KR102601473B1 - 입자 측정을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
입자 크기 및 농도를 분석하기 위한 광학 시스템으로, 상기 광학 시스템은 조명빔을 생성하는 적어도 하나의 레이저; 상기 집속 렌즈의 초점 영역을 통해 상기 조명 빔에 대한 공지된 또는 기 정의된 각도에서 상기 조명 빔에 비례하여 움직이는 입자에 상기 조명 빔을 초점 맞추는 집속 렌즈; 및 상기 집속 렌즈의 상기 초점 영역에서 상기 조명 빔 및 입자의 상호작용을 검출하는 적어도 두 개의 전방 검출기;를 포함한다. 상기 집속 렌즈는 (i) 상기 입자 및 상기 조명 빔 사이의 상대 운동의 방향에서 좁고, (ii) 시스템의 광축에 의해 정의되는 평면에 대해 수직인 방향 및 상기 입자 및 상기 조명 빔 사이의 상대 운동의 방향에서 넓은, 초첨 영역을 형성하는 원주렌즈이다. 상기 2개의 전방 검출기 각각은 분할된 선형 어레이 검출기로 구성된다.
Description
본 발명은 입자 크기 및 농도를 측정하는 분야에 관한 것이다. 보다 상세하게는 입자의 크기 및 농도를 측정하고, 측정된 입자의 개선된 검출 민감도 및 개선된 특성화를 달성하기 위한 광학적 방법에 관한 것이다.
본 명세서에서 언급되는 참고문헌은 이하에서 참고문헌 숫자로서 참조되며, 청구범위 전에 기재한 참고 문헌에 각각 그룹화되어 있다.
입자 크기 및 농도 분석(PSA)을 위한 많은 기술이 존재한다. 이러한 기술은 Terry Alan (1) 저자의 책 "Introduction to Particle Size Analysis" 및 N. Stanley-Wood and Roy W. Lines (10) 저자의 책 "Particle Size Analysis"에서 참조할 수 있다.
가장 일반적으로 사용되는 기술은 측정된 입자 및 레이저 파의 상호작용을 기초로 한 광학 기술이다. 특히, 미 산란(Mie scattering)에 우세한 1 마이크론 이하의 입자 크기 범위에 근접할 때, 이러한 기술 대부분은 입자의 굴절률의 실제 및 가상 부분의 영향으로 부정확한 문제가 있다.
공지된, 예를 들어 프라운 호퍼 회절 분석(Fraunhofer diffraction analysis )과 같은 일부 기술에서, 광 흡수 입자는 상기 흡수로 인한 에너지 손실로 인해 크기가 커진다; 고농도에서 백색인 입자는 2차 산란 등으로 인해 입자 크기가 작아진다. 또한, 각각이 nm 스케일인 입자를 검출하는 능력이 신호가 반경 r6에 따라 감소하기 때문에 매우 제한적이기 때문에, 민감도 및 동적 범위 문제가 발생한다.
이러한 문제에 대해 덜 민감한 광학적 기술이 TOT(Time of Transition)로서 공지된 바 있다. 이러한 기술에서는 스캐닝, 집속된 레이저 빔 및 입자의 상호작용이 진폭 영역이 아닌 시간 영역에서 분석되며, 그 결과 굴절률의 변화에 대한 감도가 낮아진다. 상기 기술의 상세한 설명은 Bruce Weiner Walter Tscharnuter, 및 Nir Karasikov(2) 저자의 논문 "Improvements in Accuracy and Speed Using the Time-of-Transition Method and Dynamic Image Analysis For Particle Sizing"에 기재되어 있다. 상기 기술에서, 상호작용 신호로부터 공지된 레이저 빔 형상의 디지털 디컨볼루션 알고리듬이 대부분의 크기를 도출한다. 농도는 디지털 컨포컬리티(confocality)의 원리를 사용하여 집속된 레이저 빔의 공지된 부피 내에서 단위 시간당 상호작용 수로부터 도출된다.
TOT 기술에서의 입자의 상호작용은 집속된 스캐닝 레이저 빔과 관련되어 있다. 보다 작은 입자를 측정하기 위해, 보다 작은 집속된 초점이 사용되어야 한다. 하지만, 가우스 레이저 빔에 대한 회절법칙에 따르면, 빔 웨이스트(beam's waist)를 D라고 할 때, 빔의 발산(beam divergence)은 λ/D에 비례한다. 이때 λ는 레이저의 파장이다; 또한 가 보다 커지거나 또는 D가 보다 작아질 때 레일리 범위 (Raleigh range) 및 초점 깊이(Depth Of Focus)는 감소된다(초점 깊이는 임). 작은 입자를 분해하는 능력과, 초점 부피 및 농도 측정의 정확성은 트래이드-오프(trade-off)되는 것이 명백하다. 따라서, TOT 기술이 입자를 서브 마이크론 범위에서 분해 및 측정하는 것을 목적으로 할 경우, 순간 초점 부피가 작고 입자의 상호 작용률이 낮기 때문에, 낮은 농도를 측정하는 데에는 한계가 있다. 반면, 보다 큰 초점은 농도 측정률 및 정확성을 향상시키는 반면, 사이즈 분석의 품질 및 분해능을 감소시킨다.
보다 짧은 파장을 사용하여 주어진 초점(focal spot)에 대해 보다 낮은 발산을 제공하고, 이에 따라 보다 긴 레일리 범위(Raleigh range)를 제공함으로써 개선될 수 있다. 하지만 파장이 더욱 짧을 경우 광학 설비에 의해 레이저 광이 흡수되고, 입자가 액상에 있을 경우 또한 액체에 의해 흡수될 수 있기 때문에, 단지 2의 인자에 한해 높은 제한된 효과를 가질 수 있다. 본 출원의 출원인에게 양도된 이전의 특허(본원에 참조로서 포함된 US 7,746,469)는 2개의 상충되는 요구 사항 사이를 다소 분리시키는 새로운 기술 및 방법이 개시된 바 있다:(구조화된 레이저 빔을 통한 단일 입자 상호작용에 기초한 측정법을 이용한 작은 입자 분해능 및 낮은 농도 측정능).
US 7,746,469에 개시된 방법은 합성적 빔 생성을 기반으로 한다. 전술한 바와 같은 이러한 한계는 레이저 빔의 고유한 가우스 빔 형상에 기인하며, 보다 낮은 빔 발산에서 공간분해능을 갖는 제안된 합성적으로 생성된 빔에 의해 다소 해결된다.
상이한 에너지 분포가 입자 측정을 위해 합성적으로 생성되거나 사용될 수 있다. 이러한 기술을 기재한 구체적인 참고문헌은 참고문헌(1)이다. 상기 논문은 본 발명에서 사용된 3차원 광 구조의 생성에 관한 것이다. 상기 논문은 학문적 의의 및 사용된 기술을 기재하며 또한, 일례를 제공한다. 특히, 설명된 다크 빔(dark beam)은 이전 발명에서 주요 관심 대상이다. 다른 관련 참고문헌으로는 참고문헌(4) 내지(9)가 있다.
다크 빔은 전형적으로 가우스 포락선(Gaussian envelop)을 갖는 빔의 중심에서 다크 초점 또는 다크 선 특이점을 갖는 레이저 빔이다. PSA((Particle Size Analysis)시 이러한 빔의 장점은 동일한 발산을 가질 때 다크 중심 초점/선이 고전적 가우스 초점보다 좁아, 농도 측정 및 보다 큰 입자 상호작용을 위해 가우스 빔(Gaussian Beam)의 충분한 부피를 유지하는 반면 방해물의 지점 및 구조에서 보다 높은 민감도를 이끌 수 있다는 사실에서 비롯된다. 다크 빔(bark beam)은 광학 요소(일반적으로 회절 요소)의 도움 또는 다크 빔을 방출하는 방법으로의 레이저 공진기의 특수 설계함으로써 기존의 레이저 빔을 변환함으로써 생성될 수 있다. 이러한 레이저 모드는 일반적으로 가우스-르 장드르(Gauss-Laguerre) 및 가우스-에르미트(Gauss-Hermit)라고 불리는 설정이다.
도 1을 참조하여, 차트(100)의 개략도는 가우스 빔의 세기 로브를 나타낸다. 수평 축은 빔의 중심으로부터의 위치, 예를 들어, 마이크론 또는 10-6미터 위치를 나타낸다. 수직축은 빔의 광 강도, 예를 들어 상대적 단위의 광 강도를 나타낸다. 일례로, 차트(101)에서 부호 10은 가우스 형상을 갖는 빔의 형태를 나타내고 부호 12는 다크 빔의 제1 로브를 나타내고 부호 12'는 다크 빔의 제 2로브를 나타내고; 차트(10)는 강도를 나타내는 것이므로 상기 2개의 로브는 180도의 위상 차를 갖지만 차트(101)에는 도시되지 않았다. 부호 14는 상기 2개의 로브 사이의 공간을 나타내고, 상기 2개의 로브는 180도의 위상 차로 인해 이들 사이에 제로 에너지를 갖는 특이점이 있다. 부호 16은 e-2 강도에서의 빔의 폭을 나타내고, 부호 18은 상기 2개의 로브의 피크 사이의 간격을 나타낸다.
도 1은 가우스 빔(10) 및 이로부터 생성된 다크 빔의 강도 로브를 비교한다. 상기 다크 빔은 2개의 로브(12, 12') 및 상기 2개의 로브 사이의 특이적 다크 선(14)을 갖는다. 양방향 화살표 중 16은 상기 가우스 빔(10)의 최대 폭인 
2WO(W는 가우스 빔의 웨이스트)을 나타내고, 18은 상기 2개의 로브(12, 12')의 피크 사이의 최대 폭 또는 피크 간격인 를 나타낸다. 상기 2개의 로브는 180도 위상차를 갖는다.
다크 빔은 보다 더 넓은 피사계 심도(depth of field)를 넘어 선명하게 정의된 에너지 분포를 유지하는 방식으로 생성될 수 있다. 따라서, 레이저 프로브 측정 기술 또는 TOT에서 실시될 때, 사이즈 및 농도 사이의 보다 나은 균형을 제공할 수 있다. 또한, TOT에서는 이용할 수 없는 추가적 정보가 보다 정확한 측정을 가능하게 하는 다크 빔에 의해 이용될 수 있다. 이러한 형태를 실현하는 여러 방법이 참고문헌 US 7,746,469에 나열된 참조문헌에서 개시되어 있다. 이러한 참조문헌의 전문은 본원에 참조로서 포함된다.
US 7,746,469에서 개시된 광학 설비는 단일 전방 검출기를 포함한다. 입자 크기는 작은 입자에 대해서는 다크 선의 변조 깊이(depth of modulation)에 의해 측정되고, 큰 입자에 대해서는 상호작용 폭에 의해 측정된다. 상기 광학 설비는 또한 스캐너를 포함한다. 스캐닝 속도는 입자 속도보다 커, 입자 속도가 무시될 수 있다. 이를 통해, 상기 입자 크기는 빔 속도, 상호작용 신호의 상호작용 폭 및 변조 깊이, 및 상기 빔의 폭으로부터 결정될 수 있다.
(전문이 본원에 참조로서 포함된) 특허 출원 US 2015/0260628는 US 7,746,469에 개지된 방법을 개선한, 입자 크기 및 농도를 측정하기 위한 방법 및 설비에 관한 것이다.
시스템 개략도인 도 2가 참조된다. 도 2는 US 2015/0260628에 기재된 측정 설비를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 시스템은 가우스 빔을 생성하는 레이저(20); 빔을 조준하고 빔 확대기(26)로서도 작용하는 구면 렌즈(22, 24); 가우스 레이저 빔을 선 특이점을 갖는 구조화된 다크 빔으로 변환시키는 상 마스크(28); 후방 산란 광을 수집하는 빔 스플리터(30); 입자(36)를 합유한 액체 또는 공기가 화살표 Y 방향으로 흐르는 큐벳(34) 내에 상기 다크 빔을 초점 맞추는 집속 렌즈(32); 및 2개의 수평 전방 검출기(38, 40)(명확하게는, 본 명세서 평면에 대해 회전된 검출기)을 포함한다.
공기 중 입자의 경우, 상기 입자를 함유하는 공기의 흐름이 큐벳 내에 제한되지 않는다. 집속 렌즈(32)의 초점에 의해 입자(36)로부터 후방산란 방사선이 상기 집속 렌즈(32)에 의해 수집, 본질적으로는 조준되고, 빔 스플린터(30)에 의해 반사되고, 집광 렌즈(42)를 통해 조사되어, 상기 방사선은 핀홀(44)을 통해 후방 산란 검출기(46)로 집속된다.
검출기의 위치를 나타낸 개략도인 도 3이 참조된다. 도시된 다크 빔 패턴에 대한 상기 검출기(38, 40)의 위치가 도 3에 도시되었다. 도 3에서, Z축은 본 명세서 평면에 대해 수직한 광축이고, Y 방향은 본 명에서 평면에서 상기 Z 방향에 대해 수직하게 흐르는 입자의 방향이고, X 방향 또한 본 명세서 평면에서 Z 방향에 대해 수직한 방향이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 2개의 검출기는 X-Y평면에 위치하되 다크 선(14)의 각 측면 상에 대칭적인 다크 빔 선 특이점에 대해 평행한 Y 방향에서 상이한 위치에 위치한다. 이때, 검출기(38)는 다크 빔의 강도 로브(12)을 부분적으로 커버하도록 위치되고, 검출기(40)은 다크 빔의 강도 로브(12')를 부분적으로 커버하도록 대칭적으로 위치된다.
도 3을 참조하면, 입자가 상단에서 하단으로 빔을 지날 때, 출력 강도 패턴이 수정되고, 검출기는 위상 변화를 감지한다. 기본적으로, 호모 다인 모드(homodyne) mode)에서, 제1 로브를 교차하는 작은 입자로부터의 미세 산란은 제 2 로브와 상호작용한다. 이러한 산란은 통합되기 보다 검출 전에 공간적으로 분리되기 때문에 보다 높은 민감도 및 추가 정보를 제공할 수 있다.
상기 검출기 간격은 다크 빔의 최대 강도 구배에 정렬함으로써, 민감도를 위해 최적화하거나 수정하거나 구성하기 위해 될 수 있다. 다양한 분석 목적을 위해, 상기 검출기 신호는 (a) 개별 신호; (b) 2개의 검출기 신호의 차동 신호; 및 (c) 상기 2개의 검출기 신호의 합 중 어느 하나로 기록될 수 있다. 상기 2개의 검출기의 신호를 제거하면 레이저 노이즈와 같은 공통 노이즈가 제거된다; 그 결과, US 7,746,469의 시스템을 사용하여 측정된 것보다 측정 민감도가 향상된다.
상기 신호는 상 차이로부터 도출되고, 이의 크기 의존성은 전형적으로 r2.5이다.
r2.5의 신호 의존성은 하기 표 1, 도 14의 PSL(폴리 스티렌 라텍스) 비드에 대한 그래프(1401) 및 (1402)에 나타내었다.
| 측정결과 | ||||
|
Flow Rate
|
PSL
[ nm ] |
Concentration
[ # / ml ] |
Vp
-p Average
[ mV ] |
PSL Diameter 2 .5 |
| 250 sccm | (Background) | 0 | 26.48 | -- |
| 250 sccm | 22 | 5.127 E+12 | 35.35 | 2270.2 |
| 250 sccm | 29 | 2.687 E+13 | 41.67 | 4528.9 |
| 250 sccm | 46 | 3.606 E+11 | 76.32 | 14351.4 |
| 250 sccm | 70 | 2.509 E+11 | 178.80 | 40996.3 |
2개의 전방 검출기(38, 40)로부터의 신호 사이의 지연이 입자와의 상호작용이 발생한 광축 Z에 따른 위치에 관한 정보를 도출하기 위해 사용된다. 또한, 이를 통해 정확도가 향상된다. 빔 전파 방향에 따른 위치가 공지되면, 상기 위치에서의 대응하는 빔 형상이 공지되고, 상기 상호작용을 기초로 입자 크기를 결정하고 상기 빔 형상을 디-컨볼빙(de-convolving)하는 데 있어 보다 높은 정확도를 얻을 수 있다.
대안적으로, 상기 지연은 상기 초점에서 상기 빔과 상호작용하지 않은 입자를 배제하는 데 사용될 수 있다. 미국 특허 US 7,746,469에서, 상기 다크 빔의 초점을 통과하지 않는 입자에 대한 측정 배제는 낮은 정확도를 갖는 상호작용 신호의 기울기를 기초로 한다. 입자의 상대 속도에 대한 지식이 요구된다. 미국 공개 특허 US 2015/0260628에서, 상기 상대속도는 상기 2개의 검출기 상의 2개의 로브 사이의 이동 시간을 기초하여, (예를 들어, 상기 로브 사이의 공지된 거리를 신호 사이의 시간으로 나눠) 어떠한 주사 없이 도출한다. 이러한 방법은 전형적으로 주사 빔보다 낮은 노이즈 및 높은 민감도를 나타낼 수 있다.
후방 산란 검출기(46)은 핀홀(44)을 통해 입자 및 다크 빔의 상호작용으로부터 후방 산란을 검출한다. 상기 핀홀(44)에 의해, 상기 검출은 공초점(confocal)이고, 다크 빔의 초점에서 정확하게 움직이는 입자만 상기 후방 산란 검출기(46)에 의해 검출될 수 있다. 상기 후방 산란 검출기로부터의 신호는 강도, 폭 및 변조를 통한 입자 크기의 추가정보; 상기 입자의 반사 특성; (적절한 파장이 선택된) 조명 빔에 의해 생성된 형광;을 포함하는 추가 정보를 제공하고, 2개의 전방 검출기로부터 신호가 결합될 때 고분해능 1차원 공초점 주사 현미경(confocal scanning microscope)으로서 기능할 수 있고, 및/또는 상호작용 성질을 그룹화함으로써, 특정 입자를 특징화하거나 및/또는 개별 입자를 분류하는데 사용되는 정보를 밝힐 수 있다.
US 2015/0260628의 설비의 다른 개선은 설명된 바와 같이, 시스템에 2개의 전방 검출기의 사용이 스캐닝의 필요성을 없애고 전술한 바와 같이, 입자 속도의 측정을 위해 고정 빔으로 측정이 수행될 수 있다는 것이다. 이는 두 개의 로브 사이의 갭이 공지된 초점 영역(focal zone)을 지나는 입자의 속도(2개의 검출기 신호 사이의 지연=0)를 측정함으로써 달성된다. 이는 입자가 상기 갭과 비교하여 작을 때 쉽게 구현될 수 있고, 또한, 보다 큰 입자에 대해서는, 상기 갭은 상승 시간 및 하강 시간의 중간에서 정체기를 갖는 단계별 신호 램프로서 나타난다.
US 7,746,469 및 US 2015/0260628에서 기재된 방법의 한가지 한계는 조명 빔의 초점 크기가 여전히 집중되어 있고, 이로 인해 입자와의 상호작용률이 낮은 것이다. 상기 방법은 전형적으로 상대적으로 고농도의 입자에 효과적이다.
참고 문헌:
다음의 간행물은 그 전체가 참고로 포함된다. 본 발명의 실시 예는 임의의 다음 공보에 기재된 임의의 구성 요소, 시스템, 방법 및 / 또는 동작을 선택적으로 포함하거나 이용할 수 있다.
1. T. Allen, Particle Size Analysis, John Wiley & Sons; ISBN: 0471262218; June, 1983.
2. W. Tscharnuter, B. Weiner and N. Karasikov, TOT theory.
3. R. Piestun, and J. Shamir, "Synthesis of three-dimensional l light-fields and applications"Proc. IEEE, Vol. 90(2), 220-244, (2002).
4. R. Piestun, and J. Shamir, "Control of wavefront propagation with diffractive elements," Opt. Lett., Vol. 19, pp. 771-773, (1994).
5. B. Spektor, R. Piestun and J. Shamir, "dark beams with a constant notch," Opt. Lett., Vol. 21, pp. 456-458, 911 (1996).
6. R. Piestun, B. Spektor and J. Shamir, "Unconventional Light Distributions in 3-D domains," J. Mod. Opt., Vol. 43, pp. 1495-1507, (1996).
7. R. Piestun, B. Spektor and J. Shamir, "Wave fields in three dimensions: Analysis and synthesis," J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 13, pp. 1837-1848, (1996).
8. M. Friedmann and J. Shamir, "Resolution enhancement by extrapolation of the optically measured spectrum of surface profiles," Appl. Opt. Vol. 36, pp. 1747-1751, (1997).
9. R. Piestun, B. Spektor and J. Shamir, "Pattern generation with extended focal depth," Appl. Opt., Vol. 37, pp. 5394-5398, (1998).
10. N. Stanley-Wood, Roy W. Lines, Particle Size Analysis, The Royal Society of Chemistry, ISBN: 0851864872, 1992.
11. Alfred M. Bruckstein, David L. Donoho, Michael Elad: "From Sparse Solutions of Systems of Equations to Sparse Modeling of Signals and Images" SIAM Review (2009) - Society for Industrial and Applied Mathematics, Volume 51, Number 1, pages 34-81,
본 발명의 목적은 전술한 종래의 기술의 장점을 유지하면서, 깨끗한 액체 및 가스에서 저 농도의 오염물에 대해 입자 크기 및 농도를 정확히 측정하는 시스템 및 방법을 제공하고, 및/또는 반도체 및 제약 산업에서의 깨끗한 액체 및 공기에 대한 요구에 따라, 20 nm 범위 이하로 낮춘 크기 민감도를 가능하게 하는 데 있다.
추가적으로, 본 발명의 목적 및 이점은 이하의 설명에 의해 나타날 것이다.
본 발명은 다크 빔과의 상호작용을 기반으로 하는 입자 검출 성능을 향상시키는 다양한 측면을 포함한다. 본 발명은 예를 들어, 낮은 농도에서의 검출을 위한 조항 및 메커니즘; 복수의 파장을 사용하여 더 많은 정보를 결정, 검출 또는 측정하는 조항 및 메커니즘; 다크 빔 형상에 대한 조항 및 메커니즘; 이중 및 다중 경로 검출을 사용하여 민감도를 향상시키기 위한 조항 및 메커니즘; 2개의 편광 또는 편광된 요소 사이의 지연을 형성하는 방법 및 메커니즘을 포함하는, 편광을 통해 노이즈를 감소시키는 조항 및 메커니즘; 그룹화-후방 산란, 다색 상호작용에 대한 더 많은 정보를 위한 조항 및 메커니즘; 위상 및 진폭 분리 분석을 위한 조항 및 메커니즘; 및/또는 패턴 인식을 이용한 낮은 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)에서의 검출을 위한 조항 및 메커니즘;을 포함한다.
본 발명의 일 측면에서는,
i) 입자를 함유하는 유체를 유동시키는 플로우 셀;
ii) 전자파 빔을 생성하는 광원; 전자파 빔을 수신하기 위한 빔 정형 광학 시스템;
iii) 상기 전자파 빔을 수신하고, 정형 빔을 생성하고 상기 무정형 빔의 적어도 일부가 상기 플로우 셀을 통해 조사시키는 빔 정형 광학 시스템; 및
iv) 상기 플로우 셀 및 상기 광원과 광 통신하는 적어도 하나의 광 검출기 어레이; 를 포함하고,
상기 광원은 상기 빔 전자파를 상기 광학 렌즈로 조사시키고 이를 통해 상기 무정형 빔을 생성하고, 상기 플로우 셀을 통해 조사된 상기 무정형 빔의 일부는 상기 무정형 빔의 일부 및 상기 플로우 셀 내의 입자와의 상호작용을 측정하는 적어도 하나의 광 검출기 어레이로 제공되고, 이를 통해 상기 적어도 하나의 광 검출기 어레이의 요소에 대응되는 개별 신호를 복수 개 생성하고,
v) 상기 입자를 나타내는 개별 신호로부터 차동 신호를 생성하는 애널라이저;를 포함하는 입자 검출 시스템이 제공된다.
상기 빔 정형 광학 시스템은 하나 이상의 원주렌즈를 포함한다. 상기 적어도 하나의 광 검출기 어레이는 전방 전파 전자파를 수신하기 위해 위치된다.
본 발명의 일 측면에서는,
a) 입자를 함유하는 유체를 유동시키는 플로우 셀;
b) 전자파 빔을 생성하는 광원;
b) 전자파 빔을 생성하는 광원;
c) 상기 플로우 셀을 통해 상기 빔을 적어도 2회 조사하기 위해 상기 플로우 셀 및 상기 광원과 광 통신하는 광 조향 시스템; 상기 플로우 셀에 있는 상기 입자는 상기 플로우 셀을 통하는 각각의 개별 경로상의 상기 빔의 상이한 부분과 상호 작용하고, d) 상기 입자를 나타내는 개별 신호로부터 차동 신호를 생성하는 애널라이저;를 포함하는 입자 검출 시스템이 제공된다.
상기 광 조향 시스템은 상기 빔이 상기 플로우 셀을 통과하도록 적어도 4회, 적어도 6회 또는 선택적으로 적어도 8회 조사한다. 상기 광 조향 시스템은 상기 빔을 편광 상태로 변환시키기 위한 반파장 판 및 1/4파장 판 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 애널라이저는 시간 영역에서 상기 차동 신호를 분석한다. 상기 애널라이저는 상기 차동 신호를 기초로 상기 입자의 수를 측정한다. 상기 애널라이저는 상기 입자의 크기를 특징화한다.
상기 전자파 빔은 가우스 빔, 비-가우스 빔, 구조화된 비-가우스 빔, 다크 빔, 또는 구조화된 다크 빔일 수 있다. 상기 무정형 빔은 탑 햇 빔(top hat beam), 가우스 빔, 또는 구조화된 다크 빔일 수 있다.
상기 입자 검출 시스템 및 방법은 상기 플로우 셀과 광 통신하는 적어도 하나의 후방 산란 검출기를 더 포함할 수 있다. 상기 후방 산란 검출기는 상기 입자의 반사율(reflectivity)을 검출할 수 있다. 상기 후방 산란 검출기는 상기 입자의 형광을 검출할 수 있다. 상기 후방 산란 검출기는 상기 입자가 생물학적인지 비생물학적인지를 결정하는데 사용될 수 있다.
상기 적어도 하나의 광 검출기 어레이는 분할된 선형 검출기 어레이일 수 있다. 상기 차동 신호는 상기 입자 검출 시스템에 의해 아날로그로 생성될 수 있다.
본원에 기술된 상기 입자 검출 시스템 및 방법은 프로세서를 더 포함할 수 있다. 상기 차동 신호는 상기 프로세서에 의해 생성될 수 있다. 상기 프로세서는 각각의 출력 차동 신호를 입자에 대응하는 공지된 신호의 기 생성된 라이브러리와 비교하여 각각의 출력 신호가 입자 검출 신호인지 또는 레이저 노이즈인지를 결정할 수 있다. 상기 프로세서는 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환을 이용하여 각각의 출력 차동 신호를 주파수 영역으로 변환시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에서는
i) 플로우 셀과 광통신하는 적어도 하나의 광 검출기 어레이를 제공하는 단계;
ii) 하나 이상의 전자파 빔을 생성하는 단계;
iii) 빔 정형 광학 시스템을 이용하여 상기 하나 이상의 전자파 빔을 정형하여 무정형 빔을 생성하고, 상기 무정형 빔의 적어도 일부를 상기 플로우 셀을 통해 조사시켜 상기 적어도 하나의 광 검출기 어레이에 제공하는 단계;
iv) 상기 플로우 셀을 통해 유체를 유동시켜 상기 무정형 빔 및 상기 유체 내의 입자 사이의 상호작용을 생성하는 단계;
v) 2개 이상의 상기 검출기 출력 신호를 기초로 차동 신호를 생성하는 단계; 및 vi) 상기 차동 신호를 분석하여 상기 입자의 하나 이상의 특징을 검출 및/또는 결정하는 단계; 및
vii) 상기 차동 신호를 분석하여 상기 입자의 하나 이상의 특징을 검출 및/또는 결정하는 단계; 를 포함하는 입자 검출 방법이 제공된다.
본 발명의 일 측면에서는
i) 플로우 셀과 광통신하는 적어도 하나의 광 검출기 어레이를 제공하는 단계;
ii) 하나 이상의 전자파 빔을 생성하는 단계; ii) 하나 이상의 전자파 빔을 생성하는 단계;
iii) 빔 정형 광학 시스템을 이용하여 상기 하나 이상의 전자파 빔을 정형하여 무정형 빔을 생성하고, 상기 무정형 빔의 적어도 일부를 상기 플로우 셀을 통해 조사시켜 상기 적어도 하나의 광 검출기 어레이에 제공하는 단계;
iv) 상기 플로우 셀을 통해 유체를 유동시켜 상기 무정형 빔 및 상기 유체 내의 입자 사이의 상호작용을 생성하는 단계;
v) 2개 이상의 상기 검출기 출력 신호를 기초로 차동 신호를 생성하는 단계; 및 vi) 상기 차동 신호를 분석하여 상기 입자의 하나 이상의 특징을 검출 및/또는 결정하는 단계; 및
vii) 상기 차동 신호를 분석하여 상기 입자의 하나 이상의 특징을 검출 및/또는 결정하는 단계; 를 포함하는 입자 검출 방법이 제공된다.
상기 차동 신호를 분석하는 단계는 시간 영역에서 수행될 수 있다. 상기 하나 이상의 전자파 빔은 가우스 빔, 비-가우스 빔, 구조화된 비-가우스 빔, 다크 빔 또는 구조화된 다크 빔일 수 있다. 상기 무정형 빔은 탑 햇 빔(top hat beam), 가우스 빔 또는는 구조화된 다크 빔일 수 있다.
상기 빔 정형 광학 시스템은 하나 이상의 원주렌즈를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 광 검출기 어레이는 분할된 선형 검출기 어레이일 수 있다.
상기 차동 신호를 분석하는 단계는 상기 차동 신호를 입자에 대응하는 공지된 신호의 기생성된 라이브러리와 비교하고, 상기 차동 신호가 입자 검출 신호인지 레이저 노이즈인지를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 차동 신호를 분석하는 단계는 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환을 이용하여 상기 차동 신호를 주파수 영역으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 차동 시호를 분석하는 단계는 상기 입자를 특징화하는 단계, 예를 들어, 상기 입자수를 측정하는 단계, 또는 상기 입자의 크기를 결정하는 단계, 또는 상기 입자수를 측정하고 상기 입자의 크기를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
추가적으로, 본원에 설명된 추가적 실시 예 및 시스템이 설명된 방법에 유용하게 통합될 수 있다.
본원에서의 "무정형 빔"은 하나 이상의 공간 차원에서 독립적인 광 출력에 의해 특징되는 전자파 빔을 지칭한다. 무정형 빔은 하나 이상의 공간 차원에서 상이한 광 출력을 가질 수 있다. 무정형 빔은 플로우 셀의 단면(예를 들어, Z방향으로 유동하는 경우 입자가 통과하는 x-y평면 )에 대응하는 2개의 공간 차원에서 독립적이고 상이한 광 출력을 가질 수 있다.
“광 검출기 어레이”는 개별의 검출기 요소의 그룸 또는 어레이를 지칭한다. 예를 들어, 포토 검출기 또는 포토다이오드의 1차원 또는 2차원 어레이이다. 본 발명의 모든 상기 및 상이한 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 예시적이고 비제한적인 설명을 통해 추가로 이해될 것이다.
본 발명은 전술한 종래의 기술의 장점을 유지하면서, 깨끗한 액체 및 가스에서 저 농도의 오염물에 대해 입자 크기 및 농도를 정확히 측정하는 시스템 및 방법을 제공하고, 및/또는 반도체 및 제약 산업에서의 깨끗한 액체 및 공기에 대한 요구에 따라, 20 nm 범위 이하로 낮춘 크기 민감도를 가능하게 한다.
도 1은 가우스 빔 및 다크 빔의 2차원 강도 형상을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 입자 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 예시적 다크 빔 패턴에 대한 도 2의 시스템의 전방 검출기의 검출기 평면에서의 위치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 초점 영역(focal zone)이 연장되고 수집 광학계가 검출기 어레이 상에 로브를 투명한 후 DAQ에 연결하는, 본 발명의 입자 모니터링 시스템의 일 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 어레이의 각각의 쌍이 도 3의 검출기(38, 40)로서 기능 하는 이중 검출기 어레이에 의해 부분적으로 커버되는 검출면에서의 빔의 2개의 로브를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 웨이퍼 표면 또는 다른 표면상의 작은 입자의 크기 및 농도를 검출 및 측정하기 위한 본 발명에 따른 광학 설비의 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 도 6의 광학 설비에서 사용되는 주사 방향을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8a, 8b 및 8c는 본 발명에 따라, Y 방향으로 푸리에 변환하고 X 방향으로 이미지를 나타내는 선 초점을 갖는 수집 광학계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따라 2개의 파장 또는 복수 개의 파장을 갖는 US 2015/0260628의 방법을 기초로 하는 변형된 설비를 구현하는 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 단일 경로 검출 방법 및 개선된 이중 경로 및 다중 경로 검출 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 경로 시스템의 구성을 표기한 사진이다.
도 12는 본 발명에 따른 형광 검출 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에 따라, 편광을 통해 SNR을 추가로 향상시키는 접근법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명에 따라 신호 의존성을 나타내는 2개의 그래프를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하나의 채널 상에 검출된 상호작용을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 상단 및 하단 PDA 요소의 차이를 나타내는 차동 신호의 일례를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명에 따른 알고리즘에 의해 검출되는 매칭 패턴 형상을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명에 따른 필터 매개변수를 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명에 따라 생성된 상호작용 산란도를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 입자 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 예시적 다크 빔 패턴에 대한 도 2의 시스템의 전방 검출기의 검출기 평면에서의 위치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 초점 영역(focal zone)이 연장되고 수집 광학계가 검출기 어레이 상에 로브를 투명한 후 DAQ에 연결하는, 본 발명의 입자 모니터링 시스템의 일 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 어레이의 각각의 쌍이 도 3의 검출기(38, 40)로서 기능 하는 이중 검출기 어레이에 의해 부분적으로 커버되는 검출면에서의 빔의 2개의 로브를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 웨이퍼 표면 또는 다른 표면상의 작은 입자의 크기 및 농도를 검출 및 측정하기 위한 본 발명에 따른 광학 설비의 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 도 6의 광학 설비에서 사용되는 주사 방향을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8a, 8b 및 8c는 본 발명에 따라, Y 방향으로 푸리에 변환하고 X 방향으로 이미지를 나타내는 선 초점을 갖는 수집 광학계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따라 2개의 파장 또는 복수 개의 파장을 갖는 US 2015/0260628의 방법을 기초로 하는 변형된 설비를 구현하는 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 단일 경로 검출 방법 및 개선된 이중 경로 및 다중 경로 검출 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 경로 시스템의 구성을 표기한 사진이다.
도 12는 본 발명에 따른 형광 검출 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에 따라, 편광을 통해 SNR을 추가로 향상시키는 접근법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명에 따라 신호 의존성을 나타내는 2개의 그래프를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하나의 채널 상에 검출된 상호작용을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 상단 및 하단 PDA 요소의 차이를 나타내는 차동 신호의 일례를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명에 따른 알고리즘에 의해 검출되는 매칭 패턴 형상을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명에 따른 필터 매개변수를 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명에 따라 생성된 상호작용 산란도를 나타낸 도면이다.
본 특허출원은 2017년 10월 26일에 출원된 미국 우선권 특허 출원 제62/577,403호의 우선권을 청구하고, 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
깨끗한 액체 및 가스에서 낮은 농도의 오염물에 대한 측정 민감도를 향상시키기 위해, 본 발명은 특히 렌즈(32)를 구형에서 원주 렌즈로 변경함으로써 도 2의 광학 시스템을 변경시켰다. 도 5에 개략적으로 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 광학 에너지 분포는 다크 선 특이점을 갖는 선 초점을 포함한다. 높은 레벨의 무정형 빔 형상을 형성하기 위한 다른 광학 설계는 X 방향에서 탑 햇 선 분포를 포함하는 본 발명의 일부이다.
집속된 빔은 원형 초점에 대해 전술한 바와 같이 입자와 상호작용하고 이후 검출기 어레이에 투영되어 도 3에 전술되고 도시된 형태로 다중 검출기 쌍에 의해 병렬 검출된다. 빔 형상 및 검출기 크기를 일치시키기 위해 초점 영역(focal zone) 및 검출기 사이에 도 4에 개략적으로 도시된 추가 원주 수집 광학계가 사용될 수 있다.
예를 들어, 렌즈는 X 방향에 이미지를, Y 방향에 푸리에 변환을 생성할 수 있다. 이러한 렌즈 설계의 일례를 도 8a에 개략적으로 도시하였고, 4mm의 검출기 상의 X 방향에서의 이미지를 추가로 도 8b에 도시하였고, Y 방향에서의 푸리에 변환을 추가로 도 8c에 도시하였다.
상기 결과, 도 2에서와 같이, 도 4에서 본 명세서 평면에서 Z축이 광축일 때, Y축 또한 본 명세서 평면에서 Z축과 수직한 입자 흐름의 방향이고, X축은 본 명세서 평면과 수직한다. 이에, 입자와 상호작용하는 위치에서 조명 빔의 초점은 Y 방향에서 매우 예리하고 X축 방향에서는 다크 선 특이점의 방향인 X 방향을 따라 이상적으로는 탑 햇 분포(바람직한 방향에서 평평한 에너지 분포를 달성하기 위한 광학 설계)를 갖는 상대적으로 보다 연장된 선 형태이다.
본 발명자에 의해 구축되고 시험된 시스템에서 사용되는 초점에 대한 비제한적인 치수의 일례는 Y 방향으로의 1 마이크론 다크 빔, X 방향으로의 120 마이크론 탑 햇이다. 본 발명자에 의해 방법을 시험하기 위해 구축되 사용된 상기 시스템의 구체적인 실시 예로, 상기 검출기 어레이는 Si PIN 포토다이오드 검출기 요소를 32쌍 포함한다. 따라서, 전방 검출기의 경우, 각각의 요소 쌍은 102/32
4 마이크론으로 나타났다. X 방향에서, 상기 검출기는 빔의 이미지를 확인하고, 전술한 예시적인 실시 예인 4mm 길이를 갖는 검출기 어레이에 대해, 120 마이크론 폭의 초점 영역이 4 mm로 확대된다. Y 방향에서, 도 3의 전방 산란 검출기, 또는 도 6의 후방 산란 검출기(이하 참조)는 상기 빔의 푸리에 변환(Far field)을 확인한다.
입자가 Y 방향으로 유동하고 이에 따라 상기 빔의 좀은 면에서만 상호작용하기 때문에, 상기 방향에서 상기 방법으로 상기 Y 방향으로의 공간 분해능에 영향을 미치지 않으면서 초점을 확대할 수 있다.
특이점 및 호모다인 접근 방식을 사용하는 US 7,746,469 및 US 2015/0260628에서는 120 제곱 마이크로 면적의 초점 영역에서 10-20 나노미터 입자를 검출하려고 할 때 SNR 및 대비(contrast)에 있어 상당한 문제가 있었다. 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해, 도 2에 도시된 2개의 전방 수평 검출기(38, 40)가 도 5에 도시된 시스템의 분할된 정합 선형 어레이 검출기(38*, 40*)로 대체되었다.
도 5는 검출기 평면에서의 다크 빔의 2개의 로브(12, 12')의 다크 선(14) 및 피크 강도 영역에 대한 검출기 어레이(38*, 40*)의 위치를 상징적으로 도시한다. 측정은 상기 다크 선(예를 들어, 도 5의 1a, 1b)을 가로지르는 검출기 요소 쌍으로부터의 신호를 사용하여 수행된다. 이러한 방법으로, 동일한 공간 분해능을 유지하면서 어레이의 쌍들에 대해 병렬 검출이 용이해진다: 또한, 초점 영역에서의 레이저 출력 밀도가 도 2의 것과 유사할 경우, 동일한 SNR이 달성된다. 집속된 빔의 상호작용률은 이에 따라 전형적으로 검출기 쌍의 개수와 동등한 인자만큼 증가된다.
새로운 발명의 경우, 도 2에 도시된 후방산란 검출기(46)는 종래의 시스템에서의 후방 산란 검출기(46)와 같은 단일 검출기일 수 있는 검출기(46*)로 확장될 수 있지만, 2개의 검출기(46*a 46*b)의 사용은 차동 신호를 측정하여 불특정한 노이즈 영향을 줄이는 데 있어 보다이로울 수 있다. 시스템의 실시 예에서, 도 2에서와 같이 시스템에 통합될 수 있는 2개의 검출기(46*a, 46*b)는 단일 검출기 또는 듀얼 검출기일 수 있고, 선 초점의 이미지를 커버하는 PMT 또는 APD와 같은 고감도 검출기일 수 있다. 후방산란은 암시야에 있고, 따라서, 전형적으로 배경 샷 노이즈를 줄이기 위한 검출기 어레이가 요구되지 않는다. 하지만, 전방 검출기(38*, 40*)와 유사한 분할된 선형 어레이는 고감도로 연속 영역 또는 유동 매핑과 같은 다른 이점 및/또는 전방 검출기 어레이와 같이 향상된 검출 속도 및 그룹화를 위해 고려될 수 있다.
도 6은 입자가 Si 웨이퍼의 표면상에 있는 특별한 실시 예를 나타낸다. 상기 웨이퍼트는 반사성이 있고, 이에 검출기 어레이(58)는 빔이 상기 입자를 2번 통과하면서 빔이 후방으로 반사되는 전방 산란과 위치가 동일하다. 상기 구성에서의 검출기 어레이(58)는 상기 입자를 2회 통과 및 후방 산란한 후 상기 웨이퍼로부터 반사된 전방 산란의 합을 측정한다.
전술한 바와 같이, 상기 후방 빔을 측정하기 위해 선 초점 및 분할된 선형 어레이 검출기를 사용하는 것은 선 초점을 갖는 적용범위 영역이 보다 크기 때문에 낮은 농도의 입자에서 특히 유용한다. 전형적으로, 10nm 이하의 입자를 검출하기 위한 전체 웨이퍼 적용범위는 우수한 분해능을 달성하면서 시간당 10-20웨이퍼 속도에 따라 수분 내에 달성될 수 있다. 일례로, 탑 햇 폭이 0.5mm이고, 빔에 대한 웨이퍼의 주사 속도가 1m/sec일 수 있다. 이는 500mm2/sec의 검출영역을 얻을 수 있고, 300mm 웨이퍼에 대해 전체 적용범위가 3분 미만에 검출될 수 있다.
DAQ
:
검출기로부터의 출력을 처리하기 위해, 전용 데이터 수집 시스템(dedicated data acquisition system, DAQ) 및 알고리즘이 본 발명자에 의해 개발되었다. 각각의 포토다이오드의 출력은 DAQ의 64개의 입력 채널 중 어느 하나로 공급되며, 이는 특히 노이즈를 최소화하는 증폭기(low noise preamplifier), 트리거된 출력을 제공하는 구성요소, 버퍼 및 각 쌍에서 상기 2개의 검출기 사이의 인터페이스 보드를 포함하여 출력 신호의 다중화 또는 개별 신호의 전송이 가능할 수 있다.
일례로, 일 실시 예에서, 상기 DAQ 시스템은 4개의 포드를 포함할 수 있고, 상기 검출기 요소의 스마트 시퀀스 알고리즘 및 이의 상기 DAQ로의 연결을 이용하여 검출기 1, 2, 3, 4가 상이한 수집 보드에 연결되고, 이후 5, 6, 7, 8채널이 동일한 수집 보드에 연결할 수 있다. 전형적으로 임계값은 DAQ에서 수행되며, 임계 트레거 사건 전후에 구성 가능한 지속 시간의 패킷이 추가 처리를 위해 컴퓨터 또는 프로세서로 전송된다.
각각의 패킷은 정확한 타임 스탬프가 동반되므로, 사건의 농도를 상호작용의 횟수 및 상호작용의 공지된 영역/부피를 기초로 계산될 수 있다. 이러한 접근은 4개의 인접 검출기 쌍 중 하나 이상이 상호작용이 거의 마주치지 않을 정도의 낮은 농도에서 보다 장점이 있다.
DAQ의 위상배치는, 예를 들어, 큰 입자가 검출기를 통과해 최대 4개의 인접한 쌍의 검출기 요소에 의해 신호가 생성되는 경우, 상기 데이터 수집이 분할되어 첫번째 요소 쌍으로부터의 신호는 채널 1로, 2번째 요소 쌍으로부터의 신호는 채널2로, 3번째 쌍으로부터의 신호는 채널 3으로, 4번째 쌍으로부터의 신호는 채널 4로, 5번째 쌍을부터의 신호는 다시 채널 1로, 6번째 쌍으로부터의 신호는 다시 채널 2등으로 가도록 한다. 이러한 방법으로, 상호작용이 치밀한 타임 스탬프를 갖는 여러 채널에 기록되어 있는 보다 큰 입자에 대한 정보가 수집될 수 있다.
추가 처리를 위해 외부 프로세서 또는 컴퓨터에 전송된 상기 데이터는 효율적이며 상호작용 정보만을 포함한다. 저 농도에서 대부분의 시간에 상호작용이 없을 수 있고, 상기 프로세서로 전송되는 임계값을 통과하는 데이터가 없을 수 있다. 이에, 2개의 입자가 동시에 검출기의 전방을 통계적으로 통과할 수 없거나 또는 알고리즘이 이를 검출하고 단일 입자 검출을 제외한 모든 입자의 측정을 무시할 수 있도록 하는 농도 제한이 있다.
보다 높은 농도에서는 대부분의 시간에서 상호작용 신호가 있기 때문에, 분석을 위해 모든 데이터를 외부 프로세서로 전송하기 위한 전략이 있다. 고 농도에서의 검출과 관련된 실시 예는 각각의 쌍에서 2개의 검출기 사이의 차동 프리 앰프를 제거하는 것이다. 상기 실시 예는 상호작용 신호의 초기 임계값을 허용한다. 이것은 예를 들어, CNP 응용(화학 기계 연마 슬러리)에서와 같이, 입자의 큰 테일(tail)이 검출되는 경우와 관련된다. 이러한 경우, 상호작용은 상기 상호작용 강도에 의해 광학적으로 필터링될 수 있어 많은 양의 작은 입자 상호작용을 제거할 수 있다.
차동 신호의 다른 장점은 공통 노이즈를 제거하여 보다 낮은 임계값을 허용하므로, 작은 입자에 대한 민감도를 개선하는 것이다. 물로, 전술된 모든 DAQ 발전된 성능은 차동 신호에 적용 가능하여 추가 처리가 가능할 수 있다.
신호 식별 알고리즘은 입자 크기, 형태 및 농도를 결정할 수 있다. 상기 알고리즘에 대한 설명은 다음과 같다.
낮은
SNR에
대한 패턴 매칭:
도 15는 상기 채널들 중 하나에 검출된 상호작용의 일례(1501)을 나타낸다. 양 및 음 채널(양 및 음 채널은 PDA의 단일 쌍에서 2개의 검출기로부터의 판독 값임)은 특정 상대 구조를 갖는다.
도 16은 차동 신호의 일례(1601)을 나타낸다. 상기 차동 신호의 차이는; 예를 들어, PDA 요소의 상단 및 하단 사이의 차이를 나타낸다. 상기 차동 신호는 상기 2개의 검출된 채널(양 및 음)보다 노이즈가 적다. 보다 낮은 SNR 상태에서 유사한 신호를 검출하기 위해, 본 발명자는 정합 필터를 기초로 한 패턴 인식을 사용하고 필터뱅크에 대한 차동신호의 컨볼루션을 수행하였다:
상기 식에서, x(t)는 차동신호; hk(t)는 구체적인 정합 필터(matching filter); 및 yk(t)는 출력값이다.
모든 필터의 hk(t)는 단위 에너지에 대해 정규화된다.
x(t) 신호의 형태가 초점에 대한 XYZ공간에서의 빔 구조, 입자 크기 및 상호작용 위치에 따라 달라지기 때문에, 본 발명자는 상이한 상호작용에 대해 향후 교체할 수 있는 많은 수의 정합 필터 hk(t)를 생성하였다.
상이한 신호를 검출하기 위해, 도 7의 일례(1701)에 나타낸 바와 같이, 가변 지연 및 정합 필터의 폭이 사용되어 알고리즘에서 정합 패턴 형상을 나타낼 수 있다.
실직적으로, 필터 뱅크는 신호 서브 스페이스에 걸쳐있는 비-직교 기준을 제공한다. 주요 개념은 산재된 신호(sparse signal) 표현과 관련된 논문에 요약되어 있다. 관련 리뷰가 Alfred M. Bruckstein, David L. Donoho, Michael Elad의 논문 "From Sparse Solutions of Systems of Equations to Sparse Modeling of Signals and Images" SIAM Review (2009) - Society for Industrial and Applied Mathematics, Volume 51, Number 1, pages 34-81에 있고, 이의 전문이 본 발명에 참조로서 포함된다.
본 발명은 아래의 식의 가우스 함수의 미분에 의해 각각의 센서 응답을 나타낼 수 있다.
이때, 진폭 값은 무시된다.
2개의 로브가 서로 상호작용하기 때문에, 총 필터 응답 h(t)은
여기서 로브는 약 0에서 대칭이고, 이의 평균 응답은 fm(t) 및 f-m(t)로 가정한다.
상호작용이 Z축의 어느 위치에서나 발생할 수 있으므로, 상기 알고리즘은 각각이 지연 및 폭 매개변수로 불리는 다른 m 및 s에 대응된다. 공지되지 않은 Z 거리로부터 검출하기 위해, 필터 세트 hk(t)가 생성된다; 이때, k는 임의의 쌍{mk, sk}이다. 각각의 필터는 도 18의 일례(1801)에 설명되고 도시된 바와 같이 필터 매개변수를 나타내는 양 및 음의 데이터 채널에 대한 특정 지연 및 폭 매개변수로 설계된다.
각각의 출력 신호 yk(t)의 절대값이 계산되고 최대값은 임계값과 비교된(예를 들어, 분석 소프트웨어에 의해 설정될 수 있다.) 임계값을 초과하여 최대 응답을 생성한 필터의 매개변수는 지연 및 폭에 대한 지표로 사용된다. 진폭은 최대 yk(t)로 부터 얻어진다.
모든 상호작용에 대한 최선의 정합 필터 매개변수를 기초로, 히스토그램이 계산되거나 생성된다; 예를 들어, 상호작용 산란도를 보여주는 도 19의 일례(1901)와 같음.
본 발명의 방법은 공기 중 및 액체 중 샘플을 측정하기 위해 적합하며, 두 경우 모두 본 발명자에 의해 성공적으로 시험되었다. 실험 설비는 나노 입자를 생성하기 위한 전기 스프레이가 사용되었다. 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.
| Flow Rate | PSL [ nm] | Vp -p Average [ mV] |
| 1500 sccm | 20 | (N/A, hard to get) |
| 1500 sccm | 46 | 163.6667 |
| 1500 sccm | 80 | 356.3333 |
| 1500 sccm | 100 | 582.6667 |
본 발명의 방법의 응용의 일부 예는 제약 및 반도체 산업에서 초순수 물 또는 다른 액체의 품질, 및 클린룸에서의 환경 공기를 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 공기 중 입자의 경우, 입자를 운반하는 공기 기류는 큐벳 내에서 확인될 수 있다(하지만 필수는 아님). 또한, 입자의 속도는 전술한 바와 같이 고유 상호작용 정보에 의해 결정될 수 있다.
공기 및 액체 중 입자의 측정 이외에, 본 발명의 시스템 및 방법은 표면상의 입자의 크기 및 농도를 검출 및 측정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 측정에 대한 방법의 적용의 일례는 반도체 산업에서 찾을 수 있다. 반도체 산업에서 제조 공정에서의 기반으로서 사용되는 가공 전 웨이퍼(bare wafer)의 표면 또는 레티클(reticle)상의 먼지 및 미세 입자의 존재, 농도 및 크기를 검출하고 식별하는 것은 매우 중요하다.
도 6은 웨이퍼(54)의 표면상의 작은 입자의 크기 및 농도를 검출 및 측정하기 위한 광학 설비의 일례를 개략적으로 나타낸 도면이다. 레이저(20)에 의해 방출된 광은 빔 아이솔레이터(beam isolator)(48)을 통과하여, 다크 선 특이점을 생성하기 위한 조항이 있거나 없는 초점 광학장치(50), 및 웨이퍼(54)에 대한 빔 스플리터(52)를 통과한다. 웨이퍼(54)의 표면으로부터 반사된 광은 상기 빔 스플리터(52)에 의해 2개의 영역으로 분열된다. 재1 영역은 집속 렌즈(50)를 통과하여 빔 아이솔레이터(48)에 의해 흡수된다. 반사된 빛의 제2 영역은 수집 광학계(collecting optics)(56)을 통과해 전방 분할 선형 검출기 어레이(58)에 의해 검출된다. 상기 검출기로부터의 광 신호는 전술한 바와 같이, 반사된 전방 산란 및 후방 산란으로 구성된다. 도 6은 상기 방법의 이러한 응용을 설명하는 데 필요한 요소들만을 나타낸다. 다크 빔 또는 선형 초점을 형성하기 위해 사용된 광학 요소가 미도시되었다. 검출기 어레이(58)는 예를 들어, 도 4 및 도 5에서와 같이, 2개의 검출기 어레이(이중 어레이)를 포함한다.
도 7은 도 6의 광학 설비에서 사용되는 주사 방향을 개략적으로 도시한다. Z축은 입사 광축이고, X축은 다크 빔 방향이고, Y축은 주사 방향이다. 상기 웨이퍼(54)는 X-Y주사 스테이지 상에 위치된다. 웨이퍼의 이미지 부문이 초점에 맞춰지도록 하기 위해 선택적 팁 틸트 Z 스테이지가 사용될 수 있다. 방법론 및 초점 피드백 센서는 모션(motion) 산업에서 공지된 일반적인 방법에 기초하여 구현될 수 있다. 주사하는 동안, 웨이퍼(54)는 Y방향으로 이동하여, (정지된)다크 빔(60)은 상기 화살표 방향으로 웨이퍼(54)의 표면 위로 효과적으로 이동한다. 상기 웨이퍼의 전체 표면을 주사하기 위해 Raster, Meander, 또는 다른 주사 패턴이 적용될 수 있다. 실제로, 주사 스테이지의 폐 루프 제어를 통해 어레이의 위치가 공지되므로, 오염물의 이미지 또는 맵이 생성될 수 있다.
US 7,746,469, US 2015/0260628 및 본 특허 출원에서 설명된 방법은 많은 변형 및 개선이 수행될 수 있으며, 이는 아래와 같이 설명된다.
(1) 다른 빔 형상의 사용
:
상기 방법에서 입자와 상호작용하기 위해 다크 빔의 사용을 설명하였지만, 동일한 다른 비 가우스 구조 빔 또는 가우스 빔을 갖는, 필요한 부분만 일부 수정되고 동일한 광학 설비를 사용하여 수행될 수 있다. 다크 빔을 사용할 경우, 배경 신호가 보다 낮고, 이에 대응하여 배경 샷 노이즈가 보다 낮다; 하지만 가우스 빔의 초점 사이즈는 주어진 개구수에 대해 보다 작을 수 있고 이에 따라 상호작용 신호는 일부 구성에서 보다 높을 수 있다. 따라서, 일부의 경우, 가우스 빔이 보다 나은 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)를 얻을 수 있다.
조사에 따르면, 다크 빔은 최적의 포토다이오드 검출기, 출력 및 초점 크기에서 매우 효과적이다. 다크 빔은 검출기가 상기 빔의 각각의 로브의 50%를 수신할 수 있는 크기여야 한다. 상기 다크 빔으로부터의 이점을 얻기 위해, 신호는 검출기 노이즈/DAQ 분해능에 의해 제한되지 않을만큼 충분히 강해야 한다. 빔의 발산에는 더 많은 레이저 출력이 필요하다.
Gold vs. PSL, 및 다크 빔 vs. 가우스 빔 분석:
Gold vs. PSL: PSL에 의해 생성된 신호는 대부분 위상 향상에 기인한 것으로 나타났으며, 금에 의해 생성된 신호 또한 강한 차광(obscuratio) 요소를 가지는 것을 나타났다.
다크 빔 vs. 가우스 빔 실험: 다크 빔의 상호작용 신호는 가우스 빔의 상호작용 신호 대비 2.66배 강했다.
(2) 다중 파장의 이용
전술한 바와 같이, 하나의 형광 레이저를 사용하는 대신, 광학 시스템의 일 실시 예는 각각이 다른 파장을 갖는 2개 이상의 형광 레이저를 포함할 수 있다. 이들은 모두 동일한 초점 영역을 가지며 이의 측정 단면의 일부를 공유한다. 따라서, 이들 사이를 빠르게 변환시킴으로써, 및 검출 및 변환 속도로 동기화함으로써, 나오 입자가 빔을 통과하는 시점을 검출할 수 있고, 추가 스펙트럼 정보를 기초로 어떤 유형의 입자인지를 보다 잘 특성화할 수 있다.
다중 파장 방법 및 시스템의 다른 실시 예는 이색성 빔 스플리터 및 2개의 검출기를 사용하여 레이저 사이의 변환이 요구되지 않고, 두 파장 신호를 동시에 얻을 수 있다. 본 발명의 다크 빔 측정 방법은 도 9의 시스템(901)에 도시된 바와 같이, 동일한 광학 경로를 따라 조사되고 큐벳 중심에 집속되는 상이한 파장(1, 2)을 갖는 2개의 다크 빔으로 확장된다.
색수차가 있는 대물 렌즈의 경우, 각각의 파장이 광축을 따라 상이한 초점 영역을 가지기 때문에 본 발명자는 검출 단면을 증가시켰다.
색 수차 대물렌즈의 경우, 입자-빔 상호작용을 동일한 입자에 대한 2개의 개별 상호작용으로 생각할 수 있다. 각각의 상호작용은 상이한 파장을 갖는 입자의 굴절률을 탐색하고 SNR 및 스펙트럼 거동에 기초한 입자의 특성화하는 능력을 개선시킨다.
(3) 편광의 사용
본 발명의 다른 실시 예에서, 편광 광학 요소는 시스템의 성능을 향상시키고 편광에 의해 밝혀진 입자의 특성을 조사할 수 있도록 포함된다.
교차 편광기를 통한 검출은 배경 노이즈를 감소시키고 검출된 입자로부터의 복굴절 신호를 검출할 수 있도록 한다.
(4) 이중 경로/다중 경로 검출 방법의 사용:
본 발명의 다른 실시 예는 입자를 통과하는 빔의 이중 경로 또는 다중 경로에 관한 것으로, 신호 레벨을 향상시킨다. 큐벳 내의 동일한 입자와 상호작용하도록 동일한 빔이 재조사되어 SNR을 향상시킨다.
이에 대해 도 10에 도시되어 있으며, 본 발명의 일부 실시 예에 따른 단일 경로 설비(1001), 이중 경로 설비(1002) 및 다중 경로 설비(1003)를 나타낸다.
예를 들어, 도 10에 도시된 실시 예에서, 부호1은 레이저(예를 들어 레이저 송신기, 레이저 발생기, 레이저 광원)를 나타내고, 부호 2는 아이솔레이터(isolator)를 나타내고, 부호 3은 빔 익스팬더(beam expander)를 나타내고, 부호 4는 거울을 나타내고, 부호 5는 위상 마스크를 나타내고, 부호 6은 반파장 판을 나타내고, 부호 7은 거울을 나태니고, 부호 8은 대물렌즈를 나타내고, 부호 9는 큐벳을 나타내고, 부호 10은 수집 광학계 요소를 나타내고, 부호 11은 검출기를 나타내고, 부호 12는 편광 빔 스플리터를 나타내고, 부호 13은 거울을 나타내고, 부호 14는 1/4파장 판을 나타내고, 부호 15는 반투명 거울을 나타낸다.
단일 경로, 이중 경로 및 다중 경로 중에서의 개선에 대한 설명은 아래와 같다.
산란도 계산:
빔 직경과 비교하여 매우 작은 입자의 경우, 신호는 상기 빔이 상기 입자와 상호작용할 때마다 증가된다.
(이때, t는 거울의 전송 매개변수이고, r은 반사도이고, S는 신호이다.)
반투명 거울의 경우, 아래의 식으로 표시될 수 있다.
따라서, 아래의 식으로 나타낼 수 있다.
전방 및 후방 산란 모두 1로 나타낼 수 있으므로, 아래와 같이 나타낼 수 있다.
작은 입자의 경우, 전방 및 후방 산란은 유사한 진폭을 가질 수 있다; 따라서 일부 실시 예에서, r→1을 선택함으로써, 최대 8배 보다 향상된 SNR이 달성될 수 있다. 또 다른 설명은 전파 및 반사 빔의 상호작용의 결과로서 정상파(standing waves)의 생성과 관련된 것이다. 이는 광축을 따라 에너지의 정점 및 제로를 형성한다. 에너지 정점은 더 높을 수 있고, 보다 높은 출력 밀도 및 보다 높은 SNR을 제공할 수 있다. 상기 정점은 광축 Z를 따라 좁을 수 있은 반면, 빔을 X 방향으로 확장함으로써 보상될 수 있다.
본 발명에 따른 이중 경로 설비의 대표적인 실시 예의 라벨링된 사진이 도 11에 도시되어 있다.
(5) 형광검출:
본 발명의 또 다른 실시 예는 형광 검출을 허용한다. 이의 개념 및 설비가 본 발명에 따른 도 12의 시스템(1201)에 도시되어 있다. 레이저 L에 대해 405nm의 빛과 같이 단파장을 사용함으로써, 형광은 살아있는 유기체로부터 생성될 수 있다; 또한, 여기에서의 추가적 검출은 높은 공간 분해능의 유세포 분석기(flow cytometer)로서 기능하여 무기 및 유기 물질의 보다 나은 그룹화 및 분리를 가능하게 할 수 있다.
(6) 편광, 지연 및 간섭 검출:
상기 제시된 간섭 검출 기술에서, 신호는 (대략적으로) 입자 크기의 제 3 출력으로서 저하되지만, 산란 신호는 제6 출력으로서 저하된다. SNR은 명시야(bright field)보다는 암시야(dark field)를 분석함으로써 크게 개선될 수 있다. 추가적으로, 애널라이저를 정렬하여 위상 및 진폭을 개별적으로 분석할 수 있다.
또 다른 실시 예가 본원에 설명된다. 다크-빔 듀얼 패스 경로 공통 경로 간섭계 시스템(Dark-Beam Dual-Pass Common-path Interferometer system )에서, 입사 빔(펌프)는 방해석을 통과해 짤은 지연 시간을 갖는 평행 및 수직한 편광 빔인 2개의 빔으로 분열된다. 상기 수직 편광 빔(선단 빔)은 입자와 상호작용 하지만 상기 평행 편광 빔은 입자와 상호작용하지 않는다. 상기 2개의 빔은 제2 결정에 의해 재결합되고, 이들의 간섭이 검출기(암시야)에 (의해) 모니터링된다.
도 13은 본 발명에 따라, 편광을 통해 XNR을 추가로 향상시키기는 접근법을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 11의 시스템(1301)은 본 발명에 따른 이중 경로 또는 다중 경로 검출 방식에 대한 편광 향상을 나타낸다.
예를 들어, 도 13에서, 부호 1은 레이저를 나타내고; 부호 2는 아이솔레이터를 나타내고; 부호 3은 빔 익스팬더를 나타내고; 부호 4는 거울을 나타내고; 부호 5는 위상 마스크를 나타내고; 부호 6은 반파장 판을 나타내고; 부호7은 거울을 나타내고; 부호 8은 BS-편광판(예를 들어, 빔 스플리터 편광판 또는 편광 빔 스플리터, 또는 결합된 빔 스플리터 및 편광판)을 나타내고; 부호 9는 1/4파장 판을 나타내고; 부호 10은 편광판을 나타내고; 부호 11은 검출기를 나타내고; 부호 12는 1/4파장 판을 나타내고; 부호 13은 편광판을 나타내고; 부호 14는 방해석 도는 방해석 결정을 나타내고; 부호 15는 대물렌즈를 나타내고; 부호 16은 큐벳을 나타내고; 부호 17은 수집 광학계를 나타내고; 부호 18은 방해석 또는 방해석 결정을 나타내고; 부호 19는 거울을 나타낸다.
도 13에 도시된 바와 같이, 다크 빔 듀얼 패스 공통 경로 간섭계에서, 수직으로부터 45도인 편광 빔은 방해석을 통과해 짧은 시간 지연(Δt)을 갖는 2개의 직교 편광 빔으로 분열된다. 상기 방해석의 고속 광축에 의해 정의되는 수직 편광 빔은 전방으로 이동한다. t 시간에, 단일 나노입자가 2개의 편광 사이의 위상 이동을 갖는 빔과 상호작용할 것이다. 2개의 빔은 제2 방해석에 의해 재결합되어 이들의 간섭이 검출기에 모니터링된다.
이러한 간섭계의 암시야 작동으로 인해, 검출기의 분해능은 광자 노즈(photon-noise)에 의해 제한된다. 또한, 산란된 필드의 진폭 및 위상 반응이 상기 시스템에서 분리되기 때문에, 위상(산란) 및 진폭(흡수)에 숨겨진 정보를 추출할 수 있다. 이는 단지 편광판 및 1/4파장 판 사이의 각도를 조정함으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시 예는 입자 크기 및 농도를 분석하기 위한 광학 시스템을 포함하고, 상기 광학 시스템은 (a) 조명빔을 생성하는 적어도 하나의 레이저; (b) 상기 초점 렌즈의 초점 영역을 통해 상기 조명 빔에 대한 공지된 각도에서 상기 조명 빔에 비례하여 움직이는 입자에 상기 조명 빔을 초점 맞추는 초점 렌즈; (c) 상기 집속 렌즈의 상기 초점 영역에서 상기 조명 빔 및 입자의 상호작용을 검출하는 적어도 두 개의 전방 검출기;를 포함하고, 상기 집속 렌즈는 (i) 상기 입자 및 상기 조명 빔 사이의 상대 운동의 방향에서 좁고, (ii) 시스템의 광축에 의해 정의되는 평면에 대해 수직인 방향 및 상기 입자 및 상기 조명 빔 사이의 상대 운동의 방향에서 넓은, 초첨 영역을 형성하는 원주렌즈이고; 상기 2개의 전방 검출기 각각은 분할된 선형 어레이 검출기로 구성되어 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 표면상의 입자를 검출하기 위해, 상기 표면으로부터 의 반사로 작동하도록 구성된다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 웨이퍼 표면상의 입자를 검출하기 위해, 웨이퍼 표면으로부터의 반사로 작동하도록 구성된다.
일부 실시 예에서, 상시 시스템은 후방 산란 검출의 수행 및/또는 큐벳을 통과하는 입자의 초점 결정을 위한 후방 산란 검출기를 더 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 입자의 색 분석을 수행하기 위한 후방 산란 검출기를 더 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 유기 입자 및 무기 입자를 구별할 수 있는 형광 검출을 수행하기 위한 후방 산란 검출기를 더 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 후방 산란 및 형광 모두를 검출하기 위한 색 선별 거울을 더 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 다크 빔의 2개의 정점을 통해 입자의 비행 시간을 기초로 입자 속도를 결정하는 입자 속도 측정 유닛을 더 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 상기 입자의 전파 빔 및 반사 빔과의 2개의 상호작용의 중첩을 통해 검출이 향상된 이중 경로 모드에서 작동하도록 구성될 수 있다.
일부 실시 예에서, 2개의 거울은 신호의 다중경로 및 이로 인해 향상된 신호를 가능하게 하는 공진기를 생성할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 교차 편광을 이용하여 (i) 상기 레이저 배경 신호를 제거하고, (ii) 입자의 복굴절의 장점을 이용하고, (iii) 암시야 검출이 가능할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 작은 입자 및 큰 입자를 검출하기 위해, 검출 주기를 갖는 이중 어레이용 데이터 수집 서브-시스템을 더 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 (i) 합성적으로 생성된 잠재적 상호작용 및 (ii) 실제 상호작용의 어레이의 패턴 매칭을 수행하고 패턴 매칭을 이용함으로써 보다 낮은 SNR 비에서 입자 검출을 가능하게 하는, 패턴 매칭 유닛을 더 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 다크 빔을 이용할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 가우스 빔을 이용할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 다크 빔 및 가우스 빔 모두를 이용할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 다중의 상이한 파장을 이용할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 상호작용 부피를 향상시키기 위해 다중의 상이한 파장 및 색 수차 대물렌즈를 이용할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 입자에 대한 보다 많은 정보를 도출하기 위해, 다중의 상이한 파장 및 색 수차 대물렌즈를 이용할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 시스템은 다크 빔에서의 이중 경로 및 공통 경로 간섭계를 포함하는 이중 경로 설비로서 구성되고; 이때 입사 빔(펌프)는 방해석을 통과하여 짧은 시간 지연을 갖는 평행 및 수직 편광빔인 2개의 빔으로 분열되고; 상기 수직 편광 빔(선단 빔)은 상기 입자와 상호작용하고; 상기 평행 편광 빔은 상기 입자와 상호작용하지 않고; 상기 2개의 빔은 제2 결정에 의해 재결합되고, 이들의 간섭은 상기 검출기(암시야 레이아웃) 상에 모니터링될 수 있다.
본 발명의 시스템은 적절한 하드웨어 구성요소 및/또는 소프트웨어 구성 요소를 선택적으로 포함할 수 있고, 또는 이들을 이용함으로써 구현될 수 있다. 일례로, 상기 구성요소는 프로세서, 프로세서 코어, 중앙처리장치(CPUs), 디지털 신호 프로세서(DSPs), GPUs, 회로, 집적회로(ICs), 컨트롤러, 메모리 장치, 레지스터, 축압기, 저장 장치, 입력 장치(예를 들어, 터치-스크린, 키보드, 키패드, 스타일러스, 마우스, 터치패드, 조이스틱, 스탤볼, 마이크), 출력 장치(예를 들어, 스크린, 터치-스크린, 모니터, 디스플레이 장치, 오디오 스피커), 음향 센서, 광학 센서, 유선 또는 무선 모뎀 또는 트랜시버 또는 수신기, GPS 수신기 또는 GPS 요소 다른 위치 기반 또는 위치 결정 장치 또는 시스템, 네트워크 요소(예를 들어 라우터, 스위치, 허브, 안테나), 및/또는 다른 적절한 구성요소 및/또는 모듈일 수 있다.
본 발명의 시스템은 코로케이트된(co-located) 요소, 원격 요소 또는 모듈, "클라우드 컴퓨팅" 서버 또는 기기 또는 저장장치, 클라이언트/서버 구성, P2P(peer-to-peer) 구성, 분산 구성, 및/또는 다른 적절한 구성 또는 시스템 토폴로지 또는 네트워크 토폴로지를 선택적으로 포함하거나 이를 이용함으로써 구현될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 계산, 작동 및/또는 결정은 단일 장치 내에서 국부적으로 수행될 수 있고, 또는 다중 장치에 의해 또는 다중 장치에 걸쳐 수행될 수 있고, 또는 처리되지 않은 데이터(raw data) 및/또는 처리된 데이터 및/또는 처리 결과를 교환하기 위해 통신 채널을 선택적으로 이용함으로써, 부분은 국부적이고 부분은 원격(예를 들어, 원격 서버에서)으로 수행될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 일부는 예시적인 목적으로서 유선 링크 및/또는 유선 통신에 관한 것이지만, 일부 실시 예는 이에 제한되지 않으며, 유선 통신 및/또는 무선 통신이 이용될 수 있고; 하나 이상의 유선 및/또는 무선 링크를 포함할 수 있고/ 하나 이상의 유선 통신 및/또는 무선 통신 구성을 이용할 수 있고; 및/또는 하나 이상의 무선 통신 방법 또는 프로토콜 또는 표준을 이용할 수 있다.
일부 실시 예는 일반 컴퓨터가 아닌 특수 목적 기계 또는 특수 목적 기기를 사용하거나 또는 비-일반적 컴퓨터 또는 기계를 이용함으로써 구현될 수 있다. 이러한 시스템 또는 기기는 "일반 컴퓨터"의 부분이 아니며 "범용 컴퓨터"의 일부가 아닌 하나 이상의 요소 또는 장치 또는 모듈을 이용하거나 또는 포함할 수 있다. 예를 들어, 휴대전화 트랜시버, 휴대전화 송신기, 휴대전화 수신기, GPS 장치, GPU(Graphics Processing Unit), 위치 결정 기기, 가속도계, 자이로스코프, 기기-방향 검출기 또는 센서, 기기-위치 검출기 또는 센서 등을 포함할 수 있다.
일부 실시 예는 자동화 방법 또는 자동화 프로세스 또는 기계-구현된 방법 또는 프로세스, 또는 반자동화 또는 부분적 자동화된 방법 또는 프로세스에 의해 또는 이들을 이용함으로써 구현될 수 있다. 또는 컴퓨터 또는 기계 또는 시스템 또는 다른 기기에 의해 실행되거나 수행될 수 있는 단계 또는 작동 설비에 의해 구현될 수 있다.
일부 실시 예는 비 일시적인 저장 매체 또는 비 일시적인 저장 물품(예를 들어, CD-ROM, DVD-ROM, 물리적 메모리 장치, 물리적 저장 장치)에 저장될 수 있는 코드 또는 프로그램 코드 또는 기계 판독 가능 명령어 또는 기계 판독 코드를 사용함으로써 수행될 수 있다. 이를 통해 프로세서 또는 기계 또는 컴퓨터에 의해 실행될 때, 상기 프로그램 또는 코드 또는 명령어는 이러한 프로세서 또는 기계 또는 컴퓨터가 본 명세서에 기재된 방법 또는 프로세스를 수행하도록 한다.
이러한 코드 또는 명령어는 예를 들어 소프트웨어, 소프트웨어 모듈, 애플리케이션, 프로그램, 서브루틴, 명령어, 명령어 세트, 컴퓨팅 코드, 단어, 값, 기호, 문자열, 변수, 소스 코드, 컴파일된 코드, 해석된 코드, 실행 코드, 정적 코드 및 동적 코드 중 하나 이상을 포함할 수 있다.: 상기 코드 또는 명령어는 이에 제한되지 않으나, 고급 프로그래밍 언어, 저급 프로그래밍 언어, 객체 지향 프로그래밍 언어, 비주얼 프로그래밍 언어, 컴파일된 프로그래밍 언어, 해석된 프로그래밍 언어, C, C++, C#, Java, JavaScript, SQL, Ruby on Rail, Go, Cobol, Fortran, ActionScript, AJAX, XML, JSON, Lisp, Eiffel, Verilog, 하드웨어 설명 언어(HDL, BASIC, Visual BASIC, Matlab, Pascal, HTML, HTML5, CSS, Perl, Python, PHP), 기계 언어, 기계어 코드 또는 어셈블리 언어 등일 수 있다.
본 명세서에서 설명된 용어로서, 예를 들어, "프로세싱", "컴퓨팅", "계산", "결정", "설정", "분석", "검사", "검출", "측정" 등과 같은 용어는 레지스터 및/또는 축압기 및/도는 메모리 유닛 및/또는 저장 장치에서 물리적(예를 들어 전기적) 수치로서 나타내는 데이터를 다른 데이터로 자동적으로 및/또는 자율적으로 조작 및/또는 변환할 수 있거나 다른 적합한 동작을 수행할 수 있는 프로세서, 컴퓨터, 컴퓨팅 플랫폼, 컴퓨팅 시스템, 또는 다른 전자 장치 또는 컴퓨팅 장치의 동작 및/또는 프로세스를 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 “복수” 및 “복수의”는 예를 들어, “다중” 또는 “2개 이상”을 포함한다. 예를 들어, “복수의 아이템”은 2개 이상의 아이템을 포함한다.
"일 실시 예” 및/또는 “하나의 실시 예” 및/또는 “예시적인 실시 예”, “다양한 실시 예”, “일부 실시 예” 및/또는 유사한 용어는 특정한 특징, 구조 또는 특성을 선택적으로 포함할 수 있으나 모든 실시 예가 특정한 특징, 구조 또는 특성을 필수적으로 포함하는 것은 아니다. 또한, “일 실시 예에서”라는 문구의 반복된 사용이 반드시 동일한 실시 예를 지칭하는 것은 아니지만, 가능할 수도 있다. 유사하게, “일부 실시 예에서”의 문구의 반복된 사용이 반드시 동일한 세트 또는 그룹의 실시 예를 지칭하는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, 하나의 항목 또는 대상을 설명하기 위해 "제1", "제2", "제3", "제4"와 같은 서수 형용사의 이용은 단지 언급된 이러한 아이템 또는 대상의 다른 예를 나타낸다; 또한 기재된 상기 아이템 또는 대상이 시간적으로, 공간적으로, 순위로, 또는 임의의 다른 순서 방식으로 주어진 특정 순서로 있어야 함을 의미하지 않는다.
일부 실시 예가 단 방향 및/또는 양방향 라이더 통신 시스템, 휴대전화 라디오-폰 통신 시스템, 휴대 전화, 무선 전화, PCS(Personal Communication Systems) 장치, PDA 또는 무선 통신 기능을 포함하는 휴대장치, 모바일 또는 휴대 GPS(Global Positioning System) 장치, GPS 수신기 또는 송신기 또는 칩을 포함하는 장치, RFID 요소 또는 칩을 포함하는 장치, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 트랜시버 또는 장치, SIMO((Single Input Multiple Output) 트랜시버 또는 장치, MISO(Multiple Input Single Output) 트랜시버 또는 장치, 하나 이상의 내부 안테나 및/또는 외부 안테나를 갖는 장치, DVB(Digital Video Broadcast) 장치 또는 시스템, 다중 표준 라디오 장치 또는 시스템, 유선 또는 무선 휴대 장치, 예를 들어, 스마트폰, 무선 응용 프로토콜(WAP) 장치 등과 함께 사용될 수 있다.
일부 실시 예는 "앱" 또는 "앱 스토어"또는 "애플리케이션 스토어"로부터 무료로 또는 유료로 다운로드 되거나 획득될 수 있거나, 컴퓨팅 장치 또는 전자 장치상에 설치되어 있거나, 그렇지 않으면 그러한 컴퓨팅 장치 또는 전자 장치상에 전송되거나 및/또는 설치될 수 있는 "앱" 또는 애플리케이션을 포함하거나 이를 이용하여 구현될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시 예를 참조하여 본 명세서에서 설명된 기능, 동작, 구성 요소 및/또는 특징은 본 발명의 하나 이상의 다른 실시 예에서 참조하여 본 명세서에서 설명된 하나 이상의 기능, 작동, 구성요소 및/또는 특징과 결합될 수 있고 또는 결합된 상태로 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 다른 위치 또는 다른 부문에서 논의되거나 또는 다른 도면 또는 다중 도면에 걸쳐 도시되더라도 본 명세서에 기술된 일부 또는 모든 모듈 또는 기능 또는 구성 요소의 임의의 가능한 또는 적합한 결합, 재배열, 조립, 재조립 또는 다른 이용을 포함할 수 있다. 본 발명의 일부 예시적인 실시 예의 특정 특징이 본 명세서에서 예시되고 설명되었지만, 다양한 수정, 대체, 변경 및 등가물이 당업자에게 발생할 수 있다. 따라서, 청구 범위는 그러한 모든 수정, 대체, 변경 및 등가물을 포함하도록 의도된다.
Claims (81)
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- 이중 경로 모드에서 작동하도록 구성된 입자 검출을 위한 광학 시스템으로,
상기 광학 시스템은
(a) 전파 방향으로 조명 빔을 생성하기 위한 광원;
(b) 입자 검출 영역에 배치되는 플로우 셀이되, 유체 유동 주입부 및 유체 유동 배출부를 포함하고, 조명 빔을 수신하고, 하나 이상의 입자들을 갖는 유체를 유동 방향을 따라 조명 빔을 통과하여 유체 유동 주입부로 유동시키고, 유체 유동 배출부로 배출시키는 플로우 셀;
(c) 상기 광원으로부터 상기 조명 빔을 수신하는 제1 광학 요소로서, 상기 제1 광학 요소의 초점 영역에서 유체 유동 내의 하나 이상의 입자상에 상기 조명 빔을 집속시키는, 제1 광학 요소;
(d) 전파 방향에서 상기 조명 빔의 적어도 일부를 투과하기 위한 빔 스플리터;
(e) 상기 입자 검출 영역에서 상기 하나 이상의 입자와 상호작용한 후 상기 조명 빔의 적어도 일부를 반사시켜 반사 방향으로 반사된 빔을 생성하도록 구성된 반사 표면을 포함하고, 이때 상기 빔 스플리터는 반사된 빔의 적어도 일부를 제1 및 제2 전방 검출기로 향하게하고,
(f) 제1 및 제2 전방 검출기이되, 각각이 전파 방향에서의 제1 상호작용 및 반사 방향에서의 제2 상호작용 모두에서 하나 이상의 입자들과 상호작용한 광을 검출하도록 구비된 제1 및 제2 전방 검출기;를 포함하되
(1) 제1 상호작용은 하나 이상의 입자와 조명 빔의 상호작용으로 전파 방향을 따라 하나 이상의 입자의 전방으로 투과, 산란 또는 투과 및 산란된 광을 생성하고, 및
(2) 제2 상호작용은 하나 이상의 입자와 반사된 빔의 상호작용으로 반사 방향을 따라 상기 입자의 전방으로 투과, 산란 또는 투과 및 산란된 광을 생성하고,
제1 및 제2 전방 검출기 각각은 분할된 선형 검출기 어레이를 포함하되, 제1 전방 검출기는 플로우 셀의 제1 영역으로부터의 광을 검출하여 제1 신호를 생성하도록 구비되고, 및 제2 전방 검출기는 상기 유체 유동 방향을 따라 상기 제1 영역의 하류에 위치하는 플로우 셀의 제2 영역으로부터 광을 검출하여 제2 신호를 생성하도록 구비되고; 및;,
(g) 제1 전방 검출기로부터의 제1 신호 및 제2 전방 검출기로부터의 제2 신호를 수신하기 위한 애널라이저이되, 입자의 제1 신호 및 제2 신호 특징으로부터 차동 신호를 생성하는 애널라이저;를 포함하는 광학 시스템.
- 제57항에 있어서,
상기 조명빔은 가우스 빔, 구조화된 비 가우스 빔 또는 구조화된 다크 빔을 포함하는, 광학 시스템.
- 제57항에 있어서,
상기 광원은 구조화된 가우스 빔, 다크 빔 또는 구조화된 다크 빔을 포함하는 상기 조명 빔을 생성하기 위한 레이저 및 위상 요소를 포함하는, 광학 시스템.
- 제57항에 있어서,
상기 입자 검출 영역은 상기 제1 광학 요소의 상기 초점 영역을 통해 하나 이상의 입자를 운반하기 위한 큐벳을 포함하는, 광학 시스템.
- 제57항에 있어서,
상기 입자 검출 영역은 상기 하나 이상의 입자를 지지하는 상기 반사 표면을 포함하는, 광학 시스템.
- 제57항에 있어서,
상기 반사 표면은 거울 또는 웨이퍼 표면을 포함하는, 광학 시스템.
- 제57항에 있어서,
상기 제1 광학 요소는 상기 입자 검출 영역에 제공되는 상기 조명 빔으로부터 무정형 빔을 생성하기 위한 빔 정형 광학 시스템을 포함하는, 광학 시스템.
- 제57항에 있어서,
상기 제1 광학 요소는 원주 렌즈를 포함하는, 광학 시스템.
- 제57항에 있어서,
상기 광학 시스템은 제2 광학계 요소를 더 포함하고, 상기 제2 광학계 요소의 초점 영역에 있는 상기 입자 검출 영역에서 상기 하나 이상의 입자 상에 상기 반사된 빔을 수신하거나 집속하는, 광학 시스템.
- 제65항에 있어서,
상기 제1 광학 요소의 초점 영역 및 상기 제2 광학계 요소의 초첨 영역은 중첩하는, 광학 시스템.
- 제65항에 있어서,
상기 제2 광학계 요소는 원주 렌즈를 포함하는, 광학 시스템.
- 삭제
- 제57항에 있어서,
상기 애널라이저는 시간 영역에서 상기 차동 신호를 분석하는, 광학 시스템.
- 제57항에 있어서,
상기 애널 라이저는 상기 차동 신호에 기반하여 상기 하나 이상의 입자수를 측정하거나 상기 차동 신호에 기반하여 상기 입자의 크기를 결정하는, 광학 시스템.
- 제57항에 있어서,
상기 애널라이저는 (i) 합성적으로 생성된 잠재적 상호 작용의 어레이 및 (ii) 상기 차동 신호의 패턴 매칭을 수행하기 위한 패턴 매칭 유닛 포함하는, 광학 시스템.
- 제57항에 있어서,
상기 애널라이저는 각각의 차동 신호를 입자에 대응하는 공지된 신호의 기 생성된 라이브러리와 비교하여 각각의 차동 신호가 입자 검출 신호인지 또는 레이저 노이즈인지를 결정하는, 광학 시스템.
- 제57항에 있어서,
각각의 차동 신호는 상기 애널라이저에 의해 푸리에 변환 또는 고속 푸리엔 변환을 사용하여 주파수 영역으로 변환하는, 광학 시스템.
- 제71항에 있어서,
상기 패턴 매칭은 아래의 <식 1>에 따른 필터 가변 지연 및 가변 폭 정합 필터의 뱅크에 대한 차동 신호의 컨볼루션을 사용하여 수행되는, 광학 시스템:
<식 1>
yk(t) = x(b) * hk(t)
여기서, x(t)는 차동신호; hk(t)는 구체적인 정합 필터(matching filter); 및 yk(t)는 출력값이다
- 제74항에 있어서,
평균 센서 응답은 아래의 <식 2>로 표시되는, 광학 시스템:
<식 2>
여기서 fσ,m(t)는 평균 센서 응답이고, m은 지연 변수, σ 는 폭 변수, t는 시간 변수이고, 진폭은 무시된다 - 제75항에 있어서,
상기 조명 빔은 2개의 상호작용 로브를 포함하고, 총 필터 응답 hσ,m(t)은 아래의 <식 3>으로 표시되는, 광학 시스템:
<식 3>
여기서 각각의 상호작용 로브는 0을 기준으로 대칭인 것으로 가정되고, fm(t) 및 f-m(t)는 각각의 상호작용 로브에 대한 평균 센서 응답이고, m은 지연 변수, σ는 폭 변수, t는 시간 변수이다.
- 제76항에 있어서,
정합필터(hk(t))의 세트가 생성되고, 여기서 k는 특정 쌍 {mk, σk}을 나타내고, 각 필터는 양수 및 음수 데이터 채널에 대한 m 및 σ 매개변수로 설계되고, 각 출력 신호(yk(t))의 절대 값이 계산되고, 최대 출력 신호가 임계값과 비교되고, 임계값보다 높은 최대 출력 신호를 생성한 필터의 매개변수가 m 및 σ에 대한 지표로 사용되며, 진폭은 최대 yk(t)에서 취하고, 선택적으로 히스토그램이 계산되거나 생성되거나 또는 계산 및 생성되는, 광학 시스템.
- 제57항에 있어서,
상기 빔 스플리터는 편광 빔 스플리터이고, 상기 광학 시스템은 상기 조명 빔의 편광 상태를 변경하기 위한 1/4파장 판을 더 포함하고, 상기 1/4 파장 판은 상기 편광 빔 스플리터 및 상기 입자 검출 영역 사이에 위치하는 광학 시스템.
- 제57항에 있어서,
광원과 반사 표면 사이에 배치되는 아이솔레이터를 더 포함하는 광학 시스템.
- 제57항에 있어서,
상기 조명 빔은 무정형 빔을 포함하는 광학 시스템.
- 제80항에 있어서,
상기 무정형 빔은 탑 햇 빔(top hat beam)을 포함하는 광학 시스템.
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