TW202346835A - 增強的雙遍次及多遍次粒子偵測 - Google Patents

增強的雙遍次及多遍次粒子偵測 Download PDF

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Abstract

一種粒子偵測系統可包含一光源、一第一光束分離器、一粒子訊問區、一反射表面、一第二光束分離器、一第一光電偵測器及一第二光電偵測器。該第一光束分離器可經組態以將源光束分離成一訊問光束及一參考光束。該粒子訊問區可安置於該訊問光束之路徑中。該反射表面可經組態以將該訊問光束反射回其自身。該第二光束分離器可經組態以：(i)接收該參考光束及來自與該粒子訊問區中之該訊問光束相互作用之一或多個粒子之側散射光；及(ii)產生一第一分量光束及第二分量光束。該第一光電偵測器可經組態以偵測該第一分量光束。該第二光電偵測器可經組態以偵測該第二分量光束。

Description

增強的雙遍次及多遍次粒子偵測
要求潔淨室條件之技術之發展已導致對愈來愈小粒子之偵測及特性化的需求。例如，微電子鑄造廠追求偵測尺寸小於20 nm，且在一些情況下尺寸小於10 nm之粒子，因為其等可影響日益敏感的製造程序及產品。類似地，對於製造藥物及生物材料之無菌處理條件之需求需要對存活及不能存活的粒子進行準確特性化，以解決與健康及人類安全有關之合規標準。
通常，此等行業依靠光學粒子計數器用於偵測及特性化小粒子。偵測較小粒子之能力需要光學粒子計數之新方法，諸如採用增加雷射功率、更短激發波長及更複雜技術(諸如凝結核計數)之系統，此繼而可顯著增加用於偵測奈米級粒子之裝置之成本及總體複雜性。此等新方法亦可能需要更頻繁的校準及維護以提供必要的可靠性及再現性。
此項技術中已知各種光學粒子計數器，例如，在美國專利第7,916,293號中提供散射光光學粒子計數器，且在美國專利第7,746,469號、第9,983,113號、第10,416,069號、美國專利公開案第2019/0277745號及US 20170176312，以及PCT國際公開案WO 2019/082186中提供透射/消光粒子計數器(包含利用結構化之光束及/或干涉量測之彼等)。此等參考文獻之各者全部併入本文且具體而言用以繪示對小粒子之偵測及特性化有用之粒子計數器系統組件及組態。
自前文可見，此項技術中需要提供具有小粒子尺寸之增強之光學感測粒子之系統及方法。
本發明係關於粒子之偵測。提供用於粒子之偵測之系統及方法，該等系統及方法展現增強的信雜比。
在一項實施例中，一種粒子偵測系統包括：一光源，其提供電磁輻射之一源光束；一第一光束分離器，其經組態以將該源光束分離成一訊問光束及一參考光束；一粒子訊問區，其安置於該訊問光束之路徑中，該粒子訊問區包含粒子；一反射表面，其經組態以將該訊問光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大光束；一第二光束分離器；一第一光電偵測器，其經組態以偵測第一分量光束；及一第二光電偵測器，其經組態以偵測第二分量光束。該第二光束分離器可經組態以：(i)接收該參考光束及經由與該粒子訊問區中之該訊問光束相互作用之一或多個粒子產生之一側散射光束；及(ii)產生一第一分量光束及第二分量光束。
在一項實施例中，該經放大光束包括相干光。
在一項實施例中，該第一光電偵測器經組態以產生一第一信號，且該第二光電偵測器經組態以產生一第二信號，該系統經組態以基於該等第一及第二信號產生一差分信號。
在一項實施例中，該第一分量光束包括該側散射光束之一第一分量及該參考光束之一第一分量，且該第二分量光束包括該側散射光束之一第二分量及該參考光束之一第二分量。
在一項實施例中，該參考光束可穿過一中性密度濾光器，以衰減該光束強度，以便增加偵測器平面處之干涉條紋之可見度，使得增強信雜比。
在一項實施例中，該等訊問光束及參考光束經s偏光。
在一項實施例中，該系統包含定位於該光源與該反射表面之間以防止或減少至該光源之光學回饋之一光學隔離器。在一項實施例中，該系統包含在該反射表面與該粒子訊問區之間安置於該訊問光束之該路徑中之一聚焦透鏡。
在一項實施例中，該反射表面係一平面鏡之一表面。在一項實施例中，該反射表面係一凹面鏡之一表面。
在一項實施例中，該散射光束及該參考光束經組態用於零差干涉量測偵測。
在一項實施例中，該散射光束及該參考光束經組態用於外差干涉量測偵測。在一項實施例中，該系統包含經組態以使該參考光束之頻率偏移之第一及第二聲光調變器。在一項實施例中，該第一分量光束係由相對於該第二分量光束之 之一相位偏移特性化。
在一項實施例中，一種粒子偵測系統包含：一光源，其提供電磁輻射之一光束；一粒子訊問區，其安置於該光束之路徑中，該粒子訊問區包含粒子；一反射表面，其經組態以將該光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大光束；及一光電偵測器，其經組態以偵測經由與該粒子訊問區中之該光束相互作用之一或多個粒子產生之一側散射光束。
在一項實施例中，該經放大光束包括相干光。在一項實施例中，一聚焦透鏡可在該反射表面與該粒子訊問區之間安置於該光束之該路徑中。在一項實施例中，一光學隔離器可定位於該光源與該反射表面之間以防止或減少至該光源之光學回饋。
在一項實施例中，一種粒子偵測系統包含：一光源，其提供電磁輻射之一源光束；一或多個光學元件，其等經組態以將該源光束轉換成一訊問光束；一粒子訊問區，其安置於該訊問光束之路徑中，該粒子訊問區包含粒子；一第一反射表面，其經組態以將該訊問光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大訊問光束；一第二反射表面，其經組態以將一第一側散射光束朝向一光電偵測器反射，該第一側散射光束經由與該粒子訊問區中之該訊問光束相互作用之一或多個粒子產生，該光電偵測器經組態以偵測以下之一組合：該第一側散射光束；及一第二側散射光束，該第二側散射光束經由與該粒子訊問區中之該訊問光束相互作用之一或多個粒子產生。
在一項實施例中，該第二反射表面經組態以將該第一側散射光束反射回穿過該訊問區。在一項實施例中，該第二反射表面經組態以將該第一側散射光束反射回其自身以產生一經放大側散射光束。在一項實施例中，該第一側散射光束及該第二側散射光束係在相反方向上散射。在一項實施例中，該第一側散射光束及該第二側散射光束係在正交方向上散射。在一項實施例中，該經放大訊問光束包括相干光。
在一項實施例中，該系統包含定位於該光源與該反射表面之間以防止或減少至該光源之光學回饋之一光學隔離器。在一項實施例中，該系統包含在該反射表面與該粒子訊問區之間安置於該訊問光束之該路徑中之一第一聚焦透鏡。
在一項實施例中，該第一反射表面係一平面鏡之一表面。在一項實施例中，該第二反射表面係一平面鏡之一表面。在一項實施例中，該第一反射表面係一凹面鏡之一表面。在一項實施例中，該第二反射表面係一凹面鏡之一表面。在一項實施例中，該系統包含在該第二反射表面與該粒子訊問區之間安置於該第一側散射光束之路徑中之一第二聚焦透鏡。
在一項實施例中，一種粒子偵測系統包含：一光源，其提供電磁輻射之一源光束；一第一光束分離器，其經組態以將該源光束分離成一訊問光束及一參考光束；一粒子訊問區，其安置於該訊問光束之路徑中，該粒子訊問區包含粒子；一第一反射表面，其經組態以將該訊問光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大訊問光束；一第二反射表面，其經組態以將一第一側散射光束朝向一第二光束分離器反射，該第一側散射光束經由與該粒子訊問區中之該訊問光束相互作用之一或多個粒子產生；一第一光電偵測器，其經組態以偵測第一分量光束；及一第二光電偵測器，其經組態以偵測第二分量光束。該第二光束分離器可經組態以：(i)接收該參考光束及該第一側散射光束與一第二側散射光束之一組合，該第二側散射光束經由與該粒子訊問區中之該訊問光束相互作用之一或多個粒子產生；及(ii)產生一第一分量光束及一第二分量光束。
在一項實施例中，該第一分量光束包括該側散射光束之一第一分量及該參考光束之一第一分量；且該第二分量光束包括該側散射光束之一第二分量及該參考光束之一第二分量。
在一項實施例中，該第二反射表面經組態以將該第一側散射光束反射回穿過該訊問區。在一項實施例中，該第二反射表面經組態以將該第一側散射光束反射回其自身以產生一經放大側散射光束。
在一項實施例中，該第一側散射光束及該第二側散射光束係在相反方向上散射。在一項實施例中，該第一側散射光束及該第二側散射光束係在正交方向上散射。
在一項實施例中，該經放大訊問光束包括相干光。
在一項實施例中，該系統包含定位於該光源與該反射表面之間以防止或減少至該光源之光學回饋之一光學隔離器。在一項實施例中，該系統包含在該反射表面與該粒子訊問區之間安置於該訊問光束之該路徑中之一第一聚焦透鏡。
在一項實施例中，該第一反射表面係一平面鏡之一表面。在一項實施例中，該第二反射表面係一平面鏡之一表面。在一項實施例中，該第一反射表面係一凹面鏡之一表面。在一項實施例中，該第二反射表面係一凹面鏡之一表面。
在一項實施例中，該系統包含在該第二反射表面與該粒子訊問區之間安置於該第一側散射光束之路徑中之一第二聚焦透鏡。
在一項實施例中，該散射光束及該參考光束經組態用於零差干涉量測偵測。
在一項實施例中，該散射光束及該參考光束經組態用於外差干涉量測偵測。在一項實施例中，該系統包含經組態以使該參考光束之頻率偏移之第一及第二聲光調變器。在一項實施例中，該第一分量光束係由相對於該第二分量光束之 之一相位偏移特性化。
在一項實施例中，該參考光束之強度係用安置於該等第一及第二光束分離器之間的一光束衰減器衰減。
在一項實施例中，一種粒子偵測系統包括：一光源，其提供電磁輻射之一光束；一粒子訊問區，其安置於該光束之路徑中，該粒子訊問區包含粒子；第一及第二反射表面，其等安置於該粒子訊問區之相對側上，其中該等第一及第二反射表面經組態使得每次該光束反射離開該等反射表面之一各自者，該光束以與該光束接近該各自反射表面之一角度不平行之一角度反射；及一光電偵測器，其經組態以偵測經由與該粒子訊問區中之該光束相互作用之一或多個粒子產生之一側散射光束。
在一項實施例中，該第一反射表面具有一第一對稱軸且該第二反射表面具有一第二對稱軸，且其中該等第一及第二反射表面經定向使得在該光束進入該訊問區時，該第一對稱軸、該第二對稱軸或兩者不平行於該光束。
在一項實施例中，該光束接近該各自反射表面之該角度與該光束反射離開該各自反射表面之該角度之間的差係2度或更小。
在一項實施例中，該第一反射表面、該第二反射表面或兩者係朝向該粒子訊問區呈凹面。在一項實施例中，一第一孔徑安置於該第一反射表面中且一第二孔徑安置於該第二反射表面中。在一項實施例中，該等第一及第二孔徑安置於該第一反射表面中。在一項實施例中，該等第一及第二反射表面具有大於99%之一反射率。
在一項實施例中，該等第一及第二反射表面經組態使得對於每次該光束穿過該粒子訊問區，該光束具有光束腰(waist)，各遍歷(traverse)之該光束腰在該訊問區中重疊。
在一項實施例中，一種粒子偵測方法包含：產生電磁輻射之一源光束；將該源光束分離成一訊問光束及一參考光束；將該訊問光束引導朝向一粒子訊問區；使該訊問光束穿過該粒子訊問區；將該訊問光束反射回穿過該訊問區；經由該訊問光束與該粒子訊問區中之粒子之相互作用產生一側散射光束；將該側散射光束與該參考光束組合並自其產生一第一分量光束及一第二分量光束；偵測該第一分量光束；及偵測該第二分量光束。
在一項實施例中，該反射步驟包括將該訊問光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大光束。在一項實施例中，該經放大光束包括相干光。
在一項實施例中，該方法包含：產生與該第一分量光束相關之一第一信號；產生與該第二分量光束相關之一第二信號；及基於該等第一及第二信號產生一差分信號。
在一項實施例中，該第一分量光束包括該側散射光束之一第一分量及該參考光束之一第一分量，且該第二分量光束包括該側散射光束之一第二分量及該參考光束之一第二分量。
在一項實施例中，該方法包含使該源光束穿過定位於該光源與該反射表面之間以防止或減少至該光源之光學回饋之一光學隔離器。
在一項實施例中，該方法包含使該參考光束之頻率偏移。在一項實施例中，該第一分量光束係由相對於該第二分量光束之 之一相位偏移特性化。
在一項實施例中，一種粒子偵測方法包含：產生電磁輻射之一光束；將該光束引導朝向一粒子訊問區，該粒子訊問區包含粒子；使該光束穿過該粒子訊問區；將該光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大光束；及經由一光電偵測器偵測側散射光，該側散射光經由與該粒子訊問區中之該經放大光束相互作用之一或多個粒子產生。
在一項實施例中，一種粒子偵測方法包含：產生電磁輻射之一訊問光束；將該訊問光束引導朝向一粒子訊問區，該粒子訊問區包含粒子；使該訊問光束穿過該粒子訊問區；將該訊問光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大訊問光束；經由與該粒子訊問區中之該經放大訊問光束相互作用之一或多個粒子產生一第一側散射光束及一第二側散射光束；組合該等第一及第二側散射光束；及偵測該等經組合之第一及第二散射光束。
在一項實施例中，該組合步驟包括將該第一側散射光束反射回穿過該粒子訊問區。
在一項實施例中，該第一側散射光束及該第二側散射光束係在相反方向上散射。在一項實施例中，該第一側散射光束及該第二側散射光束係在正交方向上散射。在一項實施例中，該經放大訊問光束包括相干光。
在一項實施例中，一種粒子偵測方法包含：產生電磁輻射之一訊問光束；將該訊問光束引導朝向一粒子訊問區，該粒子訊問區包含粒子；使該訊問光束穿過該粒子訊問區；將該訊問光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大訊問光束；經由與該粒子訊問區中之該經放大訊問光束相互作用之一或多個粒子產生一第一側散射光束及一第二側散射光束；將該第一側散射光束與該第二側散射光束組合以產生一經放大側散射光束；將該經放大側散射光束與該參考光束組合並自其產生一第一分量光束及一第二分量光束；偵測該第一分量光束；及偵測該第二分量光束。
在一項實施例中，該第一分量光束包括該經放大側散射光束之一第一分量及該參考光束之一第一分量；且該第二分量光束包括該經放大側散射光束之一第二分量及該參考光束之一第二分量。
在一項實施例中，將該第一側散射光束與該第二側散射光束組合以產生一經放大側散射光束之該步驟包括將該第一側散射光束反射回穿過該粒子訊問區。在一項實施例中，該第二反射表面經組態以將該第一側散射光束反射回其自身。
在一項實施例中，該方法包含產生與該第一分量光束相關之一第一信號；產生與該第二分量光束相關之一第二信號；及基於該等第一及第二信號產生一差分信號。
在一項實施例中，該方法包含經由一第一及一第二聲光調變器使該參考光束之頻率偏移。在一項實施例中，該第一分量光束係由相對於該第二分量光束之 之一相位偏移特性化。
在一項實施例中，該第一側散射光束及該第二側散射光束係在相反方向上散射。在一項實施例中，該第一側散射光束及該第二側散射光束係在正交方向上散射。
在一項實施例中，該經放大訊問光束包括相干光。
在一項實施例中，該粒子偵測系統可為一雙遍次系統。
在一項實施例中，該粒子偵測系統可為一多遍次系統。
在一項實施例中，該光源係一固態雷射。在一項實施例中，該光源係一雷射二極體或雷射振盪器。在一項實施例中，該光源係連續雷射。在一項實施例中，該光源係脈衝雷射。
在一項實施例中，該系統包括複數個光源。
在一項實施例中，該光源提供具有選自0.01 W至200 W之範圍之一輻射功率之光。在一項實施例中，該光源提供具有選自範圍160 nm至1500 nm之一輻射波長之光。
本發明之系統及方法提供流動流體中之粒子之偵測，包含一流體流中之單一粒子之偵測、計數及定大小。在一實施例中，流體係一液體或一氣體。在一實施例中，系統係用於偵測液體化學品中之粒子。在一實施例中，系統係用於偵測超純水中之粒子。在一實施例中，系統係用於偵測高壓氣體中之粒子。在一實施例中，系統係用於偵測空氣中之粒子。在一實施例中，系統係用於偵測表面上之粒子。
在一項實施例中，該參考光束係一零差干涉量測參考光束。
在一項實施例中，該參考光束係一外差干涉量測參考光束。
在一項實施例中，一種粒子偵測方法包括：產生電磁輻射之一光束；將該光束引導朝向一粒子訊問區，該粒子訊問區包含粒子；使該光束穿過或經過一第一反射表面；使該光束穿過該粒子訊問區並至一第二反射表面上；經由該第二反射表面將該光束反射回穿過該粒子訊問區，其中該光束以與該光束接近該第二反射表面之一角度不平行之一角度反射；經由該第一反射表面將該光束反射回穿過該粒子訊問區，其中該光束以與該光束接近該第一反射表面之一角度不平行之一角度反射；及偵測經由與該粒子訊問區中之該光束相互作用之一或多個粒子產生之側散射光。
在一項實施例中，該方法包括使該光束穿過該第二反射表面之一孔徑。在一項實施例中，該孔徑係該第一反射表面之一第一孔徑，該方法包括使該光束穿過該第一反射表面之一第二孔徑。在一項實施例中，該第一反射表面具有一第一對稱軸且該第二反射表面具有一第二對稱軸，且其中該等第一及第二反射表面經定向使得在該光束進入該訊問區時，該第一對稱軸、該第二對稱軸或兩者不平行於該光束。
在一項實施例中，該光束接近該第一反射表面之該角度與該光束反射離開該第一反射表面之該角度之間的差係2度或更小。該光束接近該第二反射表面之該角度與該光束反射離開該第二反射表面之該角度之間的差係2度或更小。在一項實施例中，該第一反射表面、該第二反射表面或兩者係朝向該粒子訊問區呈凹面。
在一項實施例中，該等第一及第二反射表面具有大於99%之一反射率。在一項實施例中，該等第一及第二反射表面經組態使得對於每次該光束穿過該粒子訊問區，該光束具有光束腰，各遍歷之該光束腰在該訊問區中重疊。在一項實施例中，該方法包含使該光束穿過該第一反射表面之一孔徑。
在不希望受任何特定理論束縛之情況下，本文中可論述對與本文中所揭示之裝置及方法有關之基本原理之信念或理解。應認識到，無論任何機械學解釋或假設之最終正確性如何，本發明之一實施例仍可為可操作及有用的。
相關申請案之交叉參考本申請案主張於2022年1月21日申請之美國臨時專利申請案第63/301,615號之優先權利，該案之全文以引用的方式併入本文。
在以下描述中，闡述本發明之裝置、裝置組件及方法之數種具體細節以便提供對本發明之精確性質之透徹解釋。然而，熟習此項技術者將明白，可在沒有此等具體細節的情況下實踐本發明。
習知干涉量測粒子偵測系統通常基於零差或外差偵測技術。在兩種技術中，散射之弱信號係與一強參考光束組合且用一光電偵測器分析干涉圖案之強度。在零差偵測中，信號及參考光束之頻率係相同的，而在外差中，參考光束之頻率係經由一或多個聲光調變器(AOM)相對於信號偏移。在習知干涉量測粒子偵測中，系統係單遍次系統且因此可遭受低信雜比，尤其是當處理非常小的粒子(例如，大約20 nm)時。
圖2A至圖2B展示零差(圖1A)及外差(圖1B)雙遍次偵測系統之實施例。雙遍次組態可顯著提高信雜比，從而容許小粒子之經改良準確度及較佳偵測。
現參考圖1A，展示一雙遍次零差粒子偵測系統20。系統20包含產生一源光束230之一雷射光源200。視需要，源光束230可穿過一隔離器202。隔離器202可用於減少或消除至雷射中之有害光學回饋。
一第一光束分離器204將源光束分離成一訊問光束232及一參考光束234。訊問光束232可穿過聚焦光束之一透鏡206。訊問光束232接著穿過訊問區208，在訊問區208處，訊問光束232係由透鏡210收集且被反射離開平面鏡211。訊問光束232接著再一次由透鏡210收集且返回穿過訊問區208。因此，訊問光束經由鏡211反射回其自身。
系統可經組態使得，在訊問區208之中心，第一次穿過訊問區208之訊問光束232與在相反方向上行進之經反射訊問光束相長干涉。因此，經放大訊問光束可包括相干光。流體中之一或多個粒子穿過訊問區208中之經放大訊問光束232之焦點且產生一散射信號236。
歸因於上文描述之雙遍次組態，訊問光束232之功率係在訊問區208中放大，從而導致針對一給定雷射功率之更多散射光及較佳粒子偵測。
散射信號236接著係用一高NA收集透鏡214收集，經準直且接著經由(例如)鏡212引導至一第二光束分離器218。參考光束234在光束分離器218之表面處與散射信號236混合。光束分離器218將參考光束234及散射信號236之組合分離成一第一分量光束238及第二分量光束239。第一分量光束238係由透鏡222收集且聚焦於一第一光電偵測器224上。第二分量光束239係由透鏡220收集且聚焦於一第二光電偵測器216上。基於第一光電偵測器224及第二光電偵測器216之信號產生一差分信號226。
在一項實施例中，可藉由向各偵測器發送相同或相似的光功率來增強差分信號。在一項實例中，光束分離器218係一50:50光束分離器。此外或替代性地，在一些實施例中，可調整一或兩個偵測器上之電子增益位準，使得所得信號實現良好的背景相減。
在一項實施例中，可使參考光束穿過一中性密度濾光器以衰減光束強度。此可增加偵測器平面處之干涉條紋之可見度，使得增強信雜比。
現參考圖1B，展示一雙遍次外差粒子偵測系統22。系統22具有與系統20相似之許多組件，然而，系統22包含兩個聲光調變器(AOM) 250、252。AOM用於使參考光束234之頻率相對於散射信號236偏移。在一項實施例中，第一分量光束238係藉由相對於第二分量光束239之 之一相位偏移特性化。
如圖2A至圖2B中所展示，可用透鏡210與一凹面鏡260之一組合來實施雙遍次組態，以增加系統平面鏡211之穩定性。展示一零差系統24 (圖2A)及一外差系統26 (圖2B)兩者。鏡260之曲率半徑可與聚焦透鏡210之NA對準。
如圖3A至圖3B中所展示，在一些實施例中，可移除透鏡210且可用凹面鏡260實施雙遍次組態。展示一零差系統28 (圖3A)及一外差系統29 (圖3B)兩者。
現參考圖4，展示雙遍次干涉量測偵測之一項實施例之一示意性圖解。在方法30中，步驟300包括產生電磁輻射之一源光束。接下來，可在步驟310中將該源光束分離成一訊問光束及一參考光束。可在步驟320中使該訊問光束穿過粒子訊問區。回應於步驟320，可在步驟330中將訊問光束反射回穿過粒子訊問區。訊問光束可在粒子訊問區中與其自身相長干涉。可在步驟320及330中經由訊問光束與粒子訊問區中之一粒子之相互作用產生側散射光。可在步驟340及350中產生一第一分量光束及一第二分量光束。接著可在步驟360中基於偵測第一及第二分量光束340、350而產生一差分信號。
在一些實施例中，替代性地或除了上文論述之特徵之外，系統可經組態以放大側散射信號。例如，圖5展示根據本發明之一雙遍次、放大側散射、零差干涉量測偵測系統之一項實施例。圖5之系統具有與上文論述之特徵相同之許多特徵。此外，圖5之系統包含一第二平面鏡213及一聚焦透鏡207。穿過訊問區208之一或多個粒子可與經放大訊問光束232相互作用且產生一第一側散射光束237及第二側散射光束236。第一側散射光束可由透鏡207收集並聚焦於鏡213上，鏡213繼而可將第一側散射光束237反射回穿過訊問區208，在訊問區208處，第一側散射光束237可與第二側散射光束236組合。經組合之第一及第二側散射光束接著可穿過透鏡214至光束分離器218。光束分離器218接著可自參考光束234及經組合之側散射光束237、236產生第一分量光束238及第二分量光束239。如上文所描述，可經由偵測器216及224產生一差分信號226。
參考圖6，展示一雙遍次、放大側散射、外差干涉量測偵測系統之一項實施例。圖6之系統類似於圖5之系統，惟圖6之外差干涉量測偵測系統包含兩個聲光調變器(AOM) 250、252除外。AOM用於使參考光束234之頻率相對於散射信號236、237偏移。
在一些實施例中，在非干涉量測粒子偵測系統中可採用雙散射光束收集系統及方法。圖7至圖9展示非干涉量測雙散射粒子偵測系統之實例。參考圖7，所繪示系統包含與上文描述之特徵相同之許多特徵，然而，該系統缺乏干涉量測特徵(諸如用於將一參考光束與訊問光束分離之一光束分離器)。如圖7中所展示，藉由雷射200產生一光束230。使光束230穿過隔離器202及透鏡206以將光束聚焦於粒子訊問區208中。藉由平面鏡211及透鏡210將光束230反射回穿過粒子訊問區。反射光束230可被反射回其自身且經組態以在光束第一次穿過粒子訊問區時與光束相長干涉。因此，如上文所描述，在粒子訊問區中放大光束230。圖7之系統進一步包含透鏡207及平面鏡213，其等用於聚焦一第一側散射光束270並將第一側散射光束270反射回穿過粒子訊問區，在粒子訊問區處，第一側散射光束270可連同一第二側散射光束272一起由透鏡214收集且由偵測器225偵測。
參考圖8，所繪示系統包含與上文參考圖7所描述之特徵相同之許多特徵，惟代替平面鏡，凹面鏡265及266分別經組態以將光束230及第一側散射光束270反射回穿過粒子訊問區除外。
參考圖9，所繪示系統包含與上文參考圖8所描述之特徵相同之許多特徵，惟消除透鏡207及210除外。
現參考圖10，繪示一多遍次系統之一項實施例。所繪示實施例包含藉由一光源(未展示)產生之電磁輻射400之一光束。光束400經由一第一反射表面410中之一第一孔徑411進入粒子訊問區420。光束第一次穿過粒子訊問區420且接著在第二次穿過粒子訊問區420之前反射離開第二反射表面415。光束接著反射離開第一反射表面410且第三次穿過粒子訊問區。在所繪示實施例中，第二反射表面具有不平行於進入粒子訊問區之光束之一對稱軸430。因此，每次光束反射離開反射表面之一者，光束以與光束接近各自反射表面之角度不平行之一角度反射。光束可在經由第二反射表面415中之一第二孔徑412射出之前來回反射穿過粒子訊問區420預定次數。光束接著可經引導至一光束收集器(beam dump)。
粒子在正交於光束之一方向上(在圖10之實施例中進出頁面)流動通過粒子訊問區420。經由與粒子訊問區中之光束相互作用之一或多個粒子產生側散射光。側散射光係經由光電偵測器225偵測。
在其他實施例中，第二孔徑412可安置於第一反射表面410中且與第一孔徑411間隔開。
在又其他實施例中，反射表面可不具有任何孔徑，且光束可經引導穿過第一反射表面之邊緣且至第二反射表面上，接著反射至第一反射表面上。光束可在兩個反射表面之間來回反射，從而在被引導穿過反射表面之一者之邊緣之前跨反射表面「行走」預定次數。替代性地，系統可具有一個孔徑，以容許光束進入或射出粒子訊問區。 實例 1 習知單遍次側散射偵測與雙遍次側散射偵測之比較研究
執行一比較研究以測試一雙遍次側散射粒子偵測系統與一習知單遍次粒子偵測系統之粒子偵測效能。對於兩個系統，雷射功率、粒子分佈、粒子類型、粒子濃度及樣本流體係相同的。結果係在圖11A (習知單遍次系統)及圖11B (雙遍次系統)中展示。圖11A至圖11B之圖表在Y軸上展示粒子之數目且在X軸上展示與粒子大小相關之偵測器信號振幅。雙遍次系統偵測到每分鐘總共5203個粒子，每分鐘2450個粒子之單遍次系統的兩倍多。此外，在較小粒子尺寸下，雙遍次組態之益處尤其明顯。 關於以引用的方式併入之陳述及變動
貫穿本申請案之所有參考文獻(例如，包含已發佈或授予之專利或等效物之專利文件；專利公開申請案；及非專利文獻文件或其他源材料)，在各參考文獻與本申請案中之揭示內容至少部分不一致之範圍內，全部以引用的方式併入本文，如同以引用的方式個別併入般(例如，部分不一致之一參考文獻以引用的方式併入，惟該參考文獻之部分不一致部分除外)。
本文中已採用之術語及表述係用作描述而非限制性術語，且在使用此等術語及表述時無意排除所展示及描述之特徵或其部分之任何等效物，但應認識到，在所主張之本發明之範疇內，各種修改係可能的。因此，應理解，儘管本發明已由較佳實施例、例示性實施例及選用特徵具體揭示，但熟習此項技術者可採取本文中揭示之概念之修改及變動，且此等修改及變動被視為在如由隨附發明申請專利範圍定義之本發明之範疇內。本文中提供之特定實施例係本發明之有用實施例之實例且熟習此項技術者將明白，本發明可使用在本發明描述中闡述之裝置、裝置組件及方法步驟之大量變動來實行。如熟習此項技術者將明白，對本發明方法有用之方法及裝置可包含大量選用組合物及處理元件及步驟。
如在本文中及隨附發明申請專利範圍中所使用，除非上下文另有清楚地規定，否則單數形式「一(a/an)」及「該」包含複數個參照物。因此，例如，對「一單元」之引用包含熟習此項技術者已知之複數個此類單元及其等效物。此外，術語「一(a)」(或「一(an)」)、「一或多個」及「至少一個」可在本文中互換使用。亦應注意，術語「包括」、「包含」及「具有」可互換使用。表述「請求項XX至YY中任一項之」(其中XX及YY係指請求項編號)旨在以替代形式提供一多重附屬請求項，且在一些實施例中可與表述「如請求項XX至YY中任一項之」互換。
除非另有說明，否則本文中描述或例示之每個裝置、系統、配方、組件之組合或方法均可用於實踐本發明。
每當本說明書中給出一範圍(例如，一溫度範圍、一時間範圍或一組合物或濃度範圍)時，所有中間範圍及子範圍以及包含於給出之範圍中之所有個別值旨在包含於本發明中。將理解，本文中之描述中包含之一範圍或子範圍中之任何子範圍或個別值可自本文中之發明申請專利範圍排除。
本說明書中提及之所有專利及公開案指示本發明所屬領域之熟習技術者之技能水平。本文中引用之參考文獻以引用的方式全部併入本文中以指示截至其出版或申請日期之技術狀態，且若需要，則預期可在本文中採用此資訊以排除先前技術中之特定實施例。例如，當主張物質組合物時，應理解，在申請人之發明之前此項技術中已知及可用之化合物(包含在本文中引用之參考文獻中對其提供致能揭示內容之化合物)並不意欲包含於本文中之物質組合物請求項中。
如本文中所使用，「包括」係與「包含」、「含有」或「由…特性化」同義，且係包含性或開放式的且並不排除額外、未敘述元件或方法步驟。如本文中所使用，「由…組成」排除請求項元素中未指定之任何元件、步驟或成分。如本文中所使用，「基本上由…組成」不排除未實質地影響發明申請專利範圍之基本及新穎特性之材料或步驟。在本文中之各例項中，術語「包括」、「基本上由…組成」及「由…組成」之任一者可用另兩個術語之任一者替換。本文中闡釋性地描述之本發明適當地可在不存在本文中未具體揭示之任何元件或若干元件、一或多個限制的情況下實踐。
一般技術者將瞭解，在本發明之實踐中，可採用除特別例示之彼等之外之起始材料、生物材料、試劑、合成方法、純化方法、分析方法、檢驗方法及生物方法，而無需採取不適當的實驗。任何此等材料及方法之所有技術已知的功能等效物旨在包含於本發明中。已採用之術語及表述係用作描述而非限制性術語，且在使用此等術語及表述時無意排除所展示及描述之特徵或其部分之任何等效物，但應認識到，在所主張之本發明之範疇內，各種修改係可能的。因此，應理解，儘管本發明已由較佳實施例及選用特徵具體揭示，但熟習此項技術者可採取本文中揭示之概念之修改及變動，且此等修改及變動被視為在如由隨附發明申請專利範圍定義之本發明之範疇內。
20:雙遍次零差粒子偵測系統/系統 22:雙遍次外差粒子偵測系統/系統 24:零差系統 26:外差系統 28:零差系統 29:外差系統 30:方法 200:雷射光源/雷射 202:隔離器 204:第一光束分離器 206:透鏡 207:聚焦透鏡 208:訊問區 210:透鏡/聚焦透鏡 211:平面鏡 212:鏡 213:第二平面鏡 214:高NA收集透鏡 216:第二光電偵測器 218:第二光束分離器 220:透鏡 222:透鏡 224:第一光電偵測器 225:偵測器/光電偵測器 226:差分信號 230:源光束/反射光束 232:訊問光束/經放大訊問光束 234:參考光束 236:散射信號/第二側散射光束 237:第一側散射光束/散射信號 238:第一分量光束 239:第二分量光束 250:聲光調變器(AOM) 252:聲光調變器(AOM) 260:凹面鏡 265:凹面鏡 266:凹面鏡 270:第一側散射光束 272:第二側散射光束 300:步驟 310:步驟 320:步驟 330:步驟 340:步驟 350:步驟 360:步驟 400:電磁輻射/光束 410:第一反射表面 411:第一孔徑 412:第二孔徑 415:第二反射表面 420:粒子訊問區 430:對稱軸
圖1A係根據本發明之一雙遍次零差干涉量測偵測系統之一項實施例之一光學示意圖。
圖1B係根據本發明之一雙遍次外差干涉量測偵測系統之一項實施例之一光學示意圖。
圖2A係根據本發明之一雙遍次零差干涉量測偵測系統之一項實施例之一光學示意圖，其展示使用一透鏡及一凹面鏡之一組合之一雙遍次組態。
圖2B係根據本發明偵測系統之一雙遍次外差干涉量測偵測系統之一項實施例之一光學示意圖，其展示使用一透鏡及一凹面鏡之一組合之一雙遍次組態。
圖3A係根據本發明之一雙遍次零差干涉量測偵測系統之一項實施例之一光學示意圖，其展示使用一凹面鏡之一雙遍次組態。
圖3B係根據本發明之一雙遍次外差干涉量測偵測系統之一項實施例之一光學示意圖，其展示使用一凹面鏡之一雙遍次組態。
圖4係用於雙遍次干涉量測偵測之一方法之一項實施例之一示意性圖解。
圖5係根據本發明之一雙遍次、放大側散射、零差干涉量測偵測系統之一項實施例之一光學示意圖。
圖6係根據本發明之一雙遍次、放大側散射、外差干涉量測偵測系統之一項實施例之一光學示意圖。
圖7係根據本發明之一雙遍次、放大側散射偵測系統之一項實施例之一光學示意圖。
圖8係根據本發明之一雙遍次、放大側散射偵測系統之一項實施例之一光學示意圖，其展示使用一透鏡及一凹面鏡之一組合之一雙遍次/放大側散射組態。
圖9係根據本發明之一雙遍次、放大側散射偵測系統之一項實施例之一光學示意圖，其展示使用凹面鏡之一雙遍次/放大側散射組態。
圖10係多遍次側散射偵測系統之一項實施例之一光學示意圖。
圖11A及圖11B展示量測相同流體中之相同粒子之一習知單遍次側散射粒子偵測器(圖11A)與本發明之一雙遍次側散射粒子偵測器(圖11B)之比較資料。 關於化合物及命名法之陳述
一般而言，本文中使用之術語及片語具有此項技術公認之含義，可藉由參考熟習此項技術者已知之標準文字、期刊參考文獻及上下文來找到。提供以下定義以闡明其在本發明之上下文中之特定用途。
「粒子」係指通常被視為污染物之小物體。一粒子可為由摩擦作用產生之任何材料，例如，當兩個表面機械接觸且存在機械移動時。粒子可由材料之聚集體組成，諸如灰塵、污物、煙霧、灰、水、煤煙、金屬、氧化物、陶瓷、礦物質或此等或其他材料或污染物之任何組合。「粒子」亦可指代生物粒子，例如，病毒、孢子及微生物，包含細菌、真菌、古菌、原生生物及其他單細胞微生物。例如，在一些實施例中，生物粒子係由在0.1 μm至15 μm之範圍內，視需要對於一些應用在0.5 μm至5 μm之範圍內之一大小尺寸(例如，有效直徑)特性化。一粒子可指代吸收、發射或散射光之一小物體，且因此可藉由一光學粒子計數器偵測。如本文中所使用，「粒子」旨在排除一載送流體(例如，水、空氣、程序液體化學品、程序氣體等)之個別原子或分子。在一些實施例中，粒子可最初存在於一表面(諸如一微製造設施中之一工具表面)上，自該表面釋放且隨後在一流體中分析。一些系統及方法能够偵測包括具有大於20 nm、30 nm、50 nm、100 nm、500 nm、1 μm或更大，或10 μm或更大之一大小尺寸(諸如有效直徑)之材料之聚焦體的粒子。本發明之一些實施例能够偵測具有選自10 nm至150 μm，視需要對於一些應用10 nm至10 μm，視需要對於一些應用10 nm至1 μm且視需要對於一些應用10 nm至0.5 μm之該範圍之一大小尺寸(諸如有效直徑)的粒子。
表述「偵測一粒子」廣義上係指感測、識別一粒子之存在，對一粒子進行計數及/或特性化一粒子，諸如相對於一大小尺寸(諸如有效直徑)特性化一粒子。在一些實施例中，偵測一粒子係指對粒子進行計數。在一些實施例中，偵測一粒子係指特性化及/或量測一粒子之一實體特性(諸如有效直徑、橫截面尺寸、形狀、大小、空氣動力學大小或此等之任何組合)。在一些實施例中，一粒子之偵測係在一流動流體(諸如具有在0.05 CFM至10 CFM，視需要對於一些應用0.1 CFM至5 CFM且視需要對於一些應用0.5 CFM至2 CFM之範圍內選擇之一體積流率之氣體)中實行。在一些實施例中，一粒子之偵測係在一流動流體(諸如具有在1毫升/分鐘至1000毫升/分鐘之範圍內選擇之一體積流率之液體)中實行。
「光學粒子計數器」或「粒子計數器」可互換使用且係指使用光學偵測來偵測粒子(通常藉由分析一流體流中之粒子)之一粒子偵測系統。光學粒子計數器包含液體粒子計數器及氣溶膠粒子計數器，例如，包含能夠偵測一流體流中之個別單粒子之系統。光學粒子計數器將電磁輻射之一光束(例如，一雷射)提供至分析區域中，在分析區域中，光束與任何粒子相互作用且接著基於來自流動池(flow cell)之散射、發射或透射之光來偵測粒子。偵測可集中於藉由粒子散射、吸收、遮蔽及/或發射之電磁輻射。此項技術中已知用於光學粒子計數器之各種偵測器，例如，包含單偵測元件(例如，光電二極體、光電倍增管等)、偵測器陣列、相機、各種偵測器定向等。光學粒子計數器包含凝結粒子計數器、凝結核計數器、分離光束差分系統及類似者。當在一凝結粒子計數器之上下文中使用時，粒子計數器部分係指偵測系統(例如，電磁輻射源、光學器件、濾光器、光學收集、偵測器、處理器等)。在一實施例中，例如，一光學粒子計數器包括用於產生電磁輻射之一光束之一源，用於將光束引導及聚焦至一流體樣本(例如，流動通過一流動池之一液體或氣體)流動之一區域中之光束操縱及/或塑形光學器件。一典型的光學粒子計數器包括一光電偵測器(諸如與該流動池光學通信之光學偵測器陣列)，及用於收集及想象藉由通過光束之粒子散射、透射或發射之電磁輻射之收集光學器件。粒子計數器可進一步包括用於藉由光電偵測器產生之電信號之讀出、信號處理及分析之電子器件及/或處理器組件，包含電流至電壓轉換器、脈衝高度分析器及信號濾波及放大電子器件。一光學粒子計數器亦可包括用於產生用於將含有粒子之一流體樣本輸送通過一流動池之偵測區域之一流(例如，用於產生藉由一體積流率特性化的一流)之一流體致動系統(諸如一泵、風扇或鼓風機)。包括一或多個氣體之樣本之有用流率包含在0.05 CFM至10 CFM，視需要對於一些應用0.1 CFM至5 CFM且視需要對於一些應用0.5 CFM至2 CFM之範圍內選擇之一流率。包括一或多個液體之樣本之有用流率包含在1毫升/分鐘至1000毫升/分鐘之範圍內選擇之一流率。
以提供統計顯著資料之一方式偵測及計數清潔及超清潔流體中之小粒子(例如，有效直徑小於100 nm)需要高信雜比(S/N)。一高S/N比容許清晰地偵測高於雜訊底限(floor)的奈米粒子。如本文中所使用，「統計顯著資料」係指每單位時間偵測足以能夠準確地評估流體中之污染位準之粒子。在一些實施例中，高S/N與定大小準確度不直接相關。例如，在一些光學粒子計數器中，光束腰佔據流動池通道之一小部分，且因此，此方法監測總流量之一子集，使得粒子可通過其中輻照度小於中心之光束之邊緣。若一50 nm粒子通過光束之外邊緣，則其可類似於通過光束之中心之一10 nm粒子般產生一信號。因此，一些光學粒子計數器具有高S/N且能夠偵測(例如) 20 nm粒子而不具有非常良好的定大小準確度係可行的。在一些目前光學粒子計數器及方法中，目標係能夠對足夠粒子進行計數以在最短時段內提供超高純度流體中之污染位凖之一定量、統計上可靠的評估。例如，當監測一最先進的超純水系統時，當前最先進的粒子計數器可能需要多達40分鐘來對足夠粒子進行計數以提供一統計上適當的濃度(可接受的相對標準偏差)量測。藉由透過本系統及方法改良及維持一高S/N，量測此最小統計上可接受的粒子計數之時間間隔可減少10倍或更多。此提供價值，因為其容許一使用者更快地識別與程序控制限制之偏差。
術語「雜訊」係指干擾一粒子偵測系統之準確度或精度之一信號(例如，一光電偵測器之一信號)之非所要修改。雜訊可源自於諸如歸因於光束之光學路徑中之材料之間的介面而引起之反向散射、歸因於光學組件之污染而引起之反向散射及/或因粒子訊問區中之流體到達雷射而引起之分子散射之源。在一些實施例中，歸因於反向散射之雜訊可導致其振幅可超過一粒子偵測臨限值之異常電子信號，從而導致粒子偵測錯誤計數。
表述「高信雜比」係指足以準確及敏感地偵測一流體流中之粒子，包含藉由一小實體尺寸(例如，小於或等於200 nm，視需要對於一些實施例小於或等於100 nm且視需要對於一些實施例小於或等於50 nm之一有效直徑)特性化之粒子的一光學粒子偵測系統之一信雜比。在一實施例中，「高信雜比」係指足夠高以感測藉由一小實體尺寸特性化之粒子(諸如具有低至20 nm之一有效直徑，視需要對於一些應用低至10 nm之一直徑且視需要對於一些應用低至1 nm之一直徑之粒子)之一信雜比。在一實施例中，「高信雜比」係指足夠高以依小於或等於50計數/升之一錯誤偵測率準確地偵測粒子及對粒子計數(例如，用於偵測具有在1 nm至1000 nm之範圍內選擇之一有效直徑之粒子)之一信雜比。在一實施例中，「高信雜比」係指足夠高以與在一習知光學粒子計數器中相比在小至少10倍之一時框內提供一最小統計上可接受的粒子計數之一信雜比。本發明之系統及方法可提供一高信雜比。
表述「粒子之干涉量測偵測」係指使用光學干涉偵測一或多個粒子之系統及方法。在一些實施例中，電磁輻射之相干光束經疊加以引起用於感測、計數及/或判定與電磁輻射之至少一部分相互作用之一粒子之一大小特性化的光學干涉。
「光束傳播軸」係指平行於電磁輻射之一光束之行進方向之一軸。
「光學通信」係指以容許光在組件之間傳送之一方式配置之組件。
「光學軸」係指電磁輻射沿著其傳播通過一系統之一方向。
「光源」係指能夠將電磁輻射遞送至一樣本之一裝置或裝置組件。術語「光」並不限於可見輻射(諸如受可見光束限制)，而是在一廣泛意義上用於包含任何電磁輻射(亦包含可見輻射、紫外線輻射及/或紅外線輻射)。光源可經體現為一雷射或雷射陣列，僅舉幾例，諸如二極體雷射、二極體雷射陣列、二極體雷射泵浦固態雷射、LED、LED陣列、氣相雷射、雷射振盪器、固態雷射。
術語「電磁輻射」及「光」在本發明中同義地使用且係指電場及磁場之波。對本發明之方法有用之電磁輻射包含(但不限於)紫外光、可見光、紅外光或具有在約100奈米至約15微米之間的波長之此等之任何組合。
術語「粒子訊問區」係指一粒子偵測系統內之其中一或多個粒子與入射光束及/或泵浦光束相互作用以散射光之一區。在一些實施例中，粒子訊問區可包括限制流動通過其之一含粒子液體之一光析槽(cuvette)及/或一流動池。在其他實施例中，一不受限制的含粒子氣體射流可流動通過粒子訊問區。在又其他實施例中，粒子訊問區可包括待針對粒子訊問之一表面。
如本文中所使用，「零差干涉量測偵測」係指干涉量測系統及方法，其中一入射光束穿過一流動池，在該流動池，該入射光束與一粒子相互作用，從而散射光，該光經收集且與相對於入射光束未經頻率偏移之一參考光束組合，其中該經組合光經由一偵測器量測。
如本文中所使用，「外差干涉量測偵測」係指干涉量測系統及方法，其中一入射光束穿過一流動池，在該流動池，該入射光束與一粒子相互作用，從而散射光，該光經收集且與相對於入射光束經頻率偏移之一參考信號組合，其中該經組合光經由一偵測器量測。
如本文中所使用，「雙遍次」係指其中一光束首先經引導至訊問區處，接著被反射回其自身(例如，經由一鏡)且隨後第二次經引導至訊問區處之組態。在訊問包括一流動池或光析槽之情況下，雙遍次係指其中一光束穿過流動池或光析槽一次，且接著被反射回穿過流動池或光析槽(例如，經由一鏡)之一組態。在其中訊問區包括待針對粒子訊問之一表面之情況下，雙遍次係指其中一光束在一表面處經引導一次，從該表面被反射回且接著被反射回該表面(例如，經由一鏡)之一組態。因此，一雙遍次組態可增加藉由一粒子散射之光之量，且因此增加一粒子偵測系統之敏感度。
如本文中所使用，「多遍次」係指其中一光束首先經引導至訊問區處，接著被反射回(例如，經由一鏡)且隨後第二次經引導至訊問區處，接著第三次被返回引導於訊問區處(例如，經由一半透明鏡)等之組態。在其中訊問包括一流動池或光析槽之情況下，多遍次係指其中一光束一次穿過流動池或光析槽，且接著被反射回穿過流動池或光析槽(例如，經由一鏡)，接著第三次被返回引導於訊問區處(例如，經由一半透明鏡或經由具有經安置使得其對稱軸在光束進入訊問區時與光束略微不平行之一或兩個鏡之一鏡系統)等之一組態。在其中訊問區包括待針對粒子訊問之一表面之情況下，多遍次係指其中一光束在一表面處經引導一次，從該表面被反射回且接著被反射回該表面(例如，經由一鏡)，第二次從表面反射，接著第三次經引導回訊問區處(例如，經由一半透明鏡)等之一組態。藉由利用一多遍次組態，一光束可與粒子訊問區中之相同粒子多次相互作用。因此，一多遍次組態可增加藉由一粒子散射之光之量，且因此增加一粒子偵測系統之敏感度。多遍次系統可經組態使得對於各遍次，粒子訊問區中出現光束之光束腰。此外，多遍次系統可經組態使得對於各遍次，粒子訊問區中出現光束之光束腰。
如本文中所使用，術語「參考光束」係指不與待偵測之粒子相互作用且視需要與另一電磁輻射源相位匹配以便產生光學干涉之一光束。
20:雙遍次零差粒子偵測系統/系統
200:雷射光源/雷射
202:隔離器
204:第一光束分離器
206:透鏡
208:訊問區
210:透鏡/聚焦透鏡
211:平面鏡
212:鏡
214:高NA收集透鏡
216:第二光電偵測器
218:第二光束分離器
220:透鏡
222:透鏡
224:第一光電偵測器
226:差分信號
230:源光束/反射光束
232:訊問光束/經放大訊問光束
234:參考光束
236:散射信號/第二側散射光束
238:第一分量光束
239:第二分量光束

Claims (89)

  1. 一種粒子偵測系統，其包括： 一光源，其提供電磁輻射之一源光束； 一第一光束分離器，其經組態以將該源光束分離成一訊問光束及一參考光束； 一粒子訊問區，其安置於該訊問光束之路徑中，該粒子訊問區包含粒子； 一反射表面，其經組態以將該訊問光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大光束； 一第二光束分離器，其經組態以： (i)接收該參考光束及經由與該粒子訊問區中之該訊問光束相互作用之一或多個粒子產生之一側散射光束；及 (ii)產生一第一分量光束及第二分量光束； 一第一光電偵測器，其經組態以偵測該第一分量光束；及 一第二光電偵測器，其經組態以偵測該第二分量光束。
  2. 如請求項1之系統，其中該經放大光束包括相干光。
  3. 如請求項1至2中任一項之系統，其中該第一光電偵測器經組態以產生一第一信號，且該第二光電偵測器經組態以產生一第二信號，該系統經組態以基於該等第一及第二信號產生一差分信號。
  4. 如請求項1至3中任一項之系統，其中： 該第一分量光束包括該側散射光束之一第一分量及該參考光束之一第一分量；且 該第二分量光束包括該側散射光束之一第二分量及該參考光束之一第二分量。
  5. 如請求項1至4中任一項之系統，其包括定位於該光源與該反射表面之間以防止或減少至該光源之光學回饋之一光學隔離器。
  6. 如請求項1至5中任一項之系統，其包括在該反射表面與該粒子訊問區之間安置於該訊問光束之該路徑中之一聚焦透鏡。
  7. 如請求項1至6中任一項之系統，其中該反射表面係一平面鏡之一表面。
  8. 如請求項1至6中任一項之系統，其中該反射表面係一凹面鏡之一表面。
  9. 如請求項1至8中任一項之系統，其中該散射光束及該參考光束經組態用於零差干涉量測偵測。
  10. 如請求項1至8中任一項之系統，其中該散射光束及該參考光束經組態用於外差干涉量測偵測。
  11. 如請求項10之系統，其包括經組態以使該參考光束之頻率偏移之第一及第二聲光調變器。
  12. 如請求項10至11中任一項之系統，其中該第一分量光束係由相對於該第二分量光束之 之一相位偏移特性化。
  13. 一種粒子偵測系統，其包括： 一光源，其提供電磁輻射之一光束； 一粒子訊問區，其安置於該光束之路徑中，該粒子訊問區包含粒子； 一反射表面，其經組態以將該光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大光束；及 一光電偵測器，其經組態以偵測經由與該粒子訊問區中之該光束相互作用之一或多個粒子產生之一側散射光束。
  14. 如請求項13之系統，其中該經放大光束包括相干光。
  15. 如請求項13至14中任一項之系統，其包括在該反射表面與該粒子訊問區之間安置於該光束之該路徑中之一聚焦透鏡。
  16. 如請求項13至15中任一項之系統，其包括定位於該光源與該反射表面之間以防止或減少至該光源之光學回饋之一光學隔離器。
  17. 一種粒子偵測系統，其包括： 一光源，其提供電磁輻射之一源光束； 一或多個光學元件，其等經組態以將該源光束轉換成一訊問光束； 一粒子訊問區，其安置於該訊問光束之路徑中，該粒子訊問區包含粒子； 一第一反射表面，其經組態以將該訊問光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大訊問光束； 一第二反射表面，其經組態以將一第一側散射光束朝向一光電偵測器反射，該第一側散射光束經由與該粒子訊問區中之該訊問光束相互作用之一或多個粒子產生； 該光電偵測器經組態以偵測以下之一組合： 該第一側散射光束；及 一第二側散射光束，該第二側散射光束經由與該粒子訊問區中之該訊問光束相互作用之一或多個粒子產生。
  18. 如請求項17之系統，其中該第二反射表面經組態以將該第一側散射光束反射回穿過該訊問區。
  19. 如請求項17至18中任一項之系統，其中該第二反射表面經組態以將該第一側散射光束反射回其自身以產生一經放大側散射光束。
  20. 如請求項17至19中任一項之系統，其中該第一側散射光束及該第二側散射光束係在相反方向上散射。
  21. 如請求項17至19中任一項之系統，其中該第一側散射光束及該第二側散射光束係在正交方向上散射。
  22. 如請求項17至21中任一項之系統，其中該經放大訊問光束包括相干光。
  23. 如請求項17至22中任一項之系統，其包括定位於該光源與該反射表面之間以防止或減少至該光源之光學回饋之一光學隔離器。
  24. 如請求項17至23中任一項之系統，其包括在該反射表面與該粒子訊問區之間安置於該訊問光束之該路徑中之一第一聚焦透鏡。
  25. 如請求項17至24中任一項之系統，其中該第一反射表面係一平面鏡之一表面。
  26. 如請求項17至25中任一項之系統，其中該第二反射表面係一平面鏡之一表面。
  27. 如請求項17至24中任一項之系統，其中該第一反射表面係一凹面鏡之一表面。
  28. 如請求項27之系統，其中該第二反射表面係一凹面鏡之一表面。
  29. 如請求項17至28中任一項之系統，其包括在該第二反射表面與該粒子訊問區之間安置於該第一側散射光束之路徑中之一第二聚焦透鏡。
  30. 一種粒子偵測系統，其包括： 一光源，其提供電磁輻射之一源光束； 一第一光束分離器，其經組態以將該源光束分離成一訊問光束及一參考光束； 一粒子訊問區，其安置於該訊問光束之路徑中，該粒子訊問區包含粒子； 一第一反射表面，其經組態以將該訊問光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大訊問光束； 一第二反射表面，其經組態以將一第一側散射光束朝向一第二光束分離器反射，該第一側散射光束經由與該粒子訊問區中之該訊問光束相互作用之一或多個粒子產生； 該第二光束分離器經組態以： (i)接收該參考光束及該第一側散射光束與一第二側散射光束之一組合，該第二側散射光束經由與該粒子訊問區中之該訊問光束相互作用之一或多個粒子產生；及 (ii)產生一第一分量光束及一第二分量光束； 一第一光電偵測器，其經組態以偵測該第一分量光束；及 一第二光電偵測器，其經組態以偵測該第二分量光束。
  31. 如請求項30之系統，其中： 該第一分量光束包括該側散射光束之一第一分量及該參考光束之一第一分量；且 該第二分量光束包括該側散射光束之一第二分量及該參考光束之一第二分量。
  32. 如請求項30至31中任一項之系統，其中該第二反射表面經組態以將該第一側散射光束反射回穿過該訊問區。
  33. 如請求項30至32中任一項之系統，其中該第二反射表面經組態以將該第一側散射光束反射回其自身以產生一經放大側散射光束。
  34. 如請求項30至33中任一項之系統，其中該第一側散射光束及該第二側散射光束係在相反方向上散射。
  35. 如請求項30至33中任一項之系統，其中該第一側散射光束及該第二側散射光束係在正交方向上散射。
  36. 如請求項30至35中任一項之系統，其中該經放大訊問光束包括相干光。
  37. 如請求項30至36中任一項之系統，其包括定位於該光源與該反射表面之間以防止或減少至該光源之光學回饋之一光學隔離器。
  38. 如請求項30至37中任一項之系統，其包括在該反射表面與該粒子訊問區之間安置於該訊問光束之該路徑中之一第一聚焦透鏡。
  39. 如請求項30至38中任一項之系統，其中該第一反射表面係一平面鏡之一表面。
  40. 如請求項30至39中任一項之系統，其中該第二反射表面係一平面鏡之一表面。
  41. 如請求項30至38中任一項之系統，其中該第一反射表面係一凹面鏡之一表面。
  42. 如請求項41之系統，其中該第二反射表面係一凹面鏡之一表面。
  43. 如請求項30至42中任一項之系統，其包括在該第二反射表面與該粒子訊問區之間安置於該第一側散射光束之路徑中之一第二聚焦透鏡。
  44. 如請求項30至43中任一項之系統，其中該散射光束及該參考光束經組態用於零差干涉量測偵測。
  45. 如請求項30至43中任一項之系統，其中該散射光束及該參考光束經組態用於外差干涉量測偵測。
  46. 如請求項45之系統，其包括經組態以使該參考光束之頻率偏移之第一及第二聲光調變器。
  47. 如請求項45至46中任一項之系統，其中該第一分量光束係由相對於該第二分量光束之 之一相位偏移特性化。
  48. 一種粒子偵測系統，其包括： 一光源，其提供電磁輻射之一光束； 一粒子訊問區，其安置於該光束之路徑中，該粒子訊問區包含粒子； 第一及第二反射表面，其等安置於該粒子訊問區之相對側上，其中該等第一及第二反射表面經組態使得每次該光束反射離開該等反射表面之一各自者，該光束以與該光束接近該各自反射表面之一角度不平行之一角度反射；及 一光電偵測器，其經組態以偵測經由與該粒子訊問區中之該光束相互作用之一或多個粒子產生之一側散射光束。
  49. 如請求項48之系統，其中該第一反射表面具有一第一對稱軸且該第二反射表面具有一第二對稱軸，且其中該等第一及第二反射表面經定向使得在該光束進入該訊問區時，該第一對稱軸、該第二對稱軸或兩者不平行於該光束。
  50. 如請求項48至49中任一項之系統，其中該光束接近該各自反射表面之該角度與該光束反射離開該各自反射表面之該角度之間的差係2度或更小。
  51. 如請求項48至50中任一項之系統，其中該第一反射表面、該第二反射表面或兩者係朝向該粒子訊問區呈凹面。
  52. 如請求項48至51中任一項之系統，其包括安置於該第一反射表面中之一第一孔徑及安置於該第二反射表面中之一第二孔徑。
  53. 如請求項48至51中任一項之系統，其包括安置於該第一反射表面中之一第一及一第二孔徑。
  54. 如請求項48至53中任一項之系統，其中該等第一及第二反射表面具有大於99%之一反射率。
  55. 如請求項48至54中任一項之系統，其中該等第一及第二反射表面經組態使得對於每次該光束穿過該粒子訊問區，該光束具有光束腰，各遍歷之該光束腰在該訊問區中重疊。
  56. 一種粒子偵測方法，其包括： 產生電磁輻射之一源光束； 將該源光束分離成一訊問光束及一參考光束； 將該訊問光束引導朝向一粒子訊問區； 使該訊問光束穿過該粒子訊問區； 將該訊問光束反射回穿過該訊問區； 經由該訊問光束與該粒子訊問區中之粒子之相互作用產生一側散射光束； 將該側散射光束與該參考光束組合並自其產生一第一分量光束及一第二分量光束； 偵測該第一分量光束；及 偵測該第二分量光束。
  57. 如請求項56之方法，其中該反射步驟包括將該訊問光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大光束。
  58. 如請求項57之方法，其中該經放大光束包括相干光。
  59. 如請求項56至58中任一項之方法，其包括： 產生與該第一分量光束相關之一第一信號； 產生與該第二分量光束相關之一第二信號；及 基於該等第一及第二信號產生一差分信號。
  60. 如請求項56至59中任一項之方法，其中： 該第一分量光束包括該側散射光束之一第一分量及該參考光束之一第一分量；且 該第二分量光束包括該側散射光束之一第二分量及該參考光束之一第二分量。
  61. 如請求項56至60中任一項之方法，其包括使該源光束穿過定位於該光源與該反射表面之間以防止或減少至該光源之光學回饋之一光學隔離器。
  62. 如請求項56至61中任一項之方法，其包括使該參考光束之頻率偏移。
  63. 如請求項56至62中任一項之方法，其中該第一分量光束係由相對於該第二分量光束之 之一相位偏移特性化。
  64. 一種粒子偵測方法，其包括： 產生電磁輻射之一光束； 將該光束引導朝向一粒子訊問區，該粒子訊問區包含粒子； 使該光束穿過該粒子訊問區； 將該光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大光束；及 經由一光電偵測器偵測側散射光，該側散射光經由與該粒子訊問區中之該經放大光束相互作用之一或多個粒子產生。
  65. 一種粒子偵測方法，其包括： 產生電磁輻射之一訊問光束； 將該訊問光束引導朝向一粒子訊問區，該粒子訊問區包含粒子； 使該訊問光束穿過該粒子訊問區； 將該訊問光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大訊問光束； 經由與該粒子訊問區中之該經放大訊問光束相互作用之一或多個粒子產生一第一側散射光束及一第二側散射光束； 組合該等第一及第二側散射光束；及 偵測該等經組合之第一及第二散射光束。
  66. 如請求項65之方法，其中該組合步驟包括將該第一側散射光束反射回穿過該粒子訊問區。
  67. 如請求項65至66中任一項之方法，其中該第一側散射光束及該第二側散射光束係在相反方向上散射。
  68. 如請求項65至66中任一項之方法，其中該第一側散射光束及該第二側散射光束係在正交方向上散射。
  69. 如請求項65至68中任一項之方法，其中該經放大訊問光束包括相干光。
  70. 一種粒子偵測方法，其包括： 產生電磁輻射之一訊問光束； 將該訊問光束引導朝向一粒子訊問區，該粒子訊問區包含粒子； 使該訊問光束穿過該粒子訊問區； 將該訊問光束反射回其自身以產生與該粒子訊問區相交之一經放大訊問光束； 經由與該粒子訊問區中之該經放大訊問光束相互作用之一或多個粒子產生一第一側散射光束及一第二側散射光束； 將該第一側散射光束與該第二側散射光束組合以產生一經放大側散射光束； 將該經放大側散射光束與該參考光束組合並自其產生一第一分量光束及一第二分量光束； 偵測該第一分量光束；及 偵測該第二分量光束。
  71. 如請求項70之方法，其中： 該第一分量光束包括該經放大側散射光束之一第一分量及該參考光束之一第一分量；且 該第二分量光束包括該經放大側散射光束之一第二分量及該參考光束之一第二分量。
  72. 如請求項70至71中任一項之方法，其中將該第一側散射光束與該第二側散射光束組合以產生一經放大側散射光束之該步驟包括將該第一側散射光束反射回穿過該粒子訊問區。
  73. 如請求項70至72中任一項之方法，其中該第二反射表面經組態以將該第一側散射光束反射回其自身。
  74. 如請求項70至73中任一項之方法，其包括： 產生與該第一分量光束相關之一第一信號； 產生與該第二分量光束相關之一第二信號；及 基於該等第一及第二信號產生一差分信號。
  75. 如請求項70至74中任一項之方法，其包括經由一第一及一第二聲光調變器使該參考光束之頻率偏移。
  76. 如請求項70至75中任一項之方法，其中該第一分量光束係由相對於該第二分量光束之 之一相位偏移特性化。
  77. 如請求項70至76中任一項之方法，其中該第一側散射光束及該第二側散射光束係在相反方向上散射。
  78. 如請求項70至76中任一項之方法，其中該第一側散射光束及該第二側散射光束係在正交方向上散射。
  79. 如請求項70至78中任一項之方法，其中該經放大訊問光束包括相干光。
  80. 一種粒子偵測方法，其包括： 產生電磁輻射之一光束； 將該光束引導朝向一粒子訊問區，該粒子訊問區包含粒子； 使該光束穿過或經過一第一反射表面； 使該光束穿過該粒子訊問區並至一第二反射表面上； 經由該第二反射表面將該光束反射回穿過該粒子訊問區，其中該光束以與該光束接近該第二反射表面之一角度不平行之一角度反射； 經由該第一反射表面將該光束反射回穿過該粒子訊問區，其中該光束以與該光束接近該第一反射表面之一角度不平行之一角度反射；及 偵測經由與該粒子訊問區中之該光束相互作用之一或多個粒子產生之側散射光。
  81. 如請求項80之方法，其包括使該光束穿過該第二反射表面之一孔徑。
  82. 如請求項80之方法，其中該孔徑係該第一反射表面之一第一孔徑，該方法包括使該光束穿過該第一反射表面之一第二孔徑。
  83. 如請求項80至82中任一項之方法，其中該第一反射表面具有一第一對稱軸且該第二反射表面具有一第二對稱軸，且其中該等第一及第二反射表面經定向使得在該光束進入該訊問區時，該第一對稱軸、該第二對稱軸或兩者不平行於該光束。
  84. 如請求項80至83中任一項之方法，其中該光束接近該第一反射表面之該角度與該光束反射離開該第一反射表面之該角度之間的差係2度或更小。
  85. 如請求項80至84中任一項之方法，其中該光束接近該第二反射表面之該角度與該光束反射離開該第二反射表面之該角度之間的差係2度或更小。
  86. 如請求項80至85中任一項之方法，其中該第一反射表面、該第二反射表面或兩者係朝向該粒子訊問區呈凹面。
  87. 如請求項80至86中任一項之方法，其中該等第一及第二反射表面具有大於99%之一反射率。
  88. 如請求項80至87中任一項之方法，其中該等第一及第二反射表面經組態使得對於每次該光束穿過該粒子訊問區，該光束具有光束腰，各遍歷之該光束腰在該訊問區中重疊。
  89. 如請求項80至88中任一項之方法，其包括使該光束穿過該第一反射表面之一孔徑。
TW112102860A 2022-01-21 2023-01-19 增強的雙遍次及多遍次粒子偵測 TW202346835A (zh)

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