具体实施方式

在以下描述中，阐述了本发明的装置、装置部件和方法的许多具体细节，以便提供对本发明的精确本质的全面解释。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实施。

一般来说，本文使用的术语和短语具有其本领域公认的含义，这可以通过参考本领域技术人员已知的标准文本、期刊参考文献和上下文来找到。提供以下定义是为了阐明它们在本发明上下文中的具体用途。

“粒子”是指通常被视为污染物的小物体。粒子可以是由摩擦作用产生的任何材料，例如当两个表面发生机械接触并有机械运动时。粒子可以由材料的聚集体组成，例如灰尘、污垢、烟、灰烬、水、煤烟、金属、氧化物、陶瓷、矿物或这些或其它材料或污染物的任意组合。“粒子”也可以指生物粒子，例如病毒、孢子和微生物，包括细菌、真菌、古细菌、原生生物、其它单细胞微生物。在一些实施例中，例如，生物粒子的特征在于0.1-15μm的尺寸维度(例如，有效直径)，可选地，对于一些应用，范围为0.5-5μm的尺寸维度。粒子可以指吸收、发射或散射光并因此可被光学粒子计数器检测到的小物体。如本文所用，“粒子”旨在排除载流体的单个原子或分子，例如水、空气、过程液体化学品、过程气体等。在一些实施例中，粒子可以最初存在于表面上，例如微制造设施中的工具表面，从表面释放并随后在流体中进行分析。一些系统和方法检测包含具有尺寸维度的材料聚集体的粒子，例如有效直径大于5nm、10nm、20nm、30nm、50nm、100nm、500nm、1μm或更大、或10μm或更大。本发明的一些实施例检测具有选自10nm到150μm的范围中的尺寸维度(例如有效直径)的粒子，可选地对于一些应用为10nm到-10μm，可选地对于一些应用为10nm到-1μm，可选地对于一些应用为10nm到-0.5μm。

表述“检测粒子”广义上指的是感测、识别粒子的存在、计数和/或表征粒子，例如相对于尺寸维度(例如有效直径)表征粒子。在一些实施例中，检测粒子是指对粒子进行计数。在一些实施例中，检测粒子是指表征和/或测量粒子的物理特性，例如有效直径、横截面尺寸、形状、尺寸、空气动力学大小或这些的任意组合。在一些实施例中，在流动流体中进行粒子检测，例如具有在0.05CFM至10CFM，可选地对于一些应用为0.1CFM至5CFM，可选地对于一些应用为0.5CFM至2CFM范围内选择的体积流速的气体。在一些实施例中，检测粒子是在流动流体中进行的，例如具有在1至1000mL/min范围内选择的体积流速的液体。

“光学粒子计数器”或“粒子计数器”可互换使用，并且指的是使用光学检测来检测粒子的粒子检测系统，通常是通过分析流体流中的粒子。光学粒子计数器包括液体粒子计数器和气溶胶粒子计数器，例如，包括用于检测流体流中的单独的单个粒子的系统。光学粒子计数器将电磁辐射(例如，激光)探测束提供到分析区域或体积中，其中射束与任何粒子相互作用，然后基于从流动池散射(前向和/或侧散射)、发射和/或透射的光来检测粒子。检测可以集中于被(一个或多个)粒子散射、吸收、遮蔽和/或发射的电磁辐射上。用于光学粒子计数器的各种检测器在本领域中是已知的，包括例如单个检测元件(例如，光电二极管、光电倍增管等)，包括分段检测器、相机、各种检测器取向等的检测器阵列。光学粒子计数器包括凝结粒子计数器、凝结核计数器、分束微分系统等。当在凝结粒子计数器的上下文中使用时，粒子计数器部分通常指检测系统或其部件(例如，电磁辐射源、光学器件、过滤器、光学收集、检测器、处理器等)。例如，在一个实施例中，光学粒子计数器包括用于生成电磁辐射束的源、用于将射束导向和聚焦到流体样本流动的区域中的射束转向和/或整形光学器件，例如流动通过流动池的液体或气体。典型的光学粒子计数器包括光检测器，例如与所述流动池光通信的光学检测器阵列，以及用于收集电磁辐射和使电磁辐射成像的收集光学器件，该电磁辐射被穿过射束的粒子散射、透射或发射。粒子计数器还可以包括用于对由光检测器产生的电信号进行读出、信号处理和分析的电子器件和/或处理器部件，包括电流-电压转换器、脉冲高度分析器以及信号过滤和/或放大电子器件。光学粒子计数器还可以包括流体致动系统，例如泵、风扇或鼓风机，以产生用于将包含粒子的流体样本运输通过流动池的检测区域的流，例如用于生成以体积流速为特征的流。对于包含一种或多种气体的样本，有用的流速包括在0.05CFM至10CFM的范围内选择的流速，可选地对于一些应用在0.1CFM至5CFM的范围内选择的流速，可选地对于一些应用在0.5CFM至2CFM的范围内选择的流速。包含一种或多种液体的样本的有用流速包括在1至1000mL/min的范围内选择的流速。

表述“粒子的干涉检测”是指使用光学干涉来检测一个或多个粒子的系统和方法。在一些实施例中，相干电磁辐射束被叠加以引起光学干涉，用于感测、计数和/或确定与电磁辐射的至少一部分相互作用的粒子的尺寸表征。

“结构化束检测”指的是这样的系统和方法，其中具有非高斯强度分布的结构化电磁辐射束穿过包含粒子的流动池，并使用光学检测器阵列来检测，以感测、计数和/或表征粒子。

“暗束检测”指的是这样的系统和方法，其中电磁辐射的暗束，例如具有空间强度轮廓，该空间强度轮廓具有强度衰减的区域，例如中心线强度降低，这种电磁辐射暗束穿过包含粒子的流动池，并使用光学检测器阵列来检测，以感测、计数和/或表征粒子。

以提供统计上有意义数据的方式检测和计数清洁和超清洁流体中的小粒子(例如，有效直径小于100nm)需要高信噪比(缩写为S/N或SNR)。高S/N比允许纳米粒子在噪声基底之上被清晰地检测到。本文所用的“统计上有意义的数据”是指每单位时间检测到足够的粒子，从而能够准确评估流体中的污染水平。在一些实施例中，高S/N与尺寸精度没有直接关系。例如，在一些光学粒子计数器中，束腰占据流动池通道的一小部分，因此，这种方案监测总流量的子集，使得粒子有可能穿过辐照度小于中心的射束边缘。如果50nm粒子穿过射束的外边缘，它可能会生成类似于10nm粒子穿过射束中心的信号。因此，有可能形成一些具有高S/N的光学粒子计数器，并且能够检测2nm粒子，但是不具有非常好的尺寸准确度。在一些现有的光学粒子计数器和方法中，目标是能够计数足够的粒子，以在最短的时间内对超高纯度流体中的污染水平提供定量的、统计上可靠的评估。例如，当前技术水平的粒子计数器可能需要长达40分钟的时间来计数足够的粒子以在监测当前技术水平的超纯水系统时提供统计上合适的浓度(可接受的相对标准偏差)测量。通过本系统和方法改进和保持高S/N，测量这一统计上可接受的最小粒子数所需的时间间隔可以减少10倍或更多。这提供了价值，因为它允许用户更快地识别与过程控制限制的偏差。

表述“高信噪比”是指光学粒子检测系统的信噪比足以准确和灵敏地检测流体流中的粒子，包括以小的物理尺寸为特征的粒子(例如，小于或等于200nm的有效直径，可选地对于一些实施例小于或等于100nm，可选地对于一些实施例小于或等于50nm)。在一个实施例中，“高信噪比”是指信噪比足够高以感测以小物理尺寸为特征的粒子，例如具有有效直径低至20nm的粒子，可选地对于一些应用直径低至10nm，可选地对于一些应用直径低至1nm。在一个实施例中，“高信噪比”是指信噪比足够高，以准确地检测和计数误检率小于或等于50计数/升的粒子，例如，用于检测有效直径在1-1000nm范围内选择的粒子。在一个实施例中，“高信噪比”是指信噪比足够高，以在比常规光学粒子计数器小至少10倍的时间帧内提供最小统计上可接受的粒子计数。

表述“差分检测”指的是使用来自前视轴上检测器对的差分信号的技术和系统，例如，以相对于入射束光轴的0.5度范围内的散射角，可选地，对于一些应用，以相对于入射束光轴0.1度范围内的散射角，可选地，以零度或接近零度。最少两个像素可用于生成差分信号(例如，一个上部(或顶部)和一个下部(或底部))，从而形成用于差分检测的单个像素对。替代地，多个像素可以用于差分检测器的每个有源检测器区域(例如，顶部有源区域和底部有源区域)，例如包括一个或多个像素对的分段差分检测器，从而使用多个像素对，例如，其中每个像素对中的一个像素对应于顶部有源检测器区域，而每个像素对中的另一个像素对应于底部有源区域。像素对的数量可以在例如1至500个像素的范围内，并且对于一些应用，可选地在50至100个像素的范围内。在一些实施例中，通过对来自对应于分段检测器阵列的不同有源区域(例如顶部半部和底部半部)的像素对的信号进行差分相加来生成差分信号。差分检测可以用在本系统和方法中，以降低噪声，从而提供增强的信噪比。在一些实施例中，例如，差分检测用于检测透射通过所述流动池的入射电磁辐射和被流动池中的流体流中的一个或多个粒子前向散射的电磁辐射的组合。在一些实施例中，例如，入射光的分布具有在差分检测器的第一有源检测区域和第二有源检测区域(例如，上半部与下半部)之间平衡的功率分布，使得第一有源检测区域和第二有源检测区域的特征在于入射辐射功率在10％以内，可选地对于一些应用为5％，可选地对于一些应用为1％以内。差分检测包括具有闭环控制的技术和系统，例如，基于当粒子不存在时(即，在没有来自粒子的散射的情况下)差分信号的噪声幅度的评估。在一些实施例中，使用转向镜来调节检测器上的入射束位置，以降低或最小化差分信号的噪声水平，当射束功率在第一有源检测器元件与第二有源检测器元件(例如，检测器的上部和下部元件)之间均匀分开时，可能发生这种情况。闭环控制也可以通过平移检测器位置和旋转检测器来实现，以对准射束和检测器轴，从而降低或最小化差分信号的噪声水平。

“结构化束”是指具有非高斯空间强度分布的相干电磁辐射(例如激光)束。结构化束包括以衰减区域为特征的射束，例如暗束、具有暗线奇异性的线焦点的射束、以两个或多个离散强度波瓣为特征的射束等。在一个实施例中，结构化束对应于横向模式，例如TEM01。结构化束包括聚焦的、合成的激光束。结构化束和暗束可以通过本领域已知的技术生成，包括使用光学掩模、修改激光腔、组合多个射束、空间和/或偏振滤波器以及诸如干涉测量或偏振修改方案中的其它操控。

“射束传播轴”是指平行于电磁辐射束行进方向的轴。

“光通信”指的是以允许光在部件之间传输的方式布置的部件。光通信包括：其中两个元件直接进行光通信的配置，其中光直接在元件之间行进；以及其中两个元件间接进行光通信的配置，其中光经由一个或多个附加的光学元件，例如透镜、反射镜、窗口、滤波器等在元件之间行进。

“光轴”是指电磁辐射通过系统传播的方向。

“光学检测器阵列”指的是一种光学检测器，用于在检测器的有源区在二维空间上解析输入信号(例如，电磁辐射)。光学检测器阵列可以生成图像，例如对应于检测器的有源区域上的强度图案的图像。在一个实施例中，光学检测器阵列包括单独检测器元件的阵列，这里也称为像素；例如：光检测器的二维阵列、电荷耦合器件(CCD)检测器、互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器、金属氧化物半导体(MOS)检测器、有源像素传感器、微通道板检测器或光电二极管的二维阵列。

“光源”是指用于向样本传送电磁辐射的装置或装置部件。该术语不限于可见辐射，例如通过可见光束，而是广义地用于包括任何电磁辐射，也包括可见辐射、紫外辐射和/或红外辐射。光源可以体现为激光器或激光器阵列，例如二极管激光器、二极管激光器阵列、二极管激光器泵浦的固态激光器、LED、LED阵列、气相激光器、固态激光器，仅举几个例子。在一些实施例中，光源用于生成一个或多个相干电磁辐射束，例如，在光学粒子计数器中生成探测束。在一个实施例中，光源可以包括一个或多个部件，例如射束整形系统、相位掩模、射束组合器、偏振控制器、波片或用于生成结构化束(例如暗束)的其它部件，用于在光学粒子计数器中提供探测束。

术语“电磁辐射”和“光”在本说明书中同义地使用，并且指的是电场和磁场的波。可用于本发明方法的电磁辐射包括但不限于波长在约100nm至约15μm之间的紫外光、可见光、红外光或这些光的任意组合。

“高纵横比”射束是指具有从10:1到200:1范围内选择的纵横比的光束，例如包括结构化束或暗束的激光束。

本系统和方法集成了有源和/或无源部件，用于通过检测透射和前向散射光来增强光学粒子检测轴上粒子测量，例如使用诸如暗束的结构化束，并且可选地使用差分检测配置来提供重要的性能益处，包括(i)提供高信噪比和增加的灵敏度，用于小粒子(例如，≤10μm或可选地≤1μm或可选地≤500nm的有效横向尺寸(例如，直径))的检测和尺寸表征，(ii)增加作为时间函数分析的样本流体的量和/或(iii)抑制假阳性指示。

图1提供了一种系统的示意图，该系统通过检测透射和前向散射光经由轴上粒子测量来检测粒子，例如使用诸如暗束的结构化束和差分检测配置。如图1所示，粒子检测系统(200)包括流动池(210)，用于运输包括粒子的流体流(150)(示意性地描绘为流动池(210)内的圆)，例如具有粒子的气体或液体流。诸如激光源的光源(220)生成电磁辐射，该电磁辐射被提供给射束转向和整形系统(221)，用于生成探测束(222)，诸如包括暗束的结构化束，该探测束被提供给流动池(210)。探测束穿过流动池(210)并经由轴上光学检测器阵列(240)检测，例如包括一个或多个像素对的分段1D或2D光学检测器(240A和240B)，其与处理器(101)进行操作通信以向处理器(101)提供(一个或多个)输出信号。光学检测器阵列(240)和/或处理器(101)可以提供差分检测，例如在一种配置中，其中单独的分段检测器区域各自位于结构化束(例如暗束)的不同强度波瓣上。

处理器(101)接收并分析来自光学检测器阵列(240)的输出信号，例如经由差分信号组合(例如差分加法、减法等)来自分段1D或2D光学检测器(240A和240B)的信号的生成和分析，以提供粒子的检测，例如通过计数和/或尺寸表征。在一些实施例中，一个或多个平移器(205)，例如振荡器、置换器、压电元件等，操作性地耦合到流动池(210)以提供流动池的横向(例如，在正交于入射探测束的轴的方向上)和/或z轴(例如，沿着光源与检测器之间的射束轴和/或沿着入射探测束的轴)的快速平移(例如，以比穿过射束的粒子的平均速度快至少2倍的平均平移速度)，以实现每单位时间更大的流体采样体积。在一些实施例中，例如，所述光学检测器阵列(240)以相对于入射束的光轴在零度的5度以内的散射角设置，并且可选地以相对于入射束的光轴在零度的0.5度以内的散射角设置，并且可选地以相对于入射束的光轴在零度的0.1度以内的散射角设置。

图1A中还示出了可选的侧散射光检测器(268)和侧散射收集光学器件(267)，它们相对于探测束(222)的射束传播轴和光学检测器阵列(240)的检测器轴离轴定位。诸如一个或多个透镜和/或反射镜的侧散射收集光学器件(267)被定位成接收由与流动池(210)中的粒子和探测束相互作用产生的离轴散射光。侧散射收集光学器件(267)将收集的散射光的至少一部分引导到侧散射光检测器(268)上，并可选地对其成像，侧散射光检测器(268)与处理器(101)进行操作通信，以向处理器(101)提供用于分析的(一个或多个)输出信号，从而检测和/或表征(一个或多个)粒子。并入轴上差分检测和离轴侧散射检测的组合的实施例对于将粒子表征为生物或非生物粒子特别有用。在一些实施例中，例如，处理器(101)比较来自轴上光学检测器阵列(240)和侧散射光检测器(268)的信号，以便确定粒子是生物粒子还是非生物粒子。在一些实施例中，例如，来自侧散射光检测器(268)的小输出信号或来自侧散射光检测器(268)的可测量信号的缺乏，伴随着来自轴上光学检测器阵列(240)的可测量信号，指示生物粒子，例如微生物粒子。

图1B提供了用于通过检测透射和前向散射光，例如使用诸如暗束的结构化束和差分检测配置来检测粒子的轴上粒子测量的替代系统的示意图，其中光学几何形状被设置为提供双通道光学几何形状。如图1B所示，系统(200)包括光源(220)、射束转向和整形系统(221)、流动池(210)、包括成对检测器阵列和平移器(205)的光学检测器阵列(240)。此外，包括分束器(265)和反射镜(275)以提供双通道光学几何形状。可选地，射束转向和整形系统(221)提供高纵横比射束，例如特征在于纵横比选自10:1到200:1的范围的射束，提供给流动池(210)，并且光学检测器阵列(240)被配置为包括成对检测器阵列(240A和240B，从它们在检测器(240)内的位置向外展开，并且为了清楚起见，在粒子检测示意图下方在对应于粒子检测事件的示例信号旁边单独示意性地示出)的成对检测器阵列。光学检测器阵列(240)可以被配置为提供差分检测，可选地，其中成对的检测器阵列(240A和240B)位于结构化束(例如暗束)的强度波瓣上。在一些实施例中，一个或多个平移器(205)，例如振荡器、置换器、压电元件等操作性地耦合到流动池(210)以提供流动池的横向和/或在z轴上(例如，沿着光源与检测器之间的射束轴和/或沿着入射探测束的轴)的快速平移(例如，以比穿过射束的粒子的平均速度快2倍的平均平移速度)，从而实现每单位时间内更大的流体采样体积。例如，在一些实施例中，所述光学检测器阵列以相对于入射束的光轴在零度的5度以内的散射角设置，并且可选地以相对于入射束的光轴在零度的0.5度以内的散射角设置。

图1B还示出了光学检测器阵列(240)的代表性信号，示出了对于在流动池中穿过射束的粒子，来自单独成对检测器阵列(240A和240B)的信号作为时间(或粒子穿过射束的轨迹)的函数，其中实线是来自检测器阵列240A的信号，虚线是来自检测器阵列240B的信号。如图1B所示，来自各个成对检测器阵列(240A和240B)的信号中心每一个都由最小值和最大值表征，并且彼此相反。来自单个成对检测器阵列(240A和240B)的信号可以被组合，例如经由差分加法、减法、乘法等以提供诸如差分信号的信号，该信号可以被分析以提供关于粒子的尺寸、光学性质(例如折射率)和组成的准确信息。

所描绘的光学几何形状允许射束的相长干涉和相消干涉，这对灵敏度有帮助，例如，涉及从流动池透射的光和从流动池中的粒子散射的前向光的组合。双通道光学几何形状和差分检测的使用有助于检测小粒子(例如，有效尺寸小于100nm，可选地小于50nm，可选地小于20nm)的灵敏度和准确度。高纵横比射束的使用增加了可检测粒子的样本体积，这增加了每单位时间可监测的样本量。

图2示出了粒子测量系统的部件的透视图，该粒子测量系统包括振荡换能器，该振荡换能器可操作地连接到与物镜光通信的样本池。如图2所示，物镜(300)将来自光源(220)的光束(320)，例如结构化束，引导并聚焦到流动池(210)上，流动池(210)操作性地耦合到平移器，平移器包括振荡换能器(310)，用于沿着横向方向(330)平移流动池(210)，横向方向(330)可选地正交于对应于入射束传播轴的z轴(331)，使得高辐射密度区域改变流动池中的位置，从而允许增加单位时间内分析的流体体积。在一些实施例中，换能器(310)提供流动池(210)沿z轴(331)的平移，使得高辐射密度区域改变流动池中的位置，从而允许每单位时间分析流体的体积增加。由流动池透射的电磁辐射和由流动池中的粒子前向散射的电磁辐射由光学检测器阵列(240)，例如分段1D或2D光学检测器(240A和240B)，例如使用轴上差分检测系统检测。

图3提供了示出使用像素化差分检测器配置的示例成像检测器的示意图。图3的第一部分提供了在像素化检测器上成像的射束的示意图，该像素化检测器具有顶部有源区域(“顶部半部”)和底部有源区域(“底部半部”)，其中射束能量在顶部检测器半部与底部检测器半部之间均匀分布(各50％)，误差在±1％到5％的范围内。射束能量在两个有源区域之间平衡，因此使用差分检测至少部分抵消了相关激光噪声。此外，像素相对于信号的尺寸匹配(即信号的空间范围)优化了信噪比，例如提供高信噪比。

图3的截面2提供了在像素化检测器上成像的射束的示意图，对应于在流动池中粒子进入射束的条件，例如从底部进入射束。如图3的截面2所示，对于像素化检测器的顶部半部，在一个像素或像素子集上观察到亮条纹，而对于像素化检测器的底部半部，在一个像素或像素子集上观察到暗条纹。图3的截面3提供了在像素化检测器上成像的射束的示意图，对应于粒子平移经过流动池中束腰顶部的条件。如图3的截面3所示，对于像素化检测器的顶部半部，在一个像素或像素子集上观察到暗条纹，而对于像素化检测器的底部半部，在一个像素或像素子集上观察到亮条纹。在这种配置中，差分信号由检测器功率的分数波动驱动。随着像素尺寸的增加，当粒子与射束相交时，分数波动减小。如果像素变得太小，即使分数波动保持不变，检测器上的功率也会下降，信号幅度也会下降。因此，中间有反映这种权衡的最优值。

图4提供了示意图，示出了使用粒子的差分检测实现的作为时间函数的示例信号，包括差分信号(500)、来自差分检测器的顶部半部的像素或像素子集的顶部信号(510)和来自差分检测器底部半部的像素或像素子集的底部信号(520)。如图4所示，差分信号(500)是通过将底部信号(520)和顶部信号(510)差分相加而生成的。通过以这种方式从顶部信号(510)和底部信号(520)导出差分信号(500)，经由相关差分噪声消除实现了噪声的同时降低，从而提高了整体信噪比。

可以分析差分信号(500)以提供关于粒子的有效尺寸维度和光学性质(例如折射率)的信息，并区分不同的粒子光学性质，例如折射率，从而提供关于粒子组成的信息。为了说明这个概念，对具有不同折射率和组成的粒子的检测进行了比较—(i)聚苯乙烯胶乳(PSL)和(ii)金纳米粒子。PSL粒子的折射率为1.59，大于水的折射率1.33，因此，在进入射束时(例如，对应于图4的截面2的情况)，在差分检测器的顶部半部观察到亮条纹，在差分检测器的底部半部观察到暗条纹；并且在通过束腰的平移等待时(例如，对应于图4的截面3的情况)，在差分检测器的顶部半部观察到暗条纹，并且在差分检测器的底部半部观察到亮条纹。另一方面，如果使用本差分检测方法的一些实施例分析在探测束波长下折射率小于折射水的金纳米粒子，则观察到相对于PSL粒子的反信号，其中在进入射束时(例如，对应于图4的截面2的情况)，在差分检测器的顶部半部观察到暗条纹，在差分检测器的底部半部上观察到亮条纹；并且在平移穿过束腰时(例如，对应于图4的截面3的情况)，在差分检测器的顶部半部观察到亮条纹，并且在差分检测器的底部半部观察到暗条纹。以这种方式，在差分信号中观察到的亮条纹和暗条纹的顺序和位置可以用于表征通过本方法分析的粒子的折射率(和组成)。

在某些实施例中，包括分段检测器的一维(1D)和二维(2D)检测器可用于差分检测。对于1D分段检测器，两个选项对于一些应用是有用的：(i)使检测器分段相对于传输通过射束的粒子垂直或平行地定向，使得两个相邻像素可以用作单对上和下像素；或者，安装与射束成90度角的两个1D检测器，并使用刀刃棱镜将射束的顶部半部发送到一个1D检测器，将光束的下半部发送到第二个1D检测器。像素对的数量可以在例如1至500个像素的范围内，并且对于一些应用，可选地在50至100个像素的范围内。从10到500μm范围内选择的像素宽度在某些实施例中是有用的，并且可选地对于一些应用从50-100μm范围内选择。

图5提供了示出光学几何形状和检测器配置的示意图，用于提供差分检测器对准的闭环反馈控制，例如，用以平衡横跨检测器的两个有源区域(例如，顶部半部和底部半部)上的射束能量，从而使用差分检测至少部分消除激光噪声。在某些实施例中，闭环反馈控制的使用对于校正对准漂移和/或解决外部声音或振动干扰是有用的。如图5所描绘，诸如激光器的光源(600)提供光束(605a)，例如结构化束，该光束经由转向和/或聚焦光学器件(610a)穿过流动池620。光束(605a)与流过流动池(620)的流体中的粒子相互作用，从而生成透射的电磁辐射和前向散射的电磁辐射(一起605b)，其经由收集光学器件(610b)收集。透射电磁辐射和前向散射电磁辐射(605b)被引导至反射镜(630)上，可选地是转向镜，其将透射电磁辐射和前向散射电磁辐射(605b)中的至少一部分引导至差分检测器(640)上，例如，具有第一有源区域和第二有源区域(例如，顶部半部和底部半部)的分段检测器。定位器(650)操作性地耦合到差分检测器(640)，以便调节差分检测器(640)的位置，例如横向和/或垂直移动检测器或旋转检测器。在一个实施例中，处理器(660)与反射镜(630)和/或定位器(650)进行操作通信，以便控制在差分检测器(640)的第一有源区域和第二有源区域(例如差分检测器(640)的顶部半部和底部半部)上的透射电磁辐射和前向散射电磁辐射(605b)的相对对准。在一个实施例中，处理器(660)接收并分析对应于第一有源区域和第二有源区域(例如，顶部半部和底部半部)的信号，并确定差分信号。

为了使噪声最小化和使信号最大化，功率透射的电磁辐射和前向散射的电磁辐射(605b)可以在第一有源区域和第二有源区域(例如，顶部半部和底部半部)差分检测器(640)之间平衡。在一些实施例中，这是通过闭环系统实现的，其中处理器在不存在粒子时分析差分信号，并经由定位器(650)和反射镜(630)的控制使差分信号的噪声幅度最小化。在一些实施例中，例如，反射镜(630)用于调节检测器(640)上的射束位置，以使差分信号的噪声水平最小化。当射束功率在差分检测器的上部元件与下部元件之间最均匀地分配时，就会出现这种情况。也可以例如经由使用定位器(650)平移检测器位置和旋转检测器(640)以对准射束和检测器轴来实现差分信号噪声水平最小化。

通过以下非限制性实例可以进一步理解本发明。

实例1–使用结构化束和/或差分检测进行粒子测量

该实例描述了光学几何形状、检测器配置和信号分析技术，其允许增强对应于特定实施例的粒子检测和尺寸表征，这些实施例旨在举例说明本发明的某些特定特征。

扫描调制焦点：在一些实施例中，例如，该系统被设计成在测量点处产生高激光束光功率密度的区域。在常规系统中，该照明区域通常受到物镜聚焦角度的约束，并且限制了样本池内可以识别和表征最小粒子的横截面面积。使用高速机械振荡器，例如压电或类似装置，可以用来物理地移动或平移样本池，使其更靠近或更远离物镜。这种机械平移移动了样本池内最高光密度的点。当以足够高的频率和比激光束的粒子传输时间更快的速度完成时，允许对样本池的更大横截面积进行粒子表征。这种方案导致单位时间内流体样本体积的增加，而不需要增加激光功率。

扫描调制横轴：在一些实施例中，例如，系统被设计成在测量点处产生高激光束光功率密度的区域。在常规系统中，该区域通常受到物镜聚焦角度的约束，并限制了样本池内可以识别和表征最小粒子的横截面积。可以使用高速机械振荡器，例如压电或类似装置，跨激光束物理移动或平移样本。这种机械平移在样本池内使最高光密度点横向移动。当以足够高的频率和比激光束的粒子渡越时间更快的速度完成时，允许对更大的样本池横截面积进行粒子表征。这基本上导致每单位时间流体样本体积的增加，而不需要增加激光功率。

二维扫描调制：在一些实施例中，例如，扫描调制焦点和扫描调制横轴可以单独使用或组合使用，以增加累积效果。

在检测器上对样本体积成像：例如，在一些实施例中，该特征源自这样的关系，即当光检测器的像素的至少一部分各自具有足以收集粒子束相互作用信号的大部分能量的宽度时，信噪比(SNR或S/R)将最大化。粒子束相互作用信号的图像在检测器处的射束的慢轴(长轴)中很重要。射束中信号的垂直范围不太重要。当粒子渡越射束时，信号将穿过上部检测器元件和下部检测器元件。为了最大化信噪比，慢轴中粒子束相互作用信号的空间范围可以主要位于单对检测器元件上。将粒子束相互作用信号分散到多对检测器上会降低测量的信噪比。考虑到样本体积可以用高纵横比射束照射-在样本体积的位置具有正交的束腰-沿着射束轴创建的该位置的图像将具有相似的形状，并且应该具有足够的放大率以将图像分布在适当数量的像素检测器元件上。

替代的检测器几何形状可包括以下特征。聚焦射束穿过样本体积后，水平和垂直束腰在样本体积的同一横向平面内，射束被下游光学器件收集并被重新准直。在射束的这个区域中，发生在束腰处或附近的粒子事件的信号分布在准直射束的横向跨度上。为了优化信噪比，射束被聚焦到像素化检测器上，像素尺寸等于或小于聚焦光学器件的RMS斑尺寸。通过这种方式，实现了整个样本体积中粒子事件的空间辨别。最小检测器面积(像素区域)用于捕获粒子事件。

分数衰减成像：在一些实施例中，例如，通过在射束穿过样本体积后将其聚焦到像素化检测器上而产生的样本体积射束横截面的宽(水平)和窄(垂直)图像在本系统和方法中起作用。检测器上的该图像可以是样本体积上射束轮廓的放大再现。当粒子在腰部处或腰部附近渡越射束时，其在检测器处的图像将是跨图像占据区的垂直轨迹。按照如上所描述最大化信噪比的思路，图像占据区的水平切片(可能是垂直的单像素宽度)可以是实现最佳信噪比的手段。

高纵横比射束：在一些实施例中，例如，当射束呈现给样本流体流时，它将被适当的光学元件整形和聚焦。它将在流体流动的方向上成为一个紧密的焦点。如果流体沿y轴流动，射束将在y方向紧密聚焦；最紧密的焦点确定了y轴束腰的位置。z轴沿着射束的轴，然后沿着x轴，射束将比y方向宽得多，但是射束也需要在与y轴腰部相同的横向xy平面中处于其最小x轴宽度。射束整形光学器件将被布置成使得x轴和y轴腰部的位置出现在同一xy平面内。在这种情况下，x轴和y轴射束轮廓将在同一xy平面内会聚到其相应的腰部，并从那里沿传播方向发散。这构成了高纵横比射束。出于下游成像的考虑，腰部在同一xy平面内的共置是必要的。

差分信号：在一些实施例中，例如，使用来自零度散射角的(一个或多个)前视轴上检测器对的差分信号导致显著的噪声降低。

微生物检测：在一些实施例中，例如，利用轴上差分检测，使用结构化束或暗束在检测水中的微生物方面非常有效，即使它们具有非常小的折射率对比度。由于低折射率对比度(它们主要包含水)，微生物通常不能用常规的光散射粒子计数器观察到。一些实施例的粒子计数器使用暗束，利用轴上差分检测结合侧散射检测。如果两个检测器都产生适当大小的信号，那么粒子就不是微生物。如果轴上差分检测器提供大信号，而侧散射不提供响应，则它是微生物。

粒子与介质之间的RI差异：例如，在一些实施例中，差分信号的形状与时间的关系取决于粒子相对于介质的折射率。差分检测信号是高于零的递增信号，随后是低于零的递减信号(上升之后是下降)，或者是相反的，低于零的递减信号，随后是高于零的递增信号(下降之后是上升)。该信号根据流动方向以及是否从下部减去顶部检测器而变化，反之亦然。举例来说：对于给定的配置，如果粒子的折射率大于介质的折射率，则检测信号将是先上升后下降，而如果粒子的折射率小于介质，则信号将是先下降后上升。折射率小于水或流体化学物质的材料类型有气体和许多金属。折射率小于气体的材料包括某些金属(在光谱的可见部分)。

闭环聚焦系统：在一些实施例中，例如，在所有三个轴上调节光学元件提供了有用的和/或最佳的射束功率密度和/或射束尺寸。将进入光检测器的射束的一小部分转向至成像器，并使用尺寸、形状和/或功率密度为有用的和/或最佳的粒子检测提供条件。为了消除差分信号中的激光噪声，激光束可以在差分检测器的上部和下部元件之间精确地均匀/相等地平衡。换句话说，对于上部和下部检测器，检测到的功率可以有利地和/或最优地相同。在一些实施例中，这可以通过垂直平移检测器(也是2D阵列的倾斜功能，以与高纵横比射束对准)或者通过用反射镜或透镜使激光束转向以使噪声消除最大化来实现。在一些实施例中，实施了闭环系统，其中检测器和激光器以通过优化差分检测器元件上的激光功率的“平衡”来最小化背景噪声的布置而自动对准。此外，闭环聚焦系统可用于调节5轴光学平移台，以提供最佳射束功率密度和/或束斑尺寸。例如，一小部分射束可以被重定向到成像器，并且所获得的图像可以用于确定获得最佳射束尺寸、形状和功率密度所需的调节。

当检测器的操作温度降低时，检测器暗电流随之降低。暗电流的这种降低改进了检测器的SNR(信噪比)，降低了检测器的NEP(噪声等效功率)，使其对较低的入射光水平更加敏感。这种对热变化的响应在理论上是有限制的，可以采用设计一种热系统以冷却到具有所需稳定性的必要水平。

斩波器的使用：在一些实施例中，例如，通过考虑DC技术中固有的问题以及如何通过使用AC方法和调制光或斩波器方案来减轻这些问题，可以实现对埋入噪声基底中的低水平光信号提取的进一步改进。在一些实施例中，斩波器用于接通和切断检测器的入射光，将其从DC照明改变为AC照明，通常在KHz范围内。在一些实施例中，使用锁定放大器，窄带宽调谐到斩波频率产生同步信号检测。大多数物理系统，包括粒子检测中涉及的电子光学检测和放大，随着频率接近DC，噪声会增加。例如，粒子检测中使用的典型运算放大器具有1/f噪声。通过将检测测量从低频或DC噪声源移至AC斩波频率下的测量，可以实现更高的信噪比和对通常与较小粒子相关联的弱得多的信号的检测。

粒子信号检测中的信号处理技术：在一些实施例中，不同尺寸和材料类型的各种粒子在时域中经过射入光源的路径和速度对于本系统和方法中的设计和信号分析是有用的考虑因素。例如，这些离散和复杂的时域信号的采样然后可以通过傅立叶变换或FFT(快速傅立叶变换)变换到频域中。粒子的复杂周期信号轨迹的分解提供了由一组具有不同幅度、频率和相位的正弦曲线组成的频域信号的方程。在一些实施例中，当系统的固有噪声的幅度非常接近被观察的粒子的幅度或低信噪比条件时，可以将在开发期间收集的分解粒子信号的集合或方程库编入目录并使用。在一些实施例中，收集的粒子信号具有本发明设计所独有的固有结构，人们可以使用信号处理技术从代表污染系统噪声的不可识别的无序信号中发现预期信号。

在一些实施例中，方程模型或滤波器被认为是感兴趣的可能信号的结构。在一些实施例中，当试图识别传入信号中的结构时，使用数学滤波器并将其施加于到达信号。在一些实施例中，可以使用各种信号处理技术，包括将到达的变换信号与滤波器目录卷积(假设到达的和建模的信号是线性时不变的)。在一些实施例中，可以使用到达信号与滤波器目录之间的相关性。卷积稀疏建模技术的最新发展可以与阈值化、松弛或近似一起使用。在一些实施例中，相互相干性可用于将到达信号分解成可变延迟(相位)和宽度(频率)的更小块，并对照模型目录进行测试，假设到达信号是分段恒定信号。

关于参考文献并入的声明和变型

贯穿本申请的所有参考文献，例如专利文件，包括已发布或授权的专利或等同物；专利申请出版物；和非专利文献文件或其它来源资料；以全文引用的方式并入到本文中，就像单独地以引用的方式并入一样，在一定程度上每个参考文献至少部分地与本申请中的公开内容不一致(例如，部分不一致的参考文献以引用的方式并入，除了该参考文献的部分不一致的部分)。

以下专利和专利申请涉及使用结构化束的干涉测量粒子检测，并以全文引用的方式并入到本文中：美国专利7,746,469；美国公开20170176312；和PCT公开WO 2019/082186。

在此使用的术语和表述被用作描述性术语而非限制性术语，并且在使用这些术语和表述时无意排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物，但是应当认识到，在要求保护的本发明的范围内各种修改是可能的。因此，应当理解，尽管本发明已经通过优选实施例、示例性实施例和可选特征进行了具体公开，但是本领域技术人员可以对这里公开的概念进行修改和变化，并且这种修改和变化被认为在由所附权利要求限定的本发明的范围内。这里提供的具体实施例是本发明的有用实施例的示例，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以使用本说明书中阐述的装置、装置部件、方法步骤的大量变型来实现。对本领域技术人员来说显而易见的是，对本方法有用的方法和装置可以包括大量可选的组合物和处理元件和步骤。

如本文和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。因此，例如，对“一个池”的引用包括本领域技术人员已知的多个这样的池及其等同物。同样，术语“一”(或“一个”)、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可以互换使用。还应注意，术语“包括”、“包含”和“具有”可以互换使用。表述“权利要求XX-YY中的任一项”(其中XX和YY指权利要求编号)旨在以替代形式提供多项从属权利要求，并且在一些实施例中可与表述“如权利要求XX-YY中的任一项”互换。

当本文公开一组取代物时，应理解该组和所有子组的所有单个成员都是单独公开的。当这里使用马库什组或其它分组时，该组的所有单独成员以及该组的所有可能组合和子组合都旨在单独地包括在本公开中。

除非另有说明，本文描述或举例说明的每个装置、系统、配方、组分组合或方法都可以用于实践本发明。

无论何时在说明书中给出范围，例如温度范围、时间范围或组成或浓度范围，所有中间范围和子范围，以及包括在给定范围内的所有单个值都旨在被包括在本公开中。应当理解，包含在本文的描述中的范围或子范围中的任何子范围或单个值都可以从本文的权利要求中排除。

说明书中提到的所有专利和出版物都表明了本发明所属领域技术人员的技能水平。本文引用的参考文献以全文引用的方式并入到本文中，以表明截至其出版或申请日的当前技术水平，并且如果需要，该信息可以在本文中使用，以排除现有技术中的特定实施例。例如，当要求保护物质的组成时，应当理解，在申请人的发明之前本领域中已知和可获得的化合物，包括在本文引用的参考文献中提供了使能公开的化合物，不包括在本文的物质权利要求的组成中。

如本文所用，“包括”与“包含”、“含有”或“特征在于”同义，并且是包含性的或开放式的，并且不排除额外的、未引用的元件或方法步骤。如本文所用，“由……组成”排除了权利要求元件中未指定的任何元件、步骤或成分。如本文所用，“基本上由……组成”不排除实质上不影响权利要求的基本和新颖特征的材料或步骤。在这里的每种情况下，术语“包括”、“基本上由……组成”和“由……组成”中的任何一个都可以用另外两个术语中的任何一个来代替。这里说明性描述的本发明可以在没有这里没有具体公开的任何一个或多个元件、限制或局限的情况下适当地实施。

本领域普通技术人员将会理解，除了那些具体举例说明的方法之外，起始材料、生物材料、试剂、合成方法、纯化方法、分析方法、测定方法和生物方法可以用于本发明的实践中，而不需要过度的实验。任何这种材料和方法的所有本领域已知的功能等同物都包括在本发明中。已经使用的术语和表达被用作描述性术语而非限制性术语，并且在使用这些术语和表达时无意排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物，但是应当认识到，在要求保护的本发明的范围内各种修改是可能的。因此，应当理解，尽管本发明已经通过优选实施例和可选特征具体公开，但是本领域技术人员可以对这里公开的概念进行修改和变化，并且这种修改和变化被认为在由所附权利要求限定的本发明的范围内。