RU2387997C1 - Device for velocity-related particle count and distribution in biological matrix - Google Patents

Device for velocity-related particle count and distribution in biological matrix Download PDF

Info

Publication number
RU2387997C1
RU2387997C1 RU2009105772/14A RU2009105772A RU2387997C1 RU 2387997 C1 RU2387997 C1 RU 2387997C1 RU 2009105772/14 A RU2009105772/14 A RU 2009105772/14A RU 2009105772 A RU2009105772 A RU 2009105772A RU 2387997 C1 RU2387997 C1 RU 2387997C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
chamber
light
slit
diaphragm
biprism
Prior art date
Application number
RU2009105772/14A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Георгиевич Попов (RU)
Евгений Георгиевич Попов
Евгений Викторович Лимонов (RU)
Евгений Викторович Лимонов
Илья Юрьевич Гаврилов (RU)
Илья Юрьевич Гаврилов
Андрей Викторович Нестеров (RU)
Андрей Викторович Нестеров
Алексей Владимирович Воршев (RU)
Алексей Владимирович Воршев
Original Assignee
Евгений Георгиевич Попов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Евгений Георгиевич Попов filed Critical Евгений Георгиевич Попов
Priority to RU2009105772/14A priority Critical patent/RU2387997C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2387997C1 publication Critical patent/RU2387997C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention concerns medical diagnostics. A Gaussian beam quasi- or monochromatic light source, a Fresnel biprism, a first slit diaphragm, a test specimen chamber, a second slit diaphragm and a photodetector are axially oriented. Both slit diaphragms are arranged in parallel planes and their slits are symmetrised in relation to the plane passing through the common axis and an edge of a blunt angle of the Fresnel biprism. The test specimen chamber is parallel to the first slit diaphragm and distanced therefrom, herewith generating an interference field in a measured volume by two additional optical beams generated by the first slit diaphragm of the optical beams refracted by the Fresnel biprism.
EFFECT: eliminated flare light and light scattered within the chamber outside of the measure volume in the photodetector, and essential reduction of extraneous amplitude modulation of a desired signal.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской измерительной технике, преимущественно к анализаторам основных показателей фертильности спермы, и может быть использовано для определения характеристик других биологических сред.The invention relates to medical measuring equipment, mainly to analyzers of the main indicators of sperm fertility, and can be used to determine the characteristics of other biological environments.

Из достигнутого уровня техники известно устройство для измерения количества частиц биологических сред и распределения их по скоростям (сперматозоидов, бактерий и т.д.), содержащее расположенные последовательно вдоль оптической оси: источник света, коллиматор, формирователь сходящегося конического пучка света с кольцевым поперечным сечением, камеру для исследуемого образца, диафрагму, пропускающую только свет, претерпевший рассеяние или отражение в измерительном объеме камеры и линзу. В предметной плоскости линзы расположена камера для исследуемого образца, а в плоскости изображения линзы размещен матричный фотоэлектрический преобразователь. Выход преобразователя через АЦП соединен с вычислителем (микропроцессором) (см. US 4896966, Boisseau et al., 30.01.1990).A prior art device is known for measuring the number of particles of biological media and their speed distribution (sperm, bacteria, etc.), comprising sequentially along the optical axis: a light source, a collimator, a shaper of a converging conical beam of light with an annular cross section, a chamber for the test sample, a diaphragm that transmits only light that has undergone scattering or reflection in the measuring volume of the chamber and the lens. A camera for the test sample is located in the objective plane of the lens, and a matrix photoelectric converter is placed in the image plane of the lens. The converter output through an ADC is connected to a computer (microprocessor) (see US 4896966, Boisseau et al., 01.30.1990).

Использование формирователя сходящегося конического пучка света с кольцевым поперечным сечением, воздействующего на находящийся в камере образец, а также диафрагмы, пропускающей только рассеянный или отраженный свет, предотвращает паразитную засветку матричного фотоэлектрического преобразователя светом, не претерпевшим рассеяние и отражение в измерительном объеме. Это предполагает получение достаточно высокого отношения сигнал/шум, однако этот результат достигается за счет существенного усложнения устройства. Использование многокомпонентной оптической системы приводит не только к увеличению габаритов устройства, но и его стоимости, в том числе за счет увеличения трудозатрат при его сборке и юстировке. Кроме того, использование матричного фотоэлектрического преобразователя, например, на основе приборов с зарядовой связью, неизбежно влечет за собой необходимость использования сложных алгоритмов обработки поступающего на вход вычислителя видеосигнала.The use of a shaper of a converging conical beam of light with an annular cross-section, acting on the sample in the chamber, as well as a diaphragm that transmits only scattered or reflected light, prevents spurious illumination of the matrix photoelectric transducer by light that has not undergone scattering and reflection in the measuring volume. This involves obtaining a sufficiently high signal to noise ratio, however, this result is achieved due to a significant complication of the device. The use of a multicomponent optical system leads not only to an increase in the dimensions of the device, but also to its cost, including due to an increase in labor costs during its assembly and adjustment. In addition, the use of a matrix photoelectric converter, for example, based on charge-coupled devices, inevitably entails the need to use complex processing algorithms for the video signal input to the computer.

Известно также устройство для определения распределения частиц биологических сред по скоростям и содержащее расположенные последовательно вдоль оптической оси источник света пространственный модулятор света (оптический элемент), обеспечивающий периодическую амплитудную модуляцию падающего на него пучка, камеру для исследуемого образца и фотоприемник, выход которого соединен с входом вычислителя, который выполнен в виде анализатора спектра мощности фототока (см. RU 2130183, Габбасов и др., 10.05.1999 - прототип).A device is also known for determining the velocity distribution of particles of biological media and containing a spatial light modulator (optical element) arranged sequentially along the optical axis, providing a periodic amplitude modulation of the incident beam, a camera for the test sample and a photodetector, the output of which is connected to the input of the calculator , which is made in the form of an analyzer of the photocurrent power spectrum (see RU 2130183, Gabbasov et al. 05/10/1999 - prototype).

Это устройство характеризуется, с одной стороны, небольшими габаритами, а с другой - низким отношением сигнал/шум, поскольку на фотоприемник поступает не только полезный сигнал (часть амплитудно-модулированного в поперечном сечении пучка от источника света, которая претерпела рассеяние на находящихся в измерительном объеме частицах), но и паразитная засветка, а именно часть упомянутого выше пучка, прошедшая измерительный объем без рассеяния. При этом, как следует из описания к более позднему изобретению (RU 2282853, Габбасов, 27.08.2006), паразитная засветка фотоприемника приводит к существенным погрешностям при определении количества частиц в измерительном объеме. Таким образом, сигнал с выхода фотоприемника обеспечивает возможность получения не только информации о распределении частиц по скоростям (на основе регистрации спектра фототока), но и о количестве частиц в измерительном объеме посредством известного из уровня техники алгоритма обработки сигнала фотоприемника.This device is characterized, on the one hand, by its small dimensions and, on the other hand, by a low signal to noise ratio, since the photodetector receives not only a useful signal (part of the beam that is amplitude-modulated in the cross section from the light source, which has undergone scattering by those in the measuring volume particles), but also spurious illumination, namely the part of the beam mentioned above that has passed the measuring volume without scattering. Moreover, as follows from the description of the later invention (RU 2282853, Gabbasov, 08.27.2006), spurious illumination of the photodetector leads to significant errors in determining the number of particles in the measuring volume. Thus, the signal from the output of the photodetector provides the opportunity to obtain not only information about the distribution of particles by velocity (based on registration of the spectrum of the photocurrent), but also about the number of particles in the measuring volume using a photodetector signal processing algorithm known from the prior art.

Что касается точности определения распределения частиц по скоростям в прототипе, то сведения об используемом пространственном модуляторе света отсутствуют. Однако в представляющем безусловный практический интерес случае использования дифракционной решетки в качестве пространственного модулятора света, движение частицы в созданном интерференционном поле приведет к появлению двух сигналов. Первый сигнал обусловлен пересечением частицей главных максимумов интерференционного поля, а второй - побочный сигнал - пересечением той же частицей вторичных максимумов интерференционного поля, имеющих меньший пространственный период по сравнению с пространственным периодом главных максимумов. При этом, несмотря на то, что интенсивность вторичных максимумов составляет около 4% от интенсивности главных максимумов, появление побочного более высокочастотного сигнала может привести к существенным ошибкам измерений, в частности при определении верхней границы диапазона скоростей частиц.As for the accuracy of determining the distribution of particle velocities in the prototype, there is no information about the spatial light modulator used. However, in the case of the use of a diffraction grating as a spatial light modulator of absolute practical interest, the motion of a particle in the created interference field will lead to the appearance of two signals. The first signal is due to the intersection of the main maxima of the interference field by the particle, and the second, the side signal, is due to the intersection of the secondary maxima of the interference field by the same particle, which have a shorter spatial period than the spatial period of the main maxima. In this case, despite the fact that the intensity of the secondary maxima is about 4% of the intensity of the main maxima, the appearance of a secondary higher-frequency signal can lead to significant measurement errors, in particular when determining the upper boundary of the particle velocity range.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи повышения точности определения как количества частиц биологических сред, так и распределения их по скоростям при одновременном сохранении габаритов устройства. Достигаемый при этом технический результат заключается в исключении попадания на фотоприемник как паразитной засветки, так и света, рассеянного в областях камеры, расположенных вне измерительного объема, а также в существенном уменьшении паразитной амплитудной модуляции полезного сигнала.The present invention is directed to solving the technical problem of increasing the accuracy of determining both the number of particles of biological media and their distribution in speed while maintaining the dimensions of the device. The technical result achieved in this case consists in eliminating spurious illumination and light scattered in the camera regions located outside the measuring volume, as well as in significantly reducing the spurious amplitude modulation of the useful signal.

Поставленная задача решена тем, что устройство для определения количества частиц биологических сред и распределения их по скоростям содержит источник света, оптический элемент, камеру для исследуемого образца и фотоприемник, выход которого соединен с входом блока вычисления.The problem is solved in that the device for determining the number of particles of biological media and their velocity distribution contains a light source, an optical element, a camera for the test sample and a photodetector, the output of which is connected to the input of the calculation unit.

Согласно изобретению, источник гауссового пучка квази- или монохроматического света, бипризма Френеля, первая щелевая диафрагма, камера для исследуемого образца, вторая щелевая диафрагма и фотоприемник расположены в указанной выше последовательности вдоль общей оси, а излучаемый источником гауссовый пучок квази- или монохроматического света направлен на грань бипризмы Френеля, которая перпендикулярна общей оси и расположена напротив пересекающего под прямым углом общую ось ребра тупого угла бипризмы Френеля. Обе щелевые диафрагмы расположены в параллельных плоскостях, причем их щели расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через общую ось и ребро тупого угла бипризмы Френеля. Камера для исследуемого образца расположена параллельно первой щелевой диафрагме и на расстоянии от нее, обеспечивающем формирование в измерительном объеме интерференционного поля посредством двух дополнительных пучков света, выделенных первой щелевой диафрагмой из пучков света, преломленных бипризмой Френеля, при выполнении соотношений: L=(1,0-1,2)h1ctg(Θ/2); hи≤h2<h1, где L, h1, h2 - расстояние между первой и второй щелевыми диафрагмами и ширина их щелей, соответственно; hи - размер измерительного объема камеры для исследуемого образца в направлении измеряемой скорости; Θ - угол пересечения дополнительных пучков.According to the invention, the source of a Gaussian beam of quasi- or monochromatic light, Fresnel biprism, the first slit diaphragm, the chamber for the test sample, the second slit diaphragm and photodetector are located in the above sequence along a common axis, and the Gaussian beam of quasi- or monochromatic light emitted by the source is directed at the face of the Fresnel biprism, which is perpendicular to the common axis and located opposite the common axis of the edge of the obtuse angle of the edge of the obtuse angle of the Fresnel biprism. Both slit diaphragms are located in parallel planes, and their slots are located symmetrically relative to the plane passing through the common axis and the edge of the obtuse angle of the Fresnel biprism. The chamber for the test sample is located parallel to the first slit diaphragm and at a distance from it, which ensures the formation of an interference field in the measuring volume by means of two additional light beams extracted from the light beams refracted by the Fresnel biprism of the first slit diaphragm when the following relations are satisfied: L = (1,0 -1.2) h 1 ctg (Θ / 2); h and ≤h 2 <h 1 , where L, h 1 , h 2 - the distance between the first and second slotted diaphragms and the width of their slots, respectively; h and - the size of the measuring chamber volume for the test sample in the direction of the measured speed; Θ is the intersection angle of additional beams.

Устройство может характеризоваться тем, что размер измерительного объема камеры для исследуемого образца в направлении измеряемой скорости удовлетворяет соотношению: hи=h1{1-2d[h1ctg(Θ/2)]-1}, где d - расстояние между первой щелевой диафрагмой и ближайшей к ней внутренней поверхностью камеры для исследуемого образца.The apparatus may be characterized in that the size of the measuring chamber volume for the sample in the direction of the measured speed satisfies the relationship: h = h 1 and {1-2d [h 1 ctg (Θ / 2)]} -1 where d - the distance between the first slit the diaphragm and the inner surface of the chamber closest to it for the test sample.

Устройство может характеризоваться тем, что блок вычисления выполнен с возможностью спектрального анализа фототока и определения отношения квадрата средней интенсивности падающего на фотоприемник света к дисперсии флуктуации этой интенсивности.The device may be characterized in that the calculation unit is configured to spectrally analyze the photocurrent and determine the ratio of the square of the average intensity of the light incident on the photodetector to the variance of fluctuations of this intensity.

Преимущество патентуемого устройства перед прототипом состоит в том, что совместное использование бипризмы Френеля и первой щелевой диафрагмы обеспечивают формирование интерференционного поля в измерительном объеме камеры посредством двух пересекающихся под углом Θ дополнительных пучков света, которые выделяются с помощью первой щелевой диафрагмы соответственно из первого и второго преломленных бипризмой Френеля пучков света. При этом, изменяя расстояние между бипризмой Френеля и первой щелевой диафрагмой, можно изменять степень неравномерности распределения интенсивности по сечению одновременно обоих дополнительных пучков, интенсивность обоих дополнительных пучков, а также в небольшом диапазоне - величину угла Θ между ними. Это дает возможность регулировать соответственно степень паразитной амплитудной модуляции полезного сигнала, видимость интерференционных полос, а также их пространственный период.The advantage of the patented device over the prototype is that the combined use of the Fresnel biprism and the first slit diaphragm ensure the formation of an interference field in the measuring volume of the chamber by means of two additional light beams intersecting at an angle Θ, which are extracted by the first slit diaphragm from the first and second refracted biprisms, respectively Fresnel beams of light. At the same time, by changing the distance between the Fresnel biprism and the first slit diaphragm, one can change the degree of unevenness of the intensity distribution over the cross section of both additional beams simultaneously, the intensity of both additional beams, and also in a small range, the angle Θ between them. This makes it possible to adjust accordingly the degree of spurious amplitude modulation of the useful signal, the visibility of interference fringes, and also their spatial period.

Кроме того, использование для формирования интерференционного поля в измерительном объеме камеры двух дополнительных пучков, пересекающихся между собой под углом Θ, биссектриса которого совпадает с общей осью устройства, обеспечивает возможность с помощью только одной второй щелевой диафрагмы исключить попадание на фотоприемник как паразитной засветки, так и света, рассеянного вне измерительного объема камеры, что повышает отношение сигнал/шум с 25-28 дБ до 40-48 дБ, что дает возможность повысить точность определения количества сперматозоидов и распределение их по скоростям.In addition, the use of two additional beams intersecting each other at an angle Θ, the bisector of which coincides with the common axis of the device, to form the interference field in the measuring volume of the chamber, makes it possible to exclude spurious illumination and light scattered outside the measuring volume of the camera, which increases the signal-to-noise ratio from 25-28 dB to 40-48 dB, which makes it possible to increase the accuracy of determining the number of spermatozoa ide and distribution of their velocities.

Замена пространственного модулятора света на бипризму Френеля не приводит к увеличению осевых размеров и габаритов устройства. Первая щелевая диафрагма, как будет показано ниже, в предпочтительном случае располагается вплотную к камере. Что касается расстояния L, то его величина, в большинстве практически важных случаев, не превышает 20 мм. Иными словами, предложенное устройство, как и прототип, сохраняет небольшие осевые размеры.Replacing the spatial light modulator with a Fresnel biprism does not increase the axial dimensions and dimensions of the device. The first slit diaphragm, as will be shown below, is preferably located close to the camera. As for the distance L, its value, in most practically important cases, does not exceed 20 mm. In other words, the proposed device, like the prototype, retains small axial dimensions.

Сущность изобретения поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения указанных выше технических результатов патентуемой совокупностью существенных признаков.The invention is illustrated by a specific example, which, however, is not the only possible, but clearly demonstrates the possibility of achieving the above technical results with a patentable combination of essential features.

На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для измерения количества частиц биологических сред и распределения их по скоростям; на фиг.2 - вариант формирования бипризмой Френеля перекрывающихся между собой пучков света; на фиг.3 - распределение модуля амплитуды в поперечном сечении пучков света, преломленных бипризмой Френеля в сечении А-А фиг.2.Figure 1 shows a schematic diagram of a device for measuring the number of particles of biological media and their distribution over speeds; figure 2 is a variant of the formation of Fresnel biprism overlapping beams of light; figure 3 - distribution of the amplitude modulus in the cross section of light beams refracted by Fresnel biprism in section AA of figure 2.

Устройство содержит (фиг.1) расположенные последовательно вдоль общей оси 1 источник 2 квази- или монохроматического света, бипризму 3 Френеля (далее - бипризма), первую щелевую диафрагму 4, камеру 5 для исследуемого образца, вторую щелевую диафрагму 6 и фотоприемник 7. Выход фотоприемника 7 соединен с входом блока 8 вычисления. В качестве источника 2 квази- или монохроматического света могут использоваться светодиоды или лазеры, предпочтительно полупроводниковые. Вместо бипризмы 3, в принципе, могут быть использованы и другие расщепители света с делением волнового фронта (например, бизеркала Френеля или призменно-зеркальные расщепители). Однако, с точки зрения обеспечения минимальных габаритов, бипризма 3 имеет безусловное преимущество. Камера 5 для исследуемого образца изготовлена из оптически прозрачного материала, предпочтительно стекла, и выполнена разборной, что существенно облегчает процесс подготовки камеры 5 к очередным измерениям (мойку, обезжиривание, протирку и т.п.). Глубина полости 51 камеры 5 должна быть, с одной стороны, достаточно большой, чтобы частицы (сперматозоиды) перемещались без соприкосновения с верхней и нижней стенками камеры 5. С другой стороны, глубина полости 51 должна быть небольшой, чтобы частицы не перемещались в направлении, перпендикулярном верхней и нижней стенкам камеры 5. При исследовании характеристик сперматозоидов рекомендуемая глубина полости 51 камеры 5 для исследуемого образца составляет 200 мкм.The device comprises (Fig. 1) a quasi- or monochromatic light source 2 arranged in series along a common axis 1, a Fresnel biprism 3 (hereinafter referred to as biprism), a first slit diaphragm 4, a camera 5 for the test sample, a second slit diaphragm 6 and a photodetector 7. Exit the photodetector 7 is connected to the input of the calculation unit 8. As the source 2 of quasi- or monochromatic light, LEDs or lasers, preferably semiconductor, can be used. Instead of biprism 3, in principle, other wavefront-splitting light splitters (for example, Fresnel bisercal mirrors or prism-mirror splitters) can be used. However, from the point of view of ensuring the minimum dimensions, biprism 3 has an absolute advantage. The chamber 5 for the test sample is made of optically transparent material, preferably glass, and is collapsible, which greatly facilitates the preparation of chamber 5 for the next measurements (washing, degreasing, wiping, etc.). The depth of the cavity 51 of the chamber 5 should, on the one hand, be large enough so that the particles (sperm cells) move without touching the upper and lower walls of the chamber 5. On the other hand, the depth of the cavity 51 should be small so that the particles do not move in the direction perpendicular the upper and lower walls of the chamber 5. When examining the characteristics of sperm, the recommended depth of the cavity 51 of the chamber 5 for the test sample is 200 μm.

Излучаемый источником 2 гауссовый пучок 9 квази- или монохроматического света направлен соосно оси 1 на грань 10 бипризмы 3, которая перпендикулярна оси 1 и расположена напротив пересекающей под прямым углом ось 1 ребра 11 тупого угла бипризмы 3. Преломленные бипризмой 3 пучки 12 и 13 света частично (фиг.1) или полностью (фиг.2) перекрываются между собой с образованием симметричной относительно оси 1 области 14 перекрытия. Щелевая диафрагма 4 расположена в области 14 перекрытия преломленных бипризмой 3 пучков 12 и 13 и перпендикулярно оси 1. Щель 41 диафрагмы 4 расположена симметрично относительно плоскости, проходящей через ось 1 и ребро 11 бипризмы 3, при этом боковые края щели 41 параллельны ребру 11 бипризмы 3, а ширина щели 41 равна h1.The Gaussian beam 9 of quasi- or monochromatic light emitted by source 2 is directed coaxially to axis 1 to face 10 of biprism 3, which is perpendicular to axis 1 and is opposite the edge 1 intersecting at right angles 11 of the obtuse angle of biprism 3. Light beams 12 and 13 partially refracted by biprism 3 (figure 1) or completely (figure 2) overlap with each other with the formation of symmetrical relative to the axis 1 of the region 14 of the overlap. The slit diaphragm 4 is located in the overlap region 14 of the beams 12 and 13 refracted by the biprism 3 and is perpendicular to the axis 1. The slit 41 of the diaphragm 4 is located symmetrically with respect to the plane passing through the axis 1 and the edge 11 of the biprism 3, while the lateral edges of the slit 41 are parallel to the edge 11 of the biprism 3 , and the width of the gap 41 is equal to h 1 .

Камера 5 для исследуемого образца расположена параллельно диафрагме 4 и на расстоянии от нее, обеспечивающем формирование в ее измерительном объеме 15 интерференционного поля посредством двух дополнительных пучков 16 и 17 света, выделенных диафрагмой 4 из преломленных бипризмой 3 пучков света 12 и 13.The chamber 5 for the test sample is located parallel to the diaphragm 4 and at a distance from it, which ensures the formation of an interference field in its measuring volume 15 by means of two additional light beams 16 and 17, selected by the diaphragm 4 from the light beams 12 and 13 refracted by biprism 3.

Диафрагма 6 расположена в плоскости, параллельной плоскости размещения диафрагмы 4 на расстоянии L от нее, удовлетворяющей соотношению:The diaphragm 6 is located in a plane parallel to the plane of the diaphragm 4 at a distance L from it, satisfying the ratio:

L=(1,0-1,2)h1ctg(Θ/2);L = (1.0-1.2) h 1 ctg (Θ / 2);

где: Θ - угол пересечения дополнительных пучков света 16 и 17. Щель 61 диафрагмы 6, также как и щель 41 диафрагмы 4, расположена симметрично плоскости, проходящей через ось 1 и ребро 11 бипризмы 3. При этом боковые края щели 61 параллельны ребру 11 бипризмы 3, а ширина щели 61 равна h2, удовлетворяющей неравенству: hи≤h2≤h1, где hи - размер измерительного объема 15 в направлении, соответствующем направлению измеряемой скорости.where: Θ is the intersection angle of the additional light beams 16 and 17. The slit 61 of the diaphragm 6, as well as the slit 41 of the diaphragm 4, is symmetrical to the plane passing through the axis 1 and the edge 11 of the biprism 3. In this case, the lateral edges of the slit 61 are parallel to the biprism edge 11 3, and the width of the slit 61 is equal to h 2 satisfying the inequality: h and ≤h 2 ≤h 1 , where h and is the size of the measuring volume 15 in the direction corresponding to the direction of the measured speed.

В качестве фотоприемника 7 могут быть использованы полупроводниковые фоторезисторы или фотодиоды. Блок 8 вычисления может быть аналоговым или цифровым, обеспечивающим дополнительно (по сравнению с вычислителем, используемом в прототипе) вычисление отношения квадрата средней интенсивности падающего на фотоприемник 7 света к дисперсии упомянутой выше интенсивности. На фиг.3 используются также следующие обозначения: |U1|, |U2| - модули амплитуд в сечении А-А фиг.2 преломленных пучков 12 и 13 света, соответственно; х - расстояние от общей оси 1 в плоскости чертежа.As the photodetector 7, semiconductor photoresistors or photodiodes can be used. The calculation unit 8 may be analog or digital, additionally providing (as compared to the calculator used in the prototype) the calculation of the ratio of the square of the average intensity of the light incident on the photodetector 7 to the dispersion of the intensity mentioned above. Figure 3 also uses the following notation: | U 1 |, | U 2 | - amplitude modules in section AA of FIG. 2 of refracted light beams 12 and 13, respectively; x is the distance from the common axis 1 in the plane of the drawing.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Излучаемый источником 2 гауссовый пучок 9 квази- или монохроматического света направляется соосно оси 1 на грань 10 бипризмы 3. За счет преломления в бипризме 3 гауссовый пучок 9 делится пополам на два расходящихся пучка 12 и 13 (иными словами, на две половины гауссового пучка 9), которые либо частично (фиг.1), либо полностью (фиг.2) перекрываются между собой с образованием симметричной относительно плоскости, проходящей через ось 1 и ребро 11 бипризмы 3 области 14 перекрытия. Причем в любой плоскости, перпендикулярной оси 1 и пересекающей область 14 перекрытия преломленных пучков 12 и 13, наблюдаются интерференционные полосы. Однако в отличие от известного из уровня техники случая перекрытия преломленных бипризмой Френеля пучков с равномерным распределением амплитуды по их поперечным сечениям (см., например, М.Борн, Э.Вольф, Основы оптики. - М.: Изд. «Наука», 1970, с.295), видимость полос интерференционного поля, образующегося после бипризмы 3 Френеля в результате перекрытия двух половин гауссова пучка 9, монотонно уменьшается при увеличении расстояния х от оси 1. Дело в том, что распределение модуля амплитуды |U1| (или интенсивности I=|U|2) в поперечном сечении одного преломленного бипризмой 3 пучка света, например, обозначенного позицией 12, зеркально симметрично относительно плоскости, проходящей через ось 1 и ребро 11 бипризмы 3, распределению модуля амплитуды |U2| другого преломленного пучка 13 света (фиг.3). Таким образом, с увеличением расстояния от упомянутой выше плоскости увеличивается разность между амплитудами интерферирующих волн, а следовательно, уменьшается видимость интерференционных полос. Это приводит к возникновению паразитной амплитудной модуляции полезного сигнала, следствием которой является увеличение флуктуации фототока.The Gaussian beam 9 of quasi- or monochromatic light emitted by source 2 is directed coaxially to axis 1 to face 10 of biprism 3. Due to refraction in biprism 3, the Gaussian beam 9 is divided in half into two diverging beams 12 and 13 (in other words, into two halves of the Gaussian beam 9) , which either partially (Fig. 1) or completely (Fig. 2) overlap with each other with the formation of a symmetrical relative to the plane passing through the axis 1 and the edge 11 of the biprism 3 region 14 overlap. Moreover, in any plane perpendicular to the axis 1 and intersecting the overlap region 14 of the refracted beams 12 and 13, interference fringes are observed. However, unlike the prior art case of overlapping beams refracted by Fresnel biprism with a uniform distribution of the amplitude over their cross sections (see, for example, M. Born, E. Wolf, Fundamentals of Optics. - M.: Nauka Publishing House, 1970 , p.295), the visibility of the fringe fringe bands formed after the Fresnel biprism 3 as a result of the overlap of two halves of the Gaussian beam 9, decreases monotonically with increasing distance x from axis 1. The fact is that the distribution of the amplitude modulus | U 1 | (or intensities I = | U | 2 ) in the cross section of one beam of light refracted by biprism 3, for example, indicated by 12, is mirror symmetric about the plane passing through axis 1 and rib 11 of biprism 3, the distribution of the amplitude modulus | U 2 | another refracted beam of light 13 (figure 3). Thus, with increasing distance from the above-mentioned plane, the difference between the amplitudes of the interfering waves increases, and therefore, the visibility of interference fringes decreases. This leads to the occurrence of spurious amplitude modulation of the useful signal, which results in an increase in photocurrent fluctuations.

Согласно же патентуемому изобретению нтерференционное поле в измерительном объеме 15 формируется с помощью двух дополнительных пучков 16 и 17 света, выделяемых с помощью диафрагмы 4. Дополнительный пучок 16 выделяется из пучка 12, а дополнительный пучок 17 - из пучка 13. Поскольку размещенная в области 14 перекрытия пучков 12 и 13 диафрагма 4 расположена в плоскости, перпендикулярной оси 1, а ее щель 41 шириной h1 - симметрично относительно плоскости, проходящей через ось 1 и ребро 11 бипризмы 3, поэтому дополнительные пучки 16 и 17 света имеют одинаковую ширину b0=h1cos(Θ/2), где Θ - угол пересечения дополнительных пучков 16 и 17, биссектриса которого совпадает с осью 1. Кроме того, интенсивность дополнительных пучков 16 и 17, а также угол Θ между ними зависят от расстояния между бипризмой 3 и диафрагмой 4. С увеличением этого расстояния интенсивность пучков 16 и 17 и угол Θ между ними уменьшаются.According to the patented invention, the interference field in the measuring volume 15 is formed using two additional beams 16 and 17 of light emitted by the diaphragm 4. The additional beam 16 is extracted from the beam 12, and the additional beam 17 from the beam 13. Since it is located in the overlap region 14 of beams 12 and 13, the diaphragm 4 is located in a plane perpendicular to axis 1, and its slit 41 of width h 1 is symmetrical with respect to the plane passing through axis 1 and rib 11 of biprism 3, therefore, additional light beams 16 and 17 have the same width inu b 0 = h 1 cos (Θ / 2), where Θ is the intersection angle of the additional beams 16 and 17, the bisector of which coincides with the axis 1. In addition, the intensity of the additional beams 16 and 17, as well as the angle Θ between them, depend on the distance between biprism 3 and aperture 4. As the distance increases, the intensity of the beams 16 and 17 and the angle Θ between them decrease.

Таким образом, соответствующим выбором расстояния между бипризмой 3 и диафрагмой 4 можно обеспечить:Thus, an appropriate choice of the distance between the biprism 3 and the diaphragm 4 can provide:

а) приемлемую в каждом конкретном случае неравномерность распределения амплитуды в поперечном сечении дополнительных пучков 16 и 17 (а, следовательно, допустимую паразитную амплитудную модуляцию полезного сигнала);a) the nonuniform distribution of the amplitude in the cross section of the additional beams 16 and 17, acceptable in each particular case (and, therefore, the permissible spurious amplitude modulation of the useful signal);

б) необходимую для получения требуемой видимости интерференционных полос интенсивность дополнительных пучков 16 и 17;b) the intensity of the additional beams 16 and 17 necessary to obtain the required visibility of the interference fringes;

в) величину угла Θ между дополнительными пучками 16 и 17, необходимую для согласования периода интерференционных полос не только с размерами исследуемых частиц, но и с размером ни измерительного объема 15 камеры 5 в направлении, соответствующем направлению измеряемой скорости.c) the angle Θ between the additional beams 16 and 17, necessary to coordinate the period of interference fringes not only with the sizes of the particles being studied, but also with the size of neither the measuring volume 15 of the chamber 5 in the direction corresponding to the direction of the measured speed.

Ширина h1 щели 41 определяет максимальный размер hи. С увеличением расстояния d между диафрагмой 4 и измерительным объемом 15 (иными словами, расстоянием между диафрагмой 4 и ближайшей к ней поверхностью стенки полости 51 камеры 5 для исследуемого образца) величина hи уменьшается в соответствии с зависимостью hи=h1{1-2d[h1ctg(Θ/2)]-1}.The width h 1 of the slit 41 determines the maximum size h and . With an increase in the distance d between the diaphragm 4 and the measuring volume 15 (in other words, the distance between the diaphragm 4 and the nearest surface of the wall of the cavity 51 of the chamber 5 for the test sample), the quantity h and decreases in accordance with the dependence h and = h 1 {1-2d [h 1 ctg (Θ / 2)] -1 }.

В предпочтительном случае осуществления изобретения значение d равно толщине прозрачной стенки камеры 5, которая расположена вплотную к диафрагме 4. В большинстве практически важных случаев hи лежит в интервале h1>hи≥0,7h1, так как при меньших hи неоправданно увеличиваются осевые размеры.In the preferred case of the invention, the value of d is equal to the thickness of the transparent chamber wall 5, which is located close to the aperture 4. In many cases of practical importance, and h is in the range h 1> h and ≥0,7h 1, since the smaller h and unnecessarily increase axial dimensions.

Таким образом, расположенная в полости 51 камеры 5 часть области пересечения пучков 16 и 17 образует измерительный объем 15, полосы интерференционного поля в котором параллельны боковым краям щели 41 диафрагмы 4. Если в измерительный объем 15 попадает рассеивающая свет частица, движущаяся в поперечном направлении относительно полос интерференционного поля, то за счет пересечения частицей интерференционных полос рассеянный ею свет будет промодулирован по интенсивности с частотой, которая обратно пропорциональна времени, затрачиваемого частицей на прохождение пространственного периода интерференционного поля в измерительном объеме. В случае, когда измерительный объем 15 пересекают одновременно много частиц, то частотный спектр суммарной интенсивности рассеянного этими частицами света адекватен распределению этих частиц по скоростям.Thus, the part of the intersection region of the beams 16 and 17 located in the cavity 51 of the chamber 5 forms a measuring volume 15, the interference field strips in which are parallel to the lateral edges of the slit 41 of the diaphragm 4. If a light scattering particle gets in the transverse direction 15, moving in the transverse direction relative to the strips of the interference field, due to the intersection of the interference fringes by the particle, the light scattered by it will be modulated in intensity with a frequency that is inversely proportional to the time spent to pass the spatial period of the interference field in the measuring volume. In the case when the measuring volume 15 is intersected simultaneously by many particles, then the frequency spectrum of the total intensity of the light scattered by these particles is adequate to the velocity distribution of these particles.

Следствием использования диафрагмы 4 для выделения двух дополнительных пучков 16 и 17 света с резкими границами является возможность с помощью только одной диафрагмы 6, размещенной на расстоянии L от нее, определяемом соотношением L=(1,0-1,2)h1ctg(Θ/2), одновременно собрать рассеянный свет от измерительного объема 15 и предотвратить попадание на фотоприемник 7 как паразитной засветки (света, прошедшего через объем 15 без рассеяния), так и света, рассеянного в областях камеры 5 для исследуемого образца, находящихся вне измерительного объема 15. При этом щель 61 диафрагмы 6 расположена так же, как и щель 41 диафрагмы 4 симметрично относительно плоскости, проходящей через ось 1 и ребро 11 бипризмы, и имеет ширину h2, удовлетворяющую неравенству hи≤h2≤h1.The consequence of using the diaphragm 4 to highlight two additional light beams 16 and 17 with sharp boundaries is the possibility of using only one diaphragm 6 located at a distance L from it, defined by the relation L = (1.0-1.2) h 1 ctg (Θ / 2), at the same time collect the scattered light from the measuring volume 15 and prevent the parasitic illumination (light passing through the volume 15 without scattering) and the light scattered in the areas of the chamber 5 for the sample being outside the measuring volume 15 getting on the photodetector 7. . Wherein the slit 61 of the diaphragm 6 is located in the same way as the slit 41 of the diaphragm 4 is symmetrical with respect to the plane passing through the axis 1 and the edge 11 of the biprism, and has a width h 2 satisfying the inequality h and ≤h 2 ≤h 1 .

Если ширина щели 61 меньше hи, то имеет место подавление полезного сигнала (уменьшается количество рассеянного частицами в прямом направлении света, собираемого диафрагмой 6). Если же ширина щели 61 больше h1, то на фотоприемник попадает свет, рассеянный частицами, которые находятся вне измерительного объема 15. Что касается расстояния между диафрагмами 4 и 6, то при L<h1ctg(Θ/2) возможна паразитная засветка фотоприемника 7, а при L>1,2h1ctg(Θ/2) - неоправданно увеличивается осевой размер оптической части устройства.If the slit width is less than 61 h, and then holds the suppression of the useful signal (reduces the number of particles scattered in the forward direction of light collected diaphragm 6). If the slit width 61 is greater than h 1 , then light scattered by particles outside the measuring volume 15 is incident on the photodetector. As for the distance between the diaphragms 4 and 6, then for L <h 1 ctg (Θ / 2), parasitic illumination of the photodetector is possible 7, and for L> 1.2h 1 ctg (Θ / 2), the axial size of the optical part of the device unreasonably increases.

Собранный диафрагмой 6 свет с помощью фотоприемника 7 преобразуется в электрический сигнал, который подается на вход блока 8. В качестве блока 8 может быть использован процессорный (системный) блок компьютера. В блоке 8 осуществляется спектральный анализ мощности фототока, что позволяет определить как распределение частиц по скоростям, так и количество частиц, движущихся в соответствующем диапазоне скоростей. Кроме того, в блоке 8 определяются средняя интенсивность падающего на фотоприемник 7 света, рассеянного от измерительного объема 15, дисперсия упомянутой выше интенсивности, и вычисляется отношение квадрата первой величины ко второй. Это позволяет определить количество частиц в измерительном объеме. Устройство позволяет, в результате предварительной тарировки, определить концентрацию (в млн/мл), среднюю скорость (в мкм/сек) и подвижность частиц, например, сперматозоидов, в задаваемых диапазонах их скоростей (например, превышающих 2 мкм/сек или 25 мкм/сек, в % от общего их числа) в рамках показателей, рекомендованных ВОЗ.The light collected by the diaphragm 6 with the help of a photodetector 7 is converted into an electrical signal, which is fed to the input of block 8. As a block 8, a processor (system) block of a computer can be used. In block 8, a spectral analysis of the photocurrent power is performed, which allows one to determine both the distribution of particles by velocities and the number of particles moving in the corresponding velocity range. In addition, in block 8, the average intensity of the light incident on the photodetector 7 scattered from the measurement volume 15 is determined, the dispersion of the intensity mentioned above, and the ratio of the square of the first magnitude to the second is calculated. This allows you to determine the number of particles in the measuring volume. The device allows, as a result of preliminary calibration, to determine the concentration (in million / ml), average speed (in μm / s) and the mobility of particles, for example, sperm, in the specified ranges of their speeds (for example, exceeding 2 μm / s or 25 μm / sec, in% of the total number) within the framework of indicators recommended by WHO.

Испытания патентуемого устройства показали, что оно характеризуется более высоким отношением сигнал/шум (40-48 дБ) по сравнению с прототипом (25-28 дБ). Это обеспечивается за счет формирования измерительного объема оптимального размера (исходя из размеров частиц, длины их свободного пробега, времени измерения и т.д.) в направлении, совпадающем с направлением вектора измеряемой скорости частиц. Кроме этого, реализуется эффективный прием информативного оптического сигнала, рассеянного частицами в прямом направлении, при одновременном экранировании фотоприемника как от паразитной засветки, так и от света, рассеянного от элементов камеры, расположенных вне измерительного объема. Вместе с тем, произведенная замена одного оптического элемента - пространственного модулятора света (в прототипе) на другой также известный - бипризму Френеля, а также введение двух щелевых диафрагм практически не привели к увеличению осевых габаритов оптической системы.Tests of the patented device showed that it is characterized by a higher signal to noise ratio (40-48 dB) compared with the prototype (25-28 dB). This is ensured by the formation of the measuring volume of the optimal size (based on the size of the particles, their mean free path, measurement time, etc.) in the direction coinciding with the direction of the vector of the measured particle velocity. In addition, effective reception of an informative optical signal scattered by particles in the forward direction is realized, while simultaneously shielding the photodetector both from spurious illumination and from light scattered from camera elements located outside the measuring volume. At the same time, the replacement of one optical element - a spatial light modulator (in the prototype) with another also known - Fresnel biprism, as well as the introduction of two slotted diaphragms practically did not lead to an increase in the axial dimensions of the optical system.

Промышленная применимость патентуемого устройства подтверждается также возможностью реализации его с использованием широко известных оптических элементов, а также цифровых или аналоговых средств обработки сигналов.The industrial applicability of the patented device is also confirmed by the possibility of its implementation using well-known optical elements, as well as digital or analog signal processing means.

Claims (3)

1. Устройство для определения количества частиц биологических сред и распределения их по скоростям, содержащее источник света, оптический элемент, камеру для исследуемого образца и фотоприемник, выход которого соединен с входом блока вычисления, отличающееся тем, что источник гауссового пучка квази- или монохроматического света, бипризма Френеля, первая щелевая диафрагма, камера для исследуемого образца, вторая щелевая диафрагма и фотоприемник расположены в указанной выше последовательности вдоль общей оси, а излучаемый источником гауссовый пучок квази- или монохроматического света направлен на грань бипризмы Френеля, которая перпендикулярна общей оси и расположена напротив пересекающего под прямым углом общую ось ребра тупого угла бипризмы Френеля, обе щелевые диафрагмы расположены в параллельных плоскостях, причем их щели расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через общую ось и ребро тупого угла бипризмы Френеля, камера для исследуемого образца расположена параллельно первой щелевой диафрагме и на расстоянии от нее, обеспечивающем формирование в измерительном объеме интерференционного поля посредством двух дополнительных пучков света, выделенных первой щелевой диафрагмой из пучков света, преломленных бипризмой Френеля, при выполнении соотношений
L=(1,0-1,2)h1ctg(Θ/2); hи≤h2<h1,
где L, h1, h2 - расстояние между первой и второй щелевыми диафрагмами и ширина их щелей соответственно;
hи - размер измерительного объема камеры для исследуемого образца в направлении измеряемой скорости;
Θ - угол пересечения дополнительных пучков.1. A device for determining the number of particles of biological media and their speed distribution, containing a light source, an optical element, a camera for the test sample and a photodetector, the output of which is connected to the input of the calculation unit, characterized in that the source of a Gaussian beam of quasi- or monochromatic light, Fresnel biprism, the first slit diaphragm, the chamber for the test sample, the second slit diaphragm and photodetector are located in the above sequence along the common axis, and the source The quasi- or monochromatic light beam is directed to the face of the Fresnel biprism, which is perpendicular to the common axis and is opposite the obtuse angle of the edge of the obtuse angle of the obtuse angle of the Fresnel biprism, both slit diaphragms are located in parallel planes, and their slots are located symmetrically relative to the plane passing through the common axis and the edge of the obtuse angle of the Fresnel biprism, the chamber for the test sample is parallel to the first slit diaphragm and at a distance from it, providing a measuring volume of interference field by two additional light beams allocated to the first slit diaphragm of the light beams refracted Fresnel biprism, when the relations
L = (1.0-1.2) h 1 ctg (Θ / 2); h and ≤h 2 <h 1 ,
where L, h 1 , h 2 - the distance between the first and second slotted diaphragms and the width of their slots, respectively;
h and - the size of the measuring chamber volume for the test sample in the direction of the measured speed;
Θ is the intersection angle of additional beams. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что размер измерительного объема камеры для исследуемого образца в направлении измеряемой скорости удовлетворяет соотношению
hи=h1{l-2d[h1ctg(Θ/2)]-1},
где d - расстояние между первой щелевой диафрагмой и ближайшей к ней внутренней поверхностью камеры для исследуемого образца.2. The device according to claim 1, characterized in that the size of the measuring volume of the chamber for the test sample in the direction of the measured speed satisfies the ratio
h and = h 1 {l-2d [h 1 ctg (Θ / 2)] -1 },
where d is the distance between the first slotted diaphragm and the inner surface of the chamber closest to it for the test sample. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок вычисления выполнен с возможностью спектрального анализа фототока и определения отношения квадрата средней интенсивности падающего на фотоприемник света к дисперсии флуктуации этой интенсивности. 3. The device according to claim 1, characterized in that the calculation unit is configured to spectrally analyze the photocurrent and determine the ratio of the square of the average intensity of the light incident on the photodetector to the dispersion of fluctuations of this intensity.
RU2009105772/14A 2009-02-19 2009-02-19 Device for velocity-related particle count and distribution in biological matrix RU2387997C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009105772/14A RU2387997C1 (en) 2009-02-19 2009-02-19 Device for velocity-related particle count and distribution in biological matrix

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009105772/14A RU2387997C1 (en) 2009-02-19 2009-02-19 Device for velocity-related particle count and distribution in biological matrix

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2387997C1 true RU2387997C1 (en) 2010-04-27

Family

ID=42672757

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009105772/14A RU2387997C1 (en) 2009-02-19 2009-02-19 Device for velocity-related particle count and distribution in biological matrix

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2387997C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU172893U1 (en) * 2016-10-14 2017-07-28 Общество с ограниченной ответственностью НПФ "БИОЛА" AUTOMATED Sperm Fertility Analyzer
RU206033U1 (en) * 2021-05-19 2021-08-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр кардиологии" Министерства здравоохранения Российской Федерации DEVICE FOR DETERMINING THE NUMBER OF PARTICLES AND DISTRIBUTING THEM AT VELOCITY IN LIQUID BIOLOGICAL MEDIA

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU172893U1 (en) * 2016-10-14 2017-07-28 Общество с ограниченной ответственностью НПФ "БИОЛА" AUTOMATED Sperm Fertility Analyzer
RU206033U1 (en) * 2021-05-19 2021-08-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр кардиологии" Министерства здравоохранения Российской Федерации DEVICE FOR DETERMINING THE NUMBER OF PARTICLES AND DISTRIBUTING THEM AT VELOCITY IN LIQUID BIOLOGICAL MEDIA

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3593110B1 (en) Particle characterisation with a focus tuneable lens
US5999256A (en) Particle measurement system
US5101113A (en) Ensemble scattering particle sizing system with axial spatial resolution
JPH05346390A (en) Particle analyzer
KR20150146415A (en) Dynamic light scattering measurement device and dynamic light scattering measurement method
KR20180000015A (en) High accuracy real-time particle counter
CN101140222A (en) Spectrometer system and method for measuring whole optical parameter including turbidity dielectric materials
JP2021517963A (en) Particle sizing improved by light diffraction
EP0167272A2 (en) Particle size measuring apparatus
JP2017156245A (en) Spectroscopic apparatus
EP1069426B1 (en) Method and device for measuring concentration of absorbing component of scattering/absorbing body
US6104491A (en) System for determining small particle size distribution in high particle concentrations
RU2387997C1 (en) Device for velocity-related particle count and distribution in biological matrix
US7151602B2 (en) Particle size distribution analyzer
US20180073925A1 (en) Microscope device
JPH0224535A (en) Particle analyzing apparatus
RU83138U1 (en) Sperm Fertility Analyzer
JPS5970944A (en) Apparatus for measuring particle diameter
CN110530783B (en) Lateral beam collection method and device for flow cytometer and flow cytometer
RU206033U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING THE NUMBER OF PARTICLES AND DISTRIBUTING THEM AT VELOCITY IN LIQUID BIOLOGICAL MEDIA
EP0579829B1 (en) Particle measurement system
CN212844874U (en) Liquid measurement system based on optical cavity enhancement
JPH0427844A (en) Method and apparatus for measuring microscopic absorption distribution of opaque sample
RU172893U1 (en) AUTOMATED Sperm Fertility Analyzer
JPH0718797B2 (en) Local stress distribution measuring device

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20140618

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20160627

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180220