JP2021500533A - 粒子計測システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
となる)。小さな粒子を焦点ボリュームに解像する能力と濃度測定の精度との間のトレードオフは明らかである。したがって、TOT技術がサブミクロンの範囲の粒子を分解して測定することを目標としている場合、瞬間的な焦点ボリュームが小さく、粒子の相互作用率が低いため、低濃度の測定には限界がある。一方、より大きなスポットを取ることで、濃度測定率及び精度は向上するが、サイズ分析の品質及び分解能が低下する。
である、ことを示している。2つのローブは180度位相がずれている。
検出器からの出力を処理するために、専用のデータ収集システム(DAQ)及びアルゴリズムが本発明者らによって開発された。各フォトダイオードの出力は、特に低雑音プリアンプ、トリガ出力を提供するための構成要素、バッファ、及び出力信号の多重化又は別個のイベントの転送を可能にするための各対の2つの検出器間のインターフェースボードを含むDAQの64の入力チャネルのうちの1つに供給される。
図15は、チャネルの1つで検出された相互作用の例1501を示す。
ここで、x(t)は差動信号であり、hk(t)は特定のマッチングフィルタであり、yk(t)は出力である。すべてのフィルタhk(t)は単位エネルギーに正規化されている。
粒子と相互作用するために暗線ビームを用いて方法が記載されているが、他の非ガウス構造化ビームを用いて、又はガウシアンビームを用いて、必要な変更を加えて同じ光学的セットアップを用いて実施することができる。暗線ビームを使用する場合、バックグラウンド信号は低く、それに対応してバックグラウンドショットノイズも低くなる。しかしながら、ガウシアンビームのスポットサイズは、与えられた数値開口数に対して小さくなるため、いくつかの構成では相互作用信号が高くなり得る。このように、場合によっては、ガウシアンビームの方がより良い信号対雑音比(SNR)を得ることができる。
金対PSL:データは、PSLによって生成された信号が、ほとんどが位相増強によるものであることを示唆しているが、金によって生成された信号はオブスキュレーションの強い成分も有する。
上述のように1つの照明レーザを使用する代わりに、光学システムの実施形態は、それぞれが異なる波長を有する2つ以上の照明レーザを含む。それらはすべて同じ焦点ゾーンを有し、それらの測定断面の一部を共有している。したがって、それらの間で急速に切り替え、検出を切り替え速度に同期させることによって、いつナノ粒子がビームを通過するかを検出するだけでなく、追加のスペクトル情報に基づいて、それがどのようなタイプの粒子であるかをよりよく特徴付けることが可能である。
本発明の他の実施形態では、システムの性能を向上させ、偏光によって明らかにされる粒子の特性を調査することを可能にするために、偏光光学素子が含まれる。
本発明の別の実施形態では、粒子を通過するビームのデュアルパス又はマルチパス(マルチパス)を採用し、信号レベルを向上させている。同じビームは、キュベット内の同じ粒子と相互作用するようにリダイレクトされ、以てSNRが増加する。
本発明の別の実施形態では、蛍光検出が可能である。概念及びセットアップは、本発明に従った図12のシステム1201に示されている。
上で紹介した干渉計検出技術では、散乱信号が粒子サイズの6乗で低下するのに対して、信号は3乗で(ほぼ)低下する。明視野ではなく暗視野を解析することで、SNRを大幅に向上させることができる。さらに、位相及び振幅は、アナライザを整列させることにより、別々に分析することができる。
以下の刊行物は、その全体が参照により本明細書に組み込まれ、本発明の実施形態は、任意選択で、以下の刊行物のいずれかに記載された任意の構成要素、システム、方法及び/又は操作を含み得る又は利用することができる。
Claims (56)
- 粒子サイズ及び濃度の分析のための光学システムであって、
(a)照明ビームを生成する少なくとも1つのレーザと、
(b)前記照明ビームを、集光レンズの焦点領域を通って前記照明ビームに対して既知の角度で相対的に移動する粒子に集光する集光レンズと、
(c)前記集光レンズの前記焦点領域内の前記照明ビームと粒子の相互作用を検出する少なくとも2つの前方検出器と、
を備え、
前記集光レンズが、(i)前記粒子と前記照明ビームとの間の相対運動の方向に狭く、(ii)前記光学システムの光軸及び前記粒子と前記照明ビームとの間の相対運動の方向によって定義される平面に垂直な方向に広い、焦点領域を形成する円筒形レンズであり、
前記2つの前方検出器のそれぞれが、2つのセグメント化された線形アレイの検出器を備える、光学システム。 - 前記光学システムが、表面の粒子を検出するために、前記表面からの反射で動作するように構成されている、請求項1に記載の光学システム。
- 前記光学システムが、ウェハ表面の粒子を検出するために、前記ウェハ表面からの反射で動作するように構成されている、
請求項1に記載の光学システム。 - 後方散乱検出を実行するため、及び/又はキュベットを通過する前記粒子の経路の焦点を決定するための後方散乱検出器をさらに備える、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学システム。
- 前記粒子の色分析を実行するための後方散乱検出器をさらに備える、請求項1〜4のいずれか一項の光学システム。
- 有機粒子と無機粒子とを区別することを可能にする蛍光検出を実行するための後方散乱検出器をさらに備える、請求項1〜5のいずれか一項に記載の光学システム。
- 後方散乱及び蛍光の両方を検出するためのダイクロイックミラーをさらに備える、請求項1〜6のいずれか一項に記載の光学システム。
- 暗線ビームの2つのピークを通過する前記粒子の飛行時間に基づいて粒子速度を決定するための粒子速度測定ユニットをさらに備える、請求項1〜7のいずれか一項に記載の光学システム。
- 前記光学システムが、伝搬ビーム及び反射ビームと粒子の2つの相互作用の重ね合わせによって検出を強化するデュアルパスモードで動作するように構成されている、請求項1〜8のいずれか一項に記載の光学システム。
- 2つのミラーが、信号の複数のパスを可能にし、以て強化された信号を可能にする共振器を生成する、請求項1〜9のいずれか一項に記載の光学システム。
- 前記光学システムが、(i)レーザ背景信号を除去するために、(ii)粒子の複屈折から利益を得るために、及び(iii)暗視野検出を可能にするために、交差偏光を利用する、請求項1〜10のいずれか一項に記載の光学システム。
- 小さな粒子及び大きな粒子の検出を可能にするために、検出の周期性を有するデュアルアレイのためのデータ収集サブシステムをさらに備える、請求項1〜11のいずれか一項に記載の光学システム。
- (i)合成的に生成された潜在的相互作用のアレイの(ii)実際の相互作用とのパターンマッチングを実行する、パターンマッチングユニットをさらに備え、パターンマッチングを利用して、より低いSNR比での粒子検出を可能にする、請求項1〜12のいずれか一項に記載の光学システム。
- 前記光学システムが、暗線ビームを利用する、請求項1〜13のいずれか一項に記載の光学システム。
- 前記光学システムが、ガウシアンビームを利用する、請求項1〜13のいずれか一項に記載の光学システム。
- 前記光学システムが、暗線ビームとガウシアンビームの両方を利用する、請求項1〜13のいずれか一項に記載の光学システム。
- 前記光学システムが、複数の異なる波長を利用する、請求項1〜16のいずれか一項に記載の光学システム。
- 前記光学システムが、相互作用のボリュームを強化するために、クロマチック対物レンズを用いて複数の異なる波長を利用する、請求項1〜17のいずれか一項に記載の光学システム。
- 前記光学システムが、前記粒子に関するより多くの情報を導出するために、無彩色対物レンズを用いて複数の異なる波長を利用する、請求項1〜18のいずれか一項に記載の光学システム。
- 前記光学システムが、暗線ビーム(DB)のデュアルパスとコモンパス干渉計を備えるデュアルパスセットアップとして構成されており、
入射ビーム(ポンプ)が、カルサイトを通過し、短い遅延時間で平行偏光ビームと垂直偏光ビームの2つのビームに分かれ、
前記垂直偏光ビーム(リーディングビーム)が前記粒子と相互作用し、
前記平行偏光ビームが前記粒子と相互作用せず、
前記2つのビームが第2の結晶によって再結合され、前記2つのビームの干渉が検出器(暗視野レイアウト)で監視される、請求項1〜19のいずれか一項に記載の光学システム。 - 粒子を含む流体を流すためのフローセルと、
電磁放射ビームを生成させるための光源と、
前記電磁放射ビームを受信するためのビーム整形光学システムであって、アナモルフィックビームを生成し、前記アナモルフィックビームの少なくとも一部を、前記フローセルを通るように向けるためのビーム整形光学システムと、
前記フローセル及び前記光源と光学的に通信する少なくとも1つの光検出器アレイであって、前記光源が、前記ビーム電磁放射を前記光学レンズに向け、以て前記アナモルフィックビームを生成し、前記フローセルを通るように向けられた前記アナモルフィックビームの前記少なくとも一部が、前記アナモルフィックビームの前記少なくとも一部と前記フローセル内に存在する粒子との間の相互作用を測定する前記少なくとも1つの光学検出器アレイに提供され、以て前記少なくとも1つの光学検出器アレイの要素に対応する複数の個別信号を生成する、光検出器アレイと、
前記粒子を示す前記個別信号から差動信号を生成するための分析器と、
を備える粒子検出システム。 - 前記ビーム整形光学システムが、1つ以上の円筒形レンズを備える、
請求項21に記載の粒子検出システム。 - 前記少なくとも1つの光検出器アレイが、前方に伝搬する電磁放射を受信するように配置される、請求項21又は22に記載の粒子検出システム。
- 粒子を含む流体を流すためのフローセルと、
電磁放射ビームを生成させるための光源と、
少なくとも2回前記フローセルを通るように前記ビームを向けるために前記フローセル及び前記光源と光学的に通信する光ステアリングシステムであって、前記フローセル内の前記粒子が、前記フローセルを通る各個別のパスにおいて前記ビームの異なる部分と相互作用する、光ステアリングシステムと、
前記ビームとの前記相互作用から複数の個別信号を生成するために前記フローセルからの電磁放射を少なくとも1つの光学検出器アレイに受信するための光学検出システムと、
前記粒子を示す前記個別信号から差動信号を生成するための分析器と、
を備える粒子検出システム。 - 前記光ステアリングシステムが、少なくとも4回前記フローセルを通るように前記ビームを向ける、請求項24に記載の粒子検出システム。
- 前記光ステアリングシステムが、前記ビームの偏光状態を変化させるための半波長板、1/4波長板、又はその両方を備える、請求項24又は25に記載の粒子検出システム。
- 前記分析器が、前記差動信号を時間領域で分析する、請求項21〜26のいずれか一項に記載の粒子検出システム。
- 前記分析器が、前記差動信号に基づいて前記粒子を計数する、請求項21〜27のいずれか一項に記載の粒子検出システム。
- 前記分析器が、前記粒子の大きさを特徴付ける、請求項21〜28のいずれか一項に記載の粒子検出システム。
- 前記電磁放射ビームが、ガウシアンビームである、請求項21〜29のいずれか一項に記載の粒子検出システム。
- 前記電磁放射ビームが、構造化された非ガウシアンビームである、請求項21〜29のいずれか一項に記載の粒子検出システム。
- 前記電磁放射ビームが、構造化された暗線ビームである、請求項21〜29のいずれか一項に記載の粒子検出システム。
- 前記アナモルフィックビームが、トップハットビーム又は構造化された暗線ビームである、請求項21〜29のいずれか一項に記載の粒子検出システム。
- 前記フローセルと光学的に通信する少なくとも1つの後方散乱検出器をさらに備える、請求項21〜33のいずれか一項に記載の粒子検出システム。
- 前記後方散乱検出器が、前記粒子の反射率を検出する、請求項34に記載の粒子検出システム。
- 前記後方散乱検出器が、前記粒子の蛍光を検出する、請求項34又は35に記載の粒子検出システム。
- 前記後方散乱検出器が、前記粒子が生物学的であるか非生物学的であるかを判定するために使用される、請求項34〜36のいずれか一項に記載の粒子検出システム。
- 前記少なくとも1つの光検出器アレイが、セグメント化された線形検出器アレイである、請求項21〜37のいずれか一項に記載の粒子検出システム。
- 前記差動信号が、前記粒子検出システムによってアナログで生成される、請求項21〜38のいずれか一項に記載の粒子検出システム。
- プロセッサをさらに備える、請求項21〜39のいずれか一項に記載の粒子検出システム。
- 前記差動信号が、前記プロセッサによって生成される、請求項40に記載の粒子検出システム。
- 前記プロセッサが、各出力差動信号を、粒子に対応する既知の信号の事前に生成されたライブラリと比較して、各出力信号が粒子検出イベント又はレーザノイズに対応するかどうかを決定する、請求項40又は41に記載の粒子検出システム。
- 前記プロセッサが、フーリエ変換又は高速フーリエ変換を使用して、各出力差動信号を周波数領域に変換する、請求項40〜42のいずれか一項に記載の粒子検出システム。
- フローセルと光学的に通信する少なくとも1つの光検出器アレイを用意するステップと、
1つ又は複数の電磁放射ビームを生成するステップと、
ビーム整形光学システムを用いて前記1つ又は複数の電磁放射ビームを整形してアナモルフィックビームを生成するステップであって、前記アナモルフィックビームの少なくとも一部が前記フローセルを通り前記少なくとも1つの光検出器アレイに提供されるように向けられるようにする、ステップと、
前記フローセルを通るように流体を流し、以て前記アナモルフィックビームと前記流体中に存在する前記粒子との間の相互作用を生成させるステップと、
前記少なくとも1つの光検出器アレイを用いて前記フローセル内の前記粒子と前記アナモルフィックビームとの相互作用を検出し、以て前記少なくとも1つの光検出器アレイの要素に対応する検出器出力信号を生成するステップと、
前記検出器出力信号のうちの2つ以上に基づいて差動信号を生成するステップと、
前記差動信号を分析して、前記粒子の1つ以上の特性を検出及び/又は決定するステップと、を含む、粒子を検出するための方法。 - 少なくとも1つの光検出器アレイと、粒子を流すためのフローセルとを用意するステップと、
少なくとも1つの電磁放射ビームを生成し、前記ビームを光ステアリングシステムに向けるステップと、
前記ビームが前記フローセルを少なくとも2回通過するように、前記光ステアリングシステムを用いて前記ビームを向けるステップと、
前記フローセルを通るように流体を流し、以て前記ビームと前記流体中の前記粒子との間の相互作用を生成させるステップであって、前記粒子と前記ビームとの間の相互作用が、個別パス毎に前記ビームの異なる部分で発生する、ステップと、
前記粒子と前記ビームとの間の前記相互作用から複数の検出器信号を生成するために少なくとも1つの光検出器アレイに前記ビームを向けるステップと、
前記複数の検出器信号に基づいて差動信号を生成するステップと、
前記差動信号を分析して、前記粒子の1つ以上の特性を検出及び/又は決定するステップと、を含む、粒子を検出するための方法。 - 前記差動信号を分析する前記ステップが、時間領域で実行される、請求項44又は45に記載の方法。
- 前記1つ以上の電磁放射ビームが、ガウシアンビームである、請求項44又は45に記載の方法。
- 前記1つ以上の電磁放射のビームが、構造化された非ガウシアンビームである、請求項44又は45に記載の方法。
- 前記1つ以上の電磁放射ビームが、構造化された暗線ビームである、請求項44又は45に記載の方法。
- 前記ビーム整形光学システムが、1つ以上の円筒形レンズを備える、請求項44に記載の方法。
- 前記アナモルフィックビームが、トップハットビーム又は構造化された暗線ビームである、請求項44〜50のいずれか一項に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの光検出器アレイが、セグメント化された線形検出器アレイである、請求項44〜51のいずれか一項に記載の方法。
- 前記差動信号を分析する前記ステップが、前記差動信号を粒子に対応する既知の信号の事前に生成されたライブラリと比較するステップと、前記差動信号が粒子検出イベント又はレーザノイズに対応するかどうかを決定するステップを含む、請求項44〜52のいずれか一項に記載の方法。
- 前記差動信号を分析する前記ステップが、フーリエ変換又は高速フーリエ変換を用いて前記差動信号を周波数領域に変換するステップを含む、請求項44〜53のいずれか一項に記載の方法。
- 前記差動信号を分析する前記ステップが、前記粒子を特徴付けるステップを含む、請求項44〜54のいずれか一項に記載の方法。
- 前記粒子を特徴付ける前記ステップが、
前記粒子を計数するステップ、又は、
前記粒子の大きさを決定するステップ、又は、
前記粒子を計数することと、前記粒子の前記大きさを決定することの両方を行うステップを含む、請求項44〜55のいずれか一項に記載の方法。
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