CZ149296A3 - Apparatus for optical investigation of gaseous or liquid medium - Google Patents

Description

(57) Anotace.-“--------- .. ;· ---------- - Zařízenízahrnujeměřicí prostor..-(8). obsahuji-?

cí místo průchodu (15) pro médium, zdroj (31) monochromatického světla, dodávající svazek (Fl) na optické- prostředky((6, 32, 34) před měřicím prostorem, zahrnující první difrakční optičkýprvek (32), kterým je difrakční mřížka

- (38), jejíž optické' vlastnósti jsou na Jedné, stráně určené v závislosti ha vlastnostech zdroje světlá a.na druhé straně v závislosti na geometrických a spektrálních vlastnostech světla pro osvěltování místa průchodu, schopná indukovat fluorescenci alespoň jedné části média a dále primární (19-20), sekundární (34, 36) a terciální (40) optoelektronické prostředky určené pro shromažďování prošlého svazku, fluorescence, respektive světla získaného difrakcí a schopné dodávat do Jednotky (24) analýzy signály, odpovídající informacím v uvedených světelných svazcích. Alespoň jeden z uvedených světelných svazků pochází z druhého difrakčního optického ___pryku_( 42), kderýh¹ J.e_dr.uhá.difrakční.mřížka,_

Jejíž optické vlastnosti jsou předem určené v závislosti na frekvenční a geometrické přenosové' funkci alespoň, Jednoho z optoelektronických prostředků.

/ ΐ r+co α-4 ii :‘S

“ ί ί χ ; C I

Zařízení optické zkoumání médifl/.-gejména pro- hematoiogické- analýzy

Oblast techniky

Vynález se týká optického zkoumání částic v plynném nebo kapalném médiu a obzvláště formování optických svazků, používaných v přístrojích pro počítání částic, zejména v cytometrii toku, hematologii a lékařské analýze.

Dosavadní stav techniky

I*J|

Některé současné přístroje rozlišují automaticky částice v kapalném nebo plynném médiu podle typu jejich vzhledu a v některých’případech určují jejich příslušnost do podtříd daného typu. Tyto rozdíly vyžadují buď několik různých zařízení, z nichž každé je schopné provádět část požadované analýzy nebo jedno zařízení vybavené více oddíly (nebo komorami) pro provádění analýzy, sestavenými za sebou.

Zařízení schopné provádět část tohoto typu analýzy je popsané ve francouzském vynálezu č. 89 14120 přihlašovatele. Zařízení sestává z měřicího prostoru (komory) obsahující průchod, kterým musí médium procházet, předřazených optických prostředků, schopných získávat světlo vycházející ze zdroje a soustřeďovat jej do místa průchodu v závislosti na zvolených geometrických a spektrálních vlastnostech a následných primárních prostředků pro zachycování světla, schopných dodávat do jednotky analýzy signály (“primární signály”) reprezentující informace (“primární informace”) přenášené světlem o zvolených geometrických a spektrálních vlastnostech a shromažďovaných následnými primárními prostředky pro zachycování světla, které prošlo průchodem.

Spektrálními vlastnostmi se rozumí stejně tak intenzita jako vlnová délka světla ze zdroje nebo světla získaného po interakci s médiem v úrovni průchodu a geometrickými vlastnostmi se rozumí obecný tvar a topologie ozářené zóny nebo měřící zóny uvažovaného zařízení pro záchýcování-světla; --- - Pod optickými prostředky se- míní optika pro soustřeďování světla před nebo za místem průchodu (na příklad objektiv mikroskopu) a pod prostředky pro zachycování světla.se chápou elektronické detekční prvky jako je dioda, fotonásobič nebo další analogové zařízení.

Jednou z potíží spojených s tímto typem měření je požada. vek.. aby „zkoumané, částice v médiu, které procházejí místem průchodu a jsou v něm osvětlovány, byly ozářeny světlem o téže ~iďtenzrťě’a~po~sťejnou-ďobu7=Jinak-řeČeiio—rozložení-i-ntenzity— světla po celé ploše, určené místem průchodu, musí být stejnoměrné. To si vynucuje předběžné formování světelného svazku,, přicházejícího ze zdroje světla a určeného pro osvětlování místa průchodu.

V důsledku geometrických a spektrálních vlastností světla, získaného po interakci média se světelným svazkem, vycházejícím ze zdroje, je nutné používat početné optické prostředky, zabírající mnoho místa.

Je tedy možno shrnout, že současná řešení přinášejí jistý počet nevýhod, jako je například potřeba velkého prostoru, složi-3tost, relativně významný podíl neurčitosti, zatěžující výsledky měření nebo nemožnost rozlišení podtříd daného typu. Tyto nevýhody budou ještě podrobněji rozebírány v dalším textu.

Cílem vynálezu je tedy dát k disposici zařízení pro optické zkoumání Částic v médiu, jehož typ je popsán v úvodní části, který nevykazuje nevýhody předchozích zařízení, obzvláště co se týče účinnosti, prostorových nároků, složitosti a ceny.

Podstata vynálezu I

V Zařízení podle vynálezu alespoň, jeden z optických prostředků před místem průchodu a optických prostředků za místem průchodu je představován alespoň jedním primárním difrakčním optickým prvkem, určeným v závislosti na jeho poloze vzhledem k místu průchodu k úpravě geometrických a/nebo spektrál..........nich vlastností bud’ svazku světla dodávaného zdrojem a nebo —-.'' světla získaného po interakci mezi médiem a světlem ze zdroje.

Tento prvek má alespoň jeden povrch, který interaguje se světlem, které shromažďuje a představuje primární třídimenzionální zvolenou strukturu určenou k realizaci zvolené interakce mezi světlem, které k ní přichází a světlem, které z ní vystupuje, při čemž se berou do úvahy vlastnosti těchto dvou světel.

Pod optickým difrakčním prvkem se rozumí komponenta, je- , jíž alespoň jeden stěna je provedena způsobem, který realizuje strukturu schopnou nechat interferovat konstruktivním způsobem a podle zákonů difrakční optiky fotony emitované zdrojem se známými vlastnostmi.

Formování světelného svazku tedy může probíhat před jeho vstupem do prostoru interakce média se zdrojovým světlem á/nebo za tímto prostorem.

Podle jednoho aspektu vynálezu zvolené geometrické a spektrální vlastnosti, vyžadované pro osvětlování místa průchodu, zahrnují stejnoměrné osvětlení při zvolené vlnové délce zhruba rovinného uzavřeného povrchu s danou geometrií.

.....“Bylo pozorováno_?-že-nahrazením.alespoň.části optickýchprostředků určených v zařízeních podle dosavadního stavu techniky k formování světla emitovaného zdrojem jediným optickým difrakcním prvkem s velmi malými prostorovými nároky a specificky upraveným na jedné straně vzhledem ke zdroji a na druhé straně vzhledem k požadovaným geometrickým a spektrálním vlastnostem světla dopadajícího na zkoumané médium, je možné významně, omezit prostorové nároky zařízení a především velmi výrazně zlepšit přesnost a rozlišení měření.

Žádná konvenční geometrická optika o malých prostorových —~nájo~čich-a-nepr-í^:l-iš-v-ysoké-ceněrnedoy.Q.luje-získat-osv.ětlgní....které má takové vlastnosti.

Stejně tak žádný konvenční optický prostředek s malými prostorovými nároky a nepříliš vysoké ceně nedovoluje shromažďovat světlo pocházející z interakce mezi médiem a zdrojovým světlem s tak velkou účinností, dovolujíce přitom geometrickou a/nebo spektrální filtraci tohoto shromážděného světla.

Podle dalšího aspektu vynálezu je zdrojem světla zdroj takřka monochromatického záření jehož emisní vlnová délka je zvolena tak, že indukuje fluorescenci alespoň jedné části média, které přechází místem průchodu. Mimo to zařízení sestává také z dal- o ších zachycujících prostředků, určených ke shromažďování alespoň části fluorescence emitované médiem a dodávání signálů (sekundární signály) do jednotky analýzy, přičemž tyto sekundární signály obsahují informaci (sekundární informace) přenášenou shromažďovanou fluorescencí.

Na médium určené ke zkoumání se předběžně působí vhodným cytochemickým prostředkem, určeným ke specifickému obarvení jistých podtříd částic, který obsahuje alespoň jedno fluorescenční barvivo.

Pokud se nahradí zdroj podle dřívějšího stavu techniky a je ^p představován lampou monochromatickým zdrojem, jako je na- příklad laserová dioda, je zařízení možno upravit analyzovanému médiu tak, aby vlnová délka emitovaná tímto zdrojem mohla vyvolávat fluorescenci obarvené podtřídy.

Je možno si představit více variant realizace zařízení podle vynálezu. V první variantě se používá jediný difrakční optický prvek před místem průchodu pro formování světla ze zdroje a shromažďování světla vycházejícího z interakce mezi médiem a světlem ze zdroje se provádí konvenčním způsobem pomocí refrakčních optických prostředků. Ve druhé variantě se jeden nebo více difrakčních optických prvků používá pouze pro shromažďování světla vycházejícího z interakce mezi médiem a světlem ze zdroje a formování světla vycházejícího ze zdroje se provádí konvenčním způsobem pomocí refrakčních optických prostředků. Nakonec ve třetí variantě se používá difrakční optický prvek před místem průchodu pro formování světla ze zdroje a -jeden-neb o-v-íee-d-ifr-a-kěn-íeh-opt-iek-ých-p rvků-které-s hromaž ďuj íCVPťln wclp 7 inřprQί'ΡΡ ΠΊΟ71 mZrJiPm.o - ·> V -? y y CltZ. Z ÍI1LÍ3L ÍLÍCúl·· Cl w j m

V první variantě souhra mezi monochromatickým zdrojem

-6-2/ a difrakčním optickým prvkem, umístěným před místem průchodu a navrženým pro práci s daným optickým zdrojem, zvyšuje obzvláště kvalitu osvětlení na určené části osvětlované plochy a zejména stejnoměrnost intenzity osvětlení na celém povrchu dané plochy.

Ve druhé variantě může zařízení integrovat řadu různých a nedestruktivních technik analýzy, zejména fluorescenční analýzu, přenosovou analýzu a difrakční analýzu s různými úhly-a to s-objemovými nároky, který jsou omezenější než v zařížěňíčhpodlé' dřívějšího stavu techniky. Navíc tyto analýzy mohou být prováděny současně a s jediným vzorkem.

Je také možno uvažovat separaci více vínových délek, obsažených ve vstupním světelném svazku a vytvoření několika monochromatických a nekolineárních svazků a soustředit každý ze svazků do předem určeného místa s vlastní geometrií. Je ale také možno provádět spektrální a/nebo geometrickou filtraci.

Ve třetí variantě je možně se zbavit buď všech nebo části - tradičních -optických prvků,. které - mohou být ^představovány objektivem mikroskopu nebo světlo konvergujícími čočkami.

Obzvláště výhodně jsou první a druhý třídimenzionální motiv představovány první a druhou difrakční mřížkou, vytvořenou v substrátu, který je transparentní při vlnové délce světla zdroje a/nebo při vlnové délce fluorescence.

Je možno uvažovat vytvoření difrakční mřížky klasickou holografií tím, že se interferenční kruhy zachytí v emulsi citlivé na světlo. Tyto mřížky však nevykazují vždy požadovanou časovou stabilitu a jejich průmyslová výroba je obtížnější než přímá výroba difrakční mřížky.

-8Účinnost difrakce každé mřížky bude záviset na stupni shodnosti mezi vypočtenou difrakční funkcí a vytvořeným třídimenzionálním motivem. Tento stupeň shodnosti sám o sobě závisí na kroku mezi dvěma po sobě následujícími úrovněmi nebo jinými slovy na počtu úrovní určujících maximální amplitudu difrakční funkce.

Cím je větší počet úrovní, tím je větší účinnost difrakce. Je ale možné dokázat, že tato účinnost rychle roste ke zhruba 95 %, pokud maximální intenzita funkce je rozložena do 16 úrovní, zatímco později se blíží velmi pomalu k asymptotě, představující účinnost 100 %. Přitom však výrobní náklady mřížky s modulovaným reliéfem roste zhruba exponenciálně s počtem úrovní. Z toho vyplývá, že modulace na více než 16 úrovní přináší výrazně zvýšené náklady, zatímco přírůstek účinnosti je velmi malý.

Optické difrakční prvky mohou být typu, který je nazýván Fourierův nebo typu, který je nazýván Fresnelovův. Pochopitelně jeden prvek může být Fresnelova typu, zatímco ostatní prvky (nebo prvek) může být Fourierova typu nebo naopak.

< _T ’ Pod Fourierovou optikou se rozumí prvek, který dává vlnové svazky, jejichž řády +1 a -1 jsou skutečné, což dovoluje dvě varianty. První varianta, která se nazývá “centrovaná” (nebo anglicky “on axis”), ve které se řády +1 a -1 překrývají na optické ose prvku. Druhá varianta je nazývána “necentrovaná” (nebo anglicky “off axis”), ve které dva řády +1 a -1 se nacházejí položeny symetricky na jedné či druhé straně optické osy, aniž by se překrývaly. Druhá varianta jistě dovoluje vhodnější uspořádání, neboť zvolením jednoho z řádů +1 a -1, odchýlených od osy je možno se zbavit středního zbytkového řádu 0, ale dělí to výtěžek difrakce ná polovinu, neboť energie přenášené jednotlivými řády nejsou sečteny. Tento typ prvku dává vzdálený obraz předmětu, což znamená, že ostrý obraz předmětu se nachází v nekonečnu.

Pod Fresnelovou optikou se rozumí prvek, který dává vlnové svazky, jejichž řád +1 je skutečný a řád -1 je virtuální, což dovoluje jenom jednu možnost. Takováto optika je tedy ekvivalentní čočce konvenční geometrické optiky. Tento typ prvku dává blízký obraz předmětu.

Optický difrakční prvek, jehož úkolem je formování svazku — světla -před-místem-průchodu-zahrnujevýhodně. jediný, povrch, obsahující difrakční motiv Fresnelova typu s šestnácti úrovněmi.

Toto řešení je výhodné neboť, jak bylo uvedeno výše, Fresnelova optika dává blízký obraz předmětu. Z tohoto důvodu může difrakční prvek sám o sobě realizovat stejnoměrné rozložení energie obsažené ve zpracovávaném svazku světla a současně soustředit tuto energii do daného místa, jako například na přední stranu objektivu a nebo přímo do místa průchodu, aniž by bylo třeba mezi optický prvek a místo průchodu přidávat čočku, soustřeďující světlo, což nastává v případě použití Fourierovy optiky. To ^^_^pak-dovQlujeještěO-něeo-víee--zmenŠit-prostoroyě-nároky_^aríze.nL pro provádění analýzy.

Stejně tak se difrakční optický prvek, určený k formování • světla za místem průchodu, sestává výhodně z jediného povrchu, nesoucího difrakční motiv Fourierova typu se šestnácti úrovněmi.

Toto řešení je výhodné, neboť, jak bylo uvedeno výše, Fourierova optika dává vzdálený obraz předmětu a může fungovat v centrovaném módu, což dává možnost získat ostrý obraz přenášeného světelného svazku a/nebo fluorescence na relativě vzdáleném detekčním povrchu, aniž by bylo potřeba použít další optické prvky, což umožňuje ztratit minimum světelného signálu.

-10Prehled obrázků na výkrese

Následující popis, jehož cílem je podat příklady provedení vynálezu, se odvolává na připojené obrázky, na kterých:

. Obr. 1 je schéma zobrazující zařízení podle vynálezu podle prvního způsobu provedení;

obr. 2 je zvětšené vyobrazení střední Části oblasti interakce mezi kalibrovaným svazkem a médiem v zařízení podle obr. 1;

obr. 3A a 3B zobrazují každý v příčném řezu část difrakčního optického prvku s modulací o 2 úrovních (A) a o 16 úrovních (B);

obr. 4 je příklad obrázku difrakční mřížky Fresnelova typu se dvěma fázovými úrovněmi;

obr. 5 je schéma ilustrující zařízení podle vynálezu podle druhého.způsobu provedení; .. .. ........

obr. 6 příklad obrázku difrakční mřížky Fourierova typu se dvěma fázovými úrovněmi;

obr. 7 je schéma ilustrující částečnou a zjednodušenou variantu zařízení podle obr. 5; a obr. 8 je schéma ilustrující zařízení podle vynálezu podle třetího způsobu provedení.

Přiložené obrázky zahrnují řadu prvků přesně vymezeného druhu, které je obtížné plně definovat pomocí textu. Z tohoto důvodu tedy představují nedílnou Část popisu předmětu vynálezu a jsou součástí definice vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Nejprve bude s odkazem na obr. 1 a obr. 2 popsán první způsob provedení zařízení podle vynálezu.

Zařízení sestává ze zdroje monochromatického světla o velmi malé spotřebě elektrické energie, jehož emisní vlnová délka je zvolena v závislosti na spektrálním pásmu pro excitaci fluorescenčního barviva vybraného pro obarvení jistých podtríd čásťic média urcenéhok'analyzování-.-Tento zdroj-jevýhodně lase-. :?·. rová dioda, ale může to být i laser a nebo· obecněji zdroj, jehož vlnová délka i vyzařovaný výkon dovolují fluorescenci obarvené podtřídy, která má být analyzována.

Laserová dioda 31 vysílá světelný svazek Fl, který je v řezu zhruba eliptický a má rozdělení energie gaussova typu, ve směru difrakčního optického prvku 32. Tento prvek 32 má přední povrch 33 ve směru laserové diody, který působí na. přicházející světelný svazek Fl. vydávaný touto.dio.dou 31tak,.že..s_vazek.má...................

zvolené geometrické a spektrální vlastnosti v místě průchodu T5^_méřičího^_prostorir8Ť^:kteřý⁼j'e-zde=veTvar-u-komory.-^Jako-EG—— je označen světelný svazek, zpracovaný průchodem difrakČním optickým prvkem 32.

Geometrické vlastnosti se vztahují ke tvaru svazku FC a jeho rozměrům v· místě průchodu 15, kde by měly být zhruba rovny příčnému rozměru toku v místě průchodu. V popisovaném příkladě má svazek obdélníkový tvar o rozměrech například 100 μπι x 30 gm. Rozumí se, že v jiných aplikacích a nebo jestliže měřicí prostor není tvaru komory, tvar svazku FC může být jiný než obdélníkový. Totéž platí i o rozměrech svazku. Jsou myslitelné prakticky všechny možné tvary svazku, neboť difrakční prvek je vytvořen v závislosti na vlastnostech zdroje a vlastnostech,

- 12které svazek má mít v místě průchodu 15 v měřicím prostoru 8.

Dále spektrální vlastnosti se týkají energetického rozložení v úrovni místa průchodu, které musí být přibližně stejnoměrné (výhodně s odchylkou nižší než 5 %) v celém rozmezí výše popsaného obdélníka a dále se vztahují k monochromacitě světelného svazku, která je zaručována samotným zdrojem.

U uvažovaného způsobu provedení vynálezu difrakční prvek 32 dává světelný svazek FC se stejnoměrným energetickým rozdělením a obdélníkového průřezu, ale o rozměrech větších než bylo popsáno výše a to v -místě přední části prvního objektivu .·?; mikroskopu 6 (x 20), který zmenšuje rozměry obdélníkového svazku takovým způsobem, že v místě průchodu 15 mají požadované rozměry (zde 100 μτη x 30 μιη). Difrakční prvek a první objektiv 6 tedy spolupracují na vytvoření požadovaného svazku FC v úrovni měřicí komory 16. Je ale zřejmé, že je možno od * takovéto součinnosti upustit a navrhnout difrakční prvek tak, aby přímo dodával svazek, který má_:v..úrovni místa průchodu 15 v komoře 8 požadované vlastnosti.

Kromě toho je v uváděném příkladě svazek Fl, vycházející z diody 31, orientován ve směru kolmém na optickou osu analýzy.

V důsledku toho je k tomu, aby svazek dopadl na objektiv 6, třeba aby byl jeho směr změněn o 90° odrazem na dvoubarevné ' destičce 34, centrované do optické osy analýzy.

Za prvním objektivem prochází svazek FC místo průchodu IS v měřicí komoře &. Tím je přeměněn na prošlý svazek, označený jako FT, interakcí s médiem a potom vniká do druhého objektivu mikroskopu 18 (x 20), který je totožný s prvním objektivem 8 a který jej tvaruje a směruje k oddělovací krychli 1£, která jej odráží v kolmém směru na detekční fotodiodu 20.

Tato dioda je umístěna ve vzdálenosti od místa průchodu 15, která je rovna vzdálenosti od místa průchodu 15 k difrakčnímu prvku 32. Tím je zaručeno, že rozměry prošlého svazku FT v úrovni fotodiody 20 jsou zhruba stejné jako rozměry svazku, vycházejícího z difrakčního prvku 32. Druhý objektiv 18, separační krychle 19 a fotodioda 2£) představují primární optoelektronické prostředky.

Fotodioda 20 měří intenzitu prošlého svazku FT, který je více nebo méhě^_ábšorbóván' různými-podtřídami částic v -médiu , se kterými interaguje. Tato fluktuace absorbce, která dovoluje odlišovat podtřídy částic je způsobena nejen jejich různými objemy, ale také jejich vnitžními zvláštnostmi. Toto měření je transformováno do signálů, které jsou přenášeny do jednotky analýzy 24, kde jsou popřípadě korelovány s dalšími signály, přicházejícími jinou cestou 23 a vytvořenými počítáním podtříd částic. Tato poslední technika, stejně tak i další, které dovolují provádět měření na základě odporu a přenosu jsou velmi dobře známy

- odborníkům a jsoupodrobne rozebrány ve^- výše citovaném fran_c_ouzském vynálezu.__

Je též možno použít objektivy zhruba v ose prošlého svazku FT. Sestava zahrnuje matnici 21, dovolující vytvářet překrývající se obrazy svazku FC v úrovni místa průchodu a média a rozptylnou čočku 22 vloženou mezi matnici a oddělovaní krychli 19, která je určena ke zvětšení uvedeného překrývajícího se obrazu.

Navrhované zařízení zahrnuje také sekundární optoelektronické prostředky (optické prostředky a detektory) pro získávání další informace v měřicí komoře.

Vlnová délka záření vydávaného laserovou diodou 31 je zvo-14lena tak, aby vyvolávalo fluorescenci jistých podtrícl částic obsažených v analyzovaném médiu a předem obarvených vhodným flourescenčním barvivém. Když je barvivo obsažené v obarvených částicích vystaveno danému světelnému záření, absorbuje toto záření a reemituje takřka okamžitě (10^-8 s) a isotropně

emise se nazývá fluorescence. Je tedy možno získat část této nebo paralelně s touto osou (epifluorescence). Zařízení na obr.

ilustruje měření fluorescence při 0° (fluorescence zachycovaná paralelně k optické ose ve směru opačném vzhledem ke svazku Fl, který vychází z diody 31).

Zachycovaná fluorescence prochází první objektiv fl, poté dvoubarevnou destičkou 34 a postupuje směrem k filtru 35, který vybírá jedinou vlnovou délku fluorescence fluoreskujících částic, což dovoluje potlačit všechny ostatní parazitní vlnové délky, jako je například vlnová délka laserové diody. Poté co je filtrována, dopadá,fluorescence do trubice fotonásobiče.flfl,. .připojeného k jednotce analýzy 24. Intenzita naměřená trubicí 3fl za jistý daný časový interval jě korelována s ostatními měřeními na základě přenosu a odporu, což dovoluje odvodit informace o jistých podtřídách částic, speciálně o jejich počtech.

Je zřejmé, že jě možno bez problémů zaměnit polohu trubice fotonásobice a laserové diody, spojené s difrakčním prvkem. Stejně tak je možno realizovat zařízení podle vynálezu tak, že laserová dioda je uložena spolu se spojeným difrakčním prvkem paralelně s optickou osou analýzy a umístit sekundární optoelektronické prostředky pro zpracování fluorescence (trubici fotonásobiČe a interferenční filtr) vzhledem k měřicímu prostoru 8 tak, aby zachycovaly fluorescenci vycházející pod úhlem 90 ⁰ k této optické ose analýzy.

ŤÚ·

Optický difrakční prvek 32 (viz obr. 3A, 3B a 4) má na své čelní stěně 32 vzhledem k laserové diodě 31 třídimensionální motiv, vytvořený překrytím základních prvků 21 zhruba obdélníkového tvaru. Toto překrytí vytváří difrakční mřížku 22 s modulovaným reliéfem. Výška každého základního prvku je získána numerickým určením hodnoty funkce, umožňující koherentní difrakční účinek na fázi a/nebo amplitudu světla vydávaného zdrojem.

“ ~ Výpo'čěťdifrakční funkce- může-proveden-v-instuGÍch jako je Laboratoř fotonických systémů při Ecole Nationale Supérieure de Physique ve Strasbourgu, kde bylo též provedeno její numerické určení tak, aby bylo možno ovládat stroj, který realizuje difrakční motiv odpovídající této funkce.

Výpočet byi proveden s pomocí programů pro návrh optických systémů s počítačovou podporou. Pokud jsou známy vlnové vlastnosti světelného svazku Fl, který je vytvářen laserovou diodou 31 a vlastnosti, které světelný svazek má mít v. úrovni předního povrchu objektivu §, je možné pomocí vyjádření ^ifra3čcmlič^ťičk'éKo^::přvkir22“př6ch'odovou-maticí=a--za-použitíiterativního algoritmu pro řešení Maxwellových rovnic vypočítat difrakční funkci, která umožňuje transformovat svazek světla vycházející z diody na požadovaný svazek pro potřeby analýzy. Je zřejmé, že jelikož je algoritmus iterativní, může se stát, že bude nutné provést postupné aproximace, aby byla určena difrakční funkce.

, Pro výpočet je možné použít několika různých algoritmů, jako jsou například algoritmy známé pod jmény “algoritmus simulovaného žíhání”, “Gerschberg-Saxtonův algoritmus”, “algoritmus difúze komplexních chyb” nebo “ genetický algoritmus, založený na Darvinově evoluční teorii”. Tyto algoritmy také berou

-16v úvahu vlastnosti substrátu, na kterém je difrakce realizována, způsob výroby difrakční mřížky na tomto prvku a typu mřížky (Fresnelova nebo Fourierova). Výhodně je užívána Fresnelova mřížka, neboť nevyžaduje použití spojné čočky, neboť vytváří blízký obraz.

- Jakmile je vypočtena difrakční funkce, je nutné určit její numerické hodnoty, aby bylo možné ji transformovat na soubor dat, popisující číselný motiv, vytvářející difrakční mřížku. Tento soubor je obecně ve tvaru matice 1024 x 1024 prvků, který každý kóduje jednu část motivu.

K tomu dostačuje dát každé hodnotě funkce v daném bodě binární hodnotu. Jelikož kódování je binární, jeho přesnost tedy závisí na kroku mezi dvěma po sobě následujícími hodnotami. Aby byl získán velmi malý krok, je nutné, aby maximální hodnota funkce odpovídala co největšímu počtu úrovní.

Z důvodů rozsahu textu není zde možno podat úplným způsobem popis difrakční mřížky například Fresnelova typu a o dvou úrovních. Z tohoto důvodu je obrázek příkladu takové mřížky o dvou úrovních (černá a bílá) podán na obr. 4.

Jak již bylo uvedeno v úvodu, při více než 16 úrovních roste účinnost difrakce optického prvku velmi pomalu, zatímco výrobní cena roste velmi rychle. Z tohoto důvodu je difrakční optický prvek o 16 úrovních, který dává difrakční účinnost zhruba 95 %, dostatečný pro získání svazku světla pro analýzu o homogenitě, odchylující se od konstantní úrovně o nejvýše okolo 5%.

Na obr. 3A a 3B je možno vidět příčný řez difrakčním prvkem 32 jehož základní prvky 37 difrakční mřížky 38 jsou binární (A) nebo o 16 úrovních (B).

Jelikož působení difrakčního prvku 32 je dáno zákony ohybu světla, každý ze základních prvků 37 má své rozměry zhruba rovny nebo menší než je emisní vlnová délka diody 31. V důsledku toho je pro realizaci těchto základních prvků potřeba používat technik, které umožňují rozlišení řádu desetin- nanometru. V současné době je nej vhodnější technikou mikrolithografie a obzvláště technika užívající chromovou masku na “úrovně binárních šedí”'/ '.......... -------- ........—

Chromová maska je provedena ve formě úrovní šedi, kódovaných binárním způsobem, přičemž obraz odstupňované šedi je vytvořen laserovou tiskárnou. Tato maska se nachází na povlaku fotoresistu, který je sám nanesen na substrát. Maska se osvětlí ultrafialovým světlem, které v důsledku různých úrovní masky působí na resist v různých dávkách. Resist,· který obsahuje obraz reliefu, který má být přenesen, je potom vyvolán, čímž se tento relief objeví. Ro.tom.se. provede.transfer reliefu. z vyvolaného resistu do substrátu selektivní ionickou reaktivní metodou -(žnambŮTvíce^-p'od~angličkou zkraťkcíu-RIBE^^^- ~ ~.-^~

Každý základní prvek 37 je tímto způsobem vytvořen v substrátu 39, transparentním pří vlnové délce emitované laserovou diodou. Substrát je proveden z materiálu typu křemík nebo BK7.

Je pochopitelně možné použít řadu jiných typů substrátu. Stejně tak i způsob výroby není omezen na metodu popsanou výše. Je možno použít kteroukoliv jinou metodu, která je vhodná pro výrobu výše popsané difrakční mřížky. Je kupříkladu možné použít techniky, užívané při výrobě kompaktních zvukových desek.

-18Nyní bude s použitím obr. 5 popsán výhodný způsob provedení vynálezu, ve kterém jsou obsaženy všechny prvky zařízení ' z obr. 1 s výjimkou objektivu mikroskopu 18, který je nahražen druhým difrakčním optickým prvkem 42, na jehož čelní stěnu 43 dopadá prošlý svazek FT vycházející z komory 8 a transformuje jej na zpracovaný prošlý svazek FTT a difrakčně zpracovaný svazek FDT.

Zařízení tedy sestává z primárních optoelektronických prvků 19 a 20, instalovaných za komorou 8 a druhého optického difrakčního prvku 42 pro provádění analýzy průchodem, užívajíce zpracovaný prošlý svazek FTT stejně tak jako sekundární optoeletro- f nické prvky 34 až 36 pro provádění analýzy fluorescence, přičemž tyto sekundární prostředky jsou stejně tak instalovány před místem průchodu 15, kde shromažďují epifiuorescenci.

Při tomto způsobu provedení vynálezu se také předpokládá, že za místem průchodu 15 a druhým difrakčním optickým prv- > kem 42 se nachází terciální optické prostředky pro provádění . „ analýzy difrakcí pod různými úhly na difrakčně zpracovaném svazku FDT. Tento způsob analýzy, dobře známý odborníkům, dovoluje získat informace o stavu povrchu, morfologii (tvaru) a obsahu jistých částic v závislosti na úhlu difrakce, kterou vykazuje svazek prošlý difrakcí FD vzniklý interakcí mezi médiem a částí svazku světla Fl vycházejícího ze zdroje.

Tyto terciální oproelektronické prostředky zahrnují detektor 40, dovolující aby na jednotku analýzy 24, ke které je připojen, dopadly analogové signály (které ale stejně tak mohou být digitální), obsahující informace přenášené difrakčně zpracovaným svazkem FDT. Detektor 40 zahrnuje například jeden nebo více mikrokanálů nebo větší množství fotoelektrických mikrobuněk, dovolujících přesně určit plošné koordináty fotonu podrobeného difraci, který na ne dopadl.

Po přijetí signálu pocházejícího z detektoru 40 je jednotka analýzy 24 schopna přesně určit difrakční úhel. Tento signál může být korelován s ostatními signály, pocházejícími z dalších míst analýzy (20, 36, 23), aby z nich mohla být odvozena informace o podtříde částic, která způsobila tuto difrakci.

Obr. 3A, 3B a 6 popisují druhý difrakční optický prvek 42, — .....který může být -vy tvořen stej nými technikami, j ako. první difrakční,, optický prvek 32, například lithografií. Pouze jeho difrakční třídimenzionální motiv a tedy i jeho difrakční mřížka s modulací reliéfu, je naprosto odlišná od prvního prvku. V důsledku toho reference na různé části druhého optického prvku jsou dány stejnými vztahovými značkami jako u prvého prvku; pouze zvýšenými o 10.

Nicméně při jiném způsobu provedení vynálezu než.je ten, popsaný zde, ve kterém je fluorescence zachytávána za komorou (při Ó°j, může být substrát druhého difrakčního optického ^=^=pr-v-ku-r-ůzný-od-subst-Fátu-pEvjiího-prv-ku,-ne.bpt’-je-třeba,₌aby_r_byl transparentní nejen pro vlnovou délku světla, vydávaného zdrojem, ale také pro vlnovou délku fluorescence.

Jeho třídimenzionální motiv je vytvořen překrytím zhruba obdélníkových základních prvků 47 o různé výšce, přičemž toto překrytí vytváří difrakční mřížku 48 s modulací reliéfu vytvořeného na čelní stěně'43 vzhledem k místu průchodu 15.

Výpočet třídimenzionálního motivu je také proveden pomocí programového vybavení pro návrh optických systémů pomocí počítače. Optický prvek je přizpůsoben své funkci zpracování dvou vstupů, představovaných prošlým světelným svazkem FT a

-20difrakčně zpracovaným svazkem FD, které vycházejí z komory 8 a výstupy, představovanými cestami, používanými analýzou pomocí průchodu a pomocí difrakce. Je třeba aby přenosová funkce dovolovala na jedné straně zaostření bez ztráty informace u prošlého světelného svazku na detekční povrch fotodiody 20 a na druhé straně totéž pro svazek zpracovaný difrakcí na detekční povrch detektoru 40 a to tak, aby difrakční úhel odpovídal detekčnímu prvku uvedeného detektoru 40.

Parametry výpočtu tedy jsou vstupy, představované vlnovou délkou (nebo frekvencí) světla zdroje, geometrickými vlastnostmi prošlého svazku FT a geometrickými vlastnostmi svazku zpracovaného difrakcí FD a výstupy dané geometrickými vlastnostmi zpracovaného prošlého svazku FTT v úrovni detekčního < povrchu diody 20 a geometrické vlastnosti prošlého svazku zpracovaného difrakcí FDT v úrovni detekčního povrchu detektoru 40.

^Pochopitelně jestliže druhý difrakční.optický prvek má také I zpracovávat fluorescenci, jeho přenosová funkce musí také brát v úvahu na vstupu vlnovou délku a geometrické rozdělení fluorescence a na výstupu geometrické vlastnosti prošlého fluorescenčního “svazku” v úrovni interferenčního filtru 35.

Pro tento druhý difrakční optický prvek 42 je výhodná Fourierova mřížka, neboť na jedné stráně dovoluje, pokud je. v centrovaném módu, snížit na minimum ztrátu informace a ňa druhé straně, dávajíce vzdálený obraz, dovoluje přímo zaostřit světelné svazky na vzdálené detektory, aniž by bylo třeba používat spojné čočky. Je pochopitelně možné použít i Fresnelovy čočky, ale v tomto případě je nutné doplnit ji spojnou čočkou.

Počet úrovní modulace reliéfu druhé mřížky je výhodně 16, r-· -v -icož dovoluje dosáhnout difrakční účinnosti okolo 95 %. Tato velikost účinnosti je nezbytná například pokud je množství fotonů velmi malé.

Z důvodů rozsahu textu není zde možno podat úplným způsobem pomocí 1024 x 1024 bodů popis difrakční mřížky například Fourierova typu a o dvou úrovních. Z tohoto důvodu je obrázek příkladu takové difrakční mřížky o dvou úrovních (černá a bílá) podán na obr. 6.

I když vynález byl popsán jakožto zařízení pro provádění hematologické analýzy, může být použit i pro jiné srovnatelné aplikace, ať již používají fluorescenci nebo ne, pokud spadají do rozsahu níže podaných patentových nároků.

To nastává například u zařízení, částečně znázorněného na obr. 7, které představuje zjednodušení zařízení z obr. 5. Tato varianta používá prvky popsané na obr. 5 s výjimkou těch (34 až 36), které slouží k shromažďování fluorescence, zaostřovacího objektivu 6 a detektoru světla zpracovaného difrakcí 40.

Difrakční prvek 42 zaostřuje na detekční povrch fotodetektoru 20 blízký obraz světla z místa průchodu 15. Za tímto účelem má difrakční prvek 42 na své čelní stěně 43 difrakční motiv Fresnelova typu. Kromě toho, jelikož byla eliminována detekční cesta užívající fluorescenci, zdroj světla 31 (dioda) může být instalována v ose analýzy.

Dva difrakční prvky 32 a 42 mohou být nalepeny na stěny komory 8. V tomto případě je difrakční motiv 33 difrakčního prvku ^2 výhodně Fresnelova typu. Takto je možné vytvořit zařízení o velmi malých rozměrech, velmi jednoduchém provedení a snížené ceně.

- 22 Byly popsány způsoby provedení vynálezu, ve kterých zařízení zahrnuje buď jediný difrakční optický prvek, tvarující světlo zdroje a nebo jeden difrakční optický prvek pro tvarování světla zdroje a jeden difrakční optický prvek pro shromažďování světla vyšlého z interakce mezi médiem a světlem zdroje. Je pochopitelně možné provádět vynález i jiným způsobem, například takovým, ve kterém se používá jenom jeden (nebo více) difrakční optický prvek (nebo prvky) pro shromažďování světla vyšlého z interakce me2i médiem, a světlem zdroje.

Tento způsob provedení vynálezu je ilustrován na obr. 8. Jsou na něm použity prvky popsané na obr. 5 s výjimkou difrakčního optického prvku £2, který je nahrazen souborem 50, kolimujícím svazek Fl světla, vycházející ze zdroje 31a clonou 51 výhodně obdélníkového průřezu.

Zdroj 31 je například laserová dioda, která vysílá světelný svazek Fl o eliptickém průřezu, divergentní a s gaussovým rozložením. Clona 51 vybírá střední část gaussovské křivky, aby bylo zaručeno stejnoměrné rozložení světelné energie, dodávané do místa průchodu 15.

Takovéto zařízení tedy spolu spojuje refrakční optiku pro tvarování světelného svazku s difrakční optikou určenou pro shromažďování světla, vycházejícího z interakce světla zdroje a média.

Je možné použít i jiné způsoby provedení vynálezu, jako například způsob, ve kterém se používá difrakční optický prvek pro tvarování světla zdroje a více difrakčních optických prvků pro shromažďování světla, vycházejícího z interakce světla zdroje a média.

Takováto zařízení mohou být užitečná, pokud zařízení je určeno obzvláště na oddělování světelných svazků o různých vlnových délkách. K tomuto účelu je možno použít současně za disperzní mřížkou a nebo disperzním hranolem, umístěný za měřicím prostorem, (který může být představován takřka uzavřenou komorou jako ve výše uvedeném příkladě a nebo otevřenou zónou), různé difrakční optické prvky, určené ke zpracování různých daných vlnových délek. Každý difrakční optický prvek tedy obsahuje vlastní třídimenzionální motiv, který umožňuje zajistit zpracování vlnové délky a/nebo géomeťřického”rozložění uvažovaného světla a potom dodat takto filtrované světlo na uvažovaný detekční prostředek a to podle spektrálních a geometrických charakteristik zvolených v závislosti ná uvedeném detekčním prostředku.

Průmyslová využitelnost ________Vynález se obecně týká zařízení pro optické zkoumání částic v plynném nebo kapalném médiu, zejména v bbláštTčýtdměťrie toku, v hematologii a v lékařských analýzách.

Claims (19)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro optické zkoumání plynného nebo kapalného média sestávající z:

   - měřicího prostoru (8) zahrnujícího místo průchodu (15) pro médium,

   - zdroje světla (31),

   - optických prostředků před měřicím prostorem (6, 32, 34), shromažďujících světlo (Fl) vycházející ze zdroje (31) a dodávající uvedené shromážděné světlo do místa průchodu (15) ve tvaru dodávaného světla (FC) o zvolených spektrálních a geometrických vlastnostech,

   - primárních detekčních prostředků (20) dodávajících do jednotky analýzy (24) primární signály, obsahující primární informace přenášené shromážděným světlem (FT),

   - primárních optických prostředků (18, 19, 42) za místem průchodu (15) pro shromažďování alespoň,jedné části světla (FT) získaného-po. prostupem,místem.průchodu (15). a dodávajících, ... toto shromážděné světlo (FT) primárním detekčním prostředkům ve formě světla předaného za místem průchodu (FTT, FTD) o zvolených spektrálních a geometrických vlastnostech vyznačující s e t í m, že alespoň jeden z optických prostředků (32) před místem průchodu (15) a primárních optických prostředků (42) za místem průchodu (15) zahrnuje alespoň jeden primární difrakční optický prvek (32; 42), u kterého alespoň jeden povrch (33; 43), který interaguje se světlem, které shromažďuje, nese primární třídimenzionální předem určený motiv, realizující předem určenou interakci mezi světlem, které shromažďuje (Fl; FT) a světlem, které vydává (FC; FTT, FTD), přičemž jsou brány do úvahy vlastnosti obou těchto světel.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, v y z n a č u j í c í se tím, že zdroj světla (31) je zdroj zhruba monochromatického záření jehož emisní vlnová délka je zvolena tak, aby indukovala fluorescenci alespoň jedné části média, procházejícího místem průchodu.
3. 3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že zahrnuje sekundární detekční prostředky (36), určené k tomu, aby dodávaly do jednotky analýzy (24) sekundární signály, obsahující sekundární informace přenášené fluorescencí emitovanou

   - - *· mediem během jehoínterakce-sě-světlem (-FC) - v místě průchodu(15).
4. 4. Zařízení podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se t í m, že zahrnuje terciální detekční prostředky (36), určené k tomu, aby dodávaly do jednotky analýzy (24) terciální signály obsahující terciální informace přenášené světlem (FTD), které vzniklo difrakcí médiem během jeho interakce se světlem (FC) v místě průchodu (15).
5. 5. Zařízení podle, jednoho z nároků 1 až ^vyznačuj í^=e---í—s-e~troí-m—že-e.p.tické-prostředky-před-místem_průchodu _ zahrnují první difrakční optický prvek (32), u kterého alespoň jeden z povrchů (33), který interaguje se světlem (Fl) dodávaným zdrojem (31) nese první třídimenzionální motiv, předem určený v závislosti na vlastnostech zdroje (31) a vyžadovaných vlastnostech světla (FC) v místě průchodu (15).
6. 6. Zařízení podle jednoho z nároků 4a 5, vyznačující se t í m, že primární optické prostředky za místem průchodu zahrnují alespoň jeden druhý difrakční optický prvek (42), u kterého alespoň jeden z povrchů (43), který interaguje se světlem (FT) získaným po průstupu místem průchodu (15), nese druhý třídimenzionální motiv, předem určený v závislosti

   -26na frekvenční a geometrické přechodové funkci alespoň jednoho primárního (20) a terciálního (40) detekčního prostředku.
7. 7. Zařízení podle jednoho z nároků 5a 6, vyznačující se t í m, že první a druhý třídimenzionální motiv je první (38) a druhá (48) difrakční mřížka, vytvořená na substrátu (39; 49) transparentním při emisní vlnové délce zdroje a/nebo vlnové délce fluorescence.
8. 8. Zařízení podle jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se t í m, že optické prostředky za místem průchodu zahrnují difrakční optický prvek (42), u. kterého alespoň jeden z jeho povrchů (43), který interaguje se světlem (Fl) vydávaným zdrojem (31) nese první třídimenzionální motiv, předem určený v závislosti na frekvenční a geometrické přechodové funkci alespoň jednoho primárního (20) a terciálního (40) detekčního prostředku.
9. 9. Zařízení podle nároku 8, v y z n a č u j í c í se tím, že první třídimenzionální motiv je první (48) difrakční mřížka, vytvořená na substrátu'(49), transparentním při emisní vlnové délce zdroje a vlnové délce fluorescence.

   i
10. 10. Zařízení podlé jednoho z nároků 7 až 9, vyznačující se t í m, že první a druhá difrakční mřížka (38, 38) jsou digitálního typu s víceúrovňovým reliéfem, přičemž uvedená víceúrovňovost má předem určenou funkci schopnou koherentního difrakčního působení na fázi a/nebo amplitudu buď světla (Fl) vysílaného zdrojem (31) nebo světla (FT), získaného po průstupu místem průchodu.
11. 11. Zařízení podle nárok 10, v y z n a č u j í c í se tím, že první a druhá difrakční mřížka má každá vícestupňový reliéf s alespoň dvěma úrovněmi, výhodně s Šestnácti úrovněmi.
12. 12. Zařízení podle jednoho z nároků 1 až 11, vyznačující s e t í m, že zvolené geometrické a spektrální vlastnosti světla, požadované pro osvětlování místa průchodu (15), zahrnují stejnoměrné osvětlení při zvolené vlnové délce, povrchu, který je zhruba rovinný, uzavřený a má danou geometrii.
13. 13. Zařízení podle nárok 12, v y z n a č u j í c í se t í m, že osvětlovaný povrch je obdélník.

    ..................... _
14. 14, Zařízení podle jednoho z nároků 1 až 13, vyznačující se t í m, že první difrakční optický prvek (32) je typu, který je nazýván Fresnelův.
15. 15. Zařízení podle jednoho z nároků 6 až 14, vyznačující se t í m, že druhý difrakční optický prvek (42) je typu, který je nazýván Fourierův.
16. 16. Zařízení podle jednoho z nároků 1 až 13,,v yznačujici se t í m, že první difrakční optický, prvek (32) je typu, který

    .................—-je-nazýván-Fourierův. .........----------------—.............- · -- —

    .....................l^:7rZ‘affíze]d^rp'od^:le^edfioh0-zmárofců^-^-l-3.Ta4^._i^-y.-z_:n-ja-č»U7j í c í se t í m, že druhý difrakční optický prvek (42) je typu, který je nazýván Fresnelův.......

    *
17. 18. Zařízení podle jednoho z nároků 5 až 7 v kombinaci s jedním z nároků 10 až 14, vyznačující se t í m, že první difrakční optický prvek (32) má právě jeden povrch (33) nesoucí difrakční motiv Fresnelova typu o šestnácti úrovních.
18. 19. Zařízení podle jednoho z nároků 6 a 7 v kombinaci s jedním z nároků 10 až 15, vyznačující se tím, že druhý difrakční optický prvek má právě jeden povrch (43) nesoucí difrakční motiv Fourierova typu o šestnácti úrovních.

    -2320. Zařízení podle jednoho z nároků 6 až 19, vyznačující se t í m, že alespoň jeden z difrakčních optických' prvků nese třídimenzionální předem určený motiv, zaručující prostové odlišení předem určených vlnových délek,
19. 21. Zařízení podle jednoho z nároků 3 až 20, vyznačující s e t í m, že alespoň jeden z difrakčních optických prvků nese třídimenzionální předem určený motiv, zaručující filtraci vlnové délky a prostorové rozdělení fluorescence a dodávání fluorescenčního světla o zvolených geometrických a spektrálních vlastnostech na sekundární detekční prvky.