JPH0458137A - Optical system for heterodyne particulate detector - Google Patents

Optical system for heterodyne particulate detector

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Publication number
JPH0458137A
JPH0458137A JP2169336A JP16933690A JPH0458137A JP H0458137 A JPH0458137 A JP H0458137A JP 2169336 A JP2169336 A JP 2169336A JP 16933690 A JP16933690 A JP 16933690A JP H0458137 A JPH0458137 A JP H0458137A
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JP
Japan
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beat signal
beam splitter
scattered light
power
ratio
Prior art date
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Application number
JP2169336A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tadashi Suda
須田 匡
Ryozo Okada
岡田 亮三
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi High Tech Corp
Original Assignee
Hitachi Electronics Engineering Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Electronics Engineering Co Ltd filed Critical Hitachi Electronics Engineering Co Ltd
Priority to JP2169336A priority Critical patent/JPH0458137A/en
Publication of JPH0458137A publication Critical patent/JPH0458137A/en
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Abstract

PURPOSE:To increase the SN ratio by specifying the distribution ratio of the measurement beam and reference beam of a 1st beam splitter and the composition ratio of the scattered light and interference beam of a 2nd beam splitter. CONSTITUTION:Shot noises due to respective beams which are inputted to an avalanche photodiode 7 are calculated. Namely, the laser beam from a light source 1 is split by the 1st beam splitter 2a into the measurement beam and reference beam and the scattered light due to particulates in sample air and the interference beam obtained by shifting the reference beam by a proper shift frequency are put together by the 2nd beam splitter 2b to generate a beat signal of shift frequency. Then the distribution ratio of the measurement beam and reference beam of the 1st beam splitter 2a and the composition ratio of the scattered light and interference beam of the 2nd beam splitter 2b are set almost to 0.0:0.1. Consequently, the decrease of the beat signal is minimized and the SN ratio which is as large as possible is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業−1−の利用骨!l!チコ この発明はヘテロダイン方式の微粒子検出器の光学系に
関し、詳しくはレーザビームに対するビームスプリッタ
の分配比を、受光器の出力電流のS/Nが最適値となる
ように設定した光学系に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industry-1- Use of bone! l! This invention relates to an optical system for a heterodyne type particle detector, and more specifically to an optical system in which the distribution ratio of a beam splitter to a laser beam is set so that the S/N of the output current of a photoreceiver becomes an optimum value. be.

[従来の技術] 半導体ICなどの微細で精密な電−f部品は、塵埃など
の微粒子に汚染されると品質が劣化するので清浄度の良
好なりリーンルーム内で製造される。
[Prior Art] Fine and precise electric components such as semiconductor ICs deteriorate in quality if they become contaminated with particulates such as dust, so they are manufactured in a lean room with good cleanliness.

クリーンルームの清浄度は微粒子検出器により計711
11される。従来の微粒子検出器としては、クリーンル
ームより採取されたサンプルエアに対してレーザビーム
を照射し、その散乱光を受光して微粒子を検出する方式
が専ら使用されている。最近においては、ICの集積度
の高密度化に伴って微粒子検出器の検出感度を向」ニジ
、最小検出粒径をさらに小さくすることが要請されてい
る。これに対して有力な方法として、「昭和63−63
944号、半導体プロセスにおける塵埃測定方法および
測定装置」が特許出願公開されている。
The cleanliness level of the clean room was determined by a particle detector to be 711.
11. Conventional particle detectors have exclusively used a method in which sample air collected from a clean room is irradiated with a laser beam and the scattered light is received to detect particles. Recently, as the degree of integration of ICs has increased, there has been a demand to improve the detection sensitivity of particle detectors and to further reduce the minimum detectable particle size. As a promising method for this, “1988-63
No. 944, “Method and Apparatus for Measuring Dust in Semiconductor Processing” has been published as a patent application.

第3図は上記の特許出願公開にかかる測定装置の1実施
例の構成を示す。レーザ光源1よりの周波数f、のレー
ザビームは第1のビームスプリッタ(BSI )2aに
より測定ビームLSと参照ビームLRに分割され、測定
ビームLSは検出セル3に入射する。これに対してサン
プルエアSAを直交させ、微粒子の散乱光SSを集光レ
ンズ系4により集光して第2のビームスプリッタ(BS
2)2bに入力する。一方、参照ビームLRは音響光学
変調器(AOM)5において、発振X (O8C)5a
よりの周波数Δfの正弦波信号によりソフトされて周波
数(fo+Δr)の干渉ビームLR’となり、ミラー6
を経由してBS2に入力して散乱光SSと合成される。
FIG. 3 shows the configuration of one embodiment of the measuring device according to the above-mentioned patent application publication. A laser beam with a frequency f from the laser light source 1 is split by a first beam splitter (BSI) 2a into a measurement beam LS and a reference beam LR, and the measurement beam LS is incident on the detection cell 3. The sample air SA is orthogonal to this, and the scattered light SS of the particles is focused by the condensing lens system 4 and sent to the second beam splitter (BS
2) Enter in 2b. On the other hand, the reference beam LR is transmitted to the acousto-optic modulator (AOM) 5 by the oscillation X (O8C) 5a
It is softened by a sine wave signal with a frequency Δf of
The light is input to the BS2 via the BS2 and is combined with the scattered light SS.

合成によりシフト周波数Δfのビート信号(光)が発生
し、アバランシェ・ホトダイオード7によりビート信号
電流IBに変換されて微粒子が検出される。
The synthesis generates a beat signal (light) with a shift frequency Δf, which is converted into a beat signal current IB by the avalanche photodiode 7, and fine particles are detected.

いま、干渉ビームLR’ と散乱光SSの電場の振幅を
それぞれER,ΔEとすると、BS2による合成信号の
パワーPは両者の位相差を無視して次式で表される。
Now, assuming that the amplitudes of the electric fields of the interference beam LR' and the scattered light SS are ER and ΔE, respectively, the power P of the composite signal from BS2 is expressed by the following equation, ignoring the phase difference between the two.

P=ER2+ΔE2 +2八EeERcos (2πΔf t )−・−・・
(+)ここで、右辺の第1.第2項は干渉ビームと’7
11j定ビームの直流分である。第3項はビート信号の
パワーを示し、散乱光SSの振幅ΔEは干渉ビームによ
り2ER倍され、ΔEに比べてERは非常に大きくでき
るので、散乱光SSを直接検出するよりは良好な感度で
ビート信号電流IBかえられるものとされる。
P=ER2+ΔE2 +28EeERcos (2πΔft)−・−・・
(+) Here, the first . The second term is the interference beam and '7
11j is the DC component of the constant beam. The third term indicates the power of the beat signal, and the amplitude ΔE of the scattered light SS is multiplied by 2ER by the interference beam, and since ER can be much larger than ΔE, it has better sensitivity than directly detecting the scattered light SS. It is assumed that the beat signal current IB can be changed.

[解決しようとする課題] 1−記の式(1)の第3項のビート信号を大きくするた
めには、BSl とBS2の分配比を適切に選定して八
E−ERを大きくすればよい。いま、レーザ光源1の出
力するパワーをPO,BSl の分配比をrH:n2と
し、BS2の分配比(合成比というも同じ)をrrB:
m2とする。n2:1−rB 、 m2 =l −m!
 であり、添字1は測定ビーム側を、添字2は参照ビー
ムまたは干渉ビーム側を示す。ここで、ΔE2は(nl
 rrB P□ )に比例し、ER2は(n2m2Po
)に比例スルコトは明らかである。従って、ΔE@ER
は(n1m102m2)//2Poに比例する。いま便
宜上、両ビームスプリッタの分配比を同一の、nl =
fnl:Nl 、n2 :m2 =N2とし、Nl/N
2に対する(nr mt n2m2) J/2= (N
t N2 )の変化を計算すると第4図の曲線がえられ
る。Nl =N2=0.5、すなわちNt /N2 =
1のとき、(NI N2 )は0.25となり、Nl/
N2が1より小さいとき、または大きいときは(NI 
N2 )はいずれも小さくなる。すなわち、両ビームス
プリッタの分配比をそれぞれ0.5とするとき、ビート
信号が最大値となる。
[Problem to be solved] In order to increase the beat signal in the third term of equation (1) in 1-, the distribution ratio of BSl and BS2 should be appropriately selected to increase 8E-ER. . Now, the power output from the laser light source 1 is PO, the distribution ratio of BS1 is rH:n2, and the distribution ratio of BS2 (same as combining ratio) is rrB:
Let it be m2. n2:1-rB, m2=l-m!
where the subscript 1 indicates the measurement beam side, and the subscript 2 indicates the reference beam or interference beam side. Here, ΔE2 is (nl
rrB P□ ), and ER2 is (n2m2Po
) is obvious. Therefore, ΔE@ER
is proportional to (n1m102m2)//2Po. For convenience, the distribution ratios of both beam splitters are the same, nl =
fnl:Nl, n2:m2 =N2, Nl/N
(nr mt n2m2) J/2= (N
By calculating the change in t N2 ), the curve shown in FIG. 4 is obtained. Nl = N2 = 0.5, that is, Nt /N2 =
1, (NI N2 ) becomes 0.25, and Nl/
When N2 is smaller than 1 or larger than (NI
N2) become smaller. That is, when the distribution ratios of both beam splitters are each 0.5, the beat signal has a maximum value.

さて、上記の測定装置においてはビート信号を光電変換
するために使用されているアバランシェ・ホトダイオー
ド7は、光電子増倍管と同様に増幅作用を有し、しかも
高電圧が不要で、久方に対して飽和限界が大きいなどの
優れた特長のある光電変換素子であるが、その欠点とし
て光入力により78ツトノイズを発生する。これに対し
て、−1−記の式(1)で示した合成信号のパワーPに
含まれCいる直流分のER2とΔE2は、そのままホト
ダイオード7に入力するのでショットノイズの原因とな
る。なお、検出セル内には、この他にサンプルエアのエ
ア分子によるレーリー散乱光や背景の雑光があり、これ
らも同様に入力してやはりショットノイズの原因となる
。従って、これらによるシ1 ットフイズを考慮して、
ビート信号のS/Nが最大となるようにビームスプリッ
タ(7) 分配比N1:N2を設定することが必要であ
る。
Now, in the above measurement device, the avalanche photodiode 7 used to photoelectrically convert the beat signal has an amplification effect similar to a photomultiplier tube, and also does not require high voltage, so it can be used for a long time. Although this photoelectric conversion element has excellent features such as a large saturation limit, its drawback is that it generates 78t noise due to optical input. On the other hand, the direct current components ER2 and ΔE2 included in the power P of the composite signal expressed by the formula (1) in -1- are input to the photodiode 7 as they are, causing shot noise. In addition, inside the detection cell, there are Rayleigh scattered light due to air molecules of the sample air and background noise light, which are also inputted and cause shot noise. Therefore, taking into account the shutoff caused by these,
It is necessary to set the distribution ratio N1:N2 of the beam splitter (7) so that the S/N of the beat signal is maximized.

この発明は、アバランシェ・ホトダイオードのノイズ特
性を考慮してビームスプリッタの最適の分配比を計算に
より求め、このような分配比のビームスプリッタにより
ヘテロダイン方式の微粒子検出器の光学系を構成するこ
とを[1的とするものである。
This invention calculates the optimal distribution ratio of a beam splitter in consideration of the noise characteristics of an avalanche photodiode, and constructs an optical system of a heterodyne type particle detector using a beam splitter with such a distribution ratio. This is the first objective.

[課題を解決するための手段コ この発明は、光源よりのレーザビームを第1のビームス
プリッタにより測定ビームと参照ビームに分割し、測定
ビームに対してサンプルエアヲ直交し、サンプルエアに
含まれている微粒子による散乱光と、参照ビームを適当
なシフト周波数によりシフトした干渉ビームとを第2の
ビームスプリッタにより合成してシフト周波数のビート
信号を発生し、ビート信号をアバランシェ・ホトダイオ
ードにより受光して微粒子を検出するヘテロダイア方式
の微粒子検出器における光学系であって、第1のビーム
スプリッタの測定ビームと参照ビームの分配比、および
第2のビームスプリンタの散乱光と干渉ビームの合成比
とを、それぞれほぼ0゜9:0.1とするものである。
[Means for Solving the Problems] In this invention, a laser beam from a light source is split into a measurement beam and a reference beam by a first beam splitter, and the sample air is orthogonal to the measurement beam. A second beam splitter generates a beat signal at the shifted frequency by combining light scattered by the particles and an interference beam obtained by shifting the reference beam at an appropriate shift frequency.The beat signal is received by an avalanche photodiode. An optical system in a heterodia type particle detector for detecting particles, which has a distribution ratio between a measurement beam and a reference beam of a first beam splitter, and a combination ratio of scattered light and interference beam of a second beam splitter, The ratio is approximately 0°9:0.1, respectively.

[作用コ この発明においてはアバランシェ・ホトダイオードに入
力する各ビームによるショットノイズの計算がなされ、
この結果検出セル内の雑光と、サンプルエアのレーリー
散乱光はともに微小であるので無視し、また、微粒子の
散乱光とビート信号によるショットノイズは、干渉ビー
ムのそれに比較して小さいことが判明したので、ビート
信号のパワーSと、−1渉ビームによるショットノイズ
のパワーNの(S/N)Pに対するビームスプリッタの
分配比の寄(jが計算され、これをほぼ0.9二0.1
とすることが最適と判定されたもので、この分配比を有
する第1および第2のビームスプリッタを使用すること
によりビート信号の低ドを必堡最小限にとどめ、可及的
に大きいS/Nがえられるものである。
[Operations] In this invention, shot noise due to each beam input to the avalanche photodiode is calculated,
As a result, it was found that the stray light inside the detection cell and the Rayleigh scattered light of the sample air are both minute and can be ignored, and that the shot noise caused by the scattered light of particles and the beat signal is small compared to that of the interference beam. Therefore, the ratio (j) of the distribution ratio of the beam splitter to (S/N)P of the power S of the beat signal and the power N of the shot noise due to the -1 beam is calculated, and this is approximately 0.920. 1
By using the first and second beam splitters having this distribution ratio, the low frequency of the beat signal can be kept to a minimum, and the S/ N can be obtained.

[実施例] 第1図(a)、(b)は、この発明によるヘテロダイン
微粒子検出器の光学系の根拠となる、アバランシェ・ホ
トダイオードにおけるビート信号とンヨソトノイズのS
/Nの計算方法とその結果を示す。
[Example] Figures 1(a) and 1(b) show the S of the beat signal and noise in the avalanche photodiode, which is the basis of the optical system of the heterodyne particle detector according to the present invention.
The calculation method of /N and its results are shown below.

図(a)において、レーザ光源1よりのレーザビームの
パワーをpoとし、BSI とPS2の分配比を同一の
Nl:N2とする。BSI により分割された測定ビー
ムLSのパワーはN1 Paで、微粒子の散乱光SSは
kSを比例係数として(kSN+Po)で表され、これ
がPS2を透過した散乱光のパワーPSは次式となる。
In Figure (a), the power of the laser beam from the laser light source 1 is po, and the distribution ratio of BSI and PS2 is the same, Nl:N2. The power of the measurement beam LS divided by the BSI is N1 Pa, the scattered light SS of the particles is expressed as (kSN+Po) with kS as a proportionality coefficient, and the power PS of the scattered light transmitted through PS2 is given by the following equation.

PS = kS(Nl) 2 P□         
−・−・(2)次に、参照ビームLRのパワー(N2 
PO)は、F−P光学変調n (AOM)5において、
シフト周波数Δfたけシフトされて干渉ビームLR’ 
となるが、AOMの回折効率kR(<1)によりパワー
が低下して(kRN2 PO)となり、これがPS2に
より反射され、ホトダイオードに人力する(−渉ビーム
のパワーPRは次式となる。
PS = kS (Nl) 2 P□
--- (2) Next, the power of the reference beam LR (N2
PO) is F-P optical modulation n (AOM)5,
The interference beam LR' is shifted by the shift frequency Δf.
However, due to the diffraction efficiency kR (<1) of the AOM, the power decreases to (kRN2 PO), which is reflected by PS2 and applied to the photodiode (-The power PR of the beam is given by the following equation.

PR=kR(N2)” Po        ・”−(
3)次にビート信号のパワーpBは、前記した式(1)
の第3項に対してER2=PR、ΔE2 =PSとおく
と次式となる。
PR=kR(N2)" Po ・"-(
3) Next, the power pB of the beat signal is calculated using the above formula (1).
By setting ER2=PR and ΔE2=PS for the third term, the following equation is obtained.

pB = 2 (PRPS)/2 a cos(ωt)
”2 (kRks)I/2Nx N2 POacos(
ct+t)・・・・・・(4) ここで、ω=2πΔfである。なお、pBの実効値PB
は係数2がとれて、 PB = (kRkS)’/2Nx N2 PO−−(
5)である。
pB = 2 (PRPS)/2 a cos(ωt)
”2 (kRks) I/2Nx N2 POacos (
ct+t)...(4) Here, ω=2πΔf. In addition, the effective value PB of pB
has a coefficient of 2, and PB = (kRkS)'/2Nx N2 PO--(
5).

以−ににおける係数kRは前記した音響光学変調器の回
折効率で、この場合は変調器を2段使用するとして0.
72程度である。また係数kSは、kS =ap ωc
 tS / sB      −−(G)で表され、σ
pは微粒子の積分散乱断面積で、微粒子の粒径やレーザ
の波長などから計算される既知数である。ωCは集光レ
ンズ系4の集光立体角、tSは集光レンズ系の透過効率
、sBは測定ビームの断面積でこれらは検出器の構成に
依存する。
The coefficient kR in the following is the diffraction efficiency of the acousto-optic modulator described above, and in this case, assuming that two stages of modulators are used, it is 0.
It is about 72. Also, the coefficient kS is kS = ap ωc
tS/sB −−(G), σ
p is the integral scattering cross section of the fine particles, and is a known number calculated from the particle size of the fine particles, the wavelength of the laser, and the like. ωC is the solid angle of convergence of the condenser lens system 4, tS is the transmission efficiency of the condenser lens system, and sB is the cross-sectional area of the measurement beam, which depends on the configuration of the detector.

いま、微粒子の粒径を0.05μmとすると、通常では
kSは非常に小さくて10の一12乗のオーダーである
。従って式(5)の(kRkS)//2は−(3〜4)
乗オーダーである。
Now, assuming that the particle size of the fine particles is 0.05 μm, kS is normally very small, on the order of 10 to the 112th power. Therefore, (kRkS)//2 in equation (5) is -(3 to 4)
It is a power order.

次に、光入力に対するアバランシェ・ホトダイオード7
の出力電流と、ショットノイズについて説明する。一般
に、光入力のパワーPに対する出力電流iは、 I=RMP             ・・・・・・(
7)で表される。Rは感度係数(A/W) 、Mは増倍
率である。従って、ビート信号の光パワーPHに対する
出力電流(ビート信号電流)の実効値IBは、式(7)
に式(5)を入れて、 IB =RM (kRkS)I/2NIN2 PO・・
・・・・(8)となる。
Next, avalanche photodiode 7 for optical input
The output current and shot noise will be explained. Generally, the output current i for the optical input power P is I=RMP (
7). R is the sensitivity coefficient (A/W), and M is the multiplication factor. Therefore, the effective value IB of the output current (beat signal current) with respect to the optical power PH of the beat signal is given by formula (7)
Inserting formula (5) into, IB = RM (kRkS) I/2NIN2 PO...
...(8).

次に、入力光による電流ILに起因するショットノイズ
のパワーの実効値12は一般的に、12=2q IL 
*MxOB      −・”(9)で表される。ここ
で、qは電子の電荷(クーロン)で既知数であり、Xは
過剰雑音指数、Bはノイズの周波数帯域幅(Hz)であ
り、上記のR,Mとともにアバランシェ・ホトダイオー
ドに対して一意的に決まる定数である。
Next, the effective value 12 of the power of shot noise caused by the current IL due to the input light is generally 12=2q IL
*MxOB −・” (9) Here, q is the electron charge (coulombs) and is a known number, X is the excess noise figure, B is the noise frequency bandwidth (Hz), and the above It is a constant uniquely determined for the avalanche photodiode together with R and M.

さて、前記したようにkSは非常に小さり、(kRkS
)I/2もかなり小さいので、式(2)のPSと式(5
)のPHによるショットノイズは無視することができる
。また、計算過程を省略するが、検出セル内のサンプル
エアのレーリー散乱光によるショットノイズもまた無視
することができ、背景の雑光は検出セルの構造に依存す
るのでここでは評価できないが、仮に微小として無視す
る。
Now, as mentioned above, kS is very small, and (kRkS
) I/2 is also quite small, so PS in equation (2) and equation (5
) can be ignored. In addition, although the calculation process is omitted, shot noise due to Rayleigh scattered light of the sample air in the detection cell can also be ignored, and background noise cannot be evaluated here because it depends on the structure of the detection cell. Ignore it as small.

以上により問題となるショットノイズは、式(3)に示
したト渉ビームのパワーPRによる電流IRのみに起因
するものとする。IRは式(3)と(7)%式%() であり、ショットノイズのパワーiR2は、iR2:2
QIR@Mχ・B =2qRM・MχB kR(N2) 2Po  =(1
2)である。いま、ビート信号電流IBのパワーとし°
Cその自乗をとり、これとショットノイズiR2との比
をパワーのS/Nとして(S/N)Pで表rと、次式か
えられる。
As described above, it is assumed that the problematic shot noise is caused only by the current IR due to the power PR of the interfering beam shown in equation (3). IR is the formula (3) and (7)% formula% (), and the shot noise power iR2 is iR2:2
QIR@Mχ・B =2qRM・MχB kR(N2) 2Po =(1
2). Now, let us consider the power of the beat signal current IB.
The square of C is taken, and the ratio between this and the shot noise iR2 is set as the S/N of the power.(S/N)P is converted into the table r, and the following equation is obtained.

(S/N)P = (IB)2/iR2=Po kS(
Nx )2  (RM/2qMχB)・・・・・・(1
3) 上式により、(S/N)Pは光源のレーザパワーPQと
比例係数kSおよび分配比N1 の自乗にそれぞれ比例
する。また、(RM/2qMχB)はアバランシェ拳ホ
トダイオードの定数である。従って、この式によればビ
ームスプリッタの分配比の最適値は、弔にNl のみを
考慮すればよいこととなる。Nl は0〜1の値をとり
うるので、これを1とすれば最大のS/Nとなる。しか
しながら、N1=1ではN2=0となって干渉ビームか
えられず、ヘテロダイン方式が構成されない。そこで第
4図で説明したビート信号の変化曲線を参照し、「渉ビ
ームを必要最小限だけ残留させ、かつS/Nを可及的に
大きくすることが必認である。このために上式(!3)
の(Nl)2をつぎのように変形する。
(S/N)P = (IB)2/iR2=PokS(
Nx )2 (RM/2qMχB)...(1
3) According to the above equation, (S/N)P is proportional to the laser power PQ of the light source, the proportionality coefficient kS, and the square of the distribution ratio N1, respectively. Further, (RM/2qMχB) is a constant of the avalanche fist photodiode. Therefore, according to this equation, the optimal value of the distribution ratio of the beam splitter can be determined by considering only Nl. Since Nl can take a value from 0 to 1, if it is set to 1, the maximum S/N will be obtained. However, when N1=1, N2=0, and the interference beam cannot be changed, so a heterodyne system cannot be configured. Therefore, referring to the change curve of the beat signal explained in Fig. 4, it is necessary to leave only the necessary minimum amount of the crossing beam and to increase the S/N as much as possible. (!3)
(Nl)2 is transformed as follows.

(Ni  )2= (NI N2 )・(Nl/N2)
・・・・・・(14) この式の(NI N2 )は前記した第4図の曲線であ
り、これを第1図(b)に再記する。曲線は(Nl/N
2)が1〜5では緩やかに下降し、Nl/N2:10で
約3分の1となり以後急激に低下する。一方(N1)2
は Nl /N2が1〜10まではやや急激に増加する
が、以後は飽和してあまり増加しない。この発明はこの
点に着目し、BSl  とBS2の分配比をそれぞれほ
ぼ0.9:0゜1 (Nl /N2 =9)として、ビ
ート信号があまり低下しない最適のS/Nをえるもので
ある。
(Ni)2= (NI N2)・(Nl/N2)
(14) In this equation, (NI N2 ) is the curve shown in FIG. 4 described above, and this is rewritten in FIG. 1(b). The curve is (Nl/N
2) gradually decreases from 1 to 5, becomes about one-third at Nl/N2:10, and then rapidly decreases. On the other hand (N1)2
increases somewhat rapidly when Nl/N2 reaches 1 to 10, but after that it becomes saturated and does not increase much. This invention focuses on this point and sets the distribution ratio of BSl and BS2 to approximately 0.9:0゜1 (Nl /N2 = 9) to obtain an optimal S/N that does not significantly reduce the beat signal. .

第2図(a)は、この発明によるヘテロゲイン微$☆′
了検出器の光学系の実施例に対する構成を示す。
FIG. 2(a) shows the hetero gain of $☆' according to the present invention.
3 shows the configuration of an embodiment of the optical system of the end detector.

図において、BSI 2aとB522bの分配比N:N
2、すなわち、BSlの測定ビームと参照ビームの分配
比、およびBS2の散乱光と干渉ビームの合成比を同一
・の0.9:0.1とする。上記の所論により、ビート
信号は最大値のほぼ3分の1に低下するが、しかしS/
Nは最大値に近い値となる。アバランシェ・ホトダイオ
ード7よりビート信号電流IBと7ヨツトノイズB72
が出力し、適当な負荷抵抗8bに電圧を発生してアンプ
8aにより増幅される。
In the figure, the distribution ratio of BSI 2a and B522b is N:N
2, that is, the distribution ratio of the measurement beam and reference beam of BS1 and the combination ratio of the scattered light and interference beam of BS2 are set to be the same, 0.9:0.1. Due to the above argument, the beat signal will drop to approximately one-third of its maximum value, but the S/
N becomes a value close to the maximum value. Beat signal current IB from avalanche photodiode 7 and yacht noise B72
is output, generates a voltage across a suitable load resistor 8b, and is amplified by an amplifier 8a.

第2図(b)は、図(a)の光学系に対して微ネη丁の
粒径を0.05μmとし、式(13)にkS、R。
FIG. 2(b) shows the optical system of FIG. 2(a) in which the grain size of the fine particles η is 0.05 μm, and kS and R are used in equation (13).

MおよびXのデータを与え、レーザ光源のパワーpoと
ショットノイズiR2の周波数帯域幅Bをパラメータと
して計算された(S/N)Pの曲線群を示す。この場合
、アンプ8aには熱雑音が伴うのでこれも考慮されてい
る。式(13)の示すように(S/N)PはPoにほぼ
比例している。たたし、(S/N)PはBに反比例する
筈であるが、アンプ系の熱雑音などの影響により必すし
も反比例していない。
A group of curves of (S/N) P calculated by giving the data of M and X and using the power po of the laser light source and the frequency bandwidth B of the shot noise iR2 as parameters are shown. In this case, since the amplifier 8a is accompanied by thermal noise, this is also taken into consideration. As shown by equation (13), (S/N)P is approximately proportional to Po. However, although (S/N)P should be inversely proportional to B, it is not necessarily inversely proportional due to the influence of thermal noise of the amplifier system.

この曲線により、Poを15mWとし、Bを200kH
zと仮定すれば、0.05μmの粒径の微粒子は、(S
/N)P〜2.1で検出することができることが了解さ
れる。
According to this curve, Po is 15mW and B is 200kHz.
Assuming that z, fine particles with a particle size of 0.05 μm are (S
/N) It is understood that it can be detected at P~2.1.

[発明の効果] 以」二の説明により明らかなように、この発明において
はアバランシェ・ホトダイオードに入力するビート光信
号に対する出力電流と、各先人力に対するショットノイ
ズの評価がなされ、この結果M出セル内の雑光と、サン
プルエアのレーリー散乱光はともに微小であるので無視
し、また、微粒子の散乱光とビート信号による7E4ツ
トノイズは、F渉ビームのショットノイズに比較して小
さいことが判明し、ビート信号のパワーSと、干渉ビー
ムによるショットノイズのパワーNの(S/N)Pに対
するビームスプリッタの分配比の寄与の計算により、こ
れをほぼ0.9:0.1とすることが最適と結論され、
この分配比を有する第1および第2のビームスプリッタ
を使用することによりビート信号の低下を必要最小限に
とどめ、可及的に大きいS/Nとするもので、ヘテロダ
イン方式の微粒子検出器の性能の向」−に寄与する効果
には大きいものがある。
[Effects of the Invention] As is clear from the explanation below, in this invention, the output current for the beat optical signal input to the avalanche photodiode and the shot noise for each predecessor force are evaluated, and as a result, the M output cell It was found that the stray light inside the beam and the Rayleigh scattered light of the sample air are both small and ignored, and that the scattered light of particles and the 7E4 noise caused by the beat signal are small compared to the shot noise of the F beam. , by calculating the contribution of the distribution ratio of the beam splitter to (S/N)P of the power S of the beat signal and the power N of shot noise due to the interference beam, it is optimal to set this to approximately 0.9:0.1. It was concluded that
By using the first and second beam splitters having this distribution ratio, the drop in the beat signal is kept to the necessary minimum and the S/N is as high as possible, which improves the performance of the heterodyne particle detector. There are significant effects that contribute to the direction of the world.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図(a)および(b)は、この発明によるヘテロダ
イン微粒子検出器の光学系の、ビームスプリンタの最適
分配比を求めるための、S/Nの解析を説明する光学系
構成図、および曲線図、第2図(a)および(b)は、
この発明によるヘテロダイン微粒子検出器の光学系の実
施例に対する構成図、および(S/N)Pの計算値を示
す曲線図、第3図は、特許出願公開にかかるヘテロダイ
ン方式の牟埃測定装置の実施例に対する構成図、第4図
は、ビームスプリッタの分配比に対するビート信号強度
の依存特性を示す曲線図である。 ■・・・レーザ光源、 2a・・・第1のビームスプリッタ(BSl)、2b・
・・第2のビームスプリッタ(BS2)、3・・・検出
セル、     4・・・集光レンズ系、5・・・音響
光学変調器(AOM)、 5a・・・正弦波発振器、 6・・・ミラー7・・・ア
バランシェ・ホトダイオード、8a・・・アンプ、  
   8b・・・負荷抵抗、N1:N2・・・ビームス
プリッタの分配比、po・・・レーザ光源のパワー、 f、・・・レーザの周波数、Δf・・・シフト周波数、
kR・・・音響光学変調器の回折効率、kS・・・散乱
光に対する比例係数、 PR・・・干渉ビームのパワー PS・・・散乱光のパワー IB・・・ビート信号電流
、PB・・・ビート信号のパワー iR2・・・PRによるショットノイズのパワーB・・
・ショットノイズの周波数帯域幅。 第1図 (G) 1tJ  NVN2+ 第2図 (CI) Pa (mW) 第 図 第4 図 五麻・丹
FIGS. 1(a) and 1(b) are optical system configuration diagrams and curves illustrating S/N analysis for determining the optimum distribution ratio of the beam splinter in the optical system of the heterodyne particle detector according to the present invention. Figures 2(a) and (b) are
A configuration diagram of an embodiment of the optical system of the heterodyne particle detector according to the present invention, a curve diagram showing the calculated value of (S/N)P, and FIG. FIG. 4, a block diagram of the embodiment, is a curve diagram showing the dependence characteristic of the beat signal intensity on the distribution ratio of the beam splitter. ■... Laser light source, 2a... First beam splitter (BSl), 2b...
... Second beam splitter (BS2), 3... Detection cell, 4... Condensing lens system, 5... Acousto-optic modulator (AOM), 5a... Sine wave oscillator, 6...・Mirror 7...Avalanche photodiode, 8a...Amplifier,
8b...Load resistance, N1:N2...Beam splitter distribution ratio, po...Power of laser light source, f,...Laser frequency, Δf...Shift frequency,
kR...Diffraction efficiency of the acousto-optic modulator, kS...Proportionality coefficient for scattered light, PR...Power of interference beam PS...Power of scattered light IB...Beat signal current, PB... Beat signal power iR2...PR shot noise power B...
- Frequency bandwidth of shot noise. Fig. 1 (G) 1tJ NVN2+ Fig. 2 (CI) Pa (mW) Fig. 4 Fig. Goma/Tan

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)光源よりのレーザビームを第1のビームスプリッ
タにより測定ビームと参照ビームに分割し、該測定ビー
ムに対してサンプルエアを直交し、該サンプルエアに含
まれた微粒子による散乱光と、上記参照ビームを適当な
シフト周波数によりシフトした干渉ビームとを第2のビ
ームスプリッタにより合成して上記シフト周波数のビー
ト信号を発生し、該ビート信号をアバランシェ・ホトダ
イオードにより受光して上記微粒子を検出するヘテロダ
イン方式の微粒子検出器において、上記第1のビームス
プリッタの上記測定ビームと参照ビームの分配比、およ
び第2のビームスプリッタの上記散乱光と干渉ビームの
合成比とを、それぞれほぼ0.9:0.1とすることを
特徴とする、ヘテロダイン微粒子検出器の光学系。
(1) A laser beam from a light source is split into a measurement beam and a reference beam by a first beam splitter, and a sample air is perpendicular to the measurement beam, and the scattered light due to particles contained in the sample air and the above A heterodyne that generates a beat signal of the above-mentioned shift frequency by combining the reference beam with an interference beam shifted by an appropriate shift frequency using a second beam splitter, and detects the above-mentioned fine particles by receiving the beat signal with an avalanche photodiode. In the particle detector of this type, the distribution ratio of the measurement beam and reference beam of the first beam splitter and the combination ratio of the scattered light and interference beam of the second beam splitter are approximately 0.9:0, respectively. An optical system for a heterodyne particle detector, characterized in that: .1.
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