JPH0694596A

JPH0694596A - 粒子経路決定装置

Info

Publication number: JPH0694596A
Application number: JP4082501A
Authority: JP
Inventors: John S Batchelder; ジョン・サミュエル・バチェルダー; Donald M Decain; ドナルド・マイケル・ドケーン; Philip C D Hobbs; フィリップ・チャールズ・ダンビー・ホッブス; Marc A Taubenblatt; マーク・アラン・タウンベンブラット
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1991-04-08
Filing date: 1992-04-03
Publication date: 1994-04-05
Anticipated expiration: 2011-01-29
Also published as: JPH087134B2; US5133602A

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、位相シフト信号及び消光信
号の両方を使って粒子の軌跡を決定する、明視野粒子位
置決定用光学系を提供することである。【構成】１対の直角偏光光線を、粒子の流れ経路と鋭
角で交差する軸に沿って位置決めする。光学系は、両方
の光線が流れ経路を出た後、両光線を再結合する。結合
された光線は、粒子が両光線の一方と交差した場合、楕
円偏光を示す。明視野検出器は、合成光線の偏光成分を
検出し、光線の直交成分間の位相シフト信号を発生し、
対応する信号をプロセッサに提供する。プロセッサは、
位相シフト信号から、流れ経路中の粒子の位置を示す、
信号の非対称性を決定する。さらに、粒子を横切って１
本または複数の光線を循環的に移動させるディザ・シス
テムを使用して、粒子の軌跡または位置を決定すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、小さな粒子の検出に関
し、より具体的には、フロー・セル中の粒子の位置を決
定するためのシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】光の波長に比べて小さい粒子を検出する
ための粒子カウンタ及びその他の機器は、通常、光線の
焦点で粒子を検出しなければならない。その結果得られ
る信号の強度は、光線をきわめて小さい強度領域に合焦
させることによって高められる。このようなシステムで
は、粒子は、低い流速のときでも、焦点領域を十分に高
速に横切り、機械的振動及び他の雑音源の時間定数に比
べて粒子通過時間が短くなる。さらに、検出容積を、光
学素子と流体の間の窓から遠く離れた、粒子を含む流体
の領域に隔離させることができる。

【０００３】光線が感知容積全体を通して一様でない場
合、感知容積の異なる部分内の流体中を通過する同じサ
イズの粒子が、異なる信号を生ずることは避けられな
い。その効果の最も簡単な矯正法は、容積全体を通じて
粒子に対する光学的応答が基本的に一定となるように、
十分に小さいオリフィスを通して流体の流れを制限する
ことである。これは、強く合焦されたシステムでは現実
的ではない。なぜなら、小さいオリフィスは閉塞を避け
難く、そのような小さなオリフィスを通過する流体は、
大きな圧力降下が付随し、オリフィス壁が光路と干渉す
るからである。

【０００４】従来技術は、粒子または粒子の集まりから
の「散乱」光の強度測定によって粒子を検出する、多く
の機器及び方法を例示している。「順方向」の散乱光
は、一般に、入射光線が存在するためにそのような測定
ができない。順方向の散乱光は「明視野」光とも呼ばれ
る。明視野が（たとえばマスキングによって）排除され
ると、「暗視野」散乱光パターンが生ずる。しかしなが
ら、小粒子からの順方向散乱明視野と、合焦された入射
光線の間の関係は、その粒子が入射光線の位相シフト及
び減衰を引き起こすような関係であることが知られてい
る。この減衰は、消光効果と呼ばれる。

【０００５】米国特許出願第０７／１８４６３９号で
は、入射光線の順方向視野が受ける位相シフトを使っ
て、流体内の泡と粒子を区別している。上記出願は、合
焦された単色光線内の小さい誘電体粒子が、遠視野入射
光線と同一位相象限の散乱された波を生ずることを開示
している。順方向の散乱光は、光線間の位相シフトを測
定する干渉計を使用して検出される。バチェルダー（Ba
tchelder）らによる類似の教示は、Applied Physics Le
tters, Vol.55, NO.3, July 1989, pp.215-217 に出て
いる。

【０００６】米国特許出願第０７／５４７７３５号で
は、１対の入射光線が受ける位相シフト及び消光を使っ
て、流体内の粒子を特徴付けしている。これら２つの光
線は、直角偏光し、それらの光線から誘導される信号の
変化（粒子がそこを通過するときに起こる）を用いて、
粒子を屈折率に関して分類し識別することができる。

【０００７】上記の特許出願で使用する順方向視野とは
対照的に、暗視野散乱光をもっぱら使用する多くの粒子
測定システムでは、その中で小粒子から誘導された信号
は、粒子の軌跡に依存する。粒子の軌跡が光線の焦面か
ら移動する場合、信号波形が変化する。これらの変化に
よって、解析しにくい一様でない波形が生じる。

【０００８】このような一様でない波形を補償する１つ
の方法は、"Laser Technique for Simultaneous Partic
le-Size and Velocity Measurements", Optics Letter
s, Vol.3, No.1, pp.19-21,（1978）及び米国特許第４
２５１７３３号においてハールマン（Hirleman）によっ
て記述されている。ハールマンは、粒子が２光線式光学
系を通過するとき、どのように検出された光散乱がいく
つかのピークを示すかを記述している。粒子の軌跡は、
それらの２つのピークの高さから求められる（上記特許
の図４及び Optics Letters 所載論文の図３参照）。

【０００９】これより多少複雑な軌跡補正システムが、
米国特許第４６３６０７５号に記述されている。上記特
許では、直角偏光の同軸光線及び一致する焦面を使用し
ているが、スポット・サイズは異なる。上記特許のセン
サでは、粒子サイズを得るために大きい方のスポットか
ら信号を取る前に、緊密に合焦されたスポットからの信
号がしきい値を超えることが必要である。

【００１０】米国特許第４６６２７４９号では、光ファ
イバ・プローブを使用して、フリンジ・イメージを測定
ゾーンに投影し、粒子が測定ゾーンを横切るときに起こ
る光摂動を感知している。これらの摂動を使って、速度
の計算または粒子のサイズを計算する。

【００１１】いくつかの特許が、複数の光線を使った、
粒子軌跡、及び速度などの他のパラメータの決定を例示
している。しかしながら、一般に、それらの特許は、暗
視野法を使用しており、得られる光強度が最大に利用で
きない。米国特許第４３８７９９３号では、異なる焦点
スポット・サイズの同心円状入射光線を使って、粒子の
軌跡が大きい方の光線の中心にあるかどうかを決定す
る、暗視野法を記述している。米国特許第４５３７５０
７号では、焦点スポット・サイズの異なる交差光線が、
変動する強度パターンをもつ検出領域を形成する、暗視
野法を記述している。米国特許第４５４０２８３号で
は、２つの入射光線を交差させて、粒子が干渉パターン
を通過するときに変動する信号を生成する干渉パターン
を設定する、暗視野システムを記述している。米国特許
第４７６４０１３号は、散乱光の２つの偏光成分の位相
差を決定する暗視野法を記述している。

【００１２】米国特許第４７８８４４３号は、粒子を含
む流体に単一の光線を投射する、暗視野システムを記述
している。散乱光を電気信号に変換し、それをカウント
して粒子の直径または濃度を算出する。米国特許第４８
５４７０５号は、異なる焦点スポット・サイズの同心円
状光線を同一焦点をもつ検出光学系と一緒に使用して粒
子の軌跡を決定し、それによってさらに検出容積を制限
する、別の暗視野システムを記述している。また、米国
特許第４９２７２６８号では、サイズの変動する焦点ス
ポットを使って、粒子が大きい方の光線の中心部分を通
過するかどうかを決定する、暗視野法を記述している。
位置合せの問題を軽減するために光ファイバが使用され
ている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、明視
野検出システムを使って、粒子を検出し、かつ粒子の軌
跡を決定する光学系を提供することである。

【００１４】本発明の別の目的は、流体中の粒子を検出
し、光線の焦面内にない粒子軌跡を補償する、光学系を
提供することである。

【００１５】本発明の別の目的は、粒子の流れが既知お
よび未知であるとにかかわらず、光線と粒子の相互作用
から生ずる消光を測定するための光学系を提供すること
である。

【００１６】本発明の別の目的は、光路内の人工物が打
ち消されて、光線と粒子の相互作用から生ずる消光を測
定するための光学系を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】位相シフトまたは消光信
号あるいはその両方を使って粒子の軌跡を決定する、明
視野粒子位置決定用の光学系が開示される。第１の実施
例では、１対の直角偏光光線が、ある角度で粒子の流れ
経路と交差する軸に沿って位置付けされる。これらの光
線が流れ経路を出た後に、光学系が、これらの光線を再
結合する。結合された光線は、粒子がこれらの光線の１
本と交差する場合、楕円偏光を示す。明視野検出器は、
結合された光線の偏光成分を検出し、光線の各成分間の
位相シフト信号を提供し、対応する信号をプロセッサに
供給する。プロセッサは、位相シフト信号から、流れ経
路内の粒子の位置を示す信号の非対称性を決定する。本
発明の別の実施例では、光線の位相シフトから生ずる信
号を調べ、光線の焦面からの粒子の距離に依存する補正
係数を決定する。別の実施例では、ディザ（ditherin
g）システムを使用して、１本または複数の光線を粒子
を横切って円状に移動させ、その軌跡または位置を決定
できるようにする。

【００１８】

【実施例】以下に述べる光学系は、合焦されたコヒーレ
ント光線内に粒子が存在することから生ずる位相シフト
または消光情報あるいはその両方を使用する。それらの
量は、光線の順方向に散乱された光波の複素数の実数部
分及び虚数部分に対応する。位相シフト及び消光効果の
基礎理論の説明は、上記の同時係属の米国特許出願第０
７／５４７７３５号に出ている。この米国特許出願の開
示を、引用により本明細書に合体する。

【００１９】図１に示した本発明の実施例は、前記の米
国特許出願第０７／５４７７３５号に示された実施例に
類似している。図１の実施例は、いくつかの点で異な
る。すなわち、光線の相互の配置、及び粒子の流れ経路
に対する光線の配置、及び光線からの信号入力に応答す
る制御用マイクロプロセッサの働きが異なる。

【００２０】レーザ１０が、その光線１２をミラー１４
に向ける。そこで光線は反射されて、１／４波長板１６
を通過し、ビーム拡大器１８に入る。拡大された光線
は、ノマルスキ・ウェッジ２０に入る。そこで、直角偏
光成分が発散されて、２本の実質的にオーバーラップす
る光線２２及び２４になる。両方の光線は、レンズ２６
によって合焦されて、粒子３０が通り抜けるフロー・セ
ル２８に入る。レンズ２６によって、２つの独立な合焦
されたスポットが（粒子３０の位置と実質的に一致す
る）焦面に現れる。それらのスポットは、セル２８の拡
大平面図３２及び３４として示されている。合焦された
光線中を通り抜ける粒子は、位相シフト及び消光の変化
を引き起こすが、他の光線には、その光線中に入るまで
影響を与えない。

【００２１】２本の光線は、セル２８から出ると、合焦
レンズ３６を通過し、第１のノマルスキ・ウェッジ２０
と同じ向きの第２のノマルスキ・ウェッジ３８に入る。
そこで、２つの光線は再結合されて、単一の拡大された
光線４０になる。

【００２２】セル２８内に粒子が存在しない場合、光線
２２及び２４の結合された垂直及び水平の偏光成分は等
しいが、位相が９０度ずれており、その結果、円偏光光
線４０になってノマルスキ・ウェッジ３８から出てく
る。一方、セル２８内で合焦された光線の１つの焦面内
に粒子３０が存在する場合は、その光線は、第２のノマ
ルスキ・ウェッジ３８から出るとき、位相シフトを受
け、楕円偏光の合成光線４０を形成する。

【００２３】合成光線４０は、（ノマルスキ・ウェッジ
２０及び３８に対して４５度傾いた）ウォラストン・プ
リズム４２を通過し、元のノマルスキ軸に対して４５度
の角度でその偏光成分に分離される。楕円偏光の一方の
軸をもつ光線４１’は光検出器５２に向かい、直角偏光
された光線４３’は光検出器５４に向かう。光検出器５
２及び５４は、それぞれ入射光線４１’及び４３’の強
度を示す信号を提供し、それらの信号出力が減算演算増
幅器５６に供給される。次に、増幅器５６から出た差分
信号は、プロセッサ６０に送られて処理される。

【００２４】図２を参照して、光線３２及び３４の向
き、及び両方の光線と粒子の流れ経路との関係について
より詳細に検討する。光線３２は、（矢印６２で示すよ
うに）軸７０に沿った偏光を示し、光線３４は（矢印６
４で示すように）軸７０に垂直な偏光を示す。１対の粒
子流れ経路が示されており、一方の流れ経路６６は光線
３２の光学軸に接近し、他方の流れ経路６８は左にずれ
ている。光線３４は、両光線の光学軸を結ぶ直線７０
と、流れ経路６６及び６８の方向との間で測定される角
度だけ光線３２からずれていることに留意されたい。そ
の角度は「ねじれ」角と呼ばれ、フロー・セル２８内部
の検査容積を規定する。

【００２５】ねじれ角によって、粒子が両光線を横断す
るとき、両光線がどれだけ見えるかが決まる。したがっ
て、重要なことは、光線３２と３４の両光学軸の、ｘ軸
に沿った間隔である。その間隔は、光線ウェスト×ねじ
れ角の正弦である。両光線がビーム・ウェストだけ分離
している場合、約５度から４５度の間のねじれ角で、こ
のシステムは機能することができる。ねじれ角を約１５
度から２０度の間に、最適値としては１７度に設定する
ことが好ましいことが分かった。ねじれ角が１７度の場
合、光線３２と３４の両光学軸の間隔のｘ軸投影値はｓ
ｉｎ１７°すなわち０．１５×（光線直径）である。５
度のときは、ｘ軸投影値は０．０４×（光線直径）であ
り、４５度のときは０．３５×（光線直径）である。

【００２６】最初に、粒子が流れ経路６６上の光線３２
及び３４中を通り抜けると仮定する。上で指摘したよう
に、光線の光学軸からの粒子の距離に応じて、光線中を
通り抜ける粒子は、その光線中に位相シフトを誘発す
る。さらに、光線相互の位相シフトによって楕円偏光の
合成光線が生ずることを思い出されたい。楕円偏光成分
は、ウォラストン・プリズム４２で分離され、１対の光
検出器５２及び５４に向かう。したがって、粒子が経路
６６上で光線３２中を通り抜けるとき、そこで位相シフ
トが誘発され、この位相シフトが楕円偏光成分４１’及
び４３’の強度の変化を引き起こす。

【００２７】粒子が検出器５２及び５４に入射すると、
各検出器が双極信号を発生することを理解されたい。規
定された偏光軸を感知する単一の検出器を使って適当な
双極位相シフト信号を発生することもできるが、２つの
検出器を使用すると、差動増幅器５６でこれらの信号か
ら共通の雑音を除去し、単一の双極信号をプロセッサ６
０に渡すことができるようになる。

【００２８】前述のように、粒子が次々に各光線中を通
り抜けるとき、各検出器は正と負のパルスを発生する。
これは、このシステムが基本的に粒子によって誘発され
る位相シフトを測定するからである。粒子が第１の光線
中にあるとき、粒子は（通常）その光線中で、第２の光
線中にあるときに比べて、位相遅れを誘発する。これ
は、一方の検出器からの信号の降下、及び他方の検出器
からの信号の上昇として示される。粒子が第２の光線中
にあるとき、その粒子が第２の光線中で誘発する位相遅
れは、第１の光線中の位相進みと区別できず、第１の検
出器では信号が上昇するが、第２の検出器では信号が減
少する。より詳細に説明すると、一方の光線が垂直に偏
光され、他方の光線が水平に偏光され、かつ一方の光線
の位相が他方の光線に比べて９０度遅れていると仮定す
る。粒子が存在しない場合、感知容積から円偏光が発生
し、それは線形偏光子を光線中でどんな向きに置いても
同じ量のパワーを伝えるという特徴をもつ。解析用偏光
子が４５度になっていると仮定する。２つの光線の間の
位相遅れが１８０度に増大した場合、第１の光線の＋ｙ
成分は第２の光線の−ｘ成分と同じ位相になる。この結
果、線形偏光は、粒子が全く解析偏光子を通らないよう
な向きになり、検出器は信号強度の大きな降下を検出す
る。同様に、位相遅れが０度に減少した場合、出力は＋
ｙ＋ｘ方向で直線偏光されるので、すべての光が検出器
に当たり、検出器は円偏光された正常な場合の２倍の信
号を検出する。

【００２９】要約すると、粒子が光線３２または３４の
いずれかに入るまで、差動増幅器５６の出力は基本的に
０である。粒子が光線３２に入り、そこを通過すると、
位相シフトが誘発され、光線の偏光軸の変化を引き起こ
す。その結果、増幅器５６からの出力は、図３の波形７
２に似たものとなる。粒子が引き続き経路６６上で光線
３４中を通過するとき、その結果生じる位相シフトは、
光線３４の偏光軸の楕円率の変化を引き起こす。この変
化が感知され、増幅器５６の出力は図３の波形７４に似
たものになる。経路６６が光線３２と３４の両光学軸の
二等分線（図示せず）に近づくほど、波形７２と７４の
形状は同じに近づく。

【００３０】一方、粒子が光線３２及び３４中を通る経
路６８を取る場合、増幅器５６から生じる波形はそれぞ
れ曲線７６及び７８に似たものとなる。したがって、増
幅器５６からの連続波形の解析及び比較によって、光線
３２及び３４からの粒子軌跡の距離が求められることが
わかる。したがって、プロセッサ６０は、これらの波形
をディジタル形式に変換した後、信号ピークの比を調
べ、粒子の離軸距離を求める。

【００３１】前記の米国特許出願第０７／５４７７３５
号に記載されているように、検出器５２及び５４（図
１）の出力を加算して、消光信号を発生することができ
る。雑音が減少した最適の消光信号を得るために、フロ
ー・セル３０からの光線の一部分を分岐させて、別のウ
ォラストンを通過させ、スポット３２に対応する光線が
一方の検出器に当たり、スポット３４に対応する光線が
他方の検出器に当たるようにすることができる。次にそ
の結果得られる信号の差を感知することによって、双極
性消光信号を導出することができ、信号ピークの高さを
使って粒子の軌跡を決定することができる。

【００３２】実際の離軸距離は、信号ピーク比から解析
的には計算できない。したがって、プロセッサ６０に、
既知の離軸距離について計算された比のテーブルを設け
る。実際の比の測定値をそのテーブルと比較し、補間法
を用いて実際の距離を求める。テーブルの値を計算する
方法については、下記の節で考察する。

【００３３】１７度のねじれ角の選択はでたらめではな
い。ねじれ角が大きくなるほど、粒子の軌跡の計算精度
は大きくなる。ねじれ角が非常に小さい場合、電気的雑
音が測定された非対称性をぼやかす傾向があるので、軌
跡の補正が難しい。大きな波形ピークと小さな波形ピー
クの最大比が３対２の場合にねじれ角が１７度となるよ
うにこのシステムの性能をモデル化すると、通常、粒子
直径測定精度は約１０％となる。また、このねじれ角
は、センサのカウント統計を改善する最適の検査容積を
提供する。ねじれ角が増大するにつれて、使用可能な検
査容積は減少する。（収容される軌跡ストリップの幅が
狭くなる）。

【００３４】図４は、フロー・セル２８のＺ軸に垂直な
方向から見たレンズ２６及び３６と光線３２及び３４の
関係を示す。両光線３２及び３４は、レンズ２６によっ
て焦面８０上に合焦される。焦面８０と一致する流れ経
路をもつ粒子は、焦面８０における光線３２及び３４が
所定の光線サイズであるため、必ず（図３に示すよう
に）一定幅の信号を発生する。他方、焦面８０から一定
の焦点外れ距離だけ離れた所を通過する粒子（たとえば
経路８２）は、増幅器５６から出る信号波形幅に歪みが
生ずる。

【００３５】図５に示すように、（光線３２及び３４に
対して図２の経路６６で示すような向きの）経路８２上
の光線３２及び３４中を通り抜ける粒子は、図５の８４
に示すような信号波形を生ずる。一方、流れの経路が焦
面８０と一致する同様の向きの粒子は、８６に示すよう
な波形を生ずる。粒子軌跡の焦面８０からのずれを求め
るために、波形８４及び８６の幅を比較して、補正係数
を導出する。

【００３６】各波形は、その最大値の１／２における波
形幅の測定値によって特徴付けられる。この測定値を、
「半値幅」あるいはＦＷＨＭと呼ぶ。波形８４の半値幅
を線８８で示し、波形８６の半値幅を線９０で示す。曲
線８６（すなわち、粒子経路が焦面８０に一致してい
る）の半値幅は、事前に計算され、（図１に示す）プロ
セッサ６０の内部に記憶されている。曲線８４の半値幅
が（測定後に）計算されると、半値幅８８と半値幅９０
の比を計算し、その比から補正係数を導出する。補正係
数は、粒子経路の焦面からの焦点外れ距離に直接関係す
る。

【００３７】最初に、焦点外れ距離を、図４及び図５に
関して説明したパルス幅法によって決定し、次に、図２
及び図３に関して説明した非対称性の計算から最も近接
するアプローチの距離（離軸距離）を決定する。次に、
粒子軌跡に対して観察されたパルス高さを補正し、それ
によって正確な「ビンニング」信号、すなわち粒子が焦
点内でかつ軸上で完全な軌跡をもつ場合に発生するはず
の信号を発生することができる。上記の補正係数の導出
及び使用の方法は、本出願の「誘導」の節の第４部に示
す。

【００３８】さらに、粒子の軌跡がさらに軸から離れる
と、または焦点からはずれると、測定しなければならな
いパルス高さはより小さくなることに留意されたい。バ
ックグランドの雑音レベルのために、軌跡を精密に決定
するには信号が小さすぎるという限界に達する。大きな
粒子よりも小さな粒子（すなわち、小さな信号を発生す
る）の方がこの限界に早く達する。したがって、大きな
粒子は、小さな粒子よりも軸から離れていても、または
焦点から外れていても検出することができる。すなわ
ち、検査容量は粒子サイズに依存する。所与のサイズの
粒子の濃度を正確に決定するためには、この検査容量が
判明しなければならない。上述の補正によって、粒子が
あたかも完全な軌跡をとったかのように信号が誘導でき
ることを思い出されたい。しかしながら、誘導される信
号の強度は、完全な軌跡を仮定すると、（離軸軌跡の影
響なしに）粒子のサイズに関係する。検査容量は、許容
される離軸距離（非対称性）のテーブル及び許容される
焦点外れ距離のテーブルを粒子サイズの関数（信号レベ
ル）として使用することによって、決定できる。したが
って、補正後の粒子信号レベルが与えられているとし
て、粒子の離軸距離または焦点外れ距離がテーブルに記
憶された所定の値より大きい場合、粒子信号はおそらく
バックグランドの雑音レベルによる破壊のために無視さ
れる。許容される距離は、各種の粒子サイズについての
信号対雑音レベルによって決定される。

【００３９】図１の光学系は、１対の固定されたコヒー
レント光線を使用して光線の軌跡を決定する。図６に、
単一の光線を使ってどのように軌跡測定が行えるかを示
す。図６のシステムは、単一の光線を非常に迅速に振動
（dither）する。この場合、振動周期は、粒子が光線中
にある時間よりもずっと短い。したがって、振動経路を
横断する粒子は、振動周波数で振動する信号バーストを
発生するので、この信号を単離するためにバンド・パス
法または位相ロック法を使用する。振動軸を流れの方向
に対してある角度に向けることによって、粒子の軌跡は
図１に関して説明したのと同様に計算できる。

【００４０】レーザ１００（図６）が光線を発生し、そ
れを分割して、基準光線１０２及び主光線１０４を得
る。基準光線１０２は、光検出器１０６によって検出さ
れ、差動雑音消去増幅器１０８に供給される。主光線１
０４は、レンズ１１０によって音響光学デフレクタ１１
２上に合焦される。このデフレクタは、振動電圧源１１
４に応じた光線を偏向させる。振動光線１１６は、レン
ズ１２０によって平行にされ、フロー・セル１２２を通
過する。

【００４１】フロー・セル１２２のＹＺ平面の平面図
を、１２４に示す。振動光線１１６は、実際には、ガウ
ス分布の強度を示す光線である。したがって、内円１２
６は、最高強度の領域を示し、外円１２８はガウス強度
の外縁部の範囲を示す。光線１１６は、位置ａとｃの間
で、流れ経路１３０と振動軸１３２の間の角度によって
示されるねじれ角で振動される。

【００４２】上述のように、振動光線１１６は、粒子が
その光線内にいる時間に比べて大きい振動数で振動さ
れ、したがって粒子がフロー・セル１２２を通過する間
に１つの粒子を何回も横切る。したがって、粒子がセル
１２２内で点ｂの位置する場合、粒子は光線１１６中
に、振動して変動する光線の消光の変化を誘発する。

【００４３】光線１１６は検査セル１２２から出ると、
レンズ１３４によって光検出器１３６上に合焦される。
光検出器１３６からの信号が、雑音消去増幅器１０８に
印加され、そこで光検出器１０６から提供される基準信
号との差が計算される。雑音消去増幅器１０８の出力
は、粒子が振動光線１１６を横切って時間とともに変動
する消光信号を発生するまで、基本的に０である。

【００４４】増幅器１０８からの波形出力を図７の曲線
１５０で示す。曲線１５０の形状は、光線１１６が点ｂ
で粒子上に中心合せされたとき光線１１６の消光が最大
となり、その点で光検出器１３６からの消光信号が最小
になることに気づけば理解できる。したがって、雑音消
去増幅器１０８から得られる出力は（差信号であるの
で）、光線１１６が点ｂで粒子上に中心合せされたとき
最大値をとる。光線１１６が点ａを横切るとき、雑音消
去増幅器１０８からの出力は、０には戻らない。という
のは、粒子が光線１１６の外縁領域１２８内に存在する
ため、粒子が依然として光線１１６の消光に影響を与え
るからである。光線１１６が点ｃに戻ると、粒子は外縁
領域１２８内にないので、雑音消去増幅器１０８からの
出力は０になる。

【００４５】波形１５０が、アナログ−ディジタル変換
器１４０に印加され、その出力がプロセッサ１４２に印
加される。プロセッサ１４２内で、光線１１６がそれぞ
れ点ａ及びｃに達したとき波形１５０をサンプルするた
めに、周期的信号１５２が発生される。サンプリング信
号１１５と振動電圧１５４の関係は、図７の中段の波形
図に見られる。すなわち、電圧サンプルは、時間間隔ｔ
で波形１５０から誘導される。プロセッサ１４２はサン
プルされた各電圧を記憶し、フロー・セル２２を通過す
る粒子について図１で導出された波形に対応する波形を
得るために、より長い時間間隔Ｔにわたる信号を構築す
る。したがって、再構築された信号１５６は、２本の静
的光線によって得られた波形と同じになり、同じ方法を
用いて、粒子の離軸位置、焦点外れ位置、及び誘導され
た信号及び容積の補正を求めることができる。

【００４６】図６に示した実施例から生ずる１つの問題
は、汚れたフロー・セル・ウィンドウなどの異方性媒体
がその光線経路内にある場合、粒子が存在していなくて
も振動光線１１６が信号を発生することである。このよ
うな偽信号は、機器の感度を低下させる恐れがある。こ
のようなバックグランド雑音を消去することのできる実
施例を図８に示す。図８の実施例では、検査容積を最大
にするために、振動方向を流れと垂直な向きにすること
が好ましい。図８のシステムで、図６のシステムの各部
分と同じ部分には同様の番号を付けてある。

【００４７】発振器１６０は、対称形の交流信号（たと
えば正弦波または三角波）を提供し、それを加算回路１
６２に印加する。加算回路１６２への別の入力は、ロッ
クイン増幅器１６４及び積分器１６６からくる。また発
振器１６０の出力は、基準値としてロックイン増幅器１
６４にも印加される。加算回路１６２からの出力は、振
動電圧が乗る直流レベルであり、電圧制御式発振器１７
０に印加され、発振器１７０の出力が制御信号として音
響光学デフレクタ１１２に印加される。図６のシステム
と同様に、音響光学デフレクタ１１２は、レーザ光線を
所定の振動数で粒子流れ経路を横切って前後に移動させ
る。図６に関して、検査セル１２２内に存在する粒子
が、雑音消去増幅器１０８に所定の振動数で発振する信
号を発生させることを思い出されたい。

【００４８】角振動数ｗでｘ方向でピーク間距離２ｂで
正弦波形で振動された直径１／ｅ2の円形ガウス・レー
ザ光線を使用した場合の、位置（ｘ、ｙ）での消光断面
積がδｔの小粒子では、消光光電流は次式で表される。

【数１】

【００４９】ここで、Ｉ0は全直流光電流である。これ
の基本成分は次式で表される。

【数２】

【００５０】電圧制御式発振器１７０用のフィードバッ
ク制御回路の動作は、音響光学セル１１２の回折効率が
振動数によって変動し、その振動数帯域の中心部近くで
最高であり、帯域の周縁部に近づくにつれて滑らかに減
少することに依存する。この応答特性を、図９の１７２
に示す。この図から、中心振動数より高い振動数（ｆ
＋）で音響光学セル１１２が変調すると、一方の位相の
光変調が起こり、中心振動数より低い振動数（ｆ−）で
変調すると、光線の反対位相の光変調が起こることがわ
かる。この特徴によって、フィードバック回路は、汚れ
その他の人工物によって発生する持続的振動信号を消去
することができる。さらに、フロー・セル１２２内の粒
子によって発生される信号にフィードバックの影響が及
ばないようにするために、ネットワークの応答時間を長
くして、粒子によって発生される振動がフィードバック
・ネットワークの応答時間に比べて短くなり、フィード
バック回路の作用を受けて消去される前にプロセッサ１
４２に渡されるようにする。

【００５１】図８に戻って、光路中の人工物が所定の振
動数で継続的な振動信号を発生すると仮定して、雑音消
去増幅器１０８の出力がロックイン増幅器１６４に供給
される。増幅器１６４は、基本的に位相感受性検出器で
ある。発振器１６０からの発振信号は、別の入力として
ロックイン増幅器１６４に印加される。発振器信号と雑
音消去増幅器１０８からの入力の積が、長い時間定数を
もつ積分器１６６に入力として印加される。積分器１６
６からの出力は、雑音消去増幅器１０８の出力の同相基
本成分の振幅に比例する、直流レベルである。この直流
レベルは、加算回路１６２を介して電圧制御式発振器１
７０に供給され、それに応じて発振器１７０の振動数が
変化する。その結果、音響光学セル１１２に印加される
振動数が変化し、その回折効率が図９に示した特性に従
って変化する。

【００５２】印加される振動数が増大する場合、回折効
率は特性曲線１７２に従って変化する。このとき増幅器
１０８の出力は、振動電圧に対して１８０度の位相を示
す。他方、印加される振動数が中心振動数から減少する
場合、回折効率は減少し、増幅器１０８の出力は振動電
圧と同位相になる。位相シフトは常に０度または１８０
度である。

【００５３】雑音消去増幅器１０８からの出力が振動電
圧と同位相の場合（中心振動数ｆ0より下）、ロックイ
ン増幅器１６４は、ＡＣｏｓ０に比例する正の直流出
力を発生する。ただし、Ａは信号の振幅であり、０は入
力信号間の位相角差である。正の直流電位が、加算回路
１６２を介して電圧制御式発振器１７０にフィードバッ
クされ、その振動数を増大させる。この振動数が中心振
動数ｆ0を超えると、位相角は１８０度に切り替わり、
フィードバックによってロックイン増幅器１６４は負の
直流出力電位を発生する。この電位が、電圧制御式発振
器１７０にフィードバックされ、その振動数を減少させ
る。したがって、人工物が負−正（０度）の基本成分を
与える場合、ロックイン増幅器の出力が０になるまで
（すなわち、人工物の寄与が０になるまで）積分器の出
力が増大する。１８０度の人工物信号についても同様で
ある。このフィードバック・ループの作用によって、基
本振動数でゆっくり変動するバックグランド信号は確実
に消去される。

【００５４】したがって、このシステムは、その光学的
諸性質のゆっくりした変化の影響を受け難い。フロー・
セル中の粒子によってシステム内で誘発される信号は、
低速のフィードバック応答がそれに応答できないほど迅
速に発生する。その結果、（図６に示した振動光線から
導出される）粒子だけを示す出力信号が端子１８０で発
生する。出力端子１８０は、図６に示したように、アナ
ログ−ディジタル変換器１４０及びプロセッサ１４２に
接続されている。

【００５５】上述のシステムは、特に、流れ方向が既知
のまたは決定可能な粒子の特徴付けに適する。粒子が運
動していない場合、または既知の方向または定常的方向
で運動していない場合、「流れ」次元を光線の運動に追
加しなければならない。というのは、粒子運動には「流
れ」次元は存在しないからである。さらに、光線に対す
る粒子の相対的位置が既知または決定可能となるよう
に、光線を十分に速く振動させなければならない。

【００５６】図１０及び図１１に、非流動システムに使
用できる、または流れ方向（もしあれば）が未知であ
る、２光線システムが示されている。以下の説明から明
らかになるように、１対の光線が、これらの光線の両光
学軸を結んだ想像上の直線に対して傾いた方向に沿って
振動させられる。したがって、図１０の２１０（フロー
・セルの拡大平面図）に示すように、直角偏光された光
線１９０及び１９２の光学軸は想像上の直線１９４と交
差する。これらの光線は、それらの走査が矢印１９６で
示すｙ方向に沿うように制御される。この走査によっ
て、線１９８で示す検査容積が形成される。検査セル２
１０の内部の粒子１９９は、光線１９０及び１９２が方
向１９６に沿って往復運動するとき、それらの光線と交
差する。

【００５７】振動の波形が曲線２３０に示した通りであ
る場合（図１１参照）、光線１９０及び１９２が粒子１
９９と交差するとき、粒子１９９は波形２３２及び２３
４を発生させる。波形２３２及び２３４の位相が反対向
きになっているのは、光線１９０及び１９２が波形２３
２中では上向きの方向に移動し、波形２３４中では下向
きの方向に移動する結果である。

【００５８】上述の光線移動及び信号は、図１０のシス
テムによって以下のようにして発生される。レーザ２０
０が、ノマルスキ・ウェッジ２０２の軸に対して斜めの
光線偏光を発生する。ノマルスキ・ウェッジ２０２から
の出力は、検流計制御式ミラー２０４に向かう２つの発
散偏光を示す。ミラー２０４は、２つの偏光スポットを
結ぶ想像上の直線１９４からある角度でこれらの偏光ス
ポットを角度的に振動する。次に、１対のリレー・レン
ズ２０６が、これらの振動光線を合焦レンズ２０８に渡
す。そこで、これらの光線は検査セル２１０に合焦され
る。そこから、これらの光線は、集光レンズ２１２を通
過し、ウォラストン・プリズム２１４（軸はノマルスキ
・プリズムの軸と整列している）を通過し、追加のレン
ズ２１６を通って、直角偏光された２本の光線がそれぞ
れ光検出器２１８及び２２０に向かう。そこから、これ
らの光線は差動増幅器２２２に供給される。その出力
を、図１１の波形２３２及び２３４で示す。

【００５９】図１０に示したシステムは、消光原理に基
づいて動作し、図１のシステムに関して前述したように
波形２３２及び２３４が発生する。差動増幅器２２２か
らの出力は、プロセッサ（図示せず）に供給されて、デ
ィジタル信号に変換され、さらに前述のように解析され
る。

【００６０】検査セル２１０を通過する粒子は、双極信
号バーストを発生する。このバーストは、粒子が領域内
にある限り持続する。上述したように、個々の信号は、
図１に関して前述したものと同じ非対称双極信号であ
る。図１に関して述べたのと同じ数式を使って、このバ
ースト内の個々の信号を解析すると、この領域を通過す
る粒子の経路を得ることができる。振動領域内にない粒
子から不完全な信号が発生する場合、それらの信号は無
視され、２つの完全な双極信号の欠如によってそれが識
別される。

【００６１】図１２、図１３、図１４には、非流動（ま
たは未知の流れ方向）粒子について単一の光線が何回も
振動させられる本発明の別の実施例を示す。このシステ
ムでは、各振動方向が直交するように１対の光線振動手
段が配置されている。単一の光線を直交する２つの方向
で迅速に振動させることによって、粒子の位置に関する
情報が得られる。

【００６２】図１２に示したシステムでは、１対の音響
光学変調器３００及び３０２が、一方の変調器がＸ方向
で単一の光線を振動させ、他方の変調器がＸ方向に振動
光線をＹ方向で振動させるように、対向している。その
結果（図１３参照）、光線３０４は検査セル３０６内で
円形経路をとる。光線３０４の振動経路を横切る粒子
は、その粒子が時刻ｔ０で（図１４に示す）振動パター
ンと交差するとき、最大信号を発生する。振動された領
域を横切って運動する粒子は、（たとえば、ｔ０及びｔ
１で）２つの最大信号を発生する。それらの信号の半値
幅から、上述したように、焦点外れ距離が求められ、一
方、振動信号に対する信号ピークのタイミングは、振動
パターンに沿った入口点及び出口点を示す。

【００６３】パターンに入るがそこから出ない粒子、ま
たはパターンのごく近くまで近づくがそこに入らない粒
子は、１つのピークしか生じないので、区別し無視する
ことができる。図１３ｂに示すようなより複雑な振動パ
ターンが示された場合、振動パターン内での粒子の位置
に関する追加の情報を得ることができる。図の振動パタ
ーンは、基本振動数の異なる倍音である、ｘ及びｙ方向
の振動数を使用する（すなわちリサージュ・パターンを
作成する）ことによって得ることができる。

【００６４】＜由来＞第１部光学系の説明この由来では、２本のガウス形光線を通過する粒子から
差分干渉信号が発生したと仮定する。これらの光線の各
パラメータは以下の通りである。スポット：＝１０（ミクロン単位で表したスポット・サ
イズ（１／ｅ²強度））：＝「であると定義される」

【００６５】スポット・サイズ（または直径）は、強度
が光線の中心でのピーク強度の１３．５３％となる、焦
面内の光線の直径を挟んで向き合った両辺上の２つの点
の間のミクロン数である。両光線は同じスポット・サイ
ズをもつと仮定する。

【００６６】ｗ₀：＝スポット／２（ミクロン単位で表
したビーム・ウェスト）ビーム・ウェストはスポット・サイズの半分である。

【００６７】スペーシング：＝１５（ミクロン単位で表
したスポットの中心間スペーシング）検査すべき容積中を伝搬するとき両光線は平行である。
それらの光学軸間の距離（ミクロン）がスペーシングで
ある。

【００６８】ねじれ角：＝１７π／１８０（中心線とｙ
軸（すなわち、粒子の流れ経路）の間のラジアン単位で
表した角度）２本の光線の中心軸または光学軸は平面を定義する。検
査されている媒体は、いずれかの光線に垂直に運動し、
流れ方向と、２本の光学軸によって形成される平面との
間の角度がねじれ角の補角になると仮定する。たとえ
ば、ねじれ角が０度の場合、可能な軌跡は、次々に両光
線の中心を通過するものになる。ねじれ角が大きくなる
につれ、１つの光線の光学軸を通過する粒子は第２の光
学軸からより大きな量だけはずれるようになる。

【００６９】ｚ軸はいずれかの光線の光学軸に平行であ
る。ｙ軸は、検査されている物質の流れの方向に平行で
ある。原点は、２つの光線の中点にある焦面内にとる。

【００７０】λ：＝０．７８レーザ波長（ミクロン）ｎ：＝１．３３液体の屈折率レーザ光線が焦点から離れるときに広がる速さは、レー
ザ光線の波長、及び検査されている媒体の屈折率に依存
する。

【００７１】ｚ₀：＝ｗ₀ ²・ｎ・π／λ 焦点の深さ（ミクロン単
位）ｚ₀＝１３３．９２焦点の深さは、スポット面積が焦点でのスポット面積の
２倍になる、焦面のいずれかの側面上の距離である。こ
れはレイリー・レンジとも呼ばれる。

【００７２】第２部測定パラメータ通常の場合、粒子は、２本の光線の２つの光路の間の位
相差を測定する検出器から２つの順次パルスを発生す
る。これらの２つのパルスは、粒子が第１の光線、続い
て他方の光線を通過するとき発生する。一般的に言っ
て、一方のピークは正になり、他方は負になる。第１の
ピークが正になるか否かは、粒子の相対的屈折率、及び
光学及び電子工学の符号規約に依存する。この誘導で
は、第１のパルスが正であると仮定する。この解析で使
用する５つの測定パラメータは以下の通りである。１）Ｔ_diff 第１のピークと第２のピークの間の遅延時
間２）Ｔ１第１のピークがそのピーク振幅の５０％より
大きかった時間の長さ（半値幅）３）Ｔ２第２のピークがその最小振幅の５０％より大
きかった時間の長さ４）Ｐｅａｋ１第１ピークの最大値５）Ｐｅａｋ２第２ピークの最小値の絶対値

【００７３】第３部速度２つのタイプの正規化を実行しなければならない。第１
は、上記の遅延時間値が速度に比例して変化するからで
ある。したがって、速度情報（流れ速度及び観測された
粒子濃度を計算するのに役立つ）を抽出し、ピーク幅か
ら除去する。

【００７４】速度：＝スペーシング／Ｔ_diff 測定流速ＦＷＨＭ１：＝Ｔ１スペーシング／Ｔ_diff 第１ピーク
の半値幅（ミクロン単位）ＦＷＨＭ２：＝Ｔ２スペーシング／Ｔ_diff 第２ピーク
の半値幅（ミクロン単位）

【００７５】第２に、最小ピーク高さ（絶対値）と最大
ピーク高さの（信号の非対称性）を、すべての信号につ
いて０と１の間の数になるように正規化する。

【００７６】第４部焦面からの距離粒子が焦面内にあって２本の光線のうちの一方の光学軸
を通り過ぎるとき、生ずるピークの半値幅は以下の通り
である。ＦＷＨＭ０：＝（スポット）√ｌｎ（２）ＦＷＨＭ０
＝８．３２６ミクロン

【００７７】所与の信号における２つの実際のピークの
幅の測定値が１０．４ミクロン及び１１．２ミクロン
（実験による測定値）であると仮定する。以下の式を用
いて、粒子が移動した焦面からの距離ｚを再構築するこ
とができる。ＦＷＨＭ１：＝１０．４ＦＷＨＭ２：＝１１．２ｚ：＝ｚ₀・（（ＦＷＨＭ１＋ＦＷＨＭ２）／２Ｆ
ＷＨＭ０）² −１）^1/2 ｚ＝１１０．６５７ミクロン

【００７８】この場合、粒子の軌跡は、焦面から約１１
１ミクロンであった。この結果を使って、以後の離軸計
算のためにスポット・サイズを決定する。ｗ：＝ｗ₀・（（ＦＷＨＭ１＋ＦＷＨＭ２）／２Ｆ
ＷＨＭ０）焦面から離れたビーム・ウェストｗ＝６．４８６

【００７９】第５部中心軸からの距離測定可能なパラメータから中心軸（上述のジオメトリで
はｚ軸）までの最接近距離を与える解析的解法はない。
その代わり、様々な最接近距離について各非対称性を予
め計算し、続いて、観測された非対称性を計算済みの非
対称性のテーブルと比較することによって、比較し、補
間して、実際の距離を得ることができる。まず、異なる
初期ｘ位置（ｚ軸への最接近距離）をもつ各粒子が２本
の光線を通過するときに生ずる非対称性を計算する。

【００８０】距離の数：＝６０；ｉ：＝０．．距離の数ｉはインデックス変数であり、０，１，２，．．．，６
０である。

【数３】ｘｓ：＝スペーシング（ｓｉｎ（ねじれ））／２；ｙｓ：＝スペーシング（ｃｏｓ（ねじれ））／２

【００８１】変数ｘｓ及びｙｓは、以下の式を簡単にす
るために使用される関数である。２本の光線の光学軸は
（ｘｓ，ｙｓ）及び（−ｘｓ，−ｙｓ）で焦面と交差す
る。

【００８２】焦面内の粒子によって発生される信号は信号（ｘ，ｙ）：＝ｅｘｐ［−（（ｘ−ｘｓ）²＋（ｙ−ｙｓ）²）／ｗ²］ −ｅｘｐ［（−（ｘ−ｘｓ）²＋（ｙ−ｙｓ）²）／ｗ²］この信号は、２本の異なる光線の各振幅を表す２つのガ
ウス関数の差である。

【００８３】所与の離軸距離ｘについて信号のピークの
値を見つけるために、ｙに関して信号の微分をとり、こ
れを０に等しく置き、位置ｙについて解く。２つのピー
クがあるので、導関数が０になる位置は２つ可能であ
る。第１の値を得るためにｙに関するスペーシングの初
期値を使用する。ｙ：＝スペーシング／２
ｙ値の初期推定値

【数４】

【００８４】負のピークについても同じことを行う。ｙ：＝−スペーシング／２
ｙ値の初期推定値

【数５】

【００８５】正のピークと負のピークの比は、最接近距
離での非対称性を与える。

【数６】

【００８６】第６部サイズ補正粒子の軌跡を得る目的は、粒子が２本の光線のちょうど
中心を通らなかったことから生ずる信号サイズの誤差を
除去することである。これは、補正係数を計算すること
によって達成される。この補正係数とは、粒子信号の２
つのピークのうちの大きい方の高さにその値をかける
と、粒子が精密にｚ軸を通過した（それによって対称信
号が生じ、正のピークと負のピークは等しいサイズにな
る）場合に生ずるはずのピーク高さが得られるような倍
数である。

【数７】

【００８７】第７部容積補正次に、所与のサイズの粒子を見ることができる最大離軸
距離を計算する。これによって、そのサイズの粒子の有
効検査容積が設定される。

【００８８】たとえば、水中のポリスチレン球（しばし
ば較正に使用される）は、粒子直径の三乗に比例する位
相信号を発生する。直径ｓｉｚｅ１の粒子は、ｙ−ｚ平
面から距離ｘ１の所で検出可能であることが分かってい
る。このとき、直径ｓｉｚｅ２の異なる粒子は、ｙ−ｚ
平面から距離ｘ２の所で検出可能なはずである。ただ
し、ｘ２は次の関係式を満たし、検出可能最小ピーク：＝（ｓｉｚｅ１³）（ｓｉｇｎａｌ（ｘ１，ｂ１））＝（ｓｉｚｅ２³）（ｓｉｇｎａｌ（ｘ２，ｂ２））ｂ１及びｂ２は、それぞれ各粒子の２つのピークの小さ
い方を達成するための各ｙ位置である。サイズが大きく
なるにつれて、粒子が検出できるｙ−ｚ平面からの距離
は大きくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】粒子の軌跡の決定を可能にする、本発明の一実
施例の概略図である。

【図２】粒子流れ経路を決定するために使用される光線
の関係を示す詳細図である。

【図３】図１のシステムで異なる２つの粒子軌跡から生
ずる２つの波形を示す。

【図４】１対の調査用光線の焦面を通る１つの粒子、及
び焦面から外れた流れ経路をもつ別の粒子を示す、粒子
流れ経路の側面図である。

【図５】図４に示した流れ経路軌跡から生ずる１対の波
形図である。

【図６】単一の振動光線を使って粒子軌跡を決定する、
本発明の別の実施例の概略図である。

【図７】図６の実施例の動作の理解に役立つ波形図であ
る。

【図８】このシステムの信号から人工物を除去すること
のできるフィードバック・ネットワークの概略図であ
る。

【図９】音響光学セルの応答曲線、及び図８のシステム
で応答曲線をどのように使って補正信号を提供するかを
示す図である。

【図１０】粒子軌跡の方向が未知のときに、１対の振動
光線を使って粒子軌跡を決定する、光学系を示す本発明
の別の実施例である。

【図１１】図１０の動作の理解に役立つ２つの波形図で
ある。

【図１２】単一の光線が１対の直交する方向に振動す
る、本発明の別の実施例の概略図である。

【図１３】図１２の実施例で使用できる振動の方向を示
す図である。

【図１４】図１２のシステムから得られる１対の波形を
示す図である。

【符号の説明】

１０レーザ１４ミラー１６波長板１８ビーム拡大器２０，３８ノマルスキ・ウェッジ２６レンズ２８フロー・セル３６合焦レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ドナルド・マイケル・ドケーンアメリカ合衆国10021、ニューヨーク州ニューヨーク、イースト・セブンティーセブンスストリート 345番地、アパートメント６ジー (72)発明者フィリップ・チャールズ・ダンビー・ホッブスアメリカ合衆国10510、ニューヨーク州ブライアクリフ・マナー、オーチャード・ロード 55番地 (72)発明者マーク・アラン・タウンベンブラットアメリカ合衆国10570、ニューヨーク州プレザントヴィル、リーランド・アベニュー 67番地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】決定可能な方向をもつ流れ経路内での粒子
の位置を決定するための装置であって、最初は互いにコヒーレントであるが偏光が異なる、第１
及び第２の実質的に平行な光線を前記流れ経路に送る手
段であって、前記第２光線が、前記の決定可能な方向と
鋭角のねじれ角で交差する軸に沿って前記第１光線から
ずれており、光線中を通過する粒子が、前記光線の光学
軸からの粒子の距離が増加するにつれて減少する位相シ
フトを前記光線内で誘発するという光線伝達手段と、前記流れ経路から離れた後に前記両光線がとる経路内に
位置する、前記両光線を結合するための再結合手段であ
って、前記光線内の位相シフトにより前記の結合された
光線が第１及び第２の偏光軸をもつ楕円偏光を示すとい
う再結合手段と、前記両楕円偏光軸の一方の強度を感知して位相シフト信
号を提供する検出器手段と、粒子が前記流れ経路内で前記の第１及び第２の光線を通
り抜けて移動したことから生ずる位相シフト信号を蓄積
し、前記第２の光線から導出された位相シフト信号から
前記第１の光線から導出された位相シフト信号を減算し
て、前記流れ経路内の前記粒子の位置を示す非対称値を
決定するための処理手段とを含む装置。
【請求項２】前記両光線が実質的に同じ直径を有し、ｘ
方向及びｙ方向の両方向で互いにずれており、両光線が
ｘ方向に沿って光線直径の０．０５−０．３５倍の範囲
の距離だけ離れていることを特徴とする、請求項１に記
載の装置。
【請求項３】前記位相シフト信号が連続する双極ピーク
を示し、前記粒子が中心流れ経路からずれた場合に、前
記の一方のピークが第２のピークより低い絶対振幅を示
すことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項４】前記処理手段が、前記中心流れ経路からの
粒子の異なる距離に対する非対称値のテーブルを記憶
し、前記の決定された非対称値及び前記テーブルに記憶
された非対称値を使って、前記中心流れ経路に対する前
記粒子の位置を決定することを特徴とする、請求項１に
記載の装置。
【請求項５】前記検出手段が、前記の結合された光線から２本の光線、すなわち前記第
１偏光軸をもつ１本の光線と前記第２偏光軸をもつ第２
の光線とを発生する手段と、前記第１及び第２の光線の強度を検出するためのセンサ
手段と、前記センサ手段に応答して、前記検出強度から共通モー
ドの雑音を消去するための差動手段とを含むことを特徴
とする、請求項１に記載の装置。
【請求項６】流れ経路内での粒子の位置を決定するため
の装置であって、最初は互いにコヒーレントであるが偏光が異なる、第１
及び第２の実質的に平行な光線を前記流れ経路内の焦面
に送る手段であって、前記両光線が前記流れ経路に沿っ
て互いに変位しており、光線を通過する前記流れ経路内
の粒子が前記光線の位相シフト及び消光の変化を誘発す
る、光線伝達手段と、前記流れ経路から離れた後に前記両光線がとる経路内に
位置する、前記両光線を結合するための再結合手段であ
って、前記光線内の位相シフトにより前記の結合された
光線が第１及び第２の偏光軸をもつ楕円偏光を示すとい
う再結合手段と、前記両偏光軸の少なくとも一方の強度を感知して位相シ
フト信号を提供する検出器手段と、粒子が前記流れ経路内で移動したことから生ずる前記位
相シフト信号を蓄積して、それから位相シフト波形を導
出し、前記位相シフト波形の幅特性を測定し、前記幅特
性から、前記焦面に対する前記粒子の位置の指示を導出
するための処理手段とを含む装置。
【請求項７】前記位相シフト信号が連続する双極ピーク
を示し、前記処理手段が、前記の連続ピークの測定され
た幅特性と、前記粒子が前記焦面で前記両光線と交差し
た場合に発生するはずの位相シフト信号の決定された幅
特性とを使って補正係数を導出し、さらに、前記処理手
段が、前記の導出された補正係数を前記の導出された位
相シフト波形と組み合わせて、前記粒子が前記焦面を通
過した場合に発生する波形の特性を得ることを特徴とす
る、請求項６に記載の装置。
【請求項８】前記検出手段が、前記の結合された光線から２本の光線、すなわち前記第
１偏光軸を示す１本の光線と前記第２偏光軸を示す第２
の光線とを発生する手段と、前記の第１及び第２の光線の強度を検出するためのセン
サ手段と、前記センサ手段に応答して、前記の検出された各強度か
ら共通モードの雑音を消去するための差動手段とを含む
ことを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項９】粒子の流れの方向経路が決定されていない
フロー・セル内での粒子の位置を決定するための装置で
あって、最初は互いにコヒーレントであるが偏光が異なる、第１
及び第２の実質的に平行な光線を前記フロー・セルに送
る手段であって、前記両光線がある軸に沿って互いに変
位しており、光線と交差する前記セル内の粒子が前記光
線の強度の変化を誘発する光線伝達手段と、前記の軸に関してある角度をなす方向で前記フロー・セ
ルを横切って前記両光線を周期的に移動するための振動
手段と、一方の検出手段が前記第１の光線の強度に応答して第１
の出力を発生し、他方の検出手段が前記第２の光線の強
度に応答して第２の出力を発生する１対の検出手段と、前記の第１の出力と第２の出力を結合して合成信号を提
供する手段と、粒子が振動光線と交差したことから生ずる前記合成信号
を蓄積して、それから波形を導出し、前記波形から前記
粒子の位置を決定するための処理手段とを含む装置。
【請求項１０】前記振動手段が、前記両光線を同時に前
記方向に沿って往復移動させて、少なくとも一方の前記
光線を前記粒子と交差させることを特徴とする、請求項
９に記載の装置。