粒子测量系统和方法技术方案

一种用于粒度和浓度分析的光学系统，包括：至少一个产生照明光束的激光器；聚焦透镜，其将照明束聚焦在相对于所述照明束以与照明光束成已知或预定角度地移动通过所述聚焦透镜的聚焦区域的粒子上；至少两个前视检测器，用于检测粒子与照明光束在聚焦透镜的聚焦区域中的相互作用。聚焦透镜是形成聚焦区域的圆柱形透镜，该聚焦区域(i)在粒子和照明光束之间的相对运动方向上是窄的，并且(ii)在垂直于由系统的光轴以及粒子与照明光束之间的相对运动方向所定义的平面的方向上是宽的。两个前视检测器中的每个检测器都由两个分段的线性检测器阵列组成。

Particle measurement system and method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】粒子测量系统和方法相关申请的交叉引用本专利申请要求于2017年10月26日提交的申请号为62/577,403的美国临时专利的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及测量粒度和浓度的领域。更具体地，本专利技术涉及用于测量粒度和浓度并实现提高的检测灵敏度或改进的对测量的粒子的表征的光学方法的用途。
技术介绍
本文中所指的出版物和其他参考材料在下文中以标号方式被引用，并分别被分组在将紧接在权利要求书之前的所附目录中。存在许多用于粒度和浓度分析(PSA)的技术；并且它们可以在TerryAlan的“粒度分析导论”(1)和N.Stanley-Wood和RoyW.Lines的“粒度分析”(10)中查阅到。最常用的技术是基于测量的粒子与激光辐射的相互作用的光学技术。尤其当粒度接近1微米及以下时(容易发生Mie散射)，这些技术中的大多数由于粒子的折射率的实部和虚部的影响而遭受误差。已知例如在一些技术(例如基于Fraunhofer衍射分析的技术)中，吸光粒子由于吸收所导致的能量损失而会尺寸过大；而高浓度的粒子由于二次散射而会尺寸过小，等等。另外，由于信号根据半径r^6而减小，检测单个纳米级粒子的能力非常有限，从而形成灵敏度和动态范围方面的挑战。对这些问题不太灵敏的光学技术称为时间转换技术或TOT。在这种技术中，扫描、聚焦的激光束和粒子之间的相互作用是在时域而非幅度域中进行分析的，从而降低了对折射率变化的灵敏度。该技术的详细说明出现在BruceWeiner、WalterTscharnuter和NirKarasikov的论文“使用时间转换方法和动态图像分析进行粒度调整的准确性和速度的改善”(2)中。在很大程度上，在该技术中，对来自相互作用信号的已知激光束轮廓进行标号反卷积算法可得出尺寸。使用数字共聚焦原理，从在聚焦的激光束的已知体积内的每单位时间相互作用的数目得出浓度。TOT技术中粒子的相互作用是与聚焦扫描激光束进行的。为了测量较小的粒子，应使用较小的聚焦点。但是，根据高斯激光束的衍射定律，如果光束腰为D，则光束的发散度与λ/D成正比，其中λ是激光的波长；结果，随着λ变大或D变小，Raleigh范围和焦点深度减小(焦点深度为分辨小粒子的能力、聚焦体积的能力与测量浓度的准确性之间的权衡是显而易见的。因此，如果TOT技术的目标是分辨和测量亚微米范围内的粒子，则因为瞬时聚焦体积小且粒子的相互作用速率低，因而其低浓度测量能力将受到限制。另一方面，较大的光点将提高浓度测量速率及其准确性，但会降低尺寸分析的质量和分辨率。通过使用较短的波长、对于给定的焦点产生较低的发散以及相应地较长的Rayleigh范围，可以实现改善。这可能会产生仅高达2倍的有限影响，因为太短的波长会导致光学器件吸收激光，并且如果是液体中的粒子，还可能会导致液体吸收激光。转让给本申请的一些申请人的在先专利(US7,746,469，在此通过引用将其全部内容并入)介绍了一种在如下两个相互矛盾的要求之间进行一定程度分离的新技术和手段：分辨小粒子的能力和借助于结构化激光束使用基于单粒子相互作用的测量措施来测量低浓度的能力。在US7,746,469中介绍的方法基于合成光束生成。如上所述的限制是由激光束的固有高斯光束分布引起的并且通过提出的合成生成的光束(其中可以在较低的光束发散度下实现空间分辨率)而在某种程度上得以解决。其他能量分布可以被合成生成并用于粒子测量。描述该技术的一种具体参考文献是参考文献(3)。该公布涉及本专利技术中使用的三维光结构的生成。它描述了使用的原理和技术，并且还提供了一些示例。特别地，所描述的暗光束是先前专利技术的主要关注点。其他相关参考文献是(4)至(9)。暗光束是在原本具有典型高斯包络的光束的中心具有暗点或暗线奇点的激光束。该光束用于PSA(粒度分析)的主要优势源于以下事实，即暗中心点/暗中心线比典型的高斯点窄，从而具有相同的发散度，可能导致对障碍物的结构和位置具有更高的灵敏度，同时保持足够高的高斯光束体积以进行浓度测量以及较大的粒子相互作用。可以通过借助于光学元件(通常是衍射元件)来转换常规激光束或通过激光谐振器的特殊设计以使其发射暗光束来生成暗光束。这些激光模式通常是称为Gauss-Laguerre和Gauss-Hermit模式的组中的成员。参考图1，其是示出高斯光束的强度曲线的图表101的示意图。横轴表示距光束中心的位置；例如，以微米或10^(-6)米表示。纵轴表示光束的光强度；例如，以相对单位。例如，在图表101中，标号10表示具有高斯分布的光束的形状；标号12表示暗光束的第一波瓣的形状；标号12’表示暗光束的第二波瓣的形状；两个波瓣的相位偏移了180度，但是这在图表101中未显示出，因为该图表示出了强度；标号14表示两个波瓣之间的间距；当两个波瓣偏移180度时，它们之间具有能量为零的奇点；标号16表示光束在强度为e^(-2)处的宽度；标号18表示两个波瓣的峰之间的间距。图1示出了高斯光束10的强度曲线与由其生成的暗光束的强度曲线之间的比较。暗光束具有两个波瓣12和12′，以及它们之间的奇点暗线14。双箭头分别示出(i)如标号16所示的约等于高斯光束14的2WO的最大宽度，其中WO是高斯光束腰；(ii)如标号18所示的在暗波瓣12和12’的峰之间的最大宽度或约等于的峰间距。这两个波瓣的相位偏移180度。暗光束以这样的方式产生，即它们在更宽的景深上保持边界清晰的能量分布，从而当在扫描激光探针测量技术或TOT中实施时在尺寸和浓度之间提供更好的权衡。此外，暗光束还提供了TOT中无法提供的附加信息，从而可以进行更精确的测量。可以考虑几种实现这些形式的方法，并且这些方法在美国专利7,746,469的参考书目中列出的参考文献中有所介绍。这些参考文献的全部内容通过引用被并入本文。在US7,746,469中描述的光学装置包括单个前视检测器。通过暗线的调制深度针对小粒子测量粒度，并且通过相互作用的宽度测量针对大粒子测量粒度。光学装置还包括扫描仪。扫描速度远高于粒子速度，因此粒子速度可被视为忽略不计；并且，因此可以由光束速度、相互作用信号的相互作用宽度和调制深度以及光束的宽度来确定粒度。专利申请US2015/0260628的主题(其通过引用被全文并入本文)是用于粒度和浓度测量的方法和设备，其改进了US7,746,469中描述的方法。参考图2，其是系统的示意图。图2示意性地示出了US2015/0260628中描述的测量系统。图2所示的系统包括产生高斯光束的激光器20；球面透镜22和24，它们一起使光束准直并充当光束扩展器26；相位掩模28，其将高斯激光束转换成具有线奇点的结构化的暗光束；收集后方散射光的分束器30；聚焦透镜32，其将暗光束聚焦在比色杯34内，含粒子36的液体或空气沿箭头Y的方向流过比色杯34；以及两个水平前向检测器38和40(为清楚起见，旋转到纸平面)。要注意的是，在气载粒子的情况下，承载粒子的空气流不必限制在比色杯中。在聚焦透镜32的焦点中的来自粒子36的后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于粒度和浓度分析的光学系统，所述光学系统包括：/n(a)至少一个产生照明光束的激光器；/n(b)聚焦透镜，其将所述照明光束聚焦在粒子上，所述粒子相对于所述照明光束以与所述照明光束成已知角度地移动通过所述聚焦透镜的聚焦区域；/n(c)至少两个前视检测器，其检测粒子与所述照明光束在所述聚焦透镜的所述聚焦区域中的相互作用；/n其中，所述聚焦透镜是形成聚焦区域的圆柱形透镜，所述聚焦区域：(i)在所述粒子和所述照明光束之间的相对运动的方向上是窄的，并且(ii)在垂直于由所述系统的光轴以及所述粒子和所述照明光束之间的相对运动的所述方向所限定的平面的方向上是宽的；/n其中，所述两个前视检测器中的每一个均由两个分段的检测器线性阵列组成。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171026 US 62/577,4031.一种用于粒度和浓度分析的光学系统，所述光学系统包括：
(a)至少一个产生照明光束的激光器；
(b)聚焦透镜，其将所述照明光束聚焦在粒子上，所述粒子相对于所述照明光束以与所述照明光束成已知角度地移动通过所述聚焦透镜的聚焦区域；
(c)至少两个前视检测器，其检测粒子与所述照明光束在所述聚焦透镜的所述聚焦区域中的相互作用；
其中，所述聚焦透镜是形成聚焦区域的圆柱形透镜，所述聚焦区域：(i)在所述粒子和所述照明光束之间的相对运动的方向上是窄的，并且(ii)在垂直于由所述系统的光轴以及所述粒子和所述照明光束之间的相对运动的所述方向所限定的平面的方向上是宽的；
其中，所述两个前视检测器中的每一个均由两个分段的检测器线性阵列组成。


2.根据权利要求1所述的系统，
其中，所述系统被配置为对来自表面的反射进行操作以检测所述表面上的粒子。


3.根据权利要求1所述的系统，
其中，所述系统被配置为对来自晶片表面的反射进行操作以检测所述晶片表面上的粒子。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，还包括：
后向散射检测器，用于执行后向散射检测和/或用于穿过比色杯的粒子的焦点确定。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，还包括：
后向散射检测器，用于对所述粒子进行颜色分析。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，还包括：
后向散射检测器，用于执行能够在有机粒子和无机粒子之间进行区分的荧光检测。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，包括：
二向色镜，用于检测后向散射和荧光。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，包括：
粒子速度测量单元，用于根据所述粒子穿过暗光束的两个峰的飞行时间来确定粒子速度。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，
其中，所述系统被配置为以双路径模式操作，所述双路径模式通过所述粒子与传播光束和反射光束的两个相互作用的叠加来增强检测。


10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，
其中，两个镜子形成谐振器，所述谐振器实现信号的多个路径，并从而实现增强的信号。


11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，
其中，所述系统利用交叉偏振以：(i)消除激光背景信号，(ii)受益于粒子的双折射，并且(iii)实现暗场检测。


12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，还包括：
在检测中具有周期性的双阵列的数据采集子系统，用于实现小粒子和大粒子的检测。


13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，还包括：
模式匹配单元，用于执行(i)综合产生的潜在相互作用的阵列与(ii)实际相互作用的模式匹配，并能够通过利用模式匹配而以较低的SNR比率进行粒子检测。


14.根据权利要求1至13中任一项所述的系统，
其中，所述系统利用暗光束。


15.根据权利要求1至13中任一项所述的系统，
其中，所述系统利用高斯光束。


16.根据权利要求1至13中任一项所述的系统，
其中，所述系统利用暗光束和高斯光束。


17.根据权利要求1至16中任一项所述的系统，
其中，所述系统利用多个不同的波长。


18.根据权利要求1至17中任一项所述的系统，
其中，所述系统利用多个不同波长与色差物镜来增强相互作用体积。


19.根据权利要求1至18中任一项所述的系统，
其中，所述系统利用多个不同波长与消色差物镜来获得关于所述粒子的更多信息。


20.根据权利要求1至19中任一项所述的系统，
其中，所述系统被配置为双路径装置，所述双路径装置包括暗光束(DB)中的双路径和公共路径干涉仪；
其中，入射光束(泵)穿过方解石，并分成两个光束，所述两个光束是在时间上具有短暂延时的平行偏振光束和垂直偏振光束；
其中，所述垂直偏振光束(引导光束)与所述粒子相互作用；
其中，所述平行偏振光束不与所述粒子相互作用；
其中，所述两个光束被第二晶体重组，并且其中，它们的干涉在所述检测器上(暗场布置)被监测。


21.一种粒子检测系统，包括：
用于使包含粒子的流体流动的流动池；
用于产生电磁辐射光束的光源；
用于接收所述电磁辐射光束的光束成形光学系统；所述光束成形光学系统用于产生变形光束并将所述变形光束的至少一部分引导通过所述流动池；
与所述流动池和所述光源光学通信的至少一个光学检测器阵列；
其中，所述光源将所述电磁辐射光束引导至光学透镜，从而产生所述变形光束，其中，所述变形光束的被引导通过所述流动池的部分被提供到所述至少一个光学检测器阵列，所述至少一个光学检测器阵列测量所述变形光束的所述部分和存在于所述流动池中的粒子的相互作用，从而产生对应于所述至少一个光学检测器阵列的元件的多个单独的信号；和
分析器，用于由指示所述粒子的所述单独的信号来产生差分信号。


22.根据权利要求21所述的粒子检测系统，
其中，所述光束成形光学系统包括一个或多个圆柱形透镜。


23.根据权利要求21至22中任一项所述的粒子检测系统，
其中，所述至少一个光学检测器阵列被定位成接收前向传播的电磁辐射。


24.一种粒子检测系统，包括：
用于使包含粒子的流体流动的流动池；
用于产生电磁辐射光束的光源；
与所述流动池和所述光源光学通信的光学转向系统，用于引导所述光束至少两次通过所述流动池；其中，在所述流动池中的所述粒子在每次通过所述流动池时与所述光束的不同部分相互作用；
光学检测系统，用于从所述流动池将电磁辐射接收到至少一个光学检测器阵列上，以由与所述光束的相互作用来产生多个单独的信号；和
分析器，用于由指示所述粒子的所述单独的信号来产生差分信号。


25.根据权利要求24所述的粒子检测系统，
其中，所述光学转向系统引导所述光束至少四次通过所述流动池。...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼尔·卡拉西科夫，奥利·温斯坦，肖姆·施瓦茨，迈赫兰·瓦赫达尼·穆加达姆，乌里·迪宾，
申请(专利权)人：粒子监测系统有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US