KR20220099954A - 간섭 입자 검출 및 작은 크기의 입자들 검출을 위한 고급 시스템 및 방법 - Google Patents
간섭 입자 검출 및 작은 크기의 입자들 검출을 위한 고급 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 입자들의 간섭 검출 및 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출에 관한 것이다. 입자들의 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출을 위한 향상된 정렬 및 안정성을 나타내는 시스템 및 방법이 제공된다. 광학적 방법들을 통한 입자 검출의 민감도와 신뢰성을 저하시킬 수 있는 작동 조건들의 변화와 내부 및 외부 자극의 영향을 완화하기 위한 보상 수단들을 포함하는 시스템들 및 방법들이 제공되며, 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출을 위한 간섭-기반 기술들 및/또는 시스템들을 포함한다.
Description
본 출원은 2019년 11월 22일에 출원된 미국 가특허출원 제 62/939,232호의 이익 및 우선권을 주장하며, 이는 여기에 참조로 포함된다.
클린룸 조건들을 필요로하는 기술들 및 산업들의 발전으로 인해 더욱더 작은 입자들의 검출 및 특성화에 대한 수요가 발생하였다. 예를 들어, 마이크로전자 파운드리들은 크기가 20 nm 미만, 어떤 경우들에는 10 nm 미만인 입자들의 검출을 추구하는데, 이러한 크기의 입자들은 제조 공정들 및 제품들에 더 민감하게 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 유사하게, 의약품들 및 생체 재료들의 제조를 위한 무균 공정 조건들의 필요성은 건강 및 인체 안전과 관련된 규정 준수 표준을 해결하기 위해 생체 및 비-생체 입자들의 정확한 특성화를 요구한다.
전형적으로, 이러한 산업들은 작은 입자들의 검출 및 특성화를 위해 광학 입자 계수기들에 의존한다. 더 작은 입자들을 검출하는 기능은 레이저 출력을 증가시키는, 더 짧은 들뜬 파장들 및 응축 핵 계수와 같은 더 복잡한 기술을 사용하는 시스템과 같은 광학 입자 계수를 위한 새로운 접근 방식이 필요하며, 이는 결과적으로 나노미터 규모의 입자들을 검출할 수 있는 장치들의 비용과 전체적으로 복잡성을 과하게 증가시킬 수 있다. 이러한 새로운 접근 방식들은 필요한 신뢰성과 재현성을 제공하기 위해 더 빈번한 교정 및 유지 관리가 필요할 수 있다.
다양한 광학 입자 계수기가 당업계에 공지되어 있으며, 예를 들어 산란광 광학 입자 계수기는 미국 특허 제7,916,293호에 제공되고 투과/소광 입자 계수기는 구조화된 빔 및/또는 간섭을 이용하는 것을 포함하여 미국 특허 번호 7,746,469, 9.983,113, 10,416,069, 미국 특허 공개 번호 2019/0277745 및 US 20170176312, PCT 국제 공개 공보 WO 2019/082186에 제공된다. 이들 각각의 참고 특허들은 전체적으로 그리고 특히 작은 입자들의 검출 및 특성화에 유용한 입자 계수기 시스템 부품들 및 구성들을 설명하기 위해 여기에 포함된다.
전술한 내용으로부터 작은 크기를 갖는 향상된 광학 감지 입자들을 제공하는 시스템들 및 방법들이 당업계에 필요하다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 입자들의 간섭 검출 및 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출에 관한 것이다. 입자들의 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출을 위한 향상된 정렬 및 안정성을 나타내는 시스템 및 방법이 제공된다. 광학적 방법들을 통한 입자 검출의 민감도와 신뢰성을 저하시킬 수 있는 작동 조건들의 변화와 내부 및 외부 자극의 영향을 완화하기 위한 보상 수단들을 포함하는 시스템들 및 방법들이 제공되며, 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출을 위한 간섭-기반 기술들 및/또는 시스템들을 포함한다. 예를 들어, 실시예에서, 시스템들 및 방법들에는 컨트롤러와 같은 능동 및/또는 수동적인 부품들이 제공되며, 컨트롤러의 경우, 광학 입자 검출 시스템들 또는 방법들의 작동 허용 범위를 향상시키는 격리기들 및/또는 보상기들, 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출을 위한 간섭 입자 검출 시스템 또는 방법 및/또는 시스템을 포함한다.
일 실시예에서, 입자 검출 시스템은 입자들을 함유하는 유체를 흐르게 하기 위한 플로우 셀을 포함; 하나 이상의 간섭성 빔들과 같은 하나 이상의 전자기파 빔들을 생성하기 위한 광원; 하나 이상의 전자기파 빔들을 플로우 셀을 통해 통과시키기 위한 빔 성형 광학 시스템, 여기서 입자들에 의해 산란된 전자기파를 생성; 상기 플로우 셀로부터 전자기파를 수신하기 위한 적어도 하나의 광학 검출기 어레이, 여기서 광원, 빔 성형 광학 시스템 및 광학 검출기 어레이는 입자들의 간섭 검출 및/또는 적어도 하나이고, 및 선택적으로 100 nm 이하의 모든 크기를 갖는 입자들의 광학 검출을 위해 허용되는 것으로 구성되고; 및 상기 시스템은 온도, 압력, 진동의 정도, 음파의 정도 중 적어도 하나 또는 이들의 임의의 조합이 각각 독립적으로 선택된 허용 오차 내로 유지되도록 구성되어, 입자들의 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출과 같은 입자 검출 동안 높은 신호 대 잡음비를 유지한다.
일부 실시예들에서, 시스템들 및 방법들은 100 nm 이하의 입자들을 검출하기 위한 것이고 산란 기반 방법 또는 시스템, 형광 기반 방법 또는 시스템, 광학 소광 기반 방법 또는 시스템, 간섭 기반 방법 또는 시스템, 응축 핵 계수(CNC) 기반 방법 또는 시스템, 및/또는 이들의 임의의 조합을 사용한다.
일 실시예에서, 광원, 빔 성형 광학 시스템 및 광학 검출기 어레이는 플로우 셀을 통해 간섭 전자기파의 구조화된 탐침빔을 통과시킴으로써 입자들의 구조화된 빔 간섭 검출을 제공하도록 구성된다. 일 실시예에서, 광원, 빔 성형 광학 시스템 및 광학 검출기 어레이는 축외 산란광의 수집 및 축외 산란광 간섭 신호를 생성하는 레퍼런스 빔과의 결합에 의해 상기 입자들의 헤테로다인 간섭 검출을 제공하도록 구성된다. 일 실시예에서, 광원 및 광학 검출기 어레이는 공통 경로 또는 차동 경로 간섭 방법들을 포함하는 입자들의 단일 또는 다중 빔 간섭 검출을 제공하도록 구성된다. 일 실시예에서, 광원 및 광학 검출기 어레이는 중심선의 세기 감소와 같은 감쇠된 세기의 영역을 갖는 공간적 세기 프로파일을 특징으로 하는 구조화된 다크 빔과 같은 입자들의 구조화된 다크 빔 간섭 검출을 제공하도록 구성된다. 일 실시예에서, 광원 및 광학 검출기 어레이는 입자의 가우시안 또는 비-가우시안 빔 간섭 검출을 제공하도록 구성되고, 예를 들어 플로우 셀을 통해 전달된 전자기파와 입자에 의해 산란된 전자기파를 모두 검출하여, 일부 예에서 자체 수정 간섭 기하학을 제공하고 이는 빔 경로 길이를 변경할 수 있는 열 효과에 덜 민감하다는 이점을 제공한다.
일 실시예에서, 광학 검출기 어레이는 플로우 셀을 통해 투과된 입사 전자기파 및 입자에 의해 산란된 전자기파를 수신하기 위해 플로우 셀과 광학적 연통하도록 위치되며, 예를 들어, 입자에 의해 산란된 전자기파는 전방 산란된 전자기파를 포함한다. 일 실시예에서, 유동 셀을 통해 투과된 입사 전자기파 및 입자에 의해 산란된 전자기파는, 예를 들어, 보강 및/또는 상쇄 광 간섭을 겪으며, 이에 의해 하나 이상의 회절 패턴을 생성한다. 일 실시예에서, 광학 검출기 어레이는 입사 빔의 광축 0도에 대해 산란 각도가 5도 이내로 제공되며, 선택적으로 일부 응용의 경우에는 입사 빔의 광축 0도에 대해 산란 각도를 1도 이내, 선택적으로 일부 응용의 경우에는 입사 빔의 광축 0도에 대해 산란 각도를 0.5도 이내, 및 선택적으로 일부 응용의 경우에는 입사 빔의 광축 0도에 대해 산란 각도가 0.1도 이내이다. 일 실시예에서, 광학 검출기 어레이는 조명 파면과 입자들에 의해 산란된 전자기파와 입자의 상호작용을 검출하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 소통하도록 제공된다. 일 실시예에서, 광학 검출기 어레이는 차동 검출을 제공하도록 제공된다.
본 발명의 시스템들 및 방법들은 내부 또는 외부 자극 및 주변 및/또는 작동 조건(들)의 변화에 대한 허용 오차가 개선된 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 간섭 검출 및/또는 광학 검출을 제공한다. 일 실시예에서, 시스템은 하기 조건들 중 하나 이상에 놓여졌을 때, 내부 입자 계수 프로세스의 상당한 성능 저하 없이 입자들의 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출을 제공하는 시스템: 1 °C/hr 미만의 속도로 5 °C까지의 T의 변화; 300 mbar까지의 P 변화; 10 mm까지의 빔 경로 길이 변경; 2 mm까지의 빔 초점 위치 변경; 20%까지의 빔 출력 변화; 200마이크론/초 까지의 진동 수준 l; +/- 5도 까지의 빔 각도 변화; <2% (RMS)까지의 레이저 잡음 조건; <1.3까지의 레이저 M2 변화; <100MHz까지의 레이저 선폭 변화; <50%까지의 RH 변화; 전기(라인 전원) 안정성 및 소음 제어; 및 이들의 임의의 조합.
특정 실시예의 시스템들 및 방법은 유체 흐름에서 입자들의 정확한 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 유체 흐름에서 입자들의 광학적 검출을 제공하기에 충분한 작동 동안 정렬 및 안정성을 유지할 수 있는 컨트롤러 부품을 포함한다. 일 실시예에서, 시스템은 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합에 작동 가능하게 결합된 컨트롤러를 더 포함하고, 컨트롤러는 주변 조건, 내부 자극, 외부 자극 또는 이들의 임의의 조합에 응답하여 시스템 파라미터들의 변화를 보상한다. 일 실시예에서, 주변 조건들, 내부 자극 또는 외부 자극은 온도 변화, 압력 변화, 진동, 음파, 또는 이들의 임의의 조합으로 구성된 그룹에서 선택된다.
일 실시예에서, 제어기는 입자의 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자의 광학적 검출 동안 높은 신호 대 잡음비를 유지하기 위해 하나 이상의 빔들의 위치를 모니터링하고 이들의 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 임의의 조합의 위치 지정 및/또는 정렬을 능동적으로 제어하기 위한 빔 정렬 시스템이다. 일 실시예에서, 빔 정렬 시스템은 열 팽창 광학 드리프트에 대한 보상을 제공한다. 일 실시예에서, 빔 정렬 시스템은 저주파 진동 보상을 제공한다. 일 실시예에서, 빔 정렬 시스템은 250Hz 이상의 주파수에서 5마이크로라디안 이하로 이들의 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 임의의 조합의 위치 지정 및/또는 정렬의 실시간 제어를 제공한다.
일 실시예에서, 빔 정렬 시스템은 입자들의 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출 동안 정렬 및/또는 안정성을 능동적으로 유지하기 위한 입력 및 출력을 생성/수신할 수 있는 폐 루프 시스템이다. 일 실시예에서, 하나 이상의 광센서는 직교 광센서(예를 들어, 시스템의 접이식 거울 뒤에 위치됨)이고 구동 시스템은 하나 이상의 압전 구동 나노포지셔너를 포함한다. 일 실시예에서, 광센서는 폐 루프 시스템에 입력을 제공하고 구동 시스템은 작동 동안 광학 정렬을 유지하고 안정화하기 위한 출력을 제공한다.
일 실시예에서, 컨트롤러는 주변 조건들, 내부 자극, 작동 환경의 외부 자극 또는 이들의 임의의 조합의 변화들로부터 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이를 격리하기 위한 격리기 또는 다중 격리기들이다. 일 실시예에서, 격리기는 외부 작동 환경으로부터 시스템으로의 진동 전달을 적어도 부분적으로 방지할 수 있는 감쇠 부품이다. 일 실시예에서, 격리기는 펌프 또는 다른 진동 발생 부품으로부터 플로우 셀을 통한 유체의 수송으로부터 발생하는 것과 같이 시스템 자체 내에서 발생하는 진동의 전송을 적어도 부분적으로 방지할 수 있는 감쇠 부품이다. 일 실시예에서, 감쇠 부품은 60Hz 이상의 기본 주파수를 갖는 진동의 전달을 초기 진폭의 1% 미만으로 감소시키도록 설계된다. 일 실시예에서, 감쇠 부품은 감쇠 스프링 메커니즘, 적어도 2개의 질량 감쇠기 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
일 실시예에서, 컨트롤러는 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합의 온도를 제어할 수 있는 능동 냉각 부품이다. 일 실시예에서, 능동 냉각 부품은 전도성 열 링크를 통해 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 벤치, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합과 열적 연통한다. 일 실시예에서, 능동 냉각 부품은 열전 냉각기를 포함한다. 일 실시예에서, 열전 냉각기는 시스템의 외부 인클로저와 열적 연통하지 않고 제공된다. 일 실시예에서, 열전 냉각기는 열전 냉각기로부터 열을 제거하고 시스템 외부의 환경으로 열을 주입하기 위해 열 교환 구조와 열적 연통하여 제공된다. 일 실시예에서, 열교환 구조는 핀형 열교환기이다. 일 실시예에서, 열전 냉각기는 냉각 측의 습기 응결을 방지하기 위해 건조 가스로 퍼지된다. 일 실시예에서, 열전 냉각기는 열 소실을 향상시키기 위해 고온 측 열 교환기를 가로질러 흐르도록 건조 가스로 퍼지된다.
일 실시예에서, 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합은 주변 조건들, 내부 자극 및/또는 외부 자극에 응답하여 시스템 매개변수들의 변화를 보상하기 위한 수동 격리를 제공하도록 구성된다. 일 실시예에서, 수동적 격리는 다음의 특징들 중 하나 이상에 의해 제공된다: 하나 이상의 진동 격리기들의 통합; 렌즈에 하나 이상의 접착층들 통합; 하나 이상의 열경화성 또는 열가소성 기계적 구속들의 통합; 광원 및 부품들의 크기 및/또는 질량 감소; 150Hz 이상의 고유 주파수를 갖는 렌즈 마운트의 통합 광원 및 부품들로부터 기계적으로 격리된 플로우 셀의 통합; 열팽창 계수 일치 재료들; 및 낮은 열팽창 계수 광학 부품들.
일 실시예에서, 소스는 가우시안 입사 빔과 같은 간섭 입사 빔을 플로우 셀에 제공한다. 본 발명의 시스템 및 방법들은 또한 다크 빔 간섭 검출을 포함하는 구조화된 빔 간섭 검출에 잘 적응된다. 일 실시예에서, 광원은 하나 이상의 전자기파 빔들을 생성하기 위한 하나 이상의 성형 및/또는 결합 광학 요소들을 포함한다. 일 실시예에서, 하나 이상의 성형 및/또는 결합 광학 요소들은 회절 요소들, 편광 요소들, 강도 변조 요소들, 위상 변조 요소들 또는 이들의 임의의 조합이다. 일 실시예에서, 하나 이상의 전자기파 빔들은 구조화된 비-가우시안 빔을 포함한다. 일 실시예에서, 하나 이상의 전자기파 빔들은 다크 빔을 포함한다. 일 실시예에서, 하나 이상의 전자기파 빔들은 하나 이상의 라인 특이점들을 특징으로 하는 빔을 포함한다. 일 실시예에서, 하나 이상의 전자기파 빔들은 애너모픽 빔을 포함한다. 일 실시예에서, 하나 이상의 전자기파 빔들은 탑햇(top hat) 구성의 애너모픽 빔을 포함한다.
시스템들 및 방법들은 다양한 검출기들 및 검출기 구성들과 호환된다. 일 실시예에서, 전방 축 검출기 쌍(들)은 예를 들어 0도의 20도 이내인 산란 각도로 제공된다. 노이즈의 상당한 감소를 제공하기 위해 차동 검출이 본 시스템 및 방법에서 사용될 수 있다.
본 발명의 시스템들 및 방법들은 입자들의 간섭 검출 및/또는 유체 흐름에서 단일 입자들의 검출, 계수 및 사이징을 포함하며, 흐르는 유체에서 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출을 제공한다. 일 실시예에서, 유체는 액체 또는 기체이다. 일 실시예에서, 시스템은 액체 화학물질들 내의 입자들을 검출하기 위한 것이다. 일 실시예에서, 시스템은 초 순수 물에서 입자들을 검출하기 위한 것이다. 일 실시예에서, 시스템은 고압 가스에서 입자들을 검출하기 위한 것이다. 일 실시예에서, 시스템은 공기중에서 입자들을 검출하기 위한 것이다. 일 실시예에서, 시스템은 표면들 위에서 입자들을 검출하기 위한 것이다.
한 측면에서, 유체 내의 입자들을 검출하기 위한 방법은 입자들을 함유하는 유체의 흐름을 제공하는 단계; 광원을 사용하여 하나 이상의 전자기파의 간섭 빔들과 같은 하나 이상의 전자기파 빔들을 생성하는 단계; 빔 성형 광학 시스템을 사용하여 플로우 셀을 통해 하나 이상의 전자기파 빔들을 통과시키는 단계, 이에 의해 입자들에 의해 산란된 전자기파를 생성하고; 및 상기 플로우 셀로부터의 전자기파를 상기 플로우 셀과 광학적 연통하는 적어도 하나의 광학 검출기 어레이를 사용하여 광학 검출기 어레이로 지향시킴으로써, 입자의 간섭 검출 및/또는 적어도 하나를 갖는 입자들의 광학 검출을 가능하게 하고, 선택적으로 모두, 100 nm 이하의 크기; 상기 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합은 상기 입자들의 상기 검출 동안 높은 신호 대 잡음비를 유지하도록 구성 및/또는 제어된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합은 하나 이상의 입자 검출 시스템 파라미터들이 높은 신호 대 잡음비율 및/또는 입자들 검출 중 상당한 성능 저하 방지를 유지하도록 독립적으로 구성된다. 입자들의 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출 동안, 이러한 입자 검출 시스템 파라미터들은 광학 빔 경로, 광원 위치 및/또는 정렬, 빔 성형 시스템 위치 및/또는 정렬, 플로우 셀 위치 및/또는 정렬, 빔 수집 시스템 위치 및/또는 정렬, 검출기 위치 및/또는 정렬, 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
방법들의 일 실시예에서, 광학 검출기 어레이는 플로우 셀을 통해 투과된 입사 전자기파 및 입자에 의해 산란된 전자기파를 수신하기 위해 예를 들어, 입자에 의해 산란된 전자기파는 전방 산란된 전자기파를 포함한다. 방법들의 일 실시예에서, 플로우 셀을 통해 투과된 입사 전자기파 및 입자에 의해 산란된 전자기파는 보강 및/또는 상쇄 광 간섭을 겪는다. 방법들의 일 실시예에서, 광학 검출기 어레이는 입사 빔의 광학 축에 대해 0도의 5도 이내인 산란 각도로, 일부 응용의 경우 선택적으로 입사 빔의 광축에 대해 0도의 1도 이내인 산란 각도에서, 선택적으로 일부 응용의 경우 입사 빔의 광축에 대해 0도의 0.5도 이내인 산란 각도에서, 및 선택적으로 일부 응용의 경우 입사 빔의 광축에 대해 0도의 0.1도 이내인 산란 각도에서 제공된다. 방법들의 일 실시예에서, 광학 검출기 어레이는 입자에 의해 산란된 전자기파와 조명 파면의 상호작용을 검출하기 위해 플로우 셀과 광학적 연통하도록 제공된다. 일 실시예에서 어레이 검출기는 차동 검출을 위해 구성된다.
한 측면에서, 입자 검출 시스템은 입자들을 함유하는 유체를 흐르게 하기 위한 플로우 셀; 구조화된 비-가우시안 빔을 포함하는 전자기파의 하나 이상의 간섭 빔과 같은 하나 이상의 전자기파 빔들을 생성하기 위한 광원; 플로우 셀을 통해 하나 이상의 전자기파 빔들을 통과시키기 위한 빔 성형 빔 성형 광학 시스템, 이에 의해 입자들에 의해 산란된 전자기파를 생성하고; 상기 플로우 셀로부터 전자기파를 수신하기 위한 적어도 하나의 광학 검출기 어레이, 상기 광학 검출기 어레이는 입사 빔의 광축에 대해 0도의 0.5도 이내인 산란 각도로 제공되고; 상기 광원은 상기 플로우 셀을 통해 투과된 입사 전자기파 및 상기 입자에 의해 산란된 전자기파를 수신하기 위해 상기 플로우 셀과 광학적 연통하도록 위치하며, 빔 성형 광학 시스템 및 광학 검출기 어레이는 구조화된 빔 간섭 검출을 허용하도록 구성되며; 상기 시스템은 온도, 압력, 진동의 정도, 음파의 정도, 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상이 각각 독립적으로 선택된 허용 오차 내로 유지되도록 구성되어, 입자들을 감지하는 동안 높은 신호 대 잡음비를 유지하며; 상기 시스템은 상기 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 광학 벤치와 같이 작동 가능하게 연결된 컨트롤러를 더 포함하고; 주변 조건들, 내부 자극, 외부 자극 또는 이들의 임의의 조합에 응답하여 상기 시스템 매개변수들의 변화를 보상하기 위한 상기 제어기; 여기서 상기 제어는 선택적으로 하기중 하나 이상을 포함: (i) 상기 하나 이상의 전자기파 빔들의 위치를 모니터링하고 플로우 셀의 위치 지정 및/또는 정렬을 능동적으로 제어하기 위한, 상기 시스템 및 하나 이상의 압전 구동 나노포지셔너에 위치된 직교 광센서와 같은 빔 정렬 시스템, 상기 입자들의 상기 검출 동안 높은 신호 대 잡음비를 유지하기 위해 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합; (ii) 격리기 또는 다중 격리기들, 외부 작동 환경에서 상기 시스템으로의 진동 전달을 적어도 부분적으로 방지하거나 시스템 자체에서 생긴 진동 전달을 적어도 부분적으로 방지할 수 있는 감쇠 부품과 같고, 주변 조건들, 내부 자극, 작동 환경의 외부 자극 또는 이들의 임의의 조합의 변화들로부터 상기 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이를 격리하기 위함이고 및/또는 (iii) 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합과 같은 시스템 요소들의 온도를 제어할 수 있는 열전 냉각기와 같은 능동 냉각 부품; 선택적으로, 상기 컨트롤러는 폐 루프 피드백 제어를 위해 구성된다.
일 실시예에서, 하기를 포함하는 유체에서 입자들을 검출하는 방법: (i) 입자를 포함하는 상기 유체의 흐름을 제공; (ii) 광원을 사용하여 구조화된 비-가우시안 빔을 포함하는 하나 이상의 전자기파 빔들을 생성; (iii) 빔 성형 광학 시스템을 사용하여 상기 플로우 셀을 통해 상기 하나 이상의 전자기파 빔들을 통과시켜 상기 입자들에 의해 산란된 전자기파를 생성; 및 (iv) 상기 플로우 셀로부터 전자기파를 광학 검출기 어레이로 지향시킴으로써, 상기 광학 검출기 어레이는 입사하는 하나 이상의 전자기파 빔들의 광축에 대해 0도의 0.5도 이내인 산란 각도로 제공되고, 통과하여 투과된 입사 전자기파를 수신하기 위해 상기 플로우 셀과 광학적 연통하도록 위치되고 상기 플로우 셀 및 상기 입자에 의해 산란된 전자기파, 이에 의해 상기 입자들의 구조화된 빔 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출을 제공하고; 상기 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합은 상기 입자들의 상기 검출 동안 높은 신호 대 잡음비를 유지하도록 구성 및/또는 제어되고; 상기 방법은 상기 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 광학 벤치와 같이 작동 가능하게 연결된 컨트롤러를 제공하는 단계를 더 포함하고; 주변 조건들, 내부 자극, 외부 자극 또는 이들의 임의의 조합에 응답하여 상기 시스템 매개변수들의 변화를 보상하기 위한 상기 제어기; 여기서 상기 제어는 선택적으로 하기 중 하나 이상이다: (i) 상기 하나 이상의 전자기파 빔들의 위치를 모니터링하고 플로우 셀의 위치 지정 및/또는 정렬을 능동적으로 제어하기 위한, 상기 시스템 및 하나 이상의 압전 구동 나노포지셔너에 위치된 직교 광센서와 같은 빔 정렬 시스템, 상기 입자의 상기 검출 동안 높은 신호 대 잡음비를 유지하기 위해 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합; (ii) 외부 작동 환경에서 상기 시스템으로의 진동 전달을 적어도 부분적으로 방지하거나 시스템 자체에서 생긴 진동 전달을 적어도 부분적으로 방지할 수 있는 감쇠 부품과 같고, 주변 조건들, 내부 자극, 작동 환경의 외부 자극 또는 이들의 임의의 조합의 변화들로부터 상기 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이를 격리하기 위함이고 및 (iii) 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합과 같은 시스템 요소들의 온도를 제어할 수 있는 열전 냉각기와 같은 능동 냉각 부품; 선택적으로, 상기 컨트롤러는 폐 루프 피드백 제어를 위해 구성된다.
특정 이론에 구속되기를 바라지 않고, 여기에 개시된 시스템들, 장치들 및 방법들과 관련된 기본 원리에 대한 믿음 또는 이해에 대한 논의가 있을 수 있다. 임의의 기계적 설명 또는 가설의 궁극적인 정확성에 관계없이, 그럼에도 불구하고 본 발명의 실시예는 작동 가능하고 유용할 수 있다는 것이 인정된다.
도 1A 및 1B는 광학 벤치의 진동 격리와 함께 유체 흐름에서 입자들의 간섭 검출을 위한 시스템의 개략도를 제공한다. 도 1A는 단일 경로 광학 형상을 보여주고 그림 1B는 이중 경로 광학 형상을 보여준다.
도 1C는 광학 벤치 및 광학 벤치에 의해 지지되는 부품을 포함하는 시스템 부품들의 진동 격리를 제공하기 위한 광학 입자 계수기의 인클로저 부품들의 개략도를 제공한다.
도 2는 예시적인 진동 격리기에 대한 전달율 대 진동수의 플롯을 제공한다.
도 3A 및 도 3B는 광학 정렬의 폐 루프 제어를 위한 직교 광센서 및 압전 구동 고속 스티어링 미러(FSM)를 사용하는 구현 정렬 제어 시스템을 보여주는 개략도를 제공한다.
도 3C는 안정적이고 정렬된 구성에서 시스템을 예시하는 예시적인 강도 패턴을 보여주는 개략도를 제공한다.
도 3D는 불안정하고 오정렬된 구성에 있는 시스템을 예시하는 예시적인 강도 패턴을 보여주는 개략도를 제공한다.
도 4는 제어된 광학 정렬을 제공하기 위해 쿼드 검출기들 신호들을 입력으로 사용하고 고속 스티어링 미러(FSM)를 사용하여 광학 정렬의 폐 루프 피드백 제어를 제공하기 위한 단계 및 기준의 순서를 설명하는 흐름도를 제공한다.
도 5는 관심 범위(예: 광학 벤치의 길이 및 너비)에 대한 온도 변화 대 길이 변화의 그래프를 제공한다.
도 6은 온도 제어 시스템이 있는 유체 흐름에서 입자들 검출을 위한 시스템의 개략도를 제공한다.
도 7은 액체 입자 계수기 시스템을 위한 진동 격리 및 냉각을 위한 예시적인 접근 방식을 예시하는 개략도를 제공한다.
도 8은 진동 격리 및 온도 제어를 제공하기 위한 요소들을 보여 주는 액체 입자 계수기 시스템의 개략적인 투시도를 제공한다.
도 9A는 도 8에 상보적인 액체 입자 계수기 시스템의 개략적인 투시도를 제공한다.
도 9B는 진동 격리기의 부품들 및 진동 격리기가 광학 벤치에 결합되는 방법을 예시하는 액체 입자 계수기 시스템의 확대 투시도를 제공한다.
도 1C는 광학 벤치 및 광학 벤치에 의해 지지되는 부품을 포함하는 시스템 부품들의 진동 격리를 제공하기 위한 광학 입자 계수기의 인클로저 부품들의 개략도를 제공한다.
도 2는 예시적인 진동 격리기에 대한 전달율 대 진동수의 플롯을 제공한다.
도 3A 및 도 3B는 광학 정렬의 폐 루프 제어를 위한 직교 광센서 및 압전 구동 고속 스티어링 미러(FSM)를 사용하는 구현 정렬 제어 시스템을 보여주는 개략도를 제공한다.
도 3C는 안정적이고 정렬된 구성에서 시스템을 예시하는 예시적인 강도 패턴을 보여주는 개략도를 제공한다.
도 3D는 불안정하고 오정렬된 구성에 있는 시스템을 예시하는 예시적인 강도 패턴을 보여주는 개략도를 제공한다.
도 4는 제어된 광학 정렬을 제공하기 위해 쿼드 검출기들 신호들을 입력으로 사용하고 고속 스티어링 미러(FSM)를 사용하여 광학 정렬의 폐 루프 피드백 제어를 제공하기 위한 단계 및 기준의 순서를 설명하는 흐름도를 제공한다.
도 5는 관심 범위(예: 광학 벤치의 길이 및 너비)에 대한 온도 변화 대 길이 변화의 그래프를 제공한다.
도 6은 온도 제어 시스템이 있는 유체 흐름에서 입자들 검출을 위한 시스템의 개략도를 제공한다.
도 7은 액체 입자 계수기 시스템을 위한 진동 격리 및 냉각을 위한 예시적인 접근 방식을 예시하는 개략도를 제공한다.
도 8은 진동 격리 및 온도 제어를 제공하기 위한 요소들을 보여 주는 액체 입자 계수기 시스템의 개략적인 투시도를 제공한다.
도 9A는 도 8에 상보적인 액체 입자 계수기 시스템의 개략적인 투시도를 제공한다.
도 9B는 진동 격리기의 부품들 및 진동 격리기가 광학 벤치에 결합되는 방법을 예시하는 액체 입자 계수기 시스템의 확대 투시도를 제공한다.
다음 설명에서, 본 발명의 정확한 특성의 철저한 설명을 제공하기 위해 본 발명의 장치들, 장치 부품들 및 방법의 다수의 특정 세부사항이 제시된다. 그러나, 본 발명이 이러한 특정 세부사항들 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자들에게 명백할 것이다.
일반적으로, 본 명세서에 사용된 용어들 및 구들은 해당 분야에서 인정된 의미를 가지며, 이는 표준 텍스트들, 저널 레퍼런스들 및 당업자들에게 공지된 문맥들을 참조하여 찾을 수 있다. 하기 정의들은 본 발명의 맥락에서 이들의 특정 용도를 명확히 하기 위해 제공된다.
"입자들"은 종종 오염물로 간주되는 작은 물체를 의미한다. 입자는 마찰 작용에 의해 생성되는 임의의 재료가 될 수 있다. 예를 들어 두 표면들이 기계적으로 접촉하고 기계적인 움직임이 있을 때이다. 입자들은 먼지, 흙, 연기, 재, 물, 그을음, 금속, 산화물, 세라믹, 광물 또는 이들의 임의의 조합 또는 기타 재료 또는 오염물과 같은 재료의 집합체로 구성될 수 있다. "입자들"은 또한 생물학적 입자들, 예를 들어 바이러스들, 포자들 및 박테리아, 진균, 고세균, 원생생물, 기타 단세포 미생물들을 비롯한 미생물들을 지칭할 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 생물학적 입자들은 0.1-15 ㎛ 범위의 크기 (예를 들어, 유효 직경)를 특징으로 하며, 일부 적용에서는 선택적으로 0.5-5 ㎛ 범위를 특징으로 한다.
입자는 빛을 흡수, 방출 또는 산란하는 작은 물체를 의미할수 있고 광학 입자 계수기로 검출할 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "입자"는 예를 들어 물, 공기, 공정 액체 화학물질, 공정 가스 등과 같은 캐리어 유체 또는 샘플 매질의 개별 원자들 또는 분자들을 배제하도록 의도된다. 일부 실시예들에서, 입자들은 초기에 미세 가공 시설의 도구 표면 또는 제약 제조 시설의 생산 표면과 같은 표면에 존재하고, 표면에서 분리되어 유체에서 분석된다. 일부 시스템들 및 방법들은 크기, 및 선택적으로 모든 크기, 예를 들어 평균 또는 유효 직경, 평균 또는 유효 길이 및/또는 평균 또는 유효 폭이 5 nm, 10nm, 20nm, 30nm, 50nm, 100nm, 500nm, 1μm 이상, 또는 10μm 이상보다 큰 재료의 집합체들을 포함하는 입자들을 검출할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예는 10 nm 내지 150 μm, 선택적으로 일부 응용의 경우 10 nm ~ -10 μm, 선택적으로 일부 응용의 경우 10 nm ~ -1 μm, 선택적으로 일부 응용의 경우 10 nm ~ -0.5 μm 및 선택적으로 일부 응용의 경우 10 nm ~ -250 nm의 범위로부터 선택된 크기, 및 임의로 모든 크기, 예를 들어 평균 또는 유효 직경, 평균 또는 유효 길이 및/또는 평균 또는 유효 폭을 갖는 입자들을 검출할 수 있다.
"입자 검출"이라는 표현은 평균 또는 유효 직경, 평균 또는 유효 길이 및/또는 평균 또는 유효 너비와 같은 크기와 관련하여 입자를 특성화하는 것과 같이 입자를 감지, 존재 식별, 계수 및/또는 특성화하는 것을 광범위하게 의미한다. 일부 실시예들에서는, 입자들을 검출하는 것은 입자를 계수하는 것을 지칭한다. 일부 실시예들에서, 입자들을 검출하는 것은 평균 또는 유효 직경, 평균 또는 유효 직경의 하나 이상의 범위에 상응하는 입자를 계수하는 것과 같이 크기 특성 또는 크기 특성의 범위(예를 들어, 크기 상자)에 상응하는 입자들을 계수하는 것을 지칭한다. 일부 실시예들에서, 입자를 검출하는 것은 단면 치수, 평균 또는 유효 직경, 평균 또는 유효 길이, 평균 또는 유효 너비 모양, 크기, 공기역학적 크기 또는 이들의 임의의 조합과 같은 입자의 물리적 특성을 특성화 및/또는 측정하는 것을 지칭한다. 일부 실시양태에서, 입자의 검출은 0.05 CFM 내지 10 CFM, 일부 응용의 경우 선택적으로 0.1 CFM ~ 5 CFM 및 일부 응용의 경우 선택적으로 0.5 CFM ~ 2 CFM의 범위에 걸쳐 선택된 체적 유량을 갖는 기체와 같은 유동 유체에서 수행된다. 일부 실시예들에서, 입자의 검출은 1 내지 1000 mL/min의 범위에 걸쳐 선택된 체적 유량을 갖는 액체와 같은 유동 유체에서 수행된다.
"광학 입자 계수기" 또는 "입자 계수기"는 상호교환적으로 사용되며 광학 분석 및/또는 검출을 사용하여 예를 들어, 유체 흐름 및/또는 유체 샘플에서 입자를 분석함으로써 입자를 검출, 계수 및/또는 특성화하는 입자 검출 시스템을 나타낸다. 광학 입자 계수기에는 예를 들어, 액체 또는 기체의 흐름과 같은 유체 흐름에서 개별 단일 입자를 감지할 수 있는 시스템을 포함하는 액체 입자 계수기 및 에어로졸 입자 계수기가 포함되며, 예를 들어, 평균 또는 유효 직경, 평균 또는 유효 길이 및/또는 평균 또는 유효 폭(예: 하나 이상의 크기 상자)과 같은 크기 기준 또는 크기 기준의 범위를 기반으로 분석된 유체 부피당 입자 수를 특성화한다.
일부 실시예들에서, 광학 입자 계수기는 (예를 들어, 레이저 또는 발광 다이오드를 통해) 전자기파의 빔을 플로우 셀의 분석 영역과 같은 상호 작용 영역으로 제공하며, 여기서 빔은 유체 흐름에서 입자들과 상호 작용한다. 조명은 상호작용 영역에 제공된 입사 빔의 포커싱, 필터링 및/또는 성형(예: 신장)을 포함할 수 있다. 입자들의 검출 및/또는 특성화는 상호작용 영역으로부터 산란, 방출 및/또는 투과된 전자기파의 검출 및 분석에 의해 달성될 수 있다. 검출은 입자(들)에 의해 산란, 흡수, 가려지거나 방출되는 전자기파를 광학 검출기 어레이와 같은 하나 이상의 광검출기에 포커싱, 필터링 및/또는 성형하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단일 검출 요소(예를 들어, 광다이오드, 광전자 증배관 등), 광학 검출기 어레이(예: 포토다이오드 어레이, CMOS 감지기, APS(액티브 픽셀 센서), CCD(전하 결합 소자), MOS(금속 산화물 반도체) 감지기 등), 카메라를 포함하는 광학 입자 계수기를 위한 다양한 검출기가 당업계에 공지되어 있으며, 당업계에 공지된 다양한 검출기 성향을 사용하여 구현될 수 있다. 광학 입자 계수기는 분할 빔 차동 검출을 포함한 차동 검출을 통합할 수 있다. 광학 입자 계수기는 응축 입자 계수기, 응축 핵 계수기 등을 포함할 수 있다. 응축 입자 계수기와 관련하여 사용될 때 광학 입자 계수기는 상류 핵 생성 및/또는 성장을 겪은 입자를 특성화하기 위한 검출 시스템(예: 전자기 방사원, 광학 장치, 필터, 광학 수집 장치, 검출기, 프로세서 등)을 나타낸다.
일 실시예에서, 예를 들어, 광학 입자 계수기는 전자기파의 빔을 생성하기 위한 소스, 유체 샘플이 흐르는 영역, 예를 들어 플로우 셀을 통해 흐르는 액체 또는 기체로 빔을 지향 및 포커싱하기 위한 빔 조정 및/또는 성형 광학 장치를 포함한다. 일반적인 광학 입자 계수기는 입사 빔을 통과하는 입자에 의해 산란, 투과 및/또는 방출되는 플로우 셀과 광학적 연통하는 광학 검출기 어레이 및 전자기파를 수집, 형성 및/또는 이미징하기 위한 수집 광학 장치와 같은 광검출기를 포함한다. 입자 계수기는 판독을 위한 전자 장치 및/또는 프로세서(예: 펌웨어 및/또는 소프트웨어에 의해 구현됨), 전류-전압 변환기, 펄스 높이 분석기, 신호 필터링 전자 장치, 증폭 전자 장치 등을 포함하는 광검출기에 의해 생성된 전기 신호의 신호 처리 및/또는 분석등을 더 포함할 수 있다. 광학 입자 계수기는 예를 들어, 체적 유량을 특징으로 하는 측정값 생성용 플로우 셀의 분석 영역을 통해 입자들을 포함하는 유체 샘플을 운반하기 위한 유체 흐름을 생성하기 위한 펌프, 팬, 송풍기 등과 같은 하나 이상의 유체 작동 시스템을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 광학 입자 계수기는 0.05 CFM 내지 10 CFM, 일부 응용의 경우 선택적으로 0.1 CFM ~ 5 CFM 및 일부 응용의 경우 선택적으로 0.5 CFM ~ 2 CFM의 범위에 걸쳐 선택된 유량과 같은 선택된 유량을 생성하기 위한 유체 작동 시스템을 포함한다. 일부 광학 입자 계수기에서 하나 이상의 액체를 포함하는 샘플에 대해 생성되는 유속은 1 에서 1000mL/min 범위에 걸쳐 선택된 유속을 포함한다.
"입자들의 간섭 검출"이라는 표현은 하나 이상의 입자들을 검출, 계수 및/또는 특성화하기 위해 적어도 광학 간섭 부품을 사용하는 시스템들 및 방법들을 의미한다. 일부 실시예들에서, 전자기파의 간섭 빔들은 중첩되거나 결합되어 전자기파의 적어도 일부와 상호작용하는 입자들의 크기 특성화를 감지, 계수 및/또는 결정하기 위한 광학 간섭을 야기한다. "구조화된 빔 간섭계 검출"은 비-가우시안 강도 분포를 갖는 전자기파의 구조화된 탐침 빔이 입자를 포함하는 플로우 셀을 통과하고 플로우 셀(예: 투과광, 산란광(예: 전방 산란광) 등)으로부터 광이 입자를 감지, 계산 및/또는 특성화 하는것에 대한 광학 검출기 어레이를 사용하여 검출되는 간섭 시스템 및 방법을 의미한다. "헤테로다인 간섭 검출"은 간섭 전자기파의 탐침 빔이 플로우 셀을 통과하는 간섭 시스템 및 방법을 말하며, 별도의 레퍼런스 빔과 결합되고 결합된 탐침 빔과 레퍼런스 빔은 입자를 검출, 계수 및/또는 특성화하기 위해 광학 검출기 어레이를 사용하여 감지된다. 일부 실시예들에서, 입자 계수기는 축외 산란광을 수집하고 축외 산란광을 레퍼런스 빔과 결합하여 간섭 신호를 생성함으로써 상기 입자들의 헤테로다인 간섭 검출을 제공하도록 구성된다.
통계적으로 유의미한 데이터를 제공하는 방식으로 깨끗한 유체 및 초순수 유체에서 작은 입자들(예: 유효 직경 100nm 미만)를 검출하고 계산하려면 높은 신호 대 잡음비(S/N)가 필요하다. 높은 신호 대 잡음비는 나노 입자들이 노이즈 층 위에서 명확하게 검출되도록 한다. 여기에서 사용된 "통계적으로 유의미한 데이터"는 유체의 오염 수준을 정확하게 평가할 수 있도록 단위 시간당 충분한 입자들의 검출을 의미한다. 일부 실시예들에서, 높은 S/N은 반드시 사이징 정확도와 직접적으로 관련되는 것은 아니다. 예를 들어, 일부 광학 입자 계수기에서 빔 웨이스트는 플로우 셀 채널의 작은 부분을 차지하고, 및 그러므로, 이 접근 방식은 전체 흐름의 하위 집합을 모니터링하므로 입자들이 복사조도가 중앙보다 낮은 빔의 가장자리를 통과할 수 있다. 50nm 입자가 빔의 바깥쪽 가장자리를 통과하면 빔의 중심을 통과하는 10nm 입자와 유사한 신호를 생성할 수 있다. 따라서 일부 광학 입자 계수기들은 S/N이 높고 2nm 입자들을 검출할 수 있지만 사이징 정확도가 그리 좋지 않을 수 있다.
"높은 신호 대 잡음비"라는 표현은 유체 흐름에서 입자들의 정확하고 민감한 검출에 충분한 광학 입자 감지 시스템의 신호 대 잡음비를 말하며, 작은 물리적 크기를 특징으로 하는 입자들을 포함한다 (예를 들어, 200nm 이하의 유효 직경, 선택적으로 100nm 이하의 일부 실시예 및 선택적으로 50nm 이하의 일부 실시예에 대해). 일 실시예에서, "높은 신호 대 잡음비"는 작은 물리적 크기를 특징으로 하는 입자들을 감지하기에 충분히 높은 신호 대 잡음비를 지칭하며, 예를 들어, 유효 직경이 20 nm만큼 작은 입자, 선택적으로 일부 응용 분야에 대해 10 nm만큼 낮은 직경 및 선택적으로 일부 응용 분야에 대해 1 nm만큼 낮은 직경을 갖는 입자들과 같다. 일 실시예에서, "높은 신호 대 잡음비"는 50 counts/L 이하의 오탐지율로 입자들을 정확하게 검출하고 계수하기에 충분히 높은 신호대 잡음비를 의미하며, 예를 들어, 1 - 1000 nm 범위에서 선택된 유효 직경을 갖는 입자들 검출용을 의미한다. 일 실시예에서, "높은 신호 대 잡음비"는 기존의 광학 입자 계수기에서보다 적어도 10배 적은 시간 프레임에서 통계적으로 허용되는 최소 입자 수를 제공하기에 충분히 높은 신호 대 잡음비를 의미한다.
"입자 계수 프로세스의 상당한 성능 저하"라는 표현은 흐르는 유체에서 입자를 감지하고 계수하는 입자 검출 시스템의 능력 저하를 나타낸다. 일부 실시예들에서, 입자 계수 프로세스의 상당한 성능 저하란 가장 작은 크기의 채널에서 검출 임계 전압의 20% 이상의 이동을 의미한다. 일부 실시예들에서, 입자 계수 프로세스의 상당한 성능 저하란 50 counts/L 이상의 잘못된 계수율의 증가를 지칭한다. 일부 실시예들에서, 입자 계수 프로세스의 상당한 성능 저하란 5배 이상, 선택적으로 일부 실시예들의 경우 10배 이상의 통계적으로 허용되는 최소 입자 계수를 제공하는 데 필요한 시간의 증가를 의미한다. 일부 실시예들에서, 예를 들어 제대로 관리되지 않은 노이즈 소스들의 결과로서 입자 계수 프로세스의 상당한 성능 저하는 S/N의 저하를 나타내며, 이는 가장 작은 입자들의 불량한 검출 가능성을 초래한다. 예를 들어, 저하된 S/N은 50nm에서 감지된 신호를 20nm 입자의 신호처럼 보이게 만들고 20nm 입자 신호를 노이즈와 구별할 수 없게 만들 수 있으며, 그 결과 단위 시간당 더 적은 수의 입자들 및/또는 높은 노이즈 수준에서 잘못된 계수가 발생하여 탐지 가능성이 낮아지고 입자들 수가 줄어든다.
"차동 검출"이라는 표현은 선택적으로 입사 빔의 광축에 대해 0도의 0.5도 이내인 산란 각도에서 축 검출기 쌍에서 전방을 바라보는 차동 신호를 사용하는 기술들 및 시스템들을 나타낸다. 입사 빔의 광축에 대해 0도의 0.1도 이내인 산란 각도에서 일부 응용 프로그램의 경우 선택 사항은 0도이거나 거의 0도이다. 최소 2개의 픽셀이 차동 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다(예를 들어, 하나의 상부(또는 상부) 및 하나의 하부(또는 하부)), 이에 의해 차동 검출을 위한 단일 픽셀 쌍을 형성한다. 대안적으로, 하나 이상의 픽셀 쌍을 포함하는 분할된 차동 검출기와 같은 차동 검출기의 각각의 활성 검출기 영역(예를 들어, 상부 활성 영역 및 하부 활성 영역)에 대해 복수의 픽셀이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 복수의 픽셀 쌍을 사용하여, 여기서 각 픽셀 쌍의 하나의 픽셀은 상부 활성 검출기 영역에 대응하고 각 픽셀 쌍의 다른 픽셀은 하부 활성 영역에 대응한다. 픽셀 쌍의 수는 예를 들어 1에서 500픽셀까지이며 선택적으로 일부 응용 프로그램의 경우 50에서 100픽셀이다. 일부 실시예들에서, 차동 신호는 상반부 및 하반부와 같은 분할된 검출기 어레이의 상이한 활성 영역에 대응하는 픽셀 쌍으로부터의 신호를 차동적으로 추가함으로써 생성된다. 차동 검출은 노이즈 감소 및 그에 따른 향상된 신호 대 잡음비를 제공하기 위해 본 시스템 및 방법에서 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 차동 검출은 상기 플로우 셀을 통해 투과된 입사 전자기파와 플로우 셀의 유체 흐름에서 하나 이상의 입자(들)에 의해 전방으로 산란된 전자기파의 조합을 검출하는 데 사용된다. 일부 실시예들에서, 예를 들어 입사광의 분포는 차동 검출기의 제1 및 제2 능동 검출 영역(예를 들어, 상반부 및 하반부) 사이에서 균형을 이루는 전력 분포를 갖고, 예를 들어, 제 1 및 제 2 능동 검출 영역은 10% 이내, 선택적으로 일부 응용 프로그램의 경우 5% 및 선택적으로 일부 응용 프로그램의 경우 1% 이내인 입사 복사 전력을 특징으로 한다. 차동 검출은 예를 들어 입자들이 존재하지 않을 때(즉, 입자로부터 산란이 없을 때) 차동 신호의 노이즈 진폭 평가를 기반으로 하는 폐 루프 제어를 갖는 기술들 및 시스템들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 스티어링 미러는 차동 신호의 노이즈 레벨을 감소 또는 최소화하기 위해 검출기 상의 입사 빔 위치를 조정하는 데 사용되며, 이는 빔 파워가 제1 및 제2 능동 검출기 소자(예를 들어, 검출기의 상부 및 하부 소자) 사이에서 균일하게 분할될 때 발생할 수 있다.
"구조화된 빔"은 가우시안이 아닌 공간 강도 분포를 갖는 전자기파(예: 레이저)의 간섭성 빔을 의미한다. 구조화된 빔에는 다크 빔과 같은 감쇠 영역을 특징으로 하는 빔, 다크 라인 특이성이 있는 라인 포커스가 있는 빔, 둘 이상의 개별 강도 로브가 특징인 빔 등이 포함된다. 일 실시예에서, 구조화된 빔은 TEM01과 같은 가로 모드에 해당한다. 구조화된 빔에는 집속, 합성, 레이저 빔이 포함된다. 구조화된 빔 및 다크 빔은 광학 마스크 사용, 레이저 캐비티 수정, 다중 빔 결합, 공간 및/또는 편광 필터, 및 간섭 또는 편광 수정 방식과 같은 기타 조작을 포함하는 업계에 알려진 기술에 의해 생성될 수 있다.
"구조화된 빔 검출"은 가우스가 아닌 강도 분포를 갖는 전자기파의 구조화된 빔이 입자 및 플로우 셀로부터의 광(예: 투과광, 산란광)을 포함하는 플로우 셀을 통과하는 시스템들 및 방법들을 의미한다. (예: 전방 산란광 등) 입자를 감지, 계수 및/또는 특성화하기 위해 광학 검출기 어레이를 사용하여 검출된다.
"다크 빔 검출"은 전자기파의 다크 빔이, 예를 들어 강도의 중심선 감소와 같은 감쇠된 강도의 영역을 갖는 공간 강도 프로파일을 갖는 것은 입자를 포함하는 플로우 셀을 통과하고 입자를 감지, 계수 및/또는 특성화하기 위해 광학 검출기 어레이를 사용하여 검출된다.
"빔 전파 축"은 전자기파 빔의 진행 방향에 평행한 축을 의미한다.
"광학적 연통"은 구성 부품들 간에 빛을 전달할 수 있는 방식으로 배열된 구성 부품들을 나타낸다. 광학적 연통은 2개의 요소들이 직접적으로 광학적 연통을 하는 구성을 포함하며, 여기서 빛은 요소들 사이에서 직접적으로 이동하고, 2개의 요소는 하나 이상의 렌즈, 거울, 창, 빔 스플리터, 광섬유, 위상 마스크, 파장판, 빔 결합기, 광학 필터 등 또는 이들의 조합과 같은 하나 이상의 추가 광학 요소들을 통해 빛이 요소들 사이를 이동하는 간접적으로 광학적 연통을 하는 구성을 포함한다.
"광축"은 전자기파가 시스템을 통해 전파되는 방향을 나타낸다.
"광학 검출기 어레이"는 검출기의 활성 영역에 걸쳐 2차원으로 입력 신호(예를 들어, 전자기파)를 공간적으로 분해할 수 있는 광학 검출기를 지칭한다. 광학 검출기 어레이는 이미지, 예를 들어 검출기의 활성 영역 상의 강도 패턴에 대응하는 이미지를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 광학 검출기 어레이는 본 명세서에서 픽셀이라고도 하는 개별 검출기 요소의 어레이를 포함한다; 예: 광검출기의 2차원 어레이, CCD(전하 결합 소자) 검출기, CMOS(상보적 금속 산화물 반도체) 검출기, MOS(금속 산화물 반도체) 검출기, 능동 픽셀 센서, 마이크로채널 플레이트 검출기, 또는 포토다이오드의 2차원 어레이.
"광원"은 전자기파를 생성 및/또는 샘플에 전달하기 위한 장치 또는 장치 부품을 나타낸다. 이 용어는 가시 광선 빔과 같은 가시 광선에 제한되지 않고 가시 광선, 자외선 및/또는 적외선을 포함하는 모든 전자기파를 포함하는 넓은 의미로 사용된다. 광원은 몇 가지 예를 들면 다이오드 레이저, 다이오드 레이저 어레이, 다이오드 레이저 펌핑 고체 상태 레이저, LED, LED 어레이, 기상 레이저, 고체 상태 레이저와 같은 레이저 또는 레이저 어레이로 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원은 예를 들어 광학 입자 계수기에서 탐침 빔을 생성하기 위해 하나 이상의 전자기파의 간섭성 빔과 같은 하나 이상의 전자기파 빔들 생성하기 위한 것이다. 일 실시예에서, 광원은 광학 입자 계수기에 탐침 빔을 제공하기 위한 빔 성형 시스템, 위상 마스크, 빔 결합기, 편광 컨트롤러, 파장판 또는 다크 빔과 같은 구조화된 빔을 생성하기 위한 기타 구성 부품과 같은 하나 이상의 부품들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 빔 성형 광학 시스템은 광원으로부터 전자기파를 수신하기 위해 광원과 광학적 연통하도록 제공되며, 여기서 상기 빔 성형 광학 시스템은 하나 이상의 전자기파 빔들, 예를 들어 선택된 세기, 방향성 및/또는 공간적 특성을 갖는 하나 이상의 빔들을 상기 플로우 셀에 제공하도록 구성된다. 특정 실시예들에 대한 빔 성형 광학 시스템은 광원으로부터 수신된 광을 포커싱, 확장, 스티어링, 지향 및/또는 결합하기 위한 하나 이상의 광학 요소들을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에 대한 빔 성형 광학 시스템들은 하나 이상의 렌즈들, 반사기들, 필터들, 확장기들, 편광 제어기들, 빔 결합기들, 파장판들, 프리즘들, 위상 마스크들, 구멍들, 변조기들, 작동기들 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에 대한 빔 성형 광학 시스템들은 전자기파의 포커싱된 빔을 플로우 셀에 제공하도록 위치되고 구성된다. 특정 실시예들에 대한 빔 성형 광학 시스템은 10:1에서 200:1의 범위에서 선택된 종횡비를 특징으로 하는 빔과 같은 높은 종횡비의 빔을 플로우 셀에 제공하도록 구성된다.
"전자기파" 및 "빛"이라는 용어는 본 설명에서 동의어로 사용되며 전기장 및 자기장의 파동을 나타낸다. 본 발명의 방법에 유용한 전자기파는 약 100 나노미터 내지 약 15 마이크론 사이의 파장을 갖는 자외선, 가시광선, 적외선 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
"높은 종횡비" 빔은 10:1 내지 200:1 범위에서 선택된 종횡비를 갖는 구조화된 빔 또는 다크 빔을 포함하는 레이저 빔과 같은 광학 빔을 지칭한다.
"100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학적 검출"은 유효 또는 평균 직경, 유효 또는 평균 길이, 유효 또는 평균 너비 등, 100나노미터 이하와 같이 적어도 하나의, 선택적으로 모든 크기를 갖는 입자를 검출할 수 있는 시스템들 및 방법들을 지칭한다. 일부 실시예들에서, "100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학적 검출"은 적어도 및 선택적으로, 예를 들어 시간, 유량 등의 함수로써 유체 흐름에서 100 nm이하의 모든 크기 중 하나를 갖는 입자들을 계수할 수 있는 시스템들 및 방법들을 언급한다. 일부 실시예들에서, "100 nm 이하의 크기 치수를 하나 이상, 선택적으로 모두 갖는 입자들을 갖는 입자의 광학적 검출"은 크기 속성, 유효 또는 평균 직경, 유효 또는 평균 길이, 유효 또는 평균 너비 등에 기초하여 유체 흐름에서 입자들을 특성화할 수 있는 시스템 및 방법을 지칭하며, 예를 들어, 입자를 크기 범위(또는 크기 상자)에 해당하는 것으로 분류함으로써, 예를 들어, 100 nm이하, 90 nm이하, 80 nm이하, 70 nm이하, 60 nm 이하, 50 nm 이하, 40 nm 이하, 30 nm 이하, 20 nm 이하, 10 nm 이하, 5 nm 이하, 1 nm - 10 nm, 10 nm - 20 nm, 20 nm - 30 nm, 30 nm - 40 nm, 40 nm - 50 nm, 50 nm - 60 nm, 60 nm - 70 nm, 70 nm - 80 nm, 80 nm - 90 nm, 90 nm - 100 nm 또는 이 범위들의 임의의 조합이다. 일부 실시예들에서, "100 nm 이하의 크기 치수를 갖는 입자의 광학적 검출"은 유효 또는 평균 직경, 유효 또는 평균 길이, 유효 또는 평균 너비 등, 100nm 이상, 100nm 이하 입자들 검출과 같은 적어도 하나, 및 임의로 모든 크기를 갖는 입자들을 검출할 수 있는 시스템들 및 방법들을 지칭한다. 100 nm 이하의 입자 검출을 위한 예시적인 방법들 및 시스템들에는 광학 산란 기반 방법 및 시스템, 형광 기반 방법 및 시스템, 광학 소광 기반 방법 및 시스템, 간섭 기반 방법 및 시스템, 응축 핵 계수 기반 방법 및 시스템 및 이들의 임의의 조합이 포함되지만 이에 제한되지는 않는다.
본 시스템들 및 방법들은 능동 및/또는 수동 부품들을 통합하고, 간섭 수단들을 사용하여 입자 검출 및/또는 100 nm이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출에 해로운 영향을 미칠 수 있는 작동 조건들을 방지하기 위해 내부 또는 외부 자극 및/또는 변화의 영향을 완화 및/또는 보상한다. 본 시스템들 및 방법들의 특징은 입자들의 간섭 검출 및/또는 크기가 100 nm이하인 입자들의 광학 검출 동안 입자 검출 시스템의 광학적 정렬 및/또는 안정성을 향상시키는 컨트롤러들, 보상기들 및/또는 격리기들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 입자 검출 시스템은 진동, 음향 및/또는 열 제어를 제공하는 "상자 내의 입자 계수기 상자" 기하구조를 갖고, 예를 들어 입자들의 간섭 검출 및/또는 100 nm이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출 동안 광학 정렬의 변화를 최소화한다.
일 실시예에서, 예를 들어, 입자 검출 시스템은 다음 특징 또는 측면 중 하나 이상을 통합함으로써 진동을 감소시키는 것과는 대조적으로 진동 내성을 개선하는 하나 이상의 수동 또는 능동 부품들을 포함한다: (i) 에폭시를 사용하여 렌즈 및 기타 광학 부품 통합, (ii) 크기/질량 감소, (ii) 고유 주파수 >150Hz 또는 그 부근에서 렌즈 장착 유지, (iii) 광학 장착 및 장착 광학 장치 설계를 위한 기술 구현, (iv) 인클로저에서 열 및 진동으로 격리된 광학 장치/레이저 사용 및/또는 (v) 광학 장치에서 기계적으로 격리된 플로우 셀 사용.
본 발명은 다음의 비제한적인 실시예들에 의해 추가로 이해될 수 있다.
진동 절연을 이용한 간섭 검출
광학 시스템에서 성능 저하의 중요한 원인 중 하나는 환경이나 광학 시스템 고유의 진동으로 인해 발생한다. 이러한 입력은 주파수 및 진폭 내용을 모두 포함하여 주기적이거나 무작위일 수 있다. 냉각 팬, 능동 메커니즘 및 일반 산업 환경은 진동 소스에 기여하고 주기적 콘텐츠를 가질 수 있다. 보다 구체적으로 산업 환경들은 더 높은 고조파에서 진폭이 감소하면서 약 60Hz에서 입력의 첫 번째 스펙트럼 피크를 갖는 경향이 있다. 이 첫 번째 스펙트럼 피크가 광학 시스템(예: 광학 입자 계수)의 성능을 저하시키는 것이 가장 일반적이다. 성능 저하의 증상은 평면 내 및 평면 외 움직임으로 인한 초점 흐림 둘 다에서 이미지가 흐려질 수 있다. 광학 구성 부품들의 변위로 인한 초점 손실은 구성 요소 마운트의 고유 주파수가 고조파 중 하나에 해당하는 경우 진동 여기와 함께 발생하는 주요 성능 영향이 될 수 있다.
특정 실시예들에서, 예를 들어, 내부 및 환경 진동으로 인한 성능 손실을 방지하기 위해 입자 검출 시스템에서 방법들 및 부품들이 사용된다. 일부 실시예들의 시스템 설계는 외부 환경으로부터 광학 시스템을 격리하는 것을 기반으로 한다. 예를 들어 "상자 안의 상자" 디자인은 주파수 콘텐츠가 60Hz의 첫 번째 기본 모드 이상인 외부 환경 진동 소스의 전송을 방지하는 절연체에 광학 어셈블리를 장착한다. 광학 어셈블리 내에서 일부 또는 모든 마운트는 대부분의 진동 소스의 기본 모드보다 훨씬 높은 고유 주파수를 갖도록 설계되었다.
광학 어셈블리에서 성능 저하의 또 다른 원인은 진동 입력 또는 열 효과로 인한 마운트 내 광학 부품들의 움직임이다. 일부 실시예들에서, 이러한 효과의 영향을 줄이기 위해 광학 장치들의 일부 또는 전부는 진동 소스 또는 열 효과에 의해 유도될 수 있는 임의의 스틱 슬립 모션을 방지하기 위해 접착제로 마운트에 구속된다. 또한 온도를 제어하기 위한 팬의 사용은 광학 어셈블리에서 분리되어 해당 진동 소스를 효과적으로 제거한다.
진동 입력의 2차 소스는 외부 소스로부터 광학 어셈블리로의 외부 여기의 결합이다. 이러한 소스는 테스트 셀, 전기 케이블 또는 외부 환경에서 광학 어셈블리로 통과하는 데 필요한 임의의 연결의 유체 흐름으로 인해 발생할 수 있다. 이러한 소스를 격리하기 위해 외부 격납 장치와 광학 어셈블리 사이에 유연한 링크가 설치된다. 유연한 링크는 진동을 전달하는 능력이 감소되거나 제거되기 때문에 절연체 역할을 한다. 결과적으로 이러한 분리된 링크는 광학 시스템의 성능 저하를 일으킬 수 없다.
진동 레벨은 입자 측정 시스템의 감도에 기초하여 일반적인 한계를 설정하기 위해 시스템 성능에 연결될 수 있다. 예를 들어, 관심 피처 크기가 감소함에 따라 측정 도구에 부과되는 허용 가능한 진동 수준도 감소한다.
이것을 (모든 외부 소스들로부터의) 일반적인 환경 진동 입력과 대조하여 외부 소스로부터 입자 측정 시스템을 격리할 필요성이 명백해진다.
도 1A는 광학 벤치의 진동 격리와 함께 유체 흐름에서 입자들의 간섭 감지를 위한 시스템의 개략도를 제공한다. 도 1A에 도시된 바와 같이, 입자 검출 시스템(200)은 입자들을 갖는 기체 또는 액체 흐름과 같은 입자들(플로우 셀(210) 내에서 원으로 개략적으로 묘사됨)을 포함하는 유체(150)의 흐름을 수송하기 위한 흐름 셀(210)을 포함한다. 레이저 소스와 같은 광원(220)은 다크 빔과 같은 구조화된 빔과 같은 탐침 빔(222)를 생성하기 위해 빔 조정 및/또는 성형 시스템(221)에 제공되는 전자기파를 생성하고, 이는 플로우 셀(210)에 제공된다. 플로우 셀(210)을 통과한 탐침 빔의 포트를 포함하는 플로우 셀(210)으로부터의 광과 플로우 셀(210)에서 산란되거나 방출된 광(예를 들어, 전방 산란)은 축상 광 검출기 어레이(240)에 제공되고, 하나 이상의 픽셀 쌍을 포함하는 분할된 1D 또는 2D 광학 검출기(240A 및 240B)와 같은, 펌웨어 또는 소프트웨어 구현 프로세서와 같은 프로세서(101)에 출력 신호(들)를 제공하기 위해 프로세서(101)과 동작 연통하고 있다. 광학 검출기 어레이(240) 및/또는 프로세서(101)은 예를 들어, 개별 분할 검출기 영역이 다크 빔과 같은 구조화된 빔의 상이한 강도 로브 위에 각각 위치되는 구성에서 차등 검출을 제공할 수 있다. 선택적으로, 수집 및/또는 성형 광학계(223)은 플로우 셀(210)으로부터 광의 수집, 성형 및/또는 필터링을 제공하기 위해 플로우 셀(210)과 검출기(240) 사이에 제공된다.
내부 또는 외부 진동 소스로부터 광원(220), 빔 스티어링 및 성형 시스템(221), 플로우 셀(210), 광학 검출기 어레이(240), 수집 및/또는 성형 광학(223) 및/또는 이들 부품들의 임의의 조합을 능동적 또는 수동적으로 분리하기 위해 하나 이상의 진동 격리기(205)가 제공된다. 진동 격리기들(205)의 통합은 헤테로다인 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 치수를 갖는 입자들의 광학 검출을 사용하는 입자 검출 시스템의 맥락에서 사용될 수도 있다.
프로세서는, 예를 들어 분석된 샘플 양 및/또는 시간의 함수로, 계수 및/또는 크기 특성화와 같은 입자들의 검출을 제공하기 위해 분할된 1D 또는 2D 광 검출기로부터 신호 조합의 차동 신호의 생성 및 분석을 통해 광 검출기 어레이로부터 출력 신호들을 분석하고 수신한다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 광학 검출기 어레이(240)는 입사 빔의 광학 축에 대해 0도의 5도 이내인 산란 각도로 제공되며, 및 선택적으로 입사 빔의 광학 축에 대해 0도의 0.5도 이내인 산란 각도로 제공되고 입사 빔의 광학 축에 대해 0도의 0.1도 이내인 산란 각도로 선택적으로 제공된다.
또한 도 1A에는 탐침 빔(222)의 빔 전파 축 및 광학 검출기 어레이(240)의 검출기 축에 대해 축외에 위치하는 선택적 측면 산란 광검출기(268) 및 측면 산란 수집 광학계들(267)이 도시되어 있다. 하나 이상의 렌즈 및/또는 거울과 같은 측면 산란 수집 광학계(267)은 플로우 셀(210) 및 탐침 빔의 입자와의 상호작용으로 인한 축외 산란광을 수신하도록 위치된다. 측면 산란 수집 광학계(267)은, 및 선택적으로 이미지들, 입자(들)를 검출 및/또는 특성화하기 위한 분석을 위해 프로세서(101)에 출력 신호(들)를 제공하도록 연통하는 측면 산란 광검출기(268)에 수집된 산란광의 적어도 일부이다. 선택적으로, 산란 수집 광학계(267), 측면 산란 광검출기(268) 및/또는 이들의 임의의 조합을 진동의 내부 또는 외부 소스로부터 능동적 또는 수동적으로 분리하기 위해 하나 이상의 진동 절연체(205)가 제공된다.
도 1B는 광학 벤치의 진동 격리와 함께 유체 흐름에서 입자들의 간섭 검출을 위한 대안 시스템의 개략도를 제공하며, 여기서 광학 기하학은 듀얼 패스 광학 기하학을 제공하도록 설정된다. 도 1B에 도시된 바와 같이, 시스템(200)은 내부 또는 외부 진동 소스로부터 능동적 또는 수동적으로 분리 광원(220), 빔 조정 및 성형 시스템(221), 플로우 셀(210), 빔 스플리터(265), 미러(275), 광학 검출기 어레이(240) 또는 이들의 임의의 조합에 제공되는 하나 이상의 진동 격리기들(205)를 포함한다. 도 1B에 도시된 바와 같이, 빔 스플리터(265) 및 미러(275)는 듀얼 패스 광학 기하학을 제공하기 위해 제공된다. 도 1B에 도시된 실시예에서, 빔 조종 및 성형 시스템(221)은 플로우 셀(210)에 제공되는 고 종횡비 빔을 제공하고 광학 검출기 어레이(240)은 쌍을 이루는 검출기 어레이로서 구성된다. 묘사된 광학 기하학은 감도에 도움이 되는 빔의 보강 및 상쇄 간섭을 허용한다. 듀얼 패스 광학 기하학 및 차동 감지의 사용은 감도에도 도움이 된다. 높은 종횡비의 빔을 사용하면 입자들이 감지될 수 있는 샘플 볼륨이 증가하여 단위 시간당 모니터링할 수 있는 샘플의 양이 증가한다.
선택적으로, 빔 조종 및 성형 시스템(221)은 10:1 내지 200:1 범위로부터 선택된 종횡비를 특징으로 하는 빔과 같은 고 종횡비 빔을 제공하며, 플로우 셀(210) 및 광학 검출기 어레이(240)은 한 쌍의 검출기 어레이를 포함하는 한 쌍의 검출기 어레이로 구성된다(240A 및 240B, 검출기(240) 내의 위치에서 확장되고 명확성을 위해 입자 검출 이벤트에 대응하는 예시적인 신호 옆에 있는 입자 검출 개략도 아래에 별도로 개략적으로 예시됨). 광학 검출기 어레이(240)는 차동 검출을 제공하도록 구성될 수 있으며, 선택적으로 쌍을 이루는 검출기 어레이들(240A 및 240B)는 다크 빔과 같은 구조화된 빔의 강도 로브 위에 위치된다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 상기 광학 검출기 어레이는 입사 빔의 광학 축에 대해 0도의 5도 이내인 산란 각도로 제공되며, 및 선택적으로 입사 빔의 광축에 대해 0도의 0.5도 이내인 산란 각도로 제공된다.
도 1B는 또한 플로우 셀에서 빔을 통과하는 입자에 대한 기능 시간(또는 빔을 통한 입자 궤적)으로서 개별 쌍을 이루는 검출기 어레이들(240A 및 240B)로부터의 신호를 보여주는 광학 검출기 어레이(240)의 대표적인 신호를 도시하고, 여기서 실선은 검출기 어레이(240A)로부터의 신호이고 점선은 검출기 어레이(240B)로부터의 신호이다. 도 1B에 도시된 바와 같이, 개별 쌍을 이루는 검출기 어레이(240A 및 240B)로부터의 신호는 각각 최소값 및 최대값을 특징으로 하고 서로에 대해 반전된다. 개별 쌍을 이루는 검출기 어레이(240A 및 240B)로부터의 신호는 예를 들어 미분 덧셈, 뺄셈, 곱셈 등을 통해 결합되어 입자의 크기, 광학적 특성(예: 굴절률) 및 조성에 대한 정확한 정보를 제공하기 위해 분석될 수 있는 차동 신호와 같은 신호를 제공할 수 있다.
도 1C는 광학 벤치 및 광학 벤치에 의해 지지되는 부품을 포함하는 시스템 부품들 진동 격리를 제공하기 위한 광학 입자 계수기의 인클로저 부품들의 개략도를 제공한다. 도 1C에 도시된 바와 같이, 인클로저(250)는 광학 벤치(255) 및 광원, 빔 조정 및 성형 시스템, 플로우 셀, 수집 및/또는 성형 광학, 광학 검출기, 빔 스플리터, 위상 마스크, 광학 정렬 시스템, 작동기, 압전 컨트롤러, 온도 컨트롤러 등 또는 이러한 부품(참고: 명확성을 위해 광학 부품들은 도 1B에 표시되지 않음)의 이러한 임의의 조합과 같은 광학 벤치에 의해 지지되는 시스템 부품들을 둘러싼다. 감쇠기 및/또는 보상기와 같은 진동 격리기(260)은 광학 벤치(255)와 작동 통신하여 제공되어 외부 소스로부터의 진동 전송이 최소화되거나 방지되어 높은 신호 대 잡음비를 유지하고 광학 입자 계수기의 성능 저하를 방지한다.
일 실시예에서, 예를 들어 외부 환경으로부터 내부 측정 기기를 분리하는 데 사용되는 방법은 "광학 벤치"를 절연체에 장착하는 것이며, 그 중 일부는 상업적으로 이용 가능하다. 절연체의 일반적인 설계는 고유 진동수 미만의 진동 입력만 전달하도록 설계된 감쇠 스프링 메커니즘이다. 절연체 고유 진동수 이상의 진동 입력이 감쇠되거나 감소된다. 진폭 감소의 양은 격리기들의 설계에 따라 다르다. 예를 들어, 설계에 적절하게 구현될 경우 전달된 진동을 원래 진폭의 최대 90%까지 줄일 수 있는 상용 격리기들을 사용할 수 있다. 도 2는 예시 격리기에 대한 투과율 대 주파수 플롯을 제공한다. 도 2에서 볼 수 있듯이 약 8Hz(격리의 고유 진동수) 미만의 진동 입력은 격리기를 통해 전달된다. 이 예시에서 전송은 약 1이고 격리기의 고유 주파수까지 증가한다(약 8Hz에서 피크). 전달된 진동 에너지의 진폭은 주파수에 따라 감소한다. 도 2에서, 60Hz에서 1% 미만, 첫 번째이자 일반적으로 가장 큰 입력 주파수 처럼.
레이저 빔 드리프트 보정
레이저 빔 보어 시야는 시간이 지남에 따라 드리프트할 수 있으며, 이는 안정적인 포인팅 방향에 의존하는 간섭 입자 검출 시스템의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
레이저 빔 드리프트 및 기타 소스의 오정렬을 해결하기 위해 위치 오류 수정을 위한 피드백을 제공하는 압전 구동 FSM(고속 스티어링 미러) 및 센서를 사용하여 레이저 빔 스티어링 하위 시스템을 시스템에 통합할 수 있다. 일반적으로 사용되는 센서는 쿼드 셀 감지기이다. 센서의 위치(또는 위치 오류)는 활성 픽셀의 신호 수준을 비교하여 계산할 수 있다. 오차는 좌표 위치 오차로 분해될 수 있다. 제 2 FSM은 제 1 FSM으로부터 변위되고 각도 오차 보정을 제공하기 위해 유사한 위치 센서와 결합된 소정 거리에서 이용될 수 있다. 센서는 위치 오류 신호를 제공하여 빠른 스티어링 미러의 위치를 변경하는 데 사용된다. FSM의 위치 변화는 레이저 빔의 변위와 각도 오류를 수정한다.
도 3A 및 3B는 광학 정렬의 폐 루프 제어를 위한 구현 정렬 제어 서브시스템을 보여주는 개략도를 제공한다. 예를 들어, 직교 광센서를 포함하는 광검출기는 입력을 제공하는 신호를 제공하도록 구성될 수 있고 압전 구동 고속 스티어링 미러(FSM)는 광학 정렬의 폐 루프 제어를 위한 출력을 제공하도록 제공될 수 있다.
도 3A는 광원, 제1 고속 스티어링 미러(FSM), 제1 빔 스플리터, 제1 쿼드 셀 검출기, 제2 고속 스티어링 미러(FSM), 제2 빔 스플리터 및 제2 쿼드 셀 검출기를 포함하는 정렬 제어 시스템을 위한 광 빔 경로를 예시하는 개략도를 제공한다. 도 3A에 도시된 바와 같이 레이저 소스로부터의 출력은 제1 고속 조향 미러에 입사 빔으로서 제공된다. 빔의 제2 부분은 빔의 일부가 계속되도록 하고 빔의 일부를 쿼드 셀 검출기로 분할하는 제1 빔 스플리터로 지향된다. 빔 스플리터를 통해 계속되는 빔 부분은 두 번째 고속 스티어링 미러(FSM)에 입사한다. 반사된 빔은 빔을 두 부분들로 분할하는 두 번째 빔 스플리터로 향한다. 빔의 한 부분은 시스템의 후속 광학 장치로 출력된다. 제2 빔 스플리터를 빠져나가는 빔의 다른 부분은 제2 쿼드 셀 광학 검출기로 향하고 검출된다.
도 3B는 도 3A에 도시된 것과 유사한 정렬 제어 시스템을 위한 전기 신호 경로에 추가하는 개략도를 제공한다. 도 3A와 같이 첫 번째 및 두 번째 쿼드 셀 광 검출기의 신호는 ADC/DAC 컨트롤러, 오류 수정기들 및 FSM 컨트롤러 구성 부품들에 개별적으로 제공된다. 이들 부품들은 제1 및 제2 쿼드 셀 검출기로부터의 신호를 독립적으로 처리 및 분석하고 제1 및 제2 고속 스티어링 미러를 작동시키는 제어 신호를 생성하여 전체 광학 정렬의 피드백 제어를 제공하도록 구성된다. 또한 도 3B에 도시된 것은 광 빔 경로이다. 도 3C는 안정적이고 정렬된 구성에서 시스템을 보여주는 예시적인 강도 패턴을 보여주는 개략도를 제공한다. 도 3D는 불안정하고 잘못 정렬된 구성에서 시스템을 보여주는 예시적인 강도 패턴을 보여주는 개략도를 제공한다. 따라서 강도 패턴 직교 검출기를 모니터링함으로써 광학 정렬의 변화를 감지하고 모니터링할 수 있다. 그러한 검출된 변화는 광학 정렬의 폐 루프 제어를 위한 입력의 기초를 추가로 제공할 수 있다.
도 4는 제어된 광학 정렬을 제공하기 위해 쿼드 검출기 신호를 입력으로 사용하고 고속 스티어링 미러(FSM)를 사용하여 광학 정렬의 폐 루프 피드백 제어를 제공하기 위한 일련의 단계 및 기준을 설명하는 흐름도를 제공한다. 왼쪽 패널은 첫 번째 FSM(Fast Steering Mirror)에 대한 신호 분석 및 제어 프로세스를 보여주고 오른쪽 패널은 두 번째 FSM(Fast Steering Mirror)에 대한 신호 분석 및 제어 프로세스를 보여준다. 도 4에 표시된 것처럼 빔 위치 데이터는 쿼드 셀 검출기에서 제공되며 빔 위치 오류 발생을 식별 및/또는 특성화하기 위해 분석된다. 빔 위치 오류가 식별되면 필요한 경우 위치 수정을 생성하기 위해 빠른 스티어링 미러에 신호가 제공된다. 도 4에 표시된 순서는 광학 정렬의 지속적인 모니터링 및 수정을 제공하기 위해 반복된다.
일 실시예에서, 예를 들어, 거울이 광 경로에 사용된다면, 거울 코팅은 그것에 입사하는 소량의 광을 통과시키도록 설계될 수 있다. 이 전송된 빔은 쿼드 검출기의 중앙에 충돌할 수 있다. 빔이 공칭 방향에서 벗어나면 감지기의 각 사분면에 대한 조명 양이 변경된다. 검출기 조명의 변화는 미세 보정 모터 등을 트리거하여 각 사분면에서 원래의 광 분포를 복원하고 의도한 빔 방향을 복원하는 역할을 하는 오류 신호를 구성할 수 있다.
또는 부분적으로만 반사하는 빔 샘플링 창을 빔에 배치하고 반사된 빛을 쿼드 검출기로 보낼 수 있다. 쿼드 검출기의 빛 분포에 변화가 발생하면 대상에 대한 기본 빔의 배치를 복원하기 위해 신호가 생성될 수 있다. 한 가지 방법은 전송된 빔을 측면으로 변환하고 의도한 배치를 복원하기 위해 빔의 다른 창을 기울이는 것일 수 있다.
온도 제어를 통한 간섭 감지
간섭 입자 탐지 시스템의 열 안정성 제약은 기본적으로 광학 성능 요구 사항에 의해 결정될 수 있다. 광학 시스템의 기능에 영향을 줄 수 있는 열 불안정성의 여러 측면이 있다. 온도 안정성의 주요 매개변수는 열 구배와 온도 변화의 전체 크기이다. 시스템 성능에 영향을 미치는 열원에는 광학 요소 및 전자 장치의 열 소산과 환경의 외부 열 입력이 포함된다. 두 소스 모두 성능을 저하시킬 수 있는 입자 탐지 시스템 내부의 온도 변화로 이어질 수 있다. 실시예 1에 설명된 대로 기기의 감도는 성능에 영향을 미치지 않고 허용할 수 있는 온도 변화 수준을 나타낸다.
전체 온도 편차는 길이 스케일, 온도 차이 및 재료의 열팽창 계수의 함수로서 플레이트의 길이를 변경한다. 식은 다음과 같다.
d = a L ΔT
여기서:
d=길이의 총 변화
a=재료의 열 팽창 계수
L=부분 길이
ΔT = 온도 변화
도 5는 관심 범위(예: 광학 벤치의 길이 및 너비)에 대한 온도 변화 대 길이 변화의 그래프를 제공한다. 도 6에서 볼 수 있듯이 공칭 광학 허용 오차(+/- 0.025mm)의 경우 허용 온도 변화는 3°C 정도이다. 일반적으로 이것은 일반적이지 않은 많은 광학 구성 부품들의 간격 및 정렬에 대해 허용되는 최대 허용 오차 수준이다. 위치 허용 오차가 대략 +/- 0.013mm인 광학 시스템 섹션이 있어 최적의 성능 온도 범위를 더욱 제한한다.
온도 제어를 위한 일반적인 방법인 간섭 입자 검출 시스템에서 팬을 사용하면 시스템 내부 공기에서 진동 및 대류 기울기가 발생할 수 있다. 압력 및 온도 구배는 공기의 굴절률을 변경하고 광학 성능을 저하시킨다. 특히 이러한 온도 구배는 본질적으로 난류이므로 데이터 조작을 통해 상쇄될 수 있는 일정한 효과가 없다.
특정 실시예들의 간섭 입자 검출 시스템의 열 제어 실시예들을 제공하기 위해 시스템의 외부 인클로저에 위치한 능동 냉각 부품(예를 들어, 열전 냉각기(TEC) 등)을 통합한다. 이러한 냉각 메커니즘에는 냉각 메커니즘에서 폐열을 제거하고 외부 환경으로 주입하는 열교환 구조 및 메커니즘(예: 핀형 열교환기, 가스 퍼지 등)이 장착되어 있다. 냉각 메커니즘은 전도성 히트 링크 또는 히트 파이프를 사용하여 시스템의 내부 부품에 연결된다. 이 방법은 외부 환경과 분리되어 임의의 내부 열원의 영향을 완화한 미세 환경을 생성한다. 결과적으로 시스템 성능은 내부 냉각 팬을 사용하는 기존 냉각 시스템보다 더 안정적이다.
도 6은 온도 제어 시스템이 있는 유체 흐름에서 입자들의 간섭 검출을 위한 시스템의 개략도를 제공한다. 도 6과 같이 펠티어 냉각기(들)가 하기로 제공된다: (i) 열원(들), 방열판(들) 및 온도 센서(들)에 대한 열 링크를 통한 열 통신 및 (ii) 전자(들) 및 온도 센서(들)를 제어하기 위한 전기 연결을 통한 전자적 연통. 개략도는 광학 부품들, 전기 부품들 및/또는 광학 입자 계수기의 기계적 부품들과 같은 열원과 관련하여 온도를 제어하기 위한 열 및 전기 연결을 보여준다. 도 6에 도시된 온도 제어기들은 광학 입자 계수기의 개별 열 생성 부품들에 대응하는 가열원들에 개별적으로 열적으로 결합되는 모듈식 부품들로서 제공되며, 광학 부품들(예: 레이저들, 거울들, 플로우 셀, 감지기들, 렌즈들 등), 전자 부품들(예: 프로세서들, 컨트롤러들, 작동기들 등) 또는 기계 부품들(예: 팬들, 펌프들 등)이 있다. 펠티어 냉각기들 및/또는 열 링크의 수는 펠티어 냉각기들의 열원들 및 냉각 용량의 수에 따라 다르다.
입자 계수기 내에서 중요한 부품들의 열 제어가 없으면 시스템이 제대로 작동하지 않을 수 있다. 예를 들어, 광학 장치는 3°C(섭씨 온도) 이상의 온도 변화로 정렬되지 않을 수 있다. 레이저와 같은 일부 부품들은 작동 중 발생하는 열을 제거하기 위해 능동 냉각이 필요하다. 냉각기 또는 액체 열 교환기는 레이저 냉각에 효과적이지만 초고감도 측정에 좋지않은 영향을 미칠 수 있는 진동/노이즈의 가능성이 있을 뿐만 아니라 전체 시스템의 설치 공간을 증가시켜 바람직하지 않다.
펠티어 냉각기라고도 하는 열전 냉각기(TEC) 모듈은 매우 민감한 입자 계수기를 위한 대체 열 관리 전략을 제공한다. 이 기술은 전자 밀도가 다른 두 개의 반도체 재료를 열전도성 판 사이에 끼워 넣은 것이다. TEC에 인가된 전압은 냉각을 가능하게 하기 위해 플레이트 사이에 온도 차이를 생성한다. 입자 계수기 어셈블리의 내부 또는 외부 벽 및/또는 레이저 및 검출기를 포함한 개별 부품들과 직접 접촉할 때 TEC는 시스템의 온도를 관리할 수 있다.
TEC를 사용한 열 제어의 장점은 하기와 같다: 소형 크기 및 냉각 시스템에 필요한 냉각수 및 공간 제거; 움직이는 부품이 없는 단순한 디자인으로 TEC 장치의 긴 수명을 가능하게 한다.
진동 격리 및 능동 온도 제어를 갖는 액상 입자 계수기
이 실시예는 초순수 및/또는 기타 공정 액체의 흐름과 같은 액체 흐름에서, 100 nm 이하, 선택적으로 50 nm 이하, 선택적으로 20 nm 이하 크기를 갖는 입자의 검출을 위한 진동 분리 및 능동 온도 제어가 있는 액상 입자 계수기 시스템을 제공한다. 시스템은 입자(들)를 갖는 유체 흐름을 통과시키기 위한 플로우 셀을 포함한다. 레이저 소스와 같은 광원으로부터의 탐침 빔은 빔 성형 광학 장치들(예: 포커싱, 연장 등)에 의해 성형되고 유체 흐름을 포함하는 플로우 셀로 지향되며, 상기 탐침 빔과 유체 내의 입자(들)의 상호 작용(들)은 산란된 전자기파를 생성한다. 플로우 셀에서 산란된 전자기파의 일부가 수집되어 감지기 어레이와 같은 광검출기로 향하게 되며, 이는 플로우 셀에서 산란된 빛의 감지에 해당하는 출력 신호를 생성한다. 예를 들어 펌웨어 및/또는 소프트웨어 구현 프로세서와 같은 프로세서를 통한 출력 신호의 분석은 입자 감지 이벤트의 발생을 식별 및 계산하는 데 사용되며 감지된 입자를 크기 특성 측면에서 유효 또는 평균 직경 또는 크기 범위(예: 특정 크기보다 작거나 크기 범위 내)에 해당하는 입자의 분류, 예를 들어 펄스 높이 분석, 펄스 면적 분석 등과 같은 펄스 분석 방법을 통해 특성화한다. 플로우 셀에서 산란된 빛을 모니터링함으로써, 예를 들어 분석된 유체의 부피 및/또는 시간의 함수로 검출된 입자들의 수를 얻을 수 있다.
도 7은 액체 입자 계수기 시스템(500)을 위한 진동 격리 및 냉각을 위한 예시적인 접근 방식을 예시하는 개략도를 제공한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 팬, 펌프, 유체 작동기 등과 같은 1차 진동 소스(510)에 대응하는 시스템의 부품들은 시스템(500)의 인클로저(520)에 직접 또는 간접적으로 장착된다. 과학 장비 하나 이상의 광원, 빔 성형 광학 장치, 필터, 감쇠기, 구멍, 플로우 셀, 윈도우, 산란광용 수집 광학 장치, 광학 검출기, 빔 조종 및 제어 요소 등을 포함하는 광학 벤치(530)은 인클로저(520)과 광학 벤치(530) 사이의 감소되거나 최소화된 전달율로 진동 격리를 제공하기 위해 하나 이상의 진동 격리기(540)을 통해 인클로저(520)으로부터 적어도 부분적으로 격리된다. 또한 도 7에는 사용 중 온도 변화를 최소화하기 위해 광학 벤치(530) 및 그 부품들의 온도를 제어하는 것을 포함하여 시스템(500)의 능동적 및/또는 수동적 제어 온도에 대해 인클로저(520)에 작동 가능하게 연결된 냉각 모듈(550)이 도시되어 있다.
도 8은 진동 격리 및 온도 제어를 제공하기 위한 요소들을 보여주는 액체 입자 계수기 시스템(500)의 투과도의 개략도를 제공한다. 내부 냉각 팬(560)은 광학 벤치(530)와 분리되어 인클로저 본체(520a) 및/또는 인클로저 덮개(520b)와 같은 인클로저(520)에 장착되므로 광학 벤치와 구조적으로 분리된다. 인클로저 내부로부터의 열 제거는 이 실시예에서 덮개(520b)에 장착된 것으로 도시된 덮개 및/또는 인클로저 본체(520a)와 같은 인클로저(520)에 장착된 별도의 냉각 모듈(550)로 달성된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 냉각 모듈(550)로부터의 기류는 광학 벤치를 직접 향하거나, 가리키거나 및/또는 목표로 하지 않는다. 도 8에 도시된 바와 같이, 진동 격리기(540)는 인클로저(520)로부터 광학 벤치(530)의 요소들로의 진동 전달을 감소 및/또는 최소화하기 위해 제공된다.
일 실시예에서, 냉각 모듈(550)은 예를 들어 절연 가스켓을 통해 인클로저(520)에 작동적으로 결합된 능동 펠티어 열전 냉각기를 포함한다. 인클로저 외부에서, 일부 실시예들에서, 시스템으로부터의 폐열은 예를 들어 팬, 뿌리 송풍기, 압축 공기, 하우스 진공 및/또는 액체 전달 매체를 사용하여 열 전달 매체와의 접촉에 의해 소산된다. 인클로저의 내부, 일부 실시예들에서 내부 팬은 열 전달을 위한 인클로저 내부의 열 전달 매체 분배를 지원한다.
도 9A는 광학 벤치가 인클로저로부터 광학 벤치의 인클로저 요소로의 진동 전달을 감소 및/또는 최소화하는 진동 격리기를 통해 인클로저로부터 진동 격리되는 구성을 예시하는 도 8의 시스템에 상보적인 액체 입자 계수기 시스템의 개략적인 투과도를 제공한다.
도 9B는 진동 차단기(540)의 부품들 및 진동 차단기(540)가 광학 벤치(530)에 결합되는 방법을 예시하는 액체 입자 계수기 시스템(500)의 개략도를 확대하여 제공한다. 도 9B에 도시된 바와 같이, 브래킷 및 나사/볼트 어셈블리와 같은 조정 가능한 하드웨어(575)는 광학 벤치(530)에 대한 인클로저(520)의 진동 전달성을 최소화하기 위해 비선형 진동 물질 격리 층을 압축함으로써 진동 격리를 조정하기 위해 제공된다. 일 실시예에서, 진동 소스로부터 인클로저(520)로부터 광학 벤치 지지체(535)를 격리시키기 위해 상이한 특성을 갖는 하나 이상의 진동 격리 재료 또는 층이 제공된다.
도 9B에 도시된 바와 같이, 탄성 중합체 층과 같은 연질 재료 층을 포함하는 베이스(580)가 제공되고, 광학 벤치(530)은 예를 들어 광학 벤치 지지부(535)를 통해 감쇠 시스템의 베이스(580) 상에 직접적으로 또는 간접적으로 배치된다. 일부 실시예들에서, 탄성 중합체 층과 같은 연질 재료 층을 포함하는 추가 완충 요소(590)이 광학 벤치 지지대(535)와 커플링 부품(595) 사이에 제공된다. 예를 들어, 결합 부품(595)는 광학 벤치 지지대(535)의 양쪽에서 함께 2개의 대향 탄성 중합체 층에 의해 제공되는 것과 같은 추가 감쇠 요소(590)과 베이스(580)을 기계적으로 결합하도록 구성될 수 있다. 이러한 배열은 구조적 광학 벤치 지지대(535)가 베이스(580) 및 추가 완충 요소(590)을 포함하는 적어도 2개의 진동 층에 대해 자유롭게 진동하도록 허용한다. 일부 실시예들에서, 베이스(580) 및 추가 감쇠 요소(590)과 같은 2개의 격리 층의 진동 격리 특성은 예를 들어 조정 가능한 하드웨어(575) 및 커플링 부품(595)를 사용하여 진동 격리 층을 변형함으로써 조정된다. 이것은 예를 들어 클램프를 포함하는 부품(595)와 동적 압축 계수를 변경하는 조정 나사/볼트 조정 가능한 하드웨어(575)의 상대적인 조임에 의해 달성된다. 베이스(580) 및 추가 감쇠 요소(590)과 같은 격리 레이어용 재료 선택의 중요한 매개변수에는 시스템의 고유 진동수에 대한 가진 주파수의 비율, 동적 전단비 및 전달률이 포함된다.
구현예들 - 본 발명은 다음 구현예들에 의해 추가로 설명되고 예시된다.
[구현예 1]
하기를 포함하는 입자 검출 시스템:
입자들을 포함하는 유체를 흐르게 하는 플로우 셀;
하나 이상의 전자기파 빔들을 생성하기 위한 광원;
상기 플로우 셀을 통해 상기 하나 이상의 전자기파 빔들을 통과시켜 상기 입자들에 의해 산란된 전자기파를 생성하기 위한 빔 성형 광학 시스템;
상기 플로우 셀로부터 전자기파를 수신하기 위한 적어도 하나의 광학 검출기 어레이,
이때, 상기 광원, 빔 성형 광학 시스템 및 광학 검출기 어레이는 상기 입자들의 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자의 광학 검출을 할 수 있도록 구성되며; 및
상기 시스템은 온도, 압력, 진동의 정도, 음파의 정도 중 적어도 하나 또는 이들의 임의의 조합이 각각 독립적으로 선택된 허용 오차 내로 유지되도록 구성되어, 상기 입자들의 상기 검출동안 높은 신호 대 잡음비를 유지한다.
[구현예 2]
구현예 1의 시스템에서, 상기 광원, 빔 성형 광학 시스템 및 광학 검출기 어레이는 간섭 전자기파의 구조화된 탐침 빔을 상기 플로우 셀을 통해 통과시킴으로써 상기 입자들의 구조화된 빔 간섭 검출을 제공하도록 구성된다.
[구현예 3]
구현예 1의 시스템에서, 상기 광원, 빔 성형 광학 시스템 및 광학 검출기 어레이는 축외 산란광을 수집하고 축외 산란광을 레퍼런스 빔과 결합하여 간섭 신호를 생성함으로써 상기 입자의 헤테로다인 간섭 검출을 제공하도록 구성된다.
[구현예 4]
구현예 1의 시스템에서, 상기 광원 및 광학 검출기 어레이는 상기 입자들의 단일 또는 다중 빔 간섭 검출을 제공하도록 구성된다.
[구현예 5]
구현예 1의 시스템에서, 상기 광원 및 광학 검출기 어레이는 상기 입자들의 구조화된 다크 빔 간섭 검출을 제공하도록 구성된다.
[구현예 6]
구현예 1-5의 임의의 시스템에서, 상기 광학 검출기 어레이는 상기 플로우 셀을 통해 투과된 입사 전자기파 및 상기 입자에 의해 산란된 전자기파를 수신하기 위해 상기 플로우 셀과 광학적 연통되게 위치된다.
[구현예 7]
구현예 6의 시스템에서, 상기 입자에 의해 산란된 상기 전자기파는 전방 산란된 전자기파를 포함한다.
[구현예 8]
구현예 6-7의 임의의 시스템에서, 상기 플로우 셀을 통해 투과된 상기 입사 전자기파 및 상기 입자에 의해 산란된 상기 전자기파는 보강 및/또는 상쇄 광 간섭을 겪는다.
[구현예 9]
구현예 1-8의 임의의 시스템에서, 상기 광학 검출기 어레이는 입사 빔의 광학 축에 대해 0도의 5도 이내인 산란 각도로 제공된다.
[구현예 10]
구현예 1-9의 임의의 시스템에서, 상기 광학 검출기 어레이는 입사 빔의 광학 축에 대해 0도의 0.5도 이내인 산란 각도로 제공된다.
[구현예 11]
구현예 1-10의 임의의 시스템으로서, 상기 광학 검출기 어레이는 조명 파면과 상기 입자에 의해 산란된 전자기파의 상호작용을 검출하기 위해 상기 플로우 셀과 광학적 연통하도록 제공된다.
[구현예 12]
구현예 1-11의 임의의 시스템으로서, 상기 시스템은 하기 조건들 중 하나 이상에 놓여졌을 때, 내부 입자 계수 프로세스의 상당한 저하 없이 상기 입자들의 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출을 제공한다:
a. 1 °C/hr 미만의 속도로 5 °C까지의 T의 변화;
b. 300 mbar까지의 P 변화;
c. 10 mm까지의 빔 경로 길이 변경;
d. 2 mm까지의 빔 초점 위치 변경;
e. 20%까지의 빔 출력 변화;
f. 200마이크론/초 까지의 진동 수준 l;
g. +/- 5도 까지의 빔 각도 변화;
h. <2% (RMS)까지의 레이저 노이즈 조건;
i. <1.3까지의 레이저 M2 변화;
j. <100MHz까지의 레이저 선폭 변화;
k. <50%까지의 RH 변화;
l. 전기(라인 전원) 안정성 및 소음 제어; 및
m. 이들의 임의의 조합.
[구현예 13]
구현예 1-12 의 임의의 시스템으로서, 상기 시스템은 상기 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 임의의 조합에 작동 가능하게 결합된 컨트롤러를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 주변 조건, 내부 자극, 외부 자극 또는 임의의 조합에 응답하여 상기 시스템 매개변수의 변화를 보상하는 단계를 포함한다.
[구현예 14]
구현예 13의 시스템으로서, 상기 주변 조건, 내부 자극 또는 외부 자극은 온도 변화, 압력 변화, 진동, 음파 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
[구현예 15]
구현예 13-14의 임의의 시스템으로서, 상기 컨트롤러는 상기 입자들의 상기 검출 동안 높은 신호 대 잡음비를 유지하기 위해 상기 하나 이상의 전자기파 빔들의 위치를 모니터링하고 이들의 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합의 위치 지정 및/또는 정렬을 능동적으로 제어하기 위한 빔 정렬 시스템이다.
[구현예 16]
구현예 15의 시스템으로서, 상기 빔 정렬 시스템은 열 팽창 광학 드리프트에 대한 보상을 제공한다.
[구현예 17]
구현예 15-16의 시스템으로서, 상기 빔 정렬 시스템은 저주파 진동 보상을 제공한다.
[구현예 18]
구현예 15-17의 시스템으로서, 상기 빔 정렬 시스템은 250 Hz 이상의 주파수에서 5 마이크로라디안 이하로 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합의 위치 지정 및/또는 정렬의 실시간 컨트롤을 제공한다.
[구현예 19]
구현예 15-18의 임의의 시스템으로서, 상기 빔 정렬 시스템은 폐 루프 시스템이다.
[구현예 20]
구현예 15-19의 임의의 시스템으로서, 상기 빔 정렬 시스템은 하나 이상의 광센서들 및 구동 시스템을 포함한다.
[구현예 21]
구현예 20의 시스템으로서, 상기 하나 이상의 광센서들은 상기 시스템에 위치된 쿼드러쳐 광센서들이고, 상기 구동 시스템은 하나 이상의 압전-구동 나노포지셔너들을 포함한다.
[구현예 22]
구현예 20-21의 임의의 시스템으로서, 상기 광센서들은 폐 루프 시스템에 입력들을 제공하고 상기 작동기 시스템은 상기 폐 루프 시스템에 출력을 제공한다.
[구현예 23]
구현예 13-22의 임의의 시스템으로서, 상기 컨트롤러는 주변 조건들, 내부 자극, 작동 환경의 외부 자극 또는 이들의 임의의 조합의 변화들로부터 상기 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이를 격리하기 위한 격리기 또는 다중 격리기들이다.
[구현예 24]
구현예 23의 시스템으로서, 상기 격리기는 외부 작동 환경에서 상기 시스템으로 진동들의 전달을 적어도 부분적으로 방지할 수 있는 감쇠 부품이다.
[구현예 25]
구현예 23-24의 임의의 시스템으로서, 상기 격리기는 시스템 자체 내에서 발생하는 진동들의 전달을 적어도 부분적으로 방지할 수 있는 감쇠 부품이다.
[구현예 26]
구현예 24-25 의 임의의 시스템으로서, 상기 감쇠 부품은 60 Hz 및 그 이상의 기본 주파수를 갖는 진동들의 전달을 1% 미만으로 감소시키도록 설계된다.
[구현예 27]
구현예 24-26의 임의의 시스템으로서, 상기 감쇠 부품은 감쇠 스프링 매커니즘, 적어도 2개의 질량 감쇠기 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
[구현예 28]
구현예 13의 시스템으로서, 상기 컨트롤러는 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합의 온도를 제어할 수 있는 능동 냉각 부품이다.
[구현예 29]
구현예 28의 시스템으로서, 상기 능동 냉각 부품은 전도성 열 링크들을 통해 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 벤치, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합과 열적 연통한다.
[구현예 30]
구현예 28-29의 임의의 시스템으로서, 상기 능동 냉각 부품은 열전 냉각기를 포함한다.
[구현예 31]
구현예 30의 시스템으로서, 상기 열전 냉각기는 상기 시스템의 외부 인클로저와 열적 연통하지 않도록 제공된다.
[구현예 32]
구현예 30-31의 임의의 시스템으로서, 상기 열전 냉각기는 열전 냉각기로부터 열을 제거하고 상기 시스템 외부의 환경으로 열을 주입하기 위해 열 교환 구조와 열적 연통하도록 제공된다.
[구현예 33]
구현예 32의 시스템으로서, 상기 열 교환구조는 핀형 열 교환기이다.
[구현예 34]
구현예 30-33의 임의의 시스템으로서, 상기 열전 냉각기는 냉각측의 습기 응결을 방지하기 위해 건조 기체로 퍼지된다.
[구현예 35]
구현예 30-34의 임의의 시스템으로서, 상기 열전 냉각기는 열 방출을 향상시키기 위해 고온측 열 교환기를 가로질러 흐르도록 건조한 기체로 퍼지된다.
[구현예 36]
구현예 1-35의 임의의 시스템으로서, 상기 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합은 주변 조건들, 내부 자극 또는 외부 자극에 응답하여 상기 시스템 파라미터들의 변화를 보상하기 위해 수동 격리를 제공하도록 구성된다.
[구현예 37]
구현예 36의 시스템으로서, 상기 수동 격리는 하기 특징들 중 하나 이상에 의해 제공되는 시스템:
a. 하나 이상의 진동 격리기들의 통합;
b. 렌즈들에 하나 이상의 접착층들 통합;
c. 하나 이상의 열경화성 또는 열가소성 기계적 구속들의 통합;
d. 광원 및 부품들의 감소된 크기 및/또는 질량;
e. 150Hz 이상의 고유 주파수를 갖는 렌즈 마운트들의 통합;
f. 광원 및 구성 요소들로부터 기계적으로 격리된 플로우 셀의 통합;
g. 열팽창 계수 일치된 소재들; 및
h. 열팽창 계수가 낮은 광학 부품들.
[구현예 38]
구현예 1-37의 임의의 시스템으로서, 상기 광원은 간섭 입사 빔을 제공한다.
[구현예 39]
구현예 1-38의 임의의 시스템으로서, 상기 광원은 가우시안 입사 빔을 제공한다.
[구현예 40]
구현예 1-39의 임의의 시스템으로서, 상기 광원은 상기 하나 이상의 전자기파 빔들을 생성하기 위한 하나 이상의 성형 및/또는 결합 광학 요소들을 포함한다.
[구현예 41]
구현예 40의 시스템으로서, 상기 하나 이상의 성형 및/또는 결합 광학 요소들은 회절 요소들, 편광 요소들, 강도 조절 요소들, 위상 조절 요소들 또는 이들의 임의의 조합이다.
[구현예 42]
구현예 1-42의 임의의 시스템으로서, 하나 이상의 전자기파 빔들은 구조화된 비-가우시안 빔을 포함한다.
[구현예 43]
구현예 42의 시스템으로서, 상기 하나 이상의 전자기파 빔들은 다크 빔을 포함한다.
[구현예 44]
구현예 42-43의 임의의 시스템으로서, 상기 하나 이상의 전자기파 빔들은 하나 이상의 라인 특이점들을 특징으로 하는 빔을 포함한다.
[구현예 45]
구현예 42-43의 임의의 시스템으로서, 상기 하나 이상의 전자기파 빔들은 애너모픽 빔을 포함한다.
[구현예 46]
구현예 42-45의 임의의 시스템으로서, 상기 하나 이상의 전자기파 빔들은 탑햇(top hat) 형태의 애너모픽 빔을 포함한다.
[구현예 47]
구현예 1-46의 임의의 시스템으로서, 상기 광학 검출기 어레이는 검출기들의 복수의 분할된 선형 또는 2D 어레이들을 포함한다.
[구현예 48]
구현예 1-47의 임의의 시스템으로서, 상기 적어도 하나의 광학 검출기 어레이는 차동 검출을 허용한다.
[구현예 49]
구현예 1-48의 임의의 시스템으로서, 상기 유체는 액체 또는 기체이다.
[구현예 50]
구현예 1-49의 임의의 시스템으로서, 상기 시스템은 액체 화학물질들 내의 입자들을 검출하기 위한것이다.
[구현예 51]
구현예 1-50의 임의의 시스템으로서, 상기 시스템은 초순수 물에서 입자들을 검출하기 위한 것이다.
[구현예 52]
구현예 1-49의 임의의 시스템으로서, 상기 시스템은 고압 기체들 내의 입자들을 검출하기 위한 것이다.
[구현예 53]
구현예 1-49의 임의의 시스템으로서, 상기 시스템은 표면들 상의 입자들을 검출하기 위한 것이다.
[구현예 54]
하기를 포함하는 유체에서 입자들을 검출하기 위한 방법:
입자들을 포함하는 상기 유체의 흐름을 제공하고;
광원을 사용하여 하나 이상의 전자기파 빔들을 생성하고;
빔 성형 광학 시스템을 사용하는 상기 플로우 셀을 통해 상기 하나 이상의 전자기파 빔들을 통과시키켜 상기 입자들에 의해 산란된 전자기파를 생성하고; 및
상기 플로우 셀로부터 전자기파를 광학 검출기 어레이상으로 지향시키고,켜 상기 입자들의 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기 치수들을를 갖는 입자들의 광학 검출을 제공하고;
여기서, 상기 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합은 상기 입자들의 상기 검출동안 높은 신호 대 잡음비를 유지하도록 구성 및/또는 제어된다.
[구현예 55]
구현예 54의 방법으로서, 상기 광학 검출기 어레이는 상기 플로우 셀을 통해 투과된 입사 전자기파 및 상기 입자에 의해 산란된 전자기파를 수신하기 위해 상기 플로우 셀과 광학적 연통되도록 위치된다.
[구현예 56]
구현예 55의 방법으로서, 상기 입자에 의해 산란된 전자기파는 전방 산란된 전자기파를 포함한다.
[구현예 57]
구현예 55-56의 임의의 방법으로서, 상기 플로우 셀을 통해 전달되는 상기 입사 전자기파 및 상기 입자에 의해 산란된 전자기파는 보강 및/또는 상쇄 광 간섭을 겪는다.
[구현예 58]
구현예 54-57의 임의의 방법으로서, 상기 광학 검출기 어레이는 입사 빔의 광학 축에 대해 0도의 5도 이내인 산란 각도를 제공한다.
[구현예 59]
구현예 54-58의 임의의 방법으로서, 상기 광학 검출기 어레이는 입사 빔의 광학 축에 대해 0도의 0.5도 이내인 산란 각도를 제공한다.
[구현예 60]
구현예 54-59의 임의의 방법으로서, 상기 광학 검출기 어레이는 상기 입자와 조명하는 파면과 상기 입자에 의해 산란된 전자기파의 상호작용을 검출하기 위해 상기 플로우 셀과 광학적 연통하도록 제공된다.
[구현예 61]
구현예 54-60의 임의의 방법으로서, 상기 방법은 하기 조건들 중 하나 이상에 놓여졌을 때, 내부 입자 계수 프로세스의 상당한 성능 저하 없이 상기 입자들의 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출을 제공하는 방법:
a. 1 °C/hr 미만의 속도로 5 °C까지의 T의 변화;
b. 300mbar까지의 P 변화;
c. 10mm까지의 빔 경로 길이 변경;
d. 2 mm까지의 빔 초점 위치 변경;
e. 20% 까지의 빔 출력 변화;
f. 200마이크론/초 까지의 진동 수준 l;
g. +/- 5도 까지의 빔 각도 변화;
h. <2%(RMS)까지의 레이저 노이즈 조건;
i. <1.3까지의 레이저 M2 변화;
j. <100MHz까지의 레이저 선폭 변화;
k. <50% 까지의 RH 변화;
l. 전기(라인 전원) 안정성 및 소음 제어; 및
m. 이들의 임의의 조합.
참조 및 변형에 의한 통합에 관한 진술
본 출원 전반에 걸친 모든 참조(예: 발행 또는 부여된 특허 또는 동등물을 포함하는 특허 문서) 특허 출원 간행물; 및 비특허 문헌 문서 또는 기타 소스 자료; 각각의 참조가 본 출원의 개시 내용과 적어도 부분적으로 일치하지 않는 한, 각각의 참조가 참조에 의해 개별적으로 포함되는 것처럼 그 전체가 참조에 의해 여기에 포함된다(예를 들어, 부분적으로 일치하지 않는 참조는 참조의 부분적으로 일치하지 않는 부분을 제외하고 참조로 통합된다.).
하기 특허 및 특허 출원은 구조화된 빔을 사용한 간섭 입자 검출에 관한 것으로 그 전체가 참조로 포함된다: US 7,746,469; US 20170176312; WO 2019/082186; 및 62/838,835.
여기에서 사용된 용어 및 표현은 설명의 용어로 사용되며 제한이 없으며, 표시 및 설명된 기능 또는 그 일부의 등가물을 배제하는 이러한 용어 및 표현의 사용에 대한 의도가 없지만, 그러나 청구된 발명의 범위 내에서 다양한 수정이 가능하다는 것이 인식된다. 따라서, 본 발명이 바람직한 실시예, 예시적인 실시예 및 선택적 특징에 의해 구체적으로 개시되었지만, 본 명세서에 개시된 개념의 수정 및 변형이 당업자에 의해 의지될 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 이해되어야 하고, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 여기에 제공된 특정 실시예는 본 발명의 유용한 실시예의 예이며, 본 발명이 본 명세서에 기재된 장치, 장치 부품들, 방법 단계의 많은 변형을 사용하여 수행될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 본 방법에 유용한 방법 및 장치는 다수의 선택적인 구성 및 처리 요소 및 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수 참조를 포함한다. 따라서, 예를 들어, "세포"에 대한 언급은 복수의 그러한 세포 및 당업자에게 공지된 그의 등가물을 포함한다. 또한, 용어 "a"(또는 "an"), "하나 이상" 및 "적어도 하나"는 본 명세서에서 상호교환가능하게 사용될 수 있다. 또한 "포함하는", "포함하는" 및 "가지는"이라는 용어는 상호교환적으로 사용될 수 있음을 주목해야 한다. "의 임의의 청구항 XX-YY"(여기서 XX 및 YY는 청구항 번호를 나타냄)라는 표현은 대체 형태의 다중 종속 청구항을 제공하기 위한 것이며, 일부 실시예들에서 "임의의 청구항 XX-YY 중 어느 하나에서와 같이"라는 표현과 상호교환 가능하다.
치환기 그룹이 본원에 개시될 때, 그 그룹의 모든 개별 구성원 및 모든 하위 그룹이 별도로 개시되는 것으로 이해된다. 마쿠시 그룹 또는 기타 그룹화가 여기에서 사용될 때 그룹의 모든 개별 구성원과 그룹의 가능한 모든 조합 및 하위 조합은 본 개시 내용에 개별적으로 포함되도록 의도된다.
본 명세서에 기술되거나 예시된 모든 장치, 시스템, 제형, 부품의 조합, 또는 방법은 달리 언급되지 않는 한 본 발명을 실시하는 데 사용될 수 있다.
범위가 명세서에 주어질 때마다, 예를 들어 온도 범위, 시간 범위, 또는 조성 또는 농도 범위, 모든 중간 범위 및 하위 범위, 뿐만 아니라 주어진 범위에 포함된 모든 개별 값은 본 개시내용에 포함되도록 의도된다. 본원의 설명에 포함된 범위 또는 하위 범위 내의 임의의 하위 범위 또는 개별 값은 본원의 청구범위에서 제외될 수 있음이 이해될 것이다.
명세서에 언급된 모든 특허 및 간행물은 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자의 기술 수준을 나타낸다. 여기에 인용된 참고 문헌은 출판 또는 출원일 현재의 기술 상태를 나타내기 위해 그 전체가 참고로 여기에 포함되며, 이 정보는 필요한 경우 선행 기술에 있는 특정 실시예를 배제하기 위해 여기에 사용될 수 있다. 예를 들어, 물질의 조성이 청구될 때, 출원인의 발명 이전에 당해 분야에 공지되고 이용가능한 화합물은, 본 명세서에 인용된 참고 문헌에서 가능하게 하는 개시가 제공되는 화합물을 포함하고, 여기의 문제 청구의 구성에 포함되도록 의도되지 않았다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "포함하는(comprising)"은 "포함하는(including)", "포함하는(containing)" 또는 "~에 의해 특성화되는(characterized by)"과 동의어이며 포괄적이거나 개방형이며 추가의 인용되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "~로 구성된(consisting of)"은 청구항 요소에 명시되지 않은 임의의 요소, 단계 또는 성분을 배제한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "본질적으로 구성되는(consisting essentially of)"은 청구범위의 기본적이고 신규한 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 재료 또는 단계를 배제하지 않는다. 본 명세서의 각 경우에 "포함하는(comprising)", "본질적으로 구성되는(consisting essentially of)" 및 "~로 구성된(consisting of)"이라는 용어는 다른 두 용어 중 하나로 대체될 수 있다. 여기에 적절하게 예시적으로 설명된 본 발명은 여기에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소 또는 요소들, 제한 또는 제한 없이 실시될 수 있다.
당해 기술 분야의 통상의 기술자는 특히 예시된 출발 물질, 생물학적 물질, 시약, 합성 방법, 정제 방법, 분석 방법 및 다음 이외의 생물학적 방법이 과도한 실험에 의존하지 않고 본 발명의 실시에 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 물질 및 방법의 모든 공지된 기능적 등가물은 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다. 사용된 용어 및 표현은 설명의 용어로 사용되며 제한이 없으며 이러한 용어와 표현을 사용할 때 표시 및 설명된 기능 또는 그 일부의 등가물을 배제하려는 의도는 없으며, 청구된 발명의 범위 내에서 다양한 수정이 가능함을 인식한다. 따라서, 본 발명이 바람직한 실시예 및 선택적인 특징에 의해 구체적으로 개시되었지만, 본 명세서에 개시된 개념의 수정 및 변형은 당업자에 의해 의지될 수 있고 그러한 수정 및 변형은 다음과 같이 고려된다는 것을 이해해야 한다. 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있어야 한다.
Claims (61)
- 하기를 포함하는 입자 검출 시스템:
입자들을 포함하는 유체를 흐르게 하는 플로우 셀;
하나 이상의 전자기파 빔들을 생성하기 위한 광원;
상기 플로우 셀을 통해 상기 하나 이상의 전자기파 빔들을 통과시켜 상기 입자들에 의해 산란된 전자기파를 생성하기 위한 빔 성형 광학 시스템;
상기 플로우 셀로부터 전자기파를 수신하기 위한 적어도 하나의 광학 검출기 어레이,
이때, 상기 광원, 빔 성형 광학 시스템 및 광학 검출기 어레이는 상기 입자들의 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자의 광학 검출을 할 수 있도록 구성되며; 및
상기 시스템은 온도, 압력, 진동의 정도, 음파의 정도 중 적어도 하나 또는 이들의 임의의 조합이 각각 독립적으로 선택된 허용 오차 내로 유지되도록 구성되어, 상기 입자들의 상기 검출동안 높은 신호 대 잡음비를 유지하게 한다. - 제1항에 있어서,
상기 광원, 빔 성형 광학 시스템 및 광학 검출기 어레이는 간섭 전자기파의 구조화된 탐침 빔을 상기 플로우 셀을 통해 통과시킴으로써 상기 입자들의 구조화된 빔 간섭 검출을 제공하도록 구성되는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 광원, 빔 성형 광학 시스템 및 광학 검출기 어레이는 축외 산란광을 수집하고 축외 산란광을 레퍼런스 빔과 결합하여 간섭 신호를 생성함으로써 상기 입자들의 헤테로다인 간섭 검출을 제공하도록 구성되는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 광원 및 광학 검출기 어레이는 상기 입자들의 단일 또는 다중 빔 간섭 검출을 제공하도록 구성되는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 광원 및 광학 검출기 어레이는 상기 입자들의 구조화된 다크 빔 간섭 검출을 제공하도록 구성되는, 시스템. - 제1항 내지 제5항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 검출기 어레이는 상기 플로우 셀을 통해 투과된 입사 전자기파 및 상기 입자에 의해 산란된 전자기파를 수신하기 위해 상기 플로우 셀과 광학적 연통되게 위치되는, 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 입자에 의해 산란된 상기 전자기파는 전방 산란된 전자기파를 포함하는, 시스템. - 제6항 내지 제7항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 플로우 셀을 통해 투과된 상기 입사 전자기파 및 상기 입자에 의해 산란된 상기 전자기파는 보강 및/또는 상쇄 광 간섭을 겪는, 시스템. - 제1항 내지 제8항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 검출기 어레이는 입사 빔의 광학 축에 대해 0도의 5도 이내인 산란 각도로 제공되는, 시스템. - 제1항 내지 제9항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 검출기 어레이는 입사 빔의 광학 축에 대해 0도의 0.5도 이내인 산란 각도로 제공되는, 시스템. - 제1항 내지 제10항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 검출기 어레이는 상기 입자와 상기 입자에 의해 산란된 전자기파의 조명 파면과 상호작용을 검출하기 위해 상기 플로우 셀과 광학적 연통하도록 제공되는, 시스템. - 제1항 내지 제11항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템은 하기 조건들 중 하나 이상에 놓여졌을 때, 내부 입자 계수 프로세스의 상당한 성능 저하 없이 상기 입자들의 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출을 제공하는 시스템:
i. 1 °C/hr 미만의 속도로 5 °C까지의 T의 변화;
ii. 300 mbar까지의 P 변화;
iii. 10 mm까지의 빔 경로 길이 변경;
iv. 2 mm까지의 빔 초점 위치 변경;
v. 20%까지의 빔 출력 변화;
vi. 200마이크론/초 까지의 진동 수준 l;
vii. +/- 5도 까지의 빔 각도 변화;
ⅷ. <2% (RMS)까지의 레이저 노이즈 조건;
ix. <1.3까지의 레이저 M2 변화;
x. <100MHz까지의 레이저 선폭 변화;
xi. <50%까지의 RH 변화;
xii. 전기(라인 전원) 안정성 및 소음 제어; 및
xiii. 이들의 임의의 조합. - 제1항 내지 제12항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템은 상기 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합에 작동 가능하게 결합된 컨트롤러를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 주변 조건, 내부 자극, 외부 자극 또는 이들의 임의의 조합에 응답하여 상기 시스템 매개변수의 변화를 보상하기 위한, 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 주변 조건, 내부 자극 또는 외부 자극은 온도 변화, 압력 변화, 진동, 음파 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 시스템. - 제13항 내지 제14항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 입자들의 상기 검출 동안 높은 신호 대 잡음비를 유지하기 위해 상기 하나 이상의 전자기파 빔들의 위치를 모니터링하고 이들의 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합의 위치 지정 및/또는 정렬을 능동적으로 제어하기 위한 빔 정렬 시스템인 것을 특징으로 하는, 시스템. - 제15항에 있어서,
상기 빔 정렬 시스템은 열 팽창 광학 드리프트에 대한 보상을 제공하는, 시스템. - 제15항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 빔 정렬 시스템은 저주파 진동 보상을 제공하는, 시스템. - 제15항 내지 제17항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 빔 정렬 시스템은 250 Hz이상의 주파수에서 5 마이크로라디안 이하로 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합의 위치 지정 및/또는 정렬의 실시간 컨트롤을 제공하는, 시스템. - 제15항 내지 제18항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 빔 정렬 시스템은 폐 루프 시스템인, 시스템. - 제15항 내지 제19항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 빔 정렬 시스템은 하나 이상의 광센서들 및 작동기 시스템을 포함하는, 시스템. - 제20항에 있어서,
상기 하나 이상의 광센서들은 상기 시스템에 위치된 쿼드러쳐 광센서들이고, 상기 작동기 시스템은 하나 이상의 압전-구동 나노포지셔너들을 포함하는, 시스템. - 상기 광센서들은 폐 루프 시스템에 입력들을 제공하고 상기 작동기 시스템은 상기 폐 루프 시스템에 출력을 제공하는, 시스템.
- 제13항 내지 제22항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 컨트롤러는 주변 조건들, 내부 자극, 작동 환경의 외부 자극 또는 이들의 임의의 조합의 변화들로부터 상기 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이를 격리하기 위한 격리기 또는 다중 격리기들인, 시스템. - 제23항에 있어서,
상기 격리기는 외부 작동 환경에서 상기 시스템으로 진동들의 전달을 적어도 부분적으로 방지할 수 있는 감쇠 부품인, 시스템. - 제23항 내지 제24항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 격리기는 시스템 자체 내에서 발생하는 진동들의 전달을 적어도 부분적으로 방지할 수 있는 감쇠 부품인, 시스템. - 제24항 내지 제25항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 감쇠 부품은 60 Hz 및 그 이상의 기본 주파수를 갖는 진동들의 전달을 1% 미만으로 감소시키도록 설계되는 것인, 시스템. - 제24항 내지 제26항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 감쇠 부품은 감쇠 스프링 메커니즘, 적어도 2개의 질량 감쇠기 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 컨트롤러는 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합의 온도를 제어할 수 있는 능동 냉각 부품인, 시스템. - 제28항에 있어서,
상기 능동 냉각 부품은 전도성 열 링크들을 통해 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 벤치, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합과 열적 연통하는, 시스템. - 제28항 내지 제29항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 능동 냉각 부품은 열전 냉각기를 포함하는, 시스템. - 제30항에 있어서,
상기 열전 냉각기는 상기 시스템의 외부 인클로저와 열적 연통하지 않도록 제공되는, 시스템. - 제30항 내지 제31항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 열전 냉각기는 열전 냉각기로부터 열을 제거하고 상기 시스템 외부의 환경으로 열을 주입하기 위해 열 교환 구조와 열적 연통하도록 제공되는, 시스템. - 제32항에 있어서,
상기 열 교환 구조는 핀형 열 교환기인 것을 특징으로 하는, 시스템. - 제30항 내지 제33항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 열전 냉각기는 냉각측의 습기 응결을 방지하기 위해 건조 기체로 퍼지되는, 시스템. - 제30항 내지 제34항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 열전 냉각기는 열 방출을 향상시키기 위해 고온측 열 교환기를 가로질러 흐르도록 건조한 기체로 퍼지되는, 시스템. - 제1항 내지 제35항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합은 주변 조건들, 내부 자극 또는 외부 자극에 응답하여 상기 시스템 파라미터들의 변화를 보상하기 위해 수동 격리를 제공하도록 구성되는, 시스템. - 제36항에 있어서, 상기 수동 격리는 하기 특징들 중 하나 이상에 의해 제공되는 시스템:
i. 하나 이상의 진동 격리기들의 통합;
ii. 렌즈들에 하나 이상의 접착층들 통합;
iii. 하나 이상의 열경화성 또는 열가소성 기계적 구속들의 통합;
iv. 광원 및 부품들의 감소된 크기 및/또는 질량;
v. 150Hz 이상의 고유 주파수를 갖는 렌즈 마운트들의 통합;
vi. 광원 및 부품들로부터 기계적으로 격리된 플로우 셀의 통합;
vii. 열팽창 계수 일치된 소재들; 및
ⅷ. 열팽창 계수가 낮은 광학 부품들. - 제1항 내지 제37항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 광원은 간섭 입사 빔을 제공하는, 시스템. - 제1항 내지 제38항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 광원은 가우시안 입사 빔을 제공하는, 시스템. - 제1항 내지 제39항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 광원은 상기 하나 이상의 전자기파 빔들을 생성하기 위한 하나 이상의 성형 및/또는 결합 광학 요소들을 포함하는, 시스템. - 제40항에 있어서,
상기 하나 이상의 성형 및/또는 결합 광학 요소들은 회절 요소들, 편광 요소들, 강도 조절 요소들, 위상 조절 요소들 또는 이들의 임의의 조합인, 시스템. - 제1항 내지 제41항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 전자기파 빔들은 구조화된 비-가우시안 빔을 포함하는, 시스템. - 제42항에 있어서,
상기 하나 이상의 전자기파 빔들은 다크 빔을 포함하는, 시스템. - 제42항 내지 제43항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전자기파 빔들은 하나 이상의 라인 특이점들을 특징으로 하는 빔을 포함하는, 시스템. - 제42항 내지 제43항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전자기파 빔들은 애너모픽 빔을 포함하는, 시스템. - 제42항 내지 제45항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전자기파 빔들은 탑햇(top hat) 형태의 애너모픽 빔을 포함하는, 시스템. - 제1항 내지 제46항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 검출기 어레이는 검출기들의 복수의 분할된 선형 또는 2D 어레이들을 포함하는, 시스템. - 제1항 내지 제47항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광학 검출기 어레이는 차동 검출을 허용하는, 시스템. - 제1항 내지 제48항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 유체는 액체 또는 기체인, 시스템. - 제1항 내지 제49항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템이 액체 화학물질들 내의 입자들을 검출하기 위한 것인, 시스템. - 제1항 내지 제50항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템이 초순수 물에서 입자들을 검출하기 위한 것인, 시스템. - 제1항 내지 제49항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템이 고압 기체들 내의 입자들을 검출하기 위한 것인, 시스템. - 제1항 내지 제49항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템이 표면들 상의 입자들을 검출하기 위한 것인, 시스템. - 하기를 포함하는 유체에서 입자들을 검출하기 위한 방법:
입자들을 포함하는 상기 유체의 흐름을 제공하고;
광원을 사용하여 하나 이상의 전자기파 빔들을 생성하고;
빔 성형 광학 시스템을 사용하는 상기 플로우 셀을 통해 상기 하나 이상의 전자기파 빔들을 통과시키켜 상기 입자들에 의해 산란된 전자기파를 생성하고; 및
상기 플로우 셀로부터 전자기파를 광학 검출기 어레이상으로 지향시켜 상기 입자들의 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출을 제공하고;
여기서, 상기 플로우 셀, 광원, 빔 성형 광학 시스템, 광학 검출기 어레이 또는 이들의 임의의 조합은 상기 입자들의 상기 검출동안 높은 신호 대 잡음비를 유지하도록 구성 및/또는 제어된다. - 제54항에 있어서,
상기 광학 검출기 어레이는 상기 플로우 셀을 통해 투과된 입사 전자기파 및 상기 입자에 의해 산란된 전자기파를 수신하기 위해 상기 플로우 셀과 광학적 연통되도록 위치되는 것인, 방법. - 제55항에 있어서,
상기 입자에 의해 산란된 전자기파는 전방 산란된 전자기파를 포함하는 , 방법. - 제55항 내지 제56항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 플로우 셀을 통해 전달되는 상기 입사 전자기파 및 상기 입자에 의해 산란된 전자기파는 보강 및/또는 상쇄 광 간섭을 겪는, 방법. - 제54항 내지 제57항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 검출기 어레이는 입사 빔의 광학 축에 대해 0도의 5도 이내인 산란 각도로 제공되는, 방법. - 제 54항 내지 제58항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 검출기 어레이는 입사 빔의 광학 축에 대해 0도의 0.5도 이내인 산란 각도로 제공되는, 방법. - 제54항 내지 제59항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 검출기 어레이는 상기 입자와 상기 입자에 의해 산란된 전자기파의 조명 파면과 상호작용을 검출하기 위해 상기 플로우 셀과 광학적 연통하도록 제공되는, 방법. - 제54항 내지 제60항 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 하기 조건들 중 하나 이상에 놓여졌을 때, 내부 입자 계수 프로세스의 상당한 성능 저하 없이 상기 입자들의 간섭 검출 및/또는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 광학 검출을 제공하는 방법:
i. 1 °C/hr 미만의 속도로 5 °C까지의 T의 변화;
ii. 300mbar까지의 P 변화;
iii. 10mm까지의 빔 경로 길이 변경;
iv. 2 mm까지의 빔 초점 위치 변경;
v. 20% 까지의 빔 출력 변화;
vi. 200마이크론/초 까지의 진동 수준 l;
vii. +/- 5도 까지의 빔 각도 변화;
ⅷ. <2%(RMS)까지의 레이저 노이즈 조건;
ix. <1.3까지의 레이저 M2 변화;
x. <100MHz까지의 레이저 선폭 변화;
xi. <50% 까지의 RH 변화;
xii. 전기(라인 전원) 안정성 및 소음 제어; 및
xiii. 이들의 임의의 조합.
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