JP2021522528A - 収束マルチビーム照明のためのｖｃｓｅｌレーザを使用した粒子場イメージングおよび特性評価 - Google Patents

Abstract

粒子のマルチビームイメージングを提供するための装置は粒子場内に測定ボリュームを形成するために互いに収束する複数の光ビームを生成するように構成された複数の垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を含む。複数のＶＣＳＥＬは測定ボリュームの背景照明の均一性を提供するように構成される。撮像光学系は複数のＶＣＳＥＬのうち少なくとも一つに結合される。デジタルカメラはデジタルカメラの焦点面において測定ボリュームを通過する粒子の影画像を取得するために撮像光学系に結合される。プロセッサはデジタルカメラに結合される。
【選択図】図１

Description

［関連出願の相互参照］
本特許出願は「ＭＵＬＴＩＰＬＥ ＢＥＡＭ ＡＮＤ ＣＯＮＶＥＲＧＥＮＴ ＬＩＧＨＴ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＣＲＯＳＳＥＤ-ＢＥＡＭ ＩＭＡＧＩＮＧ」と題された、２０１６年２月１７日に出願された国際出願第ＰＣＴ/ＵＳ２０１６/０１８３５２号の米国特許法第３７１条の下での米国国内段階出願である２０１７年８月１８日に出願された米国特許出願第１５/５５２，２６３号に関連し、２０１５年２月２０日に出願された米国仮特許出願第６２/１１８，９６２号に基づく優先権の利益を主張するものである。

［政府のライセンス権］
本発明は米国航空宇宙局（ＮＡＳＡ）により授与された契約番号ＮＮＸ１ＣＣ６５Ｐに基づく政府の支援を受けてなされたものである。政府は本発明において一定の権利を有する。

［技術分野］
本発明の実施形態は粒子イメージングに関する。特には、本発明の実施形態は収束光を使用する粒子のイメージングに関する。

非常に広範囲の工業プロセスは不規則な形状および大きさの液滴および固体粒子を使用する。研削用粉末、医療用吸入器、およびスプレー式塗装はまさにこれらのいくつかの例である。溶射および他のスプレーにより製造されるコーティングを含む工業プロセスは典型的に粒子パラメータ−例えば、粒子大きさ、形状、速度、および空間内の位置の決定を伴う。航空機が着氷する区域は氷の結晶および氷の粒子の存在下で過冷却された水滴（球状の凍結した液滴）を伴う。既存の技術はこれらの粒子の大きさを正確かつ確実に測定することができない。さらに、既存の技術は氷の粒子および氷の結晶から液滴を分離することができない。

既存の粒子イメージング技術は照明用のアークフラッシュランプ、パルスレーザ、およびパルスＬＥＤを使用する明視野イメージングを組み入れることを含む。これらの技術は典型的に粒子の影画像を記録するために電荷結合素子（「ＣＣＤ」）カメラまたは相補型金属酸化物半導体（「ＣＭＯＳ」）カメラを使用する。これらの技術は典型的に粒子場を照らすために拡散器を備えるコリメート光またはほぼコリメート光を使用する。しかしながら、これらの技術では、典型的に、相対的に高密度の粒子場条件の下で焦点の合わない粒子により焦点の合っている粒子の影画像の検出および測定を複雑にする影が生成される。加えて、光ビーム経路内のより大きな粒子はサンプルボリュームでより小さな粒子画像の損失を引き起こす光ビームを消滅させるかまたは覆い隠す可能性がある。このような画像の損失はサンプリング統計において容認できないバイアスをもたらす。

典型的に、粒子イメージング技術に使用されるレーザは端面発光レーザダイオードである。端面発光レーザダイオードは一般的にウエハからダイシングされた劈開されたバーで構成される。空気と半導体材料との間の高い屈折率の結果として、劈開されたバーのファセットは鏡として振る舞う。端面発光レーザダイオードの場合、光は活性層に平行に振動し、横から出て楕円形のレーザビームプロファイルをもたらす。

残念ながら、既存の粒子イメージング技術に使用されるレーザにより特徴およびスペックルの周辺に目に見える回折リングが生成される。レーザ放射の回折リングおよびスペックルは見通し内（ｌｉｎｅ-ｏｆ-ｓｉｇｈｔ）顕微鏡検査に有害である。レーザ放射のスペックルおよび回折は画質および背景光強度分布を低下させ、ノイズが多く不均一になる。

粒子のマルチビームイメージングを提供するための方法および装置が説明される。一実施形態では、粒子のマルチビームイメージングを提供するための装置は粒子場内に測定ボリューム（ａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｖｏｌｕｍｅ）を形成するために互いに収束する複数の光ビームを生成するように構成された複数の垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を含む。複数のＶＣＳＥＬは測定ボリュームの背景照明の均一性を提供するように構成される。撮像光学系は複数のＶＣＳＥＬのうち少なくとも一つと結合される。デジタルカメラはデジタルカメラの焦点面において測定ボリュームを通過する粒子の影画像を取得するために撮像光学系に結合される。プロセッサはデジタルカメラに結合される。

一実施形態では、粒子場内に測定ボリュームを形成するために互いに収束する複数の光ビームは測定ボリュームの背景照明の均一性を提供するために複数の垂直共振器面発光レーザを使用して生成される。デジタルカメラの焦点面における測定ボリュームを通過する粒子の影画像が取得される。

ある実施形態では、非一時的な機械可読媒体は、データ処理装置によりアクセスされると、測定ボリュームの背景照明の均一性を提供するために複数の垂直共振器面発光レーザを使用して粒子場内に測定ボリュームを形成するために互いに収束する複数の光ビームを生成すること、および第一のデジタルカメラの焦点面において測定ボリュームを通過する粒子の影画像を取得することを含む粒子をイメージングするための方法をデータ処理システムに実行させるデータを備える。

本発明の実施形態の他の特徴および利点が、添付図面および以下に続く詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明は例として示されており添付図面の図に限定するものではなく、同様の参照記号は同様の要素を示す。

複数の垂直共振器面発光レーザ光源（ＶＣＳＥＬ）を使用してマルチビームイメージングを提供するための装置の一実施形態の概略図を示す。 別の実施形態による、ＶＣＳＥＬを使用してイメージングするための装置の概略図を示す。 複数のＶＣＳＥＬを使用してマルチビームイメージングを提供するためのシステムの一実施形態を示す図である。 複数のＶＣＳＥＬを使用してマルチビームイメージングを提供するためのシステムの一実施形態を示す図である。 複数のＶＣＳＥＬを使用してマルチビームイメージングを提供するためのシステムの一実施形態を示す図である。 一実施形態による、マルチビーム照明システムを例示する図である。 一実施形態による、マルチビーム粒子イメージングシステムの垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）光源の概略的なレイアウトを例示する図である。 一実施形態による、ＶＣＳＥＬ光源により生成される光ビームプロファイルの一例を示す図である。 イメージングシステムの焦点面から異なる距離で測定ボリュームを通過する粒子のマルチビーム照明画像の例を示す図である。 一実施形態による、ＶＣＳＥＬアレイの二次元照明プロファイルおよびＬＥＤシステムの二次元照明プロファイルを例示する図である。 一実施形態による、マルチビームイメージングシステムのＶＣＳＥＬ光源の測定されたパルスプロファイルを示す図である。 一実施形態による、スイッチング性能に関するＶＣＳＥＬシステムの特徴的な性質を例示する表の図である。 一実施形態による、マルチビームイメージングシステムのＶＣＳＥＬアレイの測定されたスペクトルを示す図である。 一実施形態による、マルチビームイメージングシステムのＶＣＳＥＬアレイの放出区域の写真である。 一実施形態による、シーンがＬＥＤ光源により照らされている時に長距離顕微鏡によりキャプチャされる解像度チャートおよびシーンがＶＣＳＥＬ光源により照らされている時に長距離顕微鏡によりキャプチャされる解像度チャートを示す図である。 複数の照明光ビームを生成するためのＶＣＳＥＬ光源を含むマルチビームイメージングシステムの別の実施形態を例示する概略図である。 一実施形態による、マルチビームイメージング装置のＶＣＳＥＬ光源により生成される収束ビームにより照らされる背景９０１の画像を示す図９００である。 一実施形態による、マルチビームイメージング装置のＶＣＳＥＬ照明を使用して生成される単分散液滴の画像を示す図である。 別の実施形態による、マルチビームイメージング装置のＶＣＳＥＬ照明を使用して生成される単分散液滴の画像を示す図である。 一実施形態による、マルチビームイメージング装置のＶＣＳＥＬ照明を使用して生成される高密度スプレー画像を示す図である。 一実施形態による、マルチビームダイオードレーザを使用して照らされる希薄な粒子場の画像を示す図である。 一実施形態による、マルチビームダイオードレーザを使用して照らされる高密度粒子場１２０１の画像を示す図である。 粒子をイメージングするためのシステムの別の実施形態を示す図である。 一実施形態による、粒子のマルチビームイメージングを提供するための方法のフローチャートを示す。 別の実施形態による、粒子のマルチビームイメージングを提供するための方法のフローチャートを示す。 粒子をイメージングするためのシステムの一実施形態を例示する。 粒子をイメージングするためのシステムの一実施形態を例示する。

複数の垂直共振器面発光レーザを使用して粒子のマルチビームイメージングを提供するための方法および装置が説明される。「粒子（ｐａｒｔｉｃｌｅ）」という用語は、本明細書において液滴、気泡、または任意の他の物体を指すことに留意されたい。粒子は球形、変形した球形、または任意の他の形状を有することができる。粒子は液体、固体材料、気泡、またはそれらの任意の組合せを備えることができる。

一実施形態では、粒子をイメージングするための装置は粒子場を通って伝搬する複数の光ビームを生成するための複数の垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を含む。複数のＶＣＳＥＬは粒子場内に測定ボリュームを形成するために互いに収束する。複数のＶＣＳＥＬは測定ボリュームの背景照明の均一性を提供するように構成される。撮像光学系は複数のＶＣＳＥＬのうち少なくとも一つに結合される。デジタルカメラはデジタルカメラの焦点面において測定ボリュームを通過する粒子の影画像を取得するために撮像光学系に結合される。プロセッサはデジタルカメラに結合される。ＶＣＳＥＬ光源は均一でレーザスペックルのない高品質な照明を提供するための粒子のマルチビームイメージングのために使用される。ＶＣＳＥＬは製造コストが低く、端面発光レーザダイオードと比較して信頼性が高い。現在、ＶＣＳＥＬはデータ通信、ローカルエリアネットワークおよび顔認識システムにおいてのみ使用されている。

典型的に、イメージング技術のための照明光源として使用されるレーザダイオードはレーザ固有の特性、例えば、画質を低下させる回折およびスペックルを有する。粒子マルチビームイメージングのためのＶＣＳＥＬのアレイの使用は有利には回折およびスペックルを減少させ、既存の技術と比較して粒子測定ボリュームの背景照明の均一性を増加させる。

図１は複数の垂直共振器面発光レーザ光源（ＶＣＳＥＬ）を使用してマルチビームイメージングを提供するための装置１００の一実施形態の概略図を示している。装置１００は、測定ボリューム１１３に関連付けられたイメージングシステムの撮像面１２４上の背景の照明１２８の均一性を提供するため、および撮像面１２４内の焦点の合わない影を除去するために、粒子場１０３内の測定ボリューム１１３を形成するために互いに収束する複数の照明光ビームを生成するための複数のＶＣＳＥＬ−例えば、照明光ビーム１０１を生成するためのＶＣＳＥＬ光源および照明光ビーム１０２を生成するためのＶＣＳＥＬ光源−を備える。図１に示されるように、背景１２８上の異なる位置におけるＶＣＳＥＬ光源の収束光ビームにより生成される照明光強度は類似であり、そのため背景１２８全体にわたる光強度分布は均一である。一実施形態では、以下でさらに詳細に説明されるように、背景１２８の照明はスペックルおよび回折パターンが実質的にない。以下でさらに詳細に説明されるように、撮像光学系は複数の垂直共振器面発光レーザのうち少なくとも一つに結合される。以下でさらに詳細に説明されるように、デジタルカメラはデジタルカメラの焦点面１２７において測定ボリューム１１３を通過する粒子の影画像を取得するために撮像光学系に結合される。以下でさらに詳細に説明されるように、プロセッサはデジタルカメラに結合される。

一実施形態では、複数の収束光ビーム１０１および１０２の各々は少なくとも二つのＶＣＳＥＬにより生成される。一実施形態では、以下でさらに詳細に説明されるように、複数の収束光ビーム１０１および１０２を生成するＶＣＳＥＬのうち少なくともいくつかは垂直共振器面発光レーザアレイの一部である。一実施形態では、ＶＣＳＥＬのアレイは複数の収束光ビーム１０１および１０２のうち少なくとも一つを生成するように構成される。一実施形態では、収束光ビーム１０１および１０２のうち少なくとも一つを生成するように構成されたＶＣＳＥＬのアレイは少なくとも六つのＶＣＳＥＬを含む。一実施形態では、以下でさらに詳細に説明されるように、光ビーム１０１および１０２のうち少なくとも一つは円形パターンに配置されたＶＣＳＥＬのアレイにより生成される。

図１に示されるように、照明光ビーム１０１は方向１０７に沿って光学経路上を伝搬し、照明光ビーム１０２は粒子場１０３を通り方向１０９に沿って光学経路上を伝搬する。ビーム１０１の光学経路はビーム１０２の光学経路とは異なる。一実施形態では、照明光ビーム１０１および１０２は同一の波長を有する。一実施形態では、照明光ビーム１０１および１０２の波長は約６５０ｎｍである。別の実施形態では、照明光ビーム１０１および１０２は異なる波長を有する。一実施形態では、ＶＣＳＥＬにより生成される照明光ビーム１０１および１０２のうち少なくとも一つはパルスビームである。一実施形態では、以下でさらに詳細に説明されるように、粒子のマルチビームイメージングのためにＶＣＳＥＬにより生成されるパルス照明光ビーム１０１および１０２のうち少なくとも一つは２００ピコ秒（ｐｓ）のオーダーの第一の立ち上がり時間を有する。一実施形態では、以下でさらに詳細に説明されるように、ビームは粒子の動きを「凍結（ｆｒｅｅｚｅ）」させるために一斉にパルス化される（ｐｕｌｓｅｄ）。

ある実施形態では、測定ボリュームを形成するために共通の点において交差する少なくとも二つの照明ビームは粒子をイメージングするために使用される。より具体的な実施形態では、粒子をイメージングするため、測定ボリュームを形成するために共通の点において収束するいくつかの照明光ビームはおおよそ２から１２の範囲にある。

一実施形態では、粒子のマルチビームイメージングのためのＶＣＳＥＬ光源はレーザスペックルを最小化する発光ダイオード（ＬＥＤ）のコヒーレンス波長と類似の非常に短いコヒーレンス波長を有するように構成される。一実施形態では、粒子のマルチビームイメージングのためのＶＣＳＥＬアレイはおおよそ約１００ミリワット（ｍＷ）から１キロワット（ｋＷ）の範囲の出力電力を有する。一実施形態では、粒子のマルチビームイメージングのためのＶＣＳＥＬアレイは約１０Ｗの出力電力を有する。

一実施形態では、ＶＣＳＥＬにより生成される複数の光ビーム１０１および１０２の各々は７度以下の全ビーム発散角を有する。一実施形態では、ＶＣＳＥＬにより生成される複数の光ビーム１０１および１０２の各々は少なくとも７５０ミリワット（ｍＷ）の電力を有する。一実施形態では、マルチビーム粒子イメージングシステムのＶＣＳＥＬは連続動作下では約７Ｗ、パルス動作下では１０Ｗを超えるピーク電力を出力する。

ＶＣＳＥＬアレイチップは照明器として使用される従来のＬＥＤをシリコンＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラで置き換えるように構成される。ＬＥＤに対するＶＣＳＥＬの利点はＶＣＳＥＬビームの発散角がＬＥＤビームの発散角よりも実質的に小さいことである。一実施形態では、ＶＣＳＥＬビームの全発散角は約１６度のみである。一実施形態では、ＶＣＳＥＬビームの全発散角はモジュラーハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）のような長距離での用途に理想的な約５度である。

一実施形態では、粒子のマルチビームイメージングに使用される一または二以上のＶＣＳＥＬ光源のスペックルは従来のシステムと比較して背景照明の均一性を増加させるために１％未満である。一実施形態では、粒子のマルチビームイメージングのためのＶＣＳＥＬにより生成される複数の光ビームにより提供される背景照明はスペックルおよび回折パターンが実質的にない。

ＶＣＳＥＬは、特にビームをさらに均質化するための拡散器と共に使用される場合には粒子のマルチビームイメージングのための端面発光レーザよりも目に安全である。さらなる利点はＶＣＳＥＬデバイスが端面発光レーザよりもはるかに強力であり、強力なコリメート光ビームを有することである。ＶＣＳＥＬデバイスは非常に高強度の光ビームを生成するが、光ビームの特徴はレーザよりもＬＥＤのラインに沿っている。一実施形態では、粒子のマルチビームイメージングのために使用されるＶＣＳＥＬ光源は、有利には取付けの容易性およびコンパクト性を提供する簡潔なシリカ集積回路（ＩＣ）チップのような構成に配置される。

ＶＣＳＥＬデバイスは比較的高い温度で動作するそれらの能力を含む端面発光レーザダイオードに対するいくつかの利点を有し、そのため冷却システムは要求されない。航空機着氷の用途では、ＶＣＳＥＬはプローブヒータに近い環境にある可能性があり、そのため温度の影響を受けにくいことが重要である。ＶＣＳＥＬは単位面積あたりおよそ１２００Ｗ／ｃｍ²に到達する非常に高い電力を届けることができる。ＶＣＳＥＬはガウシアン強度分布を有するように設計されることのできる円形ビームを放出する。これによりビームを例えば回折光学素子（ＤＯＥ）を使用してトップハット強度分布の付近に変換するために必要とされる光学系が簡潔になる。ＶＣＳＥＬレーザは端面発光レーザダイオードよりも信頼性がある。典型的な故障は１０億デバイス時間と予測される（推定平均故障時間（ＭＴＴＦ）は約１００年である）。価格の面では、ＶＣＳＥＬはＬＥＤの価格に近付いている。ＶＣＳＥＬは高い電力が要求されるとモノリシックの２Ｄアレイに容易に処理されることができる。

別の実施形態では、粒子の収束マルチビーム照明のための照明光ビームは複数の垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、他のレーザ、またはそれらの任意の組合せにより生成される。

図１に示されるように、粒子場１０３は粒子１０４および１０５等の粒子を備える。照明光ビーム１０１および照明光ビーム１０２は測定ボリューム１１３を形成するために互いに収束する。図１に示されるように、測定ボリューム１１３は光ビーム１０１および１０２が互いに重なり合う領域である。光軸１０６に対するビーム１０１の角度は１０８である。光軸１０６に対するビーム１０２の角度は１１１である。ある実施形態では、角度１０８および１１１の一方が０度である場合、角度１０８および１１１の他方は０度以外の任意の角度とすることができる。一実施形態では、ビーム交差角はイメージングシステムのｆ値（ｆ＃）により決定される。一般的に、ｆ＃はレンズ直径により分割されるレンズの焦点長さとして定義される。別の実施形態では、より大きなビーム交差角を使用することができるように、各ビームはセパレートレンズおよび共通の撮像面に変換される画像により検出される。

図１に示されるように、照明光ビーム１０１および１０２は角度１１２で交差する。ある実施形態では、角度１１２は角度１０８と１１１との合計である。粒子１０５はデジタルカメラを含み、ビーム１０２の方向１０９に沿った個々の影１１５およびビーム１０１の方向１０７に沿った個々の影１１７を生成するイメージングシステムの焦点面１２７において測定ボリューム１１３の一部を通過する。粒子１０４は焦点面１２７から距離１１９離れて測定ボリューム１１３の一部を通過し、ビーム１０２の方向１０９に沿った個々の影１１４およびビーム１０１の方向１０７に沿った個々の影１１６を生成する。

方向１０７に垂直な軸Ａ−Ａ’に沿った測定ボリューム１１３の断面図１２６は個々の影１１６および１１７を備える。図１に示されるように、方向１０９に垂直な軸Ｂ−Ｂ’に沿った測定ボリューム１１３の断面図１２５は個々の影１１４および１１５を備える。粒子１０５の影画像１２１はイメージングシステムの撮像面１２４上に形成される。影画像１２１は個々の影１１５および１１７の重ね合わせとして形成される。図１に示されるように、影画像１２１はビーム１０２および１０１により生成される背景１２８とは実質的に異なる。個々の影画像１２２は個々の影画像１１４から形成され、個々の影画像１２３は撮像面１２４上の個々の影画像１１６から形成される。粒子１０４の個々の影画像１２２および１２３は重なり合わず、また互いから、および撮像面１２４上の影画像１２１から分離される。一実施形態では、影画像１２１と背景１２８との間のコントラストは焦点面１２７の外側の粒子１０４の影画像１２２と背景１２８との間のコントラストよりも大きい。一実施形態では、粒子１０４の個々の影画像１２２および１２３の照明強度は背景１２８の照明強度と実質的に同一である。

一実施形態では、背景１２８の照明強度が監視され、影画像１２１を取得するために監視された背景照明に基づいて複数のＶＣＳＥＬのうち少なくとも一つの強度が調整される。一実施形態では、影画像１２１と背景１２８との間のコントラストが測定される。一実施形態では、測定されたコントラストが所定のコントラストよりも大きいかどうかが決定される。測定されたコントラストが所定のコントラストよりも大きい場合、影画像１２１が背景１２８から検出される。コントラストが所定のコントラストよりも大きくない場合、影画像１２１は背景１２８から検出されない。粒子１０５は検出された影画像１２１に基づいて識別される。以下でさらに詳細に説明されるように、識別された粒子１０５の大きさは影画像１２１から決定される。

ある実施形態では、影画像１２１からの個々の影画像１２２および１２３の各々の偏心距離は、焦点面の外側の粒子の影がカメラにおける撮像面内でずれており、深い影を形成しないであろうことを示す。撮像面内の偏心距離はサンプルボリューム内の焦点面からの粒子の距離を推定するために使用することができる。この情報は粒子が正確に大きさを決定するために十分に焦点が合っているかどうかを決定するために使用することができる。例えば、個々の影画像１２２と１２３との間の偏心距離１３１が決定される。例えば、個々の影画像１２２と撮像面１２４上の影画像１２１との間の偏心距離１２９が決定される。例えば、個々の影画像１２３と撮像面１２４上の影画像１２１との間の偏心距離１３０が決定される。ある実施形態では、影画像１２１の焦点は粒子のタイプを決定するために距離１２９および１３０に基づいて評価される。

一実施形態では、粒子のタイプは粒子の状態−例えば、液体、固体、液体もしくは固体中の気泡、またはそれらの任意の組合せを含む。別の実施形態では、粒子のタイプは粒子の形状、例えば、球形、長円形、多面形状−例えば、三角形、長方形、正方形、ダイヤモンド、ひし形、他の多面形状−、または任意の他の粒子形状を表す。ある実施形態では、粒子情報は粒子のタイプに基づいて決定される。一実施形態では、粒子情報は粒子速度、粒子の大きさ、または任意の他の粒子情報を備える。ある実施形態では、粒子の大きさは少なくとも０．１ミクロン（「μｍ」）である。別の実施形態では、粒子の大きさは５ミクロン（「μｍ」）未満である。さらに別の実施形態では、粒子の大きさはおおよそ約５μｍから約３０００μｍの範囲にある。ある実施形態では、以下でさらに詳細に説明されるように、複数の照明光ビームはデジタルカメラと同期している。

図２は別の実施形態によるＶＣＳＥＬを使用して粒子をイメージングするための装置２００の概略図を示している。装置２００は測定ボリューム２２８に関連付けられたイメージングシステムの撮像面２２７上の背景２３１の照明の均一性を提供するため、および撮像面２２７内の焦点の合わない影を除去するため、粒子場内に測定ボリューム２２８を形成するために互いに収束する複数の照明光ビームを生成するための複数のＶＣＳＥＬ−例えば、照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５を生成するためのＶＣＳＥＬ光源−を備える。図２に示されるように、背景２３１のあらゆる位置においてＶＣＳＥＬ光源の収束光ビームにより生成される照明光強度は類似であり、そのため背景２３１全体にわたる光強度分布は均一である。以下でさらに詳細に説明されるように、一実施形態では、背景２３１の照明はスペックルおよび回折パターンが実質的にない。以下でさらに詳細に説明されるように、撮像光学系は複数の垂直共振器面発光レーザのうち少なくとも一つに結合される。以下でさらに詳細に説明されるように、デジタルカメラの焦点面２２６において測定ボリューム２２８を通過する粒子の影画像を取得するためにデジタルカメラは撮像光学系に結合される。以下でさらに詳細に説明されるように、プロセッサはデジタルカメラに結合される。

一実施形態では、複数の収束光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５の各々は少なくとも二つのＶＣＳＥＬにより生成される。以下でさらに詳細に説明されるように、一実施形態では、複数の収束光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５を生成するＶＣＳＥＬのうち少なくともいくつかは垂直共振器面発光レーザアレイの一部である。一実施形態では、ＶＣＳＥＬのアレイは複数の収束光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５のうち少なくとも一つを生成するように構成される。一実施形態では、複数の収束光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５のうち少なくとも一つを生成するように構成されたＶＣＳＥＬのアレイは少なくとも六つのＶＣＳＥＬを含む。一実施形態では、以下でさらに詳細に説明されるように、光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５のうち少なくとも一つは円形パターンに配置されたＶＣＳＥＬのアレイにより生成される。

図２に示されるように、照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５の各々は粒子２１２、２１３等の粒子を備える粒子場を通り各方向に沿って各光学経路上を伝搬する。例えば、照明光ビーム２０１は方向２０６に沿って光学経路上を伝搬し、照明光ビーム２０２は方向２０９に沿って光学経路上を伝搬する。ある実施形態では、照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５の光学経路は異なる。ある実施形態では、照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５の波長は類似である。一実施形態では、照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５の波長は約６５０ｎｍである。別の実施形態では、照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５の波長は異なる。ある実施形態では、照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５のうち少なくとも一つはパルスビームである。一実施形態では、以下でさらに詳細に説明されるように、粒子のマルチビームイメージングのためのＶＣＳＥＬにより生成されるパルス照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５のうち少なくとも一つは２００ピコ秒（ｐｓ）のオーダーの速い立ち上がり時間を有する。一実施形態では、以下でさらに詳細に説明されるように、ビームは粒子の動きを「凍結（ｆｒｅｅｚｅ）」させるために一斉にパルス化される。一実施形態では、粒子２１２および２１３は粒子１０４および１０５を表す。

図２に示されるように、照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５はイメージングシステムの焦点面２２６において測定ボリューム２２８を形成するために収束する。図２に示されるように、測定ボリューム２２８は全ての照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５が重なり合う領域である。照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５は複数の角度で互いに交差する。照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５の各々は光軸２０７に対してそれぞれの角度にある。図２に示されるように、光軸２０７に対するビーム２０１の角度は２０８である。光軸２０７に対するビーム２０２の角度は２１１である。一実施形態では、照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５のうち一つが光軸２０７に対して０度である場合、照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５の他の一つは光軸２０７に対して０度以外の任意の角度とすることができる。

図２に示されるように、照明光ビーム２０１および２０２は角度２２９で交差する。ある実施形態では、角度２２９は角度２０８と２１１との合計である。焦点面２２６において測定ボリューム２２８の一部を通過する粒子２１２はビーム２０２からの個々の影２１９およびビーム２０１からの個々の影２２２等の、照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５の各々から複数の個々の影を生成する。焦点面２２６から距離２３０離れて測定ボリューム２２８の一部を通過する粒子２１３はビーム２０２からの個々の影２１８およびビーム２０１からの個々の影２２１等の、照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５の各々から複数の個々の影を生成する。方向２０６に垂直な軸Ａ−Ａ’に沿った測定ボリューム２２８の断面図２１６は個々の影２２１および２２２を備える。図２に示されるように、方向２０９に垂直な軸Ｂ−Ｂ’に沿った測定ボリューム２２８の断面図２１７は個々の影２１９および２１８を備える。粒子２１２の影画像２２３はイメージングシステムの撮像面２２７上に形成される。影画像２２３は照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５の各々から−例えば、２１９および２２２等の−個々の影の重ね合わせとして形成される。

図２に示されるように、影画像２２３は照明光ビーム２０１、２０２、２０３、２０４、および２０５により生成される背景２３１とは実質的に異なる。個々の影画像は個々の影画像２２４および２２５等の、撮像面２２７上の個々の影から形成される。例えば、個々の影画像２２４は個々の影２１８から形成され、個々の影画像２２５は個々の影２１６から形成される。個々の影画像の各々は撮像面２２７上の影画像２２３から距離２３２のところに位置する。粒子２１３の個々の影画像は重なり合わず、また撮像面２２７上の距離だけ互いに分離されている。一実施形態では、影画像２２３と背景２２７との間のコントラストは個々の影画像２２４および２２５の各々と背景２３１との間のコントラストよりも大きい。個々の影画像２２４および２２５の照明強度は背景２３１の照明強度と実質的に同一である。

一実施形態では、背景２３１の照明強度が監視され、また影画像２２３を取得するために監視された背景照明に基づいて複数のＶＣＳＥＬのうち少なくとも一つの強度が調整される。一実施形態では、影画像２２３と背景２３１との間のコントラストが測定される。一実施形態では、測定されたコントラストが所定のコントラストよりも大きいかどうかが決定される。測定されたコントラストが所定のコントラストよりも大きい場合、影画像２３１が背景２３１から検出される。コントラストが所定のコントラストよりも大きくない場合、影画像２３１は背景２３１から検出されない。粒子２１２は検出された影画像２２３に基づいて識別される。以下でさらに詳細に説明されるように、識別された粒子２１２の大きさは影画像２２３から決定される。

ある実施形態では、以下でさらに詳細に説明されるように、照明光ビームはデジタルカメラと同期する。ある実施形態では、イメージングシステムの焦点面２２６において測定ボリューム２２８を設定するため、および測定ボリューム２２８の外側の粒子の影画像を除去するために照明光ビームの一または二以上の交差角が調整される。ある実施形態では、測定ボリューム２２８の外側の粒子の影画像を除去するために照明光ビームの量が調整される。

図３は複数のＶＣＳＥＬを使用してマルチビームイメージングを提供するためのシステム３００の一実施形態を示す図３００である。システム３００は送信システム３０１および受信システム３３０を備える。送信システム３０１は複数の照明光ビーム−例えば、粒子−例えば、方向３０９に沿って動く粒子３０６、３０７、および３０８−を備える粒子場を通って複数の光学経路上を伝搬する照明光ビーム３０４および照明光ビーム３０５−を生成する一または二以上のＶＣＳＥＬ光源−例えば、ＶＣＳＥＬ光源３０２およびＶＣＳＥＬ光源３０３−を含む。上述のように、イメージングシステムの撮像面１２４上の背景照明の均一性を提供するため、および撮像面内の焦点の合わない影を除去するために、ＶＣＳＥＬ光源により生成された照明光ビームはイメージングシステムの焦点面３３１において測定ボリュームを形成するために収束する。図３の照明光ビームは図１および２の照明光ビームにより表される。

ある実施形態では、送信システム３０１はトリガ光ビーム（図示されていない）を生成するために一または二以上のＶＣＳＥＬ光源に結合された光源を備える。ある実施形態では、米国特許出願第１５/５５２，２６３号に記載のように、粒子が測定ボリューム内で検出された場合、複数の照明光ビームを生成するためにトリガ光ビームが送信される。

上述のように、受信システム３３０は焦点面３３１において測定ボリュームを通過する粒子３０６の影画像を提供するために複数のＶＣＳＥＬ光源のうち少なくとも一つに結合された撮像光学系および撮像光学系に結合された一または二以上のデジタルカメラを備える。一実施形態では、複数のデジタルカメラ−例えば、デジタルカメラ３１６、３１７および３１０−は粒子のダイナミックレンジを調整するために使用される。一実施形態では、粒子の大きさダイナミックレンジはおよそ３００：１である。

図３に示されるように、受信システム３３０の撮像光学系は、上述のように照明光ビームの各々から粒子３０６の個々の影を受信するための一または二以上の受信レンズ３３１を備える。一または二以上の画像送信レンズ３１２は粒子３０６の個々の影画像をビームスプリッタ３１３に送信する。ビームスプリッタ３１３は粒子３０６の個々の影画像を備える照明光ビームを部分３３２および部分３３３に分割する。部分３３２はデジタルカメラ３１６の撮像面上の粒子３０６の影画像を形成するために一または二以上の集束レンズ３１４に送信される。部分３３３はデジタルカメラ３１７の撮像面上の粒子３０６の影画像を形成するために一または二以上の集束レンズ３１５に送信される。イメージングシステムは粒子３０６の個々の影画像を備える照明光ビームを部分３３４および部分３３５に分割するビームスプリッタ３１９を任意選択的に備えることができる。この場合、デジタルカメラ３１６および３１７の対応する撮像面上に粒子３０６の影画像を形成するために部分３３４がビームスプリッタ３１３に送信される。デジタルカメラ３１０の撮像面上に粒子３０６の影画像を形成するために部分３３５が一または二以上の集束レンズ３１８に送信される。一実施形態では、複数のカメラによるアプローチを使用することで様々な倍率が可能になり、広いサイズ範囲にわたって高解像度での粒子のサイジングを可能にする。

処理システム３２０は受信システム３３０に結合される。処理システム３２０はプロセッサ３２１、メモリ３２２、および測定ボリュームを通過する粒子の影画像を表示させるためのディスプレイ３２３を備える。一実施形態では、プロセッサ３２１は背景照明を監視するため、および粒子の影画像を取得するために監視された背景照明に基づいて複数のＶＣＳＥＬのうち少なくとも一つの強度を調整するために一または二以上のデジタルカメラに結合される。

一実施形態では、プロセッサ３２１は影画像と背景との間のコントラストを測定するため、および測定されたコントラストが所定のコントラストよりも大きいかどうかを決定するために一または二以上のデジタルカメラに結合される。測定されたコントラストが所定のコントラストよりも大きい場合、プロセッサ３２１は背景から影画像を検出するように構成される。コントラストが所定のコントラストよりも大きくない場合、プロセッサ３２１は背景から影画像を検出しないように構成される。プロセッサ３２１は検出された影画像に基づいて粒子を識別するように構成される。以下でさらに詳細に説明されるように、プロセッサ３２１は影画像から識別された粒子の大きさを決定するように構成される。

別の実施形態では、以下でさらに詳細に説明されるように、プロセッサ３２１は評価に基づいて粒子のタイプを決定するため、および粒子のタイプに基づいて粒子情報を決定するため、影画像に基づいて粒子の被写界深度、粒子の焦点、またはその両方を評価するために、影画像を検出するように構成される。

一実施形態では、イメージングシステムの大きさレンジは０．０５μｍから３０００μｍのダイナミック大きさレンジをカバーするように拡大される。これは高解像度で非常に高効率の画像キャプチャを用いて達成され、異なる倍率および別のＣＭＯＳカメラを使用して画像処理コンピュータに送信することができる。

図１、２および３に示されるように、マルチビーム照明システムは共通の測定（プローブ）ボリュームに収束させるよう調整される複数の光源を含む。一実施形態では、複数の光源は２５ナノ秒（ｎｓ）を下回るパルス幅に同時にパルス化され、したがって顕微鏡イメージングシステムにより分解される小さなスケールであっても粒子の動きを凍結させる。このアプローチはサンプルボリュームにおいて強力な比較的均一な照明を提供し、一方で異なるレーザ波面の位相をマージすることによりレーザスペックルおよび回折を最小化する。より均質な背景を生成することは高解像度および高画質への到達において重要である。マルチビーム照明の利点は収束レーザビームが測定ボリュームを横断する異なる光学経路に起因する。大きな粒子がサンプルボリュームの外側の一つのビームを交差している場合、粒子により生成される影は、他のビームがこの粒子により同時に影響を及ぼされないため背景照明に著しく影響を及ぼさない。ビームが交差し重なり合うところと一致するプローブボリュームにおいてイメージングシステムの被写界深度内を通過する粒子のみが鋭く深い影を形成する。焦点面の外側のプローブボリュームを通過する粒子は影が任意の瞬間および位置において一つのビームのみが現れるため深い影を生成しない。したがって、比較的密度の高いスプレーおよび非常に大きい液滴のある条件下（ＳＬＤ条件）でも、焦点の合わない画像に起因する背景ノイズは最小化される。

図４は一実施形態によるマルチビーム照明システムを例示する図４００である。複数の照明光ビーム−例えば、照明光ビーム４０１、４０２、４０３、４２８、および４２９−は粒子４０５、４０６、および４０７等の粒子を備える粒子場を通り各方向に沿って各光学経路上を伝搬する。粒子４０５、４０６、および４０７は図１−３に関連して上述された粒子を表す。照明光ビーム４０１、４０２、４０３、４２８、および４２９は図１−３に関連して説明された照明光ビームを表す。照明光ビームはイメージングシステムの焦点面において測定ボリュームを形成するために収束する。イメージングシステムの焦点面は軸Ａ−Ａ’に沿って伝搬する。図４に示されるように、測定ボリュームは照明光ビームの全てが重なり合う領域である。

イメージングシステムの焦点面において測定ボリュームの一部を通過する粒子４０６はイメージングシステムの撮像面上に粒子４０６の影画像４２６を形成するために重なり合う照明光ビームの各々から複数の個々の影を生成する。光軸４０４に垂直な軸Ａ−Ａ’に沿った測定ボリュームの断面図４１１は影画像４２６を備える。焦点面Ａ−Ａ’の前に照明光ビーム４０３を通過する粒子４０５は照明光ビーム４０３から個々の影４２５を生成する。粒子４０５は照明光ビーム４０１および４０２等の他の照明光ビームから影を生成しない。光軸４０４に垂直な軸Ｂ−Ｂ’に沿った照明光ビームの断面図４０８はビーム４０３から生じる個々の影４２５を備える。焦点面Ａ−Ａ’の後に照明光ビーム４０３および４２８を通過する粒子４０７は照明光ビーム４０３および４２８から個々の影４２７を生成する。粒子４０７は照明光ビーム４０１および４０２等の他の照明光ビームから個々の影を生成しない。光軸４０４に垂直な軸Ｃ−Ｃ’に沿った照明光ビームの断面図４０９はビーム４０３および４２８から生じる個々の影の重ね合わせである影４２７を備える。

グラフ４１０はＣＣＤアレイ上の距離４１５に対する光強度４１６の一実施形態を例示している。グラフ４１０に示されるように、光強度４１６はピーク強度から完全な影まで変化する。ビームのうち少なくとも一つに交差する粒子がない場合、ピーク強度は背景条件に対応する。グラフ４１０に示されるように、ＣＣＤアレイの領域４１３内の粒子４０６の影画像４２６の光強度はＣＣＤアレイの領域４１２および領域４１４内の光強度よりも実質的に低い。すなわち、粒子４０６の影画像は背景ピーク光強度および個々の影画像４２５および４２７の光強度とは実質的に異なる。

図４Ｂに示されるように、照明光ビームは白色光照明を模倣するために測定ボリュームにおいて収束する。一実施形態では、カラーＣＣＤ（ＲＧＢ）は影画像上のカラー情報を抽出するために使用される。カラー情報は粒子の影上に追加の寸法情報を提供することができる。様々なカラー照明間の遅延は（単一のレーザのダブルパルスに類似した）速度を測定するために使用されることもできる。一実施形態では、ダブルパルスイメージングは液滴およびスプレー構造の大きさおよび速度を取得するために影の粒子画像流速測定法（ＰＩＶ）画像を提供するために実施される。一または二以上の照明パルスの持続期間はイメージングシステムの解像度およびターゲット粒子の速さにより当然に制限される。一実施形態では、顕微鏡イメージングの場合、約２０ｎｓの最大パルス幅が使用される（１００ｍ／ｓで２□ｍのブラー）。例えば、粒子が１００ｍ／ｓで動いている場合、２０ｎｓで２μｍ動く。これにより境界が２ミクロンぼやける。より小さな粒子の場合、ブラーを最小化するためにより短いパルス幅が使用される。一実施形態では、交差角、ビームの数、および波長等の照明光ビームのパラメータは焦点面の外側の粒子の個々の影画像が形成されることを防ぐために最適化される。

図５Ａは一実施形態によるマルチビーム粒子イメージングシステムの垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）光源の概略的なレイアウトを例示する図５００である。一般的に、ＶＣＳＥＬデバイス製造の分野の当業者には知られるように、ＶＣＳＥＬ光源は基板上で互いの上面に成長する複数の半導体層を備える。図５Ａに示されるように、ＶＣＳＥＬ光源は金属接触層５０２上の基板５１２上の回折ブラッググレーティング（ＤＢＲ）層５０３上の活性量子井戸（ＱＷ）層５０１を含む。ＤＢＲ層５０６は活性ＱＷ層５０１上の金属アパーチャ層５０６上に堆積される。金属接触層５０５はＤＢＲ層５０７上に堆積される。絶縁層５０８はＤＢＲ層５０３、ＤＢＲ層５０７および金属接触層５０７の一部の上に堆積される。金属パッド５０８は金属接触層５０５に接続させるために絶縁層５０８上に堆積される。一般的に、ＶＣＳＥＬの持続媒体において、光は層に対して垂直に振動し、デバイスの上面（または底面）を通って出る。図５Ａに示されるように、光５０９は層５０１、５０３、５０５、５０６および５０７に垂直に振動し、デバイス構造の上面を通って出力する。図５に示されるように、これによりほぼトップハット円形ビームプロファイル５１１がもたらされる。

図５Ｂは一実施形態によるＶＣＳＥＬ光源により生成される光ビームプロファイル５１１の一例を示す図５１０である。図５Ｂに示されるように、光ビームプロファイル５１１は実質的に円形の対称なビームプロファイルである。一実施形態では、ＶＣＳＥＬ光源のビーム発散角はおよそ２０度（１／ｅ²）である。一実施形態では、ＶＣＳＥＬ光源により生成される光ビームはＬＥＤの送信距離よりも大きい距離にわたる送信のためにコリメートされる。光ビームプロファイル５１１は粒子イメージングの用途での理想に近い疑似トップハットプロファイルである。

図５Ｃはイメージングシステムの焦点面からの異なる距離において測定ボリュームを通過する粒子のマルチビーム照明画像の例を示す図５２０である。図５Ｃに示されるように、光ビームの各々により形成された粒子の影画像は粒子がイメージングシステムの焦点面から離れて動くにつれて互いから離れて動く。画像５１１はイメージングシステムの焦点面における測定ボリュームを通過する粒子の影画像を示す。画像５１１に示されるように、光ビームの各々により形成された粒子の個々の影画像は背景から実質的に分離される影画像５２１を形成するために完全に重なり合う。画像５１２はイメージングシステムの焦点面から約１００μｍ離れて測定ボリュームを通過する粒子の影画像を示す。画像５１２に示されるように、光ビームの各々から形成された粒子の個々の影画像は部分的に（約７５％）のみ重なり合い、画像５２１よりもぼやけていて背景から分離されない影画像５２２がもたらされる。画像５１３はイメージングシステムの焦点面から約２００μｍ離れて測定ボリュームを通過する粒子の影画像を示す。画像５１３に示されるように、光ビームの各々から形成された粒子の影画像は約５０％のみ重なり合い、画像５２２よりもぼやけていて背景から分離されない影画像５２２がもたらされる。

遠距離で高解像度画像をキャプチャすることは困難であるが、高密度の粒子場が光源、プローブボリュームおよび収集光学系の間の光学経路を覆い隠す場合、より困難になる。マルチビーム照明のアプローチはビーム経路に沿った個々の粒子による時間的な影を克服するために光源からの異なる光学経路を頼る。

既存の粒子イメージングシステムは背景照明の均一性の欠如に苦慮している。照明システムにおいて使用されるコヒーレントで単色性の高いレーザ光源はスペックルおよび回折パターンを生成する。スペックルおよび回折パターンは画像処理アルゴリズムが最適な条件の下で実行すること、したがって結果に影響を及ぼすことを妨げる。

図６Ａは一実施形態によるＶＣＳＥＬアレイの二次元照明プロファイル６０２およびＬＥＤシステムの二次元照明プロファイル６０３を例示する図６００である。ＶＣＳＥＬアレイのビーム発散角はおよそ２０度である。一実施形態では、マルチビーム粒子イメージングのためのＶＣＳＥＬアレイはビームを狭い発散分布に形成する集積された光学系を含み、そのためＶＣＳＥＬアレイにより生成されるビームはＬＥＤの送信距離よりも大きい距離に対する送信のためにコリメートすることができる。図６Ａに示されるように、二次元プロファイル６０２により表される照明分布は例えば光を収集し、遠隔でシーンに向けることに関して言えばＶＣＳＥＬを有利にする二次元照明プロファイル６０３の照明分布と比較して実質的に狭い角度を有する。ＬＥＤは典型的にポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）またはガラスドームを備え、ダイのエミッタからの疑似ランバーシアンからの光をある程度ガウス分布に形成する。一方、ＶＣＳＥＬデバイスは軸上に可能性のあるディップを有するトップハット形状に近い発光プロファイルを表す。ＶＣＳＥＬの適切な光学系の実施は効率的な光送信を可能にする。一実施形態では、粒子のマルチビームイメージングのためのＶＣＳＥＬアレイはレーザスペックルを最小化するＬＥＤシステムのコヒーレンス波長に類似する非常に短いコヒーレンス波長を有するように構成される。一実施形態では、粒子のマルチビームイメージングのためのＶＣＳＥＬアレイは照明の均一性を提供するためにＶＣＳＥＬをイメージングシステムに理想的なものにする１%未満のスペックルを有するように構成される。一実施形態では、粒子のマルチビームイメージングのためのＶＣＳＥＬアレイのＶＣＳＥＬ光源は非常に高レートでパルス化され、ＶＣＳＥＬ光源をパルス化されたレーザ粒子イメージングの用途に理想的なものにする、一般的にナノ秒を下回る非常に速い立ち上がり時間を有する。一実施形態では、マルチビームイメージングシステムのためのＶＣＳＥＬアレイは８６０ｎｍの波長で７５０ｍＷの出力電力を生成し、約２００のレーザを含む。

一実施形態では、粒子をイメージングするためのマルチビームシステムはＶＣＳＥＬ技術を実行する電子ドライバおよび光学系システムを含む。これらのデバイスが無線送信に広く使用されているためＶＣＳＥＬのパルス特性は速いことが知られている。一実施形態では、粒子のマルチビームイメージングに使用されるＶＣＳＥＬは適切に応答するためにイメージングシステムに十分な強度を備えるシーンを照らすために必要なフラックスを生成するための電力を出力するように構成される。一実施形態では、マルチビームイメージングシステムの電子ドライバは（２Ａまでの）高電流のショートパルスを生成することができ、ＶＣＳＥＬアレイを駆動するための０Ｖから４０Ｖの電圧は高速動作および照明光ビームのショートパルス特性を提供する。

図６Ｂは一実施形態によるマルチビームイメージングシステムのＶＣＳＥＬ光源の測定されたパルスプロファイルを示す図６１０である。図６Ｂに示されるように、ＶＣＳＥＬ光源の測定されたパルスプロファイル６１２は駆動パルス幅５０ｎｓで生成され、ＶＣＳＥＬ光源の測定されたパルスプロファイル６１３は駆動パルス幅１００ｎｓで生成され、ＶＣＳＥＬ光源の測定されたパルスプロファイル６１４は駆動パルス幅２００ｎｓで生成される。

一実施形態では、プロファイルの傾きはＶＣＳＥＬの対応する「アクティブな（ａｃｔｉｖｅ）」期間にわたって重なり合う。立ち上がりの最初の８０％に対するＶＣＳＥＬのスルーレートは非常に速く、続いてプラトーまで減速する。図６Ｂに示されるように、パルス信号はパルス幅と共にレベルが上昇する。より長いパルス幅においてより高い熱負荷が達成され、したがってＶＣＳＥＬスペクトルをより短い波長に駆動し、光検出器の感度がより高くなる、という説明が可能である。

図６Ｃは一実施形態によるスイッチング性能に関するＶＣＳＥＬシステムの特徴的な性質を例示する表６２１の図６２０である。表６２１は測定されたパルス幅が１５から２００ｎｓのテストされた持続期間の全てにわたって、７ｎｓの差のみで設定持続時間に近いことを示す。これにより、立ち上がり時間が１５ｎｓに近いにもかかわらず、ナノ秒のオーダーでＶＣＳＥＬのスイッチング時間が短いことを明らかになる。立ち下がり時間は１０ｎｓ未満でトランジェントが達成され、光学スイッチング性能をより表すことができる。図６Ａの信号を詳細に見ると、ドライバのスルーレートは信号振幅の約８０％まで非常に高速であり、スルーレートが低下した後、１０−９０％の立ち上がり時間の数値に影響を及ぼすことが示されている。図６Ａに示されるように、スルーレートは負荷容量およびドライバの相互作用に起因し得る信号振幅の約８０％の後に低下する。

図６Ｄは一実施形態によるマルチビームイメージングシステムのＶＣＳＥＬアレイの測定されたスペクトル６３１を示す図６３０である。図６Ｃに示されるように、ＶＣＳＥＬアレイはＬＥＤ照明と比較して単色性の高い光を出力する。

図６Ｄに示されるように、ＶＣＳＥＬアレイの出力波長は８６０ｎｍを中心とする。ＶＣＳＥＬアレイは半値全幅が１ｎｍに近いスペクトル拡散を有するビームを出力する。このような狭いスペクトル範囲は液体または凍結した液滴と取り囲んでいる周辺の気体との間の界面等、境界の周辺に回折パターンを生成する可能性があるため、見通しの消滅にとって問題となる可能性がある。典型的に、照明の波長は回折限界分解能を決定する。より長い波長は顕微鏡システムにおける光学分解能に対して有害である。ＶＣＳＥＬアレイにより生成される狭い広がりのほぼコリメートされた光は高いエネルギー密度を有する区域の遠く離れた照明およびビーム形成においてＬＥＤ照明に対して有利である。

図７Ａは一実施形態によるマルチビームイメージングシステムのＶＣＳＥＬアレイ７０１の放出区域の写真７００である。写真７００はデジタル顕微鏡で取得される。図７Ａに示されるように、ＶＣＳＥＬアレイ７０１の放出区域は直径がおよそ３ｍｍである。ＶＣＳＥＬアレイ７０１はＶＣＳＥＬ７０２等の個々のＶＣＳＥＬを含む。図７Ａに示されるように、アレイの各ＶＣＳＥＬは六角形を有する。図７Ａに示されるように、アレイのＶＣＳＥＬは単一のビームを生成するために円形パターンに配置される。一実施形態では、ＶＣＳＥＬアレイは、ビーム発散角を粒子の影画像を取得するために背景照明の均一性を増加させるために２０度の典型的なＶＣＳＥＬビーム発散角からおよそ７度に減少させるようにレンズを備える。

一実施形態では、複数の照明光ビームを生成するための一または二以上のＶＣＳＥＬアレイを含むマルチビーム粒子イメージングシステムは背景からスペックルを除去すること、および回折パターンを低減または除去することにより画質を実質的に改善する。一実施形態では、複数の照明光ビームを生成するための一または二以上のＶＣＳＥＬアレイを含むマルチビーム粒子イメージングシステムは明視野光学顕微鏡用途のための見通し内構成に配置される。

図７Ｂは、一実施形態による、シーンがＬＥＤ光源により照らされる時に長距離顕微鏡によりキャプチャされる解像度チャート７１１およびシーンがＶＣＳＥＬ光源により照らされる時に長距離顕微鏡によりキャプチャされる解像度チャート７１２を示す図７１０である。ＬＥＤおよびＶＣＳＥＬ照明光源の両方がパルス化され、カメラは光パルスと同期される。

図７Ｂに示されるように、解像度チャート７１２は解像度チャート７１１よりも均一でスペックルのない光強度分布を表している。図７Ｂに示されるように、解像度チャート７１２は解像度チャート７１１と比較して光強度分布のトップハットに近いプロファイルを有する。図７Ｂに示されるように、解像度チャート７１２は解像度チャート７１１の解像度よりも高い解像度を表す。

図８は複数の照明光ビームを生成するためのＶＣＳＥＬ光源を含むマルチビームイメージングシステムの別の実施形態を例示する概略図８００である。図８に示されるように、交差する照明光ビーム８０１および８０２はレンズ８１８を通って伝搬する。レンズ８１８は焦点距離８１６および焦点距離８１７を有する。粒子８０３および８０４はそれぞれ平面８１１および８０８において照明光ビーム８０１および８０２を重ね合わせることにより形成される測定ボリュームを通過する。−影８０５および８０６等の−粒子の影を形成する照明光ビームはレンズ８１８およびデジタルカメラ−例えば、ＣＭＯＳ、ＣＣＤアレイ、または他のデジタルカメラに入る。

初めに、平面８０８はレンズ８１８の焦点面である。レンズ８１８の焦点面における粒子８０４は撮像面８０９上の単一の焦点の合っている影画像８０７を生成する。粒子８０３等の焦点面から離れた粒子は撮像面に二つの焦点の合わない影画像を生成する。カメラが平面８１１に再び焦点を合わせた後、粒子８０３の個々の影は撮像面８１２において単一の影８１３に崩壊し、その一方で撮像面８０９における影は個々の影８１４および個々の影８１５に分離し得る。

被写界深度および錯乱円は一般的にイメージングシステムの要件により設定される。しかしながら、粒子大きさ分布を測定するためにイメージングシステムを使用する際、被写界深度の問題は測定誤差の最も深刻な原因のうちの一つである。一般的に、被写界深度は光学機器が被写体の鮮明な画像を生成する範囲を指す。焦点の合わない粒子画像の大きさが真値とは異なるように見えるため、受信光学系の被写界深度の外側で検出された粒子により測定誤差が著しく増加する。

カメラは照明により生成される明るい背景からそれらを検出することおよび識別することにより個々の粒子により生成される減衰または影パターンを監視する。適切で十分な照明は高品質のイメージングデータを取得するために慎重に調整される必要のある重要なパラメータである。そのため、ＣＭＯＳカメラで背景強度を測定し、高品質な粒子画像をキャプチャするためにそれに応じて光強度を調整することができることが最も重要である。

図９Ａは、一実施形態による、マルチビームイメージング装置のＶＣＳＥＬシステムにより生成されるビームを収束させることにより照らされる背景９０１の画像を示す図９００である。図９Ａに示されるように、−位置９０３および位置９０２等の−背景９０１の異なる位置においてＶＣＳＥＬ光源の収束光ビームにより生成される照明光強度は類似であり、そのため背景９０１全体にわたる光強度の分布は均一である。滑らかで均一な背景照明は画像処理アルゴリズムの適切な動作に寄与し、画像処理アルゴリズムは特徴を識別し、特徴の大きさを定量化するために背景と粒子との間の強度コントラストに頼る。

図９Ｂは、一実施形態による、マルチビームイメージング装置のＶＣＳＥＬ照明を使用して生成された単分散液滴９１１の画像を示す図９１０である。図９Ｂに示されるように、背景照明は均一であり、スペックルまたは回折ノイズを示さない。

図９Ｃは、別の実施形態による、マルチビームイメージング装置のＶＣＳＥＬ照明を使用して生成された単分散液滴９２１の画像を示す図９２１である。この画像は図９Ｂにおける画像の背景照明よりも低い背景照明を用いて取得された。図９Ｃに示されるように、画像９２１上の背景照明はスペックルおよび回折ノイズのない均一なグレー照明である。

図１０は、一実施形態による、マルチビームイメージング装置のＶＣＳＥＬ照明を使用して生成された高密度スプレー画像１００１を示す図１０００である。高密度スプレー画像１００１は、図１１および１２に示されるように、従来の光源を使用して生成された画像と比較して焦点の合っている粒子（暗い影）と焦点の合わない粒子（グレーの背景）との間の増加したコントラストを示す。

図１１は、一実施形態による、マルチビームダイオードレーザを使用して照らされた希薄な粒子場１１０１の画像を示す図１１００である。この画像において、マルチビームによるアプローチのために滑らかになった背景上のスペックルの特徴を観察することができる。背景光強度分布は均一でなく、局所的な分散はかなり高いために画像処理方法に負荷がかかり、粒子の特性評価の結果の品質が低下する。

図１２は、一実施形態による、マルチビームダイオードレーザを使用して照らされた高密度粒子場１２０１の画像を示す図１２００である。図１２に示されるように、背景は図１１に示される背景よりもはるかに混沌としており、局所レベルでも強度の差が大きくなっている。背景照明強度におけるこの高レベルの散乱は、粒子がイメージングシステムの焦点面から外れている間にビームに干渉する粒子により生成される複数の回折パターンに起因する。スペックルおよび回折は粒子画像を識別することおよび測定することにおけるソフトウェアのエラーを増加させる。

図１３は粒子をイメージングするためのシステム１３００の別の実施形態を示す図である。実施形態１３００は送信システム１３０１を備える。送信システム１３０１は光ビーム１３０２および１３０３等の複数の照明光ビームを生成する一または二以上の光源−例えば、ＶＣＳＥＬアレイ１３２１およびＶＣＳＥＬアレイ１３２２−を備える。送信システム１３０１はトリガ光ビーム１３０４を生成するための光源１３２３を含む。送信システム１３０１は照明光ビームをデジタルカメラシステム１３０８に同期させるための同期モジュール１３２４を備える。照明光ビームは粒子−例えば、粒子１３０５および１３０６−を備える粒子場を通って複数の光学経路上を伝搬するように構成される。照明光ビームはイメージングシステムの焦点面において測定ボリューム１３１４を形成するために収束するように構成される。図１３の照明光ビームは図１、２および３の照明光ビームにより表される。ある実施形態では、上述のように、送信システム１３０１の照明光源はＶＣＳＥＬ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、またはその両方を備える。ある実施形態では、複数の照明光ビームは一または二以上のＶＣＳＥＬアレイにより生成される。

ある実施形態では、トリガ光源により生成されるトリガ光ビーム１３０４は測定ボリューム１３１４の中心を通って伝搬する。ある実施形態では、トリガ光源はレーザ、ＬＥＤ、またはその両方を備える。

受信システムは、上述のように、撮像光学系−例えば、一または二以上のレンズ１３０７−および焦点面において測定ボリュームを通過する粒子の影画像を提供するための一または二以上のデジタルカメラを備えるデジタルカメラシステム１３０８を備える。一実施形態では、トリガビームの波長は照明光ビームの波長とは異なる。粒子が測定ボリュームを通過する際、トリガ光ビーム１３１４は、粒子から、一または二以上のレーザ光源を駆動するために論理回路１３１２に測定ボリューム１３１４における粒子の存在を示すトリガ信号１３２５を出力する光検出器システム１３１１上に屈折される。論理回路１３１２は収束照明光ビームを生成するために田周防システム１３０１の一または二以上の光源を駆動するためにトリガ信号１３２６を出力する。論理回路１３１２はトリガ信号１３２５をトリガデジタルカメラシステム１３０８に出力する。一実施形態では、複数のＶＣＳＥＬレーザは複数の方向から粒子場を照らすために同時に使用される。トリガレーザおよび光検出器は測定ボリュームにおける粒子の存在を検出するために使用される。この情報は複数の照明ビームをパルス化するために使用される。レーザビームはＣＭＯＳセンサ上に粒子の凍結した影（例えば、明視野画像）を作り出す受信レンズにより組み合わせられる。マルチアングル照明の使用により従来の機器では問題だった被写界深度の変化に起因する測定誤差が著しく低減する。

イメージングシステムは、図３に関連して上述されたように、照明光ビームを複数のデジタルカメラ上に分割するための一または二以上のビームスプリッタ（図示されていない）を任意選択的に備えることができる。画像の取得および処理システム１３１０はデジタルカメラシステム１３０８に結合される。処理システム１３１０は、本明細書に記載のように、本方法を実行するためのプロセッサ１３１５、メモリ１３１６、およびディスプレイ１３１７を備える。ある実施形態では、プロセッサ１３１５は焦点の合っている粒子を識別することを伴う粒子分析を実行するように構成され、様々な形状パラメータを計算して粒子を分類する。ある実施形態では、プロセッサ１３１５は液滴と氷の結晶との間を区別するように構成される。

図１４は、一実施形態による、粒子のマルチビームイメージングを提供するための方法１４００のフローチャートを示す。工程１４０１において、上述のように、粒子場内に測定ボリュームを形成するために互いに収束する複数の光ビームは測定ボリュームの背景照明の均一性を提供するために複数の垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を使用して生成される。工程１４０２において、デジタルカメラの焦点面において測定ボリュームを通過する粒子の影画像が取得される。工程１４０３において、取得された影画像と背景照明との間のコントラストが決定される。工程１４０４において、コントラストに基づいて粒子が識別される。工程１４０５において、上述のように、影画像に基づいて識別された粒子の大きさが決定される。

図１５は、別の実施形態による、粒子のマルチビームイメージングを提供するための方法１５００のフローチャートを示す。工程１５０１において、上述のように、粒子場内に測定ボリュームを形成するために互いに収束する複数の光ビームは測定ボリュームの背景照明の均一性を提供するために複数のＶＣＳＥＬを使用して生成される。工程１５０２において、背景照明の均一性が監視される。例えば、画像上の背景区域の異なる位置における背景照明の差が所定の閾値よりも大きいかどうかが決定される。工程１５０３において、監視に基づいてＶＣＳＥＬのうち少なくとも一つの出力ビームが調整される。例えば、画像上の背景区域の異なる位置における背景照明の差が所定の閾値よりも大きい場合、背景照明の均一性を増加させるために、ＶＣＳＥＬのうち少なくとも一つの一または二以上のパラメータ（例えば、出力光強度、角度、パルス、波長、またはそれらの任意の組合せ）が調整される。工程１５０４において、調整された背景に基づいてデジタルカメラの焦点面における測定ボリュームを通過している粒子の影画像が決定される。

図１６Ａは粒子をイメージングするためのシステムの一実施形態を例示する。システム１６２０は、取付け器具１６２１および取付け器具１６２２等の、一または二以上の取付け器具を備える。取付け器具１６２１は、ＶＣＳＥＬアレイ１６２３およびＶＣＳＥＬアレイ１６２４等の、複数のＶＣＳＥＬ光源を備える送信サブシステムの一部を保持する。取付け器具１６２２は、ＶＣＳＥＬアレイ１６２５およびＶＣＳＥＬアレイ１６２６等の、複数のＶＣＳＥＬ光源を備える送信サブシステムの一部を保持する。ＶＣＳＥＬ光源の各々は照明レーザビームを形成するためにＶＣＳＥＬアレイの出力に結合される一または二以上の集束レンズを備える。上述のように、照明レーザビーム１６２７および照明レーザビーム１６２８等の、複数の照明レーザビームは測定ボリュームに関連付けられた背景照明の均一性を提供するために粒子場内に測定ボリュームを形成するために互いに収束するＶＣＳＥＬ光源により生成される。ある実施形態では、上述のように、システム１６００は第一のデジタルカメラの焦点面において測定ボリュームを通過している粒子の影画像を提供するための撮像光学系を備える受信モジュール（図示されていない）を備える。

図１６Ｂは粒子をイメージングするためのシステムの一実施形態を例示する。図１６Ｂに示されるように、システム１６００は、上述のように、粒子１６０３を照らすために測定ボリュームを形成するために収束する照明光ビームを生成するための複数のＶＣＳＥＬを含む送信機１６０５を含む。図１６Ｂに示されるように、上述のように、受信機１６０２は粒子１６０３の影を受信するために結合される。図１６Ｂに示されるように、受信機１６０６は信号プロセッサ１６０４に結合される。図１６Ｂに示されるように、セントラルプロセッシングユニット（「ＣＰＵ」）を備えるサブシステム１６０６、ディスプレイデバイスに結合されてもよいグラフィックプロセッシングユニット（「ＧＰＵ」）を備えるサブシステム１６０７、一または二以上のＩ／Ｏデバイスに結合された一または二以上のＩ／Ｏコントローラを備える一または二以上のサブシステム１６０８、（揮発性ＲＡＭ、ＲＯＭおよび不揮発性メモリ（例えば、フラッシュメモリもしくはハードドライブ）、またはそれらの任意の組合せを備える）メモリ１６０５、ならびにマイクロコントローラを備える信号プロセッサ１６０４はバス１６０９に結合される。サブシステム１６０６および信号プロセッサ１６０４のうち少なくとも一つは上述の方法を実行するように構成される。メモリ１６０５はデータ処理システムによりアクセスされると、上述のように、データ処理システムに粒子のマルチビームイメージングを提供するための一または二以上の方法を実行させるデータを格納するために使用され得る。

前述の明細書において、本発明はこれらの固有の例示的な実施形態を参照して説明された。しかしながら、本発明のより広い精神および範囲から逸脱することなく本発明に対して様々な修正および変更がなされ得ることは明らかであろう。したがって、明細書および図面は制限する意味よりもむしろ例示する意味であると見なされるべきである。

Claims (26)

1. マルチビームイメージングを提供するための装置であって、
   複数の垂直共振器面発光レーザであって、測定ボリュームに関連付けられた背景照明の均一性を提供するため、粒子場内に測定ボリュームを形成するために互いに収束する複数の光ビームを生成するための複数の垂直共振器面発光レーザと、
   前記複数の垂直共振器面発光レーザのうち少なくとも一つに結合された撮像光学系と、
   第一のデジタルカメラであって、前記第一のデジタルカメラの焦点面において前記測定ボリュームを通過する第一の粒子の第一の影画像を取得するために前記撮像光学系に結合された第一のデジタルカメラと、
   前記第一のデジタルカメラに結合されたプロセッサと、
   を備える、装置。
2. 前記第一の影画像と前記背景照明との間のコントラストは前記焦点面の外側の第二の粒子の第二の影画像と前記背景照明との間のコントラストよりも大きい、請求項１に記載の装置。
3. 前記複数の光ビームの各々は少なくとも二つの垂直共振器面発光レーザにより生成される、請求項１に記載の装置。
4. 前記複数の垂直共振器面発光レーザは少なくとも六つの垂直共振器面発光レーザを備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記複数の垂直共振器面発光レーザは同一の波長を生成するように構成される、請求項１に記載の装置。
6. 前記複数の光ビームの各々は７度以下のビーム発散角を有する、請求項１に記載の装置。
7. 前記複数の垂直共振器面発光レーザの出力電力は少なくとも７５０ｍＷである、請求項１に記載の装置。
8. プロセッサは前記背景照明を監視するように構成され、前記プロセッサは前記第一の影画像を取得するために監視された背景照明に基づいて前記複数の垂直共振器面発光レーザのうち少なくとも一つの強度を調整するように構成される、請求項１に記載の装置。
9. 前記プロセッサは前記背景照明から前記第一の影画像を決定するように構成され、前記プロセッサは前記第一の影画像に基づいて前記第一の粒子を識別するように構成され、前記プロセッサは前記第一の影画像に基づいて識別された第一の粒子の大きさを決定するように構成される、請求項１に記載の装置。
10. 前記複数の垂直共振器面発光レーザのうち少なくとも一つはパルスビームを生成するように構成される、請求項１に記載の装置。
11. 前記背景照明はスペックルおよび回折パターンがない、請求項１に記載の装置。
12. 前記複数の垂直共振器面発光レーザのうち少なくともいくつかは垂直共振器面発光レーザアレイの一部である、請求項１に記載の装置。
13. 前記複数の垂直共振器面発光レーザのうち少なくともいくつかは円形パターンに配置される、請求項１に記載の装置。
14. 粒子のマルチビームイメージングを提供するための方法であって、
    測定ボリュームの背景照明の均一性を提供するため、複数の垂直共振器面発光レーザを使用して粒子場内に測定ボリュームを形成するために互いに収束する複数の光ビームを生成することと、
    第一のデジタルカメラの焦点面において測定ボリュームを通過する第一の粒子の第一の影画像を取得することと、
    を含む、方法。
15. 前記焦点面の外側の第二の粒子の第二の影画像を生成すること、
    をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第一の影画像と前記背景照明との間のコントラストを決定すること、
    をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
17. 前記複数の光ビームの各々は少なくとも二つの垂直共振器面発光レーザにより生成される、請求項１４に記載の方法。
18. 前記複数の垂直共振器面発光レーザは同一の波長を生成するように構成される、請求項１４に記載の方法。
19. 前記背景照明を監視することと、
    前記第一の影画像を取得するために監視された背景照明に基づいて前記複数の垂直共振器面発光レーザのうち少なくとも一つを調整することと、
    をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
20. 前記背景照明から前記第一の影画像を決定することと、
    前記第一の影画像に基づいて前記第一の粒子を識別することと、
    前記第一の影画像に基づいて識別された第一の粒子の大きさを決定することと、
    をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
21. 非一時的な機械可読媒体であって、データ処理システムによりアクセスされると、前記データ処理システムに
    測定ボリュームの背景照明の均一性を提供するため、複数の垂直共振器面発光レーザを使用して粒子場内に測定ボリュームを形成するために互いに収束する複数の光ビームを生成することと、
    第一のデジタルカメラの焦点面において前記測定ボリュームを通過する第一の粒子の第一の影画像を取得することと、
    を含む粒子を撮像するための方法を実行させるデータを含む、非一時的な機械可読媒体。
22. 前記データ処理システムに
    前記焦点面の外側の第二の粒子の第二の影画像を生成すること、
    を含む動作を実行させるための命令をさらに含む、請求項２６に記載の非一時的な機械可読媒体。
23. 前記データ処理システムに
    前記第一の影画像と前記背景照明との間のコントラストを決定すること、
    を含む動作を実行させるための命令をさらに含む、請求項２６に記載の非一時的な機械可読媒体。
24. 前記複数の光ビームの各々は少なくとも二つの垂直共振器面発光レーザにより生成される、請求項２６に記載の非一時的な機械可読媒体。
25. 前記データ処理システムに
    前記背景照明を監視することと、
    前記第一の影画像を取得するために監視された背景照明に基づいて前記複数の垂直共振器面発光レーザのうち少なくとも一つの強度を調整することと、
    を含む動作を実行させるための命令をさらに含む、請求項２６に記載の非一時的な機械可読媒体。
26. 前記データ処理システムに
    前記背景照明から前記第一の影画像を決定することと、
    前記第一の影画像に基づいて前記第一の粒子を識別することと、
    前記第一の影画像に基づいて識別された第一の粒子の大きさを決定することと、
    を含む動作を実行させるための命令さらに含む、請求項２６に記載の非一時的な機械可読媒体。

Images