数。水质对于作为市政用水的最终用户的人的安全和健康以及对于使用具有特定质量要求的水的各种工业过程而言也可能是至关重要的。

传统上，已经执行了全面的水质分析以作为耗时的实验室过程，其中借助于复杂的分析仪器来研究水样。然而，对于许多应用，诸如监视水处理厂中、市政供水网络中、或某些关键类型的住宅供水系统(诸如医院，老人院或托儿所中的住宅供水系统)的内部供水中、以及某些工业过程中的水质，需要更快的响应时间。

最近，已经提出了同轴全息术或全息显微术以作为用于快速水质监视的一种潜在技术。例如，在www.rsc.org处的电子出版物，labonachip，2010；10(18)：2419-2423，使用现场便携式和经济有效的无透镜显微镜检测水性寄生虫，mudanyalio，oztoprakc，tsengd，erlingera，ozcana中公开了一种用于检测致病水性寄生虫的紧凑型同轴全息显微镜。

在全息显微镜设备中，一个关键部分是以下测量或成像装置：其用于通过相干光照射目标流体体积，并通过接收跨目标流体传播的光来捕获数字图像帧。数字图像帧的图像数据包括由于微观物体散射的光与非散射光的干涉而形成的全息图案。

因为全息图案形成了用于检测和/或确定微观图案的基础，所以检测和/或确定的可靠性可能受到测量或成像装置的操作的极大影响。特别地，在没有特定光学器件的简单装置和/或在允许分析流体的连续流过的装置的非采样配置的情况下，重要的是，在所有情况下，测量或成像装置产生可靠的图像数据。可靠的图像数据不应受到例如，流通型装置可以被集成为其一部分的管道中的压力变化的影响。

与水质监视类似，还存在各种其他应用，其中可以借助于同轴全息显微术检测和/或分析流体中的外来微观物体。

技术实现要素：

提供本发明内容以便以简化的形式介绍对概念的选择，所述概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

公开了一种用于同轴全息显微术的测量装置，其可以用于检测流体中存在的外来源的微观物体。这种检测可以用于例如监视供水、水分配或水使用系统和网络中的水质，其中微观物体可以是例如杂质颗粒和/或微生物。可替换地，流体可以是一些其他液体或气体。

“同轴全息显微术”是指以下分析和测量程序，其中由相干光照射的样品体积的一个或多个数字图像帧被捕获，该一个或多个数字图像帧包括由样品体积中存在的外来源的微观物体产生的全息图案。然而，“同轴全息显微术”还覆盖了以下分析和测量程序，其中没有在包括全息图案的一个或多个数字图像帧的基础上计算或生成对样品体积的完全重建，而是在所捕获的一个或多个数字图像帧的基础上进行关于样品体积的内容的确定。

设备可以包括：照射装置，其被配置为发射相干光；比色皿(cuvette)，其限定了用于接收可能包括外来源的微观物体的流体的内部体积，该比色皿被布置成接收相干光并且使相干光相应地通过相对的入口开口和出口开口在传播通过比色皿之后从其离开，入口开口被入口窗口关闭，由此流体中存在的可能的微观物体散射光的一部分，所散射的和非散射的光进行干涉，从而在微观物体后面形成干涉条纹；图像传感器，其包括光敏单元(cell)，该图像传感器被布置为通过接收传播通过比色皿的光来捕获全息数字图像帧；以及出口窗口，其被布置为关闭比色皿的出口开口。

有利地，图像传感器可以被安装在与比色皿直接接触的装置中。

由于通过参考结合附图所考虑的以下详细描述而更好地理解许多伴随特征，因此这些伴随特征将更容易领会。

附图说明

从以下根据附图阅读的详细描述中将更好地理解本说明书，在附图中：

图1至3作为示意图示出了用于检测在流体中存在的外来源的微观物体的测量装置；并且

图4作为示意性框图示出了用于检测在流体中存在的外来源的微观物体的设备。

具体实施方式

图1的测量装置(101)对于同轴全息显微术是合适的并且可以用于同轴全息显微术。

“同轴全息显微术”是指以下研究方法和设备，借由其，在由相干光照射的流体中存在的外来源的微观物体可以在由这种物体向前散射的一部分光与非散射部分的光的干涉而形成的全息图案的基础上来检测和/或确定。

“外来源”的表述是指微观物体不是由流体本身形成的。它们可以源自例如输送或储存有争议的流体的管道或容器的材料。这种系统的材料颗粒可以例如由于管道破裂或设备故障而被释放到流体中。可替换地，外来源的微观物体可能源自最终在这种管道或容器内的外来物或污染物。例如，在供水系统的情况下，产生微生物进入到流体中的这种外来物可能是动物尸体。

在供水、水分配或水使用系统和网络的情况下，不通常存在的微生物可以是，例如各种细菌(诸如属于大肠杆菌或军团菌的细菌)、原生动物(诸如蓝氏贾第虫)、或各种类型的藻类。

另一方面，从物理性质的角度，“外来源的微观物体”通常具有例如与流体的折射率不同的折射率。这使得能够借助于光学传感来检测这种物体。在图1的测量装置中，其被利用在于，对微观物体的检测是基于由于微观物体和流体的折射率之间的差异而导致的微观物体的光散射。

从尺寸的观点来看，“微观物体”是指具有其特征尺寸的物体，其特征尺寸诸如最大直径、长度或宽度，在0.1、0.5或1.0至50或100μm的范围内。具有如此小的特征尺寸的物体对于人眼是不可见的，因此不能在视觉上检测到它们。另一方面，由该大小的物体形成的全息图可由具有相当小尺寸的图像传感器检测。此外，利用这种微米级特征尺寸，物体主要向前散射光，从而能够通过同轴全息术进行高效检测。

测量装置包括照射装置110，其在使用时发射相干光111。光可以例如作为短脉冲发射。

此外，测量装置包括比色皿120，其限定了用于接收流体130的内部体积121，流体130可以包括外来源的微观物体140。

“比色皿”是指适合于限定以下内部体积的任何适当类型的结构，该内部体积用于接收通过与比色皿连接布置的测量系统来测量和/或分析的流体。比色皿可以包括限定其内部体积的一个或多个壁。限定所述内部体积意味着一个或多个壁在内部体积的整个周边而限制或围绕内部体积的横截面。换句话说，比色皿的一个或多个壁和/或一些其他适当的结构至少在内部体积的一个横截面处完全环绕整个内部体积，从而防止待测量流体以这种横截面的平面中的方向从内部体积漏出。

比色皿可以是采样型(samplingtype)的，在这种情况下，在这种内部体积中可以包含离散的样品体积。可替换地，比色皿可以是流通型(flow-throughtype)的，允许待测量或分析的流体在测量期间连续地流过比色皿。在一些实施例中，比色皿可以被配置为可替换地用作采样型比色皿或流通比色皿。

比色皿包括由入口窗口151封闭的入口开口150，其相对于照射装置被定位为使得在使用时，比色皿通过入口窗口接收由照射装置发射出的相干光。

比色皿还具有出口开口153，其由出口窗口152封闭，该出口窗口152安装在比色皿壁上并与入口窗口相对地形成比色皿的一部分，比色皿通过该出口开口153使接收进入到比色皿中的光在传播通过比色皿之后从那里出去。

“安装”是指将部件、元件或模块可释放地或不可释放地附接或固定到另一结构。例如，可以通过胶水或任何其他适当类型的粘合剂进行安装。

当通过相干光照射比色皿中的流体时，流体中存在的可能的微观物体向前散射光的一部分，并且经散射光部分和非散射光部分干涉，从而在微观物体后面形成干涉条纹。

“相干光”的发射和照射是指所发射光和照射样品体积的光的至少一部分在空间上和时间上足够相干，使得所述干涉是可能的。因此，发射相干光并通过相干光进行照射不排除还发射非相干光的可能性，也不排除还由非相干光照射样品体积的可能性。因此，由照射装置发射的光和对样品体积进行照射的光可以包括相干光和非相干光。在这个意义上，“相干光”是指“至少部分相干的光”。

“后面”是指从照射光(即对流体进行照射的相干光)的入射方向观察到的干涉条纹的位置。换句话说，当从产生相干光的光源的位置观察时，干涉条纹主要形成在微观物体的后面，即在微观物体的、与相干光从一侧入射到微观物体相反的一侧处。

照射装置可以包括能够产生相干光的任何适当的光源，诸如激光二极管。光可以具有例如350至500nm范围内而不限于该范围的一个或多个波长。照射装置还可以包括以下任何适当的光学元件，其被配置为将所发射的相干光向比色皿引导以照射被接收在其中的流体。

图1的测量装置101还包括图像传感器160，其包括光敏单元161和位于光敏单元的前面的透明保护窗162，光可以通过该透明保护窗162进入图像传感器。光敏单元被封装在壳体163中，保护窗口形成了壳体163的一部分。

照射装置和图像传感器被定位在比色皿的相对侧，以形成从照射装置经由比色皿到图像传感器的光的直接传播路径。图像传感器被定位和被配置为通过接收被传播通过比色皿的光并通过出口窗口152使其离开而捕获全息数字图像帧170。

在其他实施例中，可以实现间接光学配置，其中例如经由一个或多个镜子将光引导到图像传感器。

“图像传感器”是指能够捕获数字图像帧的光检测部件或元件。图像传感器可以包括例如cmos(互补金属氧化物半导体)或ccd(电荷耦合器件)光敏单元或作为有源光检测成像元件的任何其他适当类型的光敏单元。

图像传感器可以是例如黑白类型传感器，灰度传感器或单色类型传感器。合适的有效区域大小和光敏单元的分辨率取决于测量装置的整体配置。在一些实施例中，它可以具有例如5×5mm²的大小。在一些实施例中，光敏单元的有效区域可以具有例如500万像素

“数字图像帧”或简称“帧”是指通过图像传感器的光敏单元的像素或一些其他一个或多个光敏元素的曝光而捕获到的数据内容。因此，帧通常包括能够在该图像数据的基础上合成可显示的数字图像的图像数据。数字图像帧的图像数据可以包括例如关于由图像传感器的像素接收到的光能的信息。

当捕获全息数字图像帧170时，由散射光和非散射光在流体中可能存在的微观物体的后面形成的干涉条纹形成了全息图案171，其具有由干涉条纹在图像传感器的光敏单元上形成的空间交替强度。然后将这些全息图案包含在所捕获的全息数字图像帧的图像数据中。

基于这种全息图案，可以检测到在流体中存在外来源的微观物体。此外，还可以确定一些性质，诸如其大小和形状。

图1的测量装置的比色皿是流通型的，其中待分析的流体130的连续流动可以在分析期间沿其纵向方向引导通过比色皿。在其他实施例中，可以使用其他类型的比色皿，其基于能够接收待分析的流体的任何适当类型的样品单元或容器。例如，比色皿可以是采样型的，其中离散体积可以被存储在比色皿中以用于分析。这种比色皿可以包括一个或多个入口开口/出口开口，以用于通过待分析的流体使比色皿填满和排空。

如上面参考图1的示例所述，比色皿的“流通”型是指以下比色皿的结构，其允许流体连续流过比色皿同时执行对流过比色皿的流体的测量。

在图1的测量装置中，照射装置相对于在流通型比色皿中流动的流体的流动方向而被交叉引导。因此，流动相对于照射方向而被正确地引导。

考虑到所讨论的应用，比色皿和测量装置作为整体可以具有任何适当的尺寸。例如，在图1的测量装置中，内部体积在照射方向上的厚度可以在例如0.5至1mm的范围中。例如，比色皿的宽度可以在图像传感器的光敏单元的大小的基础上来调整，其可以位于例如距比色皿的内部体积约1至3mm的距离处。例如，比色皿可以在一个或多个方向上具有4至8mm的宽度。光敏单元的一个像素可以具有例如在1.5至5μm的范围内的宽度。例如，矩形像素的宽度可以是约2μm。照射装置的光源的定位可以取决于例如光源和其发光表面的大小而变化。在示例中，作为光源的发光元件的激光二极管可以被定位在距比色皿的内部体积几十毫米处，例如约40mm处。

在图1的测量装置101中，图像传感器的保护窗口162以及由此的图像传感器与出口窗口152直接接触，其继而被安装到比色皿并形成它的整体部分。由此，图像传感器被安装成与比色皿直接接触。

所述直接接触可以通过将图像传感器经由封闭光敏单元的壳体163被安装到比色皿来形成。可替换地或另外地，保护窗口可以借助于粘合剂(诸如光学透明粘合剂(oca))而被安装到出口窗口，所述粘合剂可以被应用在保护窗口和出口窗口之间。可以选择这种粘合剂以不显著地影响光传播通过出口窗口和保护窗口的叠层。

图像传感器与比色皿直接接触通常意味着，在图像传感器和由比色皿限定的内部体积之间没有可自由进入的空间。因此，在图1的测量装置中，在比色皿的出口窗口和图像传感器的保护窗口之间没有这种空间。这可能是有利的，因为没有污染物可以粘附在保护窗口和出口窗口的外表面中，这些污染物可能会干扰感测由图像捕获进行的全息图案。

其次，如图1的示例中所示的相干光，可以被发射或引导成展开的锥形或束形。可替换地，它可以被发射或引导成准直光束。在前一种情况下，干涉条纹可以根据距散射微观物体的距离而展开。此外，不管照射光是被发射或引导成展开的光束还是准直光束，干涉条纹都由于取决于微观物体的类型和照射光的波长而使光散射到各个方向来展开。因此，微观物体和图像传感器之间的距离越长，展开的锥形或光束以及在图像传感器上形成的全息图案就越大。为了使光敏单元的所需大小保持相当小，可能希望使图像传感器的光敏单元尽可能靠近比色皿的内部体积。通常，图像传感器与比色皿直接接触，因此在图1的测量装置中与比色皿的出口窗口直接接触的保护窗口为此目的而服务。

第三，在流通型比色皿的情况下，如图1所示，比色皿可以连接到外部管道，待分析的流体作为连续流而从该外部管道引导到比色皿。在这种情况下，这种管道中可能的压力变化也可以传送到比色皿。在图1中的测量装置中，与比色皿的出口窗口直接接触的保护窗口可以使出口窗口加强，从而防止其响应于可能的压力变化而发生不利的弯曲，这种弯曲可能改变比色皿和图像传感器之间的光学路径。

图2的测量装置201与图1的测量装置不同，在于比色皿中没有单独的出口窗口。取而代之的是，比色皿壁具有出口开口253，图像传感器260插入到该出口开口253，并且图像传感器的壳体263通过该出口开口253被安装到比色皿220。

在图2的测量装置中，图像传感器的保护窗口262因此形成或用作出口窗口，通过该出口窗口，传播通过比色皿220的光可以从其中出去。

在图2的测量装置201中，图像传感器260的保护窗口262与比色皿和比色皿的内部体积221以及存在于其中的流体230直接接触。

图3的测量装置301与图1的测量装置不同，在于图像传感器360不包括单独的保护窗口。取而代之的是，比色皿320的出口窗口352也形成或用作保护光敏单元361并包围图像传感器的壳体363的保护窗口。由此，图像传感器被安装为与比色皿直接接触。

在其中没有单独保护窗口的图像传感器被安装到安装有出口窗口的比色皿的其他实施例中，图像传感器可以在没有任何壳体的情况下实施。例如，光敏单元可以被安装在基板上并由封装材料封装，图像传感器可以通过该封装材料被安装到出口窗口。

图1至3的任何测量装置可以用在完整的检测设备中，其除了测量装置之外，还包括计算装置，该计算装置被配置为在全息数字图像帧的图像数据中由干涉条纹所形成的全息图案的基础上检测微观物体的存在。

所述检测可以基于根据如全息显微术领域中已知的原理和过程而重建被照射的流体体积的一个或多个二维图像。

可替换地，可以在所捕获的一个或多个全息数字图像帧的图像数据中存在的全息图案的基础上执行这种检测。图4的设备400表示该类型的一个实施例。

设备400具有以下测量装置401，其可以与上面参照图1至3所讨论的任何测量装置一致。

在使用时，测量装置产生全息数字图像帧470，其可包括由于在待分析流体中可能存在外来源的微观物体而形成的全息图案471。

测量装置还包括计算装置460，其连接到测量装置401以接收所捕获的全息数字图像帧的图像数据，并且在全息数字图像帧470的图像数据中由干涉条纹形成的全息图案471的基础上检测微观对象的存在。

在图4的示例中，计算装置可以被配置为通过任何适当的数据处理操作来对所接收到的全息数字图像帧的接收图像数据进行预处理，以有助于在全息图案的基础上检测微观对象。

计算装置还被配置为提供经滤波的图像数据480，包括通过对称边缘检测算法以至少两个不同方向对例如接收到的和可能经预处理的图像数据进行自动滤波，该经滤波的图像数据包括针对接收到的图像数据中存在的每个全息图案471的、经滤波的全息图案481。在所述滤波中，例如，可以使用任何适当的卷积核。

如技术人员所知，存在各种已知的数学运算，其可用于对图像数据进行滤波以用于边缘检测目的。通常，边缘检测的原理是通过这种边缘检测算法对图像数据进行滤波而找出中图像内容中存在相对突然变化的位置。例如，用于找到“边缘”的感兴趣参数可以是在捕获帧期间由图像传感器接收到的光的强度，即由图像数据形成的图像的亮度。

作为通过边缘检测算法对图像数据进行滤波的结果，经滤波的图像数据通常突显了边缘，即原始图像数据中存在的可区分对象的轮廓。在利用全息图案471对接收到的图像数据470进行滤波的情况下，经滤波的图像数据因此包括以经滤波的全息图案381的形式的原始全息图案的轮廓。

在经滤波的全息图案的基础上，对图像数据的进一步分析可以集中在或限于图像区域中全息图的实际位置。由于不需要分析剩余的图像数据，因此可以节省所需计算能力的大量节省。

边缘检测算法的“对称性”是指以下边缘检测算法，其被设计为不会由于滤波而实质上改变图像区域中的对象的形状。

最后，计算装置被配置为在经滤波的全息图案的基础上而自动检测与流体的样品体积中的经滤波的全息图案相关联的微观对象440的存在。

因此，经滤波的图像数据的可能经滤波的全息图案被用作对于比色皿中包含的流体中微观散射物体的存在的指示。

检测微观物体的存在是指确定是否流体中存在任何微观物体。在这个意义上，检测这种物体的存在还可以包括确定和断言在照射光传播通过其到达图像传感器的流体体积中不存在这种物体。另一方面，当在经滤波的图像数据中存在多个经滤波的全息图案时，除了确定微观物体的一般存在之外，所述检测还可以很自然地包括在所分析的流体体积中的它们的数量。

检测操作的结果(即关于所分析的流体体积中存在微观物体的信息)可以以适于存储或进一步传送的任何适当的电数据或信号形式而布置。

计算装置可以包括能够执行上面讨论的方法的操作的任何适当的数据处理和通信设备、一个或多个单元、一个或多个元件和一个或多个部件。

从另一术语的观点来看，“被配置为”执行特定方法操作的计算装置意味着计算装置包括或用作执行该操作的“器件”。

计算装置可以包括用于不同操作的单独器件。可替换地，可以组合用于执行上述各种操作的任何这种器件，以便通过相同器件执行多于一次的操作。所有这些操作甚至可能通过相同器件执行，例如，通过单个数据处理模块或单元。

用于执行任何上面操作的任何器件可以包括一个或多个计算机或其他计算和/或数据处理部件、单元、仪器或设备。除了实际的计算和/或数据处理器件之外，用于执行所述操作的器件自然还可以包括任何适当的数据或信号通信和连接器件，以及用于存储所生成和/或接收到的数据的存储器或存储器件。

用作执行上面操作中的一个或多个的器件的计算和/或数据处理器件可以包括，例如，至少一个存储器和与至少一个存储器耦合的至少一个处理器。然后，至少一个存储器可以包括计算机可读程序代码指令，当由至少一个处理器执行时，该指令致使该设备执行所讨论的一个或多个操作。

除了处理器、存储器和由处理器可执行的程序代码指令的组合之外或代替其组合，用于执行一个或多个操作的器件可以包括一些硬件逻辑部件、元件或单元，诸如上面参考方法方面所提到的那些示例。

图4的设备400可以实现为独立设备或传感器。可替换地，它可以形成更大的控制或监视系统的一部分。

要注意的是，本发明不限于上面的实施例和示例。取而代之的是，本发明的实施例可以在权利要求的范围内自由变化。

将理解的是，上述益处和优点可以涉及一个实施例或示例，或者可以涉及若干实施例或示例。实施例和示例不限于解决任何或所有所述问题的那些实施例和示例，或者具有任何或所有所述益处和优点的那些实施例和示例。将进一步理解的是，对“一个”项目的引用是指那些项目中的一个或多个。

术语“包括”在本说明书中用于表示包括其后伴随的一个或多个特征或一个或多个动作，而不排除一个或多个附加特征或动作的存在。