СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ И РАССЕЯНИЯ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ И ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к средствам оптического контроля фракционно-дисперсного состава многокомпонентных аэрозолей, и может быть использовано, например, при контроле состояния окружающей среды, в том числе при контроле за выбросами химических и микробиологических производств, чистоты воздуха в промышленных и населенных зонах, при защите от биологического терроризма.

Известен ламповый прибор для определения состава аэрозолей на основе люминесцентного анализа индивидуальных частиц по патенту РФ №2279663, МПК G01N 15/02, опубл. 20.11.2005 г. В этом приборе свет от лампового источника излучения собирается зеркально-линзовым фокусирующим объективом в анализируемый объем, через который проходят частицы аэрозоля. Переизлученные потоки света собираются оптической системой регистрации и направляются ею на полевую диафрагму, а затем - на фотоприемники. Устройство выполнено таким образом, что пространства телесных углов фокусировки и светосбора не пересекаются, и оптические оси фокусирующего объектива и оптической системы регистрации не совпадают. Далее сигналы направляются на систему обработки. Анализ сигналов позволяет сделать вывод о пофракционном составе аэрозолей.

Данное устройство позволяет достичь высокой покомпонентной чувствительности анализа за счет последовательного разделения сигналов по трем спектральным диапазонам люминесценции и рассеяния на исследуемых частицах. Однако применение в качестве элемента, собирающего оптический сигнал, линзового фокусирующего объектива, ведет к снижению уровня регистрируемого полезного сигнала и, как следствие, к снижению чувствительности при той же мощности возбуждающего источника.

Кроме того, использование плоскости, проходящей через область анализа, в качестве предметной способствует влиянию неоднородной чувствительности приемника оптического излучения (ПОИ) на величину сигнала для смещенных из фокуса частиц.

Кроме того, наличие широкоугольного лампового источника излучения усложняет применение оптических ловушек для вывода излучения из проточной камеры и уменьшает эффективность подавления излучения оптических шумов.

Известна оптическая система регистрации в устройстве регистрации флуоресцирующих биологических частиц по патенту США на изобретение № US 5895922, МПК С12М 1/34; G01N 15/14; G01N 21/64, опубл. 20.04.1999 г., в которой для сбора излучения люминесценции применена изображающая линзовая оптика, т.е. изображение области анализа строится в плоскости диафрагмы перед приемниками. Такая оптика обладает довольно низкой эффективностью сбора излучения, что предъявляет дополнительные требования к обрабатывающей электронике и источнику излучения (с увеличением мощности растут габариты УФ-лазера, например, в качестве источника использовался лазер с длиной волны ≈ 100 см).

Кроме того, в данном устройстве используется только один спектральный диапазон для сбора сигналов люминесценции (400-540 нм), что заметно ухудшает разделение частиц по независимым характеристикам. Размер частицы определяется методом последовательного прохождения частицы через два разнесенных лазерных луча, что заметно усложняет конструкцию прибора и повышает требования к точности юстировки оптической части прибора.

К тому же фоновый оптический шум, попавший в оптическую систему регистрации от возможной паразитной засветки возбуждающим излучением элементов системы, может быть снижен только электронным способом, что приводит к некорректной обработке данных, в том числе при регистрации слабых сигналов флуоресценции на уровне оптического фона.

Известна электрооптическая система устройства для определения флуоресцирующих компонентов в аэрозолях по патенту США на изобретение № US 5999250, МПК G01N 15/14; G01N 15/00; G01N 21/64; G01N 15/02, опубл. 07.12.1999 г.

Данная оптическая система содержит первый источник энергии для создания первого и второго лучей энергии, пересекающих путь частиц, проходящих периодически вдоль заранее определенного пути, в трех положениях, находящихся по ходу движения потока, второй источник энергии для создания луча возбуждающей энергии, пересекающего путь частиц в третьем положении, находящемся дальше по ходу движения потока по отношению к первому и второму положениям, первое зеркало, расположенное относительно пути частиц так, чтобы перенаправить полученный свет, излучаемый из первого и второго положений, в направлении первого ПОИ, второе зеркало, расположенное по отношению к пути частиц так, чтобы перенаправить свет, излучаемый из третьего положения, в направлении второго ПОИ, первый и второй детекторы энергии, расположенные в первом и втором пунктах приема оптического излучения, соответственно.

Устройство содержит также два эллипсоидальных зеркала, первые фокусы которых расположены по отношению к заданному пути движения частицы вблизи ее первого и второго положений, и третьего положения, соответственно, а детекторы излученной энергии расположены во втором фокусе эллипсоидальных зеркал.

В этой системе для сбора сигналов рассеяния и люминесценции используются эллиптические зеркала (отдельное для рассеяния и отдельное для люминесценции). Первый фокус зеркал совпадает с точкой пересечения потока частиц и соответствующих лазерных пучков. Оптические сигналы рассеяния и люминесценции передаются зеркалами на ПОИ, помещенные во второй фокус зеркал. Числовая апертура таких зеркал не превышает 2π срад. что ограничивает эффективность их использования. По каналу люминесценции отсутствует возможность регистрировать люминесценцию в нескольких оптических диапазонах. В варианте исполнения оговаривается возможность применения серии зеркал, последовательных потоку, при этом в системе остается нерешенным вопрос создания потока частиц с заданными параметрами на большом удалении от выходного сопла камеры.

Так как эллиптические зеркала являются в данной схеме изображающими элементами (строится изображение источника во втором фокусе зеркал), то это накладывает определенные требования и ограничения на характеристики прибора из-за присутствия оптических аберраций для частиц, смещенных из фокуса зеркала (размер аберрации растет при увеличении смещения из фокуса).

В результате изображение области анализа во втором фокусе является сильно размытым и увеличенным, что приводит, с одной стороны, к необходимости увеличить площадь приемной площадки ПОИ, чтобы исключить виньетирование сигнала краями зеркал по другому каналу. Однако, с другой стороны, при росте размера ПОИ увеличивается доля возможных фоновых оптических шумов и снижается эффективность сбора сигнала по другому каналу регистрации (уменьшается площадь поверхности зеркала). Еще одним эффектом присутствия аберраций изображения частиц на приемнике является искажение сигналов при неоднородной чувствительности приемников.

Для борьбы с фоновыми оптическими шумами от возможной паразитной засветки возбуждающим излучением элементов системы используются оптические ловушки. Возможность борьбы с оптическими шумами, попавшими на поверхность зеркал, в данном патенте не рассматривается, хотя эффект увеличения приемной площадки ПОИ должен приводить к росту доли фонового оптического шума.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе является оптическая система регистрации в средствах для измерения спектров флуоресценции отдельных частиц аэрозоля, отобранных из окружающего воздуха, по патенту США на изобретение № US 2004125371, МПК G01N 21/64; G01J 3/30, опубл. 01.07.2004 г., выбранная в качестве прототипа.

Эта оптическая система содержит два пусковых лазера, последовательно расположенные источник излучения с фокусирующим объективом, устройство для формирования потока аэрозольных частиц, оптический элемент регистрации флуоресценции, передающий излучение из области регистрации частиц во вторую фокальную плоскость, а также систему оптических элементов, передающих излучение флуоресценции и рассеяния на приемные площадки приемников оптического излучения. В качестве источника излучения устройство содержит импульсный лазер с активной модуляцией добротности, который запускается по сигналу от детекторов, регистрирующих рассеяние частицей аэрозоля излучения пусковых лазеров. Пусковые лазеры сфокусированы на струю аэрозоля выше по потоку.

Данная оптическая система реализует способ измерения флуоресценции частиц аэрозоля в потоке, который включает формирование соплом сфокусированной аэрозольной струи заданного диаметра; определение анализируемого объема струи пересечением ортогональных струе пучков пусковых лазеров; детектирование света, рассеянного из окрестности анализируемого объема, набором детекторов, регистрирующих определенную длину волны луча пускового лазера; засвечивание частиц аэрозоля импульсным лазером, диаметр пучка которого соответствует размеру сфокусированной струи аэрозоля; сбор флуоресценции, излученной от частиц, находящихся в анализируемом объеме, и фокусировку ее в область детектирования.

В оптической системе, реализующей способ, в качестве оптического элемента регистрации для сбора и передачи оптического сигнала на ПОИ используется отражающий объектив Шварцшильда, имеющий числовую апертуру 0,5. Эффективность сбора энергии частицы с помощью такого объектива составляет всего 10-15%, что предъявляет дополнительные требования к мощности ультрафиолетового (УФ) источника излучения. Оптическая схема позволяет передавать сигналы люминесценции на спектрограф с дальнейшим измерением спектра люминесценции. При этом предметная плоскость, совмещенная с осью потока частиц, передается объективом Шварцшильда на приемную площадку спектрографа. Такая конструкция оптической системы приводит к неизбежной зависимости сигнала от положения частицы внутри области анализа из-за возможного виньетирования сигнала на полевой диафрагме спектрографа либо из-за неоднородной чувствительности приемной площадки спектрографа к положению частицы внутри области анализа. Данная проблема широко обсуждается авторами патента, например, в статье Fluorescence spectra of atmospheric aerosol particles measured using one ore two excitation wavelengths: Comparison of classification schemes employing different emission and scattering results (7 June 2010/ Vol.18, No.12/ OPTICS EXPRESS/), где авторы указывают на возникающую в рассматриваемой системе зависимость регистрируемого сигнала от положения частицы в области анализа. Однако корректировка сигналов, исключающая данный эффект в оптической системе, в данном патенте не предусматривается.

Кроме того, для оценки размеров частиц, а также для определения нахождения частицы в области анализа в рассматриваемом патенте используются отдельные каналы возбуждения и регистрации рассеяния от двух лазерных диодов с длиной волны 635 нм и 640 нм, пучки которых ортогонально сфокусированы на струю аэрозоля. При попадании частицы в область анализа, по сигналу рассеяния частицей излучения лазерных диодов происходит запуск УФ-лазера. Подобная схема запуска УФ-лазера позволяет увеличить его долговечность, однако приводит к значительному конструктивному усложнению системы.

В данном устройстве оговаривается возможность повышения эффективности сбора излучения за счет применения эллиптического зеркала. Однако при этом приемник оптического излучения предполагается устанавливать во втором фокусе, что приводит к указанным выше проблемам, справедливым для объектива Шварцшильда, а именно к зависимости излучения частицы от положения в области анализа. Кроме того, в случае применения эллиптического зеркала изображение частиц, смещенных из первого фокуса, является аберрационным. Это может приводить к дополнительной зависимости величины сигнала от положения частицы вследствие виньетирования аберрационного изображения полевой диафрагмой спектрографа и к ухудшению спектрального разделения аберрационного изображения. Однако вопрос компенсации эффектов аберрации эллиптического зеркала в патенте также не рассматривается.

Кроме того, известная оптическая система не решает вопроса компенсации оптических шумов от возможной паразитной засветки возбуждающим излучением элементов системы регистрации. Наличие нескомпенсированных оптических шумов, ухудшение отношения «оптический сигнал/шум» приводит к искажению получаемых данных, а также к уменьшению чувствительности метода.

Изобретение решает задачу повышения эффективности сбора оптических сигналов (ОС) от исследуемых частиц и их передачи на приемники оптического излучения (ПОИ) с последовательным разделением сигналов по спектральным диапазонам люминесценции и рассеяния на исследуемых частицах, а также уменьшения фоновых оптических шумов от возможной паразитной засветки возбуждающим излучением элементов системы регистрации и упрощения конструкции оптической системы.

Технический результат от использования данного изобретения заключается в повышении уровня принимаемых оптических сигналов и увеличении точности измерений за счет использования в качестве оптического элемента регистрации одного глубокого эллиптического зеркала и определенного выбора местоположения предметной плоскости для системы линз, что позволяет обеспечить независимость регистрируемого сигнала от положения частицы внутри области анализа, а также в увеличении отношения «оптический сигнал/оптический шум» за счет диафрагмирования отдельных областей изображения торца эллиптического зеркала в плоскости приемной площадки ПОИ.

Для достижения указанного технического результата, в способе оптической регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц в потоке, включающем формирование сфокусированной струи аэрозоля заданного диаметра, засвечивание частиц аэрозоля источником излучения, оптическая ось которого перпендикулярна струе аэрозоля, использование в качестве объектива регистрации излучения флуоресценции и упругого рассеяния оптического элемента регистрации, причем точка пересечения струи аэрозоля и оптической оси источника излучения совмещена с передним фокусом оптического элемента регистрации, передачу излучения флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц на приемники оптического излучения и преобразование полученных оптических сигналов в электрические для дальнейшей обработки и регистрации, согласно изобретению в качестве предметной плоскости, изображение которой формируется на приемных площадках приемников оптического излучения, выбирают плоскость, в которой распределение энергии флуоресценции и рассеяния нечувствительно к положению частицы в струе аэрозоля, передают изображение струи аэрозоля из плоскости переднего фокуса оптического элемента регистрации в плоскость, совмещенную с задним фокусом оптического элемента регистрации, передают излучение из предметной плоскости на приемные площадки по меньшей мере двух приемников оптического излучения с помощью оптической системы передачи изображения, одновременно разделяют излучение по меньшей мере на два спектральных диапазона с помощью оптической системы спектрального разделения сигнала, в каждом из каналов регистрации излучения перед приемной площадкой соответствующего приемника оптического излучения устанавливают отдельные различные диафрагмы и выделяют границы области анализа и/или выделяют области, соответствующие определенному пространственному диапазону углов излучения флуоресценции и рассеяния, и/или выделяют области, соответствующие изображениям оптических шумов от паразитной засветки источника излучения.

В оптической системе регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц в потоке, содержащей последовательно размещенные источник излучения с фокусирующим объективом для фокусировки излучения лазера на поток аэрозольных частиц, оптический элемент регистрации флуоресценции и упругого рассеяния, а также систему оптических элементов, передающих излучение флуоресценции и рассеяния на приемные площадки приемников оптического излучения, согласно изобретению в качестве предметной плоскости, оптически сопряженной с приемными площадками оптических приемников, выбрана плоскость, в которой распределение энергии флуоресценции и рассеяния нечувствительно к положению частицы в струе аэрозоля, в системе сформированы по меньшей мере два канала регистрации флуоресценции и рассеяния, в каждом из которых размещен отдельный приемник оптического излучения с приемной площадкой, оптически сопряженной с предметной плоскостью, система дополнительно снабжена оптической системой спектрального разделения сигналов, предназначенной для разделения излучения флуоресценции и рассеяния по меньшей мере на два спектральных диапазона, системой диафрагм, предназначенной для выделения границ области анализа, диафрагменной системой, позволяющей выделять определенные области, соответствующие возможному оптическому шуму от паразитной засветки возбуждающего излучения.

При этом в качестве оптического элемента регистрации флуоресценции и упругого рассеяния выбирают глубокое эллиптическое зеркало, передний фокус которого сопряжен с плоскостью струи аэрозоля, или параболическое зеркало, передний фокус которого сопряжен с плоскостью струи аэрозоля.

В качестве источника излучения используют импульсный лазер с пассивной модуляцией добротности, частота импульсов которого соизмерима со средней частотой поступления частиц в область анализа, или импульсный лазер с активной модуляцией добротности, запускаемый по управляющему сигналу от внешнего источника излучения, сфокусированного на поток аэрозольных частиц выше по потоку относительно основного пучка лазера. В качестве источника излучения может быть также использовано по меньшей мере два импульсных источника излучения, сфокусированных в общую точку аэрозольной струи.

В качестве оптической системы передачи изображения, передающей излучение из предметной плоскости на приемные площадки приемников оптического излучения, в случае использования эллиптического зеркала выбирают систему линз и спектроделительных зеркал, либо, в варианте изготовления с использованием параболического зеркала, систему линз и диспергирующего элемента.

В качестве оптической системы спектрального разделения сигналов для эллиптического зеркала используют систему спектроделительных зеркал и оптических фильтров, либо, в варианте изготовления с использованием параболического зеркала, систему, состоящую из оптических фильтров и по меньшей мере одного диспергирующего элемента. В последнем случае в качестве диспергирующего элемента используют призму или систему призм, либо дифракционную решетку.

В качестве предметной плоскости, в которой распределение энергии флуоресценции и рассеяния нечувствительно к положению частицы в струе аэрозоля, выбрана плоскость торца эллиптического зеркала или, в варианте изготовления, торца параболического зеркала.

Кроме того, оптическая система может быть дополнительно снабжена по меньшей мере одним каналом регистрации, обеспечивающим измерение отдельных областей 2-углового рассеяния, включающим последовательно размещенные на оптической оси широкополосный оптический фильтр, полевую диафрагму и дополнительный приемник оптического излучения с приемной площадкой.

При этом в ней дополнительно формируется система диафрагм, предназначенная для выделения областей сигналов от частицы, соответствующих определенному пространственному диапазону углов излучения флуоресценции и рассеяния.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена основная функциональная схема оптической системы регистрации; на фиг.2 - распределение энергии на торце эллиптического зеркала в зависимости от смещения Δ частицы из фокуса зеркала при а) Δ=0 мм, б) Δ=0,1 мм, в) Δ=0,2 мм; на фиг.3 - график, иллюстрирующий выделение области анализа в канале рассеяния (кривая 1 - с диафрагмированием приемной площадки ПОИ, кривая 2 - без диафрагмирования приемной площадки ПОИ); на фиг.4 - график соотношения шумов и полезного сигнала с уменьшением диаметра диафрагмы в канале рассеяния (кривая 1 - показывает интенсивность оптических шумов, кривая 2 - интенсивность полезного сигнала); на фиг.3 - вариант исполнения функциональной схемы оптической системы регистрации с использованием дополнительных ПОИ для измерения отдельных областей 2-углового рассеяния.

Оптическая система регистрации, согласно изобретению, содержит последовательно размещенные источник излучения 1 с фокусирующим объективом 2 для фокусировки лазерного луча 3 на поток аэрозольных частиц. Поскольку ось этого потока перпендикулярна плоскости чертежа, на фиг.1 он показан в виде точки, совпадающей с первым, передним фокусом 4 оптического элемента регистрации флуоресценции и упругого рассеяния, в качестве которого использовано глубокое эллиптическое зеркало 5, передающее излучение из области регистрации частиц в фокальную плоскость второго, заднего фокуса 6. При этом плоскость, проходящая через передний фокус 4 эллиптического зеркала 5, оказывается сопряженной с продольной плоскостью струи аэрозоля.

Под глубоким эллиптическим зеркалом, применяемым в заявленной оптической системе, понимают такое, эффективность сбора излучения флуоресценции и рассеяния которого превышает 70%, в отличие от оптического элемента в прототипе, эффективность которого находится в пределах 10-15%.

В качестве оптического элемента регистрации флуоресценции и упругого рассеяния, передающего изображение аэрозольной струи из переднего фокуса во второй, задний фокус, в варианте изготовления оптической системы может быть выбрано и параболическое зеркало, передний фокус которого сопряжен с плоскостью струи аэрозоля.

В качестве источника излучения 1 в заявленной оптической системе используют, например, импульсный лазер с пассивной модуляцией добротности, частота импульсов которого соизмерима со средней частотой поступления частиц в область анализа, в частности ультрафиолетовый (УФ) лазер. При этом под областью анализа (ОА) в заявленной оптической системе понимают область пересечения потока частиц аэрозоля и луча 3 лазерного источника излучения 1.

Однако в вариантах исполнения в качестве источника излучения может быть использован также импульсный лазер с активной модуляцией добротности, запускаемый по управляющему сигналу от внешнего источника излучения, сфокусированного па поток аэрозольных частиц выше по потоку относительно основного пучка лазера, либо, например, по меньшей мере два импульсных источника излучения, сфокусированных в общую точку аэрозольной струи.

В качестве предметной плоскости, оптически сопряженной с приемными площадками 7, 8 и 9 приемников оптического излучения (ПОИ) 10, 11 и 12, соответственно, выбрана плоскость, в которой распределение энергии флуоресценции и рассеяния нечувствительно к положению частицы в струе аэрозоля, а именно плоскость АА' торца 13 эллиптического зеркала 5.

В варианте изготовления, когда в качестве оптического элемента регистрации использовано параболическое зеркало, предметная плоскость должна быть расположена в плоскости его торца.

Для того чтобы уменьшить числовую апертуру лучей на выходе эллиптического зеркала 5, вблизи торцевой поверхности 13 установлена рассеивающая линза (РЛ) 14.

Для передачи излучения из предметной плоскости АА', нечувствительной к положению частицы в струе аэрозоля, на приемные площадки 7, 8 и 9 ПОИ 10, 11 и 12, используют оптическую систему передачи изображения, включающую, например, размещенные на выходе рассеивающей линзы 14 линзы 15, 16, 17 и 18 и спектроделительные зеркала 19, 20 и 21, установленные на пути оптических лучей в каждом из трех каналов регистрации, соответственно.

В варианте исполнения, когда в качестве оптического элемента регистрации использовано параболическое зеркало, оптическая система передачи изображения может включать, например, систему линз и диспергирующий элемент. В последнем случае в качестве диспергирующего элемента возможно использование призмы или системы призм, либо дифракционной решетки, однако специальных расчетов для такого варианта системы не производилось.

В заявленной оптической системе сформированы по меньшей мере два канала регистрации флуоресценции и рассеяния, в каждом из которых размещен отдельный приемник оптического излучения с приемной площадкой, оптически сопряженной с предметной плоскостью, о которых упоминалось выше. Оптимальным для решения поставленных задач числом каналов регистрации является три канала, позволяющих последовательно разделять полученные сигналы излучения флуоресценции и рассеяния на исследуемых частицах по трем спектральным диапазонам, как показано на фиг.1, хотя в вариантах исполнения, например, как показано на фиг.5, могут быть сформированы дополнительные каналы регистрации (один и более) со своими приемниками оптического излучения для измерения отдельных областей 2-углового рассеяния.

Оптическая система спектрального разделения сигналов, предназначенная для разделения излучения флуоресценции и рассеяния на спектральные диапазоны, включает размещенные на выходе рассеивающей линзы 14 спектроделительные зеркала 19, 20 и 21 и широкополосные оптические фильтры 22, 23 и 24, установленные попарно в каждом из трех каналов регистрации, соответственно.

В варианте исполнения оптической системы регистрации, использующей параболическое зеркало, оптическая система спектрального разделения сигналов может представлять собой систему, состоящую из оптических фильтров и по меньшей мере одного диспергирующего элемента, выполненного в виде призмы или системы призм, либо дифракционной решетки.

Заявленная оптическая система регистрации содержит также систему диафрагм 25 и 26, предназначенную для выделения границ области анализа.

Для борьбы с нежелательной засветкой от попадания слонового излучения УФ лазера в канал регистрации рассеяния заявленная оптическая система снабжена диафрагменной системой, содержащей бленды 27 и 28 ввода и вывода лазерного пучка, соответственно, диафрагму 29, а также оптическую ловушку 30 на выходе луча 3 источника излучения 1 из эллиптического зеркала 5.

В варианте исполнения оптической системы, представленном на фиг.5, система снабжена одним дополнительным каналом регистрации, позволяющим совместно с другими каналами регистрации обеспечить измерение отдельных областей 2-углового рассеяния и флуоресценции и включающим последовательно размещенные на оптической оси дополнительный приемник оптического излучения (ПОИ) 31 с приемной площадкой 32, полевую диафрагму 33 и широкополосный оптический фильтр 34.

При этом в оптической системе формируется система диафрагм, включающая полевые диафрагмы 35 и 36, дополнительно установленные в плоскости приемных площадок 7 и 8, соответственно, каналов флуоресценции, диафрагму 25, выполняющую роль полевой диафрагмы в канале рассеяния с приемной площадкой 9, а также полевую диафрагму 33, установленную в дополнительном канале регистрации, которые выделяют соответствующие зоны пространственного распределения излучения в плоскости АА'.

Способ оптической регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц осуществляют следующим образом.

Луч 3 источника излучения 1, например, ультрафиолетового (УФ) лазера, сформированный фокусирующим объективом 2, пересекает под прямым углом поток исследуемых частиц (как уже упоминалось выше, направление потока ортогонально плоскости чертежа) в окрестности переднего фокуса 4 оптического элемента регистрации, в частности, переднего фокуса глубокого эллиптического зеркала 5 (фиг.1). Для ввода/вывода лазерного луча в эллиптическом зеркале 5 предусмотрены технологические отверстия ввода и вывода. Зеркало 5 имеет также два технологических отверстия под сопла, формирующие поток частиц аэрозоля (на фиг.1 не показаны).

Движущаяся частица, попадая в область анализа (ОА), флуоресцирует в более длинноволновом диапазоне относительно возбуждающего пучка, а также рассеивает его УФ-излучение. Так как ОА находится в окрестности переднего фокуса 4 эллиптического зеркала 5, то промежуточное изображение частицы строится эллиптическим зеркалом 5 в окрестности второго, заднего фокуса 6. Поскольку для возбуждения используется импульсный лазер, положение частицы аэрозоля в момент высвечивания можно считать фиксированным в области анализа.

Вследствие оптических аберраций изображение излучающей частицы в заднем фокусе 6 эллиптического зеркала 5 является искаженным и зависимым от смещения Δ частицы из переднего фокуса 4 эллиптического зеркала, при этом смещение Δ находится в пределах ОА. Чтобы избавиться от эффекта зависимости величины сигнала, регистрируемого приемниками оптического излучения (ПОИ) 10, 11 и 12 с неоднородной чувствительностью приемных площадок 7, 8 и 9, соответственно, от положения частицы внутри ОА, в качестве предметной плоскости выбирают плоскость АА' - плоскость торцевой поверхности 13 эллиптического зеркала 5. В плоскости АА' местное изменение плотности энергии при смещении частицы внутри ОА на величину Δ не превышает 2-3% для излучения, отраженного от вершины зеркала, и убывает до нуля для излучения, отраженного от краевых областей эллиптического зеркала (см. фиг.2). Изображение в сечении АА' является проекцией поверхности эллиптического зеркала 5, подсвеченной точечным источником, находящимся в его переднем фокусе 4.

Для регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния в заявленной оптической системе сформированы по меньшей мере два канала регистрации, в каждом из которых размещен отдельный приемник оптического излучения с приемной площадкой, оптически сопряженной с предметной плоскостью. В оптимальном варианте выполнения оптической системы, как показано на фиг.1, сформированы три канала регистрации, из которых сигналы флуоресценции регистрируют, например, приемниками оптического излучения (ПОИ) 10 и 11, а сигналы рассеяния - ПОИ 12.

Как упоминалось выше, для уменьшения числовой апертуры лучей на выходе эллиптического зеркала 5 вблизи торцевой поверхности 13 установлена рассеивающая линза (РЛ) 14, которая строит мнимое уменьшенное промежуточное изображение плоскости АА' около своей передней главной плоскости. Например, при фокусном расстоянии линзы 14 f'=-42.8 промежуточное изображение смещено от передней главной плоскости линзы 14 на -7 мм и линейное увеличение будет равно β=0,83. Числовая апертура при этом уменьшается с NA=0,61 на выходе эллиптического зеркала 5 до NA=0,47 за рассеивающей линзой 14.

Для дальнейшего разделения сигнала по трем каналам регистрации применяют оптическую систему передачи изображения, включающую систему линз 15, 16, 17 и 18, передающую с заданным линейным увеличением изображение плоскости АА' на приемные площадки 7, 8 и 9 ПОИ 10, 11 и 12, соответственно, и систему спектроделительных зеркал 19, 20 и 21. Относительное положение элементов выбирают из условия минимизации габаритов и использования наименьшего количества оптических элементов. Габаритные параметры системы задаются относительным положением спектроделительных зеркал 19, 20 и 21 и плоскости установки приемных площадок 7, 8 и 9 ПОИ 10, 11 и 12, соответственно.

В первом канале регистрации после поворота оптической оси установлена двояковыпуклая линза 15, передающая промежуточное изображение от рассеивающей линзы 14 на приемную площадку 7 ПОИ 10. Для рассматриваемого случая (при выборе рассеивающей линзы 14, например, с фокусным расстоянием f'=-42.8, как было установлено выше) фокусное расстояние линзы 15 будет f'=16,1 мм, линейное увеличение β=0,42.

В области между спектроделительными зеркалами 19 и 20 первого и второго каналов регистрации, соответственно, на главной оптической оси установлена положительная линза 16. Удаление линзы 16 от промежуточного изображения плоскости АА', построенного рассеивающей линзой 14, равно фокусному расстоянию линзы 16, при этом промежуточное изображение торцевой поверхности 13 строится линзой 16 в бесконечности. Для рассматриваемого случая для линзы 16 f'=52 мм.

Для передачи изображения предметной плоскости (торцевой поверхности 13) на приемные площадки ПОИ второго и третьего каналов регистрации используют линзы 17 и 18, задние фокусы которых находятся в плоскости приемных площадок 8 и 9 ПОИ 11 и 12, соответственно. В приводимом примере фокусные расстояния линз 17 и 18 равны f'=21 мм и f'=41 мм, соответственно, тогда линейное увеличение системы линз 16 и 17 во втором канале регистрации составит β=f₂/f₁=0.4, а системы линз 16 и 18 в третьем канале - β=f₂/f₁=0.79. В силу габаритных требований, а также условия диафрагмирования центральной части для выделения границ области анализа (как будет описано ниже) на третьем канале строится увеличенное относительно других каналов изображение плоскости АА'. Таким образом, в рассматриваемом варианте общее линейное увеличение линзовой системы для первого и второго каналов регистрации будет равно β=0,33, для третьего канала - β=0,66.

Выделение ширины регистрируемого спектрального диапазона по первому, второму и третьему каналам производится с помощью оптической системы спектрального разделения сигнала путем установки спектроделительных зеркал 19, 20 и 21 с характерными кривыми отражения по каждому каналу, а также установкой широкополосных оптических фильтров 22, 23 и 24 перед приемными площадками 7, 8 и 9 ПОИ 10, 11 и 12, соответственно.

Необходимо отметить, что уровень сигнала упругого рассеяния много больше уровня сигнала флуоресценции. Это позволяет оптической системе, при необходимости, не теряя способности регистрировать слабые сигналы, более четко выделять границы области анализа сигналов диафрагмированием приемной площадки 9 в канале рассеяния (фиг.3), например, когда частица из-за неидеальности возбуждающего излучения может засвечиваться повторно вне области анализа. При этом диафрагма 25 выполняется с отверстием в виде окружности с диаметром, меньшим диаметра приемной площадки 9 ПОИ 12, устанавливается перед приемной площадкой ПОИ и работает совместно с полевой диафрагмой 26, установленной в плоскости промежуточного изображения ОА. Например, когда сигнал рассеяния регистрируется ПОИ 12, то полевая диафрагма 25, установленная перед его приемной площадкой 9, работает совместно с полевой диафрагмой 26 промежуточного изображения ОА.

Как уже упоминалось, изображение плоскости АА' торцевой поверхности 13 эллиптического зеркала 5 является проекцией внутренней поверхности эллиптического зеркала, подсвеченной точечным источником в первом фокусе. Поэтому при передаче изображения плоскости АА' на ПОИ 12 канала рассеяния (в рассматриваемом варианте выполнения оптической системы), в плоскости приемной площадки 9 канала рассеяния локализуются положения источников оптических шумов, связанных с рассеянием фонового возбуждающего излучения на зеркале 5 и соплах. Диафрагмирование в данной плоскости отдельных областей, являющихся источниками оптических шумов, позволяет повысить отношение «сигнал/шум». Например, установка кольцевой диафрагмы 25, диаметр которой меньше диаметра приемной площадки 9, в канале рассеяния приводит к уменьшению оптических шумов, при этом с уменьшением диаметра диафрагмы величина шума падает быстрее величины полезного сигнала, то есть растет отношение «сигнал/шум» (см. графики на фиг.4). Это позволяет выбрать необходимый минимальный размер диафрагмы при сохранении способности регистрировать слабые сигналы флуоресценции. В общем случае, в зависимости от пространственного распределения оптических шумов, профиль диафрагмы 25 может быть произвольным.

Аналогичное диафрагмирование ПОИ 10 и 11 каналов флуоресценции в рассматриваемой оптической системе не используется, так как, с одной стороны. нежелательно уменьшение величины слабых сигналов, с другой стороны, элементы системы регистрации, на которые попадает возбуждающее излучение, можно считать не флуоресцирующими.

Для борьбы с нежелательной засветкой от попадания фонового излучения УФ-лазерного источника излучения 1 в канал регистрации рассеяния устанавливают бленды 27 и 28 ввода и вывода лазерного пучка, полевую диафрагму 26 в промежуточном изображении ОА, диафрагму 29, а также оптическую ловушку 30 на выходе луча 3 лазерного источника 1 из эллиптического зеркала 5.

Распределение энергии в плоскости торцевой поверхности 13 эллиптического зеркала 5 однозначно задает картину 2-углового распределения излучения, исходящего от частицы в диапазоне углов отражения зеркала. Это позволяет получить данные о пространственной индикатрисе рассеяния возбуждающего излучения частицей или данные об индикатрисе флуоресценции.

При использовании одного и более дополнительных каналов регистрации возможно интегральное измерение сигналов рассеяния и флуоресценции по отдельным направлениям регистрации. Например, на фиг.5 показано использование для регистрации рассеяния ПОИ 12 и 31, а для регистрации флуоресценции - ПОИ 10 и 11. При этом в плоскости приемных площадок 9 и 32 каналов рассеяния и приемных площадок 7 и 8 каналов флуоресценции устанавливают полевые диафрагмы 25, 33 и 35, 36, соответственно, которые выделяют соответствующие зоны пространственного распределения излучения в плоскости АА', например, области рассеяния и флуоресценции в прямом, обратном или боковом направлениях. В рассматриваемом примере система спектрального разделения сигналов включает систему спектроделительных зеркал 19, 20 и 21 и широкополосных оптических фильтров 22, 23, 24 и 34. Тем самым предлагаемое устройство позволяет одновременно получать данные по флуоресценции и анализировать 2-угловую картину упругого рассеяния и флуоресценции излучения частицами аэрозоля.

Таким образом, использование заявленного способа оптической регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц в потоке и системы оптической регистрации, реализующей этот способ, позволяет существенно повысить эффективность сбора оптического излучения от исследуемых частиц и увеличить точность измерений за счет определенного выбора местоположения предметной плоскости для системы линз, что обеспечивает независимость регистрируемого сигнала от положения частицы внутри области анализа, а также уменьшить фоновые оптические шумы от возможной паразитной засветки возбуждающим излучением элементов системы регистрации путем увеличения отношения «оптический сигнал/оптический шум» за счет диафрагмирования отдельных областей изображения торца эллиптического зеркала в плоскости приемных площадок приемников оптического излучения.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Способ оптической регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц в потоке включает в себя формирование сфокусированной струи аэрозоля заданного диаметра, засвечивание частиц аэрозоля источником излучения, использование в качестве объектива регистрации излучения флуоресценции и упругого рассеяния оптического элемента, передачу излучения флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц на приемники оптического излучения и преобразование полученных оптических сигналов в электрические для дальнейшей обработки и регистрации. Затем передают изображение струи аэрозоля из плоскости переднего фокуса оптического элемента регистрации в плоскость, передают излучение из предметной плоскости на приемные площадки, по меньшей мере, двух приемников оптического излучения, одновременно разделяют излучение, по меньшей мере, на два спектральных диапазона, в каждом из каналов регистрации излучения установкой различных диафрагм перед приемной площадкой соответствующего приемника оптического излучения выделяют границы области анализа и/или выделяют области, соответствующие определенному пространственному диапазону углов излучения флуоресценции и рассеяния и/или выделяют области, соответствующие изображениям оптических шумов от паразитной засветки источника излучения. Технический результат - повышение уровня оптических сигналов, увеличение точности измерений, а также увеличение отношения «оптический сигнал/шум». 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ оптической регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц в потоке, включающий формирование сфокусированной струи аэрозоля заданного диаметра, засвечивание частиц аэрозоля источником излучения, оптическая ось которого перпендикулярна струе аэрозоля, использование в качестве объектива регистрации излучения флуоресценции и упругого рассеяния оптического элемента, причем точка пересечения струи аэрозоля и оптической оси источника излучения совмещена с передним фокусом оптического элемента, передачу излучения флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц на приемники оптического излучения и преобразование полученных оптических сигналов в электрические для дальнейшей обработки и регистрации, отличающийся тем, что в качестве предметной плоскости, изображение которой формируется на приемных площадках приемников оптического излучения, выбирают плоскость, в которой распределение энергии флуоресценции и рассеяния нечувствительно к положению частицы в струе аэрозоля, передают изображение струи аэрозоля из плоскости переднего фокуса оптического элемента регистрации в плоскость, совмещенную с задним фокусом оптического элемента регистрации, передают излучение из предметной плоскости на приемные площадки по меньшей мере двух приемников оптического излучения с помощью оптической системы передачи изображения, одновременно разделяют излучение по меньшей мере на два спектральных диапазона с помощью оптической системы спектрального разделения сигнала, в каждом из каналов регистрации излучения установкой различных диафрагм перед приемной площадкой соответствующего приемника оптического излучения выделяют границы области анализа, и/или выделяют области, соответствующие определенному пространственному диапазону углов излучения флуоресценции и рассеяния, и/или выделяют области, соответствующие изображениям оптических шумов от паразитной засветки источника излучения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника излучения используют импульсный лазер с пассивной модуляцией добротности, частота импульсов которого соизмерима со средней частотой поступления частиц в область анализа.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника излучения используют импульсный лазер с активной модуляцией добротности, запускаемый по управляющему сигналу от внешнего источника излучения, сфокусированного на поток аэрозольных частиц выше по потоку относительно основного пучка лазера.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника излучения используют, по меньшей мере, два импульсных источника излучения, сфокусированных в общую точку аэрозольной струи.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве оптического элемента регистрации флуоресценции и упругого рассеяния выбирают эллиптическое зеркало, передний фокус которого сопряжен с плоскостью струи аэрозоля.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве оптического элемента регистрации флуоресценции и упругого рассеяния выбирают параболическое зеркало, передний фокус которого сопряжен с плоскостью струи аэрозоля.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве оптической системы передачи изображения, передающей излучение из предметной плоскости на приемные площадки приемников оптического излучения, выбирают систему линз и спектроделительных зеркал.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве оптической системы передачи изображения, передающей излучение из предметной плоскости на приемные площадки приемников оптического излучения, выбирают систему линз и диспергирующего элемента.

9. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве оптической системы спектрального разделения сигналов используют систему спектроделительных зеркал и оптических фильтров.

10. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве оптической системы спектрального разделения сигналов используют систему, состоящую из оптических фильтров и, по меньшей мере, одного диспергирующего элемента.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что в качестве диспергирующего элемента используют призму, или систему призм, или дифракционную решетку.

12. Оптическая система регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц в потоке, содержащая последовательно размещенные источник излучения с фокусирующим объективом для фокусировки лазерного излучения на поток аэрозольных частиц, оптический элемент регистрации флуоресценции и упругого рассеяния, а также оптическую систему передачи изображения, передающую излучение флуоресценции и рассеяния на приемные площадки приемников оптического излучения, отличающаяся тем, что в качестве предметной плоскости, оптически сопряженной с приемными площадками оптических приемников, выбрана плоскость, в которой распределение энергии флуоресценции и рассеяния нечувствительно к положению частицы в струе аэрозоля, в системе сформированы, по меньшей мере, два канала регистрации флуоресценции и рассеяния, в каждом из которых размещен отдельный приемник оптического излучения с приемной площадкой, оптически сопряженной с предметной плоскостью, система дополнительно снабжена оптической системой спектрального разделения сигналов, предназначенной для разделения излучения флуоресценции и рассеяния, по меньшей мере, на два спектральных диапазона, системой диафрагм, предназначенной для выделения границ области анализа, а также диафрагменной системой, позволяющей выделять определенные области, соответствующие возможному оптическому шуму от паразитной засветки возбуждающего излучения, а оптический элемент регистрации флуоресценции и упругого рассеяния выполнен в виде глубокого эллиптического зеркала или в виде параболического зеркала, передние фокусы которых сопряжены с плоскостью струи аэрозоля.

13. Оптическая система по п.12, отличающаяся тем, что источник излучения выполнен в виде импульсного лазера с пассивной модуляцией добротности, частота импульсов которого соизмерима со средней частотой поступления частиц в область анализа.

14. Оптическая система по п.12, отличающаяся тем, что источник излучения выполнен в виде импульсного лазера с активной модуляцией добротности, запускаемого по управляющему сигналу от внешнего источника излучения, сфокусированного на поток аэрозольных частиц выше по потоку относительно основного пучка лазера.

15. Оптическая система по п.12, отличающаяся тем, что источник излучения выполнен в виде, по меньшей мере, двух источников излучения, сфокусированных в общую точку аэрозольной струи.

16. Оптическая система по п.12, отличающаяся тем, что в качестве предметной плоскости, в которой распределение энергии флуоресценции и рассеяния нечувствительно к положению частицы в струе аэрозоля, выбрана плоскость торца эллиптического зеркала или плоскость торца параболического зеркала.

17. Оптическая система по п.16, отличающаяся тем, что в случае использования эллиптического зеркала оптическая система передачи изображения, передающая излучение из предметной плоскости на приемные площадки приемников оптического излучения, выполнена в виде системы линз и спектроделительных зеркал.

18. Оптическая система по п.16, отличающаяся тем, что в случае использования параболического зеркала оптическая система передачи изображения, передающая излучение из предметной плоскости на приемные площадки приемников оптического излучения, выполнена в виде системы линз и диспергирующего элемента.

19. Оптическая система по п.16, отличающаяся тем, что в случае использования эллиптического зеркала оптическая система спектрального разделения сигналов выполнена в виде системы спектроделительных зеркал и оптических фильтров.

20. Оптическая система по п.16, отличающаяся тем, что в случае использования параболического зеркала оптическая система спектрального разделения сигналов выполнена в виде системы, состоящей из оптических фильтров и по меньшей мере одного диспергирующего элемента.

21. Оптическая система по п.20, отличающаяся тем, что в качестве диспергирующего элемента использована призма, или система призм, или дифракционная решетка.

22. Оптическая система по п.12, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена, по меньшей мере, одним каналом регистрации, обеспечивающим измерение отдельных областей 2-углового рассеяния, включающим последовательно размещенные на оптической оси широкополосный оптический фильтр, полевую диафрагму и дополнительный приемник оптического излучения с приемной площадкой.

23. Оптическая система по п.22, отличающаяся тем, что в ней дополнительно сформирована система диафрагм, предназначенная для выделения областей сигналов от частицы, соответствующих определенному пространственному диапазону углов излучения флуоресценции и рассеяния.