CN111247418A - 粒子测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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。

技术领域

本发明涉及测量粒度和浓度的领域。更具体地，本发明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。

背景技术

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Terry Alan的“粒度分析导论”(1)和N.Stanley-Wood和Roy W.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Bruce Weiner、Walter Tscharnuter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(US 7,746,469，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US 7,746,469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)。该公布涉及本发明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发明的主要关注点。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US 7,746,469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US 2015/0260628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US 7,746,469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US 2015/0260628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的后向散射辐射被聚焦透镜32收集、固有地被准直、被分束器30反射并通过汇聚透镜42被引导，该汇聚透镜42通过针孔44将辐射聚焦到后向散射检测器上46。

参考图3，其是示出检测器的定位的示意图。检测器38和40相对于照明暗光束图案的定位在图3中示出。在图3中，Z轴是垂直于纸平面的光轴；Y方向是在纸面上垂直于Z方向的粒子流动方向；并且X方向也在纸平面上垂直于Z。如图所示，两个检测器在沿Y方向上的不同位置处位于X-Y平面中，Y方向平行于在暗线14的每一侧上对称分布一个暗光束线奇点；其中检测器38被定位成部分地覆盖强度波瓣12；并且检测器40被对称地定位成部分地覆盖暗光束的强度波瓣12′。参照图3，当粒子从顶部到底部横穿光束时，输出强度图案被修改，并且检测器感测相位的偏移。基本上，来自横穿一个波瓣的小粒子的微小散射以零差模式与第二波瓣相互作用。由于散射在检测之前在空间上是分开的而不是集成的，因此这会产生更高的灵敏度和附加信息。

检测器间距可以通过使其与暗光束的最大强度梯度对齐而被优化、修改或配置而用于灵敏度。出于各种分析目的，可以将检测器信号记录为：(a)单独的信号；(b)两个检测器信号中的差分信号；(c)两个检测器信号的总和。将两个检测器的信号相减可消除常见噪声、例如激光噪声，并且因此相比于使用US 7,746,469的系统进行的测量提高了测量的灵敏度。

检测到的信号是由相位差产生的，并且其尺寸相关性通常为r^2.5。

下表以及图14的PSL(聚苯乙烯胶乳)珠上的曲线1401和1402中显示了r^2.5的信号相关性。

来自两个前向检测器38和40的信号之间的延迟用于导出关于沿光轴Z的位置的信息，在该位置处发生与粒子的相互作用；并且，因此，提高了准确性；因为如果知道沿光束传播方向的位置，那么就知道该位置处的相应光束分布，并且可以在根据相互作用信号对光束分布进行反卷积而确定粒度时产生更高的准确度。可替代地，该延迟可以用于抛弃不与焦点处的光束相互作用的粒子。在专利US 7,746,469中，对不通过暗光束的焦点的粒子的测量的抛弃是基于相互作用信号的斜率，这较为不准确。它需要知道粒子的相对速度。在专利申请公开US 2015/0260628中，可以基于两个检测器上的两个波瓣之间的渡越时间(例如，已知的波瓣之间的距离除以信号之间的时间)来推导出速度而无需任何扫描。与扫描光束相比，这通常会产生更低的噪声和更高的灵敏度。

后向散射检测器46由粒子与通过针孔44的暗光束的相互作用来检测后向散射。由于针孔44，该检测是共焦的，并且后向散射检测器46将仅检测到恰好在暗光束焦点中移动的粒子。来自后向散射检测器的信号提供了附加信息，包括：通过强度、宽度和调制获得的关于粒度的附加信息；粒子的反射特性；照明光束产生的荧光(假定选择了合适的波长)；并且当与来自两个前向检测器的信号结合时，可以用作高分辨率一维共焦扫描显微镜，和/或可以通过聚集他们相互作用的本质来揭示用于表征特定粒子和/或对各个粒子进行分类的信息。

US 2015/0260628的设备的另一个改进是，如上所述，在系统中使用两个前向检测器消除了扫描的必要性，并且如上所述，可以使用固定光束来进行测量，以测量粒子的速度。这是通过测量粒子在焦点区域中通过的速度(两个检测器信号之间的延迟＝0)来实现的，在该区域中，波瓣之间的间隙是已知的。当粒子与该间隙相比较小时，而且对于较大的粒子(间隙显示为渐变信号斜坡，在上升时间和下降时间的中间处于平稳状态)，这很容易实现。

在US 7,746,469和US 2015/0260628中描述的方法的局限性在于，照射光束的光斑尺寸仍然是高度聚焦，并因此与粒子的相互作用速率低，并且该方法通常对于相对较高的粒子浓度是有效的。

发明内容

因此，本发明的目的是概述一种系统和方法，该系统和方法提供对透明液体和气体中的低浓度污染物的粒度和浓度的准确测量，同时保持上述技术的优点，和/或有助于半导体和制药工业中清洁液体和空气中所需的尺寸灵敏度低至20nm范围即以下。本发明的另一个目的是概述和解释几种配置，以实现低至7nm PSL及甚至更低的改善的检测灵敏度。

随着描述的进行，本发明的其他目的和优点将显而易见。

本发明涵盖基于与暗光束的相互作用来增强粒子检测性能的各个方面。本发明涵盖的方面例如是：用于低浓度检测的装置和机构；用于使用多个波长来确定或检测或估计更多信息的装置和机构；用于不同光束轮廓的装置和机构；用于使用双路径和多路径检测提高灵敏度的装置和机构；通过偏振减少噪声的装置和机构，包括在两个偏振之间或两个偏振分量之间产生延迟的装置和机构；用于进行聚类-后向散射、多色相互作用的装置和机构；用于相位和幅度分离分析的装置和机构；和/或用于使用模式识别在低信噪比(SNR)下进行检测的装置和机构。

在一个方面，提供了一种粒子检测系统，包括：i)用于使包含粒子的流体流动的流动池；以及ii)用于产生电磁辐射光束的光源；iii)用于接收电磁辐射光束的光束成形光学系统；该光束成形光学系统用于产生变形光束并引导变形光束的至少一部分通过流动池；iv)与流动池和光源光学通信的至少一个光学检测器阵列；其中，光源将光束电磁辐射引导到光学透镜，从而产生变形光束，其中，变形光束的被引导通过流动池的部分被提供给至少一个光学检测器阵列，该光学检测器阵列测量在变形光束的部分和存在于流动池中的粒子之间的相互作用，从而产生与至少一个光学检测器阵列的元件相对应的多个单独信号；v)分析器，用于由表示粒子的单独信号产生差分信号。

光束成形光学系统可包括一个或多个圆柱形透镜。所述至少一个光学检测器阵列可以被定位成接收前向传播的电磁辐射。

一方面，提供了一种粒子检测系统，其包括：a)用于使包含粒子的流体流动的流动池；b)用于产生电磁辐射光束的光源；c)与流动池和光源光学通信的光学转向系统，用于引导光束至少两次通过流动池；其中，光束在每次单独通过流动池时流动池中的粒子与光束的不同部分相互作用；d)光学检测系统，用于将电磁辐射从流动池接收到至少一个光学检测器阵列上，以由与光束的相互作用产生多个单独的信号；e)分析器，用于由表示粒子的单独信号产生差分信号。

光学转向系统可引导光束至少四次、至少六次或可选地至少八次通过流动池。光学转向系统可以包括用于改变光束的偏振状态的半波片、四分之一波片或两者。

分析器可以在时域中分析差分信号。分析器可以基于差分信号对粒子进行计数。分析器可以表征粒子的尺寸。

电磁辐射光束可以是高斯光束、非高斯光束、结构化的非高斯光束、暗光束或结构化的暗光束。变形光束可以是顶帽光束、高斯光束或结构化的暗光束。

本文所述的粒子检测系统和方法还可包括与流动池光学通信的至少一个后向散射检测器。后向散射检测器可以检测粒子的反射率。后向散射检测器可以检测粒子的荧光。后向散射检测器可用于确定粒子是生物的还是非生物的。

至少一个光学检测器阵列可以是分段的线性检测器阵列。差分信号可以由粒子检测系统以模拟方式产生。

本文描述的粒子检测系统和方法可以进一步包括处理器。差分信号可以由处理器产生。处理器可以将每个输出差分信号与对应于粒子的预先产生的已知信号的库进行比较，以确定每个输出信号是否对应于粒子检测事件或激光噪声。处理器可以使用傅立叶变换或快速傅立叶变换将每个输出差分信号转换到频域。

在一个方面，提供了一种用于检测粒子的方法，该方法包括：i)提供与流动池光学通信的至少一个光学检测器阵列；ii)产生一个或多个电磁辐射光束；iii)使用光束成形光学系统对一个或多个电磁辐射光束进行成形以产生变形光束，并且使得变形光束的至少一部分被引导通过流动池并被提供到至少一个光学检测器阵列上；iv)使流体流过流动池，从而产生在变形光束和存在于流体中的粒子之间的相互作用；v)使用至少一个光学检测器阵列检测与粒子与变形光束在流动池中的相互作用，从而产生对应于至少一个光学检测器阵列的元件的检测器输出信号；vi)基于两个或更多个检测器输出信号产生差分信号；以及vii)分析差分信号以检测和/或确定粒子的一个或多个特征。

在一个方面，提供了一种用于检测粒子的方法，该方法包括：i)提供至少一个光学检测器阵列和用于使粒子流动的流动池；ii)产生至少一个电磁辐射光束并将光束引导至光学转向系统；iii)使用光学转向系统引导光束，以使光束至少两次通过流动池；iv)使流体流过流动池，从而产生光束与流体中的粒子之间的相互作用，其中，在每次单独通过时，粒子与光束之间的相互作用发生在光束的不同部分中；v)将光束引导到至少一个光学检测器阵列上，以根据粒子与光束之间的相互作用来产生多个检测器信号；vi)基于多个检测器信号来产生差分信号；vii)分析差分信号以检测和/或确定粒子的一个或多个特征。

分析差分信号的步骤可以在时域中执行。电磁辐射光束可以是高斯光束、非高斯光束、结构化的非高斯光束、暗光束或结构化的暗光束。变形光束可以是顶帽光束、高斯光束或结构化的暗光束。

光束成形光学系统可包括一个或多个圆柱形透镜。至少一个光学检测器阵列可以是分段线性检测器阵列。

分析差分信号的步骤可以包括将差分信号与对应于粒子的预先产生的已知信号的库进行比较，并确定差分信号是否对应于粒子检测事件或激光噪声。分析差分信号的步骤可以包括使用傅立叶变换或快速傅立叶变换将差分信号转换到频域。分析差分信号的步骤可以包括表征粒子，例如，对粒子计数、确定粒子的尺寸或这两者。

另外，本文描述的其他实施例和系统可以被有用地并入所描述的方法中。

如本文所用的“变形光束”是指电磁辐射光束，其特征在于在一个以上空间维度上的独立的光功率。变形光束可以在一个以上的空间维度上具有不同的光功率。变形光束在与流动池的截面面积(例如，x-y平面，如果粒子在z方向上流动则穿过该x-y平面)相对应的两个空间维度上可具有独立且不同的光功率。

“光学检测器阵列”是指单个检测器元件的组或阵列，例如，光电检测器或光电二极管的一维或二维阵列。

参考附图通过以下对本发明实施例的示例性和非限制性描述，将进一步理解本发明的所有上述和其他特征和优点。

附图说明

图1示出了高斯光束和暗光束的二维强度分布。

图2示意性地示出了现有技术的粒子监测系统。

图3示意性地示出了在图2的系统的前向检测器的检测器平面中相对于照明暗光束图案的位置。

图4示意性地示出了本发明的粒子监测系统的实施例，其中聚焦区域细长并且汇聚光学器件将波瓣投射到检测器阵列上，然后将其连接到DAQ(数据采集板或子系统)。

图5示意性地示出了根据本发明的在被双检测器阵列部分覆盖的检测平面处的光束的两个波瓣，并且其中，在该阵列中，每对用作图3的检测器38和40。

图6示意性地示出了根据本发明的用于检测和测量晶片的表面上或其他表面上的小粒子的尺寸和浓度的光学装置的实施例。

图7示意性地示出了根据本发明的与图6的光学装置所使用的扫描方向。

图8A、图8B和图8C示意性地示出了根据本发明的具有线焦点的汇聚光学器件，其在Y方向上进行傅立叶变换(FT)并且在X方向上进行成像。

图9是根据本发明的基于具有两个波长或具有多个波长的US 2015/0260628的方法来实施修改的装置的系统的示意图。

图10示意性地示出了根据本发明的单路径检测方案以及改进的双路径和多路径检测方案。

图11示出了根据本发明的双路径系统的实施例的示例性实施方式的标记照片。

图12示意性地示出了根据本发明的荧光检测方案。

图13示意性地示出了根据本发明的通过偏振进一步增强SNR的方法。

图14示出了根据本发明的示出信号依赖性的两个图表的示意图。

图15示出了根据本发明的在一个信道上检测到的相互作用的示例。

图16示出了根据本发明的差分信号的示例，其示出了顶部和底部PDA元件之间的差。

图17示出了根据本发明的由一算法检测的匹配图案形状。

图18示出了根据本发明的滤波器参数。

图19示出了根据本发明产生的相互作用散射绘图。

具体实施方式

为了提高对于透明液体或气体中低浓度污染物的测量灵敏度，发明人已经通过将透镜32从球形透镜改变为圆柱形透镜而修改了图2的光学系统。在图5中示意性地示出了其实施例的本发明中的光能分布包括具有暗线奇点的线焦点。实现更高水平的变形光束轮廓的其他光学设计是本发明的一部分，包括在X方向上的顶帽线分布。聚焦光束与粒子相互作用，与上面对圆形焦点的解释相同，然后投射到检测器阵列上，并从而通过呈上面在图3中示例和解释的形式的多个检测器对实现平行检测。可以在聚焦区和检测器之间使用图4中示意性示出的附加圆柱形汇聚光学器件，以使光束轮廓与检测器尺寸匹配。镜头可用于例如在X方向上创建成像并在Y方向上创建傅立叶变换。在图8A中示意性地示出了这种透镜设计的例子；在图8B中进一步示出了在4mm的检测器上在X方向上的成像，并在图8C中进一步示出了在Y方向上的傅立叶变换。

结果，如果如图2中那样，图4中Z轴是纸平面中的光轴，Y轴是垂直于Z方向且也在纸平面中的粒子流向，且X方向垂直于纸平面，则照明光束在与粒子相互作用的位置处的焦点在Y方向上非常尖锐，并且在X方向上是相对细长的线，其理想情况下沿X方向(其是暗线奇点的方向)具有顶帽分布(用于在优选方向上实现平坦的能量分布的光学设计)。在由发明人构建和测试的系统中使用的焦点的示例性但非限制性的尺寸是：在Y方向上为1微米的暗光束，在X方向上为120微米的顶帽。在发明人已经建立并使用来测试该方法的系统的具体实施例中，检测器阵列由32对Si PIN光电二极管检测器元件构成。因此，对于前向检测器，每对元件成像120/32≈4微米。

在X方向上，检测器看到光束的图像，并且对于上述其中检测器阵列是4mm长的示例性实施例，聚焦区的120微米宽度被放大到4mm。在Y方向上，图3的前向散射检测器或图6的后向检测器(参见下文)参见光束的傅立叶变换(远场)。

这样可以在不影响Y方向上的空间分辨率的情况下在该方向上扩展焦点，因为粒子在Y方向上流动，并因此仅与光束的窄边相互作用。

即使基于US 7,746,469和US 2015/0260628中提到的奇点和零差方法，在120 x1micron²聚焦区域中尝试检测10-20个纳米粒子时，信噪比(SNR)和对比度也面临着巨大挑战。本发明中为了克服这个问题，在图5所示的系统中，图2所示的两个前向水平检测器38和40被检测器38*和40*的两个分段匹配的线性阵列所代替。

图5象征性地示出了检测器阵列38*和40*相对于暗线14的位置以及暗光束在检测器平面中的两个波瓣12和12’的峰强度区域。使用来自暗线两边的检测器元件的相应对(例如，图5中的1a和1b)的信号来进行测量。这样，在阵列中的对上方便进行平行检测，同时保持相同的空间分辨率；并且，只要焦点区域中的激光功率密度与图2中的相似，就可以实现相同的信噪比。因此，聚焦光束的相互作用速率通常通过等于检测器对的数量的因子而增加。

在本新颖的发明中，图2中所示的后向散射检测器46可以扩展成检测器46*，其可以是单个检测器，例如在现有技术系统中的后向散射检测器46，但是使用两个检测器46*a和46*b是有利的，以便能够测量差分信号，并从而减少随机噪声的影响。在系统的该实施例中，可以被并入到诸如图2的系统中的两个检测器46*a和46*b可以仅仅是高灵敏度检测器(例如，PMT或APD)的单个检测器或双检测器，以覆盖线焦点的图像。后向散射处于暗场中，因此通常不需要检测器阵列来减少背景拍摄噪音。但是，类似于前向检测器38*和40*的分段线性阵列可以被考虑用于其他益处，例如具有高灵敏度的连续区域或流映射，和/或与前向检测器阵列一样用于提高的检测速率和聚类(clustering)。

图6示出了具体实施例，其中粒子在Si晶片的表面上。晶片是反射性的，并且因此检测器阵列58在位置上等效于前向散射，其中光束两次穿过粒子而被反射回。在该配置中，检测器阵列58测量两次穿过粒子之后从晶片反射的前向散射与后向散射之和。如上所述，使用线焦点和分段线性阵列检测器来测量后向光束对于低浓度的粒子尤其有用，因为线焦点的覆盖区域更大。通常，可以在几分钟内完成整个晶片覆盖以检测10nm或更小粒子，从而符合每小时10-20个晶片的速率，同时获得更高的分辨率。实施例的一个示例是顶帽宽为0.5mm，晶片相对于光束的扫描速度为1m/sec。这将产生500mm^2/sec的检测面积；并且对于300毫米的晶片，不到3分钟即可完全覆盖。

DAQ：

为了处理来自检测器的输出，发明人开发了专用的数据采集系统(DAQ)和算法。每个光电二极管的输出被馈送到DAQ的64个输入信道中的一个，其尤其包括低噪声前置放大器、提供触发输出的组件、缓冲器以及每对中两个检测器之间的接口板，以允许输出信号的多路复用或不同事件的传输。

例如，在一个实施例中，DAQ系统包括四个板，并利用检测器元件及其与DAQ的连接的智能排序算法，其中检测器1、2、3、4被引导至不同的采集板，并且然后，信道5、6、7、8被引导至相同的采集板。通常，在DAQ中完成阈值化，并且只有在阈值触发事件之前和之后的可配置持续时间的数据包才会传输到计算机或处理器以进行进一步处理。每个数据包都附有准确的时间戳，因此可以基于相互作用的数量和已知的相互作用的区域/体积来计算事件的集中度。这种方法在低浓度时很有用，其中四个相邻检测器对中的很少有超过一个会遇到相互作用。DAQ的这种拓扑结构使得，例如，如果大粒子通过检测器并使得检测器元件的多达四个相邻对产生信号，则数据采集将分开成使得来自第一对元件的信号元素进入信道1，来自第二对的信号进入信道2，来自第三对的信号进入信道3，来自第四对的信号进入信道4，来自第五对的信号再次进入信道1，来自第六对的信号再次到达信道2等。通过这种方式，可以在较大的粒子上信息收集，这些粒子的相互作用被记录在具有紧密时间戳的多个信道中。

传输到外部处理器或计算机以进行进一步处理的数据非常有效，并且仅包含相互作用信息。低浓度情况下的大多数时间里不会有相互作用，也不会有数据超过阈值而要被传送给处理器。浓度限制使得两个粒子要么无法同时在检测器的前面统计上通过，要么算法能够检测到这一点并且忽略除单个粒子检测之外的所有检测结果。

在较高浓度的情况下，策略是将所有数据传输到外部处理器进行分析，因为大多数时间会出现相互作用信号。与高浓度检测有关的实施例是在每对中的两个检测器之间相减的差分前置放大器。该实施例允许相互作用信号的初始阈值化。例如，在要检测粒子的大尾部的情况下，例如在CMP应用(化学机械抛光浆料)中，这是相关的。在这种情况下，可以通过相互作用强度对相互作用进行光学过滤，以消除大量的小粒子相互作用。

差分信号的另一个优点是可以拒绝常见的噪声，从而允许更低的阈值化水平，并从而提高对小粒子的灵敏度。

当然，上面提到的所有DAQ高级功能都适用于差分信号，从而允许进一步的处理。

信号识别算法可以确定粒度、类型和浓度。该算法的描述如下：

低SNR的模式匹配：

图15示出了在一个信道上检测到的相互作用的示例1501。

可以看到正信道和负信道(正信道和负信道是来自PDA处的单个对中的两个检测器的读数)具有一定的关系结构。

图16示出了差分信号的示例1601，其是它们的差；例如，演示顶部和底部PDA元件之间的差。

差分信号的噪声小于两个检测到的信道(正和负)。为了在较低的SNR条件下检测相似的信号，发明人使用了基于匹配滤波器的模式识别，并对滤波器组进行差分信号的卷积：

y_k(t)＝x(t)*h_k(t)

其中x(t)是差分信号；h_k(t)是一个特定的匹配过滤器；y_k(t)是输出。

将所有滤波器h_k(t)归一化为单位能量。

由于信号x(t)的形状取决于光束结构、粒子大小以及XYZ空间中相对于焦点的相互作用位置，因此我们创建了大量的匹配滤波器h_k(t)，其将来在不同的相互作用的情况下可被替换。

为了检测不同的信号，使用可变延迟和匹配滤波器的宽度，如图17的示例1701所示的，示出了在算法中的匹配模式形状。

实际上，滤波器组可用作非正交基础，其跨越信号子空间。在有关稀疏信号表示的论文中概述了主要思想。相关的综述是Alfred M.Bruckstein、David L.Donoho和MichaelElad的出版物：“从方程组的稀疏解到信号和图像的稀疏建模”，SIAM综述(2009年)–工业和应用数学学会，第51卷第1期第34-81页，其在此以引用的方式被全文并入。

本发明可以通过高斯函数的导数来表示每个传感器响应，例如：

其中幅度值被忽略。

由于存在相互作用的两个波瓣，因此总滤波器响应h(t)为：

其中假设波瓣围绕零对称，并且它们的平均响应为f_m(t)和f_-m(t)。

由于相互作用可以发生在Z轴上的任何位置中，因此该算法可以处理不同的m和σ，其分别称为延迟参数和宽度参数。为了从未知的Z距离进行检测，生成了一组滤波器h_k(t)；其中k描述特定的对{mk,σk}。每个滤波器被设计为具有如在图18的示例1801中所解释和示出的用于正数据信道和负数据信道的特定延迟和宽度参数，以示出滤波器参数。

计算每个输出信号y_k(t)的绝对值，并将最大值与阈值进行比较(例如，可以由分析软件设置)。在阈值以上产生最大响应的滤波器的参数用作延迟和宽度的指示器。幅度取自最大y_k(t)。

基于用于所有相互作用的最佳匹配滤波器参数，可以计算或生成直方图；例如图19的示例1901，示出了相互作用散射绘图。

本发明的方法适合于测量气载和液载样品，并且发明人已经成功地对这两种情况进行了测试。实验装置使用电喷雾来产生纳米粒子。结果如下表所示：

可以使用本发明的方法的一些应用示例是：用于监测制药和半导体工业中超纯水或其他液体的质量，以及洁净室中的环境空气。应当指出，在气载粒子的情况下，携带粒子的空气流可以(但不必一定)被限制在比色杯中，并且如上所述，可以通过固有的相互作用信息来确定粒子速度。

除了气载粒子和液载粒子的测量外，本发明的系统和方法还可用于检测并测量表面上小粒子的尺寸和浓度。将该方法用于此类测量的示例性示例可以在半导体工业中找到，其中极重要的是检测并识别在制造过程中待被用作基板的裸晶片的表面上或掩模版上的灰尘和其他微观粒子的存在、浓度和尺寸。

图6示意性地示出了用于检测和测量晶片54的表面上的小粒子的尺寸和浓度的光学装置的实施例。由激光器20发射的光穿过光束隔离器48、具有或不具有用于产生暗线奇点的配置的聚焦光学器件50、以及分束器52到达晶片54。从晶片54的表面反射的光被分束器52分成两部分。第一部分穿过聚焦透镜50，并被光束隔离器48吸收。反射光的第二部分穿过汇聚光学器件56，并被前视分段线性检测器阵列58检测。来自检测器的光信号如上所述由反射的前向散射和后向散射构成。图6仅显示了例示该方法的应用的必要元件。未示出用于形成暗光束或线性焦点的光学元件。检测器阵列58包括两个检测器阵列(双阵列)，例如，如图4和图5所示。

图7示意性地示出了图6的光学装置使用的扫描方向。Z轴是入射光轴；X轴为暗光束方向；Y轴是扫描方向。晶片54位于X-Y扫描台上。可以使用可选的Tip Tilt Z台，以确保晶片的成像部分是聚焦的。该方法和焦点反馈传感器可以基于运动行业中已知的常规实践来实施。

在扫描期间，晶片54沿Y方向移动，从而(静止的)暗光束60沿箭头方向在晶片54的表面上方有效地移动。为了覆盖晶片的整个表面，可以应用光栅、曲折(Meander)或其他扫描模式。实际上，由于阵列的位置经由扫描台的闭环控制是已知的，因此可以创建污染物的图像或分布图。

在US7,746,469、US2015/0260628和本专利申请中描述的方法可以进行许多修改和改进。例如如下所述。

(1)其他光束轮廓的使用：

尽管该方法已经被描述使用暗光束与粒子相互作用，但其可以使用与其他非高斯结构光束或高斯光束相同的光学装置加上必要的修改来执行。当使用暗光束时，背景信号较低，并且相应地，背景拍摄噪声较低；然而，对于给定的数值孔径，高斯光束的光斑尺寸较小，并因此相互作用信号在一些配置中可能更高。因此，在一些情况下，高斯光束可以产生更好的信噪比(SNR)。

研究表明，暗光束对于最佳光电二极管检测器、功率和光斑尺寸非常有效。暗光束的尺寸必须使得检测器接收光束每个波瓣的50％。为了受益于暗光束，信号必须足够强(辐照度)，以不受检测器噪声/DAQ分辨率的限制。光束的发散需要更多的激光功率。

黄金与PSL以及暗光束与高斯光束的对比分析：

黄金与PSL：数据表明，由PSL产生的信号主要是由于相位增强，而由黄金产生的信号也具有很强的模糊分量。

实验暗光束与高斯光束：与暗光束的相互作用信号比与高斯光束的相互作用信号强2.66。

(2)多个波长的使用：

代替如上所述使用一个照明激光器，光学系统的实施例包括两个或更多个照明激光器，每个照明激光器具有不同的波长。它们都具有相同的聚焦区，并且共享其测量截面中的一些。因此，通过在它们之间快速切换，并使检测与切换速率同步，不仅可以检测纳米粒子何时穿过光束，还可以基于附加光谱信息更好地表征其是什么类型的粒子。

这种多波长方法和系统的另一个实施例使用一个二向色分束器和两个检测器，因此不需要在激光器之间切换，从而使两个波长信号平行。将我们的暗光束测量方法扩展到具有不同波长(λ1、λ2)的两个暗光束，其沿着相同的光路被引导并聚焦到比色杯中心，如在图9的系统901中所示的。

在具有色差的物镜的情况下，由于每个波长沿光轴具有不同的聚焦区，因此我们增加了检测的截面。

在消色差物镜的情况下，可以将粒子-光束相互作用视为同一粒子的两个单独的相互作用。每个相互作用都将探索粒子在不同波长下的折射率，并提高SNR和基于其光谱行为表征粒子的能力。

(3)偏振的使用：

在本发明的其他实施例中，包括偏振光学元件以使得能够增强系统的性能并研究由偏振光揭示的粒子的性质。

经由交叉偏振器的检测允许检测到来自粒子的双折射信号，同时降低背景噪声。

(4)双路径/多路径检测方案的使用：

本发明的另一个实施例是通过粒子的光束的双路径或多路径(多元路径)，从而改善了信号电平。再次将相同的光束重定向成与比色杯中的相同粒子相互作用，并由此提高了SNR。

这在图10中示出，其示出了根据本发明的一些实施例的单路径装置1001、双路径(或二元路径)装置1002和多路径(或多元路径)装置1003。

在图10所示的实施例中，例如：标号1表示激光器(例如，激光发射器、激光发生器、激光束源)；标号2表示隔离器；标号3表示扩束器；标号4表示镜子；标号5表示相位掩模；标号6表示半波片；标号7表示镜子；标号8表示物镜；标号9表示比色杯；标号10表示汇聚光学元件；标号11表示检测器；标号12表示偏振光束分离器；标号13表示镜子；标号14表示四分之一波片；标号15表示半透明镜子。

对单路径、双路径和多路径之间的改进的解释如下。

散射计算：

对于与光束直径相比非常小的粒子，每次光束与粒子相互作用时信号都会增加。

其中：t为镜子的透射参数；r是反射率；S是信号。

对于半透明的镜子，我们可以要求：

t²十r²＝1

因此，我们可以写为：

信号＝2S(1+r)

可以显示出前向和后向散射都可以由1表示，因此可以写：

S＝S(前向散射)+S(后向散射)

对于小粒子，向前散射和向后散射具有相似的幅度；

因此，在一些实施例中，通过选择r→1，可以实现高达8倍的更好的SNR。

另一种解释涉及由传播光束和反射光束的相互作用而产生的驻波。这沿光轴产生能量的峰值和零值。峰值能量较高，并提供较高的功率密度和较高的SNR。该峰值沿光轴Z是窄的，但是这可以通过在X方向上延伸光束而被很好地补偿，

图11中示出了根据本发明的双路径装置的代表性实施方式的标记照片。

(5)荧光检测：

本发明的另一个实施例允许荧光检测。根据本发明，在图12的系统1201中示出了该概念和装置。

通过对激光器L使用短的波长(例如405nm照明)，可以从生物体产生荧光；并且此处的附加检测将允许在无机物和有机物之间更好地聚类和分离，从而用作高空间分辨率的流式细胞仪。

(6)偏振、延迟和干涉检测：

在上面介绍的干涉测量技术中，信号下降约为(近似等于)粒度的三次幂，而散射信号下降为六次幂。通过分析暗场而不是亮场，可以显著提高SNR。此外，可以通过对准分析器来单独分析相位和幅度。

本文描述了另一实施例。在暗光束(DB)双信道共通干涉仪系统中，入射光束(泵)穿过方解石，并分成为两个光束，即在时间上有短暂延时的平行偏振光束和垂直偏振光束。垂直偏振光束(引导光束)与粒子相互作用，而另一个没有相互作用。它们被第二晶体重组，并且它们的干涉在检测器上(或通过检测器)(暗场)被监测。

图13示意性地示出了根据本发明的通过偏振进一步增强SNR的方法。图13的系统1301示出了根据本发明的对双路径或多路径检测方案的偏振增强。

在图13中，例如：标号1表示激光器；标号2表示隔离器；标号3表示扩束器；标号4表示是镜子；标号5表示相位掩模；标号6表示半波片；标号7表示镜子；标号8表示BS偏振器(例如，分束器偏振器，或偏振分束器，或组合的分束器和偏振器)；标号9表示四分之一波片；标号10表示偏振片；标号11表示检测器；标号12表示四分之一波片；标号13表示偏振片；标号14表示方解石或方解石晶体；标号15表示物镜；标号16表示比色杯；标号17表示汇聚光学器件；标号18表示方解石或方解石晶体；标号19表示镜子。

如图13所示，在暗光束双通共路干涉仪中，与垂直方向成45度的偏振光束穿过方解石，并分成在时间上具有短暂延时(Δt)的两个正交偏振光束。由方解石的快光轴定义的垂直偏振光束在前面行进。在时间t处，单个纳米粒子将与光束相互作用，从而在两个偏振之间具有相移。两个光束都被第二方解石重组，并且它们的干涉在检测器上被监测。

由于这种干涉测量的暗场操作，检测的分辨率受到光子噪声的限制。此外，由于在该系统中散射场的幅度和相位响应是分开的，因此，可以提取隐藏在相位(散射)和幅度(吸收)中的信息。这可以通过仅调整偏振器和四分之一波片之间的角度来完成。

此干涉测量在零差(Homodyne)模式下运行，但也可以在反射模式(外差模式)下运行。在那种情况下，仅需要一个方解石晶体。

本发明的一些实施例包括用于粒度和浓度分析的光学系统，该光学系统包括：(a)至少一个产生照明光束的激光器；(b)聚焦透镜，其使所述照明光束聚焦在粒子上，该粒子相对于所述照明光束以与照明光束成已知角度的方式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，其检测粒子与照明光束在聚焦透镜的聚焦区域中的相互作用；其中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和照明光束之间的相对运动方向所限定的平面的方向上是宽的；其中，两个前视检测器中的每个检测器均由检测器的两个分段线性阵列组成。

在一些实施例中，系统被配置为对来自表面的反射进行操作以检测表面上的粒子。

在一些实施例中，该系统被配置为对来自晶片表面的反射进行操作以检测晶片表面上的粒子。

在一些实施例中，该系统进一步包括：后向散射检测器，用于执行后向散射检测和/或用于确定穿过比色杯的粒子路径的焦点。

在一些实施例中，该系统进一步包括：后向散射检测器，用于执行粒子的颜色分析。

在一些实施例中，该系统进一步包括：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。

在一些实施例中，该系统进一步包括：二向色镜，用于检测后向散射和荧光这两者。

在一些实施例中，该系统进一步包括：粒子速度测量单元，用于基于粒子穿过暗光束的两个峰的飞行时间来确定粒子速度。

在一些实施例中，该系统被配置为以双路径模式运行，该双路径模式通过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。

在一些实施例中，两个镜子形成谐振器，该谐振器实现信号的多个路径并从而实现增强的信号。

在一些实施例中，系统利用交叉偏振来(i)消除激光背景信号，和(ii)受益于粒子的双折射，以及(iii)实现暗场检测。

在一些实施例中，该系统进一步包括：在检测中具有周期性的用于双阵列的数据采集子系统，以使得能够检测小粒子和大粒子。

在一些实施例中，该系统进一步包括：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，并且通过利用模式匹配能够以较低的SNR比率进行粒子检测。

在一些实施例中，系统利用暗光束。

在一些实施例中，系统利用高斯光束。

在一些实施例中，系统利用暗光束和高斯光束两者。

在一些实施例中，系统利用多个不同的波长。

在一些实施例中，系统利用多个不同波长与色差物镜来增强相互作用体积。

在一些实施例中，系统利用多个不同波长与消色差物镜来获得关于粒子的更多信息。

在一些实施例中，该系统被配置为双路径装置，该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，它们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；其中垂直偏振光束(引导光束)与粒子相互作用；其中平行偏振光束不与粒子相互作用；其中两个光束被第二晶体重组，并且其中它们的干涉在检测器上(暗场布置)被监测。

本发明的系统可以可选地包括或者可以通过利用合适的硬件组件和/或软件组件来实施；例如，处理器、处理器核心、中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、GPU、电路、集成电路(IC)、控制器、内存单元、寄存器、累加器、存储单元、输入单元(例如触摸屏、键盘、小键盘、手写笔、鼠标、触摸板、操纵杆、轨迹球、麦克风)、输出单元(例如屏幕、触摸屏、监测器、显示单元、音频扬声器)、声学传感器、光学传感器、有线或无线的调制解调器或收发机或发射机或接收机、GPS接收机或GPS元件或其他基于位置或位置确定的单元或系统、网络元件(例如路由器、交换机、集线器、天线)和/或其他合适的组件和/或模块。本发明的系统可以通过利用同位组件、远程组件或模块、“云计算”服务器或设备或存储器、客户端/服务器架构，点对点架构、分布式架构和/或其他合适的架构或系统拓扑或网络拓扑而被可选地实施。

根据本发明的实施例，计算、操作和/或确定可以在单个设备内被本地执行，或者可以由多个设备执行或跨多个设备执行，或者可以通过可选地利用通信信道来交换原始数据和/或处理后的数据和/或处理结果而被部分本地和部分远程(例如，在远程服务器处)地执行。

尽管出于示例的目的，本文中的讨论的部分涉及有线链路和/或有线通信，但是一些实施例不限于此，而是可以利用有线通信和/或无线通信；可包括一个或多个有线和/或无线链接；可以利用有线通信和/或无线通信的一个或多个组件；和/或可以利用一种或多种无线通信的方法或协议或标准。

一些实施例可以通过使用不是通用计算机的专用机器或专用设备来实施，或者通过使用非泛用型计算机或非通用计算机或机器来实施。这样的系统或设备可以利用或可以包括不是“泛用型计算机”的一部分、也不是“通用计算机”的一部分的一个或多个组件或单元或模块，例如，蜂窝收发机、蜂窝发射机、蜂窝接收机、GPS单元、图形处理单元(GPU)、位置确定单元、加速度计、陀螺仪、设备定向检测器或传感器、设备定位检测器或传感器等。

一些实施例可以被实施为自动化方法或自动化过程或利用其而被实施，或被实施为机器实施的方法或过程，或被实施为半自动化或部分自动化的方法或过程，或被实施为可以由计算机、机器或系统或其他设备执行或进行的一组步骤或操作。

一些实施例可以通过使用可被存储在非暂时性存储介质或非暂时性存储物品(例如，CD-ROM、DVD-ROM、物理内存单元、物理存储单元)上的代码或程序代码或机器可读指令或机器可读代码来实施，从而使得程序或代码或指令在由处理器或机器或计算机执行时使该处理器或机器或计算机执行本文所述的方法或过程。这些代码或指令可以是或可以包括例如以下中的一项或多项：软件、软件模块、应用程序、程序、子例程、指令、指令集、计算代码、单词、值、符号、字符串、变量、源代码、编译代码、解译代码、可执行代码、静态代码、动态代码；包括(但不限于)以高级编程语言、低级编程语言、面向对象的编程语言、可视化编程语言、编译编程语言、解译编程语言、C、C++、C#、Java、JavaScriptSQL、Ruby on Rails、Go、Cobol、Fortran、ActionScript、AJAX、XML、JSON、Lisp、Eiffel、Verilog、硬件描述语言(HDL、BASIC、Visual BASIC、Matlab、Pascal、HTML、HTML5、CSS、Perl、Python、PHP、机器语言、机器代码、汇编语言等的代码或指令。

本文中的讨论使用的诸如“处理”、“计算机计算”、“计算”、“确定”、“建立”、“分析”、“检查”、“检测”、“测量”等的术语可以指可自主地操纵和/或将表示为寄存器和/或累加器和/或内存单元和/或存储单元内的物理(如电子)量的数据转换为其他数据或可以执行其他合适操作的处理器、计算机、计算平台、计算系统或其他电子设备或计算设备的操作和/或过程。

本文使用的术语“多数”和“多个”包括例如“多个”或“两个或更多个”。例如“多个项”包括两个或多个项。

参考“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“各种实施例”、“一些实施例”和/或类似的术语可以表示如此描述的实施例能可选择地包括特定的特征、结构或特性，但并不是每一个实施例都必定包括特定的特征、结构或特性。此外，在“一个实施例中”重复使用的短语不一定指同一实施例，尽管这是可能的。类似地，在“一些实施例中”重复使用的短语不一定指同一套或同一组实施例，尽管这是可能的。

本文所使用的，除非另有说明，用来描述一个项目或一个对象的诸如“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等序数形容词的使用仅仅表明这类项目或对象的不同实例被引用，而不旨在于暗示这样描述的项目或对象必须是以时间上、空间上、排名上或任何其他排序方式的特定的给定顺序。

一些实施例可以与单向和/或双向无线电通信系统、蜂窝无线电话通信系统、移动电话、蜂窝电话、无线电话、个人通信系统(PCS)设备、PDA或包含无线通信功能的手持设备、手机或便携式全球定位系统(GPS)设备、包含GPS接收机或收发机芯片的设备、包含RFID元件或芯片的设备、多输入多输出(MIMO)收发机或设备、单输入多输出(SIMO)收发机或设备、多输入单输出(MISO)收发机或设备、有一个或多个内部天线和/或外部天线的设备、数字视频广播(DVB)设备或系统、多重标准无线电设备或系统、有线或无线手持设备(如智能手机)、无线应用协议(WAP)设备或类似设备结合使用。

一些实施例可以包括“app”或应用程序,或者可以通过使用这些“app”或应用程序来实施，“app”或应用程序可从“app商店”或“应用商店”免费或收费地下载或获得，或者可以被预先安装在计算设备或电子设备上，或者可以以其他方式传输到和/或安装在这样的计算设备或电子设备上。

本文中参考本发明的一个或多个实施例描述的功能、操作、组件和/或特征可以与本文中参考本发明的一个或多个其他的实施例描述的其他功能、操作、组件和/或特征进行组合或可以结合地使用。因此，本发明可以包括本文描述的一些或所有模块或功能或组件的任何可能或合适的组合、重新布置、组装、重新组装或其他利用方式，即使它们以上讨论的不同的位置或章节中被讨论，或者即使它们跨越不同的附图或多个附图而被显示。

尽管本文已经示例和描述了本发明的一些示例性实施例的某些特征，但是本领域技术人员可以进行各种修改、替代、改变和等同物。因此，权利要求书旨在涵盖所有这样的修改、替换、改变和等同物。

参考书目/参考文献：

以下出版物通过全文引用被并入本文。本发明的实施例可以可选地包括或利用以下任何出版物中描述的任何组件、系统、方法和/或操作：

1.T.Allen，粒度分析，约翰威立国际出版公司；ISBN：0471262218；1983年6月。

2.W.Tscharnuter，B.Weiner和N.Karasikov，TOT理论。

3.R.Piestun和J.Shamir，“三维光场的合成及应用”，Proc.IEEE,第90(2)卷，220-244，(2002)。

4.R.Piestun和J.Shamir，“用衍射元件控制波前传播”，Opt.Lett.，第19卷，第771-773页，(1994)。

5.B.Spektor，R.Piestun和J.Shamir，“具有恒定陷波的暗光束”'，Opt.Lett.，第21卷，第456-458页，911(1996)。

6.R.Piestun，B.Spektor和J.Shamir，“3-D域中的非常规光分布”，J.Mod.Opt，第43卷，第1495-1507页，(1996)。

7.R.Piestun，B.Spektor和J.S hamir，“三维波场：分析和综述”，J.Opt.Soc.Am.A，第13卷，第1837-1848页，(1996)。

8.M.Friedmann和J.Shamir，``通过外推光学测量的表面轮廓光谱来提高分辨率”，Appl.Opt.，第36卷，第1747-1751页，(1997)。

9.R.Piestun，B.Spektor和J.Shamir，“具有扩展焦深的图案生成”，Appl.Opt.，第37卷，第5394-5398页，(1998年)。

10.N.Stanley-Wood，Roy W.Lines，粒度分析，皇家化学学会，ISBN：0851864872，1992。

11.Alfred M.Bruckstein，David L.Donoho和Michael Elad：“从方程组的稀疏解到信号和图像的稀疏建模”，SIAM评论(2009)–工业与应用数学学会，第51卷，第1期，第34-81页。

Claims (56)

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：

(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。

26.根据权利要求24至25中任一项所述的粒子检测系统，

其中，所述光学转向系统包括用于改变所述光束的偏振状态的半波片和/或四分之一波片。

27.根据权利要求21至26中任一项所述的粒子检测系统，

其中，所述分析器在时域中分析所述差分信号。

28.根据权利要求21至27中任一项所述的粒子检测系统，

其中，所述分析器基于所述差分信号对所述粒子进行计数。

29.根据权利要求21至28中任一项所述的粒子检测系统，

其中，所述分析器表征所述粒子的尺寸。

30.根据权利要求21至29中任一项所述的粒子检测系统，

其中，所述电磁辐射光束是高斯光束。

31.根据权利要求21至29中任一项所述的粒子检测系统，

其中，所述电磁辐射光束是结构化的非高斯光束。

32.根据权利要求21至29中任一项所述的粒子检测系统，

其中，所述电磁辐射光束是结构化的暗光束。

33.根据权利要求21至29中任一项所述的粒子检测系统，

其中，所述变形光束是顶帽光束或结构化的暗光束。

34.根据权利要求21至33中任一项所述的粒子检测系统，还包括：

与所述流动池光学通信的至少一个后向散射检测器。

35.根据权利要求34所述的粒子检测系统，

其中，所述后向散射检测器检测所述粒子的反射率。

36.根据权利要求34至35中任一项所述的粒子检测系统，

其中，所述后向散射检测器检测所述粒子的荧光。

37.根据权利要求34至36中任一项所述的粒子检测系统，

其中，所述后向散射检测器用于确定所述粒子是生物的还是非生物的。

38.根据权利要求21至37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是分段的线性检测器阵列。

39.根据权利要求21至38中任一项所述的粒子检测系统，

其中，所述差分信号是由所述粒子检测系统以模拟方式产生的。

40.根据权利要求21至39中任一项所述的粒子检测系统，

还包括：处理器。

41.根据权利要求40所述的粒子检测系统，

其中，所述差分信号由所述处理器产生。

42.根据权利要求40至41中任一项所述的粒子检测系统，

其中，所述处理器将每个输出差分信号与对应于粒子的预先生成的已知信号库进行比较，以确定每个输出信号是否对应于粒子检测事件或激光噪声。

43.根据权利要求40至42中任一项所述的粒子检测系统，

其中，所述处理器使用傅立叶变换或快速傅立叶变换将每个输出差分信号转换到频域。

44.一种用于检测粒子的方法，包括：

提供与流动池光学通信的至少一个光学检测器阵列；

产生一个或多个电磁辐射光束；

使用光束成形光学系统来成形所述一个或多个电磁辐射光束，以产生变形光束，并且使得所述变形光束的至少一部分被引导通过所述流动池并被提供到所述至少一个光学检测器阵列上；

使流体流过所述流动池，从而产生在所述变形光束和存在于所述流体中的所述粒子之间的相互作用；

使用所述至少一个光学检测器阵列来检测与所述粒子和所述变形光束在所述流动池中的相互作用，从而产生对应于所述至少一个光学检测器阵列的元件的检测器输出信号；

基于所述检测器输出信号中的两个或多个来产生差分信号；

分析所述差分信号以检测和/或确定所述粒子的一个或多个特征。

45.一种用于检测粒子的方法，包括：

提供至少一个光学检测器阵列和用于使粒子流动的流动池；

产生至少一个电磁辐射光束并将所述光束引导至光学转向系统；

使用所述光学转向系统引导所述光束，使得所述光束至少两次通过所述流动池；

使流体流过所述流动池，从而产生所述光束与所述粒子之间在所述流体中的相互作用，其中，所述粒子与所述光束之间的相互作用在每次通过时发生在所述光束的不同部分中；

将所述光束引导到至少一个光学检测器阵列上，以由所述粒子与所述光束之间的所述相互作用来产生多个检测器信号；

基于所述多个检测器信号来产生差分信号；

分析所述差分信号以检测和/或确定所述粒子的一个或多个特征。

46.根据权利要求44至45中任一项所述的方法，

其中，分析所述差分信号的步骤在时域中进行。

47.根据权利要求44至45中任一项所述的方法，

其中，所述一个或多个电磁辐射光束是高斯光束。

48.根据权利要求44至45中任一项所述的方法，

其中，所述一个或多个电磁辐射光束是结构化的非高斯光束。

49.根据权利要求44至45中任一项所述的方法，

其中，所述一个或多个电磁辐射光束是结构化的暗光束。

50.根据权利要求44所述的方法，

其中，所述光束成形光学系统包括一个或多个圆柱形透镜。

51.根据权利要求44至50中任一项所述的方法，

其中，所述变形光束是顶帽光束或结构化的暗光束。

52.根据权利要求44至51中任一项所述的方法，

其中，所述至少一个光学检测器阵列是分段的线性检测器阵列。

53.根据权利要求44至52中任一项所述的方法，

其中，分析所述差分信号的步骤包括：

将所述差分信号与对应于粒子的预先生成的已知信号库进行比较，并确定所述差分信号是否对应于粒子检测事件或激光噪声。

54.根据权利要求44至53中任一项所述的方法，

其中，分析所述差分信号的步骤包括：

使用傅立叶变换或快速傅立叶变换将所述差分信号转换到频域中。

55.根据权利要求44至54中任一项所述的方法，

其中，分析所述差分信号的步骤包括：表征所述粒子。

56.根据权利要求44至55中任一项所述的方法，

其中，表征所述粒子的步骤包括：

对所述粒子进行计数，或

确定所述粒子的尺寸，或

对所述粒子进行计数并且确定所述粒子的尺寸。

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