CN115836205A - 经由与入射光组合的散射光的颗粒检测 - Google Patents

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Abstract

公开了颗粒检测系统和方法。在一个实施方案中，一种颗粒检测系统包括发射入射束的入射束光源、设置在所述入射束的路径中的颗粒询问区、被设置为在所述入射束传递通过所述颗粒询问区之后检测所述入射束的光电检测器、用于发射泵浦束的泵浦束光源，所述泵浦束瞄准所述颗粒询问区，其中所述入射束、所述泵浦束和光电检测器被布置为使得所述光电检测器被配置为检测来自所述入射束的光、由于入射束在所述颗粒询问区中散射引起的散射光以及由于泵浦束在所述颗粒询问区中散射引起的散射光的组合。

Description

经由与入射光组合的散射光的颗粒检测
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2020年6月9日提交的第63/036,930号美国临时专利申请和2020年9月16日提交的第63/079,382号美国临时专利申请的权益和优先权，每个所述美国临时专利申请的全部内容据此通过引用并入。
背景技术
要求洁净室条件的技术的进步已经导致对越来越小的颗粒的检测和表征的需要。例如，微电子代工厂追求对大小小于20nm并且在一些情况下大小小于10nm的颗粒的检测，因为它们可能影响越来越灵敏的制造工艺和产品。类似地，对用于药物和生物材料的制造的无菌加工条件的需要要求对可存活颗粒和不可存活颗粒的准确表征以解决与健康和人类安全相关的合规标准。
通常，这些行业依靠用于检测和表征小颗粒的光学颗粒计数器。检测较小的颗粒的能力要求用于光学颗粒计数的新方法，诸如采用增加的激光功率、较短的激发波长和诸如冷凝核计数的更复杂的技术的系统，这进而可以大幅地增加能够检测纳米级颗粒的装置的成本和总体复杂度。这些新方法还会要求更频繁的校准和维护以提供必要的可靠性和再现性。
各种光学颗粒计数器是本领域已知的，例如，在第7,916,293号美国专利中提供了散射光光学颗粒计数器以及在第7,746,469号、第9.983,113号、第10,416,069号美国专利、公布号为2019/0277745和US 20170176312的美国专利以及PCT国际公布WO 2019/082186中提供了透射/消光颗粒计数器，包括利用结构化的束和/或干涉测量法(interferometry)的那些。这些参考文献中的每个的全部内容据此并入并且具体地以例示对于检测和表征小颗粒有用的颗粒计数器系统部件和配置。
从上文可以看到，在本领域中需要提供对具有小大小尺寸的颗粒的增强光学感测的系统和方法。
发明内容
本发明涉及颗粒检测。提供了用于检测颗粒的系统和方法，所述系统和方法表现出提高的信噪比、降低的对热膨胀的灵敏度和/或降低的对光学失准的灵敏度。根据本文的一些实施方案，这些改进可以至少部分地由于散射光和未散射的入射光的光学组合和检测。具体地，在一些实施方案中，光电检测器(photodetector)可以放置在激光束(即，入射到光电检测器上的束)的光路中，其中在它们之间具有颗粒询问区(particleinterrogation zone)。入射束可以被偏振，例如，线性偏振。当颗粒在颗粒询问区中时，由于入射束/颗粒相互作用导致的前向散射光可以与入射束基本上重合并且平行。因此，光电检测器可以检测直接来自入射束的未散射的光和由询问区中的颗粒在正向方向上散射的光的组合。
然而，特别是对于小颗粒，直接来自入射束的未散射的光的强度可能远远超过前向散射光的强度，并且所得到的信噪比可能在信号解释(signal interpretation)中呈现重大问题。已经发现，可以使第二激光束指向颗粒，使得来自颗粒的附加的散射光——例如，侧向散射光——与来自入射束的散射光和未散射的光组合。第二束可以被配置为产生基本上相干并且平行于入射束和来自入射束的前向散射光的散射光。因此，在一些实施方案中，在以下三种类型的光之间可以发生干涉：(i)来自入射束的未散射的光，(ii)来自入射束的前向散射光，以及(iii)来自第二束的散射光。因此，本文的方法和装置在一些情况下可以被称为“干涉测量(interferometric)”。
所述三种类型的光的组合可以被引导到光电检测器上。第二束可以“泵浦(pump)”在光电检测器处检测到的光的散射光分量，而不显著更改入射光分量的强度。因此，颗粒检测系统的灵敏度和/或信噪比可以被大大提高。此外，流体的样品体积和/或体积采样速率可以被大大提高，从而导致更快的采样时间，特别是对于具有非常低的浓度的颗粒的流体。此外，本文所公开的系统和方法可以能够实现相对于现有技术的对更多颗粒的检测(即，允许检测可能被现有技术的系统遗漏的颗粒)，因为现有技术的系统通常允许流动通过距束的中心太远的流动室(flow cell，流动池)的颗粒通过而未被检测到。
在一些实施方案中，可以使泵浦束以相对于入射束的正交角度指向颗粒询问区。在这样的实施方案中，正交泵浦束配置可以引起侧向散射(side-scattered)光被添加到在光电检测器处检测到的光的组合中。在其他实施方案中，可以使泵浦束以相对于入射束的倾斜角度指向颗粒询问区，从而引起倾斜散射(obliquely-scattered)的散射光被添加到在光电检测器处检测到的光的组合中。在另一些实施方案中，可以使泵浦束以相对于入射束180度指向颗粒询问区，从而引起背向散射(back-scattered)光被添加到在光电检测器处检测到的光的组合中。
本发明的系统和方法提供了对流动流体中的颗粒的检测，包括对流体流中的单个颗粒的检测、计数和确定大小。在一个实施方案中，所述流体是液体或气体。在一个实施方案中，所述系统用于检测液体化学品中的颗粒。在一个实施方案中，所述系统用于检测超纯水中的颗粒。在一个实施方案中，所述系统用于检测高压力气体中的颗粒。在一个实施方案中，所述系统用于检测空气中的颗粒。在一个实施方案中，所述系统用于检测表面上的颗粒。
在一个实施方案中，一种颗粒检测系统，包括：入射束光源，其提供入射束；颗粒询问区，其设置在所述入射束的路径中，所述颗粒询问区包括颗粒；光电检测器，其被设置为在所述入射束离开所述颗粒询问区之后检测所述入射束；和泵浦束光源，其提供泵浦束，其中所述泵浦束被引导至所述颗粒询问区。所述入射束、所述泵浦束和光电检测器可以被布置为使得所述光电检测器被配置为检测以下各项的组合：来自所述入射束或参考束的光；由于入射束从所述颗粒询问区中的流体流中的颗粒散射引起的散射光；和由于泵浦束从所述颗粒询问区中的流体流中的颗粒散射引起的散射光。
在一个实施方案中，所述入射束在所述询问区中与所述泵浦束相交。
在一个实施方案中，所述入射束、所述泵浦束和光电检测器被布置为使得所述光电检测器被配置为检测来自所述入射束的光、由于入射束从所述颗粒询问区中的颗粒散射引起的散射光和由于泵浦束从所述颗粒散射引起的散射光的组合。
在一个实施方案中，所述入射束、所述泵浦束和光电检测器被布置为使得所述光电检测器被配置为检测来自所述参考束的光、由于入射束从所述颗粒询问区中的颗粒散射引起的散射光和由于泵浦束从所述颗粒散射引起的散射光的组合。
在一个实施方案中，所述参考束是零差干涉测量参考束。
在一个实施方案中，所述参考束是外差干涉测量参考束。
在一个实施方案中，一种颗粒检测系统，包括：入射束光源，其发射入射束；颗粒询问区，其设置在所述入射束的路径中；光电检测器，其被设置为在所述入射束传递通过所述颗粒询问区之后检测所述入射束；泵浦束光源，用于发射泵浦束。所述泵浦束可以瞄准所述颗粒询问区。所述入射束、所述泵浦束和光电检测器可以被布置为使得所述光电检测器被配置为检测来自所述入射束的光、由于入射束在所述颗粒询问区中散射引起的散射光和由于泵浦束在所述颗粒询问区中散射引起的散射光的组合。
在一个实施方案中，由于入射束在所述颗粒询问区中散射引起的散射光可以是前向散射光。在一个实施方案中，所述颗粒检测系统可以包括激光器和偏振分束器。所述入射束光源可以包括来自所述激光器的、经由所述偏振分束器被引导到第一光路上的光。所述泵浦束光源可以包括来自所述激光器的、经由所述偏振分束器被引导到第二光路上的光。
在一些实施方案中，所述入射束在进入所述询问区之前被偏振。在一些实施方案中，所述泵浦束在进入所述询问区之前被偏振。在一个实施方案中，所述入射束和所述泵浦束都可以例如经由偏振分束器从单个光源产生。所述泵浦束可以经由1/2波片被修改。所述入射束可以经由1/2波片被修改。偏振的入射和泵浦束可以被配置为使得，在所述询问区中，所述入射束具有与所述泵浦束的偏振轴基本上相同的偏振轴。例如，在一个实施方案中，所述入射束具有在所述泵浦束的偏振轴的5度内的偏振轴。在一个实施方案中，所述入射束具有在所述泵浦束的偏振轴的3度内的偏振轴。在一个实施方案中，所述入射束具有在所述泵浦束的偏振轴的2度内的偏振轴。在一个实施方案中，所述入射束具有在所述泵浦束的偏振轴的1度内的偏振轴。在一个实施方案中，所述入射束具有在所述泵浦束的偏振轴的0.1度内的偏振轴。
因此，在一些实施方案中，当光的组合到达所述光电检测器时，由于入射束散射引起的散射光、由于泵浦束散射引起的散射光和来自入射束的光各自具有基本上相同的偏振轴。例如，在一个实施方案中，由于入射束散射引起的散射光、由于泵浦束散射引起的散射光和来自入射束的光各自具有彼此成5度的偏振轴。在一个实施方案中，由于入射束散射引起的散射光、由于泵浦束散射引起的散射光和来自入射束的光各自具有彼此成3度的偏振轴。在一个实施方案中，由于入射束散射引起的散射光、由于泵浦束散射引起的散射光和来自入射束的光各自具有彼此成2度的偏振轴。在一个实施方案中，由于入射束散射引起的散射光、由于泵浦束散射引起的散射光和来自入射束的光各自具有彼此成1度的偏振轴。在一个实施方案中，由于入射束散射引起的散射光、由于泵浦束散射引起的散射光和来自入射束的光各自具有彼此成0.1度的偏振轴。
在一个实施方案中，所述颗粒检测器可以包括第一激光器和第二激光器，其中所述入射束光源包括来自所述第一激光器的光，并且其中所述泵浦束光源包括来自所述第二激光器的光。
在一个实施方案中，所述光电检测器由于所述颗粒询问区中的散射而产生颗粒检测信号，并且其中所述信号对应于以下各项的总辐照度：(i)来自所述入射束的光；(ii)由于所述入射束引起的散射光；和(iii)由于所述泵浦束引起的散射光。
在一个实施方案中，所述颗粒检测信号具有比不存在所述泵浦束时它的量值大至少2倍的量值。在一个实施方案中，所述颗粒检测信号具有比不存在所述泵浦束时它的量值大至少4倍的量值。在一个实施方案中，所述颗粒检测信号具有比不存在所述泵浦束时它的量值大至少10倍的量值。
在一个实施方案中，所述泵浦束以相对于所述入射束的倾斜角度与所述颗粒询问区相交。在一个实施方案中，所述泵浦束以相对于所述入射束的正交角度与所述颗粒询问区相交。在一个实施方案中，所述泵浦束在与所述入射束相反的方向上与所述颗粒询问区相交。在一个实施方案中，由于泵浦束在所述颗粒询问区中散射引起的散射光是侧向散射光。在一个实施方案中，由于泵浦束在所述颗粒询问区中散射引起的散射光是背向散射光。
在一些实施方案中，所述颗粒询问区包括被配置为使颗粒流动通过其的流动室。
在一些实施方案中，所述颗粒询问区包括针对颗粒的存在、大小、数目等而待被分析的表面。例如，在一个实施方案中，所述颗粒询问区包括表面，并且所述泵浦束以相对于所述入射束的斜角角度指向所述颗粒询问区，从而引起倾斜散射的散射光被添加到在所述光电检测器处检测到的光的组合中。
在一个实施方案中，所述泵浦束具有至少1的辐照度比；其中所述辐照度比被定义为所述泵浦束在其腰处的辐照度与所述入射束在其腰处的辐照度的比。在一个实施方案中，所述泵浦束具有至少2的辐照度比。在一个实施方案中，所述泵浦束具有至少10的辐照度比。
在一些实施方案中，所述泵浦束具有小于1的辐照度比。在一些实施方案中，所述泵浦束具有在1和2之间的辐照度比。
在一些实施方案中，与所述入射束的腰相比，所述泵浦束的腰是大的。例如，在一个实施方案中，所述泵浦束的腰比所述入射束的腰大至少1.5倍。在一个实施方案中，所述泵浦束的腰比所述入射束的腰大至少2倍。在一个实施方案中，所述泵浦束的腰比所述入射束的腰大至少3倍。在一个实施方案中，所述泵浦束的腰比所述入射束的腰大至少5倍。
在一个实施方案中，进入所述颗粒询问区的泵浦束具有比进入所述颗粒询问区的入射束的平均功率大至少2倍的平均功率。在一个实施方案中，所述泵浦束具有比所述入射束的平均功率大至少10倍的平均功率。在一个实施方案中，所述泵浦束具有比所述入射束的平均功率大至少100倍的平均功率。在一个实施方案中，所述泵浦束具有比所述入射束的平均功率大至少1000倍的平均功率。
在一个实施方案中，所述泵浦束被配置为多程(multi-pass)束。在一个实施方案中，所述入射束被配置为多程束。在一个实施方案中，所述泵浦束被配置为双程(dual-pass)束。在一个实施方案中，所述入射束被配置为双程束。
在一个实施方案中，所述泵浦束是结构化的束。例如，在一个实施方案中，所述泵浦束是暗束。
在一个实施方案中，所述入射束是结构化的束。例如，在一个实施方案中，所述入射束是暗束。
在一个实施方案中，所述入射束被配置为双程暗束。在一个实施方案中，所述泵浦束被配置为双程暗束。在一个实施方案中，所述入射束被配置为多程暗束。在一个实施方案中，所述泵浦束被配置为多程暗束。
在一个实施方案中，所述颗粒检测系统是泵浦零差干涉测量检测系统。在一个实施方案中，所述颗粒检测系统是泵浦自零差干涉测量检测系统。在一个实施方案中，所述颗粒检测系统是泵浦外差干涉测量检测系统。
在一个实施方案中，所述入射束被传递通过柱面透镜(cylinder lens)，因此产生高纵横比束入射束。
在一些实施方案中，所述泵浦束可以是双程束。例如，在一个实施方案中，在传递通过所述询问区之后，所述泵浦束可以经由收集透镜和反射镜被反射回其自身，并且然后被传递返回通过所述询问区。用于所述泵浦束的双程配置可以提供提高的灵敏度和/或计数速率。
在一个实施方案中，消光光学颗粒计数器包括所述颗粒检测系统。在消光光学颗粒计数器的一个实施方案中，所述光电检测器是第一光电检测器，并且所述消光光学颗粒计数器包括被设置为在所述泵浦束传递通过所述颗粒询问区之后检测所述泵浦束的第二光电检测器。
在一些实施方案中，可以通过采用窄线宽激光器和/或用于所述泵浦束和或所述入射束的单频激光器来改善所述泵浦束和所述入射束之间的耦合。
在一个实施方案中，所述颗粒检测系统是差分检测系统。在一个实施方案中，所述差分检测系统被用来减少检测器处的噪声。
在一个实施方案中，所述颗粒检测系统可以包括衍射光学元件，所述衍射光学元件设置在所述入射束的路径中、位于所述入射束光源和所述颗粒询问区之间。
在一个实施方案中，所述衍射光学元件被配置为生成一维束阵列。在一个实施方案中，所述衍射光学元件被配置为生成多个高斯束。
在一个实施方案中，所述衍射光学元件被配置为生成多个束，其中当与其他束相比时，所述多个束中的每个束具有小于5％的强度变化。
在一个实施方案中，所述光电检测器包括上部区和下部区。在一个实施方案中，所述光电检测器是差分阵列检测器。
在一个实施方案中，一种颗粒检测系统，包括：入射束光源，其提供入射束；颗粒询问区，其设置在所述入射束的路径中，所述颗粒询问区用于容纳具有颗粒的流体流；衍射光学元件，其设置在所述入射束的路径中、位于所述入射束光源和所述颗粒询问区之间；和光电检测器，其被设置为在所述入射束传递通过所述颗粒询问区之后检测所述入射束。所述入射束和光电检测器可以被布置为使得所述光电检测器被配置为检测来自所述入射束的光和由于入射束从所述颗粒询问区中的流体流中的颗粒散射引起的散射光。
在一个实施方案中，所述衍射光学元件被配置为生成一维束阵列。在一个实施方案中，所述衍射光学元件被配置为生成多个高斯束。
在一个实施方案中，所述衍射光学元件被配置为生成多个束，其中当与其他束相比时，所述多个束中的每个束具有小于20％的强度变化。在一个实施方案中，所述光电检测器包括上部区和下部区。在一个实施方案中，所述光电检测器是差分阵列检测器。
在一个实施方案中，一种颗粒检测系统，包括：入射束光源，其提供入射束；颗粒询问区，其设置在所述入射束的路径中，所述颗粒询问区包括颗粒；光电检测器，其被设置为在所述入射束离开所述颗粒询问区之后检测所述入射束；泵浦束光源，其提供泵浦束，其中所述泵浦束被引导至所述颗粒询问区。所述入射束、所述泵浦束和光电检测器可以被布置为使得所述光电检测器被配置为检测以下各项的组合：来自入射束的光；由于入射束从所述颗粒询问区中的流体流中的颗粒散射引起的散射光；和由于泵浦束从所述颗粒询问区中的流体流中的颗粒散射引起的散射光。
在一个实施方案中，一种颗粒检测方法，包括：使入射束指向询问区并且将其引导到光电检测器上；使泵浦束指向所述颗粒询问区；在所述颗粒询问区中使来自入射束的光散射；在所述颗粒询问区中使来自泵浦束的光散射；和经由所述光电检测器检测来自所述入射束的光、来自所述入射束的散射光和来自所述泵浦束的散射光的组合。
在一个实施方案中，一种颗粒检测方法，包括：将入射束引导到容纳具有颗粒的流体流的询问区并且引导到光电检测器上；将泵浦束引导到所述颗粒询问区；通过所述入射束与所述颗粒询问区中的一个或多个颗粒的相互作用生成散射光；通过所述泵浦束与所述颗粒询问区中的流体流中的一个或多个颗粒的相互作用生成散射光；经由所述光电检测器检测以下各项的组合：来自所述入射束或参考束的光；来自所述入射束的散射光；和来自所述泵浦束的散射光。
在一个实施方案中，所述方法可以包括经由所述光电检测器检测以下各项的组合：来自所述入射束的光；来自所述入射束的散射光；以及来自所述泵浦束的散射光。
在一个实施方案中，所述方法可以包括经由所述光电检测器检测以下各项的组合：来自所述参考束的光；来自所述入射束的散射光；和来自所述泵浦束的散射光。
在一个实施方案中，所述方法可以包括使含有颗粒的流体流动通过所述颗粒询问区。在一个实施方案中，检测步骤包括检测来自所述入射束的前向散射光。
在一个实施方案中，所述方法包括从激光器发射激光束、经由偏振分束器将所述激光束分离成所述泵浦束和所述入射束。在一个实施方案中，所述方法包括经由第一激光器产生所述入射束，以及经由第二激光器产生所述泵浦束。
在一个实施方案中，所述方法可以包括经由所述光电检测器产生颗粒检测信号，其中所述信号对应于与来自所述入射束的散射光以及来自所述泵浦束的散射光组合的来自所述入射束的光的强度。
在一个实施方案中，一种方法，包括：使入射束指向颗粒；使泵浦束指向所述颗粒；经由所述颗粒散射来自所述入射束的光；经由所述颗粒散射来自所述泵浦束的光；和经由光电检测器检测来自所述入射束的光、来自所述入射束的散射光和来自所述泵浦束的散射光的组合。
在一个实施方案中，所述方法包括经由衍射光学元件将所述入射束衍射成多个束。在一个实施方案中，所述光电检测器包括上部区和下部区，所述方法包括将来自所述上部区的信号与来自所述下部区的信号进行比较。在一个实施方案中，所述方法包括经由衍射步骤增加所述流体流的体积采样速率。
在一个实施方案中，检测步骤包括检测来自所述入射束的前向散射光。
在一个实施方案中，一种颗粒检测方法，包括：产生入射束；经由衍射光学元件将所述入射束衍射成多个束；将所述多个束引导通过容纳具有颗粒的流体流的询问区并且引导到光电检测器上；通过所述多个束与所述颗粒询问区中流体流中的一个或多个颗粒的相互作用生成散射光；经由所述光电检测器检测来自所述多个束的散射光。
在一个实施方案中，所述光电检测器包括上部区和下部区，所述方法包括将来自所述上部区的信号与来自所述下部区的信号进行比较。在一个实施方案中，所述方法包括经由衍射步骤增加所述流体流的体积采样速率。在一个实施方案中，检测步骤包括检测来自所述入射束的前向散射光。
在不希望受任何特定理论束缚的情况下，本文可能存在对与本文所公开的装置和方法有关的基本原理的看法或理解的讨论。应认识到，无论任何机械的解释或假设的最终正确性如何，本发明的实施方案仍然可以是操作的并且有用的。
附图说明
图1是散射光干涉颗粒检测系统的第一示例的示意图。
图2示出了当颗粒经过束时在入射束上观察到的特性干涉图案信号。
图3示出了双程泵浦束系统与单程泵浦束系统与常规(无泵浦束)系统的检测信号的比较。
图4示出了本公开内容的用于经由与入射光组合的散射光进行颗粒检测的系统的一个实施方案。
图5A-图5B两微米载波束(从右转到左)和五微米信号泵浦束转入页面的平面内(图5A)并且与暗束相同(图5B)。
图6是本公开内容的用于经由与入射光组合的散射光进行颗粒检测的系统的第二实施方案的示意图。
图7是本公开内容的用于经由与入射光组合的散射光进行颗粒检测的系统的第三实施方案的示意图，包括用于产生入射束阵列的衍射元件。
图8是通过衍射光学元件衍射的光的示意图。
图9是由图8的衍射光学元件产生的一维束阵列的示意图。
图10是本公开内容的用于经由与入射光组合的散射光进行颗粒检测的系统的第四实施方案的示意图，包括双程泵浦束。
图11是本公开内容的用于经由与入射光组合的散射光进行颗粒检测的系统的第五实施方案的示意图，包括用于进行表面颗粒检测的平行的泵浦束和入射束。
图12是本公开内容的用于经由与入射光组合的散射光进行颗粒检测的系统的第六实施方案的示意图，包括双程入射束配置。
关于化学化合物和命名的声明
在下面的描述中，阐述了本发明的装置、装置部件和方法的许多具体细节，以提供对本发明的精确性质的透彻解释。然而，对本领域技术人员来说，将明显的是可以在不具有这些具体细节的情况下实践本发明。
一般而言，本文所使用的术语和短语具有其在本领域公认的含义，其可以通过参考本领域技术人员已知的标准文本、期刊参考文献和上下文找到。提供以下定义以阐明它们在本发明的上下文中的具体用途。
“颗粒”指通常被视为污染物的小物体。颗粒可以是由摩擦作用(例如当两个表面发生机械接触并且存在机械运动时)产生的任何材料。颗粒可以由材料(诸如灰尘、污垢、烟雾、灰烬、水、烟灰、金属、氧化物、陶瓷、矿物质或这些或其他材料或污染物的任何组合)的聚集体组成。“颗粒”也可以指生物颗粒，例如病毒、孢子和微生物，所述微生物包括细菌、真菌、古生菌、原生生物和其他单细胞微生物。在一些实施方案中，例如，生物颗粒的特征在于大小尺寸(例如，有效直径)在0.1-15μm的范围内、可选地对于一些应用在0.5-5μm的范围内。颗粒可以指吸收、发射或散射光并且因此通过光学颗粒计数器可检测到的小物体。如本文所使用的，“颗粒”意在不包括载体流体(例如，水、空气、工艺液体化学品、工艺气体等)的单个原子或分子。在一些实施方案中，颗粒可能最初存在于表面(诸如微加工设施中的工具表面)上，从表面被释放，并且随后在流体中被分析。一些系统和方法能够检测包括具有大于5nm、10nm、20nm、30nm、50nm、100nm、500nm、1μm或更大、或10μm或更大的大小尺寸(诸如有效直径)的材料的聚集物的颗粒。本发明的一些实施方案能够检测具有选自10nm至150μm的范围、可选地对于一些应用具有选自10nm至-10μm的范围、可选地对于一些应用具有选自10nm至-1μm的范围、以及可选地对于一些应用具有选自10nm至-0.5μm的范围的大小尺寸(诸如有效直径)的颗粒。
表达“检测颗粒”广义上指感测颗粒、识别颗粒的存在、对颗粒进行计数和/或表征颗粒，诸如关于大小尺寸(诸如有效直径)表征颗粒。在一些实施方案中，检测颗粒指对颗粒进行计数。在一些实施方案中，检测颗粒指表征和/或测量颗粒的物理特性，诸如，有效直径、横截面尺寸、形状、大小、空气动力学大小或这些的任何组合。在一些实施方案中，在流动的流体中进行颗粒检测，所述流体是诸如具有在0.05CFM到10CFM的范围内、可选地对于一些应用在0.1CFM到5CFM的范围内、以及可选地对于一些应用在0.5CFM到2CFM的范围内选择的体积流动速率的气体。在一些实施方案中，在流动的流体中进行颗粒检测，所述流体是诸如具有在1到1000mL/min的范围内选择的体积流动速率的液体。
“光学颗粒计数器”或“颗粒计数器”可互换地使用并且指使用光学检测来通常通过分析流体流中的颗粒来检测颗粒的颗粒检测系统。光学颗粒计数器包括液体颗粒计数器和气溶胶颗粒计数器，例如，包括能够检测流体流中的单独的单一颗粒的系统。光学颗粒计数器将电磁辐射(例如，激光器)束提供到分析区域中，在该区域中该束与任何颗粒相互作用并且然后基于来自流动室的散射、发射和/或透射光检测颗粒。检测可以聚焦于由颗粒散射、吸收、遮蔽和/或发射的电磁辐射。用于光学颗粒计数器的各种检测器是本领域已知的，包括例如，单一检测元件(例如，光电二极管、光电倍增管等)、检测器阵列、摄像机、各种检测器定向等。光学颗粒计数器包括凝结颗粒计数器、凝结核计数器、分束差分系统等。当在凝结颗粒计数器的上下文中使用时，颗粒计数器部分指检测系统(例如，电磁辐射源、光学器件、滤波器、光学收集、检测器、处理器等)。在一个实施方案中，例如，光学颗粒计数器包括用于生成电磁辐射束的源、用于将束引导和聚焦到流体样品正在流动(例如，液体或气体流经流动室)的区域中的束转向和/或整形光学器件。典型的光学颗粒计数器包括与所述流动室光学连通的光电检测器(诸如光学检测器阵列)以及用于对由传递通过束的颗粒散射、透射或发射的电磁辐射进行收集和成像的收集光学器件。颗粒计数器还可以包括用于读出、信号处理和分析由光电检测器产生的电信号的电子设备和/或处理器部件，包括电流-电压转换器、脉冲高度分析器和信号滤波和放大电子设备。光学颗粒计数器还可以包括流体致动系统，诸如泵、风扇或鼓风机，以用于生成用于输送含有颗粒的流体样品通过流动室的检测区域的流，例如，用于生成由体积流动速率表征的流。对于包括一种或多种气体的样品的有用的流动速率包括在0.05CFM至10CFM的范围内、可选地对于一些应用在0.1CFM至5CFM的范围内并且可选地对于一些应用在0.5CFM至2CFM的范围内选择的流动速率。对于包括一种或多种液体的样品的有用的流动速率包括在1到1000mL/min的范围内选择的流动速率。
表达“颗粒的干涉测量检测”指使用光学干涉来对一个或多个颗粒进行检测的系统和方法。在一些实施方案中，叠加电磁辐射的相干束以导致光学干涉，以用于对与该电磁辐射的至少一部分相互作用的颗粒进行感测、计数和/或确定所述颗粒的大小特性描述。
如本文所使用的，“结构化的束干涉测量检测”指如下干涉测量系统和方法，其中使具有非高斯强度分布的电磁辐射的结构化的探测束传递通过含有颗粒的流动室并且使用光学检测器阵列对该探测束进行检测以对颗粒进行感测、计数和/或表征。
如本文所使用的，“零差干涉测量检测”指如下干涉测量系统和方法，其中入射束被传递通过流动室，在流动室中该入射束与颗粒相互作用，从而使光散射，该光被收集并且与相对于该入射束未频移的参考束组合，其中经由检测器测量组合光。在一些实施方案中，本公开内容的系统被配置为提供泵浦零差干涉测量检测，其中泵浦束在颗粒询问区中与入射束相交，并且因此颗粒可以与两个束相互作用，并且来自两个束的合成散射光可以与未频移的参考束组合。因此，在泵浦零差干涉测量检测中，可以增加由检测器测量的组合光的散射光分量。
如本文所使用的，“自零差干涉测量检测”指如下干涉测量系统和方法，其中入射束被传递通过流动室，在流动室中该入射束与颗粒相互作用，从而使光散射，并且散射光与产生它的入射束组合。在一些实施方案中，本公开内容的系统被配置为提供泵浦自零差干涉测量检测，其中泵浦束在颗粒询问区中与入射束相交，并且因此颗粒可以与两个束相互作用，并且来自两个束的合成散射光可以与入射束组合。因此，在泵浦自零差干涉测量检测中，可以增加由检测器测量的组合光的散射光分量。
如本文所使用的，术语“外差干涉测量检测”指如下干涉测量系统和方法，其中入射束被传递通过流动室，在流动室中该入射束与颗粒相互作用，从而使光散射，该光被收集并且与相对于入射束频移的参考信号组合，其中经由检测器测量组合光。在一些实施方案中，本公开内容的系统被配置为提供泵浦外差干涉测量检测，其中泵浦束在颗粒询问区中与入射束相交，并且因此颗粒可以与两个束相互作用，并且来自两个束的合成散射光可以与频移的参考信号组合。因此，在泵浦外差干涉测量检测中，可以增加由检测器测量的组合光的散射光分量。
指如下干涉测量系统和方法，其中在此参考束的频率被移位，并且锁定(lock-in)放大器通常与光电检测器一起使用，相干电磁辐射束被传递通过流动室、与单独的参考束组合并且使用光学检测器阵列来检测组合束以对颗粒进行感测、计数和/或表征。在一些实施方案中，颗粒计数器被配置为通过收集离轴散射光并且将所述离轴散射光散射光与参考束组合以产生干涉测量信号来提供对所述颗粒的外差干涉测量检测。
如本文所使用的，表达“差分检测”指使用来自前视、轴上检测器对的差分信号的技术和系统，所述检测器对例如成相对于入射束的光轴的零度的0.5度内的散射角，可选地对于一些应用成相对于入射束的光轴的零度的0.1度内的散射角，以及可选地成在零度处或附近的散射角。可以使用最少两个像素来生成差分信号(例如，一个上部(或顶部)和一个下部(或底部))，从而形成用于差分检测的单个像素对。替代地，多个像素可以被采用以用于差分检测器(诸如包括一个或多个像素对的分段差分检测器)的每个有源检测器区域(例如，顶部有源区域和底部有源区域)，从而使用多个像素对，例如，其中每个像素对中的一个像素对应于顶部有源检测器区域并且每个像素对中的另一个像素对应于底部有源区域。像素对的数目的范围可以是例如从1到500个像素以及，并且可选地对于一些应用从50-100个像素。在一些实施方案中，差分信号是通过将来自与分段检测器阵列的不同有源区域(诸如顶部半部和底部半部)对应的像素对的信号差分相加生成的。在本系统和方法中可以使用差分检测以提供噪声的降低并且因此提供提高的信噪比。在一些实施方案中，例如，差分检测被用于检测透射通过所述流动室的入射电磁辐射和通过流动室中的流体流中的一个或多个颗粒前向散射的电磁辐射的组合。在一些实施方案中，例如，入射光的分布具有在差分检测器的第一和第二有源检测区域(例如，上部半部和下部半部)之间平衡的功率分布，例如，使得第一和第二有源检测区域以在10％内、可选地对于一些应用在5％内以及可选地对于一些应用在1％内的入射辐射功率为特征。差分检测包括具有闭环控制的技术和系统，所述闭环控制例如基于当不存在颗粒时(即，在不存在从颗粒散射时)对差分信号的噪声幅度的评估。在一些实施方案中，使用转向反射镜来调整检测器上的入射束位置以降低或最小化差分信号的噪声水平，这可能在束功率在第一和第二有源检测器元件(例如，检测器的上部元件和下部元件)之间均匀分配时出现。闭环控制也可以通过使检测器位置平移和使检测器旋转以对准束和检测器轴来实现，以便降低或最小化差分信号的噪声水平。
以提供统计上显著的数据的方式对清洁和超清洁流体中的小颗粒(例如，有效直径小于100nm)进行检测和计数要求高信噪比(S/N)。高S/N比允许在本底噪声(noisefloor)以上清楚地检测纳米颗粒。如本文所使用的，“统计上显著的数据”指每单位时间检测到足够多的颗粒以能够准确地评估流体中的污染水平。在一些实施方案中，高S/N不与确定大小准确度直接相关。例如，在一些光学颗粒计数器中，束腰(beam waist)占据流动室通道的一小部分，并且因此，此方法监测总流量的一个子集，使得颗粒有可能传递通过束的、辐照度小于中心的边缘。如果50nm的颗粒传递通过束的外边缘，它可能与10nm的颗粒传递通过束的中心类似地生成信号。因此，有可能形成一些具有高S/N并且能够检测2nm的颗粒而不具有良好的确定大小准确度的光学颗粒计数器。在本光学颗粒计数器和方法中的一些中，目标将是能够对足够多的颗粒进行计数，以在最短的时间段内提供对超高纯度流体中的污染水平的定量、统计上合理的评估。例如，当监测最先进的超纯水系统时，当前最先进的颗粒计数器可能要求多达40分钟来对足够多的颗粒进行计数以提供统计上适当的浓度(可接受的相对标准偏差)测量结果。通过经由本系统和方法改进并且维持高S/N，测量此最小统计上可接受的颗粒计数所需的时间间隔可以被减小至1/10或更小。这提供了价值，因为它允许用户更快地识别与过程控制极限的偏差。
表达“高信噪比”指光学颗粒检测系统的、足以准确地并且灵敏地检测流体流中的颗粒的信噪比，所述颗粒包括以小物理尺寸(例如，小于或等于200nm的有效直径、可选地对于一些实施方案小于或等于100nm的有效直径以及可选地对于一些实施方案小于或等于50nm的有效直径)为特征的颗粒。在一个实施方案中，“高信噪比”指高到足以感测以小物理尺寸为特征的颗粒(诸如具有低至20nm的有效直径的颗粒、可选地对于一些应用具有低至10nm的直径的颗粒以及可选地对于一些应用具有低至1nm的直径的颗粒)的信噪比。在一个实施方案中，“高信噪比”指高到足以以小于或等于50计数/L的误检测率对颗粒进行准确地检测和计数的信噪比，例如，用于检测具有在1-1000nm的范围内的选择的有效直径的颗粒。在一个实施方案中，“高信噪比”指高到足以在为在常规光学颗粒计数器中的至少1/10倍的时间帧(t imeframe，时间范围)内提供最小的统计上可接受的颗粒计数的信噪比。
表达“颗粒计数过程的显著性能退化”指颗粒检测系统对流动流体中的颗粒进行检测和计数的能力的退化。在一些实施方案中，颗粒计数过程的显著性能退化指最小大小通道中的检测阈值电压的大于或等于20％的偏移。在一些实施方案中，颗粒计数过程的显著性能退化指错误计数速率的增加大于或等于50计数/L。在一些实施方案中，颗粒计数过程的显著性能退化指提供最小统计上可接受的颗粒计数所需的时间的5倍或更大的增加，可选地对于一些实施方案，10倍或更大的增加。在一些实施方案中，颗粒计数过程的显著性能退化——例如由于管理不善的噪声源——指导致最小颗粒的可检测性差的、S/N的退化。例如，退化的S/N可以使从50nm的颗粒检测到的信号看起来像来自20nm的颗粒的信号并且可以使20nm的颗粒信号与噪声难以区分，从而导致可检测性较低和每单位时间计数的颗粒较少和/或由于噪声水平升高而出现错误计数。
如本文所使用的，“结构化的束”指具有非高斯空间强度分布的电磁辐射的相干束(例如，激光)。结构化的束包括以衰减区域为特征的束(诸如暗束、具有暗线奇点的线焦点的束)、以两个或更多个离散强度波瓣为特征的束等。结构化的束包括聚焦的、合成的、激光束。结构化的束可以通过本领域已知的技术生成，包括使用光学掩模、激光腔的修改、组合多个束、空间和/或偏振滤波器以及诸如干涉测量或偏振修改方案中的其他操纵。
如本文所使用的，“暗束”指在原本具有典型高斯包络的束的中心处具有暗斑点或暗线奇点的激光束。此束用于PSA(颗粒大小分析)的目的的主要优点源于以下事实：暗中心斑点/线比具有相同发散度的典型高斯斑点更窄，从而导致在维持足够体积的高斯束用于浓度测量和用于较大颗粒相互作用的同时对遮挡物的位置和结构的较高灵敏度的可能性。暗束可以通过在光学元件(通常为衍射元件)的帮助下转换常规的激光束来生成，或可以通过激光谐振器的特殊设计以其发射暗束的方式来生成。对于生成暗束有用的方法包括由R.Piestun和J.Shamir的“Synthesis of three-dimensional light-fields andapplications”,Proc.IEEE,Vol.90(2),220-244,(2002))所描述的那些。这些激光模式通常是称为高斯—拉盖尔(Gauss-Laguerre)模式和高斯—厄米特(Gauss-Hermit)模式的集合的成员。
如本文所使用的，“双程”指如下配置，其中首先使束指向询问区，然后束被反射回自身(例如经由反射镜)，并且随后使束第二次指向询问区。在询问包括流动室或比色皿(cuvette)的情况下，双程指如下配置，其中束传递通过流动室或比色皿一次，然后被反射回通过流动室或比色皿(例如，经由反射镜)。在询问区包括用于颗粒的待被询问的表面的情况下，双程指如下配置，其中使束指向表面一次，从表面反射离开，并且然后被反射回到表面处(例如，经由反射镜)。通过利用双程配置，光束可以在颗粒询问区中与同一颗粒相互作用两次。因此，双程配置可以增加由颗粒散射的光的量，并且因此增加颗粒检测系统的灵敏度。
如本文所使用的，“多程”指如下配置，首先使束指向询问区，然后束被反射回自身(例如经由反射镜)，并且随后第二次使束指向询问区，然后第三次使束指向回询问区(例如，经由半透明反射镜)，依此类推。在询问包括流动室或比色皿的情况下，多程指如下配置，其中束传递通过流动室或比色皿一次，然后被反射回通过流动室或比色皿(例如，经由反射镜)，然后第三次被引导回到询问区(例如，经由半透明反射镜)，依此类推。在询问区包括用于颗粒的待被询问的表面的情况下，多程指如下配置，其中使束指向表面一次，从表面反射离开，并且然后被反射回到表面处(例如，经由反射镜)，第二次从表面反射离开，然后第三次使束指向回询问区(例如，经由半透明反射镜)，依此类推。通过利用多程配置，光束可以在颗粒询问区中与同一颗粒相互作用多次。因此，多程配置可以增加由颗粒散射的光的量，并且因此增加颗粒检测系统的灵敏度
如本文所使用的，“束传播轴”指平行于电磁辐射束的行进方向的轴。
如本文所使用的，“光学连通”指以允许光在部件之间传送的方式布置的部件。
如本文所使用的，“光轴”指电磁辐射传播通过系统所沿的方向。
如本文所使用的，“光学检测器阵列”指能够跨检测器的有源区域在两个维度上在空间上解析输入信号(例如，电磁辐射)的光学检测器。光学检测器阵列能够生成图像，例如与检测器的有源区域上的强度图案对应的图像。在一个实施方案中，光学检测器阵列包括单独的检测器元件的阵列，所述检测器元件在本文中也称为像素；例如：二维光电检测器阵列、电荷耦合装置(CCD)检测器、互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器、金属氧化物半导体(MOS)检测器、有源像素传感器、微通道板检测器或二维光电二极管阵列。
如本文所使用的，“光源”指能够将电磁辐射递送到样品的装置或装置部件。该术语不限于可见辐射，诸如不受可见光束限制，而是在广义上使用以包括任何电磁辐射，也包括可见辐射、紫外线辐射和/或红外线辐射。光源可以被体现为激光器或激光器阵列，诸如二极管激光器、二极管激光器阵列、二极管激光泵浦固态激光器、LED、LED阵列、气相激光器、固态激光器，举几个例子。
如本文所使用的，术语“电磁辐射”和“光”在本说明书中被同义地使用并且指电场和磁场的波。对于本发明的方法有用的电磁辐射包括但不限于紫外光、可见光、红外光、或具有在大约100纳米到大约15微米之间的波长的这些光的任何组合。
如本文所使用的，术语“入射束”指入射到光电检测器上的光束，例如激光束。
如本文所使用的，术语“颗粒询问区”指颗粒检测系统的一个区，在该区中一个或多个颗粒与入射束和/或泵浦束相互作用以使光散射。在一些实施方案中，颗粒询问区可以包括比色皿和/或流动室，以约束流动通过其的含有颗粒的液体。在其他实施方案中，含有颗粒的气体的未约束射流(unconstrained jet)可以流动通过颗粒询问区。在一些实施方案中，颗粒询问区可以包括用于颗粒的待被询问的表面。
如本文所使用的，术语“泵浦束”指被配置为增加由光电检测器检测到的光的散射光分量的光束，例如激光束。
如本文所使用的，术语“参考束”指不与被检测颗粒相互作用的光束，并且可选地与另一个电磁辐射源相位匹配，以便生成光学干涉。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了本发明的装置、装置部件和方法的许多具体细节，以提供对本发明的精确性质的透彻解释。然而，对本领域技术人员来说，将明显的是可以在不具有这些具体细节的情况下实践本发明。
当颗粒传递通过聚焦激光束时在轴上测量的颗粒检测信号被认为源于当前向散射光与入射(载波)束相互作用时产生的干涉图案。在此情况下，当颗粒在收集光学器件的模糊斑点和焦深中时，Van Cittert-Zernike定理适用于收集的散射光。由于收集光学器件的限制，在模糊斑点内散射场的不同角度值可能是不可解的。因此，散射光被成像为与入射场重合并且平行并且具有相同相位的平面波。在模糊斑点内收集的散射光是相干的。
这导致散射光和入射光之间的可检测的干涉，并且信号幅度与散射强度和入射强度的乘积成比例。
当两个平面波组合时，在检测器处观察到的电场Ed是
Ed＝Ec+Es
其中Ec是载波的电场，并且Es是与载波重合的散射光的电场。检测器处的强度是
Id＝εcEd 2＝εc(Ec+Es)2＝εc(Ec 2+Es 2+2EcEs)
其中ε是介质的介电常数并且c是光速。对于小颗粒相互作用，Ec 2基本上是恒定的。Es 2在小颗粒与载波束相互作用时波动，但是其幅度非常小。被称为干涉项的重要项是2EcEs，其在小颗粒传递通过束时在检测器处引起相对大的强度波动，从而产生干涉。干涉信号的幅度是2EcEscosδ，其中δ是两个波之间的相位差。当颗粒经过激发束时，由于散射光和入射(载波)束之间的不同路径长度，因此相位差改变。
因此，可以通过增加检测器上的入射束强度和/或通过增加散射光强度来增加检测信号。入射束强度具有检测器/电子设备的饱和点的上限。除了随着较高的入射功率增加信号幅度之外，检测器散粒噪声也将增加。然而，可接受的散射强度实际上不具有上限，因为散射强度影响瞬态检测信号的量值，而对检测器上的总体束功率几乎不具有影响。增加散射强度增加检测信号，而不可测量地增加噪声。散射强度可以由第二束泵浦，该第二束可以例如与入射束正交(参见图1)。散射强度可以经由正向散射或侧向散射来泵浦。已经发现，只要相位基本上相同(对于最大信号；它实际上波动并且在直流背景上产生交流信号)，并且散射事件发生在模糊斑点内，收集的散射强度将是相干的并且与入射低功率束平行。因此，干涉可以发生并且可以在检测器处被检测到。
此散射强度泵浦的效用和益处可以包括增加颗粒检测信号而不增加噪声的能力。采用此方法论的系统可以比其他系统更具可扩展性。此外，信号在原位产生、直接被集成到入射束中。在一些实施方案中，除了噪声和/或热膨胀问题之外，本文所公开的系统和方法可以减少或消除z轴对准问题，以产生稳定的干涉信号。
此外，本文所公开的系统和方法可以得益于经由差分光电检测器的激光噪声降低。本文所公开的系统和方法可以被用来测量液体中、气体中和表面上的颗粒。
可以通过以下非限制性示例进一步理解本发明。
示例1：单程泵浦束纳米颗粒检测
现在转到图1，示出了单程泵浦束颗粒检测系统的一个示例。例示的系统包括光源1、隔离器2、相位掩模3、多个1/2波片4、两个偏振分束器、多个反射镜6、一对显微镜物镜7、流动室9、数字显微镜10和光电检测器11。如可以看到的，光源1产生光束，该光束被传递通过隔离器2，然后通过相位掩模3和1/2波片4。该束然后经由偏振分束器5被分离成入射束(称为载波束)和正交信号泵浦束。入射束被路由通过另一个1/2波片3、通过第一个显微镜物镜7并且然后通过询问区(流动室9)。在传递通过流动室9之后，入射束然后被传递通过第二显微镜物镜7，并且最终被引导到光电检测器上。在经由第一偏振分束器与入射束分离之后，泵浦束以相对于入射束正交的角度被路由通过1/2波片4、偏振分束器5、另一个1/2波片5、显微镜物镜8并且通过流动室9。在传递通过流动室9之后，泵浦束被引导至数字显微镜处。包含悬浮在其中的颗粒的流体——诸如空气或水——可以流动通过流动室9。当颗粒传递通过流动室9时，来自入射束和泵浦束的光可以被颗粒散射。因此，来自入射束的光可以与由于入射束/颗粒相互作用引起的前向散射光以及由于泵浦束/颗粒相互作用引起的侧向散射光组合。由于光学配置，特别是1/2波片和偏振分束器，来自这三个源的光可以被充分地相位匹配以组合并且由光电检测器11检测。
在例示的示例中，使用50倍显微镜物镜7来产生具有大约2μm的腰和大约7μm的景深的单程入射束。第二50倍物镜7被用作收集光学器件并且限定颗粒/束相互作用生成信号的模糊斑点。低功率(检测器处30mW)束被用在单程检测设置中，而第二高功率泵浦束(单个激光源)以垂直于转到检测器的低功率束的传播的定向被引入到流动室内。使用10倍物镜来聚焦高功率束(～3.5W)产生～10–12μm的束腰直径和大约300μm的景深(与高纵横比低功率束相互作用的良好潜力)。替代地，使用20倍物镜来聚焦高功率束并且该20倍物镜产生～5–6μm的束腰直径和大约45微米的焦深。
示例2：在询问区中在与入射束相反的方向上布置的泵浦束。
现在转到图6，在一个实施方案中，泵浦束可以在与入射束相反的方向上与询问区相交。如可以看到的，偏振分束器可以被用来将束分离成入射束和泵浦束。入射束可以经由反射镜(M1、M2)被引导通过1/4波片、流动室和另一个1/4波片。泵浦束可以经由M3被引导通过将流动室夹在之间的相同的两个1/4波片，但是在与入射束相反的方向上。因此，入射束、来自入射束的前向散射光和来自泵浦束的后向散射光可以全部被组合并且收集在光电检测器阵列上。
示例3：束阵列
现在转到图7-图9，在一个实施方案中，衍射光学元件可以被用来增加颗粒监测系统的体积采样速率。图7示出了一个示例。如所示出的，颗粒监测系统在入射束的光路中包括衍射光学元件12。衍射光学元件12起作用以产生束阵列。图8示出了衍射光学元件对光束的影响的示意图。当光从左向右行进时，位于示意图左边缘的衍射光学元件在此情况下将光衍射成5个基本上相等强度的束。
多个束被引导通过包含颗粒的流体流。每个束的腰被成像到一对上部和下部检测器元件上。图9示出了从衍射光学元件产生的一维束阵列。通过引导该束阵列通过待由束采样的流体流，与仅单个束相比可以被采样的流体流的体积增加。
在该示例中，使用2×100元素阵列，但是只要存在上部部分和下部部分，可以使用任何多元素阵列。来自上部检测器元件和下部检测器元件的信号可以被比较和分析以进行差分检测。
此外，衍射光学元件可以与高斯束一起使用以产生高斯束阵列，或与诸如暗束的结构化的束一起使用，以产生暗束阵列。
示例4：使用双程泵浦束的颗粒检测
现在转到图10，在一个实施方案中，泵浦束可以被布置为双程配置。如所示出的，泵浦束传递通过流动室9，然后通过显微镜物镜8，在此之后，束被反射离开反射镜6，并且返回通过显微镜物镜8并且返回通过流动室9。因此，当泵浦束第一次传递通过流动室时，传递通过流动室的颗粒可以使来自泵浦束的光散射一次，并且然后当泵浦被反射并且第二次传递返回通过流动室时，再次使来自泵浦束的光散射。因此，与单程泵浦束配置相比，光检测器响应于颗粒传递通过颗粒询问区而产生的信号幅度可以显著增加。
应注意，作为双程泵浦束的替代或附加，入射束可以被配置为双程束。
示例5：使用双程泵浦束与单程泵浦束与常规(无泵浦束)的纳米颗粒检测的比较
通过泵浦干涉测量法实现的纳米颗粒检测增强的净效果是两倍的。如由沿图3的幅度轴的泵浦数据和无泵浦数据的范围的比较所证明的，检测到的信号幅度显著增加。在图3的实验中，颗粒的单分散体被馈送通过双程泵浦束颗粒检测器(类似于图10的双程泵浦束颗粒检测器)、单程泵浦束颗粒检测器(类似于图1的单程泵浦束颗粒检测器)和不具有束泵浦的常规颗粒检测器。每个曲线下面的面积表示每分钟检测到的颗粒的数目。如可以看到的，单泵浦配置和双泵浦配置提供了比无泵浦测量多得多的纳米颗粒/时间的检测。这是由于提高的检测灵敏度和对在入射束附近传递但不传递通过入射束的粒子的检测。在入射束附近传递通过较大尺寸的泵浦束的粒子可以生成散射光，这导致入射束内的信号生成。与无泵浦入射束相比，这有效地增加了每单位时间感测的流体体积。
示例6：用于表面检测的平行束
现在转到图11，在一个实施方案中，当泵浦束104和入射束105接近询问区(在此情况下是表面101)时，它们可以具有平行的传播轴。恰在到达询问区101之前，两个束都可以传递通过具有平行于束104、束105的传播轴的轴103的会聚透镜102。表面101可以设置在两个束的焦点处。因此，表面101上的颗粒可以使来自束104、105的光散射。在一些实施方案中，采用图11的平行束配置的系统可以包括1/4波片和偏振分束器。束可以传递通过偏振分束器，然后通过1/4波片，然后通过物镜，然后第一次与颗粒相互作用，然后从表面反射离开，然后第二次与颗粒相互作用，然后传递返回通过物镜，返回通过1/4波片，并且返回到偏振分束器，在此处入射束被重定向90度。因此，经由2次传递通过1/4波片，结果是返回束的偏振可以与源束正交。
示例7：泵浦干涉测量束
在一个实施方案中，可以经由方解石束产生具有相反偏振的两个平行束。第一束可以是低功率入射束，并且第二束可以是高功率泵浦束。所述束中的一个可以被传递通过1/2波片，以在所述束传递通过正透镜之前匹配偏振，该正透镜将所述束聚焦到颗粒询问区处的共享焦点，该颗粒询问区可以在表面上，或可以在流动的气体或液体流中。在所述束传递通过它们可以与颗粒相互作用的焦点之后，两个束发散并且可以用另一个透镜被重新准直。然后使用反射镜或刀刃般锋利的(knife-edged)棱镜将泵浦束重定向远离入射束(发送到束收集器(beam dump))，并且将入射束传送到差分光电检测器。
示例8：低功率激光器实施方案。
在一些实施方案中，通过使用不同的光电检测器技术，系统可以在大范围的激光功率上起作用。例如，在某个实施方案中，光电检测器可以包括硅PIN光电二极管，并且对于入射束，检测器处的激光功率可以在5–50mW的范围内，在泵浦束处具有500–10000mW。在替代实施方案中，光电检测器可以包括更灵敏的雪崩光电二极管，并且对于入射束，检测器处的激光功率可以在0.001–0.01mW的范围内，在泵浦束中具有0.1–200mW功率。在一些实施方案中，可以通过使用光电倍增管检测器进一步降低激光功率。利用低功率激光器执行纳米颗粒检测的能力能够实现更低的成本和更紧凑的仪器，同时也消除了对主动冷却激光器的需要。
示例9：双程入射束
现在转到图12，示出了配置有双程入射束的颗粒检测系统的一个实施方案。光的入射束可以由光源51(例如，激光器)生成。入射束可以被传递通过隔离器52，并且然后通过扩束器53。然后，入射束可以从反射镜54反射离开并且(可选地)被传递通过相位掩模55。然后，该入射束可以被传递通过半波片56并且从反射镜57反射离开。然后，入射束可以传递通过偏振分束器62，并且然后通过四分之一波片64。然后，入射束可以被传递通过物镜58并且然后通过比色皿59。装载颗粒的流体可以流动通过比色皿59。因此，入射束在其传递通过比色皿59时可以与散射光的颗粒相互作用。然后，入射束与由于颗粒/束相互作用引起的前向散射光可以被传递通过收集光学器件60，并且经由反射镜63被反射，返回通过光学器件60并且以与第一次相反的方向返回到比色皿59内。因此，入射束可以与颗粒第二次相互作用(考虑到相对于通过比色皿的流体的速度的光速，颗粒可能仍然位于比色皿内的、与第一次颗粒/束相互作用期间它所位于的位置的基本上相同的位置)。泵浦束(未示出)也可以被传递通过比色皿59，例如与入射束正交(在页面外)。因此，由于颗粒与泵浦束的相互作用，入射束以及由于颗粒/入射束相互作用引起的前向散射光可以与侧向散射光组合。此光组合然后可以被传递通过物镜58、通过四分之一波片64并且最后经由偏振分束器26被引导到检测器61上。
关于通过引用并入和变化的声明
本申请全文中的所有参考文献——例如包括已发布或授权的专利或等同物、专利申请公布的专利文献以及非专利文献文档或其他原始资料——的全部内容在下述这样的条件下据此通过引用并入本文，如同单独地通过引用并入：每个参考文献不与本申请中的公开内容至少部分地不一致(例如，部分地不一致的参考文献除了该参考文献的部分地不一致的部分外通过引用并入)。
本文已经采用的术语和表达被用作描述性的术语而不是限制性的术语，并且不意在使用这样的术语和表达来排除所示出的和所描述的特征或其部分的任何等同物，但是应认识到，在所要求保护的本发明的范围内能够进行各种修改。因此，应理解，尽管通过优选实施方案、示例性实施方案和可选特征具体公开了本发明，但是本领域技术人员可以采取本文所公开的构思的修改和变化，并且这样的修改和变化被认为是在由所附权利要求限定的本发明的范围内。本文所提供的具体实施方案是本发明的有用实施方案的示例，并且本领域技术人将员明了的是，可以使用本说明书中所阐述的装置、装置部件、方法步骤的大量变化来执行本发明。如对于本领域技术人员来说将明显的，对于本方法有用的方法和装置可以包括大量的可选的组成和处理要素以及步骤。
如本文以及所附权利要求中所使用的，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数的提及物，除非上下文另有清楚指示。因此，例如，对“一个室”的提及包括多个这样的室以及本领域技术人员已知的其等同物。此外，术语“一个(a)”(或“一个(an)”)、“一个或多个”和“至少一个”可以在本文中可互换地使用。还应注意，术语“包括(comprising)”、“包含(including)”和“具有(having)”可以可互换地使用。表达“根据权利要求XX-YY中任一项”(其中XX和YY指权利要求序号)意在以择一形式提供多个从属权利要求，并且在一些实施方案中与表达“如权利要求XX-YY中任一项”可互换。
除非另有说明，否则本文所描述或所示例的每一个装置、系统、配方、部件的组合或方法都可以被用来实践本发明。
每当在说明书中给出一范围，例如温度范围、时间范围或组成或浓度范围，所有中间范围和子范围以及包含在给出的范围中的所个体值都意在被包括在本公开内容中。应理解，包含在本文的说明书中的范围或子范围内的任何子范围或个体值都可以被从本文的权利要求中排除。
说明书中所提到的所有专利和公布表明本发明所属领域的技术人员的技术水平。本文所引用的参考文献的全部内容通过引用并入本文，以表明自其公布日期或申请日起的现有技术状态，并且意在：如果需要，可以在本文中采用此信息以排除现有技术中的具体实施方案。例如，当要求保护物质的组成时，应理解，先于本申请人的发明的本领域已知和可得的化合物，包括在本文所引用的参考文献中针对其提供了能够实现的公开内容的化合物，并不意在被包括在本文的物质权利要求的组成中。
如本文所使用的，“包括(comprising)”与“包含(including)”、“含有(containing)”或“其特征在于(characterized by)”同义，并且是包含性的或开放性的并且不排除附加的未列出的要素或方法步骤。如本文所使用的，“由……组成”排除权利要求要素中未指定的任何要素、步骤或成分。如本文所使用的，“基本上由……组成”不排除不实质上影响权利要求的基本和新颖特性的材料或步骤。在本文的每种情况下，术语“包括(comprising)”、“基本上由……组成”和“由……组成”中的任何一个可以用另外两个术语中的任一个来代替。可以在不存在本文未具体公开的任何一个或多个元件、任何一个或多个限制的情况下实践本文适当地例示性地描述的本发明。
本领域普通技术人员将理解，除了具体地示例的那些以外，其他起始材料、生物材料、试剂、合成方法、纯化方法、分析方法、测定方法和生物方法都能够在实施本发明时使用，而无需诉诸于过度的实验。任何这样的材料和方法的所有本领域已知的功能等同物都意在被包括在本发明中。已经采用的术语和表达被用作描述性的术语而不是限制性的术语，并且不意在使用这样的术语和表达来排除所示出的和所描述的特征或其部分的任何等同物，而是应认识到，在所要求保护的本发明的范围内可以进行各种修改。因此，应理解，尽管已经通过优选实施方案和可选特征具体公开了本发明，但是本领域技术人员可以采取本文所公开的构思的修改和变化，并且这样的修改和变化被认为是在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (68)

1.一种颗粒检测系统，包括：
入射束光源，其提供入射束；
颗粒询问区，其设置在所述入射束的路径中，所述颗粒询问区包括颗粒；
光电检测器，其被设置为在所述入射束离开所述颗粒询问区之后检测所述入射束；
泵浦束光源，其提供泵浦束，其中所述泵浦束被引导至所述颗粒询问区；
其中所述入射束、所述泵浦束和光电检测器被布置为使得所述光电检测器被配置为检测以下各项的组合：
来自所述入射束或参考束的光；
由于入射束从所述颗粒询问区中的流体流中的颗粒散射引起的散射光；和
由于泵浦束从所述颗粒询问区中的流体流中的颗粒散射引起的散射光。
2.根据权利要求1所述的颗粒检测系统，其中所述入射束在所述询问区中与所述泵浦束相交。
3.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述入射束、所述泵浦束和光电检测器被布置为使得所述光电检测器被配置为检测来自所述入射束的光、由于入射束从所述颗粒询问区中的颗粒散射引起的散射光和由于泵浦束从所述颗粒散射引起的散射光的组合。
4.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述入射束、所述泵浦束和光电检测器被布置为使得所述光电检测器被配置为检测来自所述参考束的光、由于入射束从所述颗粒询问区中的颗粒散射引起的散射光和由于泵浦束从所述颗粒散射引起的散射光的组合。
5.根据权利要求4所述的颗粒检测系统，其中所述参考束是零差干涉测量参考束。
6.根据权利要求4所述的颗粒检测系统，其中所述参考束是外差干涉测量参考束。
7.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中由于入射束在所述颗粒询问区中散射引起的散射光是前向散射光。
8.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中：
所述入射束在进入所述询问区之前被偏振；
所述泵浦束在进入所述询问区之前被偏振；和
所述入射束和所述泵浦束被配置为使得，在所述询问区中，所述入射束具有在所述泵浦束的偏振轴的5度内的偏振轴。
9.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中，在所述光电检测器处，由于入射束散射引起的散射光、由于泵浦束散射引起的散射光和来自所述入射束的光各自具有彼此成5度的偏振轴。
10.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，包括激光器和偏振分束器；
其中所述入射束光源包括来自所述激光器的、经由所述偏振分束器被引导到第一光路上的光：和
其中所述泵浦束光源包括来自所述激光器的、经由所述偏振分束器被引导到第二光路上的光。
11.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，包括第一激光器和第二激光器；
其中所述入射束光源包括来自所述第一激光器的光；和
其中所述泵浦束光源包括来自所述第二激光器的光。
12.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述光电检测器由于所述颗粒询问区中的散射而产生颗粒检测信号，并且其中所述信号对应于以下各项的总辐照度：
(i)来自所述入射束的光
(ii)由于所述入射束引起的散射光；和
(iii)由于所述泵浦束引起的散射光。
13.根据权利要求12所述的颗粒检测系统，其中所述颗粒检测信号具有比不存在所述泵浦束时它的量值大至少2倍的量值。
14.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述泵浦束以相对于所述入射束的倾斜角度与所述颗粒询问区相交。
15.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述泵浦束以相对于所述入射束的正交角度与所述颗粒询问区相交。
16.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述泵浦束在与所述入射束相反的方向上与所述颗粒询问区相交。
17.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述泵浦束和入射束被平行地引导通过正透镜，所述正透镜将所述束聚焦到所述颗粒询问区处的共享焦点。
18.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述颗粒询问区包括被配置为使颗粒流动通过其的流动室。
19.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述泵浦束具有至少1的辐照度比；其中所述辐照度比被定义为所述泵浦束在其腰处的辐照度与所述入射束在其腰处的辐照度的比。
20.根据权利要求19所述的颗粒检测系统，其中所述泵浦束具有至少2的辐照度比。
21.根据权利要求19所述的颗粒检测系统，其中所述泵浦束具有至少10的辐照度比。
22.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述泵浦束光源包括单模激光器。
23.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述颗粒询问区是流动室。
24.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述颗粒询问区是气溶胶射流。
25.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述颗粒询问区是表面。
26.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述光电检测器是多元件光学检测器。
27.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，包括；
衍射光学元件，其设置在所述入射束的路径中、位于所述入射束光源和所述颗粒询问区之间。
28.根据权利要求27所述的颗粒检测系统，其中所述衍射光学元件被配置为生成一维束阵列。
29.根据权利要求27所述的颗粒检测系统，其中所述衍射光学元件被配置为生成多个高斯束。
30.根据权利要求27所述的颗粒检测系统，其中所述衍射光学元件被配置为生成多个束，其中当与其他束相比时，所述多个束中的每个束具有小于20％的强度变化。
31.根据权利要求27所述的颗粒检测系统，其中所述光电检测器包括上部区和下部区。
32.根据权利要求27所述的颗粒检测系统，其中所述光电检测器是差分阵列检测器。
33.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述入射束是暗束。
34.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述泵浦束是暗束。
35.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述泵浦束是双程束。
36.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述颗粒检测系统是泵浦零差干涉测量检测系统。
37.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述颗粒检测系统是泵浦自零差干涉测量检测系统。
38.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述颗粒检测系统是泵浦外差干涉测量检测系统。
39.一种消光光学颗粒计数器，包括根据前述权利要求中任一项所述的颗粒检测系统。
40.根据权利要求39所述的消光光学颗粒计数器，其中所述光电检测器是第一光电检测器，所述消光光学颗粒计数器包括被设置为在所述泵浦束传递通过所述颗粒询问区之后检测所述泵浦束的第二光电检测器。
41.一种颗粒检测系统，包括：
入射束光源，其发射入射束；
颗粒询问区，其设置在所述入射束的路径中；
光电检测器，其被设置为在所述入射束传递通过所述颗粒询问区之后检测所述入射束；
泵浦束光源，用于发射泵浦束，所述泵浦束瞄准所述颗粒询问区；
其中所述入射束、所述泵浦束和光电检测器被布置为使得所述光电检测器被配置为检测以下各项的组合：
来自所述入射束的光；
由于入射束在所述颗粒询问区中散射引起的前向散射光；和
由于泵浦束在所述颗粒询问区中散射引起的散射光；
其中所述泵浦束具有至少1的辐照度比。
42.根据权利要求41所述的颗粒检测系统，其中所述辐照度比被定义为所述泵浦束在其腰处的辐照度与所述入射束在其腰处的辐照度的比。
43.一种颗粒检测系统，包括：
入射束光源，其提供入射束；
颗粒询问区，其设置在所述入射束的路径中，所述颗粒询问区用于容纳具有颗粒的流体流；
衍射光学元件，其设置在所述入射束的路径中、位于所述入射束光源和所述颗粒询问区之间；
光电检测器，其被设置为在所述入射束传递通过所述颗粒询问区之后检测所述入射束；
其中所述入射束和光电检测器被布置为使得所述光电检测器被配置为检测来自所述入射束的光和由于入射束从所述颗粒询问区中的流体流中的颗粒散射引起的散射光。
44.根据权利要求43所述的颗粒检测系统，其中所述衍射光学元件被配置为生成一维束阵列。
45.根据权利要求43-44中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述衍射光学元件被配置为生成多个高斯束。
46.根据权利要求43-45中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述衍射光学元件被配置为生成多个束，其中当与其他束相比时，所述多个束中的每个束具有小于5％的强度变化。
47.根据权利要求43-46中任一项所述的颗粒检测系统，其中所述光电检测器包括上部区和下部区。
48.根据权利要求43-47所述的颗粒检测系统，其中所述光电检测器是差分阵列检测器。
49.一种颗粒检测系统，包括：
入射束光源，其提供入射束；
颗粒询问区，其设置在所述入射束的路径中，所述颗粒询问区包括颗粒；
光电检测器，其被设置为在所述入射束离开所述颗粒询问区之后检测所述入射束；
泵浦束光源，其提供泵浦束，其中所述泵浦束被引导至所述颗粒询问区；
其中所述入射束、所述泵浦束和光电检测器被布置为使得所述光电检测器被配置为检测以下各项的组合：
来自所述入射束的光；
由于入射束从所述颗粒询问区中的流体流中的颗粒散射引起的散射光；和
由于泵浦束从所述颗粒询问区中的流体流中的颗粒散射引起的散射光。
50.一种颗粒检测方法，包括：
将入射束引导到容纳具有颗粒的流体流的询问区并且引导到光电检测器上；
将泵浦束引导到所述颗粒询问区；
通过所述入射束与所述颗粒询问区中的一个或多个颗粒的相互作用生成散射光；
通过所述泵浦束与所述颗粒询问区中的流体流中的一个或多个颗粒的相互作用生成散射光；
经由所述光电检测器检测以下各项的组合：
来自所述入射束或参考束的光；
来自所述入射束的散射光；和
来自所述泵浦束的散射光。
51.根据权利要求50所述的方法，包括经由所述光电检测器检测以下各项的组合：
来自所述入射束的光；
来自所述入射束的散射光；和
来自所述泵浦束的散射光。
52.根据权利要求50所述的方法，包括经由所述光电检测器检测以下各项的组合：
来自所述参考束的光；
来自所述入射束的散射光；和
来自所述泵浦束的散射光。
53.根据权利要求50-52中任一项所述的方法，包括：
从激光器发射激光束；
经由偏振分束器将所述激光束分离成所述泵浦束和所述入射束。
54.根据权利要求50-52中任一项所述的方法，包括：
经由第一激光器产生所述入射束；
经由第二激光器产生所述泵浦束。
55.根据权利要求50-54中任一项所述的方法，包括经由所述光电检测器产生颗粒检测信号，其中所述信号对应于与来自所述入射束的散射光以及来自所述泵浦束的散射光组合的来自所述入射束的光的强度。
56.根据权利要求50-55中任一项所述的方法，其中所述入射束和所述泵浦束被配置为同时与所述流体流中的所述颗粒相互作用。
57.根据权利要求50-56中任一项所述的方法，其中所述散射光是通过所述入射束和所述泵浦束与所述流体流中的单个颗粒的相互作用生成的。
58.根据权利要求50-57中任一项所述的方法，包括：
经由衍射光学元件将所述入射束衍射成多个束。
59.根据权利要求58所述的方法，其中所述光电检测器包括上部区和下部区，所述方法包括将来自所述上部区的信号与来自所述下部区的信号进行比较。
60.根据权利要求50-59中任一项所述的方法，包括经由衍射步骤增加所述流体流的体积采样速率。
61.根据权利要求50-60中任一项所述的方法，其中检测步骤包括检测来自所述入射束的前向散射光。
62.根据权利要求50-61中任一项所述的方法，包括引导所述入射束通过柱面透镜，从而产生高纵横比束入射束。
63.一种颗粒检测方法，包括：
使入射束指向颗粒；
使泵浦束指向所述颗粒；
经由所述颗粒散射来自所述入射束的光；
经由所述颗粒散射来自所述泵浦束的光；
经由光电检测器检测以下各项的组合：
来自所述入射束的光；
来自所述入射束的散射光；和
来自所述泵浦束的散射光。
64.一种颗粒检测方法，包括：
产生入射束；
经由衍射光学元件将所述入射束衍射成多个束；
将所述多个束引导到包括颗粒的询问区并且引导到光电检测器上；
通过所述多个束与所述颗粒询问区中的一个或多个颗粒的相互作用生成散射光；
经由所述光电检测器检测来自所述多个束的散射光。
65.根据权利要求64所述的方法，其中所述光电检测器包括上部区和下部区，所述方法包括将来自所述上部区的信号与来自所述下部区的信号进行比较。
66.根据权利要求64-65中任一项所述的方法，包括经由衍射步骤增加所述流体流的体积采样速率。
67.根据权利要求64-66中任一项所述的方法，其中检测步骤包括检测来自所述入射束的前向散射光。
68.一种颗粒检测方法，包括：
将入射束引导到容纳具有颗粒的流体流的询问区并且引导到光电检测器上；
将泵浦束引导到所述颗粒询问区；
通过所述入射束与所述颗粒询问区中的流体流中的一个或多个颗粒的相互作用生成散射光；
通过所述泵浦束与所述颗粒询问区中的流体流中的一个或多个颗粒的相互作用生成散射光；
经由所述光电检测器检测以下各项的组合：
来自所述入射束的光；
来自所述入射束的散射光；和
来自所述泵浦束的散射光。
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