TW202212796A - 用於偵測流體中的顆粒尺寸的方法及設備 - Google Patents

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Abstract

於此揭露的示例通常關於用於偵測流體中的顆粒的尺寸的系統和方法。在一個示例中，一種用於使顆粒成像的系統包括第一成像裝置。第一成像裝置包括透鏡和數位偵測器。系統進一步包括雷射源。氦雷射源配置為發射第一雷射射束和第二雷射射束。數位偵測器配置為累積通過透鏡的累積光的強度的度量。累積的光從顆粒散射。累積的光包括來自第一雷射射束和第二雷射射束的光。

Description

用於偵測流體中的顆粒尺寸的方法及設備
於此揭露的示例通常關於用於偵測流體中的顆粒的尺寸的方法和設備。
在許多技術領域（包括半導體製造）中，顆粒的偵測很重要。在積體電路裝置中通常觀察到的許多缺陷的原因可追溯到生產的一些階段存在細小顆粒。通常，這些雜散顆粒被發現漂浮在周圍的大氣中，或甚至在超純淨的水中。這些顆粒可能進入生產線，並在製造處理期間污染基板。已經使用了多種技術來偵測這些小顆粒，包括測量顆粒的擴散、空氣動力學、光學或電遷移率的方法和裝置。儘管這樣的方法提供了有關顆粒存在的有用資訊，但是大多數常規方法在確定顆粒尺寸方面缺乏準確性和精確性，從而使得確定適當的校正措施變得困難和具有挑戰。
可利用雷射光來執行顆粒偵測。然而，因為雷射光的橫截面區域在中心處比在周邊區域附近具有更大的強度，所以難以區分穿過雷射光的中心的小顆粒和穿過雷射光的周邊區域的大顆粒。例如，具有通過雷射光的中心的第一尺寸的較小顆粒將具有與穿過雷射光的周邊區域的較大顆粒基本相同的光散射水平。
因此，存在有用於偵測流體中的顆粒的尺寸的更精確的方法和設備的需求。
於此揭露了一種用於偵測流體中的顆粒的尺寸的系統和方法。一種用於使顆粒成像的系統包括第一成像裝置。第一成像裝置包括透鏡和數位偵測器。系統進一步包括雷射源。雷射源配置為發射第一雷射射束和第二雷射射束。數位偵測器配置為累積通過透鏡的累積的光的強度的度量。累積的光從顆粒散射。累積的光包括來自第一雷射射束和第二雷射射束的光。
在另一個示例中，一種顆粒成像系統包括第一成像裝置。第一成像裝置包括透鏡和數位偵測器。顆粒成像系統包括封裝區段。封裝區段包括配置成接收顆粒的入口和配置成允許顆粒離開封裝區段的出口。雷射源配置為發射第一雷射射束和第二雷射射束。數位偵測器配置為累積通過透鏡的累積的光的強度的度量。累積的光從顆粒散射並且含有來自第一雷射射束和第二雷射射束的光。
在又另一個示例中，揭露了一種確定顆粒尺寸的方法。方法包括以下步驟：從雷射源發射第一雷射射束和第二雷射射束。方法進一步包括以下步驟：將第二雷射射束與第一雷射射束分開一定距離。第一雷射射束穿過封裝區段。封裝區段配置為允許顆粒從中流過。方法藉由累積穿過成像裝置的透鏡的第一光的第一強度的度量來繼續。第一光從穿過第一雷射射束的顆粒散射。方法進一步包括以下步驟：累積穿過成像裝置的透鏡的第二光的第二強度的度量。第二光從穿過第二雷射射束的顆粒折射。基於第一強度和第二強度分類顆粒尺寸。
於此揭露的示例大體上關於用於偵測移動通過流體的顆粒的尺寸的系統和方法。於此討論的流體是大氣。然而，應當注意，所揭露的標的對於包括氣體或液體的流體具有實用性。
第一雷射射束可配置為使得從顆粒反射的光被散射光的p偏振照射所支配。與從單個雷射射束收集散射光的常規系統相比，收集從顆粒散射的散射光的p偏振照射和s偏振照射可提供更高的準確度。使（多個）顆粒穿過具有正交偏振的第一雷射射束和第二雷射射束產生兩個光脈衝。兩個光脈衝的每一個在以成像裝置的至少一個數位偵測陣列的形式的數位光偵測器處產生不同的信號電平。散射光的每個脈衝可包括從顆粒收集的散射光的p偏振照射和s偏振照射。對於較小的顆粒而言，在收集的散射光中，p偏振照射要大於s偏振照射。對於中等尺寸的顆粒而言，散射光內的s偏振照射和p偏振照射具有相似的大小。對於大顆粒而言，散射光中的s偏振照射大於收集的散射光內的p偏振照射。藉由分析p偏振照射和s偏振照射的強度，可確定顆粒的大小。
第1圖是具有波板148的顆粒成像系統100的平面圖。在一個示例中，波板148是四分之一波板。顆粒成像系統100包括雷射源128、空氣流動單元104、第一反射器140、光學吸收器144和成像透鏡124。
空氣流動單元104設置在雷射源128和第一反射器140之間。空氣流動單元104包括中空稜鏡120。中空稜鏡120可具有六個側壁，但不限於那種幾何形狀。流入口112將空氣引入中空稜鏡120。空氣經由流出口116離開中空稜鏡120。中空稜鏡120設置在雷射源128和第一反射器140之間。流入口112定位成垂直於中空稜鏡120的六個側壁的一個側壁。流出口116定位成垂直於中空稜鏡120的六個側壁的一個側壁。應當理解，術語上游和下游是相對術語，其不限制流入口112或流出口116的取向或位置。
設置在流體中的（多個）顆粒108通過流入口112引入中空稜鏡120，並通過出流出口116離開中空稜鏡120。顆粒108沿著通過空氣流動單元104的路徑156流動。泵（未顯示）可以有利於流體從流入口112流過中空稜鏡120並流出流出口116的方式耦接到空氣流動單元104。
雷射源128配置為發射第一雷射射束132。第一雷射射束132由中空稜鏡120接收。在一個示例中，第一雷射射束132穿過中空稜鏡120。波板148定位在中空稜鏡120的內壁附近的中空稜鏡120內。然而，波板148也可定位在中空稜鏡120的外壁附近的中空稜鏡120的外側。第一雷射射束132的波長為λ。第一雷射射束132的偏振被波板148改變為圓偏振光。
第一反射器140定位在中空稜鏡120的側壁附近。第一反射器140具有反射表面，反射表面反射第一雷射射束132的軌跡，從而使第一雷射射束132在雷射源128的方向上返回。
第二雷射射束136起源於第一反射器140。當反射的第一雷射射束132第二次通過波板148時，第一雷射射束132的偏振相對於第一雷射射束132的原始方向旋轉約90度。第一雷射射束132和第二雷射射束136可具有相同的波長λ和相同的橫截面面積A。第一雷射射束132兩次通過波板148會導致第二雷射射束136的偏振相對於第一雷射射束132旋轉約90度。因此，第一雷射射束132和第二雷射射束136具有正交的偏振。第一雷射射束132和第二雷射射束136可具有相等的功率（P）或強度。在替代示例中，第一雷射射束132和第二雷射射束136的功率可具有不同的功率（P）或強度。
散射輻射的強度 I可由等式1表示：
Figure 02_image001
照射強度由I 0表示；n是顆粒108的折射率；n 0是流體的折射率；λ是真空中的光的波長。於此，光是指來自第一雷射射束132或第二雷射射束136的光。波長λ可為在X射線至遠紅外範圍之間的任何範圍。顆粒108的直徑由d表示。等式1描述了由於與雷射射束132、136的波長λ相比直徑d小的顆粒而引起的散射強度 I。另外，顆粒小於λ/4。照射強度I 0基本上等於第一雷射射束132的功率（P）除以第一雷射射束132的橫截面面積（A）。此外，第二雷射射束136的功率（P）和橫截面面積（A）以與確定第一雷射射束132的功率（P）和橫截面面積（A）基本相同的方式表示。第一雷射射束132和第二雷射射束136的每一個具有基本上高斯橫截面分佈面積A。
光學吸收器144靠近雷射源128定位。第二反射器152取向成將第二雷射射束136朝光學吸收器144偏轉。第二雷射射束136的路徑在反射器140處開始。第二雷射射束136的路徑在光學吸收器144處結束。這樣，第一雷射射束132的路徑在雷射源128處開始。第一雷射射束132的路徑在第一反射器140處結束。光學吸收器144可定位在雷射源128和中空稜鏡120之間。然而，應當理解，光學吸收器144可位於使第二反射器152能夠將第二雷射射束136引導到光學吸收器144中的任何位置處。
成像透鏡124設置成靠近中空稜鏡120。成像透鏡124定位成基本上垂直於第一雷射射束132的路徑和第二雷射射束136的路徑。成像透鏡124配置為當（多個）顆粒穿過第一雷射射束132和第二雷射射束136時，捕獲（多個）顆粒108的圖像，如下面關於第4-5圖所討論的。
第2圖是具有射束移位器204的另一顆粒成像系統200的平面圖。顆粒成像系統200包括雷射源128、光學吸收器144、空氣流動單元104、成像透鏡124和射束移位器204。
空氣流動單元104設置在雷射源128和光學吸收器144之間。空氣流動單元104包括中空稜鏡120。中空稜鏡120設置在雷射源128和第一反射器140之間。如上所述，流入口112定位成垂直於中空稜鏡120的側壁。流出口116定位成垂直於中空稜鏡120的另一表面。將（多個）顆粒108通過流入口112引入中空稜鏡120，並通過流出口116離開中空稜鏡120。
射束移位器204佈置在雷射源128和中空稜鏡120之間。第一雷射射束132從雷射源128發射並導向射束移位器204。射束移位器204改變第一雷射射束132的特性，以產生第二射束136。更具體地說，當第一雷射射束132的偏振相對於水平或垂直平面成45度佈置時，射束移位器204將第一雷射射束132分離成兩個分量。第一雷射射束132的第一分量將沿方向不變地出現射束移位器204。第二雷射射束136從射束移位器204出現，並具有與第一雷射射束132不同的軌跡。相對於第一雷射射束132成90度偏振的第二雷射射束136相對於第一雷射射束132在垂直方向上移位。如第2圖所示，垂直方向基本平行於（多個）顆粒108在其中傳播的路徑156。
光學吸收器144位於中空稜鏡120的側壁的外表面附近。第一雷射射束132和第二雷射射束136被光學吸收器144吸收，從而終止第一雷射射束132和第二雷射射束132。因此，光學吸收器144以使光學吸收器144直接位於第一雷射射束132和第二雷射射束136的每一個的路徑內的方式定位在中空稜鏡120旁邊。光學吸收器144是一個光阱，它吸收大部分光而不影響所吸收的光。光學吸收器144的一個示例是擋板，擋板捕獲雷射射束132、136的任一個的光。光學吸收器144減少了將雜散光吸收到成像透鏡124中的不想要的背景。
如上所述，成像透鏡124定位成基本上垂直於第一雷射射束132和第二雷射射束136。成像透鏡124配置為當（多個）顆粒穿過第一雷射射束132和第二雷射射束136時，捕獲（多個）顆粒108的圖像。
第3圖是具有稜鏡304的另一個示例性顆粒成像系統300的平面圖。顆粒成像系統300包括雷射源128、光學吸收器144、成像透鏡124、空氣流動單元104、稜鏡304和聚焦透鏡312。
類似於第2圖中的配置，空氣流動單元104設置在雷射源128和光學吸收器144之間。顆粒108以與關於以上第1-2圖所揭露的基本相同的方式由空氣流動單元104、流入口112、流出口116和中空稜鏡120處理。
第一雷射射束132從雷射源沿方向316朝向稜鏡304發射。方向316基本正交於成像透鏡124。第一射束132進入稜鏡304時的偏振以相對於水平面的給定角度佈置。在一個示例中，給定角度為約45度。稜鏡304將雷射分成第一雷射射束132和第二雷射射束136。稜鏡304位於雷射源128和中空稜鏡120之間。稜鏡304包括傾斜平面308。傾斜平面308分離第一雷射射束132和第二雷射射束136。傾斜平面308相對於第一雷射射束132以一定角度定位。傾斜平面308的角度相對於第一雷射射束132的投射角度316係大於0度且小於90度。另外，傾斜平面308既不垂直也不平行於第一雷射射束132。兩個射出的雷射射束132、136相對於彼此正交偏振。例如，第一雷射射束132可在水平方向上偏振，而第二雷射射束136可在垂直方向上偏振。在一個示例中，稜鏡304是Wollaston稜鏡。一旦通過傾斜平面308之後，第一雷射射束132的軌跡改變一定幅度。第二雷射射束136的軌跡改變相同的幅度，使得在傾斜平面308的下游側上的第一雷射射束132和第二雷射射束136之間形成下游角度320。下游角度320可取決於稜鏡304的參數而變化。在一個示例中，下游角度320可在約20度和約45度之間。在另一個示例中，下游角度320為約20度。在又另一個示例中，下游角度320為約30度。在另一種配置中，下游角度320由在第一雷射射束132和第二雷射射束136之間的間隔（如，距離556）以及偵測陣列512、524的視野確定。
在另一個示例中，稜鏡304是Rochon稜鏡，在這種情況下，在傾斜平面308之後的射出的雷射射束132、136的一個（如，第一雷射射束132）將相對於水平面成一定角度，且另一束雷射射束（如，第二束雷射射束136）將沿水平方向連續。一旦通過傾斜平面308之後，第一雷射射束132的軌跡改變一定幅度。第二雷射射束136的軌跡不變。也就是，第二雷射射束136將沿著水平方向連續，使得下游角度320形成在傾斜平面308的下游側上的第一雷射射束132和第二雷射射束136之間。
如上所述，第一雷射射束132和第二雷射射束136被傾斜平面308隔開。一旦通過聚焦透鏡312之後，第一雷射射束132和第二雷射射束136基本上平行於彼此取向並隔開一段距離（在下面詳細說明）。聚焦透鏡312位於稜鏡304和中空稜鏡120之間。聚焦透鏡312用以改變第一雷射射束132平行於在傾斜平面308的上游側上的投影角β的軌跡。第二雷射射束136的軌跡也藉由聚焦透鏡312改變。在聚焦透鏡312的下游側上，第一雷射射束132基本平行於第二雷射射束136。因此，在聚焦透鏡312的下游側上，第一雷射射束132以投射角度316投射。第二雷射射束136平行於聚焦透鏡312的下游側上的投射角度316。
與第2圖的配置類似，第3圖的光學吸收器144位於中空稜鏡120附近。第一雷射射束132和第二雷射射束136被光學吸收器144吸收。如上所揭露，顆粒108由空氣流動單元104、流入口112、流出口116及中空稜鏡120處理。並且，成像透鏡124配置為當（多個）顆粒108穿過第一雷射射束132和第二雷射射束136時，接收從（多個）顆粒108散射的光。
第4圖是適於在第1-3圖的任何顆粒成像系統中使（多個）顆粒108流動的空氣流動單元104的三維平面圖。空氣流動單元104包括設置在開口部分404和端部部分408之間的封裝區段400。
流入口112設置在開口部分404內，並將（多個）顆粒108引入封裝區段400中。通過設置在端部部分408內的流出口116將顆粒108從封裝區段400移除。雖然開口部分404和端部部分408以大致平行四邊形表示，開口部分404和端部部分408均不限於這種配置。開口部分404和端部部分408可為有助於顆粒108移動通過封裝區段400的任何幾何形狀。
第一雷射射束132和第二雷射射束136的每一個都穿過封裝區段400。顆粒108以基本上垂直於第一雷射射束132和第二雷射射束136的路徑穿過封裝區段400。第一雷射射束132和第二雷射射束136以使得（多個）顆粒108既通過第一雷射射束132又通過第二雷射射束136的方式投射通過封裝區段400，並入射到路徑上。
封裝區段400可由六個側壁形成，其可由基本上透明的材料（諸如玻璃、石英、塑料或允許光通過其間的其他合適材料）製成。第一雷射射束132穿過第一側壁並且穿過封裝區段400的第二側壁離開。第二側壁與第一側壁基本上相對。第二雷射射束136也穿過封裝區段400的第一側壁。第二雷射射束136也穿過封裝區段400的第二側壁離開。在另一個示例中，第二雷射射束136通過封裝區段400被反射回去、穿過第二側壁並隨後穿過封裝區段400的第一側壁。
如上所述，在不同的示例中，泵（未顯示）可耦接到空氣流動單元104。泵配置成使攜帶（多個）顆粒108的流體流入開口部分404中、通過封裝區段400並從端部部分408流出。
於此，對成像透鏡124的任何描述都必須包括第一成像透鏡508或第二成像透鏡520的任一個或兩個。因此，第1-3圖中所示的成像透鏡124可為第4-5圖中所示的第一成像透鏡508或第二成像透鏡520的任一個。第一成像透鏡508定位成與封裝區段400的側壁的一個基本正交。第二成像透鏡520定位成與封裝區段400的其他側壁的一個基本正交。第一雷射射束132和第二雷射射束136各自相對於（多個）成像透鏡124以基本正交的方向佈置。（多個）成像透鏡124收集來自顆粒108的散射光552。
第5圖是具有兩個成像裝置的顆粒成像系統500的平面圖，兩個成像裝置適合用作第1-3圖所示的任何顆粒成像系統，以及其他合適的系統。為簡單起見，空氣流動單元104未顯示在第5圖中。顆粒成像系統500包括第一成像裝置504和第二成像裝置516。
第一成像裝置504具有第一成像透鏡508和第一偵測陣列512。第二成像裝置516具有第二成像透鏡520和第二偵測陣列524。第一偵測陣列512和第二偵測陣列524的每一個陣列是具有n個像素列和m個像素行的n x m陣列。第一偵測陣列512及/或第二偵測陣列524可為CCD或CMOS成像陣列。n或m的值可能在小的個位數到幾千之間。在一個示例中，數位偵測器是第一偵測陣列512。
衰減器528可放置在顆粒540與第二偵測陣列524之間。衰減器528位於第二成像透鏡520與第二偵測陣列524之間。衰減器528使第二偵測陣列524能夠增大在第二檢測陣列524飽和之前可以偵測到的（多個）顆粒108尺寸的範圍。例如，當利用衰減器528時，第二偵測陣列524可在約100nm至約900nm的範圍內偵測顆粒108。在這個範圍內，第二偵測陣列524可偵測到由於來自顆粒108的散射光552內的p偏振照射和s偏振照射而引起的散射光。衰減器528可為彩色的、染色的及/或著色的透明材料（諸如玻璃、塑料或石英）。與不使用衰減器528的情況相比，衰減器528可將由於第一雷射射束132和第二雷射射束136引起的來自顆粒108的散射光的幅度減小約100倍。在另一個示例中，數位偵測器是第二偵測陣列524。
散射光552被第一成像裝置504的第一成像透鏡508收集。散射光552在第一成像裝置504內產生電壓，並且相應的信號被儲存在第一偵測陣列512上。分別地，第二成像裝置516經由第二成像透鏡520捕獲散射光552。在散射光552撞擊第二偵測陣列之前，散射光552可通過衰減器528，從而使陣列產生與散射光552的幅度相對應的電壓。與電壓的幅度相對應的度量與第二偵測陣列524的n x m像素的相應值或度量一起儲存。在另一個示例中，測量電流，並且將相應的值或度量儲存在n x m像素圖像上。與照射強度I 0相對應的收集光552在偵測陣列524中產生信號。收集的散射光552的量也可為第一成像透鏡508或第二成像透鏡520的每一個的數值孔徑（NA）的函數。
第一雷射射束132沿著第一平面532投射。第一平面532垂直於第一雷射射束132的傳播方向。P偏振照射應理解為具有平行於入射平面的電場方向。入射平面是含有第一雷射射束132或第二雷射射束136的傳播方向的平面，並且平行於成像透鏡124的主平面（下面詳細說明）。於此，雷射射束是指第一雷射射束132和第二雷射射束136兩者。S偏振照射的電場取向為垂直於入射平面。如第6A-6B圖所示，第一平面532包括照射的偏振方向608。
顆粒540沿著路徑548行進。為清楚起見，顆粒108在第一位置p（t1）處顯示為顆粒540，並且在第二位置p（t2）處顯示為顆粒544，其中t是時間。如第4圖所示，顆粒540在第一位置p（t1）處穿過第一雷射射束132。移位的顆粒544在第二位置p（t2）處穿過第二雷射射束136。距離556將第一雷射射束132與第二雷射射束136分開。因此，顆粒108（如第1-3圖所示）在第一位置p（t1）和第二位置p（t2）之間行進距離556。
距離556是相對於第一雷射射束132或第二雷射射束136的射束寬度（亦即橫截面面積A）而測量。距離556可為第一雷射射束132的射束寬度的2到3倍之間。替代地，距離556可相對於第二雷射射束136而確定。
給定顆粒540在位置p（t1）處通過第一雷射射束132將由於散射光552的p偏振照射的散射而產生散射光552的脈衝。光的脈衝被轉換成度量（如電壓或電流），並且度量作為信號P1儲存在第一偵測陣列512的輸出上。第二偵測陣列524將與光的脈衝的強度相對應的度量儲存為信號P2。
當顆粒544在位置p（t2）處通過第二雷射射束136時，散射光552的脈衝包括從顆粒544散射的散射光552的s偏振照射。光的脈衝可轉換成具有度量的電壓或電流，度量接著作為信號S1儲存在第一偵測陣列512的輸出處。第二偵測陣列524將光的脈衝儲存為信號S2。散射光552的兩個脈衝將在第一偵測陣列512和第二偵測陣列524的每一個處產生不同的信號電平。
第6A-6B圖是由第5圖所示的成像裝置的任一個所收集的光的三維示意圖。顯示了x方向601和y方向603；x方向601正交於y方向603。z方向垂直於x方向601和y方向603。
當顆粒108通過第5圖中所示的顆粒成像系統500時，創建了輻射輪廓604。為了簡單起見，顆粒108未顯示在第6A-6B圖中。然而，應理解，顆粒108位於輻射輪廓604的中心處。當顆粒108行進通過第一雷射射束132或第二雷射射束136時，輻射輪廓604由散射光552產生。輻射輪廓604大體上是環形的形狀，亦即甜甜圈形。因此，輻射輪廓604在x方向601、y方向603和z方向602的每一個上延伸。於此，從顆粒108散射的散射光552由Mie理論控制，其中顆粒108具有小直徑d（如，d＜λ/4），其中λ是光的波長。光是第一雷射射束132或第二雷射射束136。在顆粒108的直徑（d）是小的情況（如，直徑d小於λ/4（亦即，d＜λ/4））下，Rayleigh散射控制著散射光552的理論。
在一個示例中，照射的偏振方向608是指第一雷射射束132的偏振。照射的偏振方向608也是電場的方向。照射的偏振方向608與第一平面532共面。對於p偏振照射而言，照射的偏振方向608垂直於第一雷射射束132的傳播方向620。當顆粒108穿過封裝區段400（在第4圖中顯示）時，照射的偏振方向608平行於顆粒108的路徑548。在另一個示例中，照射的偏振方向608是指第二雷射射束136的偏振。
顆粒108的散射光的量取決於顆粒108的尺寸、p偏振照射的強度 I p 和散射光552內的s偏振照射的強度 I s 。在一些示例中，p偏振照射的強度 I p 可基本上等於散射光552內的s偏振照射的強度 I s 。
在第6A圖中，第一雷射射束132沿著傳播方向620行進。傳播方向620平行於x方向601。來自第一雷射射束132的雷射光的照射的偏振方向608沿著z方向602，其平行於路徑548。如上所述，（多個）顆粒108沿著路徑548行進。第一雷射射束132的照射的偏振方向608和傳播方向620界定了入射平面532。入射平面532與由x方向601和z方向602界定的平面共面。對於小顆粒108而言，來自顆粒108的散射場的形狀為環形604的形式。第一成像透鏡508以光錐（亦即，散射光552）的形式收集部分的散射場。在第6A圖中，照射的偏振被稱為P偏振。
在第6B圖中，第二雷射射束136沿著傳播方向620行進。來自第二雷射射束136的雷射光的照射的偏振方向608現在垂直於入射平面532。（多個）顆粒108的散射輻射具有如第6A圖所示的相同環形604的形狀，除了入射光旋轉90度以外。因此，第6B圖中的環形604為從第6A圖中所示的環形604旋轉90度。第6B圖中所示的照射的偏振態被稱為S偏振。
第7圖是確定顆粒108的尺寸的方法700的流程圖。在方塊704處，由第一成像裝置504累積與來自第一雷射射束132的第一散射光552的第一強度相對應的度量。散射光552已經穿過第一成像裝置504的第一成像透鏡508。顆粒108穿過第一雷射射束132，從而導致光從顆粒108散射。在方塊708處，當顆粒108穿過第二雷射射束136時，由第一成像裝置504累積對應於散射光552的第二強度的度量。替代地，第二成像裝置516累積與顆粒108的散射光552的強度相對應的度量。在方塊712處，第一雷射射束132從雷射源128發射。在使第一雷射射束132通過波板148之後，由第一雷射射束132產生第二雷射射束136。第二雷射射束136的偏振從第一雷射射束132旋轉約90度。因此，第二雷射射束136具有與第一雷射射束132不同的特性。替代地，第一雷射射束132穿過射束移位器。在另一示例中，第一雷射射束132穿過稜鏡304。
在方塊716處，第一雷射射束132穿過封裝區段400。封裝區段400配置為使顆粒108從中流過。
在方塊720處，第二雷射射束136與第一雷射射束132偏振約90度。第二雷射射束136在一旦通過波板148之後偏振。在另一示例中，稜鏡304使第二雷射射束136相對於第一雷射射束132偏振約90度。
在方塊724處，建立距離556以將第二雷射射束136與第一雷射射束132分開。在方塊728處，第一雷射射束132穿過射束移位器204。射束移位器204可設置在封裝區段400和雷射源128之間。第一雷射射束132在一旦通過射束移位器204之後從第二雷射射束136移位，在第2圖中顯示。在另一個示例中，來自第一反射器140的第一雷射射束132的反射（保持在稍微偏離法線的角度）將第一雷射射束132與第二雷射射束136隔開距離556，如第1圖所示。在第一雷射射束132和第二雷射射束136之間的距離556也可由稜鏡304建立，如第3圖所示。
在方塊732處，基於散射光552來分類顆粒108。按尺寸來分類（多個）顆粒108包括將代表每個顆粒的資訊分類到倉（bin）或類別中。在這個示例中，衰減器528位於第二成像透鏡520和第二偵測陣列524之間。如上所述，將P1（與由顆粒108從p偏振光而散射的光的強度相對應的度量關聯）儲存為第一偵測陣列512上的信號。第二偵測陣列524將與光的脈衝的強度相對應的度量儲存為來自相同p偏振雷射光射束的信號P2。將光的脈衝儲存為與從第二、S偏振雷射光射束而散射的光的脈衝的強度相對應的度量，作為在第一偵測陣列512中的信號S1。第二偵測陣列524將與光的脈衝相對應的度量儲存為信號S2，光的脈衝同樣由於來自第二雷射光射束的散射光而產生。第8圖中所示的控制器800可根據顆粒108的大小將表示顆粒108的資訊分類到倉中。表1是顯示如何使用信號P1、S1、P2和S2來分類顆粒108的大小的邏輯表。表1儲存在控制器800的記憶體808中。
例如，顆粒108穿過第一雷射射束132和第二雷射射束136，從而產生兩個脈衝。對應於脈衝的強度的度量作為信號儲存在第一偵測陣列512和第二偵測陣列524的每一個上。對於尺寸在約50nm至100nm之間的顆粒108而言，作為光552散射的p偏振照射的強度 I p 大於s偏振照射的強度 I s 時。因此，第一偵測陣列512偵測到信號P1，但是信號S1可忽略不計。第二偵測陣列524不偵測信號P2或信號S2。
對於大於約110nm且小於約200nm的顆粒而言，s偏振照射散射的光552可被第一偵測陣列512偵測到。對於大於約110nm且小於約200nm的顆粒而言，p偏振照射散射的光552的強度 I p 使第一偵測陣列512飽和。對於具有最大約200nm的尺寸的（多個）顆粒108而言，由於s偏振照射而產生的散射光552仍然是可偵測的。這樣，信號P1使第一偵測陣列512飽和。在第一偵測陣列512處可偵測到信號S1。第二偵測陣列524可偵測到信號P2。然而，信號S2在第二偵測陣列524處不可偵測。
對於尺寸大於200nm的（多個）顆粒108而言，作為散射光552散射的p偏振照射使第一偵測陣列512飽和。此外，作為散射光552散射的s偏振照射使第一偵測陣列512飽和。在第二偵測陣列524內，由於p偏振照射而散射的光的強度 I p 是可偵測的。在第二偵測陣列524處進一步可偵測到由於s偏振照射而散射的光的強度 I s 。因此，信號P1使第一偵測陣列512飽和。信號S1使第一偵測陣列512飽和。第二偵測陣列524可偵測到信號P2。信號S2在第二偵測陣列524處是可偵測的。
在一個示例中，由於p偏振照射而導致的散射光552的強度 I p 比由於s偏振照射而導致的散射光552的強度 I s 大至少一個數量級。除非另外說明，否則p偏振照射的強度 I p 可高達s偏振照射的強度 I s 的大小的十倍。顆粒108的尺寸可小於200nm。在另一示例中，在由於s偏振照射而導致的散射光552的強度 I s 的大小大於由於p偏振照射而導致的散射光552的強度 I p 的情況下，顆粒108的尺寸可大於約200nm。
表格1        
P1 S1 P2 S2 直徑
偵測的 N/A N/A N/A 50 nm ＜d ＜ 110 nm
飽和的 偵測的 偵測的 N/A 110 nm ＜  d ＜ 200nm
飽和的 飽和的 偵測的 偵測的 d ＞ 200 nm
第8圖是用以測量從第5圖的顆粒成像系統散射的光的第一成像裝置504的平面圖。在一些示例中，第一成像裝置504是耦合至控制器800的相機801。控制器800包括彼此耦合的處理器804、記憶體808和支持電路812。控制器800可在相機801的板上，或者在替代示例中，控制器800可在遠端裝置（未顯示）的板上，遠端裝置從相機801接收圖像。相機801具有至少一個成像透鏡124，成像透鏡124配置為捕獲於此揭露的顆粒成像系統100的圖像。
第一成像裝置504包括耦合至第一成像裝置504的各個部件的輸入控制單元（諸如功率供應器）、時脈電路、快取、輸入/輸出（I/O）電路，以促進其控制。任選地，第一成像裝置504可包括顯示單元（未顯示）。處理器804可為任何形式的通用微處理器或通用中央處理單元（CPU）的一種，它們的每一個都可在工業環境中使用，諸如可程式化邏輯控制器（PLC）。應該理解，控制器800也可以與第一成像裝置504基本相同的方式耦合到第二成像裝置516。
記憶體808是非暫時性的，並且可為一種或多種容易獲得的記憶體，諸如本地或遠端的隨機存取記憶體（RAM）、唯讀記憶體（ROM）或任何其他形式的數位儲存器。記憶體808含有指令，指令在由處理器804執行時有助於第一成像裝置504的操作。記憶體808中的指令採用程式產品（諸如實現本揭露書的方法的程式）的形式。程式產品的程式代碼可符合多種不同程式語言的任一種。說明性的計算機可讀儲存媒體包括（但不限於）：（i）不可寫的儲存媒體（如，計算機內的唯讀記憶體裝置，諸如CD-ROM驅動器可讀取的CD-ROM磁碟、快閃記憶體、ROM晶片，或任何類型的固態非揮發性半導體記憶體）；及（ii）可寫的儲存媒體（如，軟碟驅動器內的軟碟或硬碟驅動器或任何類型的固態隨機存取半導體記憶體），在其上儲存了可變資訊。當實施涉及於此描述的方法的功能的計算機可讀指令時，這樣的計算機可讀儲存媒體是本揭露書的示例。
在一個示例中，本揭露書可實現為儲存在計算機可讀儲存媒體（如808）上以與計算機系統（未顯示）一起使用的程式產品。程式產品的程式界定於此所描述的本揭露書的功能。程式/指令包括配置為處理從第1-5圖所示的顆粒成像系統收集的光的演算法。
於此揭露的示例大體上關於用於偵測通過流體移動的顆粒的尺寸的方法和設備。儘管前述內容涉及特定示例，但是在不背離其基本範圍的情況下可設計其他示例，並且其範圍由以下的申請專利範圍決定。
100:顆粒成像系統 104:空氣流動單元 108:顆粒 112:流入口 116:流出口 120:中空稜鏡 124:成像透鏡 128:雷射源 132:射束 136:射束 140:反射器 144:光學吸收器 148:波板 152:第二反射器 156:路徑 200:顆粒成像系統 204:射束移位器 300:顆粒成像系統 304:稜鏡 308:傾斜平面 312:聚焦透鏡 316:方向/投射角度 320:下游角度 400:封裝區段 404:開口部分 408:端部部分 500:顆粒成像系統 504:第一成像裝置 508:第一成像透鏡 512:偵測陣列 516:第二成像裝置 520:第二成像透鏡 524:偵測陣列 528:衰減器 532:平面 540:顆粒 544:顆粒 548:路徑 552:光 556:距離 601:x方向 602:z方向 603:y方向 604:輻射輪廓/環形 608:照射的偏振方向 620:傳播方向 700:方法 704:方塊 708:方塊 712:方塊 716:方塊 720:方塊 724:方塊 728:方塊 732:方塊 800:控制器 801:相機 804:處理器 808:記憶體 812:支持電路
為了使本揭露書的上述特徵能夠被詳細地理解，可藉由參考於此的示例獲得以上簡要概述的本揭露書的更具體的描述，其中一些示例顯示在附隨的圖式中。然而，應注意，附隨的圖式僅顯示了示例，且因此不應視為限制本揭露書的範圍。因此，附隨的圖式允許其他等效示例。
第1圖是具有波板的顆粒成像系統的平面圖。
第2圖是具有射束位移器的另一顆粒成像系統的平面圖。
第3圖是具有稜鏡的另一示例性顆粒成像系統的平面圖。
第4圖是適於在第1-3圖的任何顆粒成像系統中使顆粒流動的空氣流動單元的三維平面圖。
第5圖是具有兩個成像裝置的顆粒成像系統的平面圖，兩個成像裝置適合與第1-3圖所示的任何顆粒成像系統一起使用。
第6A和6B圖是由第5圖的成像裝置收集的透鏡的光的三維示意圖。
第7圖是確定顆粒的尺寸的方法的流程圖。
第8圖是用以測量從第1-5圖的顆粒成像系統散射的光的成像裝置的平面圖。
為了便於理解，在可能的情況下使用了相同的元件符號來表示作為共同特徵的相同元件。可預期的是，一個示例的元件和特徵可有益地併入其他示例中，而無需進一步敘述。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
132:射束
136:射束
500:顆粒成像系統
504:第一成像裝置
508:第一成像透鏡
512:偵測陣列
516:第二成像裝置
520:第二成像透鏡
524:偵測陣列
528:衰減器
532:平面
540:顆粒
544:顆粒
548:路徑
552:光
556:距離
608:照射的偏振方向

Claims (20)

  1. 一種用於使一顆粒成像的系統，包含： 一第一成像裝置，包含： 一透鏡；及 一數位偵測器；及 一雷射源，配置為發射一第一雷射射束和一第二雷射射束，其中該數位偵測器配置為累積通過該透鏡的一累積的光的一強度的一度量，該累積的光從該顆粒散射，該累積的光包含來自該第一雷射射束和該第二雷射射束的光。
  2. 如請求項1所述之用於使一顆粒成像的系統，包含： 一雷射終結器，設置在該第一雷射射束的一路徑和該第二雷射射束的一路徑中，該雷射終結器配置為中斷該第一雷射射束和該第二雷射射束的該等路徑。
  3. 如請求項1所述之用於使一顆粒成像的系統，包含： 一封裝區段，具有用於接收該顆粒的一入口和用於允許該顆粒通過該出口離開該封裝區段的一出口。
  4. 如請求項3所述之用於使一顆粒成像的系統，包含： 一射束移位器，設置在該雷射源與該封裝區段之間，該射束移位器配置為使該第一雷射射束與該第二雷射射束移位。
  5. 如請求項3所述之用於使一顆粒成像的系統，包含： 一射束移位器，在該封裝區段內側，該射束移位器配置為使該第一雷射射束與該第二雷射射束移位。
  6. 如請求項3所述之用於使一顆粒成像的系統，包含： 一射束移位器，設置在該雷射源與該封裝區段之間，該射束移位器配置為使該第一雷射射束與該第二雷射射束移位；及 一聚焦透鏡，設置在該雷射源和該封裝區段之間。
  7. 如請求項6所述之用於使一顆粒成像的系統，其中該聚焦透鏡配置為使該第二雷射射束與該第一雷射射束偏振約90度。
  8. 如請求項1所述之用於使一顆粒成像的系統，其中該第二雷射射束從該第一束的方向偏移，並且該第二雷射射束相對於該第一射束的偏振藉由一射束移位器以約90度偏振。
  9. 如請求項1所述之用於使一顆粒成像的系統，包含： 一封裝區段，配置為接收該第一雷射射束和該第二雷射射束； 一第一反射器，配置為反射該第一雷射射束；及 一雷射終結器，配置為中斷該第二雷射射束的一路徑。
  10. 如請求項1所述之用於使一顆粒成像的系統，包含： 一封裝區段，配置為接收該第一雷射射束和該第二雷射射束；及 一雷射終結器，配置為中斷該第一雷射射束和該第二雷射射束的一路徑。
  11. 如請求項1所述之用於使一顆粒成像的系統，包含： 一封裝區段，配置為接收該第一雷射射束和該第二雷射射束； 一射束移位器，配置為使該第一雷射射束與該第二雷射射束移位；及 一雷射終結器，配置為中斷該第二雷射射束的一路徑。
  12. 如請求項1所述之用於使一顆粒成像的系統，包含： 一射束移位器，配置為產生第二雷射射束並使該第一雷射射束與該第二雷射射束移位；其中第二雷射射束的一偏振相對於第一雷射射束移位器的一偏振旋轉約90度。
  13. 一種顆粒成像系統，包含： 一第一成像裝置，包括： 一透鏡；及 一數位偵測器； 一封裝區段，包括配置成接收多個顆粒的一入口和配置成允許多個顆粒離開該封裝區段的一出口；及 一雷射源，配置為發射一第一雷射射束和一第二雷射射束，其中該數位偵測器配置為累積通過該透鏡的一累積的光的一強度的一度量，該累積的光從該顆粒散射並且含有來自該第一雷射射束和該第二雷射射束的光。
  14. 如請求項13所述之顆粒成像系統，包含： 一射束移位器，設置在該雷射源與該封裝區段之間，該射束移位器配置為使該第一雷射射束與該第二雷射射束移位。
  15. 如請求項13所述之顆粒成像系統，包含： 一射束移位器，設置在該封裝區段內側，該射束移位器配置為使該第一雷射射束與該第二雷射射束移位。
  16. 如請求項13所述之顆粒成像系統，包含： 一射束移位器，設置在該雷射源與該封裝區段之間，該射束移位器配置為使該第一雷射射束與該第二雷射射束移位；及 一聚焦透鏡，設置在該雷射源和該封裝區段之間。
  17. 如請求項13所述之顆粒成像系統，其中該第二雷射射束與該第一雷射射束偏振約90度。
  18. 一種確定顆粒尺寸的方法，包含以下步驟： 從一雷射源發射一第一雷射射束和一第二雷射射束； 將該第二雷射射束與該第一雷射射束分開一定距離；及 使該第一雷射射束穿過該封裝區段，該封裝區段配置為允許一顆粒從中流過； 累積穿過一成像裝置的一透鏡的一第一光的一第一強度的一第一度量，該第一光從穿過該第一雷射射束的一顆粒散射； 累積穿過該成像裝置的該透鏡的一第二光的一第二強度的一第二度量，該第二光從穿過該第二雷射射束的該顆粒散射；及 基於該第一度量和該第二度量分類一顆粒尺寸。
  19. 如請求項18所述之確定顆粒尺寸的方法，進一步包含以下步驟： 使該第二雷射射束與該第一雷射射束偏振約90度。
  20. 如請求項18所述之確定顆粒尺寸的方法，進一步包含以下步驟： 一旦該第一雷射射束通過一射束移位器之後，使該第二雷射射束與該第一雷射射束移位一定距離。
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