KR102104987B1 - 입자 크기 및 농도 측정을 위한 검출 스킴 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입자 크기 및 농도 측정 시스템 및 방법을 제공하는데, 이 방법은 포커싱된, 합성된, 구조화된 레이저 빔을 제공하는 단계, 이러한 빔을 입자와 상호작용시키는 단계, 상호작용 신호를 측정하고 빔과 입자의 단위 시간당 상호작용 횟수를 측정하는 단계, 및 입자 크기에 상호작용 신호를, 그리고 농도에 단위 시간당 상호작용 횟수를 맵핑시키는 알고리즘을 사용하는 단계를 포함한다.

Description

입자 크기 및 농도 측정을 위한 검출 스킴{DETECTION SCHEME FOR PARTICLE SIZE AND CONCENTRATION MEASUREMENT}
본 발명은 입자 크기 및 농도 측정 분야에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 입자 크기 및 농도를 측정하기 위한 광학적 방법의 사용에 관한 것이다.
입자 크기 및 농도 분석을 위한 다양한 기술이 존재하는데, 이들은 테리 알란의 책, 「"입자 크기 분석에 대한 소개" 티. 알렌, 입자 크기 분석 존 윌리 & 선즈; ISBN: 0471262218; 1983년 6월」에서 참조로 리뷰될 수 있다. 가장 널리 사용되는 기술은 레이저 방사선과 피측정 입자의 상호작용을 기초로 하는 광학적 기술이다. 특히, 대략 1마이크로미터 이하의 입자 크기 범위에 접근할 때, 대부분의 이러한 기술은 입자의 굴절률의 실수부와 허수부(real and imaginary part)의 영향으로 인한 부정확도에 시달린다. 예컨대, 프라운호퍼 회절 분석을 기초로 하는 기술과 같은 몇몇 기술에서 공지된 바와 같이, 광을 흡수하는 입자는 흡수에서 비롯된 에너지 손실로 인해 오버사이징(over sized)될 것이고, 한편 고농도의 입자들은 2차 산란 등으로 인해 언더 사이징(under sized)될 것이다.
이러한 문제점에 덜 민감한 광학적 기술은 과도시간(Time of Transition) 또는 TOT로 알려져 있다. 이 기술에서, 주사하는 포커싱된 레이저 빔과 입자들의 상호작용은 진폭 도메인에서가 아니라 시간 도메인에서 분석되며, 이는 굴절률의 변동에 대한 낮은 민감도를 야기한다. 이 기술의 상세한 설명은 문헌 "입자 크기에 대한 동적 이미지 분석 및 과도 시간법을 이용한 정확도 및 속도의 개선, 브루스 위너, 발터 차르누터 및 니르 카라시코프", [입자 크기 분포 Ⅲ; 평가 및 특징화; 편집자: 시어도어 프로브더 1; 볼륨 693, 발행일(인쇄):1998년 6월 10일; 저작권ⓒ 1998 아메리칸 케미컬 소사이어티]에 나타난다. 대부분의 이러한 기술에서, 상호작용 신호로부터의 기지의 레이저 빔 프로파일의 디컨볼루션(de-convolution) 알고리즘은 크기를 도출한다. 농도는 포커싱된 레이저 빔의 기지의 체적 내의 단위 시간당 상호작용의 횟수로부터 도출된다.
이러한 TOT 기술에서의 입자의 상호작용은 포커싱된 주사 레이저 빔을 통한 것이다. 더 작은 입자를 측정하기 위해서는, 더 작은 포커싱된 스폿이 사용되어야 한다. 그러나, 가우시안 레이저 빔에 대한 회절 법칙에 따라, 빔의 허리(waist)가 D라면, 빔의 발산(divergence)은 λ/D에 비례하는데, 여기서, λ는 레이저의 파장이다. 작은 입자를 분해(resolve)하는 능력과, 농도를 측정함에 있어서의 초점 체적 및 정확도 간의 트레이드 오프(trade-off)는 명백하다. 그러므로, 이러한 TOT 기술이 마이크로미터 이하의 범위의 입자들을 분해 및 측정할 목적이라면, 순간 초점 체적이 작고 입자의 상호작용 속도가 느린 낮은 농도를 측정하도록 그 능력이 제한될 것이다. 한편, 더 큰 스폿을 취하는 것은 농도 측정 속도를 향상시킬 것이지만, 크기 분석의 품질 및 해상도를 나쁘게 할 것이다.
더 짧은 파장을 사용함으로써 개선이 이루어질 수 있다. 이는 파장을 너무 짧게 하는 것이 광학부재에 의한 레이저 광의 흡수를 야기할 것이고, 액체 내 입자의 경우에 액체에 의한 흡수 또한 야기할 것이기 때문에, 단지 2배 높은 제한된 효과를 가질 수 있다.
본 발명에 의한 이전 발명(US 7,746,469)은 2개의 모순된 요구사항(구조화된 레이저 빔을 사용하여 단일 입자 상호작용을 기초로 하는 측정을 사용하는 낮은 농도를 측정하는 능력 및 작은 입자를 분해하는 능력)을 분리시키는 새로운 기술 및 수단을 소개하였다.
그러므로, 본 발명의 목적은 상호작용 신호의 더 낮은 입자 직경 의존도로 인한 더 높은 민감도를 제공하도는 새로운 검출 스킴(scheme)을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고유 광 잡음 여과(optical noise filtration)로 인해 더 높은 입자 농도를 측정할 수 있는 능력을 제공하는 새로운 검출 스킴을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전방 및 후방 산란기(scatter) 내의 그들의 상호작용 신호 모두에 의해 입자들을 특징화하는 능력을 제공하는 새로운 검출 스킴을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 이점들은 설명을 진행함에 따라 드러날 것이다.
본 발명은 입자 크기 및 농도 측정 시스템 및 방법을 제공하는데, 본 방법은 포커싱된, 합성된, 구조화된 레이저 빔을 제공하는 단계, 이 빔을 입자와 상호작용시키는 단계, 상호작용 신호 및 입자와 빔의 단위 시간당 상호작용의 횟수를 측정하는 단계, 및 상호작용 신호를 입자 크기에 맵핑하고 단위 시간당 상호작용을 횟수를 농도에 맵핑하기 위한 알고리즘을 사용하는 단계를 포함한다.
이러한 입자들은 유체 내, 공기 내 또는 표면 상에 있을 수 있고, 마이크로미터 미만에서 수천 마이크로미터까지 범위의 크기를 가질 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 포커싱된, 합성된, 구조화된 레이저 빔은 다크 빔(dark beam)이다.
이러한 구조화된 빔은 가우시안 레이저 빔 위에 마스크를 채용함으로써, 레이저 캐비티를 직접 개조함으로써, 여러 개의 레이저로부터의 빔을 결합함으로써, 또는 간섭측정 또는 편광 변형 스킴과 같은 다른 레이저 빔 조작에 의해, 생성될 수 있다. 이러한 측정은 암시야(dark field)를 포함하는 주사 빔과의 상호작용의 지속시간(duration)을 이용하여 행해질 수 있다. 더 나아가, 본 발명은 입자 크기 및 농도 측정을 위한 시스템을 제공한다.
빔을 주사하기 위해 임의의 이동부를 사용하지 않는 이점을 가지는 대안의 접근법은 입자들이 포커싱된 레이저 빔의 초점 영역을 가로지르게 만드는 것이다.
본 발명의 다른 형태는 전방 및 후방 산란기에 따른 더 우수한 입자 특징화(characterization)가 가능하고, 입자 형광을 검출하고 그 입자의 속도를 측정하는 향상된 검출 스킴에 관한 것이다.
본 발명은 상호작용 신호의 더 낮은(부파장(sub wavelength) 입자의 종래의 산란을 통한 r^4 내지 r^6보다 훨씬 낮은) 입자 직경 의존도로 인한 더 높은 민감도; 고유 광 잡음 여과로 인한 더 높은 입자 농도를 측정하는 능력; 예컨대, 액체 내에서 흐르는 입자와 버블을 구별하기 위해, 전방 및 후방 산란기 내의 그들의 상호작용 신호에 의해 입자들을 특징화하는 능력; 입자로부터의 형광을 측정하는 능력; 및 입자 속도를 측정하는 능력을 제공하는 새로운 검출 스킴을 소개한다. 후자는 입자의 흐름이 기지의 속도이거나, 각각의 입자의 속도가 본질적으로 측정되는 스캐너 프리 시스템(scanner free system)을 가능하게 한다.
본 발명은 가우시안 빔을 발생시키는 레이저; 가우시안 빔을 구조화된 다크 빔으로 변환하는 수단; 조명하는 다크 빔을 통과하여 지나가는 입자 상으로 다크 빔을 집중시키는 포커싱 렌즈; 및 2개의 검출기를 포함하는 입자 모니터링 시스템이다. 2개의 검출기 중 하나는 다크 빔의 각각의 강도 로브(lobe) 위에 위치한다.
본 발명의 입자 모니터링 시스템은 입자들이 다크 빔의 방향에 대하여 90도 각도의 방향인 조명하는 다크 빔을 통해 이동하도록 배열된다. 2개의 검출기로부터의 신호들은 아래의 방식 중 적어도 하나로 기록된다.
a) 별개의 신호;
b) 2개의 검출기 신호의 차이 신호; 및
c) 2개의 검출기 신호의 합.
본 발명의 입자 모니터링 시스템의 실시예는 빔 스플리터 및 다크 빔의 다크 라인과 수직인 방향으로 지향된 제2 세트의 검출기를 포함한다.
본 발명의 모든 상기 및 다른 특징 및 이점들은 첨부된 도면을 참조한 아래의 본 발명의 예시적인 제한하지 않는 설명을 통해 더 잘 이해될 것이다. 도면에서, 종종 동일한 부재번호가 상이한 도면 내의 동일한 엘리먼트를 지시하기 위해 사용된다.
도 1은 입자 모니터링 시스템 입자 모니터링 시스템의 하나의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 2는 조명하는 다크 빔 패턴에 관한 도 1의 시스템의 검출기의 배치를 도시한다.
도 3a 및 3b는 도 1의 시스템 내의 2개의 검출기에 의해 측정되는 전형적인 신호들을 도시한다.
도 4는 물속의 공기방울과 라텍스 입자들에 대한 도 1의 시스템의 2개의 검출기에 의해 검출된 신호들의 절반을 보여주는 산란 시뮬레이션이다.
도 5는 다양한 크기의 입자들이 외부의 중심으로부터 이동할 때, 도 1의 2개의 검출기로부터의 신호간의 차이에 대하여 시뮬레이팅된 신호를 도시한다.
도 6은 입자들로부터 방사선의 후방산란(backscattering)의 측정이 또한 가능하도록 수정된, 도 1의 검출기 시스템의 하나의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명이 어떻게 클러스터링에 의한 분류를 위해 사용될 수 있는지의 예시를 보여준다.
도 8은 무감시 학습법을 사용하는 다차원 클러스터링의 예를 보여준다.
도 9는 다크 빔의 프로파일을 개략적으로 도시한다.
도 10a는 서프레싱 커먼 노이즈(suppressing common noise) 내의 다크 빔의 이점과, 잡음에 직면한 3개의 조명하는 빔 구조에 대한 2개의 검출기 신호의 차이 신호를 보여준다.
도 10b는 도 10a와 동일한 조명하는 빔 구조에 대한 2개의 검출기 신호의 합산 신호를 도시한다.
도 11은 스폿 크기의 절반에 대응하는, 상호작용 신호 내의 2개의 숄더(shoulder)를 보여주는 스크린샷이다.
도 12는 제2 세트의 2개의 포워드 검출기 및 다크 빔의 다크 라인에 수직인 방향으로 지향된 빔 스플리터를 포함하는 본 발명의 시스템의 하나의 실시예 내의 조명하는 다크 빔 패턴에 관한 검출기의 포지셔닝을 도시한다.
도 1은 입자 모니터링 시스템의 하나의 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 1에 도시된 시스템은 가우시안 빔을 발생시키는 레이저(1); 시준 렌즈(collimating lens)(2); 가우시안 빔을 구조화된 다크 빔으로 변환하는 위상 마스크(3); 입자(6)를 포함하는 물이 화살표 방향으로 통과하여 흐르는 큐벳(5) 안으로 다크 빔을 집중시키는 포커싱 렌즈(4); 및 2개의 검출기(7 및 8)를 포함한다. 공기 중 입자의 경우에, 입자들을 떠받치는 기류는 큐벳 내부로 한정될 필요가 없음을 이해해야 한다. 조명하는 다크 빔에 대한 검출기의 배치는 도 2에 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 하나의 검출기는 오리지널 다크 빔의 각각의 강도 로브(lobe) 위에 위치된다. 입자가 빔을 가로지를 때 출력 강도 패턴이 변경되고, 검출기가 그러한 변화를 감지한다. 검출기 배치는 다크 빔의 최대 강도 그레디언트(gradient)로 검출기를 정렬시키기 위해 감도(sensitivity)에 대하여 최적화될 수 있다. 다양한 분석 목적으로, 이러한 검출기 신호들은 다음 중 하나로 기록될 수 있다.
a) 별개의 신호;
b) 두 검출기 신호의 차이 신호; 및
c) 두 검출기 신호의 합.
다른 실시예에서, 제2 세트의 2개의 포워드 검출기는 다크 빔의 다크 라인에 수직인 방향인 빔 스플리터를 통해 사용된다. 이러한 두 검출기는 빔 크기에 비해 크고, 전체 빔 강도를 통합한다. 도 12는 이러한 실시예에서의 조명하는 다크 빔에 대한 제2 세트의 검출기의 배치를 도시한다. 이러한 두 검출기로부터의 신호의 대칭성을 체크함으로써, 입자들이 그 직경(신호들이 동등함)을 따라 또는 코드(chord)를 따라(신호들이 상이함) 초점 지역을 가로질러 갔는지는 여부는 물론, 신호 내의 변조도(depth of modulation) 또는 상호작용 폭과 같은, 입자 크기에 대한 중요한 정보를 도출할 수 있다. 이러한 두 신호의 타이밍은 또한 입자 흐름 방향의 배열, 및 어느 정도까지 그것이 층을 이루는지 및 광 축에 수직인지에 대한 정보를 제공한다.
도 1의 시스템 내의 2개의 검출기에 의해 측정된 전형적인 신호들은 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있다. 이들 도면에서, 검출기(1)(7)에 의해 측정된 신호는 부재번호(10)로 식별되고, 검출기(2)(8)에 의해 측정된 신호는 부재번호(12)로 식별된다. 적절한 신호 해석을 위해서는, 입자가 초점 평면을 따라 빔을 가로질렀음을 확인하는 것이 필수적이다. 본 발명에 따라, 2개의 검출기의 신호들은 도 3a에 도시된 바와 같이 입자들이 초점에서 빔을 가로지를 때 동시에 나타난다. 입자들이 초점 평면을 따라 가로지르지 않는다면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 하나의 검출기 신호는 다른 검출기 신호에 대하여 지연된다. 또한, 시프트 방향은 입자가 초점 전 또는 후에서 빔을 가로지르는지 여부를 판정한다. 신호의 형상이 고유한 입자 특성을 나타냄을 이해해야 한다.
검출기 신호가 본질적으로 간섭 측정 응답(interferometric response)을 나타내므로, 이들은 움직이는 입자에 의한 위상 변조에 반응한다. 그러므로, 먼저 주변 매체보다 큰 굴절률을 가진 입자, 예컨대, 수중 라텍스는, 하나의 예로서, 검출기(1)에서 음의 신호 및 검출기(2)에서 양의 신호를 유도할 것이고, 한편 주변 매체보다 작은 굴절률을 가진 입자(수중 버블)는 반대의 신호를 발생시킬 것이다. 반대의 신호라는 것이 주요 특징임을 이해해야 한다. 검출기 순서를 변경함으로써, 양/음은 뒤바뀔 수도 있다. 도 4는 시뮬레이팅된 신호의 절반을 수중의 공기 버블 입자 및 라텍스 입자에 의해 이동된 거리에 대한 검출기 출력을 보여주는 그래프 형태로 도시한다. 그 결과, 입자와 버블을 구별하는 것이 가능하다. 이 도면에서, 곡선(14)은 수중 공기에 대한 센서(1)로부터의 신호를 나타내고, 곡선(16)은 수중 공기에 대한 센서(2)로부터의 신호를 나타내고, 곡선(18)은 수중 라텍스에 대한 센서(1)로부터의 신호를 나타내고, 그리고 곡선(20)은 수중 라텍스에 대한 센서(2)로부터의 신호를 나타낸다.
본 발명의 다른 주요 형태는 입자 반경(r)에 대한 낮은 신호 강도 의존도를 가진 검출 스킴이다. 고전적인 산란 이론(classical scattering theory)에 따른, 산란된 에너지는 r^4 또는 심지어 r^6에 따라 행동하지만, 본 발명에서 신호는 위상 시프트의 결과이며, r 의존도는 r^2 내지 r^3이다. 도 5는 도 2에 도시된 다크 빔 패턴의 중심으로부터 벗어나게 이동한 상이한 크기의 3가지 입자(r=50nm - 점선; r=100nm - 실선; r=200nm - 파선)에 대한 차이 신호, 즉, 두 검출기의 신호 간의 차이의 의존도를 보여주는 시뮬레이션의 한 예이다. 본 발명에 의해 제공되는 종래기술을 능가하는 이점은 요구되는 검출기 동적 범위가 더 낮고 검출 스킴이 더 간단하다는 것이다. 검출기가 0.1 내지 1 마이크로미터 범위의 입자를 검출하기 위해 레일리(Rayleigh)에 따라 필요로 되는, 1:10,000 내지 1:1,000,000의 동적 범위를 가지도록 하는 것의 어려움은 당업자들에게 명백할 것이다.
전형적으로 스폿 크기보다 더 큰 입자에 대하여, 두 검출기 상의 강도는 안정기(plateau)에 도달할 것이고, 측정하는 파라미터는 입자 크기에 비례하는 검출기 합산 폭일 것이다.
도 6은 입자로부터의 방사선의 후방산란의 측정을 가능하게 하도록 수정된 도 1의 검출기 시스템의 실시예를 개략적으로 도시한다. 이러한 구성은 도 1에 대하여 앞서 서술한 바와 같으며, 빔 스플리터(24), 수집 렌즈(26), 핀홀(28), 및 후방산란 검출기(3)가 추가된다. 포커싱 렌즈(4)의 초점 내에서 입자(6)로부터의 후방산란 방사선은 포커싱 렌즈(4)에 의해 수집되고, 빔 스플리터(24)에 의해 시준, 반사되며, 후방산란 검출기(30) 상의 핀홀(28)을 통해 이 방사선을 집중시키는 수집 렌즈(26)를 통해 방향조절된다. 이와 더불어, 렌즈(32 및 2)가 함께 빔 익스팬더(beam expander)(34)로서 역할하도록 렌즈(1)와 시준 렌즈(2) 사이에, 레이저 출력의 종류에 따라 필요하다면, 다른 렌즈(32)가 추가된다.
본 발명에서, 후방 산란 검출기는 아래의 4가지 역할을 가진다.
● 후방 산란 검출기(30)의 명백한 용도는 입자와의 상호작용이 실제로 초점 내에 있었음을 검증하기 위한 동초점의 검출 스킴 내에서이다.
● 추가적인 크기 정보를 제공하기 위해, 다크 스폿보다 작은 입자에 대하여, 다크 빔 변조는 입자 크기에 반비례한다. 한편, 다크 스폿보다 크고 일정한 속도로 이동하는 입자에 대하여, 상호작용 지속시간(duration)은 입자 크기에 비례한다.
● 후방 산란 상호작용은 반사 특성을 포함할 수 있는, 상호작용 지문의 미세한 세부사항을 기초로 하는 입자 그룹 간의 차이에 대한 다른 차원(dimension)을 추가한다.
● 후방 산란 검출기는 조명하는 빔에 의해 발생된 형광을 검출할 수 있다. 이러한 애플리케이션에서, 빔 스플리터(24)는 형광을 BS 검출기로 반사하는 이색성(dichroic) 미러에 의해 대체될 수 있다. 포워드 검출기를 통한 검출과 병행하여(in parallel to) 형광을 측정할 수 있는 능력은 입자 집단(population)이 형광 염색(fluorescent stain)을 통해 염색된 경우에 강력한 분류 도구를 추가한다. 이는 조류 종류(algae type)를 분류하는 것을 돕기 위한 조류에, 또는 병원균 검출에 매우 적용가능하다.
빔 스플리터와 이색성 미러의 조합은 두 후방 산란 검출기에 의해 후방 산란된 광 및 형광을 검출하는 것을 가능하게 할 것이다.
두 포워드 신호와 옵션의 후방 산란 신호(형광을 포함 및 포함하지 않음)는 고해상도의 레이저 포커싱된 빔과 단일 입자 상호작용이다. 이러한 상호작용은 고해상도 1차원 주사 레이저 현미경으로서 기능하고, 입자 인프라구조(infrastructure)에 대한 많은 정보를 제공한다. 이러한 정보는 특수한 입자를 특징짓는데 사용될 수 있다. 동일한 크기 및 상이한 내부 구조의 입자들은 동일한 상호작용 폭을 가질 것이지만, 내부 상호작용 펄스 행동은 상이할 것이며, 이는 입자의 "지문"과 같다. 본 발명이 클러스터링에 의한 분류를 위해 사용될 수 있는 방법의 일례는 조류에 대하여 도 7에 도시되어 있다.
도 7은 2차원 특징 공간 내의 데이터를 도시한다. 하나의 세트의 상호작용이 3개의 상이한 종류의 조류: 크롤렐라, 테트라히드론(Tetrahedron), 및 훈장말(Pediastrum)(각각 도면에 x, + 및 *로 표시됨)에 대하여 획득되었다. 두 채널의 대칭성, 상호작용 상승 시간 등을 포함하는, 상호작용 신호에 대한 검증 필터가 적용되었다. 이러한 검증 필터는 상호작용이 다크 빔의 초점 영역 내에 있음을 보장한다. 다양한 서브셋의 필터를 통한 테스트가 수행되었으나, 도 7은 모든 검증 필터가 적용되었을 때를 보여준다. 특징들은 검증 필터를 통과하고 상이한 종류의 조류의 클러스터링을 보여주는 상호작용들로부터 추출된다.
특징 공간이 다차원이지만, 도 7은 2D 산란도를 보여준다. 여기서, X축은 상호작용 펄스 폭(마이크로초)이고, Y 축은 검출기에 의해 검출된 상호작용당 최대 신호이다. 이러한 2D 표현에서는 이미, 상이한 조류 종류의 분명한 그룹화가 존재한다. 이러한 그룹화를 분명하게 하는 것을 돕기 위해, 그룹간의 경계를 나타내는 타원이 도면에 대략적으로 그려졌다. 이러한 2D 표현에서, 여전히 약간의 오버랩이 존재하는데, 이는 다차원 특징 공간에서는 감소될 수 있다. 그 다음, 인공지능 클러스터링 기술이 경계를 식별하기 위해 다차원 공간에서 사용된다.
이러한 메커니즘의 적용은 기지의 조류의 클러스터가 형성된 후, 예컨대, 조류로 오염된 물을 감시하는 것, 및 혼합물 내에서 클러스터와 부합하는 조류가 나타나는지 여부를 검출하는 것이 가능하도록 한다. 이는 조류 집단 및 조류 집단을 줄이고자 시도하는 임의의 프로세스에 대한 피드백에 대한 실시간 정보를 제공할 것이다.
본 발명의 가능성이 조류에 대하여 서술되었으나, 병원체(pathogenic organisms)와 같은 다른 이벤트에 대하여 시스템을 훈련(train)시키기 위해, 상술된 모든 그 검출 옵션과 함께 사용될 수 있고, 상기 병원체의 클러스터와 부합하는 이벤트의 출현시, 알람 신호가 트리거될 것이다. 이러한 유추는 지문으로 묘사되는데, 동일한 그룹의 대상들은 특징 공간 내에서 공통점을 가질 것이고, 이러한 공통점을 통해 사람이 자신의 지문에 의해 식별되는 것과 동일한 방식으로 식별될 수 있다.
클러스터링 접근법에 의한 분류는 특별한 이벤트의 특성을 시스템에게 가르친 후 그러한 이벤트의 존재를 모니터하기 위한 인공지능 툴을 사용하여 다차원 공간으로 확장될 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예는 무감시 학습(unsupervised learning)에 의해 검출기 신호를 클러스터링하는 것이다(http://www.autonlab.org/tutorials/ for Andrew's repository of Data Mining tutorials. 참조). 도 8은 무감시 학습법을 이용한 다차원 클러스터링의 일례를 보여준다.
도 1 및 도 6 의 측정 시스템은 큐벳을 통해 이동하는 입자들의 고유 속도를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 이것은 상호작용 신호 지속시간이 입자 속도에 반비례하여 커지기 때문에 가능하다. 몇몇 구현에서는 기지의 일정한 속도가 달성될 수 있으나, 본 발명의 보다 일반적인 접근법은 상호작용 신호 내의 고유 정보로부터 속도 정보를 추출하는 것이다. 이는 다크 빔의 프로파일(도 9에 개략적으로 도시되어 있음)을 고려함으로써 이루어진다. 빔 프로파일의 로브(lobe)의 강도 피크간 거리는 WO*2^0.5와 같고, 여기서 WO는 가우시안 웨이스트(Gaussian waist)이다. 이러한 값은 알고 있는 값이므로 가로지르는 입자 속도를 측정하기 위해 사용될 수 있고, 변조 깊이는 크기 정보를 추출하기 위해 사용된다. 이는 입자의 "렌즈 효과"가 무시될 수 있는 작은 입자에 적용가능하다. 더 큰 입자에 대하여, 도 11에 도시된 바와 같이 스폿 크기의 절반에 대응하는 상호작용 신호 내의 2개의 숄더(shoulder)가 존재할 것이다.
다수의 입자 모니터링 애플리케이션은 약간 더 큰 입자가 도핑되어 있는 매우 작은 입자의 큰 집단에 의해 특징지어 진다. 예는 콜로이드, CMP 슬러리 및 결정화 과정 등일 수 있다. 약간 더 큰 입자의 꼬리 농도(tail concentration)의 비율은 메인 농도와 비교하여 10^6:1 또는 그 이하일 수 있다. 오늘날 최신 기기들도 이러한 작은 농도를 사실상 볼 수 없다. 작고 측정의 어려움과 동시에, 이러한 작은 꼬리는 CMP 또는 다른 프로세스의 경우에 손상 또는 스크래치를 일으킬 수 있다. 본 발명은 이러한 꼬리에서 10^6:1보다 작은 농도를 측정할 수 있는 능력을 제공한다. 스폿 크기는 집단의 대부분이 여과되고, 배경 잡음이 되는 한편, 더 큰 입자들이 선명한 상호작용으로서 보여지도록 선택된다.
두 검출기의 차이 신호로서 검출기 신호를 기록하는 것과 함께 다크 빔 조명을 기초로 하는 본 발명은 배경 잡음에 대하여 매우 강건하고, 높은 레벨의 배경 잡음 내에서 검출을 가능하게 할 수 있다. 이러한 강건함은 도 10a 및 10b에 제공된 시뮬레이션에 의해 설명된다. 도 10a는 3개의 조명하는 빔 구조: 가우시안(파선), 가우스-라게르(실선), 및 다크 빔(점선)에 대하여, 200nm 입자가 중심으로부터 빔을 가로지르는 동안의 차이 신호를 임의의 축척으로 보여준다. 도 10b는 도 10a와 유사하지만, 2개의 검출기 신호의 합에 대한 것이다. 이러한 시뮬레이션은 총 조명하는 파워의 10%를 포함하는 반-동적(semi-dynamic) 잡음 하에서 수행되었으며, 시뮬레이션에서의 다른 광학적 파라미터들은 아래와 같다.
● NA = 0.125
● λ = 400nm
도 10a에서, 다른 두 빔 구조에 대한 신호와 비교할 때 다크 빔에 대하여 2배 더 큰 신호가 달성된다. 이 곡선의 부호의 차이는 중요하지 않은데, 이는 입자 방향과 관련된 뺄셈에서의 검출기의 순서에 의존한다.
스폿보다 더 작은 입자의 유효 측정을 달성하기 위한, 가우시안 빔에 비해 다크 빔의 더 큰 스폿과 피사계 심도(depth of field)를 유념한다면, 잡음 면역력은 훨씬 더 분명해질 것이다. 합산 구성(도 10b)에 비해, 차이 구성(도 10a)이 잡음 감소에 있어서 상당한 이점을 가진다는 것은 명백하다.
실제 측정에서, 본 발명을 기초로 한 측정 셋업은 더 큰 입자의 꼬리를 검출할 수 있었고, 그 농도는 주집단의 더 작은 입자보다 10^6 배 작은 농도였다.
본 발명의 실시예들이 설명을 목적으로 서술되었으나, 본 발명은 청구항의 범위를 벗어나지 않은 다양한 변형, 수정 및 조정과 함께 수행될 수도 있음이 이해될 것이다.

Claims (8)

  1. 입자 모니터링 시스템으로서,
    큐벳;
    가우시안 빔을 발생시키는 레이저;
    상기 가우시안 빔을 구조화된 다크 빔(dark beam)으로 변환하는 위상 마스크;
    상기 다크 빔을, 상기 큐벳을 통과하여 지나가는 입자 상으로 집중시키는 포커싱 렌즈; 및
    상기 큐벳을 통하여 통과되는 상기 다크 빔을 각각 수용하도록 배치되는 제1 검출기 및 제2 검출기를 포함하고,
    상기 큐벳을 통하여 통과되는 다크 빔은 제1 강도 로브 및 제2 강도 로브에 의하여 특정되고,
    제1 검출기는 다크 빔의 제1 강도 로브 위에 위치하고, 제2 검출기는 다크 빔의 제2 강도 로브 위에 위치하고,
    제1 검출기 및 제2 검출기는 서로 이격되어 배치되고, 제1 검출기 및 제2 검출기 사이의 이격된 공간 배치를 통하여, 구조화된 다크 빔의 최대 강도 그라디언트에 대한 감도를 위하여 최적화되고,
    입자들이 구조화된 다크 빔의 초점 영역을 가로지르도록 상기 포커싱 렌즈가 큐벳 내의 구조화된 다크 빔을 유도하고,
    상기 제1 검출기 및 제2 검출기는 구조화된 다크 빔과 입자들 사이의 상호작용에 의한 큐벳을 통하여 이동하는 입자들의 크기 및 입자 농도에 상응하는 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 입자 모니터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 입자들은 상기 다크 빔의 방향에 대하여 90도 각도의 방향으로 상기 구조화된 다크 빔을 통과하여 지나가고,
    제1 검출기 및 제2 검출기의 신호들은 정성적으로 간섭 측정 응답을 나타내고,
    주변 매체보다 큰 굴절율을 가진 제1 입자는 제1 검출기에서 음의 신호를 유도하고, 다음으로 제2 검출기에서 양의 신호를 유도하고,
    주변 매체보다 작은 굴절율을 가진 제2 입자는 제1 검출기에서 양의 신호를 유도하고, 다음으로 제2 검출기에서 음의 신호를 유도하는 것을 특징으로 하는 입자 모니터링 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 검출기 및 제2 검출기로부터의 신호들은 아래의 방식:
    a) 별개의 신호;
    b) 상기 제1 검출기 및 제2 검출기 신호의 차이 신호; 및
    c) 상기 제1 검출기 및 제2 검출기 신호의 합
    중 적어도 하나의 방식으로 기록되는 것을 특징으로 하는 입자 모니터링 시스템이되,
    상기 시스템은 입자들로부터의 방사선의 후방 산란을 측정할 수 있도록 구성되고,
    상기 시스템은 빔 스플리터, 수집 렌즈, 핀홀, 및 후방산란 검출기를 포함하고,
    포커싱 렌즈의 초점에 위치하는 입자로부터의 후방산란 방사선은 포커싱 렌즈에 의하여 수집되고, 빔 스플리터에 의하여 시준 및 반사되고, 및 후방산란 검출기 상의 핀홀을 통해 이 방사선을 집중시키는 수집 렌즈를 통해 방향조절되는 것을 특징으로 하는 입자 모니터링 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 빔 스플리터 및 상기 다크 빔의 다크 라인과 수직인 방향으로 지향된 제2 세트의 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 모니터링 시스템이되,
    상기 제1 검출기 및 제2 검출기는 빔 크기에 비해 크고,
    상기 시스템은 상기 제1 검출기 및 제2 검출기로부터의 신호의 대칭성을 체크하여, (I) 입자가 이의 직경을 따라 초점 영역을 가로질러 갔는지 및 이에 따라 신호가 동일한지, 또는 (II) 입자가 코드를 따라 초점 영역을 가로질러 갔는지 및 이에 따라 신호가 서로 상이한지를 결정하고,
    상기 시스템은 상기 제1 검출기 및 제2 검출기로부터의 신호의 대칭성을 체크하여, (i) 상호작용의 폭 및 (ii) 신호 내의 변조도를 결정하고,
    상기 2개의 신호의 타이밍에 기초하여 상기 시스템은 (I) 입자 흐름 방향의 배열, 및 (II) 어느 정도까지 층을 이루는지 및 광축에 수직인지를 결정하는 것을 특징으로 하는 입자 모니터링 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 빔 스플리터 및 상기 입자로부터의 후방 산란된 방사선의 동시 측정을 가능하게 하도록 하는 제3 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 모니터링 시스템이되,
    상기 시스템은
    (A) 동초점 검출 스킴을 수행하고, 입자와의 상호작용이 실제로 초점 내에 있었음을 검증하고, 및
    (B) 다크 스폿보다 작은 입자의 경우, 다크 빔 변조는 입자 크기에 반비례하고, 다크 스폿보다 크고, 일정한 속도로 이동하는 입자의 경우, 상호작용 지속시간이 입자 크기에 비례하는 크기 정보를 제공하고, 및
    (C) 후방 산란 상호작용에 기초하여, 상호작용 지문의 세부사항에 기초하여 입자 그룹들을 구별하고, 및
    (D) 조명하는 빔에 의하여 생성되는 형광을 검출하는 후방 산란 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 모니터링 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 입자 모니터링 시스템은 입자 크기 및 입자 농도에 상응하는 신호를 맵핑하기 위한 알고리즘을 사용하는 것을 특징으로 하는 입자 모니터링 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 입자 모니터링 시스템은 입자 크기 및 입자 농도에 상응하는 신호를 시간의 함수로 맵핑하는 것을 특징으로 하는 입자 모니터링 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 입자 모니터링 시스템은 검증 필터를 사용하여 입자를 특정하고 구별하는 것을 특징으로 하는 입자 모니터링 시스템.
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