JPH0762648B2 - 光学式サブミクロン粒子検出器 - Google Patents

光学式サブミクロン粒子検出器

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JPH0762648B2
JPH0762648B2 JP4341973A JP34197392A JPH0762648B2 JP H0762648 B2 JPH0762648 B2 JP H0762648B2 JP 4341973 A JP4341973 A JP 4341973A JP 34197392 A JP34197392 A JP 34197392A JP H0762648 B2 JPH0762648 B2 JP H0762648B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、サブミクロン級の粒子
を感知する粒子検出器に関し、更に具体的には、チェン
バまたはある領域内の上記粒子を感知する粒子検出器に
関する。
【０００２】
【従来の技術】粒子を検出しカウントするための計器
は、半導体及び半導体パッケージの製造で不可欠なプロ
セス制御ツールである。こうした計器の大部分は、テス
ト中の領域からカウンタの活性領域を通して少量の流体
（気体または液体）を引き出し、サンプル中の粒子をカ
ウントする、サンプリング技法を使用している。流速が
わかっており、粒子が失われたりサンプリング用チュー
ブの壁面から捕獲されたりすることがないとすると、こ
うした計器は粒子濃度の妥当な正確さの推定値を与え
る。しかし場合によっては、粒子濃度を知るため、囲壁
内から或る容積の流体の領域をサンプリングできないこ
ともある。こうした領域の例は、（サンプリングする流
体のない）真空チェンバや、サンプリング用プローブの
挿入が現実には不可能な炉である。全流体容積が小さく
（たとえば、磁気ディスク・ドライブ内部）、そのため
にサンプル流が通常の空気交換に比べて大きくなる場合
にも、サンプリング・プロセスで誤った結果が出ること
がある。上記の場合は、粒子のカウントが低くなる。
【０００３】従来の技術で、微視的粒子の遠隔検出用の
光学システムがいくつか例示されている。米国特許第４
７３７６５２号は、参照ビームと検査用ビームがテスト
・領域中を通過して遮断され、これを検出して検査用ビ
ーム中での粒子の存在を調べる、光学システムを例示し
ている。参照ビームを検査用ビームと類似の環境中を通
過させることによって、共通モードのノイズ及び検査用
ビームのその他の摂動を除去することができる。
【０００４】米国特許第４４９２４６７号には、粒子か
ら反射された、後方散乱された円偏光を評価する、球形
粒子の大きさを調べるシステムが記載されている。この
システムは、後方散乱光の角強度分布を測定し、これを
粒子の大きさに変換している。
【０００５】米国特許第４３６５８９６号には、閉じた
領域を調べるために使用されるビームで起こる光学的減
衰を補正するシステムが開示されている。
【０００６】米国特許第４９８６６５９号は、散乱光の
位相と強度を使って、微視的粒子の大きさと速度を測定
する方法を記載している。この特許のシステムは、位相
ドップラー速度計に類似しており、１対のコヒーレント
な同一周波数の光線を、試験する領域内で交差させて、
交点で干渉パターンを作成させる。干渉領域からの粒子
によって散乱された光を調べることにより、粒子の存在
を検出する。上記特許は、散乱光を光検出器に送って、
ドップラー・バーストの位相を検出することを開示して
いる。さらに、ドップラー・バーストの振幅を検出し
て、粒子の大きさを決定することができる。
【０００７】上記特許に記載のシステムと類似したシス
テムが、米国特許第４３７３８０７号に記載されてい
る。ただし、交差するビームのうちの１本はブラッグ・
セルによってその周波数が音響光学的に改変される。そ
の結果、交差ビームによって生じる干渉パターンは、ビ
ーム間のうなり周波数で縞運動を示し、その中に粒子が
存在すると、うなり周波数からドップラー周波数だけ外
れた信号が生じる。米国特許第４９８６６５９号もその
第４３７３８０７号も、ビーム・スプリッタを使ってそ
の二重ビームを実現しており、規定のビーム交差領域を
実現するにはそのシステムの非常に精密な位置合せが必
要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の一目的は、光
学システムの高精度の位置合せが不要な、サブミクロン
粒子検出器を提供することである。
【０００９】本発明の他の目的は、粒子からの弱い信号
と表面散乱光や他の迷走光からのずっと強い信号を区別
することのできる、改良型の光学式粒子検出システムを
提供することである。
【００１０】本発明の他の目的は、前方散乱光エネルギ
ー及び後方散乱光エネルギーで動作できる、改良型の光
学式粒子検出システムを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の上記その他の目
的は、下記のような、閉じた領域内での粒子の存在を決
定する粒子検出器によって達成される。この粒子検出器
は、周波数ｆの変調周波数源と、上記変調周波数源に結
合された、コヒーレントな光ビームを、共通な１つの起
点を有する第１及び第２のビームに分割し、上記第１の
光ビームを上記第２の光ビームの周波数から上記変調周
波数源の周波数だけずれた周波数にし、さらに上記第１
の光ビームを上記第２の光ビームの経路から偏向させ
る、音響光学式手段と、上記コヒーレントな光ビームを
経路に沿って上記音響光学式手段に送るレーザ手段と、
上記の起点を閉じた領域内に結像させ、それによって上
記第１及び第２の光ビームを上記の閉じた領域内の相互
作用領域で交差させ干渉させる光学手段と、粒子が上記
相互作用領域を通過するときに生じる散乱光エネルギー
に応答して、その中のドップラー・シフトされた光バー
ストを感知し、上記のドップラー・シフトされた光バー
ストを表わすドップラー・トーン・バーストを含む電気
信号を発生させる検出器手段と、上記電気信号を処理し
て、ドップラー・トーン・バーストの包絡線を表す信号
を抽出し、上記相互作用領域内での粒子の存在を決定す
る処理手段とを備える。
【００１２】本発明の一実施例は、一方のビームの周波
数を他方のビームからシフトさせて、搬送信号の存在を
決定することのできる、音響光学式変調器を含んでお
り、この搬送信号上で、粒子によって誘発されたドップ
ラー周波数が変調される。もう１つの実施例は、粒子か
らの後方散乱のドップラー変調に基づいて、検出器の所
で干渉パターンを発生させるものである。
【００１３】
【実施例】図１に、前方散乱を使って閉じた領域内での
粒子の存在を調べる、光学システムを示す。レーザ１０
が偏光された光ビームを発生し、それがレンズ１２によ
ってビーム・スプリッタ１４上に合焦される。図１に示
した好ましい実施例ではヘテロダインの原理を使用し、
したがってビーム・スプリッタ１４はブラッグ・セルの
ような音響光学式装置である。
【００１４】ブラッグ・セル１４は、局部発振器１５か
らの信号を印加すると、送られたビーム１８の他のビー
ム１６を発生し、ビーム１６の周波数が局部発振器１５
によって印加された信号によって変調される。すなわ
ち、局部発振器１５の周波数が８０ＭＨｚの場合、ビー
ム１６の光周波数はビーム１８の光周波数と８０ＭＨｚ
異なるようになる。
【００１５】ビーム１６と１８は、レンズ２０によって
窓２６を通して閉じた領域２２中に合焦される。領域２
２内には粒子２４が存在する。レンズ２０は、ブラッグ
・セル１４内のビーム１６の起点を領域２２中に結像さ
せるように位置決めされる。レンズ２０を使ってビーム
１６の起点を結像させることにより、ビーム１６と１８
はレンズ２０の焦点距離のみに依存して、必ず領域２２
内の既知の点で交差することになるため、従来技術で見
られた位置合せの問題がなくなる。（領域２２内の）ビ
ーム１６と１８のオーバラップ領域がビーム焦点を含む
ように、レーザ１０からのビームをブラッグ・セル１４
の中心に合焦させることが好ましい。ブラッグ・セル１
４の受容角は、比較的小さいはずなので、その合焦は一
般に弱く、焦点深度は大きい。したがって、ブラッグ・
セル内での焦点の位置決めは容易に行える。ビーム１６
と１８の交差領域の開口数は、望みの大きさにすること
ができる。
【００１６】交差領域を通過した後、ビーム１６と１８
は窓２８を通り、ビーム１６はビーム・ダンプ３０で吸
収され、ビーム１８はフォトセル３２に向う。フォトセ
ル３２からの出力は信号プロセッサ３４に送られて粒子
２４の存在が示される。
【００１７】図２では、ビーム１６と１８が領域２２内
のその交点にあるとして示されている。ビーム１６はビ
ーム１８と、ブラッグ・セル１４に印加される変調周波
数だけ周波数が異なるので、ビームの交差領域には、移
動する縞模様３６が発生する。この縞は、矢印３８の方
向に、変調用発振器１５の周波数によって決まる速度で
移動する。したがって、粒子２４が交差領域３６に入る
とき、移動する縞模様中を通る粒子の移動によって、ビ
ーム１８の光周波数にドップラー・シフトしたバースト
が誘発される。このドップラー・シフトの量は、交差領
域３６を通過するときの粒子２４の速度に関係する。フ
ォトセル３２が、光エネルギーのこの前方散乱バースト
に応答して、局部発振器１５の変調周波数に対して粒子
２４によって生じる最大予想ドップラー・シフトをプラ
ス又はマイナスしたものを包絡する周波数成分を有する
電気信号を発生する。
【００１８】図３に、信号プロセッサ３４内の回路の一
実施例の概略図を示す。フォトセル３２はその出力を増
幅器５０に送り、増幅器５０の出力が帯域フィルタ５２
を通って送られる。この例では、局部発振器周波数が８
０ＭＨｚと仮定し、したがってフィルタ５２の中心周波
数も８０ＭＨｚである。フィルタ５２の出力は増幅器５
４で増幅され、ミキサ５６に送られる。ミキサ５６には
局部発振器１５からの８０ＭＨｚの変調信号も印加され
る。これは、ブラッグ・セル１４に印加されるのと同じ
信号である。その結果、ミキサ５６からの出力は、粒子
２４が交差領域３６を通過した時に発生するドップラー
・トーン・バーストの包絡線を含むベースバンドうなり
周波数となる。このドップラー・トーン・バーストは２
００Ｈｚの高帯域フィルタ５８を通過して、直流、及び
領域２２の壁面と窓２６及び２８からの反射によって生
じる他のゆっくり変化するレベル、ならびに電子的オフ
セット及びドリフトがそこで除去される。
【００１９】フィルタ５８からの出力は次に低帯域フィ
ルタ６０（６ＫＨｚ）に送られる。フィルタ６０はシス
テムの検出帯域幅を設定し、その帯域幅外の外来性ノイ
ズを除去する。フィルタを通った信号は検出器６２で検
出され、ベースバンド信号として閾値検出器６４に送ら
れる。ベースバンド信号の瞬間レベルが閾値検出器６４
内の事前設定された閾値を越える場合、粒子の存在を示
す出力が線６６上に現れる。
【００２０】図４には、ドップラー・トーン・バースト
から包絡線のリップルを減少させることのできる別の信
号プロセッサの実施例を示す。図４では、局部発振信号
をミキサ５６に送られた局部発振器信号から９０度変位
させるチャネルを追加して、図３の回路が増補されてい
る。位相シフトした局部発振器信号を得るため、局部発
振器１５からの出力が９０度位相シフタを通過してか
ら、ミキサ５６に並列に接続されたミキサ７２に印加さ
れる。その結果得られる位相シフトしたうなり周波数
（包絡線の形は位相シフトしていない）がフィルタ７
４、７６及び検出器７８（フィルタ５８、６０及び検出
器６２と同じ）に印加される。検出器６２と７８の出力
が加算器８０で合成され、次いで閾値検出器６４に印加
される。２つの同じドップラー・トーン・バースト（一
方の搬送波が他方より９０度シフトしている）の全波整
流後の加算により、ドップラー包絡線のリップルの大幅
な減少が得られる（ＲＭＳ加算器は包絡線のリップルを
さらに減少させることができる）。その結果、閾値検出
器６４からの出力は、ビーム交差領域中の粒子のより正
確な検出を示す。
【００２１】図１のシステムはまた、ブラッグ・セル１
４をビーム・スプリッタで置き換えると、ホモダイン・
システムとしても動作できる。この場合、フォトセル３
２で検出される信号は、粒子２４と１組の静止した干渉
縞との間の相互作用の結果生じる、ドップラー周波数で
ある。信号プロセッサ３４内の回路は、帯域フィルタ５
２とミキサ５６を省略して修正されている。他の点で
は、信号プロセッサ回路は図３に示したものと類似して
いる。音響光学式変調器の代わりにビーム・スプリッタ
を使用する検出システムは、いくつかの欠点（たとえ
ば、迷走光の影響を受けやすいこと、６０Ｈｚのピック
アップ及びマイクロホン雑音）を示す。
【００２２】図５には、閉じた領域内の粒子から反射さ
れた散乱光に基づく粒子検出器の実施例を示す。レーザ
１００が、高度に偏光したビーム１０２を発生し、それ
が偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）１０４に向う。ビ
ーム１０２の偏光の方向は、偏光面１０６の偏光角と直
角の成分を有し、したがってビーム１０２の小部分が反
射されて誘電性逆反射板１０８に向かう。ビーム１０２
の残りの部分は、偏光面１０６によって妨害されず、ビ
ーム１０９として四分の一波長板１１０に送られる。四
分の一波長板１１０の直交軸はビーム１０９の偏光角に
対して４５度の向きにある。その結果、四分の一波長板
１１０から出るビームは円偏光され、右回りまたは左回
りの回転を示す。
【００２３】こうして円偏光されたビームはレンズ１１
２を通過し、１対の走査ミラー１１４と１１６（ラスタ
走査を生じる）で反射されて、ビーム１１８を生じ、そ
れが窓１２２を通って領域１２０に入る。領域１２０内
の粒子が十分に速く移動している場合、走査ミラー１１
４と１１６の一方または両方を省略して、ビームを直接
に領域内に導入することができる。
【００２４】粒子１２６が走査されたビーム１１８中を
通過する場合、破線で示したビーム１２８の方向に戻る
反射または散乱光にドップラー・シフトが課される。こ
の反射のために、ビーム１２８の回転の方向がビーム１
１８と逆になる。ビーム１２８が四分の一波長板１１０
に出会うと、そこから出たビーム（ビーム１３０）は直
線偏光されるが、ビーム１０９と直交する角度の向きに
なる。このように、ビーム１３０は偏光面１０６で反射
されて下方にウォラストン・プリズム１３２に向かう。
当業者なら、ウォラストン・プリズム１３２の代わりに
他の偏光ビーム・スプリッタを使用できることが理解で
きよう。
【００２５】この間に、逆反射板１０８は、偏光ビーム
・スプリッタ１０４で上方に反射された入射ビーム１０
２の小部分を、ビーム１３４として反射して戻させる
（それ自体に逆平行）。ビーム１３４が入射ビーム１０
２と全く同じ偏光であったなら、それは偏光面１０６に
よって完全に反射されることになる。しかし、逆反射板
１０８は、逆反射ビーム１３４を続けて３回直交面から
全内部反射させる働きをする。内部反射中の位相シフト
は、角度と偏光に依存するため、逆反射板１０８をその
３重対称軸の周りで回転させることによって、ビーム１
３４の偏光を大きな範囲で調節することができる。この
結果、逆反射ビーム１３４のうち、偏光面１０６を通っ
てウォラストン・プリズム１３２に送られる部分を調節
することが可能となる。
【００２６】上記のように、ビーム１３０は１つの直線
偏光角を示し、ビーム１３４はそれと直交する偏光方向
を示し、両方のビームがウォラストン・プリズム１３２
で合成され交差する。図６に、ビーム１３０及び１３４
の直角偏光位相図を示す。ウォラストン・プリズム１３
２の軸はそれらのビームに対してほぼ４５度の向きにあ
り、Ｗｙ及びＷｘで示されている。したがって、ウォラ
ストン・プリズム１３２はビーム１３６を光検出器１４
０に向かわせる。ビーム１３６は、ビーム１３０及び１
３４を表す位相図のＷｘ軸上の投影のベクトル和の絶対
値の二乗で表される瞬間強度をもつ。同様に、ウォラス
トン・プリズム１３２はビーム１３８を光検出器１４２
に向かわせる。ビーム１３８は、ビーム１３０及び１３
４の偏光位相図のＷｙ軸の投影に応じて変わる瞬間強度
をもつ。図６を検査すると、ビーム１３６及び１３８の
強度は、ビーム１３０及び１３４の位相及び振幅の変化
の結果として反対方向に変化することがわかる。すなわ
ち、ビーム１３０及び１３４のＷｘ軸上の投影は減法的
であるが、そのＷｙ軸上の投影は加法的であり、光検出
器１４０及び１４２上の強度変化が反対方向になる。
【００２７】光検出器１４０及び１４２が発生する干渉
信号の他に、干渉信号からレーザ・ノイズを除去するた
めにもう１つの信号を使用する。上記のように、反射ビ
ーム１３４（図５）の偏光状態は、逆反射板１０８を回
転させることによって調節できる。ビーム１３４の偏光
角を傾斜面１０６の偏光方向からややそらせることによ
り、ビーム１３４の一部分が反射されてミラー１４４に
向い、そこからビーム１３４’として第３の光検出器１
４６に向う。光検出器１４６からの信号は、後で理解で
きるように、光検出器１４０及び１４２の出力からレー
ザ・ノイズを除去するため、信号プロセッサ１５０内で
差分的に使用される。
【００２８】図７に、信号プロセッサ１５０が領域１２
０内での粒子の存在を指示できるようにするための主要
構成要素の構成図を示す。図５に示した後方散乱システ
ムは、反射ビーム１２８中に大きなドップラー・シフト
を誘発させることができる。これは、入射ビーム１１８
の方向に沿って半径方向に移動する粒子が、予想粒子速
度で２ＭＨｚものドップラー・シフトを生じ得るためで
ある。これは、周波数１０ｋＨｚの範囲にある図１のシ
ステムのドップラー・シフトとは対照的である。これ
は、ドップラー・シフトの周波数が２ｓｉｎ（θｓ／
２）に比例することに気付けば、理解できよう。ただ
し、θｓは入射ビームと粒子で散乱されたビームの間の
角度である。前方散乱角が約０．５度の場合、この正弦
関数の値は０．０１であり、後方散乱が１８０度の場
合、その値は２である。したがって、後方散乱システム
の方がドップラー・シフトは２００倍大きくなる。
【００２９】図５のシステムでドップラー周波数の範囲
が大きい結果、予想ドップラー信号帯域幅を、遷移時間
帯域幅と大体同じ帯域幅のより小さなバンドに分割し、
各バンド中で別々にトーン・バーストを検出することに
より、感度面で利益を得ることができる。
【００３０】図７で、光検出器１４０、１４２、１４６
はそれぞれ信号をノイズ除去回路１５２に供給する。光
検出器１４６からの電流の一部が、光検出器１４０及び
１４２から誘導される電流の差から差し引かれ、そのた
めその中に存在するレーザ・ノイズ成分が減少する。そ
の結果生じる信号が次に増幅器１５６中で増幅され、フ
ィルタ１５８及び１６０を通過する。フィルタ１５８
は、検出回路の帯域幅上限を設定し、フィルタ１６０
は、ドップラー信号から低周波数成分を除去する。これ
は、ミラー１１４及び１１６（図５）によるビーム１１
８の走査によって、かなりのスペックルが領域１２０の
後壁からの反射の結果、システムに送り戻されるので、
重要である。これらの信号は、（大部分の粒子の走行時
間帯域幅及びドップラー・シフトに比べて）低周波数で
あり、フィルタ１６０によって除去される。
【００３１】フィルタを通ったドップラー信号は、さら
にフィルタ１６２、１６４と１６６、１６８によって複
数の周波数帯域に分割される。各フィルタの出力が検出
され、図３及び図４に示す方式で閾値比較機構に送られ
る。すなわち、ドップラー信号がダイナミック・レンジ
のどこにあるかに応じて、上記のフィルタの１つがドッ
プラー・トーン・バーストの包絡線を表す信号を分離し
て検出し、この検出した包絡線を表す信号を閾値比較機
構に送り、それによって領域１２０内での粒子の存在が
決定できる。
【００３２】ウォラストン・プリズム１３２を使って参
照ビーム１３４と散乱ビーム１３０を干渉させる代り
に、この２本のビームの偏光ベクトルに対してその軸が
ある角度の向きになっている偏光器を使用してもよい。
図７及び８を参照すると、偏光器２００は、ほぼ散乱光
の偏光軸に沿った向きになっている（図８参照）。この
ような向きにすると、大部分の散乱光が偏光器２００を
通過して検出器２０に向うようになり、散乱光子の損失
によって生じる信号雑音比の低下が最小になる。この向
きにすると、偏光器２００は参照ビーム１３４中の光の
大部分を吸収する。しかし、参照ビーム１３４はレーザ
出力全体の小部分しか含まないので、偏光器中での損失
を補償するようにその強度を増加させても、システムの
感度は目立って減少しない。しかし、レーザ出力を増大
させると、システムのコストが増大する。信号プロセッ
サ２０４は、ノイズ除去回路１５２への光検出器の１つ
の入力が除去される点を除き、図７に示したものとほぼ
同じである。
【００３３】当業者ならわかるように、図１の粒子検出
器は、ヘテロダイン型とホモダイン型の両方が記載され
ている。図５及び８の粒子検出器はホモダイン型であ
る。しかし、適当な音響光学的変調手段と局部発振器を
組み込むことにより、ヘテロダイン方式でも動作でき
る。信号プロセッサには、変調信号を除去し、所望のド
ップラー・トーン・バーストを含む中間周波数信号を発
生するための復調回路も必要となる。
【００３４】図１、５及び８のシステムを使って、粒子
寸法の情報を得ることもできる。いずれかの実施例で粒
子が相互作用領域と交差するとき、フォトセルで散乱光
のバーストを発生し、フォトセルは粒子の走行時間の間
持続するパルスまたはトーン・バーストを発生する。粒
子軌跡が与えられている場合、パルスの振幅は粒子寸法
である。したがって、パルス高の解析によって、粒子を
寸法別に分類することができる。バースト信号の振幅を
粒子寸法と関係付ける曲線は、図１に示した前方散乱光
システムの場合、単調である。しかし、図５及び８のシ
ステムでは、後方散乱光が共鳴を示し、その曲線が予測
しにくいものになる。とはいえ、振幅測定による寸法の
測定は、共鳴のために小さな粒子に見える大きな粒子が
いくつかあることを思い起こす限り、図５及び８のシス
テムでも有用である。
【００３５】以上の説明は本発明を例示するものにすぎ
ないことを理解されたい。当業者なら、本発明から逸脱
することなく、様々な代替例及び修正例を考案できよ
う。したがって、本発明は、頭記の特許請求の範囲に含
まれるすべての代替例、修正例及び変形を包含するもの
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施した粒子検出器の一実施例の概略
図である。
【図２】図１のシステムにおいて、光ビームの交差によ
って生じる干渉パターンを示す図である。
【図３】図１のシステムにおいて、サブミクロン級の寸
法の粒子の存在を検出するための信号プロセッサの第１
の実施例を示す図である。
【図４】図１のシステムにおいて、サブミクロン級の寸
法の粒子の存在を検出するための信号プロセッサの第２
の実施例を示す図である。
【図５】後方散乱された光エネルギーに基づく、本発明
を組み込んだ粒子検出器の別の実施例の構成図である。
【図６】図５のシステムにおいて、光ビームの偏光状態
と、光ビームが入射するウォラストン・プリズムの光学
軸を示す位相図である。
【図７】図５のシステムにおいて、サブミクロン級の寸
法の粒子の検出を可能にする信号プロセッサを示す図で
ある。
【図８】本発明を実施した後方散乱粒子検出器の別の実
施例を示す図である。
【図９】図８の動作を理解する上で有用な位相図であ
る。
【符号の説明】
１０ レーザ １２ レンズ １４ ビーム・スプリッタ １５ 局部発振器 ２０ レンズ ２２ 閉じた領域 ２４ 粒子 ２６ 窓 ２８ 窓 ３０ ビーム・ダンプ ３２ フォトセル ３４ 信号プロセッサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドナルド・マイケル・ド＝カーン 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77番ストリート345、 ６ジー号 (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 ライアークリフ・マナー、オーチャド・ロ ード 55 (56)参考文献 特開 昭53−17773（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−200050（ＪＰ，Ａ) 特公 平３−37702（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許4373807（ＵＳ，Ａ)

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】周波数ｆの変調周波数源と、 上記変調周波数源に結合された、コヒーレントな光ビー
    ムを、共通な１つの起点を有する第１及び第２のビーム
    に分割し、上記第１の光ビームを上記第２の光ビームの
    周波数から上記変調周波数源の周波数だけずれた周波数
    にし、さらに上記第１の光ビームを上記第２の光ビーム
    の経路から偏向させる、音響光学式手段と、 上記コヒーレントな光ビームを経路に沿って上記音響光
    学式手段に送るレーザ手段と、 上記の起点を閉じた領域内に結像させ、それによって上
    記第１及び第２の光ビームを上記の閉じた領域内の相互
    作用領域で交差させ干渉させる光学手段と、 粒子が上記相互作用領域を通過するときに生じる散乱光
    エネルギーに応答して、その中のドップラー・シフトさ
    れた光バーストを感知し、上記のドップラー・シフトさ
    れた光バーストを表わすドップラー・トーン・バースト
    を含む電気信号を発生させる検出器手段と、 上記電気信号を処理して、ドップラー・トーン・バース
    トの包絡線を表す信号を抽出し、上記相互作用領域内で
    の粒子の存在を決定する処理手段とを備える、ある領域
    内の粒子を検出するための粒子検出器。
  2. 【請求項２】上記音響光学式手段がブラッグ・セルであ
    ることを特徴とする、請求項１に記載の粒子検出器。
  3. 【請求項３】上記光学手段が、上記の閉じた領域中の１
    つの窓を通して上記第１及び第２のビームを結像させ、
    上記検出器手段が、上記相互作用領域から発する前方散
    乱された光エネルギーを、別の窓を通って上記の閉じた
    領域から外に出るときに検出できる位置にあることを特
    徴とする、請求項１に記載の粒子検出器。
  4. 【請求項４】上記相互作用領域における上記第１ビーム
    と第２ビームの間の干渉が、上記周波数ｆに応じてその
    縞の縁部が移動する縞模様によって表され、それによ
    り、上記相互作用領域を通過する粒子が、上記相互作用
    領域中での上記粒子の移動速度に応じた周波数のドップ
    ラー・トーン・バーストを発生することを特徴とする、
    請求項１に記載の粒子検出器。
  5. 【請求項５】上記処理手段が、上記ドップラー・トーン
    ・バーストを分離する手段と、上記ドップラー・トーン
    ・バーストの包絡線を表す信号が事前に決められた限界
    を越えたかどうか判定する閾値手段とを含むことを特徴
    とする、請求項１に記載の粒子検出器。
  6. 【請求項６】上記処理手段が、さらにそれぞれ上記電気
    信号を受け取る１対の並列に接続されたミキサと、互い
    に９０度変位した周波数ｆの信号を上記ミキサに印加す
    る手段と、上記ミキサの出力を加算して、上記閾値手段
    に印加すべき平滑なドップラー・トーン・バーストの包
    絡線を表す信号を発生させる手段とを含むことを特徴と
    する、請求項５に記載の粒子検出器。
  7. 【請求項７】偏光された光ビームを発生し、それを経路
    に沿って送るレーザ手段と、 上記の偏光された光ビームを第１及び第２の直線偏光ビ
    ームに分割する、上記経路内の第１の偏光ビーム・スプ
    リッタ手段と、 上記第１ビームの直線偏光を第１の回転方向の円偏光に
    変え、上記の変えられた第１ビームを閉じた領域中に送
    って粒子と相互作用させ、その結果生じるドップラー・
    シフトされた光バーストを得、かつ上記第１ビームと上
    記粒子の相互作用から生じそして上記第１の回転方向と
    逆の回転方向の後方散乱光エネルギーに応答して、上記
    後方散乱光エネルギーを上記第２ビームの偏光方向と直
    交する偏光ベクトルをもつ直線偏光に変え、上記の直線
    偏光された後方散乱光エネルギーを上記第２ビームと合
    成すべく上記第１の偏光ビーム・スプリッタに送るため
    の、四分の一波長手段と、 上記の第２ビームと後方散乱光エネルギーの合成ビーム
    の経路中に位置し、上記の第２ビームと後方散乱光エネ
    ルギーの合成ビームの直角偏光軸に対して４５度傾いた
    直交軸を有する、第２の偏光ビーム・スプリッタ手段
    と、 上記第２の偏光ビーム・スプリッタ手段から出る１対の
    ビームに応答して、上記の閉じた領域中での粒子の存在
    を示す、上記ビーム中でのドップラー・シフトの存在を
    検出する、光学式検出手段と、 を有する、ある領域内の粒子を検出するための粒子検出
    器。
  8. 【請求項８】さらに、上記第１の偏光ビーム・スプリッ
    タ手段と連結され、上記第２ビームの経路内に位置す
    る、上記第２ビームを上記後方散乱光エネルギーと合成
    すべく上記偏光ビーム・スプリッタ手段を通って送り戻
    すための内部反射式逆反射板を備え、上記逆反射板が回
    転可能であって、上記第２ビームの偏光状態の向きを変
    えることができる、請求項７に記載の粒子検出器。
  9. 【請求項９】上記光学式検出手段が、上記ドップラー・
    トーン・バーストを分離する手段と、上記ドップラー・
    トーン・バーストの包絡線を表す信号が事前に確立され
    た限界を越えたかどうか判定する閾値手段とを含むこと
    を特徴とする、請求項７に記載の粒子検出器。
  10. 【請求項１０】上記光学式検出手段が、上記第２の偏光
    ビーム・スプリッタ手段の１つの軸に平行な光エネルギ
    ーの減算を示す信号を発生する第１の検出器と、上記第
    ２の偏光ビーム・スプリッタ手段の直交軸に平行な光エ
    ネルギーの加算を示す信号を発生する第２の検出器を有
    することを特徴とする、請求項７に記載の粒子検出器。
  11. 【請求項１１】さらに、上記レーザ手段からサンプル信
    号を導出し、上記光検出器によって発生された信号から
    上記サンプル信号を差し引いて、その中に含まれるレー
    ザ・ノイズを減少させる手段を含む、請求項１０に記載
    の粒子検出器。
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