JP2004151103A - 低ノイズのキャビティ内レーザー粒子カウンター - Google Patents

Abstract

【課題】１．０ＣＦＭ以下の流速で、所望の計数効率にて小さい粒子の有効な検出を可能にするように、ノイズレベルを低減しつつ、高出力のレーザー操作を保つ。
【解決手段】単一の粒子を光学的に検出する、キャビティ内レーザー検出のための方法であって、レーザー光４１４を有するソリッドステートレーザーキャビティ４０４を提供する工程；光学ポンプ４１２を用いて、このレーザーキャビティをゲイン開口する工程；このレーザー光によって照射されるこのゲイン開口されたレーザーキャビティ内の検出領域４０８において、粒子を含む流体フローを提供する工程；ならびにこの粒子によって散乱された光を収集する工程およびこの粒子を示す出力信号を発生させる工程を包含する。光学バリア複合物１０５を配置して、０．１ＣＭＦ以上のこの流体フローの流速で、この出力信号中のノイズを低減する。
【選択図】 図４

Description

（発明の背景）
（１．発明の分野）
本発明は、概して、流体中の所望でない粒子を検出および計数するために光散乱原理を利用する、当該分野で光散乱粒子カウンターと称されるシステムに関し、そしてより具体的には、高出力の低ノイズキャビティ内レーザー粒子カウンターに関する。

（２．問題点の記述）
半導体産業の歴史は、線幅を確実に減少させる、一貫した経路を示してきた。未来への半導体産業のロードマップは、この傾向が引き続き衰えないことを示している。より小さい半導体の線幅は、より小さい致命的欠陥サイズを意味し、このことは、次に、クリーンルームの空気の有効な混入物モニタリングのためにより小さい粒子の検出を必要とする。従って、半導体ロードマップは、さらにより小さい粒子サイズを測定するために、さらにより感受性のＯＰＣ（光学粒子カウンター）を開発することを研究者に頻繁に強いている。合理的な時間量で統計的に妥当なサンプリングを達成するために、非常にクリーンな環境で操作した場合に、高性能のＯＰＣはまた、高いサンプルリング速度（単位時間当たりにサンプリングされた空気の容積）を有するべきである。

既存の粒子検出システムは、特許文献１（１９９９年３月３０日に、Ｊｏｎ Ｃ．Ｓａｎｄｂｅｒｇに対して発行された）に記載されている。特許文献１のＯＰＣは、サンプル容積を通過する粒子から散乱されたレーザー放射を測定する。散乱されたレーザー放射の強度は、粒子サイズに比例し、そして各粒子は、単一の光学パルスを生じる。このことは、粒子カウンターがサンプル容積を通過する粒子を検出することを可能にする。レーザー波長（「レイリーレンジ」）よりもかなり小さい粒子については、散乱したレーザー放射の強度は、粒子直径の６乗に比例する。従って、より小さい粒子を測定することは、すぐに非常に困難になる。

ソリッドステートレーザーの高いキャビティ内出力を利用して、サンプル空気は、レーザービームの近位に配置された入口ジェットによって、レーザーのアクティブキャビティを通して方向付けられる。サンプル空気は、出口ジェットに真空源を適用することによって、サンプル容積から引き出される。

レーザー媒体は、その出力が焦点レンズシステムを通してほぼ結合された光学ポンプ源によって光学的にポンピングされる。このレーザー媒体要素は、ある結晶ファミリー（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ；ＹＡＬＯ、Ｎｄ：ＹＶＯ４）の１つであり得る。ダイオードレーザーポンプ放射を、ソリッドステートレーザー結晶内の小さいウエストに集束させるためにレンズを使用することによって、開口制御は、ゲイン開口（ｇａｉｎ−ａｐｅｒｔｕｒｉｎｇ）によって獲得される。この設計は、直射（ｓｉｎｇｌｅ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ）モードおよび高いキャビティ内出力を導く。

特許文献１は、先行技術を超える、そのゲイン開口システムのいくつかの利点（ポンピングされた容積の形状、サイズおよび配置に依存して、弱く作動することを可能にすること、フロー誘導されたレーザーのノイズを低減すること、ならびに高出力の作動を可能にすること、を含む）を確認している。特許文献１の第６欄、第１１行〜２７行を参照のこと。この特許文献１はまた、物理的開口をゲイン開口と組み合わせることに付随する問題を確認している。約１ミリメートルの直径を有する開口が、このゲイン開口システムに付加される実施形態を記載した後に、この特許文献１は、「物理的開口の存在が、流速が増大するにつれて、キャビティ内出力および相対的ノイズに悪影響を及ぼす」ことを主張している。特許文献１の第７欄、第６行〜８行を参照のこと。従って、この特許文献１は、特に、ゲイン開口を備える物理的開口を組み合わせることと反対の教示をする。

０．１立方フィート／分（ＣＦＭ）以上の速度で流れる流体中の非常に小さい粒子（例えば、０．０６５マイクロメートル（μｍ）またはさらに小さい粒子）を、３０％以上の有効レベルで正確に検出するために、低ノイズおよび高い出力操作を有するレーザーシステムを提供することが、非常に所望される。特許文献１の粒子カウンターは、比較的大きい振幅のノイズのバーストによって特徴づけられる、所望のノイズレベルよりも高いノイズレベルを経る。検出器の閾値は、一般に、誤った計数を拒絶するように最悪の場合のノイズを拒絶するのに、十分高く設定されるべきである。しかし、これらの高い閾値は、一般に、１．０ＣＦＭ以上の流速で、合理的な計数効率での非常に小さい粒子の有効な検出を阻害した。
米国特許第５，８８９，５８９号

従って、１．０ＣＦＭ以下の流速で、所望の計数効率にて小さい粒子の有効な検出を可能にするように、このようなレーザーのノイズレベルを低減しつつ、高出力のレーザー操作を保つことが、当該分野で必要である。

本発明は、以下を提供する：
（１）単一の粒子を光学的に検出する、キャビティ内レーザー検出のための方法であって、この方法は、以下：
レーザー光（４１４）を有するソリッドステートレーザーキャビティ（４０４）を提供する工程；
光学ポンプ（４１２）を用いて、このレーザーキャビティをゲイン開口する工程；
このレーザー光によって照射されるこのゲイン開口されたレーザーキャビティ内の検出領域（４０８）において、粒子を含む流体フローを提供する工程；ならびに
この粒子によって散乱された光を収集する工程およびこの粒子を示す出力信号を発生させる工程、
を包含し、この方法は、
光学バリア複合物（１０５、６３０、６３２）を配置して、０．１立方フィート／分以上のこの流体フローの流速で、この出力信号中のノイズを低減する工程によって特徴付けられる、方法。

（２）項目１に記載の方法であって、上記粒子が、０．１ミクロン以下のサイズを有する、方法。

（３）項目１に記載の方法であって、上記配置する工程が、バックグラウンド光における、フロー誘導された乱れを低減するために、上記光学バリア複合物を配置することを含む、方法。

（４）項目１に記載の方法であって、上記配置する工程が、上記レーザー光を物理的に開口することを含む、方法。

（５）項目１に記載の方法であって、上記流体フローが、入口ジェットオリフィス（５２４）によって提供され、そしてこの配置する工程が、上記レーザー光からこの入口ジェットオリフィスを遮断することを含む、方法。

（６）単一の粒子を光学的に検出するための方法であって、この方法は、以下：
ソリッドステートレーザー媒体を使用して、キャビティ内レーザーシステム（１０１）においてレーザービーム（４１４）を提供する工程；ならびに
エアロゾルジェット（５００）を利用して、このレーザービームを介して粒子含有流体のフローを方向付け、その結果、上記レーザービームからの光がこの粒子によって散乱される工程、
を包含し、この方法は、
この粒子によって散乱された光を収集する工程およびこの粒子を示す出力信号を発生させる工程によって特徴付けられ、この出力信号は、このエアロゾルジェットの内壁（５２５）からの乱流渦の削減によって引き起こされるノイズを実質的に含まない、
方法。

（７）項目６に記載の方法であって、上記粒子が、０．１ミクロン以下のサイズを有する、方法。

（８）レーザーキャビティ（４０４）中の単一の粒子を光学的に検出するための方法であって、この方法は、以下：
このレーザーキャビティ内のレーザー媒体（４０３）を光学的にポンピングして、レーザー光を発生する工程；
このレーザーキャビティをゲイン開口する工程；
粒子を含む流体フローを、このレーザーキャビティへと方向付ける工程であって、この流体フローは、渦流を含む、工程；および
この粒子から散乱されたレーザー光を収集して、この単一の粒子を示す出力を発生させる工程、
を包含し、この方法は、
この提供されたレーザー光がこの渦流に衝突することを妨げる工程によって特徴付けられる、
方法。

（９）項目８に記載の方法であって、上記妨げる工程が、上記レーザー光を物理的に開口することを含む、方法。

（１０）項目８に記載の方法であって、上記妨げる工程が、上記発生したレーザー光による照射から、入口ジェットオリフィスを遮断することを含む、方法。

（１１）項目１０に記載の方法であって、上記遮断する工程が、上記レーザー光の供給源と上記入口ジェットオリフィスとの間に第一の光絞り構造体を配置することを包含する、方法。

（１２）項目１１に記載の方法であって、上記遮断する工程が、レーザーキャビティエンドミラーと上記入口ジェットオリフィスとの間に第二の光絞り構造体を配置することをさらに包含する、方法。

（１３）項目９に記載の方法であって、上記物理的に開口する工程が、上記レーザー媒体と上記検出領域との間に第一開口アセンブリを、そしてレーザーキャビティエンドミラーと上記検出領域との間に第二開口アセンブリを提供することを含む、方法。

（１４）粒子のキャビティ内検出のためのデバイス（１００）であって、このデバイスは、以下：
レーザーキャビティ（４０４）；
このレーザーキャビティ内に配置された、ソリッドステートレーザー媒体（４０３）；
このソリッドステートレーザー媒体に方向付けられた、光学ポンプ源（４１２）；
このレーザーキャビティのゲイン開口を達成し、そしてこのソリッドステートレーザー媒体を励起して、このレーザーキャビティ内にレーザー光を提供するために、このソリッドステートレーザー媒体中へと、この光学ポンプ源によって提供されるポンピング光を集束させるための、集束ユニット（４０２）；
このレーザーキャビティ内、またはこのレーザー光の通路中の検出領域（４０８）へと粒子を導入するための、粒子供給源（４０６）；および
この検出領域から光を収集するように配置された、検出光学アセンブリ、
を備え、このデバイスは、
光がこの検出領域へ入り得る領域において生じる渦流流体フローを、このレーザー光への暴露から遮断するための、光学バリア複合物（１０５、６３０、６３２）、
によって特徴付けられる、
デバイス。

（１５）項目１４に記載のデバイスであって、上記光学バリア複合物が、物理的開口（１０５）を備える、デバイス。

（１６）項目１４に記載のデバイスであって、上記光学バリア複合物が、以下：
上記光学ポンプ源と上記検出領域との間に位置する第一開口アセンブリ；および
上記提供されたレーザー光のレーザーキャビティエンドミラーとこの検出領域との間に位置する第二開口アセンブリ、
を備える、デバイス。

（１７）項目１６に記載のデバイスであって、上記第一開口アセンブリが、開口プレートを備える、デバイス。

（１８）項目１６に記載のデバイスであって、上記第一開口アセンブリが、複数の開口プレートを備える、デバイス。

（１９）項目１６に記載のデバイスであって、上記第二開口アセンブリが、開口プレートを備える、デバイス。

（２０）項目１６に記載のデバイスであって、上記第二開口アセンブリが、複数の開口プレートを備える、デバイス。

（２１）項目１４に記載のデバイスであって、上記光学バリア複合物が、光絞りを備える、デバイス。

（２２）項目１６に記載のデバイスであって、上記光学バリア複合物が、以下：
上記光学ポンプ源と上記渦流流体フローが生じる上記領域との間に位置する第一光絞り構造体；および
上記提供されたレーザー光の上記レーザーキャビティエンドミラーとこの渦流流体フローが生じるこの領域との間に位置する第二光絞り構造体、
を備える、デバイス。

（２３）項目１４に記載のデバイスであって、上記渦流流体フローが生じる上記領域が、入口ジェットオリフィスに対して近位である、デバイス。

（２４）項目１４に記載のデバイスであって、上記ソリッドステートレーザー媒体が、ドープ媒体である、デバイス。

（２５）項目１４に記載のデバイスであって、上記光学ポンプ源が、半導体レーザーである、デバイス。

（２６）光学粒子カウンター（１０１）であって、この光学粒子カウンターは、以下：
レーザー光を発生する、ゲイン開口レーザーキャビティ（１０４）；
このレーザーキャビティ内の粒子検出領域（４０８）へと流体フローを提供する、入口ジェット（１１３）であって、この入口ジェットは、入口ジェットオリフィス（５２４）を有する、入口ジェット；および
この検出領域内の粒子から散乱される光を収集して、この粒子を示す出力信号を生じるように配置される、検出光学アセンブリ（１０３）、
を備え、この粒子カウンターは、
０．１立方フィート／分以上の流体流速について、光学バリア複合物なしのこのゲイン開口システムと比較した場合、ノイズを低減するように配置された、光学バリア複合物（１０５、６３０、６３２）によって特徴付けられる、
粒子カウンター。

（２７）項目２６に記載の粒子カウンターであって、上記光学バリア複合物が、上記レーザー光の物理的開口を提供する開口アセンブリを備える、粒子カウンター。

（２８）項目２７に記載の粒子カウンターであって、上記光学バリア複合物が、上記レーザー光への暴露から上記入口ジェットオリフィスを遮断するための、第一光絞り構造体を備える、粒子カウンター。

（２９）項目２８に記載の粒子カウンターであって、上記第一光絞り構造体、上記ゲイン開口および上記物理的開口が、この粒子カウンターにおいてフロー誘導されたバックグラウンド光の乱れを排除するように協同する、粒子カウンター。

（３０）項目２７に記載の粒子カウンターであって、上記開口アセンブリが、単一の開口プレートから実質的になる、粒子カウンター。

（３１）項目２７に記載の粒子カウンターであって、上記開口アセンブリが、複数の開口プレートを備える、粒子カウンター。

（３２）項目２７に記載の粒子カウンターであって、上記入口ジェットオリフィスが、上記第一光絞り構造体の末端に関して、０．０１０インチと０．０４０インチとの間だけ、上記レーザー光から離れて窪んでいる、粒子カウンター。

（３３）項目２６に記載の粒子カウンターであって、上記光学バリア複合物が、上記レーザー光への暴露から上記入口ジェットオリフィスを遮断するための、第一光絞り構造体を備える、粒子カウンター。

（３４）項目３３に記載の粒子カウンターであって、上記第一光絞り構造体が、単一の光絞りから実質的になる、粒子カウンター。

（３５）項目３３に記載の粒子カウンターであって、上記第一光絞り構造体が、複数の光絞りを備える、粒子カウンター。

（３６）項目３３に記載の粒子カウンターであって、上記光学バリア複合物が、上記第一光絞り構造体から、上記入口ジェットオリフィスの反対側に、第二光絞り構造体をさらに備える、粒子カウンター。

（発明の要旨）
本発明は、効果的なノイズの減少と高出力操作とを組み合わせてＯＰＣ内の非常に小さい粒子の効率的な計数を可能にするシステムを提供することによって、先行技術を進歩させ、かつ前出の問題点を克服するのに役立つ。本発明は、光学的粒子カウンターを提供し、このカウンターは、ゲイン開口と光学バリアとの両方を備え、この光学バリアは、ノイズに寄与するレーザービームの一部を物理的に遮断する。詳細には、流体の入口ジェットを中断させている乱流渦が光を散乱させ得、これが、光検出器に入り得る迷光に寄与することが、見出されている。光学バリア（例えば、レーザービーム開口または光絞り）が、この迷光を効果的に減少させることが、見出されている。

本発明の１つの実施形態は、キャビティ内粒子カウンターを提供し、このカウンターは、乱電流および／または渦流のフロー方向へのレーザー光の拡散を阻害するために、光学バリア複合物を用いる。関連するフローは、一般に、入口ジェットオリフィスの近位であり、かつ一般に、キャビティ内粒子カウンターの粒子検出領域の外側である。

本発明は、単一粒子を光学的に検出するキャビティ内レーザー検出のための方法を提供し、この方法は、以下の工程を包含する：レーザー光を有するソリッドステートレーザーキャビティを提供する工程；光学ポンプを用いてこのレーザーキャビティをゲイン開口する工程；このレーザー光によって照射されるゲイン開口されたレーザーキャビティ内の検出領域にて、粒子を含む流体フローを提供する工程；粒子によって散乱された光を収集し、そしてこの粒子を示す出力信号を作製する工程；および、光学バリア複合物を配置して、約０．１立方フィート／分以上の流体フローの流速にて、出力信号におけるノイズを減少させる工程。好ましくは、粒子は、０．１ミクロン以下のサイズを有する。好ましくは、配置する工程は、光学バリア複合物を配置して、バックグラウンド光においてフローにより誘導される乱れを減少させる工程を包含する。好ましくは、配置する工程は、レーザー光を物理的に開口する工程を包含する。好ましくは、この流体フローは、入口ジェットオリフィスよって与えられ、そしてこの配置する工程は、レーザー光から入口ジェットオリフィスを遮断する工程を包含する。

別の局面において、本発明は、単一粒子を光学的に検出するための方法を提供し、この方法は、以下の工程を包含する：ソリッドステートレーザー媒体を用いてキャビティ内レーザービームにおいてレーザービームを提供する工程；エアロゾルジェットを用いて、レーザービームを通る粒子含有流体のフローを方向付ける工程であって、その結果、レーザービームからの光が、粒子によって散乱される、工程；および、この粒子によって散乱された光を収集し、そしてこの粒子を示す出力信号を作製する工程（この出力信号は、エアロゾルジェットの内壁からの乱流渦の離脱によって生じるノイズを本質的に有さない）。好ましくは、この粒子は、０．１ミクロン以下のサイズを有する。

なお別の局面において、本発明は、レーザーキャビティ内の単一粒子を光学的に検出するための方法を提供し、この方法は、以下の工程を包含する：レーザーキャビティ内のレーザー媒体を光学的にポンピングして、レーザー光を作製する工程；このレーザーキャビティをゲイン開口する工程；このレーザーキャビティ内へ、粒子を含有する流体フローを方向付ける工程であって、この流体フローが渦流を含む、工程；粒子から散乱されるレーザー光を収集して、この単一粒子が示す出力を作製する工程；および、この提供されたレーザー光が渦流に衝突することを抑制する工程。好ましくは、この抑制する工程は、レーザー光を物理的に開口する工程を包含する。好ましくは、この抑制する工程は、生じたレーザー光による照射から、入口ジェットオリフィスを遮断する工程を包含する。好ましくは、この遮断する工程は、レーザー光源と入口ジェットオリフィスとの間に、第一の光絞り構造体を配置する工程を包含する。好ましくは、この遮断する工程は、レーザーキャビティのエンドミラーと入口ジェットオリフィスとの間に、第二の光絞り構造体を配置する工程をさらに包含する。好ましくは、物理的に開口する工程は、レーザー媒体と検出領域との間に第一の開口アセンブリを提供し、かつレーザーキャビティのエンドミラーと検出領域との間に第二の開口アセンブリを提供する工程を包含する。

なお別の局面において、本発明は、粒子をキャビティ内検出するためのデバイスを提供し、このデバイスは、以下を備える：レーザーキャビティ；このレーザーキャビティ内に配置される、ソリッドステートレーザー媒体；このソリッドステートレーザー媒体方向に方向付けられた、光学ポンプ源；この光学的ポンプ源によって提供されるポンピング光を、ソリッドステートレーザー媒体へ集束させて、レーザーキャビティのゲイン開口を行い、そしてソリッドステートレーザー媒体を励起させてレーザーキャビティ内にレーザー光を提供するための、集束ユニット；レーザーキャビティ内の検出領域におよびレーザーの通路に粒子を導入するための、粒子供給源；検出領域からの光を収集するために配置された、検出光学アセンブリ；ならびに、渦流のフロー（これは、特定の領域において生じ、光は、この領域から検出領域に入り得る）をレーザー光への曝露から遮断するための光学バリア複合物。好ましくは、この光学バリア複合物は、物理的開口を備える。好ましくは、この光学バリア複合物は、以下を備える：光学ポンプ源と検出領域との間に配置された、第一の開口アセンブリ；および、提供されたレーザー光のレーザーキャビティのエンドミラーと検出領域との間に配置された、第二の開口アセンブリ。好ましくは、第一の開口アセンブリは、開口プレートを備える。好ましくは、第一の開口アセンブリは、複数の開口プレートを備える。好ましくは、第二の開口アセンブリは、開口プレートを備える。好ましくは、第二の開口アセンブリは、複数の開口プレートを備える。好ましくは、光学バリア複合物は、光絞りを備える。好ましくは、光学バリア複合物は、以下を備える：光学ポンプ源と渦流の流体フローが生じる領域との間に配置された、第一の光絞り構造体；および、提供されるレーザー光のレーザーキャビティのエンドミラーと渦流の流体フローが生じる領域との間に配置された、第二の光絞り構造体。好ましくは、渦流の流体フローが生じる領域は、入口ジェットオリフィスの近位である。好ましくは、ソリッドステートレーザー媒体は、ドープ（ｄｏｐｅｄ）媒体である。好ましくは、光学ポンプ源は、半導体レーザーである。

なお別の局面に従って、本発明は、光学粒子カウンターを提供し、このカウンターは、以下を備える：レーザー光を作製する、ゲイン開口されたレーザーキャビティ；レーザーキャビティ内の粒子検出領域に流体フローを提供する入口ジェットであって、入口ジェットオリフィスを有する、入口ジェット；粒子を示す出力信号を作製するために、検出領域で粒子から散乱された光を収集するように配置された、検出光学アセンブリ；ならびに、光学バリア複合物を備えていないゲイン開口システムと比較した際に、約０．１立方フィート／分以上の流体の流速に関するノイズを減少するために配置された、光学バリア複合物。好ましくは、光学バリア複合物は、開口アセンブリを備え、この開口アセンブリは、レーザー光の物理的開口を提供する。好ましくは、光学バリア複合物は、レーザー光への曝露から、入口ジェットオリフィスを遮断するための、第一の光絞り構造体を備える。好ましくは、第一の光絞り構造体、ゲイン開口および物理的開口は、粒子カウンター内のフローにより誘導されるバックグラウンド光の乱れを排除するように協働する。好ましくは、開口アセンブリは、本質的に、単一の開口プレートからなる。好ましくは、開口アセンブリは、複数の開口プレートを備える。好ましくは、入口ジェットオリフィスは、第一の光絞り構造体の末端に対して、０．０１０インチと０．０４０インチとの間だけ、レーザー光から離れて窪んでいる。好ましくは、光学バリア複合物は、レーザー光への曝露から、入口ジェットオリフィスを遮断するための、第一の光絞り構造体を備える。好ましくは、第一の光絞り構造体は、本質的に、単一の光絞りからなる。好ましくは、第一の光絞り構造体は、複数の光絞り構造体を備える。好ましくは、光学バリア複合物は、入口ジェットオリフィスの、第一の光絞り構造体から反対側に、第二の光絞り構造体をさらに備える。

本発明により、ゲイン開口されたキャビティは、１．０立方フィート／分の流速にて、０．０６５μ（ミクロン）以下の粒子を正確に検出するのに使用され得、計数効率は、３０％以上である。本発明の上記および他の利点は、図面とともに以下の本発明の好ましい例示的な実施形態の記載を読むことによって、より理解され得る。

光学粒子カウンター（１００）は、以下を有する：レーザー光を発生するゲイン開口レーザーキャビティ（４０４）、このレーザーキャビティ内の粒子検出領域へと流体フローを提供し、入口ジェットオリフィス（５２４）を有する入口ジェット（１１３）；検出領域内の粒子によって散乱された光を収集して、この粒子を示す出力信号を発生させるように配置された、検出光学アセンブリ（１０３）；および約０．１立方フィート／分以上の流体流速について、光学バリア複合物なしのゲイン開口システムと比較した場合、ノイズを低減するように配置された、光学バリア複合物（１０５、６３０、６３２）。この光学バリア複合物は、レーザー光が入口ジェットの内壁上に発する乱流渦流を照射することを妨げる。光学バリア複合物は、レーザー光が渦流を照射することを妨げるように配置された、１つ以上の物理的開口（１０５）、１つ以上の光絞り（６３０ａ、６３０ｂ、６３２ａ、６３２ｂ）、またはこれら両方を備える。

本発明によれば、１．０ＣＦＭ以下の流速で、所望の計数効率にて小さい粒子の有効な検出を可能にするように、このようなレーザーのノイズレベルを低減しつつ、高出力のレーザー操作を保つことが、可能となる。

（好ましい実施形態の詳細な説明）
本開示において、用語「光」とは、可視光線に限定されず、任意の電磁放射線を意味した広範な意味で使用される。本開示において、レーザー装置から直接現れるレーザー光が、「本来のレーザー光」であり、そしてレーザーキャビティのエンドミラーによって反射されるレーザー光が、「反射レーザー光」である。

本開示において、開口アセンブリは、１つ以上の物理的開口を備える。「開口アセンブリ」は、図１、図２および図４に記述される「光捕捉アセンブリ」と同じ意味である。本開示において、「開口」、「物理的開口」および「開口プレート」は、同じ意味である。本開示において、「光絞り構造体」は、オリフィスとレーザー光源との間かまたはオリフィスとレーザーキャビティのエンドミラーとの間に配置された、流体フローのためのオリフィスに、拡散レーザー光が到達するのを防ぐための、構造体である。単一の光絞り構造体は、１つ以上の光絞りを備え得る。光絞り構造体を機械加工することによって、複数の光絞りが単一の光絞り構造体に備えられ得、複数の障壁を光へ曝露させる。あるいは、別々の部分の収集部（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）は、複数絞りの光絞り構造体を形成するように組み立てられ得る。本明細書中で、「光絞り対」は、２つの光絞りを有する光絞り構造体である。本明細書中で、「光学バリア複合物」は、選択領域方向へのレーザー光の拡散を阻害する傾向がある１つ以上の障害物を含む。例示的な光学バリア複合物は、１つ以上の開口アセンブリ、および／または１つ以上の光絞り構造体を備え得る。光学バリア複合物は、１つ以上の開口（開口アセンブリに含まれていても含まれていなくても）、および／または１つ以上の光絞り（光絞り構造体に含まれていても含まれていなくても）を備え得る。例示的な光学バリア複合物は、粒子検出領域の外側領域および／または入口ジェットオリフィスの近位の領域に向かうレーザー光の拡散を阻害するように作動し得る。

本開示において、用語「レーザー光」、「レーザービーム」、および「レーザー放射線」は、相互交換可能に使用される。「集束ユニット」は、レーザービームを集束するためのレンズ、反射器、および／またはミラーを含むがこれらに限定されない、光を集束するためのデバイスである。「レーザーキャビティのエンドミラー」は、レーザー結晶（レーザー媒体）からレーザーキャビティの反対側の端部に配置されている。図４の反射器４０５は、レーザービーム反射器ミラーの１つの例を例示している。用語「レーザービーム反射器」は、用語「レーザービーム反射器ミラー」と相互交換可能に使用される。本明細書中で、「光学的ポンプ」および「光学的ポンプ源」は、レーザー媒体を照射するための光の供給源である。

この開示は、技術用語でいう流体粒子カウンターに限定されることに注意されたい。真空中で粒子を検出する粒子カウンターが存在する。流体は存在しないか、むしろ存在するいかなる流体も、通常の流体と比較して希薄なので、流体フロー、この流体からの光の散乱、および流体のフローを制御するために使用される装置に関連する問題は存在せず、そしてこのような粒子カウンターの物理学は、流体粒子カウンターの物理学と有意に異なる。さらに、本明細書中に開示される粒子カウンターは、流れる流体において拘束されていない単一粒子群を検出し得るよう設計されており、流体自体の粒子、流体中に懸濁された粒子の塊（ｃｌｏｕｄ）、または流体中に拘束されている粒子（例えば、光ビームを通る単一の線のフローに拘束されている粒子）を検出および分析する他のシステムと区別されることに注意されるべきである。当業者は、流体中で拘束されずに流れる単一粒子群を検出およびサイズ分けすることがずっと困難な作業であることを認識しており；従って、粒子計数の分野は、これらの他の粒子の検出および分析システムと異なる技術を含む。

キャビティ内ＯＰＣノイズは、４つの原因：（１）電気的ノイズ、（２）バックグラウンド光からの光学的ノイズ、（３）フロー誘導レーザーパワーノイズ（ｐｏｗｅｒ ｎｏｉｓｅ）、および（４）分子散乱からの光学的ノイズ、から生じ得ることが、一般的に認められている。電気的ノイズは、一般的に、ほとんどの現在のＯＰＣについて、制限因子ではない。なぜならば、信号処理システムは、それらのノイズレベルが、光学的ノイズ源から生じるノイズより小さくなるように設計されるからである。バックグラウンド光からの光学的ノイズは、ＯＰＣに対する性能制限因子であり得、光学台の設計およびレーザー照射を反射し得る表面に対する検出領域の近さに依存する。フロー誘導レーザーパワーノイズは、一般的に、キャビティ内ＯＰＣに対してのみ問題となり、そして古典的には、レーザービームを通して流れる空気によりレーザーキャビティパワー（ｌａｓｅｒ ｃａｖｉｔｙ ｐｏｗｅｒ）において誘導されるノイズをいう。分子散乱からの光学的ノイズは、全てのＯＰＣについて性能の理論的限界を確立する。他の全ての供給源からのノイズを減少させることが、ＯＰＣ設計者の目的である。従って、分子散乱からのノイズが、主なノイズ源である。

フロー誘導レーザーパワーノイズを最小限に抑えるために、レーザービームを通じた気流は層状であるべきである。層流の存在は、乱流の非存在を示す。層流を提供するためには、一般的に、入口ジェットオリフィスが、レーザービームの中心に非常に近く、その結果、検出器の視界により規定される検出領域に、そのオリフィスが非常に近いことを必要とする。レーザービームを通る層流の達成はまた、レーザービームと入口ジェットオリフィスの正確な整列からも利益を受ける。

特許文献１のシステムにおいて、粒子供給源からの粒子は、オリフィスを有する入口ジェットにより検出領域（サンプル体積）に導入される。一般的に、バックグラウンド光に起因する光学的ノイズの量は、検出領域に対する入口ジェットオリフィスの近さが増加すると共に増加する。特許文献１のシステムは、当初、バックグラウンド光からの光学的ノイズの抑制に成功したように思えた。しかし、ノイズの大きな、一過的な噴出が後で観察され、これは、未知の供給源のノイズであり、そして制御不可能であった。この一過性のノイズにより、特許文献１の設計は、最適な性能特性を達成できなかった。

本発明者らは、観察された一過性のノイズが、一般的に、流体の流速の増加と共に増加し、そして低頻度で発生し、大噴出が、ほんの０．５〜５分毎に発生することを発見した。このような大きなノイズの噴出は、単一のこのような噴出が多くの偽粒子計数を生じ得ることに起因して、問題となる。本発明者らは、当初、フロー誘導レーザーノイズが、これらの大きなノイズ噴出の原因ではないかと疑問を抱いた。しかし、これらのノイズ噴出に関する一連の観察は、この当初の疑問に疑いを抱かせた。詳細には、検出器アレイ内の少数の検出器エレメントのみが、この一過性のノイズ噴出を示した。検出器アレイ内の異なる検出器エレメントは、サンプル体積の異なる部分を画像化するので、この一過性のノイズの原因は、サンプル体積の特定のセグメント内に位置すると推定した。ノイズ解消信号処理（ｎｏｉｓｅ ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）（米国特許第４，８９３，９２８号に記載される）は、フロー誘導レーザーノイズが、検出器アレイにおける全ての検出器エレメントにわたって均一に広がると仮定するので、異なる検出エレメント間のノイズ強度において観察された大きな不均等性は、フロー誘導レーザーノイズが問題の原因であるとの疑問に異議を唱える傾向がある。

代わりに、検出器エレメント間のノイズ検出の観察されたパターンは、サンプル体積内またはその付近の特定の領域に特徴的な現象と一致する。本発明者らは、このノイズの一過性の性質が、入口ジェットオリフィス１１３の内部壁５２５からの乱れた渦電流の発生と一致することを観察した（図５Ｃおよび７）。従って、入口ジェットに近位の体積は、観察された一過性のノイズの潜在的な原因となる「特定領域」として出現する。

入口ジェットに近位の領域は、粒子カウンターのサンプル体積の外側であるが、にもかかわらず、検出器エレメントにより測定可能な反射を発生し得る拡散したレーザー光の範囲内である。本発明者らは、入口ジェット領域における乱流および渦電流に対する拡散したレーザー光の衝突が、この観察された一過性のノイズ信号を説明し得ると考えた。結果として、本発明者らは、この観察された一過性のノイズが、入口ジェットオリフィスに近位の乱流のフローおよび渦電流の流体のフローに対する拡散したレーザー光の衝突から生じるバックグラウンド光におけるフローにより誘導される乱れの、以前に同定されていない現象から生じたと理論付けた。

キャビティ内ＤＰＳＳＬ（Ｄｉｏｄｅ Ｐｕｍｐｅｄ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒ）ＯＰＣについて以前は知られていなかったノイズ源を同定するこの理論は、設計の改善を導き、予測可能な基準の所望の設計規格の達成、および信頼できる製造可能な市販機器の製造を可能にした。この一過性のノイズの疑われた原因に対して導入された１つの改善は、特許文献１に開示される溝状開口に加えて、レーザービームの物理的開口の導入である。別の改善は、拡散したレーザー光への曝露からの入口ジェットオリフィスの十分な光遮断（ｓｈａｄｏｗｉｎｇ）を一貫して達成するために入口ジェットに対して配置された、入口ジェットハウジングへの光絞りの機械加工である。

図１は、本発明の１つの実施形態に従う粒子カウンター１００の分解透視図である。粒子カウンター１００は、好ましくは、レーザー光学アセンブリ１０１、フローチャンバアセンブリ１０２、および検出光学アセンブリ１０３を備える。レーザー光学アセンブリ１０１は、好ましくは、レーザー集中光学アセンブリ１０４、２つのレーザービーム開口アセンブリ１０５（サンプルブロック１０８のいずれの側にも１つ）、およびレーザーキャビティミラーアセンブリ１０６を備える。フローチャンバアセンブリ１０２は、好ましくは、入口ジェット１１３を備える入口ジェットアセンブリ１０７、サンプルブロック１０８、および排出ポート１０９を備える。入口ジェット１１３は、好ましくは、入口ジェットノズル５００およびノズルハウジング６００を備え、そしてこれは、図７と組み合わせてより詳細に議論される。排出穴１１５は、サンプルブロック１０８の右下に示される。検出光学アセンブリ１０３は、好ましくは、２つの低ｆナンバー検出器収集光学装置１１０、２つの光検出器マウント１１１、および２つの光検出器信号処理アセンブリ１１２を備える。好ましくは、信号処理アセンブリ１１２と連通したプログラム可能な装置（粒子の計数およびサイズ分離のための設備を含む）は、メインプロセッサボード（示されない）により操作される。１つの実施形態において、各々のアイテム１１０〜１１２のうちの１つは、サンプルブロック１０８の各々の側に配置される。しかし、粒子カウンター１００は、わずか１セットの検出要素１１０〜１１２と共に使用され得る。

図２は、光捕捉アセンブリ１０５の分解透視図である。光捕捉アセンブリ１０５は、好ましくは、光捕捉ハウジング２０３と、光捕捉ハウジング２０３の第１端２０８に取り付け可能なエンドキャップ２０５とを備える。光捕捉アセンブリ１０５は、好ましくは、光捕捉スペーサー２０２により互いから分離された複数の開口プレート２０１をさらに備える。光捕捉アセンブリ１０５は、好ましくは、光捕捉ハウジング２０３の第２端２１０に取り付け可能なエンドキャップ２０４をさらに備える。図２の実施形態において、合計５つの開口プレート２０１、および合計４つの光捕捉スペーサー２０２が存在する。しかし、任意の数の開口プレートまたは「開口」２０１が、適切な数の光捕捉スペーサー２０２と共に、光捕捉アセンブリ１０５に含まれ得る。好ましくは、光捕捉スペーサー２０２は、内側がねじ状であり、そして黒色に塗られている。

図３Ａは、開口プレート２０１の平面図であり、そして図３Ｂは、開口プレート２０１の縁の側面図である。１つの実施形態において、開口プレート２０１の外側直径「ａ」は、０．２４８インチ（＋０．０００／−０．００２インチの許容差）に等しいが、他の直径を有する開口プレートが使用され得る。開口穴３０２は、好ましくは、０．０７１インチ（＋０．００３／−０．００３インチの許容差）の直径「ｂ」を有するが、０．０７１インチよりも小さい直径および大きい直径を有する開口穴の両方が使用され得る。開口プレート２０１は、好ましくは、０．００５インチの厚み「ｃ」を有するが、他の厚みが使用され得る。開口プレート２０１は、好ましくは、黒色陽極処理アルミニウム製であるが、他の適切な金属、プラスチック、または他の材料が使用され得る。

図４は、本発明の好ましい実施形態に従う粒子カウンター１００の概略側面図である。図１と組み合わせて議論されるように、粒子カウンター１００は、好ましくは、レーザー光学アセンブリ１０１、フローチャンバアセンブリ１０２、および検出光学アセンブリ１０３を備える。図１に示される特定の要素のいくつかは、利便性の目的で、図４から省略されている。しかし、３つの基本的な要素アセンブリ１０１〜１０３は、全て示されている。

レーザー光学アセンブリ１０１は、好ましくは、光学的ポンプ源４１２（好ましくは、レーザーダイオードである）、第１のレンズアセンブリ４０１、光ファイバーリンク４２３、第２のレンズアセンブリ４０２、コーティング形成ミラー４１３、ソリッドステートレーザー媒体４０３、レーザー開口アセンブリ１０５、および第２のミラー（レーザービーム反射ミラー）４０５、ならびにレーザーキャビティ４０４（ミラー４１３と４０５との間の領域）を備える。フローチャンバアセンブリ１０２は、好ましくは、粒子源４０６、検出領域４０８、入口ジェット１１３、および収集光学装置１１０（図１にも示される）を備える。検出光学アセンブリ１０３は、好ましくは、検出器４１０およびシグナルプロセッサ４１１を備える。図１と組み合わせて議論される、開口アセンブリ１０５の一部のみが図４に示される。開口アセンブリ１０５のスペーサーおよびハウジングを含む選択された要素の描写は、単純性の目的のために省略されている。

各々の開口アセンブリ１０５は、１つ以上の開口プレートを備え得る。図４に示される実施形態において、各々の開口アセンブリ１０５は、４つの開口プレートを備える。実験データは、レーザー媒体４０３と検出領域４０８との間に４つの開口プレートを配置し、第２のミラー４０５と検出領域４０８との間に１つの開口プレートを配置する場合に、所望の性能特性が獲得されることを示す。

図５Ａは、図７に示されるような入口ジェット１１３の一部である、入口ジェットノズル５００の上面図である。入口ジェットノズル５００は、好ましくは、黄銅製である。入口ジェットノズル出口５００は、好ましくは、その長さに沿って、３つの基本的な部分である入口管５１８（好ましくは、円形の断面形態を有する）、移動領域５２０、および出口管５２２（好ましくは、矩形の断面形態を有する）を備える。図５Ｄに示されるように、入口ジェットオリフィス５２４は、出口管５２２の開口端に配置される。入口ジェットオリフィス５２４は、好ましくは、実質的に矩形の断面形態を有し、この矩形の長い方の部分の対向する端部に丸みのある部分を有する。オリフィス５２４のこの実質的に矩形の断面形態は、好ましくは、０．３９４インチの内部長および０．０２５インチの内部幅を有する。しかし、オリフィス５２４に関する他の内部寸法が使用され得る。

１つの実施形態において、入口管５１８は、好ましくは、約１．４９インチ長の５０２であり、出口管５２２は、好ましくは、０．８７５＋／−０．０３０インチ長の５０６であり、そして入口ジェットノズル５００は、全体で、好ましくは３．１１インチ＋／−０．０３０インチ長である。出口管５２２の幅の外部寸法５０８は、好ましくは、０．４１２インチである。

図５Ｂは、図５Ａに示される入口ジェットノズル５００の側面図であり；図５Ｃは、内部壁５２５を示す図５Ａに示される入口ジェットノズル５００の断面図であり；そして図５Ｄは、図５Ａに示される入口ジェットノズル５００の透視図である。入口管５１８の外部直径５１２は、好ましくは、０．２８１インチであるが、他の直径が使用され得る。入口管５１８を形成する材料の厚み５１４は、好ましくは、０．０１６インチであり、入口管５１６に関して、０．２４９インチの内径５１６を生じる。１つの実施形態において、出口管５２２は、０．０５７インチの外部厚５１０を有するが、他の寸法が使用され得る。

図６Ａは、ノズルハウジング６００の透視図である。ノズルハウジング６００は、好ましくは、単一の６０６１−Ｔ６アルミニウム片製である。しかし、ノズルハウジング６００は、他の金属または非金属材料製であり得る。ノズルハウジング６００は、好ましくは、入口ジェットノズル５００がノズルハウジング６００の内側に適合するのを許容する寸法である。好ましくは、入口ジェットノズル５００とノズルハウジング６００との組み合せが、入口ジェット１１３を形成する。

ノズルハウジング６００は、一般的に、その長さに沿って、３つの主要要素であるハウジング入口部６０７、メインシャフト６０３、および光絞りプラットホーム６０５を備える。ショルダー６０１は、ノズルハウジング６００の直径がハウジング入口６０７の直径からメインシャフト６０３の直径に広がる点である。光絞りプラットホーム６０５の一部を形成する光絞りは、図６Ｂおよび６Ｃと組み合わせて議論される。

図６Ｂは、図６Ａに示されるノズルハウジング６００の上面図である。図６Ａと組み合わせて議論されるノズルハウジング６００のエレメントに加えて、光絞り６３０−ａ、６３０−ｂ、６３２−ａ、および６３２−ｂが示される。オリフィススリーブ６２６もまた示される。オリフィススリーブ６２６は、好ましくは、入口ジェットノズル５００の出口管５２２がそのオリフィススリーブ６２６通過するのを可能にする寸法である。オリフィススリーブ６２６は、好ましくは、光絞りプラットホーム６０５の一部を通る実質的に矩形の断面の穴である。

メインシャフト６０３は、好ましくは、０．６９０インチ幅の６０２である。ノズルハウジング６００の入口端６０９からオリフィススリーブ６２６の内部縁までの距離６１０は、好ましくは、１．２８インチである。ノズルハウジング６００の入口端６０９からオリフィススリーブ６２６の外部縁までの距離６１２は、好ましくは、１．３８８インチである。言及した寸法は、オリフィススリーブ６２６の好ましい長さを確立する。しかし、異なる長さのオリフィススリーブ６２６が、ノズルハウジング６００において配置され得ることが理解されている。光絞りプラットホーム６０５は、好ましくは、０．７７２インチの幅である。

好ましい実施形態において、光絞り構造体６３０および６３２は、実質的に同じ長さを有し、一旦入口ジェットノズル５００（図６Ｂに示さず）がノズルハウジング６００内に適切に配置されると、入口ジェットオリフィス５２４に対して対称的に位置決めされる。この好ましい実施形態において、光絞り６３０−ａ、６３０−ｂ、６３２−ａ、および６３２−ｂのうち最も遠位の延長部と、ノズルハウジング６００の入口端部６０９との間の距離６０４、６１４は、１．５１０インチである。好ましくは、光絞り６３０−ａ、６３０−ｂ、６３２−ａ、および６３２−ｂ全てが、入口ジェットオリフィス５２４（示さず）を越えて０．０１４インチ延びる。

代替の実施形態において、光絞り構造体６３０および６３２の端部から、それぞれノズルハウジング６００の入口端部６０９までの距離６０４および６１４の間において、非対称性を有する。具体的には、ノズルハウジング６００の入口端部６０９から光絞り構造体６３２の端部までの距離６１４は、好ましくは１．１５１０インチである。この代替の実施形態において、ノズルハウジング６００の入口端部６０９から光絞り構造体６３０の最も遠位の延長部までの距離６０４は、好ましくは１．５０２インチである。記載された形状は、元のレーザー光が図６Ｂにおいて右から左へ移動するとの仮定のもとで確立される。従って、反射したレーザー光は、図６Ｂにおいて、左から右に移動する。実験は、反射したレーザー光がレーザービームの経路内に光絞りがさほど侵入することなく、効果的に遮断され得ることを示した。

図６Ｃは、図６Ａ内に示したノズルハウジング６００の前方端面図である。光絞りプラットフォーム６０５の好ましい矩形輪郭は、オリフィススリーブ６２６の周りに示される。図６Ｃにおいて、光絞りプラットフォーム６０５の背後に、主軸６０３の肩部６０１およびハウジング入口６０７がある。

１実施形態において、オリフィススリーブ６２６は、矩形の長手寸法の端部に丸みのある端部を有する実質的に矩形の断面を有する光学プラットフォーム６０５を通る通路である。オリフィススリーブ６２６の丸みのある端部６２０は、好ましくは、一定曲率半径を有する半円として機械加工されるが、他の形状も使用され得る。オリフィススリーブ６２６は、好ましくは、出口菅５２２の外側寸法に密接に適合するように、寸法決めされる。一旦、入口ジェット１１３が組み立てられると、入口ジェットノズル５００の出口５２２は、好ましくは、オリフィススリーブ６２６を通して、ぴったり適合する。

１実施形態において、オリフィススリーブ６２６は、０．４２４インチ＋０．００５／−０．０００インチの長さ６１６を有する。好ましくは、オリフィススリーブ６２６は、０．０６２インチ＋０．００５／−０．０００インチの幅６１６を有する。この幅は、約０．０１５インチの隙間を提供する、０．０５７インチの外側厚み（図５Ｂ）を有するノズル出口５２２を受容することが予想されることが注意される。代替の実施形態において、入口ジェットノズル５００は、円形断面の入口管から実質的に矩形断面の出口管までの滑らかな移動領域を提供するように、放電加工によって作製したノズルと取り換えられ得る。

図７は、レーザービームに対して近位の入口ジェット１１３の上部断面図である。図７に示した実施形態において、入口ジェット１１３は、入口ジェットノズル５００およびノズルハウジング６００を備える。簡便にするために、本明細書中で他の図面と組み合わせて議論される入口ジェットノズル５００およびノズルハウジング６００の幾つかの形状についての詳細は、図７の議論から省略されている。即時の議論のために、光絞り６３２−ａおよび６３２−ｂの末端は、レーザービーム４１４のエッジの右であると考えられる。図７の実施形態において、光学ポンプ源４１２（示さず）は、入口ジェット１１３の右側にあり、レーザービーム反射ミラー４０５（示さず）は、入口ジェット１１３の左側にある。

図７の実施形態において、入口ジェットノズル５００は、入口ジェットオリフィス５２４が光絞り６３２−ａおよび６３２−ｂから選択した距離７０２の分だけ陥没するように、ノズルハウジング６００の内部に位置決めされる。実験結果は、オリフィスリセス距離７０２、すなわち、入口ジェットオリフィス５３４と光絞りの遠位端との間の距離が０．０１０インチと０．０４０インチとの間の距離である場合に、レーザービーム４１４からの入口ジェットオリフィス５２４の遮断が最適であることを示す。しかし、オリフィスリセス距離７０２は調節可能であり、他のリセス距離が選択され得る。このリセス距離７０２は、好ましくは対称的である。すなわち、この距離は、絞りの対６３０から測定しようと、絞りの対６３２から測定しようと、同じである。しかし、この距離は非対称的であってもよい。すなわち、絞りの対６３０に対して測定した距離は、絞りの対６３２に対して測定した距離と異なり得る。レーザービーム４１４についての１つの好ましい直径は、約０．０３１５インチ（０．８ミリメートル［ｍｍ］）である。粒子カウンター１００の１実施形態において、入口ジェットオリフィス５２４は、好ましくは、レーザービーム４１４の中心から、０．０３０７５インチ〜０．０５９インチの間に位置決めされ、より好ましくは、０．０４３インチと０．０５９インチとの間に位置決めされる。１実施形態において、光絞りの対６３０および６３２内の個々の光絞りは、０．１４０インチ＋／−０．００２インチの隔たった距離７０６を有する。

光絞りの対６３０についての２つの可能な長さが、図７に示される。好ましい対称的な実施形態と一貫して、上で議論されるように、長さ７１０は、光絞りの対６３２と同様にビーム４１４に向かって延びる光絞りの対６３０を示す。また、代替の非対称の実施形態と一貫して、上で議論されるように、長さ７０８は、光絞りの対６３０が光絞りの対６３２に対して光絞りのリセス不整合距離７０４によって陥没されることを示す。代表的には、光絞り不整合距離７０４は、０．００８インチ＋／−０．００２インチに等しい。

１実施形態において、光絞り６３０−ａ、６３０−ｂ、６３２−ａ、および６３２−ｂは、Ｃａｒｄｉｎａｌ（登録商標）Ｖｅｌｖｅｔｈａｎｅ光学黒色塗料を用いてコートされ、入口ジェットオリフィス５２４の遮断を最適化する。この塗料は、好ましくは、二成分のハイソリッドポリウレタン塗料であり、Ｃａｒｄｉｎａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｆｉｎｉｓｈｅｓ，１３２９ Ｐｏｔｒｅｒｏ Ａｖｅ．，Ｓｏｕｔｈ ＥＩ Ｍｏｎｔｅ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ９１７３３から入手可能である。

図７に、全部で４個の光絞り６３０−ａ、６３０−ｂ、６３２−ａ、および６３２−ｂが示されている；しかし、より少ない光絞り、または４個より多い光絞りが、レーザー照射に対する所望されない曝露から入口ジェットオリフィスを遮断するために使用され得ることが理解される。一般に、元のレーザー光および反射したレーザー光の両方から入口ジェットオリフィス５２４を保護するために、入口ジェットオリフィス５２４の各サイド上の１個以上の光絞りを使用することが所望される。実験は、入口ジェットオリフィス５２４の各サイド上の２個の光絞りを使用する際に、有利な結果が得られることを示している。従って、図７の実施形態において、２個の光絞りは、入口ジェットオリフィス５２４の各サイド上に配備される。図７に示されるような、光絞り６３０、６３２の数および位置の配備は、入口ジェットオリフィス５２４の効果的な遮断と、光絞りについての合理的に小さな空間要件とを組み合わせる。

図７に、全部で４個の光絞り６３０−ａ、６３０−ｂ、６３２−ａ、および６３２−ｂが示されているが、任意の数の光絞りが使用され得る。具体的には、入口ジェットオリフィス１１３は、唯一の単一光絞りを用いて、または入口ジェットオリフィス５２４の各サイド上で１個の光絞りを用いて、作動し得る。入口ジェットオリフィス５２４の右側（図７において）での唯一の単一光絞りの使用は、図７に示した実施形態に比べ、入口ジェットオリフィス５２４のより少ない遮断を提供する。しかし、入口ジェットオリフィス５２４の一方のサイド上の唯一の単一光絞りの配備は、有利に、図７に示した実施形態より小さな空間を占有する。従って、空間要件が重んじられる場合、単一の光絞りの実施形態が、有利に使用され得る。別の代替の実施形態において、３個以上の光絞りが、入口ジェットオリフィス５２４の１個またはそれ以上のサイド上で使用され得る。

図１〜７を参照して、粒子カウンター１００は、好ましくは、以下に記載されるように、作動する。好ましい実施形態において、本出願に開示される粒子カウンター１００は、開口アセンブリ１０５ならびに光絞り６３０および６３２の包括を通して、特許文献１に開示される粒子カウンターとは異なる。従って、以下の議論は、主に、開口アセンブリおよび光絞りの作動に関する。読者は、特許文献１および本開示に共通する特徴の議論について、特許文献１を参照する。

好ましくは、光学ポンプ源４１２は、第１のレンズアセンブリ４０１、光ファイバリンク４２３、第２のレンズアセンブリ４０２、コート形成ミラー４１３、ソリッドステートレーザー媒体４０３、レーザー開口アセンブリ１０５、およびレーザービーム反射ミラー４０５を通過するレーザービーム４１４を生成する。開口アセンブリ１０５内の第１の開口板４１５（図２に示した開口板２０１に対応する）は、好ましくは、ノイズのほとんどを除去するためにレーザービーム４１４をマスクするが、そうする際に所望されない回折パターンを生成する。開口アセンブリ１０５内の第２の開口板４１６は、第１の開口板４１５によって生成される回折パターンを吸収するが、これは次にそれ自体の回折パターンを発生する。この回折パターンは、第１の開口板４１５からの回折パターンに比べ、有意に強くない。このパターンを継続すると、各々の後続の開口板は、好ましくは、以前の開口板から回折をマスクし、それ自体の低減した回折パターンを生成する。この様式において、レーザービーム４１４の経路内に配置された開口板（例えば、開口板４１５〜４１８および開口板４１９〜４２２）の連続は、好ましくは、各々の後続の開口板を用いて、漸次的に小さくなる回折パターンを生成する。図４の実施形態において、レーザー開口アセンブリ１０５は、好ましくは、入口ジェットオリフィス５２４を遮断する際に援助し、それによって、バックグラウンド光内のフロー誘導ノイズを軽減する。開口アセンブリ１０５は、好ましくは、特許文献１で議論されるゲイン−開口と組み合わさって、低ノイズ環境における高電力作動を提供する。

流体の供給源（これは、好ましくは、粒子カウンター１００内の気体、代表的には空気である）は、粒子供給源４０６によって提供される。この流体は、入口ジェット１１３を通って検出領域４０８の方へと指向される。検出領域４０８において、流体がレーザービーム４１４を通過する一方で、それによって流体内の粒子からレーザー光の散乱を発生する。検出領域４０８における粒子からの散乱は、好ましくは、集光レンズ４０９に指向され、検出器４１０に向けられる。次いで、反射を示す信号は、好ましくは、検出器４１０からシグナルプロセッサ４１１に送られる。

光絞り６３０−ａ、６３０−ｂ、６３２−ａ、および６３２−ｂの作動と組み合わせて、図７に注意が向けられる。図７の実施形態において、光絞り構造体６３０および６３２は各々、２個の光絞りを有し、それ故に、以前に提供された定義によれば、光絞りの対である。一般に、レーザービーム４１４は、右側の光学ポンプ４１２（図４）から発生され、左手側のレーザービーム反射ミラーによって反射される。従って、元のレーザー光は、右から入口ジェット１１３に接近し、反射したレーザー光は、左から入口ジェット１１３に接近する。元のレーザー光は、入口ジェット１１３に接近する際に、光絞り構造体６３２に遭遇し、従って、入口ジェットオリフィス５２４に達するのを阻害される。好ましくは、光絞り構造体６３２は、レーザービーム４１４に隣接する地点まで延びる。光絞り構造体６３２に対する入口ジェットオリフィス５２４のリセス距離７０２は、好ましくは、入口ジェットオリフィス５２４が、レーザービーム４１４内の元のレーザー光に対する曝露から遮断されるのを引き起こす。

一般に、光絞り構造体内に複数の光絞りを設けることによって、単一の光絞りを使用するのに比べ、より効果的にノイズを低減する。一般に、各光絞りは、この絞りに衝突する拡散レーザー光内に存在するノイズの量を低減する。一般に、連続した２個の光絞りは、受容可能なレベルまで光学ノイズを低減するのに十分である。この理由から、および空間を考慮して、図７に示した実施形態は、光絞り構造体６３０および６３２の各々に、２個の光絞りを備える。しかし、任意の数の光絞りは、各光絞り構造体内に含まれ得る。

既存の粒子計数システムにおけるノイズの性能限定測定は、入口ジェット付近の検出領域の外側の渦電流への拡散レーザー光（または漂遊光）の衝突から生じる。本明細書中に開示された技術は、一般に、レーザービーム４１４の幅ならびにレーザービーム４１４およびそこからの拡散レーザー光の入口ジェットオリフィス５２４付近への侵入を低減する開口４１５〜４２２を使用することによって、この問題を解決する。この侵入の低減は、好ましくは、入口ジェットオリフィス５２４に近位の渦電流へのレーザー光の問題の衝突を低減する。光絞り構造体６３０および６３２は、好ましくは、レーザービーム４１４から拡散した光に対する曝露から入口ジェットオリフィス５２４を含む容量を遮断することによって、渦電流へのレーザー光のこの問題の衝突をなおさらに低減するよう作動する。開口４１５〜４２２ならびに光絞り構造体６３０および６３２の組み合わせは、好ましくは、合わさって、分子散乱ノイズが粒子カウンター１００内の有意なノイズ源であるのを可能にするのに十分に、渦電流へのレーザー光の衝突から生じるノイズを低減する。

新規なレーザー粒子カウンターが記載されてきた。図面に示され、そして本明細書に記載された特定の実施形態は、例示の目的のためであり、上述の特許請求の範囲に記載された本発明を限定すると解釈されるべきではないことが、理解されるべきである。さらに、本発明の概念から逸脱することなく、当業者が記載される特定の実施形態の多くの使用および改変を行い得ることは明らかである。記載された方法が、多くの例において、異なる順序で実施され得るか；または等価な構造体およびプロセスが記載される種々の構造体およびプロセスと置き換えられ得ることもまた、明らかである。従って、本発明は、上述の特許請求の範囲に規定されるように解釈されるべきである。

図１は、本発明の１つの実施形態に従う粒子カウンターの分解斜視図である。 図２は、光捕捉アセンブリの分解斜視図である。 図３Ａは、開口プレートの平面図である。 図３Ｂは、図３Ａに示される開口プレートの縁部の側面図である。 図４は、本発明の好ましい実施形態に従う粒子カウンターの概略側面図である。 図５Ａは、入口ジェットノズルの上部平面図である。 図５Ｂは、図５Ａに示される入口ジェットノズルの側面図である。 図５Ｃは、図５Ａに示される入口ジェットノズルの断面図である。 図５Ｄは、図５Ａに示される入口ジェットノズルの斜視図である。 図６Ａは、ノズルハウジングの斜視図である。 図６Ｂは、図６Ａに示されるノズルハウジングの上部平面図である。 図６Ｃは、図６Ａに示されるノズルハウジングの前部端面図である。 図７は、レーザービームに近位の入口ジェットの上部断面図である。

Claims (36)

1. 単一の粒子を光学的に検出する、キャビティ内レーザー検出のための方法であって、該方法は、以下：
   レーザー光（４１４）を有するソリッドステートレーザーキャビティ（４０４）を提供する工程；
   光学ポンプ（４１２）を用いて、該レーザーキャビティをゲイン開口する工程；
   該レーザー光によって照射される該ゲイン開口されたレーザーキャビティ内の検出領域（４０８）において、粒子を含む流体フローを提供する工程；ならびに
   該粒子によって散乱された光を収集する工程および該粒子を示す出力信号を発生させる工程、
   を包含し、該方法は、
   光学バリア複合物（１０５、６３０、６３２）を配置して、０．１立方フィート／分以上の該流体フローの流速で、該出力信号中のノイズを低減する工程によって特徴付けられる、
   方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記粒子が、０．１ミクロン以下のサイズを有する、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、前記配置する工程が、バックグラウンド光における、フロー誘導された乱れを低減するために、前記光学バリア複合物を配置することを含む、方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、前記配置する工程が、前記レーザー光を物理的に開口することを含む、方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、前記流体フローが、入口ジェットオリフィス（５２４）によって提供され、そして該配置する工程が、前記レーザー光から該入口ジェットオリフィスを遮断することを含む、方法。
6. 単一の粒子を光学的に検出するための方法であって、該方法は、以下：
   ソリッドステートレーザー媒体を使用して、キャビティ内レーザーシステム（１０１）においてレーザービーム（４１４）を提供する工程；ならびに
   エアロゾルジェット（５００）を利用して、該レーザービームを介して粒子含有流体のフローを方向付け、その結果、前記レーザービームからの光が該粒子によって散乱される工程、
   を包含し、該方法は、
   該粒子によって散乱された光を収集する工程および該粒子を示す出力信号を発生させる工程によって特徴付けられ、該出力信号は、該エアロゾルジェットの内壁（５２５）からの乱流渦の削減によって引き起こされるノイズを実質的に含まない、
   方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、前記粒子が、０．１ミクロン以下のサイズを有する、方法。
8. レーザーキャビティ（４０４）中の単一の粒子を光学的に検出するための方法であって、該方法は、以下：
   該レーザーキャビティ内のレーザー媒体（４０３）を光学的にポンピングして、レーザー光を発生する工程；
   該レーザーキャビティをゲイン開口する工程；
   粒子を含む流体フローを、該レーザーキャビティへと方向付ける工程であって、該流体フローは、渦流を含む、工程；および
   該粒子から散乱されたレーザー光を収集して、該単一の粒子を示す出力を発生させる工程、
   を包含し、該方法は、
   該提供されたレーザー光が該渦流に衝突することを妨げる工程によって特徴付けられる、
   方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、前記妨げる工程が、前記レーザー光を物理的に開口することを含む、方法。
10. 請求項８に記載の方法であって、前記妨げる工程が、前記発生したレーザー光による照射から、入口ジェットオリフィスを遮断することを含む、方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、前記遮断する工程が、前記レーザー光の供給源と前記入口ジェットオリフィスとの間に第一の光絞り構造体を配置することを包含する、方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、前記遮断する工程が、レーザーキャビティエンドミラーと前記入口ジェットオリフィスとの間に第二の光絞り構造体を配置することをさらに包含する、方法。
13. 請求項９に記載の方法であって、前記物理的に開口する工程が、前記レーザー媒体と前記検出領域との間に第一開口アセンブリを、そしてレーザーキャビティエンドミラーと前記検出領域との間に第二開口アセンブリを提供することを含む、方法。
14. 粒子のキャビティ内検出のためのデバイス（１００）であって、該デバイスは、以下：
    レーザーキャビティ（４０４）；
    該レーザーキャビティ内に配置された、ソリッドステートレーザー媒体（４０３）；
    該ソリッドステートレーザー媒体に方向付けられた、光学ポンプ源（４１２）；
    該レーザーキャビティのゲイン開口を達成し、そして該ソリッドステートレーザー媒体を励起して、該レーザーキャビティ内にレーザー光を提供するために、該ソリッドステートレーザー媒体中へと、該光学ポンプ源によって提供されるポンピング光を集束させるための、集束ユニット（４０２）；
    該レーザーキャビティ内、または該レーザー光の通路中の検出領域（４０８）へと粒子を導入するための、粒子供給源（４０６）；および
    該検出領域から光を収集するように配置された、検出光学アセンブリ、
    を備え、該デバイスは、
    光が該検出領域へ入り得る領域において生じる渦流流体フローを、該レーザー光への暴露から遮断するための、光学バリア複合物（１０５、６３０、６３２）、
    によって特徴付けられる、
    デバイス。
15. 請求項１４に記載のデバイスであって、前記光学バリア複合物が、物理的開口（１０５）を備える、デバイス。
16. 請求項１４に記載のデバイスであって、前記光学バリア複合物が、以下：
    前記光学ポンプ源と前記検出領域との間に位置する第一開口アセンブリ；および
    前記提供されたレーザー光のレーザーキャビティエンドミラーと該検出領域との間に位置する第二開口アセンブリ、
    を備える、デバイス。
17. 請求項１６に記載のデバイスであって、前記第一開口アセンブリが、開口プレートを備える、デバイス。
18. 請求項１６に記載のデバイスであって、前記第一開口アセンブリが、複数の開口プレートを備える、デバイス。
19. 請求項１６に記載のデバイスであって、前記第二開口アセンブリが、開口プレートを備える、デバイス。
20. 請求項１６に記載のデバイスであって、前記第二開口アセンブリが、複数の開口プレートを備える、デバイス。
21. 請求項１４に記載のデバイスであって、前記光学バリア複合物が、光絞りを備える、デバイス。
22. 請求項１６に記載のデバイスであって、前記光学バリア複合物が、以下：
    前記光学ポンプ源と前記渦流流体フローが生じる前記領域との間に位置する第一光絞り構造体；および
    前記提供されたレーザー光の前記レーザーキャビティエンドミラーと該渦流流体フローが生じる該領域との間に位置する第二光絞り構造体、
    を備える、デバイス。
23. 請求項１４に記載のデバイスであって、前記渦流流体フローが生じる前記領域が、入口ジェットオリフィスに対して近位である、デバイス。
24. 請求項１４に記載のデバイスであって、前記ソリッドステートレーザー媒体が、ドープ媒体である、デバイス。
25. 請求項１４に記載のデバイスであって、前記光学ポンプ源が、半導体レーザーである、デバイス。
26. 光学粒子カウンター（１０１）であって、該光学粒子カウンターは、以下：
    レーザー光を発生する、ゲイン開口レーザーキャビティ（１０４）；
    該レーザーキャビティ内の粒子検出領域（４０８）へと流体フローを提供する、入口ジェット（１１３）であって、該入口ジェットは、入口ジェットオリフィス（５２４）を有する、入口ジェット；および
    該検出領域内の粒子から散乱される光を収集して、該粒子を示す出力信号を生じるように配置される、検出光学アセンブリ（１０３）、
    を備え、該粒子カウンターは、
    ０．１立方フィート／分以上の流体流速について、光学バリア複合物なしの該ゲイン開口システムと比較した場合、ノイズを低減するように配置された、光学バリア複合物（１０５、６３０、６３２）によって特徴付けられる、
    粒子カウンター。
27. 請求項２６に記載の粒子カウンターであって、前記光学バリア複合物が、前記レーザー光の物理的開口を提供する開口アセンブリを備える、粒子カウンター。
28. 請求項２７に記載の粒子カウンターであって、前記光学バリア複合物が、前記レーザー光への暴露から前記入口ジェットオリフィスを遮断するための、第一光絞り構造体を備える、粒子カウンター。
29. 請求項２８に記載の粒子カウンターであって、前記第一光絞り構造体、前記ゲイン開口および前記物理的開口が、該粒子カウンターにおいてフロー誘導されたバックグラウンド光の乱れを排除するように協同する、粒子カウンター。
30. 請求項２７に記載の粒子カウンターであって、前記開口アセンブリが、単一の開口プレートから実質的になる、粒子カウンター。
31. 請求項２７に記載の粒子カウンターであって、前記開口アセンブリが、複数の開口プレートを備える、粒子カウンター。
32. 請求項２７に記載の粒子カウンターであって、前記入口ジェットオリフィスが、前記第一光絞り構造体の末端に関して、０．０１０インチと０．０４０インチとの間だけ、前記レーザー光から離れて窪んでいる、粒子カウンター。
33. 請求項２６に記載の粒子カウンターであって、前記光学バリア複合物が、前記レーザー光への暴露から前記入口ジェットオリフィスを遮断するための、第一光絞り構造体を備える、粒子カウンター。
34. 請求項３３に記載の粒子カウンターであって、前記第一光絞り構造体が、単一の光絞りから実質的になる、粒子カウンター。
35. 請求項３３に記載の粒子カウンターであって、前記第一光絞り構造体が、複数の光絞りを備える、粒子カウンター。
36. 請求項３３に記載の粒子カウンターであって、前記光学バリア複合物が、前記第一光絞り構造体から、前記入口ジェットオリフィスの反対側に、第二光絞り構造体をさらに備える、粒子カウンター。

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