JP2017538934A - 超音波洗浄器を備えたオープンパス光学検知システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

超音波洗浄器を備えたオープンパス光学検知システム（１００）。システムは、光学検知システムの光学構成要素（１０１）の露出表面を横切る超音波（１０７）を伝搬させるように構成された少なくとも１つの超音波トランスデューサ（１０６）を含む。超音波は、光学構成要素の露出表面上で小さな振動を発生し、環境汚染物の表面を洗浄し、環境汚染物が表面上に蓄積することを防止する。超音波は、オープンパス光学検知システムのレーザにより生成される、変調されたレーザ光ビームの変調周波数とは実質的に異なる周波数を有してもよい。複数の光学構成要素の表面が、単一の超音波トランスデューサの超音波により洗浄されてもよい。複数の超音波トランスデューサが、単一の光学構成要素上で波を伝搬させてもよい。

Description

関連出願情報
本出願は、２０１４年１１月２６日に出願された仮出願第62/084,851号の優先権を主張し、参照により本明細書に組み込む。

本発明は、光学検知システムに、より詳細には、オープンパス光学検知システムを洗浄するためのシステムおよび方法に関する。

関連技術の説明
光学検知システムは、気体および粒子の検知および検出を含む、広い範囲の用途に利用されている。ある種の光学的な粒子の検知および検出は、オープンパス吸収分光である。オープンパス吸収分光では、光源および受光器は、測定される気体と同じ環境に置かれる。レーザまたはＬＥＤなど、光は、光源により、直接、気体環境を通るように方向を定められる。環境内の異なる種類の気体が、異なる波長で光を吸収する。吸収光は、受光器により受け取られ、存在する気体の種類、および、それらの気体のそれぞれの濃度を知るために、測定および分析される。

オープンパス吸収分光システムの例は、近赤外波長可変半導体レーザ吸収分光（ＴＤＬＡＳ）、キャビティ内吸収分光（ＩＣＡＳ）、およびキャビティリングダウン分光（ＣＲＤＳ）を含む。

オープンパス吸収分光の主な欠点は、一部の光学構成要素の表面が、システムの性能の低下を招く環境汚染物に晒されることである。例えば、光学構成要素は、環境汚染物のせいで、反射の悪化、透明性の悪化、または、センサの不具合を示し得る。従来技術のシステムは、汚染物になる可能性があるものが、システムの表面に接触することを減らすために、より高品質の表面材料及び改善した構造品質を提供していた。しかしながら、これらのシステムは、汚染物の蓄積に関しては、最低限の利益を提供してきただけである。

他の従来技術のシステムは、汚染物を光学構成要素の表面から拭き取るように構成された、ワイパなどの、機械的拭き取り機構を特徴としていた。しかしながら、機械的拭き取り機構は、光学構成要素を不注意で傷付けてしまいがちであり、センサの性能に影響を及ぼすことがある。さらに、機械的拭き取り機構は、継続的な取り替えを必要とする。

汚染物を除去するために、光学構成要素の表面を洗う、他の従来技術のシステムが開発されている。例えば、ウォッシャ液の流れが、光学構成要素の表面上へと方向を定められることがあり、表面が回転されることがある。洗われた構成要素の表面は、その後乾燥される。しかしながら、これらのシステムでは、センサは、洗浄および乾燥の期間中は、機能することができない。また、洗浄溶液が、光学システムの性能を低下させることがある残留物を残すことがある。さらに、これらのシステムは、電力および水の供給源などの、動作させるための追加的な構造を必要とする。

したがって、光学構成要素の表面を傷付けない、度々劣化しやすい部品の取り替えを必要としない、洗浄液の使用を必要としない、および、光学センサの絶え間ない動作を可能にする、光学構成要素表面を効果的に洗浄し、汚染物の積み重なりを防止する、オープンパス光学センサを洗浄するためのシステムおよび方法は、大いに有利であることになる。

少なくとも１つの超音波トランスデューサを、複数の光学構成要素のうちの少なくとも１つの表面の付近に配置するステップを含み、表面は、環境汚染物に晒される、オープンパス光学検知システムの光学構成要素を洗浄するための方法。方法は、表面を横切る超音波を、少なくとも１つの超音波トランスデューサにより伝搬させて、環境汚染物の表面を洗浄し、環境汚染物が表面上に蓄積することを防止するステップをさらに含む。

複数の光学構成要素を含み、複数の光学構成要素の少なくとも１つが、環境汚染物に晒される表面を有している、オープンパス光学検知システム。システムは、複数の光学構成要素のうちの少なくとも１つの表面の付近に配置された、少なくとも１つの超音波トランスデューサを含む。超音波トランスデューサは、表面を横切る超音波を伝搬させて、環境汚染物の表面を洗浄し、環境汚染物が表面上に蓄積することを防止するように構成されている。

これらおよび他の特徴および利点は、付随する図面と関連して読むことになる、それらの例示的な実施態様の以下の詳細な説明から明らかとなる。
本開示は、好ましい実施態様の、以下の説明での詳細を、以下の図を参照して提供する。

図１は、本原理による、超音波洗浄器を特徴とする、オープンパス光学検知システムを例示的に図示するブロック／フロー図である。 図２は、本原理による、超音波洗浄器を特徴とする、単光路オープンパス光学検知システムを例示的に図示するブロック／フロー図である。 図３は、本原理による、超音波洗浄器を特徴とする、多光路オープンパス光学検知システムを例示的に図示するブロック／フロー図である。 図４は、本原理による、超音波洗浄器を特徴とする、多光路オープンパス光学検知システムの、別の実施態様を例示的に図示するブロック／フロー図である。 図５は、本原理による、超音波トランスデューサ、および、光学構成要素を例示的に図示する図である。 図６は、本原理による、超音波トランスデューサ、および、光学構成要素の、別の実施態様を例示的に図示する図である。 図７は、本原理による、複数の超音波トランスデューサ、および、光学構成要素を例示的に図示する図である。 図８は、本原理による、超音波トランスデューサ、および、複数の光学構成要素を例示的に図示する図である。 図９は、本原理による、超音波洗浄器を特徴とする、単光路オープンパス光学検知システムの、別の実施態様を例示的に図示するブロック／フロー図である。 図１０は、本原理による、オープンパス光学検知システムの光学構成要素の表面を、少なくとも１つの超音波トランスデューサにより洗浄するための方法を示すフロー図である。

本原理によれば、超音波洗浄器を有するオープンパス光学検知システムのためのシステムおよび方法が提供される。システムは、光学検知システムの露出表面を横切る超音波を伝搬させるように構成された、少なくとも１つの超音波トランスデューサを含む。超音波は、光学構成要素の露出表面上で小さな振動を発生し、環境汚染物の表面を洗浄し、環境汚染物が表面上に蓄積することを防止する。システムは、光学検知システムの動作性能を改善し、寿命を長くするために、光学検知システムの光学構成要素がきれいであることを保証する。超音波洗浄器は、洗浄溶液、または、機械的な可動部品を必要としない。さらに、超音波洗浄器は、オープンパス光学検知システムがシャットダウンされることを必要とせずに、継続的に動作してもよく、また、超音波洗浄器は、システムの動作には干渉しない。

本明細書で説明する実施形態は、全体的にハードウェア、全体的にソフトウェアであってもよく、または、ハードウェア要素およびソフトウェア要素の両方を含んでもよいが、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどに制限されない、

実施形態は、コンピュータもしくは任意の命令実行システムにより、または、コンピュータもしくは任意の命令実行システムとともに使用するためのプログラムコードを与える、コンピュータ使用可能な、または、コンピュータ読み取り可能な媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品を含んでもよい。コンピュータ使用可能な、または、コンピュータ読み取り可能な媒体は、命令実行システム、装置、もしくはデバイスにより、または、命令実行システム、装置、もしくはデバイスとともに使用するためのプログラムを、記憶する、伝達する、伝搬させる、または搬送する、任意の装置を含んでもよい。媒体は、磁気、光学、電子、電磁、赤外線、もしくは半導体システム（または、装置もしくはデバイス）、または、伝搬媒体であってもよい。媒体は、半導体またはソリッドステートメモリ、磁気テープ、取り外し可能なコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、リジッド磁気ディスク、および光学ディスクなどの、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を含んでもよい。

プログラムコードを記憶および／または実行するのに適したデータ処理システムは、システムバスを介してメモリ要素に直接または間接的に結合された、少なくとも１つのプロセッサを含んでいてもよい。メモリ要素は、プログラムコードの実際の実行の間に用いられるローカルメモリ、大容量記憶装置、および、実行の間にコードが大容量記憶装置から検索される回数を減らすために、少なくとも一部のプログラムコードの一時的な記憶を与えるキャッシュメモリを含んでもよい。入出力すなわちＩ／Ｏデバイス（キーボード、ディスプレイ、ポインティングデバイスなどを含むが、それらに制限されない）は、システムに、直接、または、間に入るＩ／Ｏコントローラを介してのいずれかで結合されていてもよい。

また、ネットワークアダプタが、システムに結合されていてもよく、そのことによって、データ処理システムは、他のデータ処理システム、または、遠隔のプリンタもしくは記憶デバイスに、間に入る私設網または公衆網を介して、結合されている状態になることが可能になる。モデム、ケーブルモデム、およびＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）カードは、現在利用可能なタイプのネットワークアダプタの、少数のものにすぎない。

ここで、同じ符号が同じまたは同様の要素を表す図面を参照する。初めに、図１を参照すると、オープンパス光学検知システム１００を図示するブロック／フロー図が、本原理の一実施形態に従って例示的に示されている。システム１００は、複数の光学構成要素１０１を含んでいてもよい。光学構成要素１０１は、光源１０２と、検出器１０４と、を含んでもよい。システムは、環境汚染物に晒された光学検知システム１００の光学構成要素に近接して配置されている、１つ以上の超音波トランスデューサ１０６を含んでいてもよい。超音波トランスデューサは、光学構成要素の露出表面１１０を横切って伝搬される超音波である表面音響波を放射する。

例えば一実施形態では、少なくとも１つの超音波トランスデューサ１０６は、表面音響波を放射するために、光学構成要素の表面の縁に配置されていてもよい。代替的な実施形態では、超音波トランスデューサが、光学構成要素の表面を横切って伝搬する表面音響波を放射するように、超音波トランスデューサ１０６は、環境汚染物に晒される表面を有している光学構成要素の上の、または、その光学構成要素の付近の、構造の上に取り付けられてもよい。

一実施形態では、超音波トランスデューサ１０６は、電圧が供給されたときにサイズを変化させるように構成されている圧電結晶を含む圧電トランスデューサであってもよい。他の実施形態では、超音波トランスデューサ１０６は、導電性ダイアフラムとバッキングプレートとの間の静電場を使用して、超音波を生成する、容量型トランスデューサであってもよい。また、当技術分野で知られている他の超音波トランスデューサ１０６が、本原理に従って利用されてもよい。

超音波トランスデューサ１０６は、電気エネルギーを音響超音波に変換するように構成されている。超音波トランスデューサ１０６は、広い範囲の超音波周波数で超音波を生成するように構成されている。例えば、ある実施形態では、超音波トランスデューサ１０６は、３０ｋＨｚの周波数を有する超音波を生成してもよい。しかしながら、超音波トランスデューサ１０６は、超音波を、望まれることがあるような、任意の他の超音波周波数で生成するように構成されていてもよい。

好ましい実施形態では、表面音響波が、光学構成要素の露出表面を横切って継続的に伝搬されるように、超音波トランスデューサ１０６は、超音波を絶え間なく生成するように構成されていてもよい。しかしながら、他の実施形態では、超音波トランスデューサは、超音波トランスデューサが、超音波を、時間を決めて生成することを可能にするために、超音波トランスデューサによる超音波の伝搬を、ユーザにより指定される間隔で停止することがある、制御モジュールを含んでいてもよい。制御モジュールは、当技術分野で一般的に知られているように、超音波トランスデューサの内部で一体化されていてもよく、または、超音波トランスデューサに接続されている別々のデバイスであってもよい。

超音波トランスデューサ１０６により、光学構成要素の表面１１０を横切って伝搬される超音波は、大きな雨滴を、非常に軽く、容易に、はね返され、または、吹き飛ばすことができる微小液滴に分解させる、小さな振動を、露出表面上で発生させる。また、超音波は、汚れ粒子をほぐし、塵、汚れ粒子、泥、雨滴、虫、および、他の異物（「汚染物」）を含む、ただしそれらに制限されない汚染物を、光学構成要素の表面１１０上に蓄積させない。

図２〜４で示される実施形態は、超音波洗浄器を特徴とするオープンパス吸収分光システムである、オープンパス光学検知システムを示す。これらの例示的な実施形態は、レーザなどの光源１０２と、検出器１０４と、複数の超音波トランスデューサ１０６と、を含む。光源１０２は、ガラス板などの透明／透光性カバー１２０を含んでいてもよい。光源１０２は、光を平行にし、光を光源から対象とする目標に向けるレンズ１２２をさらに含んでいてもよい。また、検出器１０４は、光を受光するためのレンズ１２３を含んでいてもよい。

図２で示された実施形態は、単光路吸収分光センサシステムである。単光路吸収分光センサシステム１１４では、光源からの光は、その光が検出器１０４により受光される前に、１回だけ気体環境１０５を通過する。

図３〜４で示される実施形態は、多光路オープンパス吸収分光システム１１６を示す。多光路オープンパス吸収分光システム１１６では、検出器１０４により受光される前に、光が複数回往復するように反射される。多光路システムは、光ビームを往復するように反射させるための多数のミラー１１８を含む。図３に示した実施形態では、光源１０２および検出器１０４は、同じ側に配置されている。光源により放射された光１０３は、光が検出器１０４により受光される前に、３回反射される。図４に示した実施形態では、光源１０２および検出器１０４は、向かい合って配置されている。光源により放射された光１０３は、光が検出器１０４により受光される前に、多数のミラー１１８により４回反射される。

図２〜４で示されるように、複数の超音波トランスデューサ１０６は、光学構成要素の表面を洗浄するために利用されてもよい。例えば、図２では、システムは、光源のレンズ１２２に近接して配置されてレンズの表面を洗浄する第１の超音波トランスデューサ１０６ａを含む。第２の超音波トランスデューサ１０６ｂは、検出器のレンズ１２３に近接して配置されて、この光学構成要素の表面を洗浄する。図３〜４では、１対の超音波トランスデューサ１０６ｃ、１０６ｄが、システムの対向する両側のミラー１１８の表面を洗浄するために利用される。

しかしながら、他の実施形態では、超音波トランスデューサ１０６は、汚染物に晒される、または、洗浄を必要とする表面を有している、オープンパス光学検知システムの任意の構成要素に近接して配置されていてもよい。例えば、超音波トランスデューサ１０６は、光源の透明／透光性カバー１２０に近接して配置されていてもよい。加えて、超音波トランスデューサ１０６は、光を遠隔の光源から運ぶファイバからの光の方向を定める、ファイバコリメータに近接して配置されていてもよい。また、超音波トランスデューサは、光を遠隔の受光器に運ぶファイバ内に集光して焦点を合わせる、ファイバコリメータに近接して配置されていてもよい。

図５〜８で示されるように、超音波トランスデューサ１０６の表面は、必要に応じて、直線状または球状の形状などの、異なる形状を有していてもよく、多種多様の寸法でサイズを定められていてもよい。さらに、図７で示されるように、複数の超音波トランスデューサ１０６が、１つの光学構成要素１０１の表面１１０を横切る超音波１０７を伝搬するために利用されてもよい。あるいは、図８で示されるように、１つの超音波トランスデューサ１０６が、複数の光学構成要素１０１の表面１１０を横切る超音波１０７を伝搬するために利用されてもよい。

超音波トランスデューサ１０６の配置は、超音波１０７が、光学構成要素の露出面１１０を横切って伝搬することを確実にするために調整されてもよい。超音波トランスデューサ１０６の配置に影響を与えることがある要因は、活動状態のトランスデューサの面積および形状、伝搬媒体、ならびに、超音波の周波数を含む。

図９に示されるように、好ましい実施形態では、光源１０２はレーザ１２４である。レーザ１２４は、特定の波長を有するレーザ光信号１２６を生成するように構成されている。レーザにより生成された信号１２６は、変調器により変調可能である。例えば、センサ感度を改善するための普通に使用される技法は、送信器で光信号に変調を適用することである。変調が信号の周波数を上昇し、ノイズを除去し、信号をフィルタ除去する。加えて、レーザ１２４は、周波数分割多重化を実行可能であり、レーザ信号１２６は、異なる周波数で変調された異なるレーザ信号を組み合わせる。多重化されたレーザ信号は、その後、別々のレーザ信号に復調される。

超音波の波長は、一般に光信号１２６の波長とは非常に異なるが、変調されたレーザ信号の変調周波数は、超音波の周波数と同様であるかもしれない。超音波１０７と、変調されたレーザの周波数との間の、ノイズおよびクロストークを避けるために、超音波トランスデューサにより生成された超音波１０７の周波数は、レーザにより生成されたレーザ光信号１２６の変調周波数とは異なる周波数になるように構成されている。例えば、図９では、複数の超音波トランスデューサ１０６により放射された超音波の周波数ｆ_ｃ１およびｆ_ｃ２は、レーザ光信号１２６の周波数ｆ_ｍ（ｓ）とは実質的に異なるように構成されている。ある実施形態では、システム１００は、変調されたレーザ光信号１２６の変調周波数を決定するために周波数検出器を含んでいてもよく、制御ユニットは、超音波１０７の周波数を変化させて、周波数を、変調されたレーザ光信号の周波数と異ならせるように構成されていてもよい。

システム１００は、オープンパス吸収分光システムに関して説明されているが、システムは、散乱ベースの光学センサ（ＰＭ２．５検出器など）、後方散乱ベースの光学センサ（光検出および測距システムなど）、発光ベースの光学センサ（ハイパースペクトルイメージングシステムなど）、および、当技術分野で知られている他のオープンパス光学検知システムを含む、ただしそれらに制限されない、露出された構成要素を含む、任意の他のタイプのオープンパス光学検知システムに対して使用されてもよい。システム１００は、距離検知、自由空間温度検知、ハイパースペクトルイメージングなどを含む、多種多様の用途に対して構成されている、光学検知システムに対して使用されてもよい。

また、図１０に示されるように、本発明は、オープンパス光学検知システムの光学構成要素の露出表面を、超音波洗浄器により洗浄するための方法を対象とする。方法は、ハードウェアおよび／またはソフトウェアの任意の組合せにより実行されてもよい。

図１０を参照すると、オープンパス光学検知システムの光学構成要素を、超音波洗浄器により洗浄するための方法が、本原理に従って例示的に示されている。ブロック１６０では、超音波が、光学構成要素の露出表面を横切って伝搬されるように、少なくとも１つの超音波トランスデューサが、オープンパス光学検知システムの光学構成要素の露出表面の付近に配置される。ブロック１７０では、汚染物を除去する、および／または、表面上の汚染物の蓄積を防止するために、超音波トランスデューサは、露出表面を横切る超音波を伝搬させる。光学検知システムがレーザを含む実施形態では、超音波は、好ましくは、レーザにより生成された、変調されたレーザビームの周波数とは実質的に異なる周波数で放射される。

上記の構成およびステップは、本原理の一実施形態に従って例示的に図示されているが、他の種類の構成およびステップもまた、本原理によって用いられてもよいことが企図されている。様々な構成要素を、別々の構成要素として例示的に説明したが、構成要素は、種々の一体型のハードウェアまたはソフトウェアの構成で形成されてもよい。

以上のことは、あらゆる点において、例示的および模範的であるが、限定的ではないと理解すべきであり、本明細書で開示される本発明の範囲は、詳細な説明からではなく、むしろ、特許法により許される最大限の広さによって解釈されるような、特許請求の範囲から決定すべきである。本明細書で示され説明された実施形態は、本発明の原理に関して単に例示的であること、ならびに、当業者は、様々な変形を、本発明の範囲および趣旨から外れることなく実現することがあることを理解すべきである。当業者は、様々な他の特徴の組合せを、本発明の範囲および趣旨から外れることなく実現することがある。このように、詳細を伴う、および、特許法により特に必要とされる、本発明の態様を説明したが、特許請求され、特許証により保護されることが望まれるものは、添付の特許請求の範囲に記載されている。

Claims (16)

1. 少なくとも１つの超音波トランスデューサを、複数の光学構成要素の少なくとも１つの要素の表面の付近に配置し、前記表面が、環境汚染物に晒されるステップと、
   前記少なくとも１つの超音波トランスデューサにより前記表面を横切る超音波を伝搬させて、前記環境汚染物の表面を洗浄し、環境汚染物が前記表面上に蓄積することを防止するステップと、を有する、オープンパス光学検知システムの光学構成要素を洗浄するための方法。
2. 前記オープンパス光学検知システムは、オープンパス吸収分光システムであり、
   前記複数の光学構成要素は、光源と、検出器と、を含む、請求項１に記載の方法。
3. 超音波は、以下の光学構成要素、すなわち前記光源のレンズ、前記検出器のレンズ、前記光源の透明／透光性カバー、ミラーのうちの少なくとも１つの前記表面を横切って伝搬される、請求項２に記載の方法。
4. 前記表面を洗浄し、環境汚染物が前記表面上に蓄積することを防止するための、前記表面を横切る十分な超音波を与える、サイズおよび形状を有している、超音波トランスデューサを利用するステップを、さらに有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記超音波トランスデューサにより超音波を伝搬させるステップであって、前記超音波は、前記オープンパス光学検知システムのレーザにより生成される、変調されたレーザ光ビームの変調周波数とは実質的に異なる周波数を有するステップを有する、請求項１に記載の方法。
6. 第１の超音波トランスデューサにより超音波を伝搬させるステップであって、前記超音波は、複数の光学構成要素の露出表面を横切って進行するステップを有する、請求項１に記載の方法。
7. 複数の超音波トランスデューサにより超音波を伝搬させるステップであって、前記超音波は、第１の光学構成要素の第１の表面を横切って進行するステップを有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記表面を横切る超音波を継続的に伝搬させるステップを有する、請求項１に記載の方法。
9. 少なくとも１つが、環境汚染物に晒される表面を有している、複数の光学構成要素と、
   前記複数の光学構成要素のうちの少なくとも１つの前記表面の付近に配置された、少なくとも１つの超音波トランスデューサであって、前記表面を横切る超音波を伝搬させて、前記環境汚染物の表面を洗浄し、環境汚染物が前記表面上に蓄積することを防止するように構成された、少なくとも１つの超音波トランスデューサと、を有している、オープンパス光学検知システム。
10. 前記システムは、オープンパス吸収分光システムであり、
    前記複数の光学構成要素は、光源と、検出器と、を含む、
    請求項９に記載のオープンパス光学検知システム。
11. 前記少なくとも１つの超音波トランスデューサは、前記光源のレンズ、前記検出器のレンズ、透明／透光性カバー、ミラーの、少なくとも１つを有する光学構成要素を洗浄するように構成されている、請求項１０に記載のオープンパス光学検知システム。
12. 前記超音波トランスデューサのサイズおよび形状は、前記表面を洗浄し、環境汚染物が前記表面上に蓄積することを防止するための、前記表面を横切る十分な超音波を与えるように構成されている、請求項１０に記載のオープンパス光学検知システム。
13. 前記光源は、変調されたレーザ光ビームを生成するように構成されたレーザであり、
    前記超音波トランスデューサは、前記レーザにより生成される、前記変調されたレーザ光ビームの変調周波数とは実質的に異なる周波数を有する、超音波を発生するように構成されている、請求項１０に記載のオープンパス光学検知システム。
14. 第１の超音波トランスデューサが、複数の光学構成要素の表面を横切る超音波を伝搬させるように構成されている、請求項９に記載のオープンパス光学検知システム。
15. 複数の超音波トランスデューサが、第１の光学構成要素の第１の表面を横切る超音波を伝搬させるように構成されている、請求項９に記載のオープンパス光学検知システム。
16. 前記少なくとも１つの超音波トランスデューサは、前記露出表面を横切る超音波を、継続的に伝搬させるように構成されている、請求項９に記載のオープンパス光学検知システム。

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