JP2020511653A - オフセットビームによる粒子検出用のレーザ・センサ・モジュール - Google Patents

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Abstract

本発明は、流体中において20μｍ未満、好ましくは10μｍ未満のサイズの粒子（10）の粒子密度を検出するためのレーザ・センサ・モジュール（100）を記載しており、レーザ・センサ・モジュール（100）はレーザ（111）と、検出器（121）と、ミラー（160）とを備え、レーザ（111）はレーザビーム（112）をミラー（160）に放射するように配置され、ミラー（160）は動的にレーザビーム（112）の方向を変えるように配置され、方向転換されたレーザビーム（112）の方向は光軸（51）を規定し、検出器（121）はレーザ（111）のレーザキャビティ内の光波の自己混合干渉信号を特定するように配置され、自己混合干渉信号は、粒子（10）の少なくとも1つによって反射されたレーザビーム（112）のレーザ光によって生成され、レーザ（111）とミラー（160）との間の幾何学的関係は、自己混合干渉信号がより高い周波数にシフトされるように配置され、レーザ・センサ・モジュール（100）は、光軸（51）に垂直な方向転換されたレーザビーム（112）の速度ベクトル（55）に対して静止している粒子（10）の軌道間の角度αが少なくとも閾値角度2°であるように構成されている。本発明はさらに、そのようなレーザ・センサ・モジュール（100）を含む粒子検出器（200）、ならびにそのようなレーザ・センサ・モジュール（100）または粒子検出器（200）を含むモバイル通信デバイス（190）に関する。本発明はさらに、小粒子の粒子密度を測定する方法に関する。最後に、本発明は、対応するコンピュータプログラム製品に関する。【選択図】図3

Description

本発明は、レーザ・センサ・モジュール、そのようなレーザ・センサ・モジュールを備えた粒子検出器、およびそのようなレーザ・センサ・モジュールまたは粒子検出器を備えたモバイル通信デバイスに関する。本発明はさらに、小粒子の粒子密度を測定する方法に関する。最後に、本発明は、対応するコンピュータプログラム製品に関する。
独国特許出願公開第10 2015 207 289 A1号明細書は、少なくとも1つの粒子が存在する可能性のある体積を少なくとも部分的に照明可能であるように光放射を放出するように構成された発光デバイスと、少なくとも1つの粒子で散乱された光放射の少なくとも一部が衝突する少なくとも1つの検出面、ならびに表示できる少なくとも1つの検出面に衝突する光放射の強度および／または強度分布に関する少なくとも1つの情報信号を有する光検出デバイスと、粒子の存在、粒子の数、粒子密度、および／または粒子の少なくとも1つの特性に関する情報項目を識別および表示できる評価デバイスとを備えた粒子センサ装置であって、放出された光放射が上記体積内の焦点領域に焦点を合わせることができるように配置された少なくとも1つのレンズ要素も含む粒子センサ装置を開示している。
本発明の目的は、改善された検出精度または改善された感度を有するレーザ・センサ・モジュールを提供することである。本発明は、独立請求項によって規定される。従属請求項は有利な実施形態を規定している。
第1の態様によれば、流体中において20μｍ未満、好ましくは10μm未満のサイズを有する粒子の粒子密度を検出するためのレーザ・センサ・モジュールが提供される。レーザ・センサ・モジュールは、レーザと、検出器と、ミラーとを備えている。レーザは、ミラーにレーザビームを放射するように配置されている。ミラーは、レーザビームを動的に方向転換するように配置されている。方向転換されたレーザビームの方向は、光軸を規定する。検出器は、レーザのレーザキャビティ内の光波の自己混合干渉信号を特定するように配置され、自己混合干渉信号は、粒子の少なくとも1つによって反射されたレーザビームのレーザ光によって生成される。レーザとミラーとの幾何学的関係は、自己混合干渉信号がより高い周波数にシフトするように配置されている。レーザ・センサ・モジュールは、光軸に垂直な方向転換されたレーザビームの速度ベクトルに対する静止粒子の軌跡間の角度αが少なくとも2°の閾値角度になるように構成されている。測定された粒子密度の信頼性を高めるために、閾値角度は3°または4°であってもよい。レーザ・センサ・モジュールは、2つ、3つ、4つまたはそれ以上のレーザおよび／または検出器を備えていてもよい。レーザおよび検出器は、例えば、共通の半導体チップ上に配列形式で配置されていてもよい。
レーザビームを方向転換するために使用されるミラーの動きにより、光軸の方向は時間の関数になる。したがって、粒子が静止している場合でも、レーザビーム内の粒子間には相対運動がある。レーザビームの動きにより、レーザ・センサ・モジュールの検出体積が増加し、したがって、所定の期間内に検出された粒子の計数率が増加する。実験では、レーザビームを直交して通過する静止粒子によって生成される粒子信号は、周波数スペクトルでDCのほとんどの信号エネルギーを有することが示されている。これらの信号をより高い周波数にシフトすると、1/fノイズが回避される。また、レーザキャビティ内の光に対して90°の位相シフトを有する、焦点が合っている静止粒子は、レーザビームの焦点を直交して通過する場合は検出できない。したがって、それぞれの粒子を検出することは困難または不可能ですらある。後者の状況は、通常、例えば、閉じた部屋での測定中など、本質的に空気の流れがないか、または少ない場合である。したがって、このような状況では計数率が低下する場合がある。これにより、粒子密度検出の検出精度または感度が低下する場合がある。光軸に垂直な方向転換されたレーザビームの速度ベクトルに対して向けられた粒子の軌道間の角度αが少なくとも2°の閾値角度になるように、レーザとミラーとの間の幾何学的関係を整えることにより、自己混合干渉信号がより高い周波数にシフトされ、計数率が上昇する。
センサモジュールは、気体、特に、50nm〜50μm、100nm〜20μm、200nm〜10μmの粒子を含む粒子サイズ分布によって特徴付けられる粒子を含む空気の汚染を検出するように構成できる。センサモジュールは、特に、米国環境保護庁の粒子状物質に関する対応する国家大気質基準で定義されているPM10の値およびPM2.5の値のような粒子密度を特定するように配置することができる。
上記のレーザとミラーとの幾何学的関係を適合させるための手段は、レーザ・センサ・モジュールを、（例えば、レーザまたはミラーを配置することにより、あるいは光学配置を提供することにより）レーザによって放射されるレーザビームがミラーの回転軸に関して変位するように配置することである。この実施形態では、ミラーによる方向転換前のレーザビームの光軸は、ミラーの回転軸と整列していなくてもよい。この実施形態では、ミラーによる方向転換前の光軸上のレーザ光は、可動ミラー（例えば、MEMSミラーなど）の回転中心に当たらない。流体中において20μm未満、好ましくは10μm未満のサイズを有する粒子の粒子密度を検出するためのレーザ・センサ・モジュールは、この点で以下を含む：
可動ミラーにレーザビームを放出するように配置され、レーザビームが可動ミラーの回転中心に対してオフセットされているレーザ。
回転中心の周りを回転するように配置され、レーザビームをレーザビームの焦点領域に動的に方向転換するミラー。方向転換されたレーザビームの方向は、光軸を規定する。レーザビームは、レーザビームの焦点領域または焦点が、方向転換されたレーザビームの光軸に垂直および平行な成分を含む速度で移動し、上記速度の平行速度成分と垂直速度成分との間の角度αが少なくとも2°の閾値角度であるように焦点を合わされる。
レーザのレーザキャビティ内の光波の自己混合干渉信号を特定するように配置された検出器であって、自己混合干渉信号は、焦点領域の粒子の少なくとも1つによって反射されるレーザビームのレーザ光によって生成される、検出器。
回転軸は、例えば、ミラーに対して中心をずらして配置されてもよい。この場合、ミラーは、回転軸に対して長さが異なる2つのアームによって特徴付けられる。
あるいは、回転軸は、ミラーの中心を横切って配置されてもよい。この場合、ミラーは、回転軸に対して同じ長さの2つのアームによって特徴付けられる。ミラーに対するレーザビームの偏心は、偏向前のレーザビームの光軸が、レーザに対するミラーの相対的な配置に応じて、すべての偏向角に対して回転軸の上下でミラーを貫通するようになっている。
レーザによって放射された光の大部分がミラーによって方向を変えられるように、レーザビームを偏心させることができる。レーザ光のかなりの部分がすべての偏向角の下でミラーに当たらないことは避けるべきである。
レーザ・センサ・モジュールは、少なくとも1つの光学ユニットを備えていてもよい。少なくとも1つの光学ユニットは、レーザビームを粒子に集束させるように配置されている。粒子は、光学ユニットとミラーの動きとによって提供される焦点または焦点領域によって規定される検出体積で検出される。光学ユニットは、レーザ・センサ・モジュールの感度を高めるために、例えば、レンズ、または例えばレーザ内の熱レンズをサポートし得る1つ以上の同等の光学デバイスを備えてもよい。
レーザ・センサ・モジュールは、閾値角度を変更できるように配置されてもよい。感度または精度を調整するために、閾値角度の変更を使用できる。レーザ・センサ・モジュールは、例えば、特定の範囲で閾値角度を変化させ、レーザ・センサ・モジュールの感度または精度が最高になる閾値角度を決定するように配置されてもよい。最適化は、例えば、最大粒子密度が検出される閾値角度を決定することにより実行されてもよい。
レーザ・センサ・モジュールは、例えば、閾値角度を変えるために、レーザと回転軸との間の相対位置を変えることができるように配置されてもよい。
少なくとも1つの光学デバイスは、代替的にまたは追加的に、レーザとミラーとの間に配置されて、閾値角度を変更してもよい。可動レンズ、液晶デバイス、またはポッケルスセルは、閾値角度の変更を可能にする可能性のあるこのような光学デバイスの例である。
レーザ・センサ・モジュールは、電気ドライバをさらに備えていてもよい。電気ドライバは、レーザがレーザビームを放出するようにレーザを電気的に駆動するように適合されていてもよい。
レーザ・センサ・モジュールは、制御信号、電気駆動信号または検出信号を外部コントローラと交換できるインターフェースをさらに備えていてもよい。
さらなる態様によれば、粒子検出器が提供される。粒子検出器は、上記の実施形態のいずれかによるレーザ・センサ・モジュールを含む。粒子検出器は評価器を含む。評価器は、検出器によって提供される測定信号からシフトされた自己混合干渉信号を抽出するように配置されている。評価器は、コントローラの統合された部分、またはコントローラと相互作用するように配置された独立した電気デバイスであってもよい。
評価器はさらに、閾値周波数未満の測定信号の周波数成分をフィルタリングするように構成されてもよい。閾値周波数は、自己混合干渉信号の周波数シフトよりも小さい。
粒子検出器は、上記の電気ドライバを備えていてもよい。
空気清浄機、排気フード、車、センサボックス、またはモバイル通信デバイスなどのウェアラブルデバイスは、上記の任意の実施形態によるレーザ・センサ・モジュールまたは粒子検出器を備えていてもよい。
さらなる態様によれば、流体中におけるサイズが20μm未満、好ましくは10μm未満の粒子の粒子密度を測定する方法が提示される。この方法は、
レーザビームをミラーに放射するステップと、
ミラーによってレーザビームを動的に方向転換するステップであって、方向転換されたレーザビームの方向が光軸を規定する、ステップと、
レーザのレーザキャビティ内の光波の自己混合干渉信号を特定するステップであって、自己混合干渉信号は、粒子の少なくとも1つによって反射されたレーザビームのレーザ光によって生成され、レーザとミラーとの幾何学的関係は、自己混合干渉信号がより高い周波数にシフトするように配置され、光軸に垂直な方向転換されたレーザビームの速度ベクトルに対する静止粒子の軌跡間の角度αは、少なくとも2°の閾値角度である、ステップと、
自己混合干渉信号のより高い周波数へのシフトに基づいて、自己混合干渉信号を分析するステップと、を含む。
自己混合干渉信号の高周波へのシフトに基づいて自己混合干渉信号を分析することは、閾値周波数未満である測定信号の周波数成分をフィルタリングすることを含んでもよい。閾値周波数は、少なくとも2°の閾値角度によって、自己混合干渉信号の周波数シフトよりも小さい。レーザビームは、上記のように検出体積に焦点を合わせることができる。
さらなる態様によれば、コンピュータプログラム製品が提示される。コンピュータプログラム製品は、上記のレーザ・センサ・モジュールの少なくとも1つの記憶デバイスまたは上記のレーザ・センサ・モジュールを含むデバイスの少なくとも1つの記憶デバイスに保存できるコード手段を含む。コード手段は、上記の方法が上記のレーザ・センサ・モジュールの少なくとも1つの処理デバイスによって、または上記のレーザ・センサ・モジュールを含むデバイスの少なくとも1つの処理デバイスによって実行できるように配置される。
記憶デバイスまたは処理デバイスは、粒子検出器（例えば、電気ドライバ、評価器など）または粒子検出器を含むデバイスに含まれてもよい。粒子検出器を備える装置の第1記憶デバイスおよび／または第1処理デバイスは、粒子検出器またはレーザ・センサ・モジュールが備える第2記憶デバイスおよび／または第2処理デバイスと相互作用することができる。
1つまたは複数の記憶デバイスは、情報、特にデジタル情報を格納するように配置されている任意の物理デバイスであり得る。記憶デバイスは、固体メモリまたは光学メモリの群から特に選択されてもよい。
1つまたは複数の処理デバイスは、データ処理、特にデジタルデータの処理を実行するように配置されている任意の物理的デバイスであり得る。処理デバイスは、プロセッサ、マイクロプロセッサ、または特定用途向け集積回路（ASIC）の群から特に選択できる。
請求項1〜8のいずれか1つに記載のレーザ・センサ・モジュール、粒子検出器9および10、ならびに請求項12の方法は、特に、従属請求項で定義されるように、類似および／または同一の実施形態を有することを理解されたい。
本発明の好ましい実施形態は、従属請求項とそれぞれの独立請求項との任意の組み合わせでもあり得ることを理解されたい。
さらなる有利な実施形態を以下に規定する。
本発明のこれらおよび他の態様は、以下に記載される実施形態を参照して明らかになり、説明される。
図面において：
レーザビームを通過する粒子軌道の概略図を示す。 0°の閾値角度での自己混合干渉信号の強度を示す。 ミラー回転軸に対して軸から外れて落ちるレーザビームの概略図を示す。 ミラーの偏向角θに対する粒子軌跡の角度αの依存性を示す。 3°の閾値角度での自己混合干渉信号の強度を示す。 レーザ・センサ・モジュールの第1の実施形態を示す。 レーザ・センサ・モジュールの第2の実施形態を示す。 レーザ・センサ・モジュールの第3の実施形態を示す。 粒子検出器の実施形態を示す。 レーザ・センサ・モジュールを含むモバイルデバイスを示す。 粒子密度検出の方法の第1の実施形態を示す。 粒子密度検出の方法の第2の実施形態を示す。
図では、同じ番号は全体を通して同様の対象物を指す。図中の対象は必ずしも縮尺どおりに描かれているわけではない。
次に、本発明の様々な実施形態を図面により説明する。
自己混合干渉は、対象物の移動と対象物までの距離とを検出するために使用される。自己混合干渉に関する背景情報は、参照により組み込まれる「センシングアプリケーション用のレーザダイオード自己混合技術」、Giuliani、G.、Norgia、M.、Donati、S.＆Bosch、T.、センシングアプリケーション用レーザダイオード自己混合技術、Journal of Optics A：Pure and Applied Optics、2002、4、S.283-S.294に記載されている。光入力装置内のセンサに対する指先の動きの検出は、参照により組み込まれる国際公開第02/37410号パンフレットに詳細に記載されている。自己混合干渉の原理は、国際公開第02/37410号パンフレットに提示されている例に基づいて説明されている。レーザを照射し、またはビームを測定するために、レーザキャビティを備えたダイオードレーザが提供されている。デバイスの上部には、透明な窓があり、その窓を横切って対象物、例えば人間の指が移動する。レンズは、ダイオードレーザと窓との間に配置される。このレンズは、透明窓の上側またはその近くにレーザビームの焦点を合わせる。この位置に対象物が存在する場合、対象物が測定ビームを散乱させる。測定ビームの放射の一部は照明ビームの方向に散乱され、この部分はレンズによってレーザダイオードの放射面に収束され、このレーザのキャビティに再び入る。ダイオードレーザのキャビティに再び入る放射線は、レーザのゲインの変動、ひいてはレーザから放出される放射線の強度の変動を引き起こし、この現象がダイオードレーザの自己混合効果と呼ばれる。
レーザによって放射される放射またはレーザキャビティ内の光波の強度の変化は、レーザキャビティ全体のインピーダンス変動を特定するように配置されたフォトダイオードまたは検出器によって検出できる。ダイオードまたはインピーダンス検出器は放射線の変動を電気信号に変換し、この電気信号を処理するための電子回路が提供される。
自己混合干渉信号は、粒子検出の場合、例えば、短い信号バーストまたはいくつかの信号バーストによって特徴付けられてもよい。これらの信号で観測されるドップラー周波数は、光軸に沿った粒子速度の尺度である。したがって、信号検出と信号分析とを簡素化するために、DC駆動電流を使用することが望ましい場合がある。変調された駆動電流を使用して、例えば、大きな粒子または妨害物でのレーザ光の反射により発生する可能性のある自己混合干渉信号によって、粒子の位置または速度を特定することができる。距離（およびオプションで速度）は、1回の測定内において、または後続の測定ステップにおいて特定され得る。したがって、ビーム内の偽対象物を特定するために、意図した粒子数、速度、および変調駆動電流に関連する測定信号を第2の期間に生成するべく、第1の期間にDC駆動電流を使用することが可能または有益である場合がある。オプションで、測定信号の持続時間と強度とを使用して、粒子サイズを特定してもよい。
図1は、光軸51に沿って放射されるレーザビームを通過する粒子軌道11の概略図を示す。レーザビームは、好ましくは、光軸51の周りで円形対称であり、レーザビームの焦点または領域で半径W０を有するビームウエスト53によって特徴付けられる。レーザビームの半径w（z）は、光軸51に沿った焦点までの距離zに応じて増加する。光軸51は、レーザ・センサ・モジュール（図示せず）のミラーの偏向角に応じて動的に移動している。粒子10は、それぞれの流体（通常は空気または他のガス）内の粒子10の動きとレーザビームを方向転換するミラーの動きによるレーザビームの動きとの組み合わせによって引き起こされる粒子軌道11に沿ってレーザビームを横切る。粒子軌道11は、レーザビームの光軸51に垂直な方向転換されたレーザビームの速度ベクトル55（軌道速度の種類）とともに角度αを囲む。図1から明らかなように、レーザ・センサ・モジュールに対して動かない粒子の軌道は、動的に方向転換されたレーザビームの速度ベクトル55と0°の角度αを囲む。そのような粒子は、閉じた部屋の屋内測定で通常存在する、レーザ・センサ・モジュールに対して（移動するレーザビームに対してではなく）遅い粒子または静止粒子であり得る。特に光軸周りのレーザビームの形状は、レーザ（例えば、VCSELまたはサイドエミッタ）、およびレーザによって放射されるレーザビームを変換するために使用される光学ユニットまたは光学デバイス（例えば、くさび形の光学系）に依存する。形状は、例えば、円形ではなく楕円形であってもよい。
図2は、0°の閾値角度でのマイクロ秒単位の時間22の関数としての自己混合干渉信号の強度21を示している。レーザ・センサ・モジュールのミラー（図示せず）に放射されるレーザビームの光軸は、この場合、ミラーの回転軸と一致している。線24は、0.21μmの焦点ずれで測定された強度を示している（粒子がレーザビームを通過する上記の図1で説明したビームウエスト53に対する距離ｚ）。線25、26、27、28は、それぞれ0.16μmの焦点ずれ、0.11μmの焦点ずれ、0.05μmの焦点ずれ、0μmの焦点ずれで測定された強度を示している。最悪の場合、0.11μmの焦点ずれで測定された強度26では、粒子はまったく検出できない。これらの条件を満たすレーザビームを通過するすべての粒子は検出されず、測定された粒子密度の系統的誤差を引き起こす。計数率の低下は別として、すべての粒子がレーザ・センサ・モジュールに対して静的であることがわかっている場合、これは問題にならない。この場合、このような系統的誤差を推定し、それに応じて測定結果を修正できる。問題は、どの時点でこの条件が満たされるかが知られていないことである。例えば、人が部屋の中を移動している場合や、部屋の中の対流などの場合、閉じた部屋の中であっても状況が動的に変化することがある。
図3は、ミラー160の回転軸162に対して軸から外れて落ちるレーザビームの概略図を示す。図3は、回転軸162を横切るレーザビーム112の光軸に平行な軸を有するビームオフセット164を備えたレーザ（図示せず）によって放射されるレーザビーム112の光軸を示す。矢印はレーザ放射の方向を示す。レーザビーム112は、回転軸162より上でミラー160に当たる。ミラーは、レーザビーム112の光軸に平行な回転軸を横切る軸で偏向角θを囲む。入射レーザビーム112は、ミラー160によって鏡面反射される（ミラー表面の法線161に対するレーザビーム112の入射角φinは反射角φoutと同じ）。方向転換されたレーザビームは、（動的に変化する）光軸51に沿って放射される。ビームオフセットにより、粒子10の粒子軌道11間に少なくとも2°の規定された最小角度が生じる。閾値角度は、次の式で与えられる粒子軌道11の信号波形を使用して数学的に記述できる。
Figure 2020511653
kは光波ベクトルk = 2π/λ、vは粒子とレーザビームの焦点との間の速度、tは時間、w（z）は位置zのガウス・ウエスト・パラメータ（Gaussian waist parameter）、R（z）はガシアンビーム（Guassian beam）の波面曲率、ζ（z）は位置zでのGouy位相シフト、φbackは粒子のレーザ横断面と背面との間の全体的な光学距離である。時間の関数としてのx座標およびz座標の位置は、
Figure 2020511653
 である。
粒子軌道11が0°とは異なる角度αを有する場合、線形時間依存位相因子はゼロではないため、粒子信号の変調が生じ、したがって粒子信号がDCからシフトする。焦点を極座標で表現する場合、図3に（0,0）で示されるように、ビームがミラー160に当たるミラー位置を原点として、導関数として次の式を求めることができる。
Figure 2020511653
oはオフセット164、θは上記のミラーの角度、lはミラー表面から焦点までの距離（図1のビームウエスト53の位置）、dr/rdθは粒子軌道の角度（より正確なtan（α））である。この導関数は、図1に関して説明した粒子10の粒子軌道11と速度ベクトル55の間の角度αを与える。上述のように、軌道がレーザビームに直交する場合、角度αはゼロである。
図4は、ミラー表面から焦点までの距離l=5mm、およびミラー160の回転軸162から0.1mmのビームオフセット164に対して計算される線35によって、角度α31がミラーの偏向角θ32にどのように依存するかを示している。角度α31は、関連するすべてのミラー角度θ32に対して15°〜75°の間で0°とは異なる。したがって、オフセット164を使用して、角度αの閾値角度を提供することができる。
図5は、3°の閾値角度での自己混合干渉信号の強度を示している。線24、25、26、27、28は、上記の図2で説明したように、それぞれ0.21μmの焦点ずれ、0.16μmの焦点ずれ、0.11μmの焦点ずれ、0.05μmの焦点ずれ、0μmの焦点ずれで測定された強度を示している。信号はより高い周波数にシフトされ、図2で説明した状況とは対照的に、すべての測定条件で信号を検出できる。
結論として、粒子軌跡11が光軸51に直交する場合、観測された粒子信号はDC付近に周波数スペクトルを有し、位相が90度ずれた距離にある粒子は検出できない。粒子軌道11と光軸51との間に小さな角度（閾値として角度α=2°を採用）が導入されると、これらの問題は解決される。このことは、特に図3に関して示され議論されているように、レーザビームをミラー160の回転軸162に対して変位させることにより達成することができる。
図6は、レーザ・センサ・モジュール100の第1の実施形態を示している。レーザ・センサ・モジュール100は、この実施形態では集積フォトダイオードである検出器121を備えたレーザ111を備えている。レーザ・センサ・モジュール100は、ミラー160の中心から外れて配置された回転軸162を備えたミラー160をさらに備えている。回転軸162の周りのミラー160の動きは、インターフェース135を介して提供される制御信号によって制御することができる。レーザ111は、レーザビーム112が回転軸162に対してミラー160の長辺でミラー160に当たるようにレーザビーム112を放出する。レーザビーム112は、ミラーの偏向角に応じてミラー160により方向転換される。方向転換されたレーザビームは粒子10に当たり、レーザ光の一部はミラー160によって反射されてレーザ111のレーザキャビティに戻る。レーザキャビティ内の自己混合干渉により、レーザキャビティ内の光波が変化する。レーザキャビティ内の自己混合干渉に対応する測定信号は、集積フォトダイオードによって検出され、インターフェース135によって外部デバイスと交換できる。インターフェース135は、オプションとして、レーザ・センサ・モジュール100に電力を供給するために使用されてもよい。あるいは、電力を供給するための別個のインターフェースが提供されてもよい。さらに、単一のインターフェース135の代わりに、ミラー160の制御信号を交換し、検出された自己混合干渉信号に関連する測定信号を転送するために、2つのインターフェースがあってもよい。
図7は、レーザ・センサ・モジュール100の第2の実施形態を示している。この場合、ミラー160は、回転軸162に関して対称である。第1光学ユニット171（例えば、レンズなど）は、レーザ111によって放射されたレーザ光を受け取り、コリメートされたレーザビーム112をミラー160のミラー表面に提供する。コリメートされたレーザビーム112の中心は、上述のようにビームオフセットを提供するために、ミラー160の回転軸162に対してシフトされる。コリメートされたレーザビーム112は、ミラー160および第2光学ユニット172（例えば、レンズなど）によって動的に反射され、図1に関して説明したように、ビームウエストを有する集束レーザビームを提供する。粒子によって反射されたレーザ光は、逆放射経路を介してレーザ11のレーザキャビティに入り、自己混合干渉信号が検出器121によって検出される。
図8は、レーザ・センサ・モジュール100の第3の実施形態を示している。第1光学ユニット171（例えば、レンズなど）は、レーザ111によって放射されたレーザ光を受け取り、ミラー160のミラー表面上に集束されたレーザビーム112を提供する。ミラーの回転軸162は、図7に関して説明したミラー160とは対照的に、中心からずれて配置されている（長さが異なる2つのミラーアーム）。集束されたレーザビーム112の光軸は、ミラー160の回転軸162に対してシフトしている。集束されたレーザビーム112は、図1に関して説明したように、ミラー160により焦点に向けて動的に反射される。粒子によって反射されたレーザ光は、逆放射経路を介してレーザ11のレーザキャビティに入り、自己混合干渉信号が検出器121によって検出される。
図6、図7および図8に関して説明した実施形態における第1光学デバイス171、ミラー160および／またはレーザ111は、閾値角度の動的な適合を可能にするために互いに対して移動可能であってもよい。代替的または追加的に、レーザ11、第1光学デバイス171および／またはミラー160は、レーザと焦点との間の距離を動的に変更し、それにより構成要素の動きによる閾値角度を生成するように構成され得る。別の代替として、ポケットセルまたは液晶のような光変調器をレーザ111と光学デバイス171との間に使用して、時間の関数として位相差を生成し、それにより信号をより高い周波数に効果的にシフトすることができる。
図9は、粒子検出器200の実施形態を示す。粒子検出器200は、図6に関して説明したレーザ・センサ・モジュール100と同様のレーザ・センサ・モジュール100を備えている。粒子検出器200は、レーザ111を駆動するための電気ドライバ130と、可動ミラー160に制御信号を提供するように構成されたコントローラ150とを備えている。コントローラ150は、上述のように検出された粒子10によって引き起こされる、レーザ111のレーザキャビティ内の自己混合干渉信号に基づいて検出された測定信号を受信するようにさらに構成される。コントローラ150は、検出器121によって提供される測定信号からより高い周波数にシフトされる自己混合干渉信号を抽出するように構成される評価器をさらに備えている。評価器は、例えば、閾値角度によって決定される閾値周波数より低い低周波数成分をフィルタリングするように配置されたハイパスフィルタを備えてもよい。
図10は、図9に関して説明した粒子検出器200の少なくとも一部を含むモバイル通信デバイス190の主要なスケッチを示している。粒子検出器200は、レーザビーム112を放出するように適合されている。モバイル通信デバイス190は、ユーザインターフェース191、処理デバイス192、およびメイン記憶デバイス193を含む。メイン処理デバイス192は、メイン記憶デバイス193および粒子検出器200に接続されている。メイン処理デバイス192は、上述したコントローラ150の機能の少なくとも一部を含む。メイン処理デバイス192は、粒子検出に関するデータをメイン記憶デバイス193に格納する。代替実施形態では、データが、ユーザインターフェース191によってモバイル通信デバイス190のユーザに提示され得るように、メイン処理デバイス192およびメイン記憶デバイス193は、この場合、図9に関して議論された粒子検出器200と同一であり得る粒子検出器200によって提供されるデータを作成または適応するためにのみ使用されてもよい。粒子検出器200は、モバイル通信デバイス190の電源によって電力供給されてもよい。あるいは、モバイル通信デバイス190は、上記のレーザ・センサ・モジュール100を備えていてもよい。この場合、すべてのデータ処理および制御は、メイン処理デバイス192およびメイン記憶デバイス193によって実行され得る。同じ原理が、粒子検出器200またはレーザ・センサ・モジュール100を含む他のデバイスで使用されてもよい。
図11は、粒子密度の検出方法の第1の実施形態を示している。検出器121によって検出された測定信号125は、少なくとも2°の閾値角度を超える角度αを提供するために粒子センサモジュール100を配置することによって引き起こされる周波数シフトを考慮して、検出器121によって提供される測定信号125を高速フーリエ変換した後の低周波ビンをスキップすることにより、ステップ310でフィルタリングされる。ステップ315では、変換された測定信号の分析により特定されたノイズ測定値を超える信号閾値が特定される。変換された信号は、ステップ320で、周波数領域で最高のパワー／強度を検出（ピーク検出）することによりさらに処理される。ピークは、ステップ330において、ステップ315で特定された閾値と比較される。閾値を超えているすべてのピークが計数され、所定の期間内に特定された粒子の数に基づいてステップ340で粒子密度が特定される。
図12は、粒子密度の検出方法の第2の実施形態を示す。検出器121によって検出された測定信号125は、ステップ410において、閾値角度による高周波へのシフトのために、（オプションの）ハイパスフィルタ410によってフィルタリングされる。フィルタリングされた信号は、ステップ420において、線形フィルタ（双二次フィルタ／整合フィルタ）によってさらに処理される。ステップ425で、線形フィルタリングされた測定信号のノイズと信号閾値とが特定される。線形フィルタリングされた信号は、ステップ430において、ステップ425で特定された信号閾値と比較される。ステップ440では、閾値を超える測定信号に基づいて粒子の数が計数され、所定の期間内に決定された粒子の数に基づいて粒子密度が決定される。
図面および前述の説明において本発明を詳細に例示および説明してきたが、そのような例示および説明は、限定的ではなく例示的または例示的であると見なされるべきである。
本開示を読むことにより、他の修正が当業者に明らかになるであろう。そのような修正は、当技術分野ですでに知られており、本明細書ですでに説明した特徴の代わりに、またはそれに加えて使用できる他の特徴を伴う場合がある。
開示された実施形態の変形は、図面、開示および添付の特許請求の範囲の検討から、当業者によって理解および達成され得る。請求項において、「備える」という語は他の要素またはステップを除外せず、不定冠詞「a」または「an」は複数の要素またはステップを除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。
請求項中の参照符号は、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
10 粒子
11 粒子軌道
21 強度
22 時間
24 0.21μmの焦点ずれで測定された強度
25 0.16μmの焦点ずれで測定された強度
26 0.11μmの焦点ずれで測定された強度
27 0.05μmの焦点ずれで測定された強度
28 0μmの焦点ずれで測定された強度
31 粒子軌道の角度α
32 ミラーの偏向角θ
35 偏向角θからの角度αの依存性
51 光軸
53 ビームウエスト
55 速度ベクトル
100 レーザ・センサ・モジュール
111 レーザ
112 レーザビーム
121 検出器
125 測定信号
130 電気ドライバ
135 インターフェース
150 コントローラ
160 ミラー
161 ミラー表面に垂直
162 回転軸
164 ビームオフセット
171 第1光学ユニット
172 第2光学ユニット
190 モバイル通信デバイス
191 ユーザインターフェース
192 メイン処理デバイス
193 メイン記憶デバイス
200 粒子検出器
310 高速フーリエ変換
315,425 閾値特定
320 ピーク検出
330,430 閾値比較
340,440 粒子数
410 ハイパスフィルタリング
420 線形フィルタリング
w0 レーザビームの焦点でのレーザビームの半径
w（z） 光軸に沿った焦点に対する距離zでのレーザビームの半径
φin 入射角
φout 反射角

Claims (15)

  1. 流体中において20μm未満、好ましくは10μm未満のサイズを有する粒子（10）の粒子密度を検出するためのレーザ・センサ・モジュール（100）であって、前記レーザ・センサ・モジュール（100）は、レーザ（111）と、検出器（121）と、ミラー（160）とを備え、前記レーザビーム（112）は焦点領域に集束され、前記レーザ（111）は前記ミラー（160）にレーザビーム（112）を放射するように配置され、前記ミラー（160）の動きは、前記レーザビーム（112）を動的に方向転換するように配置され、方向転換された前記レーザビーム（112）の方向は、前記ミラーの動きに従って動く光軸（51）を規定し、方向転換された前記レーザビーム（112）の動きは、前記光軸（51）に垂直な速度ベクトル（55）によって特徴付けられ、方向転換された前記レーザビーム（112）の動きは、方向転換された前記レーザビーム（112）の動きに対して静止している粒子（10）の軌跡を規定し、前記検出器（121）は、前記レーザ（111）のレーザキャビティ内の光波の自己混合干渉信号を決定するように配置されており、前記自己混合干渉信号は、前記粒子（10）の少なくとも1つによって反射された前記レーザビーム（112）のレーザ光によって生成され、前記レーザ（111）と前記ミラー（160）との間の幾何学的関係は、光軸（51）に垂直な方向転換された前記レーザビーム（112）の前記速度ベクトル（55）に対して静止している粒子（10）の前記軌跡間の角度αが少なくとも閾値角度であるように配置され、前記閾値角度は少なくとも2°である、レーザ・センサ・モジュール（100）。
  2. 前記レーザ・センサ・モジュール（100）は、前記レーザ（111）により照射される前記レーザビーム（112）が、前記ミラー（160）の回転軸（162）に対して変位するように配置される、請求項1に記載のレーザ・センサ・モジュール（100）。
  3. 前記回転軸（162）は、前記ミラー（160）に対して中心を外れて配置される、請求項2に記載のレーザ・センサ・モジュール（100）。
  4. 前記回転軸（162）は、前記ミラー（160）の中心を横切って配置される、請求項2に記載のレーザ・センサ・モジュール（100）。
  5. 前記レーザ（111）は、方向転換された前記レーザビーム（112）の速度ベクトル（55）に関して静止している前記粒子（10）の軌跡間の角度αが少なくとも2°の閾値角度であるように、前記回転軸（162）に対してオフセットされた前記レーザビーム（112）を照射するように配置される、請求項2または3に記載のレーザセンサ。
  6. 少なくとも1つの光学ユニット（171、172）を備え、前記少なくとも1つの光学ユニット（171、172）は、前記粒子（10）に前記レーザビーム（112）を集束させるように構成されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載のレーザ・センサ・モジュール（100）。
  7. 前記閾値角度を変更できるように配置されている、請求項2〜6のいずれか一項に記載のレーザ・センサ・モジュール（100）。
  8. 前記レーザ（111）と前記回転軸（162）との相対位置を変更できる、請求項7に記載のレーザ・センサ・モジュール（100）。
  9. 前記レーザ（111）と前記ミラー（160）との間に配置された少なくとも1つの光学デバイスが、前記閾値角度を変更するように配置されている、請求項7または8に記載のレーザ・センサ・モジュール（100）。
  10. 請求項1〜9のいずれか一項に記載のレーザ・センサ・モジュール（100）を備えた粒子検出器（200）であって、評価器を備え、前記評価器は、前記検出器（121）によって提供される測定信号（125）からシフトされた自己混合干渉信号を抽出するように構成されている、粒子検出器（200）。
  11. 前記評価器は、閾値周波数より低い前記測定信号（125）の周波数成分をフィルタリングするように構成され、前記閾値周波数は、前記自己混合干渉信号の周波数シフトよりも小さい、請求項10に記載の粒子検出器（200）。
  12. 請求項1〜8のいずれか一項に記載のレーザ・センサ・モジュール（100）または請求項10〜11のいずれか一項に記載の粒子検出器（200）を備えたモバイル通信デバイス（300）。
  13. 流体中において20μm未満、好ましくは10μm未満のサイズを有する粒子の粒子密度を測定する方法であって、
    レーザビーム（112）をミラー（160）に放射するステップであって、前記レーザビーム（112）が焦点領域に焦点を合わせられる、ステップと、
    前記ミラーの動きによって前記レーザビーム（112）を動的に方向転換するステップであって、方向転換された前記レーザビーム（112）の方向は、前記ミラーの前記動きに従って動く光軸（51）を規定し、方向転換された前記レーザビーム（112）の前記動きは、前記光軸（51）に垂直な速度ベクトル（55）によって特徴付けられ、方向転換された前記レーザビーム（112）の前記動きは、方向転換された前記レーザビーム（112）の前記動きに対して静止している粒子（10）の軌道を規定する、ステップと、
    前記レーザのレーザキャビティ内の光波の自己混合干渉信号を決定するステップであって、前記自己混合干渉信号は、前記粒子（10）の少なくとも1つによって反射される前記レーザビーム（112）のレーザ光によって生成され、前記レーザ（111）と前記ミラー（160）との幾何学的関係は、前記光軸（51）に対して垂直な方向転換された前記レーザビーム（112）の前記速度ベクトル（55）に対して静止している粒子（10）の前記軌道間の角度αが少なくとも閾値角度であるように構成され、前記閾値角度は少なくとも2°である、ステップと、
    前記自己混合干渉信号のより高い周波数へのシフトに基づいて、前記自己混合干渉信号を分析するステップと、
    を含む方法。
  14. 前記自己混合干渉信号を分析するステップは、
    閾値周波数より低い前記測定信号（125）の周波数成分をフィルタリングするステップであって、前記閾値周波数は、前記自己混合干渉信号の前記周波数シフトよりも小さい、ステップを含む、請求項13に記載の方法。
  15. 請求項1〜9のいずれか一項に記載のレーザ・センサ・モジュール（100）に含まれる少なくとも1つの記憶デバイス、またはレーザ・センサ・モジュール（100）を含むデバイスの少なくとも1つの記憶デバイスに保存できるコード手段を含むコンピュータプログラム製品であって、
    前記コード手段は、請求項13または14に記載の方法が、前記レーザ・センサ・モジュール（100）に含まれる少なくとも1つの処理デバイスによって、または前記レーザ・センサ・モジュール（100）を備えたデバイスの少なくとも1つの処理装置によって実行できるように構成されている、コンピュータプログラム製品。
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