JP2020513557A - 光学的粒子センサーモジュール - Google Patents

Abstract

２０１６ＰＦ０１３２９ ３９ 要約：本発明はレーザーセンサーモジュールについて記載されている。レーザーセンサーモジュールは、第一の測定ビーム（１１１’）を放射するように適合された少なくとも第一のレーザー（１１１）および第二の測定ビーム（１１２’）を放射するように適合された少なくとも第二のレーザー（１１２）と、少なくとも第一の測定ビーム（１１１’）を第一の測定ボリューム（１６１）に集中させるように構成され、さらに、少なくとも第二の測定ビーム（１１２’）を第二の測定ボリューム（１６２）に集中させるように構成された光学装置（１５０）であって、当該光学装置が第一の測定ビーム（１１１’）に対する第一の開口数と第二の測定ビーム（１１２’）に対する第二の開口数とにより特徴付けされ、第一の開口数および第二の開口数が基準速度における前もって決められた最小粒子サイズを検出するように決められ、基準速度を含む前もって決められた速度範囲から基準速度が選択され、第一の測定ビーム（１１１’）と第二の測定ビーム（１１２’）とが１０°と１６０°との間の角度１５°を形成する、光学装置（１５０）と、第一のレーザー（１１１）の第一のレーザーキャビティ内の第一の光学波の第一の自己混合干渉信号を求めるように適合された少なくとも第一の検出器（１２１）と、第二のレーザー（１１１）の第二のレーザーキャビティの内の第二の光学波の混合干渉信号を求めるように適合された少なくとも第二の検出器（１２２）と、評価器（１４０）とを備えており、評価器（１４０）はさらに、自己混合干渉信号が求められたことを受けて少なくとも第一の検出器（１２１）および第二の検出器（１２２）により生成される検出信号を受信するように適合され、評価器（１４０）はさらに、前もって決められた期間に受信される検出信号を用いて、第一の検出器（１２１）により検出される粒子の少なくとも第一の粒子平均速度と、第二の検出器（１２２）により検出される粒子の少なくとも第二の粒子平均速度を求めるように適合され、評価器（１４０）はさらに、前もって決められた期間に第一の検出器（１２１）により提供される検出信号に基づいて少なくとも第一の粒子数と、前もって決められた期間に第二の検出器（１２２）により提供される検出信号に基づいて少なくとも第二の粒子数とを求めるように適合され、評価器（１４０）はさらに、少なくとも第一の平均速度および第二の平均速度を用いて求められた平均粒子速度、少なくとも第一の粒子数および少なくとも第二の粒子数に基づいて粒子密度を求めるように適合されている。本発明はさらに、粒子密度検出方法およびそれに対応するコンピュータプログラム製品に関するものである。また、本発明はさらに、このレーザーセンサーモジュール（１００）を備えたモバイル通信デバイス（１９０）に関するものである。

Description

本発明は、粒子密度検出に干渉またはそれに代えて自己混合干渉を用いるレーザーセンサーモジュールと、それに関連する粒子密度検出方法と、それに対応するコンピュータプログラム製品とに関するものである。また、本発明はこのレーザーセンサーモジュールを備えたモバイル通信デバイスにさらに関するものである。

ＤＥ １０ ２０１５ ２０７ ２８９ Ａ１には、少なくとも１つの粒子を内部に含みうるボリュームを少なくとも部分的に照射することができるよう光学的放射線を放射するように構成された光放射デバイスと、少なくとも１つの粒子において散乱する光学的放射線の少なくとも一部により照射される少なくとも１つの検出面を有する光学検波器デバイスと、少なくとも１つの検出面を照射する光学的放射線の強度および／または強度分布に関する表示可能な少なくとも１つの情報信号と、粒子の存在、粒子数、粒子密度および／または粒子の少なくとも１つの物性に関する情報アイテムを特定および表示することが可能な評価装置とを備えた粒子センサー装置が開示されている。また、この粒子センサー装置は、放射された光学的放射線を上述のボリュームの内部の焦点領域に集中させることができるように配置された少なくとも１つのレンズ素子をさらに備えている。また、この粒子センサー装置は、風速の影響を抑えるために焦点領域を移動させるように構成されたミラーデバイスを備えている。

ＵＳ ９，３５４，３１５ Ｂ２には、放射ビームと呼ばれるレーザービームを放射するための放射要素と、前もって決められた焦点距離に放射ビームを集中（ｆｏｃｕｓ）させるための焦点調整要素と、空気中の粒子により反射された後の放射ビーム、すなわち反射ビームを受信するための受信要素と、放射ビームと反射ビームとの間に生じる干渉信号を信号プロセッサへ送信して粒子速度を推定するため送信要素とを備えたデバイスが開示されている。放射要素はレーザーダイオードを有し、自己混合により受信要素はレーザーダイオードと結び付けられている。焦点距離は５ｃｍと２ｍとの間の範囲にある。

ＤＥ １０ ２０１５ ２０７ ２８９
ＵＳ ９，３５４，３１５

本発明の目的は、改善かつ単純化された粒子密度検出用レーザーセンサーモジュールを提供することである。独立項には本発明が記載され、従属項には有利な実施形態が記載されている。

第一の態様にかかる小粒子（空気中に浮遊し、風によりまき散らされたままでありうる固体粒子または液体粒子）の粒子密度を検出するためのレーザーセンサーモジュール。粒子サイズは通常２０μｍ未満または１０μｍである。粒子の特徴は、たとえばそのサイズが０．０５マイクロメートルと１０μｍとの間、好ましくは０．１と２．５μｍとの間である。かかるレーザーセンサーモジュールは、かかるレーザーセンサーモジュールは、
第一の測定ビームを放射するように適合された少なくとも第一のレーザーおよび第二の測定ビームを放射するように適合された少なくとも第二のレーザーと、
少なくとも第一の測定ビームを第一の測定ボリュームに集中させるように構成され、さらに、少なくとも第二の測定ビームを第二の測定ボリュームに集中させるように構成された光学装置であって、当該光学装置が第一の測定ビームに対する第一の開口数と第二の測定ビームに対する第二の開口数とにより特徴付けされ、第一の開口数および第二の開口数が基準速度における前もって決められた最小粒子サイズを検出するように決められ、基準速度が前もって決められた速度範囲内から選択され、第一の測定ビームと第二の測定ビームとが１０°と１６０°との間の角度φを形成する、光学装置と、
第一のレーザーの第一のレーザーキャビティ内の第一の光学波の第一の自己混合干渉信号を求めるように適合された第一の検出器と、
第二のレーザーの第二のレーザーキャビティ内の第二の光学波の第二の干渉信号または第二の自己混合干渉信号を求めるように適合された少なくとも第二の検出器と、
評価器とを備えており、
評価器は、干渉信号または自己混合干渉信号が求められたことを受けて少なくとも第一の検出器および第二の検出器により生成される検出信号を受信するように適合され、評価器はさらに、前もって決められた期間に受信される検出信号を用いて第一の検出器により検出される粒子の第一の粒子平均速度と、第二の検出器により検出される粒子の第二の粒子平均速度を求めるように適合され、評価器はさらに、前もって決められた期間に第一の検出器により提供される検出信号に基づいて第一の粒子数と、前もって決められた期間に第二の検出器により提供される検出信号に基づいて第二の粒子数とを求めるように適合され、評価器はさらに、第一の平均速度および第二の平均速度を用いて求められた平均粒子速度、第一の粒子数ならびに第二の粒子数に基づいて粒子密度を求めるように適合されている。前もって決められた速度範囲は、０．０１ｍ／ｓと７ｍ／ｓとの間の範囲にあってもよい。

粒子検出、とくに粒子密度検出のための光学感知技術は粒子の流れが既知の測定ボリュームを通常用いる。このことは、測定ビームに対する粒子の流れの速度および方向が知られていることを意味する。粒子の流れは、たとえば、粒子を動かすようにファン（ｆａｎ）によって決まるようになっていてもよいし、または、粒子に対して測定ビームを移動させるＭＥＭＳ鏡によって決まるようになっていてもよい。これらの手段により、単位観察時間当たりの検出ボリュームに対する風速の影響を縮小または除去することができるようになる。このような技術を用いる光学センサーモジュールは、かさばっており、粒子を感知するすべての用途に適しているというわけではない。

上述のレーザーセンサーモジュールを用いることにより、前もって決められた粒子の流れ方向および速度の提供を必要とすることなく粒子検出をすることが可能となる。第一の干渉信号または自己混合信号および第二の干渉信号または自己混合信号を用いて粒子の数および粒子の平均速度を求めることによりとくに二次元の粒子の流れの平均速度（たとえば表面の上方の風）を求めることが可能となる。この平均速度を求めるべく２つの独立した速度成分を求めるにあたって、１０°と１６０°との間（好ましくは２０°と１４０°との間、さらに好ましくは５０°と７０°との間）の角度φ（狭角）を形成する少なくとも２つのレーザービームまたは測定ビームが用いられる。

さらに、平均速度とセンサーモジュールの光学機器の開口数の３乗との間の比が一定の場合、粒子カウント計数率（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｃｏｕｎｔ ｒａｔｅ）が一定のままであり、また、最小検出粒子サイズ（ｍｉｎｉｍｕｍ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ）も一定のままであることが認識されている。このことは、低平均粒子速度では、測定ビームを検出ボリュームに集中させる光学機器の開口数を小さくする必要があることを意味する。このようなモジュールを備えたレーザーセンサーモジュールまたは粒子検出システムは基準速度向けた構成となっている。この場合、ある基準速度において検出することができる最小粒子サイズが光学装置の開口数により決まる。基準速度は前もって決められた速度範囲内に含まれている。基準速度とは、レーザーセンサーモジュールを用いた粒子密度の信頼できる検出を可能とするためにカバーする必要のある粒子速度範囲に依存するさらなる測定パラメーターのことである。基準速度は、前もって決められた速度範囲にわたってある与えられた粒子密度の信頼できる測定ができるように選択される。

好ましくは、第一の測定ビームが基準面との間に第一の角度β１を形成し、第二の測定ビームが基準面との間に第二の角度β２を形成し、 第一の測定ビームの基準面への投影と、第二の測定ビームの基準面への投影とが２０°と１６０°との間、好ましくは６０°と１２０°との間、最も好ましくは８０°と１００°との間の範囲の角度γを形成する。

基準面または検出面はレーザーセンサーモジュールを備えたデバイスの表面であってもよい。第一の測定ビームおよび第二の測定ビームは基準面（窓）の伝達領域を通って放射される。この構成は、とくに基準面に対して平行な粒子の流れに適している（図２参照）。このデバイスはセンサー箱のような静止デバイスであってもよいしまたはスマートフォンのようなモバイルデバイスであってもよい。基準面はたとえばスマートフォンの表示装置の表面であってもよい。ユーザは、スマートフォンまたはモバイル通信デバイスを表示装置の表面が地面の表面に対して平行または垂直になるよう保持するようにしてもよい。このデバイスのさらなるセンサーが当該デバイスの地面の表面に対する正しい位置を提供する助けをするようになっていてもよいし、および／または、粒子濃度の最適な測定値を得るためにさらなる速度データが用いられるようになっていてもよい（たとえば、スマートフォンの方位磁石用途または水準器用途に用いうる加速度センサーなど）。特殊な場合には、第一の測定ビームが基準面との間に角度β１＝４５°を形成することが好ましく、第二の測定ビームが基準面との間に角度β２＝４５°を形成することが好ましい。この場合、両方の測定ビームの投影が角度γ＝９０°を形成することが好ましい。この場合、基準面に対して平行な粒子の流れの各速度ベクトルは第一の測定ビームまたは第二の測定ビームとの間に４５°の角度９０−αを形成する。この場合、角度φは６０°である。

好ましくは、光学装置の特徴は、両測定ビームに対する第一の開口数および第二の開口数が０．０１と０．０６との間、好ましくは０．０２と０．０４との間であり、検出粒子の基準速度が１ｍ／ｓ未満である。前もって決められた速度範囲は０．０１ｍ／ｓと７ｍ／ｓとの間の範囲であってもよい。開口数が小さくかつ粒子の移動が遅ければ、たとえばモバイル通信デバイス（たとえば、スマートフォン）のようなハンドヘルドデバイスによる粒子の信頼できる検出が可能となる。さらに、開口数が小さいと、レーザーセンサーモジュールを備えたたとえばスマートフォンの表面までの信頼できる検出距離（第一の測定ボリュームおよび第二の測定ボリューム）として３と１０ｍｍとの間の距離が可能となる。

基準速度は、当該基準速度を含む前もって決められた速度範囲内のエラー最小化が当該基準速度を中心として対称となるように選択される。このようにして基準速度を選択することにより、エラー補正の改善、とくに前もって決められた速度範囲の境界における速度に関する改善が可能となる。前もって決められた速度範囲の上側または下側の境界における系統的エラーの危険性を減少させることが可能となる。

実験により、粒子速度の関数として表したレーザーセンサーモジュールの粒子カウント計数率がべき乗則（Ｐｏｗｅｒ Ｌａｗ）によりほぼ説明することができることが分かっている。したがって、基準速度が前もって決められた速度範囲の対数軸の中間またはその近傍にあることは、前もって決められた速度範囲において基準速度を中心として対称なエラー最小化を可能とするにはよい選択であるように思える。たとえばモバイルハンドヘルドデバイスによる粒子密度検出の場合、前もって決められた速度範囲は０．０１ｍ／ｓと６ｍ／ｓとを境界とするものであってもよい。この場合、粒子密度（たとえば、ＰＭ２．５）の信頼できる値を求めるにあたって、光学装置の開口数が０．０３の場合には基準速度は約０．２ｍ／ｓであるのが好ましい。

粒子の流れに関するレーザーセンサーモジュールの平均速度に応じて、開口数を意図した用途に合わせて変える必要がありうる。たとえば１０ｍ／ｓの平均速度で移動する移動体に主に用いられうるレーザーセンサーモジュールは、高速度における小粒子の検出を可能とするためには大きな開口数が必要となり、開口数が大きくなければ高速度における小粒子の数をカウントすることができず、粒子密度検出のエラーが増大してしまう。

第一の開口数は第二の開口数と同じであってもよい。このことは、変化を持たせることを除外することを意味しない。

速度値ｖは、次の式（式１）を用いて自己混合干渉信号の周波数測定値ｆから求めることができる：
［数１］
v=f*λ/(2*sin(α)),

この式で、λは測定ビームの波長であり（たとえば８５０ｎｍ）、角度９０−αは、速度ベクトルとそれに対応する測定ビームとの間に形成された角度であり、第一の自己混合干渉信号および第二の自己混合干渉信号に基づいて（少なくとも近似的に）求めることができる。粒子の流れが検出面（たとえば、携帯電話の表面）に対して平行であり、両方の測定ビームが検出面との間に４５°の角度を形成し、両方の測定ビームの検出面への投影したものが９０°の角度γを形成する場合、９０−αの角度は４５°（固定）となる。粒子の流れが完全に平行ではない場合でさえ、マイナーなエラーのみが存在する。

速度の測定は、測定された自己混合干渉信号の分析を信号の有効長または測定時間に適合させることにより改善させることが可能である。信号の有効長は速度、ビームサイズおよび角度αに応じて異なる。有効長または測定時間は、時間ドメイにおいて信号があるしきい値よりも大きい期間を検出することにより求めることが可能である。

２つの測定ビームの場合、各測定ビームｉに対する平均粒子速度ｖ_ａｖｉおよび平均総速度ｖ_ａｖが次の一連の式（式２）を用いて求められる。

［数２］
v_av1=Σv(j)/N
及び
v_av2 =Σv(k)/M), v_av=sqrt (v_av1 ²+v_av2 ²),

この式で、ｖ（ｊ）、ｖ（ｋ）は第一の測定ボリュームおよび第二の測定ボリュームにおいて測定された速度であり、Ｎは第一の測定ボリュームにおいて検出される粒子の総数であり、Ｍは第二の測定ボリュームにおいて検出される粒子の総数である。これらは測定時間間隔におけるものである。平均速度の式は、両方の測定ビームが異なる角度（窓に対して平行な面において９０度とは異なる角度）を形成している場合に容易に適合させることができる。

評価器はさらに、求められた粒子密度を基準速度と求められた平均粒子速度との間の比の立方根を含む係数により補正するように構成されていてもよい。

基準速度と求められた平均粒子速度との間の比の立方根を含む係数は、所与の基準粒子密度での粒子カウント数のｖ^１／３依存性を示す速度依存を補償するために用いられる。実際のところ基準速度というのは、この速度依存性を前もって決められた速度範囲内において最小化するように選択される。

さらに、第一の測定ボリュームは第一の測定ビームの方向に沿って線形に延び、第二の測定ボリュームは第二の測定ビームの方向に沿って線形に延びるようになっていてもよい。この場合、評価器は、第一の測定ボリューム内に粒子を検出する第一の相対的尤度を求めるように適合されていてもよい。評価器はさらに、第二の測定ボリューム内に粒子を検出する第二の相対的尤度を求めるように適合されていてもよい。評価器はさらに、求められた粒子密度を第一の相対的尤度および第二の相対的尤度を用いて補正するように適合されていてもよい。

粒子密度の測定は、小さな開口数が測定ボリュームを測定ビームに沿って線形に延ばすという効果を奏するということを認識することによりさらに改善することが可能となる。小さな開口数を備えた光学装置を用いて焦点合わせをすることにより、粒子を検出することができる範囲を測定ビームに沿って延ばすことができる。第一の測定ビームまたは第二の測定ビームにより粒子が検出される尤度（可能性）は、その測定ビームの光軸に対する空気の移動の角度の関数である。尤度は、それぞれ、第一の測定ボリュームおよび第二の測定ボリュームにおいて測定された速度の平均の計算値に基づいて求めることができる。というのは、粒子の流れと両方の測定ビームとの間に形成される角度が少なくとも近似的に求められるからである。この角度を２つのレーザーしか備えていないレーザーセンサーモジュールにより３次元で測定するのは、欠点がないとはいえないものの、２０％未満のエラーで粒子密度を測定することを可能とする。２０％未満のエラーというのは、たとえばハンドヘルドモバイル通信デバイスが外でのジョギングには粒子密度が高過ぎる（たとえば、スモッグ）か否かを示すには十分に足りるものである。

２つの測定ビームを備えたレーザーセンサーモジュールの場合、次の式（式３）を用いて上述の求められた平均速度に基づいて補正（任意選択的）を計算することが可能である：

この式で、ｐ１は第一の測定ボリュームにおいて粒子が検出される尤度であり、ｐ２は第二の測定ボリュームにおいて粒子が検出される尤度である。

評価器はさらに、第一の信号対雑音比しきい値レベルで第一の粒子カウント計数率（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｃｏｕｎｔ ｒａｔｅ）と、第一の信号対雑音比しきい値レベルとは異なる第二の信号対雑音比しきい値レベルで第二の粒子カウント計数率とを求めるように適合されていてもよい。評価器はさらに、第一の粒子カウント計数率および第二の粒子カウント計数率を用いて求められた粒子密度を補正するように適合されていてもよい。

実験およびモデル計算から、高速度では、最小粒子に対する信号対雑音比が測定するには小さくなり過ぎることが分かった。粒子カウント計数率に対して２つの異なるしきい値レベルを用いることにより、高速度における小粒子の数の推定、ひいては数えられなかった粒子の数の推定を行うことが可能となる。粒子密度はたとえば次の式を用いて補正することが可能である：

この式で、ｒａｔｉｏｔｗｏｔｈ_ｒｅｆは大きな粒子に対する２つのしきい値の比（高しきい値レベルでのカウント数を低しきい値レベルでのカウント数で除算して得られれた値）であり、ｒａｔｉｏｔｗｏｔｈｒ_ａｖは粒子密度（たとえば、ＰＭ２．５）測定の平均速度における２つのしきい値の比である。これらの値の差は分布における小粒子の数の指標である。この差を基準速度に対する速度差の指標に対応する係数で乗算することにより、分布における小粒子についての補正がなされる。２つの異なるしきい値は、光学的手法を用いて（たとえば、第一の開口数と第二の開口数とが異なる）、検出器の異なる感度により（物理的にもしくは評価器により設定される異なる感度により）、または、たとえば自己混合干渉信号に電気フィルタを適用することにより生成されるようになっていてもよい。検出される粒子の数と検出される平均速度とを組み合わせることにより粒子密度が求められる。粒子密度は、たとえばＰＭ２．５値として表すことができる。評価器は、たとえば、第一のレーザー、第二のレーザーおよび任意選択的な第三のレーザーにより生成される自己混合干渉信号を第一の検出器、第二の検出器または第三の検出器と共同で（組んで）評価するように適合された１つのＡＳＩＣを有していてもよい。それに代えて、各検出器が別個のＡＳＩＣと結合されるようになっていてもよい。

ＰＭ２．５値は次の式（式４）を用いて計算することが可能である：

この式で、ｃ１は他の較正係数であり、Ｔは前もって決められた期間である。較正係数ｃ１は、たとえばプロフェッショナル向けの装置を用いた基準実験と基準粒子濃度とに基づいて求められる。較正実験により求められた較正係数の一例はｃ１＝７．８であり、ｃ２＝２．７である。上述の式を用いることにより、０．０１ｍ／ｓと７ｍ／ｓとの間の速度範囲における粒子密度の信頼できる検出が可能となる。標準偏差は同じ速度範囲の較正実験に対して約０．２である。

光学装置はレーザーセンサーモジュールの出口窓に対して垂直方向に沿った建物高さ（ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔ）が１ｍｍ未満となるように第一の測定ビームを曲げるように構成されていてもよい。

たとえば、光学装置は２つの反射面を有しており、２つの反射面は第一の測定ビームがたとえば第一の測定ビームを第一の測定ボリュームへの集中させるレンズを横断する前にレーザーセンサーモジュール内で曲げられるように構成されている。光学装置により提供される要求開口数と上述のデバイスから十分に離れた（たとえば５ｍｍ）焦点位置とが併用されると、レーザーと焦点調整光学デバイス（たとえばレンズ）との間に一定の距離が必要となる。第一の測定ビームの光経路をレーザーセンサーモジュール内で曲げることにより、レーザーセンサーモジュールの建物高さを削減することが可能となる。レーザーセンサーモジュールの建物高さの削減は、レーザーセンサーモジュールがスマートフォンのようなモバイル通信デバイス内に組み込まれる場合にとくに有利となりうる。

光学装置は、第一の測定ボリュームがレーザーセンサーモジュールの出口窓に対して垂直な方向に沿って３ｍｍと１０ｍｍとの間の距離に位置するように構成されてもよい。出口窓は、第一の測定ビームを第一の測定ボリュームに集中させるための焦点調整光学デバイスと同一であってもよい。３ｍｍと１０ｍｍとの間の距離は、デバイス表面で一体化されうる粒子の流れに対する出口窓の表面の影響を弱める。第一の測定ボリュームまでの距離が長いと、手の熱および／または垂直位置の上述のデバイスに起因する実際的な気流パターンの場合には空気速度が遅くなる。

好ましくは、レーザーセンサーモジュールは、第三の測定ビームを放射するように適合された少なくとも第三のレーザーを備えている。光学装置は第三の測定ビームを第三の測定ボリュームへ集中させるように構成されている。第一の測定ビーム、第二の測定ビームおよび第三の測定ビームの各対は１０°と１１０°との間（好ましくは、９０°）の角度を形成する。レーザーセンサーモジュールはさらに、第三のレーザーの第三のレーザーキャビティ内の第三の光学波の第三の干渉信号または第三の自己混合干渉信号を求めるように適合された第三の検出器を有している。評価器はさらに、第三の検出器により生成される検出信号を受信するように適合されている。評価器はさらに、前もって決められた期間内に第三の検出器により検出される粒子の第三の平均速度を求めるのに適合されている。評価器はさらに、前もって決められた期間に第三の検出器により生成された検出信号を用いて第三の粒子数を求めるように適合されている。評価器はさらに、第一の平均速度、第二の平均速度および第三の平均速度を用いて求められた平均粒子速度ならびに第一の粒子数、第二の粒子数および第三の粒子数に基づいて粒子密度を求めるように適合されている。

第三のレーザーを用いることにより粒子の流れ方向の測定を改善することが可能となる。というのは、３つの速度成分をすべて測定することができるようになるからである。したがって、平均速度の測定を改善することが可能となる。さらに、粒子カウント計数率が増大するようにさらなる測定ボリュームが追加される。また、信頼性を高めるためにさらなるレーザーおよび検出器が任意選択的に追加されてもよい（冗長レーザー）。

第一の測定ボリュームは、第二の測定ボリュームまたは第三の測定ボリュームと少なくとも部分的にオーバーラップしてもよい。複数の測定ボリュームをオーバーラップさせることは、粒子速度の速度ベクトルを求めるのに同じ粒子を用いることが可能となるという利点を有している。したがって、平均速度の測定の精度および測定ビームと粒子の流れとの間の角度の測定の精度を改善することが可能となる。複数の測定ボリュームのオーバーラップを可能とするためにレーザー同士間には間隔が必要となるのでレーザーセンサーモジュールのサイズは増大しうる。

それに代えて、第一の測定ボリュームは、第二の測定ボリュームとは異なっていてもよく、またレーザーセンサーモジュールが３つの測定ビームを備えている場合には、第三の測定ボリュームとも異なっていてもよい。この場合、これらの測定ビームがほとんど同じ位置から放射されるようになっていてもよい。こうすることにより、２つまたは３つのレーザーすべてが互いに非常に接近させて配置された非常にコンパクトなレーザーセンサーモジュールが可能となる。

このような構成は、第一のレーザーおよび第二のレーザー（および任意選択的に第三のレーザー）が一つの半導体チップ上に形成される半導体層を構成している積層レーザー構造の場合にとくに有用となりうる。これらの半導体層の電気コンタクト（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｔａｃｔｓ）は、第一の自己混合干渉信号、第二の自己混合干渉信号および任意選択的な第三の自己混合干渉信号を独立して測定することが可能となるように構成される必要がある。

レーザーセンサーモジュールはさらに電気ドライバを備えていてもよい。電気ドライバはレーザーが測定ビームを放射するようにレーザーを電気的に駆動させるように適合されていてもよい。

レーザーセンサーモジュールはさらに、制御信号、電気的駆動信号または検出信号を外部コントローラーとやり取りするのに用いうるインターフェースを備えていてもよい。

上述のいずれかの実施形態にかかるレーザーセンサーモジュールは第一のモードで粒子密度を検出するように構成されていてもよい。また、レーザーセンサーモジュールはさらに、第二のモードで少なくとも１ｍｍのサイズを有する対象物の接近を検出するように構成されていてもよい。レーザーセンサーモジュールが粒子密度の検出に用いられる場合、 好ましくは、ＤＣ駆動電流が用いられ、また、粒子が上述の自己混合干渉信号の変調により検出されるようになっている。

他の実施形態にかかるレーザーセンサーモジュールは、２０μｍ未満の粒子サイズを有する粒子の粒子密度を検出するように構成されている。また、レーザーセンサーモジュールはさらに、当該レーザーセンサーモジュールの発光面から前もって決められた検出範囲内の対象物の存在を検出するように構成されていてもよい。この対象物のサイズは長い延長部に沿って少なくとも１ｍｍであることが好ましい。レーザーセンサーモジュールは、
第一の測定ビームを放射するように適合された少なくとも第一のレーザーと、
少なくとも第一の測定ビームを第一の測定ボリュームに集中させるように構成された光学装置であって、当該光学装置が第一の測定ビームに対する第一の開口数が０．０２と０．１との間であることより特徴付けされる、光学装置と、
第一の干渉信号または第一の自己混合干渉信号を求めるように適合された少なくとも第一の検出器と、
評価器とを備えており、
評価器は、第一の干渉信号または自己混合干渉信号が求められたことを受けて少なくとも第一の検出器により生成される第一の検出信号を受信するように適合され、評価器はさらに、第一の検出信号を用いて、前もって決められた検出範囲内の対象物の存在と第一の測定ボリューム内の粒子の存在とを区別するように適合されている。

上述の対象物とは、たとえば、ジェスチャコントロールのためのユーザの手の指または手の一部である場合もあれば、またはそれに代えて、粒子密度の信頼できる検出を妨げるまたは弱める汚れ粒子である場合もある。

スマートフォン用途のレーザーセンサーモジュールまたはレーザー粒子センサーは、通常たとえば０．２ｍ／ｓという低速において良好な粒子カウント計数率と、小さな最小検出粒子サイズとを有していなければならない。このことに対応するためにシステムの開口数（ＮＡ）を比較的に小さい値、たとえばＮＡ＝０．０３に選択する必要がある。この小さなＮＡは比較的遠い距離にある大きな対象物の検出を可能とするのに有利である。たとえば、粒子検出のための焦点を結ぶスポットとしては、スマートフォンのカバーグラスから５ｍｍとところが通常選択される。ＮＡ＝０．０３であるシステムの場合、大きな対象物をたとえば１５ｃｍの距離のところで干渉信号または自己混合干渉（ＳＭＩ）信号により依然として観察することができる。実際の距離は、ＮＡとは別の他のシステムパラメータ（たとえば、パワーおよび対象物の反射特性）として何を選択するかに応じて異なってくる。

実験から、粒子速度を求めるために遷移時間アルゴリズムを用いる単軸粒子センサーが利用可能であることが分かっている。さらに、２軸システムまたは３軸システムの場合、正確な粒子検出結果を得るにあたって直交している（ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ）必要がない。このことは、これらの粒子センサーがスマートフォンの表面の法線に対して比較的小さなビーム角度（１０°と３５°との間の範囲）を用いることができることを意味する。このことは近接検出にとって有利な特徴である。

粒子検出の場合には所定の最小ＮＡが必要となり、近接検出の場合には所定の最大ＮＡが必要となる。このことは、複合レーザーセンサーモジュールの場合には特定の範囲のＮＡを選択しなければならないという見通しを与える。最大６ｍ／ｓまでの粒子速度または風速の場合に信頼できる粒子密度検出および近接検出を可能とするＮＡの特定の範囲とは０．０２と０．１の間の範囲である。

同じレーザーセンサーモジュールがジェスチャコントロールおよび／または近接センシングのために用いられる場合、対象物の距離（および／または速度）を検出することができるように変調駆動電流が用いられる。ジェスチャコントロールとは、ユーザがレーザーセンサーモジュールまたはレーザーセンサーモジュールを備えたデバイス（たとえば、スマートフォン）の表面に直接接触することなく情報の入力または情報の操作をすることができることを意味する。したがって、ジェスチャコントロールは非接触式の情報入力、情報操作または情報提示を可能とする。

近接センシングの大まかな方法は、検出されたフォルトパーティクルイベント（ｆａｕｌｔｓ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｅｖｅｎｔｓ）の数を調べることにより行なわれてもよい。この場合、変調駆動電流の提供は必要でなくなる。

粒子密度および対象物の存在を検出するように構成されたレーザーセンサーモジュールの前もって決められた検出範囲は２０ｃｍ未満であってもよい。第一の測定ボリュームは発光面と前もって決められた検出範囲との間の位置にある。

粒子密度および対象物の存在を検出するように構成されたレーザーセンサーモジュールであって、当該レーザーセンサーモジュールがさらに電気ドライバを備えうる、レーザーセンサーモジュール。電気ドライバは、第一の期間内に第一の電気駆動電流を用いて第一のレーザーを電気的に駆動させるように構成されている。電気ドライバはさらに、第一の電気駆動電流とは異なる第二の電気駆動電流を用いて第一の期間とは異なる第二の期間内に第一のレーザーを電気的に駆動させるように構成されている。評価器は、第一の期間内に前もって決められた検出範囲内の対象物の存在を検出するように構成されている。評価器はさらに、第二の期間内に粒子の存在を検出するように構成されている。第一の電気駆動電流はたとえば変調駆動電流（たとえば、三角波）であってもよい。第二の電気駆動電流はたとえばＤＣ電流であってもよい。

粒子密度および対象物の存在を検出するように構成されたレーザーセンサーモジュールであって、評価器が第一の期間内に前もって決められた検出範囲内のジェスチャを認識するために対象物の近接を検出するように構成されている、レーザーセンサーモジュール。評価器はさらに、第二の期間に粒子密度を検出するように構成されている。評価器は第一の期間内に対象物の移動を検出するように構成されていてもよい。

粒子密度および対象物の存在を検出するように構成されたレーザーセンサーモジュールであって、評価器がさらに、前もって決められた期間に第一の測定ボリュームを通る粒子の平均遷移時間を当該粒子により生成される第一の干渉信号または自己混合干渉信号の持続時間に基づいて求めるように構成されている、レーザーセンサーモジュール。評価器はさらに、前もって決められた期間に第一の干渉信号または自己混合干渉信号に基づいて粒子の数を求めるように適合されており、また評価器はさらに、上述および後述のように平均遷移時間および粒子の数に基づいて粒子密度を求めるように適合されている。

上述のレーザーセンサーモジュールを用いることにより、前もって決められた粒子の流れの方向および速度の提供を必要とすることなく粒子を検出することが可能となる。前もって決められた期間に第一の測定ボリュームを通る粒子に基づいて第一の干渉信号または自己混合干渉信号を生成するために、１つの方向にのみ測定ビームを放射する１つのレーザー（およびそれに対応する検出器）のみが用いられるようになっていてもよい。これらの第一の干渉信号または自己混合干渉信号を用いて前もって決められた期間内に第一の測定ボリュームを通る粒子の粒子数および平均遷移時間が求められる。単一の粒子の遷移時間とは、単一粒子により生成される干渉信号または自己混合干渉信号の開始時間とその終了時間との間の時間差のことである。平均遷移時間とは、前もって決められた期間内に測定されたすべての遷移時間の平均のことである。平均遷移時間の測定を改善しうる干渉信号または自己混合干渉信号を選択するためにあるしきい値が設定されてもよい。たとえば、前もって決められたしきい値振幅を上回る最大信号振幅を備えた干渉信号または自己混合干渉信号のみを選択することができるようになっていてもよい。前もって決められたしきい値振幅を用いることにより、測定ビームの方向に沿って測定ボリュームの中央線を通過する粒子により引き起こされた干渉信号または自己混合干渉信号を選択することが可能となりうる。さらに、本質的に円形な粒子および第一の測定ビームを用いた場合、中心から離れた距離の関数として表した遷移時間が少しずつしか小さくなっていかないことから、遷移時間検出が第一の測定ボリュームを通る粒子の経路に対して敏感ではない。平均遷移時間および干渉信号または自己混合干渉信号から検出される粒子数は、粒子の流れの速度ベクトルと第一の測定ビームの方向との間の関係が近似的に分かる場合には粒子密度を求めるのに十分足りるものである。

粒子密度および対象物の存在を検出するように構成されたレーザーセンサーモジュールであって、評価器がさらに、第一の干渉信号または自己混合干渉信号および平均遷移時間に基づいて第一の測定ビームと粒子の速度ベクトルとの間との間に形成された角度を求めるように適合され、開口数が基準速度における前もって決められた最小粒子サイズを検出するように決められている、レーザーセンサーモジュール。基準速度は、０．０１ｍ／ｓと７ｍ／ｓとの間の前もって決められた速度範囲内で選択される。粒子密度はさらに基準速度および第一の測定ビームの基準ビーム直径に基づいて求められる。基準速度および基準ビーム直径により、基準粒子サイズを有する基準粒子が第一の測定ビームを通る基準時間が決まる。基準粒子の速度ベクトルは第一の測定ビームに対して直角となっている。上述および後述の実施形態にはさらなる詳細事項が記載されている。

粒子密度および対象物の存在を検出するように構成されたレーザーセンサーモジュールであって、当該レーザーセンサーモジュールは、
第二の測定ビームを放射するように適合された少なくとも第二のレーザーと、
少なくとも第二の測定ビームを第二の測定ボリュームに集中させるようにさらに構成された光学装置であって、当該光学装置が第二の測定ビームに対する第一の開口数により特徴付けされ、第一の測定ビートと第二の測定ビームとが５°と７０°との間、好ましくは７°と５０°との間、さらに好ましくは１０°と３５°との間の角度を形成する、光学装置と、
第二の干渉信号または第二の自己混合干渉信号を求めるように適合された少なくとも第二の検出器とを備えており、
評価器はさらに、第二の干渉信号または自己混合干渉信号が求められたことを受けて第二の検出器により生成される第二の検出信号を受信するように適合され、評価器はさらに、第一の検出器信号および第二の検出信号に基づいて粒子密度を求めるように適合されている。

空気流または気体流（より一般的には、流体）が二次元である場合、平均粒子速度を求めて粒子密度を検出するために２つのレーザーおよびそれに対応する検出器が用いられてもよい。未知の３次元の流れ方向の場合、平均粒子速度を求めて粒子密度を検出するために３つのレーザーおよびそれに対応する検出器が必要となる。

粒子密度および対象物の存在を検出するように構成されたレーザーセンサーモジュールであって、対象物が粒子検出を妨げる遮蔽物（ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔ）である、レーザーセンサーモジュール。評価器は遮蔽物に応じて粒子密度の検出を適合させるように構成されている。

レーザーセンサーモジュールは、検出ボリューム内の粒子のカウント数を求めるために反射光信号を（干渉または自己混合干渉ＳＭＩに基づいて）処理する。反射光信号は以下のケースで不正確となる：
１．レーザーセンサーモジュールの窓が完全に遮蔽されている（すなわち、光がセンサーモジュールから出られない）。
ａ．光が遮断されて粒子を検出することができない。
ｂ．ビームの焦点合わせの後に光が遮断／反射され、粒子が依然として検出ビームを通ることができる。
２．２つの測定ビームのうちの一方の光経路が部分的に遮断されている。
ａ．窓の付着している大きな粒子により
ｂ．レーザービーム内の対象物により
すべてのケースにおいて、センサーは受信した信号の処理に基づいて不正確な結果を提供してしまうことになる。

レーザーセンサーモジュールは光経路を（完全にまたは部分的に）遮断する何らかの存在を検出しているため、この期間中、粒子の読み取り値の報告はしない。検出は反射された光のパターンに基づきうる。とくに：
完全な遮断の場合（１ａ）：対象物を干渉計に効果的に配置することにより干渉信号または自己混合干渉信号が得られる。一般的に、対象物は移動しており、検出ビームの光軸に対する対象物の移動速度に応じて周波数が高くなったりまたは低くなったりする。これらの信号の振幅、持続時間、ノイズフロアレベルおよび周波数の組み合わせは、粒子信号とは異なっており、これらの特徴を用いて粒子と遮蔽されたセンサー（ｂｌｏｃｋｅｄ ｓｅｎｓｏｒ）とを区別することができる。このことは、センサーが永久に遮蔽されている（たとえば、レーザーセンサーモジュールがたとえばスマートフォンのカバーにより遮蔽されているまたはポケットの中に入れられている間に測定している）場合にもまたはセンサーが短時間遮蔽されている（たとえば、手がセンサーを通っている）場合にも成り立つ。

遮蔽物が検出ボリュームの後にある場合（１ｂ）：２つの状況が生じうる。１つは、先の場合と同様に、背景物（ｂａｃｋｇｏｕｎｄ ｏｂｊｅｃｔ）は、粒子の信号よりも優性な（ｄｏｍｉｎａｔｅ）信号を生じ、先に記載のように取り扱われるべきである。しかしながら、このことは、対象物の影響が十分に弱い場合には（すなわち、センサーからの距離が遠い場合には（典型的には、数ｃｍ））、バックグラウンドノイズフロアを変えてしまう場合もある。このことは、時間変動バックグラウンドノイズによりまたはノイズスペクトル内のスペクトル変化により識別することができる。

部分的な遮蔽の場合（２ｂ）、レーザーセンサーモジュールの評価器は次のように遮蔽物の影響を差し引いて粒子カウント数の結果を提供するように構成されていてもよい：（時間の関数として表した）干渉信号または自己混合干渉信号の一部分において、信号の変動が著しく高い（遮蔽物が高い信号成分を形成して粒子の移動を隠してしまう）。粒子の濃度情報は依然として残りの信号から推定することが可能であるものの精度は悪い。

センサーの部分的な遮蔽（２ｂ）を検出する他の選択肢として変調測定ビームが用いられてもよい。この場合、対象物の距離および速度を導出することができる。距離はカバーグラスから来る外乱（恐らく大きな粒子）に対応している恐れがある。洗浄することを助言しておく。

レーザーセンサーモジュールは自己混合干渉信号を求める代わりに干渉信号を求めるように構成されていてもよい。この場合、レーザーセンサーモジュールは第一の測定ビームの部分的な反射による第一の測定ビームに基づく第一の基準ビームと、第二の測定ビームの部分的な反射による第二の基準ビームとを提供するように構成されてもよい。第一の測定ビームまたは第二の測定ビームは、レーザーセンサーモジュール内の第一の測定ビームまたは第二の測定ビームの光経路に配置される光学構造体により部分的に反射されるようになっていてもよい。第一の検出器は第一の測定ビームの反射光と第一の基準ビームとの干渉に基づいて第一の干渉信号を求めるように構成されている。第二の検出器は第二の測定ビームの反射光と第二の基準ビームとの干渉に基づいて第二の干渉信号を求めるように構成されている。

それに代えてまたはそれに加えて、自己混合干渉信号を求める代わりに干渉信号を求めるように構成されたレーザーセンサーモジュールは第一の検出器が第一のレーザーから分離されているように構成されてもよい。第二の検出器は第二のレーザーから分離されている。この場合、レーザーセンサーモジュールはさらに、第一の基準ビームを提供するように構成された第一のビームスプリッタを備え、また、レーザーセンサーモジュールはさらに、第二の基準ビームを提供するように構成された第二のビームスプリッタを備えている。第一のビームスプリッタおよび第二のビームスプリッタはそれぞれ第一の偏光ビームスプリッタおよび第二の偏光ビームスプリッタであってもよい。レーザーセンサーモジュールはさらに、第一のビームスプリッタと第一の測定ビームを第一の測定ボリュームに集中させるための第一の焦点調整デバイスとの間に配置される第一の四分の一波長板を備えていてもよい。レーザーセンサーモジュールはさらに、第二のビームスプリッタと第一の測定ビームを第一の測定ボリュームに集中させるための第二の焦点調整デバイスとの間に配置される第二の四分の一波長板を備えていてもよい。

空気清浄機、排気フード、自動車、センサー箱、または、モバイル通信デバイスのようなウェアラブルデバイスが上述の実施形態のうちのいずれかにかかるレーザーセンサーモジュールを備えていてもよい。

さらなる態様によれば、粒子密度を検出する方法が提示されている。かかる方法は、
第一のレーザーにより少なくとも第一の測定ビームを放射するステップと、
第二のレーザーにより少なくとも第二の測定ビームを放射するステップと、
第一の開口数で第一の測定ビームを集中させるステップであって、第一の開口数が基準速度における前もって決められた最小粒子サイズを検出するように決められ、基準速度が前もって決められた速度範囲内にある、集中させるステップと、
第二の開口数で第二の測定ビームを集中させるステップであって、第二の開口数が基準速度における前もって決められた最小粒子サイズを検出するように決められ、基準速度が前もって決められた速度範囲内にある、集中させるステップと、
第一のレーザーの第一のレーザーキャビティ内の第一の光学波の第一の干渉信号または第一の自己混合干渉信号を求めるステップと、
第二のレーザーの第二のレーザーキャビティ内の第二の光学波の第二の干渉信号または第二の自己混合干渉信号を求めるステップと、
前もって決められた期間に求められた第一の干渉信号に基づいて第一の平均速度を求めるステップと、
前もって決められた期間に求められた第二の干渉信号または第二の自己混合干渉信号に基づいて第二の平均速度を求めるステップと、
前もって決められた期間に求められた第一の干渉信号または第一の自己混合干渉信号を用いて第一の粒子数を求めるステップと、
前もって決められた期間に求められた第二の干渉信号または第二の自己混合干渉信号を用いて第二の粒子数を求めるステップと、
少なくとも第一の平均速度および第二の平均速度に基づいて平均速度を求めるステップと、
少なくとも求められた平均速度、第一の粒子数および第二の粒子数に基づいて粒子密度を求めるステップとを有している。

他の実施形態によれば、２０μｍ未満の粒子サイズを有する粒子の粒子密度を検出する方法が提供されている。かかる方法は、
第一のレーザーにより少なくとも第一の測定ビームを放射するステップと、
０．０２と０．１との間の第一の開口数で第一の測定ビームを集中させるステップと、
第一の干渉信号または第一の自己混合干渉信号を求めるステップと、
前もって決められた検出範囲内の対象物の存在と第一の測定ボリューム内の粒子の存在とを区別するステップとを有しており、
対象物のサイズは最長の延長部に沿って好ましくは少なくとも０．５ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも１ｍｍである。

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供されている。かかるコンピュータプログラム製品は、レーザーセンサーモジュールの少なくとも１つのメモリーデバイスにまたはレーザーセンサーモジュールを備えるデバイスの少なくとも１つのメモリーデバイスに保存することができるコード手段（ｃｏｄｅ ｍｅａｎｓ）を備えている。コード手段は、レーザーセンサーモジュールの少なくとも１つの処理デバイスまたはレーザーセンサーモジュールを備えるデバイスの少なくとも１つの処理デバイスが上述の方法を実行することができるように構成されている。

メモリーデバイスまたは処理デバイスは、レーザーセンサーモジュールに設けられていてもよいし（たとえば、電気ドライバ、評価器など）またはレーザーセンサーモジュールを備えるデバイスに設けられていてもよい。レーザーセンサーモジュールを備えたデバイスの第一のメモリーデバイスおよび／または第一の処理デバイスと、レーザーセンサーモジュールに設けられた第二のメモリーデバイスおよび／または第二の処理デバイスとは相互に作用するようになっていてもよい。

メモリーデバイスは、情報、とくにデジタル情報を格納するように構成されたいかなる物理デバイスであってもよい。メモリーデバイスは、とくにソリッドステートメモリまたは光学メモリーからなる群から選択されてもよい。

処理デバイスは、データ処理、とくにデジタルデータ処理を行なうように構成されたいかなる物理デバイスであってもよい。処理デバイスは、とくにプロセッサ、マイクロプロセッサーまたは特定用途向け積層回路（ＡＳＩＣ）の群から選択されてもよい。

いうまでもなく、請求項１乃至１２のうちのいずれか一項に記載のレーザーセンサーモジュールと請求項１４に記載の方法は類似のおよび／または同一の実施形態を有している。とくに従属項の記載が該当する。

いうまでもなく、本発明の好ましい実施形態は従属項とそれに対応する独立項とのいかなる組み合わせであってもよい。

以下、さらに有利な実施形態が記載されている。

本発明のこれらおよび他の態様は下記の実施形態から明白でありかつ下記の実施形態を参照して説明されている。

以下、本発明の様々な実施形態を図面を用いて説明する。

図面において、同様の参照番号は同様の部材を示す。また、図面に記載の部材は必ずしも同一の縮尺ではない。

第一のレーザーセンサーモジュールを示す主要概略図である。 測定ビームの斜視図を示す主要概略図である。 様々な粒子分布を示す主要概略図である。 様々な粒子速度について粒子直径に対して表した粒子カウント数を示すグラフである。 様々な粒子分布について速度の関数として表した粒子カウント数を示すグラフである。 様々な粒子分布について速度の関数として表した補正された粒子カウント数を示すグラフである。 様々な粒子速度について粒子直径の関数として表した様々な信号対雑音比しきい値レベルでの粒子カウント数の比を示すグラフである。 小粒子について補正された粒子カウント数を示すグラフである。 測定結果を示す図である。 第二のレーザーセンサーモジュールを示す主要概略図である。 開口数の関数として表した検出距離を示すグラフである。 開口数の関数として表した最小検出粒子サイズを示すグラフである。 第三のレーザーセンサーモジュールを示す主要概略図である。 第四のレーザーセンサーモジュールを示す主要概略平面図である。 第一のマイクロ光学コンポーネントを示す主要概略図である。 第一の光学装置を示す主要概略図である。 第二の光学装置を示す主要概略図である。 モバイル通信デバイスを示す主要概略図である。 粒子密度を求める方法を示す主要概略図である。

対象物の運動および対象物までの距離を検出するために自己混合干渉法が用いられている。自己混合干渉についての基礎的な情報については、Ｇｉｕｌｉａｎｉ、Ｇ．、Ｎｏｒｇｉａ、Ｍ．、Ｄｏｎａｔｉ、Ｓ．＆ Ｂｏｓｃｈ、Ｔ．、「Ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ ｓｅｌｆ−ｍｉｘｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（センサーに応用するためのレーザーダイオード自己混合技術）」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ Ａ：Ｐｕｒｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、２００２年、４、Ｓ．２８３〜Ｓ．２９４に記載されている。この文献は参照することにより援用されるものとする。光学入力デバイス内のセンサーに対する指先の移動の検出については、国際特許出願第ＷＯ ０２／３７４１０号に詳細に記載されている。この文献も参照することにより援用されるものとする。国際特許出願第ＷＯ ０２／３７４１０号において提示されている実施例に基づいて自己混合干渉の原理について説明されている。レーザーキャビティを備えたダイオードレーザーがレーザービーム、すなわち測定ビームの放射のために提供されている。このデバイスの上側には、透明窓が設けられており、対象物、たとえば人間の指がこの透明窓に沿って移動する。ダイオードレーザーと透明窓との間にはレンズが配置されている。このレンズは、レーザービームを透明窓の上側またはその近傍に集中させるようになっている。対象物が、この位置にあると、測定ビームを散乱させる。測定ビームの放射線の一部が照明ビームの方向に散乱する。この部分はレーザーダイオードの放射表面にレンズにより搬送されてこのレーザーのキャビティの中に再入射する。放射線がダイオードレーザーのキャビティの中に再入射すると、レーザーのゲインに変化、ひいてはレーザーにより放射される放射線の強度に変化を誘発する。ダイオードレーザーの自己混合効果と呼ばれるのはこの現象のことである。

レーザーにより放射される放射線またはレーザーキャビティ内の光学波の強度の変化は、レーザーキャビティの前後のインピーダンス変化を求めるように構成されたフォトダイオードまたは検出器により検出することができる。フォトダイオードまたはインピーダンス検出器は放射線の変化を電気信号に変換する。また、この電気信号を処理するための電子回路が設けられている。

粒子検出の場合、自己混合干渉信号はたとえば短信号バーストまたは複数の信号バーストにより特徴づけされる。これらの信号に観察されるドップラー周波数は光軸に沿った粒子速度の１つの尺度である。したがって、信号検出および信号分析を単純化するためにＤＣ駆動電流を用いることが好ましい場合もある。粒子サイズを求めるにあたって信号の持続時間および強度を任意選択的に用いることも可能である。大粒子またはかく乱物体により反射されたレーザー光線によって生成されうるたとえば自己混合干渉信号を用いて粒子の位置または速度を求めるために変調駆動電流を用いることができる。距離（および場合によっては速度）が一回の測定で求められてもよいしまたは後続の測定ステップで求められてもよい。したがって、意図する粒子の数、速度についての粒子の測定値を生成するために、また、上記のビーム内の誤った物体の数を求めるため（ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｆａｌｓｅ ｏｂｊｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｂｅａｍ）の変調駆動電流を生成するために、第一の期間にＤＣ駆動電流を用いることが可能な場合もあればまたは有益な場合もある。

また、粒子検出に用いられたのと同じレーザーセンサーモジュールを運転モードの変更によって近接センサーおよび／またはジェスチャコントロール用のセンサーとして用いることも可能である。レーザーセンサーモジュールが粒子検出に用いられる場合、好ましくは、ＤＣ駆動電流が用いられ、粒子が自己混合干渉信号の変調により検出される。同じレーザーセンサーモジュールがジェスチャコントロールおよび／または近接センシングに用いられる場合、変調駆動電流が用いて対象物の距離（および／または速度）を検出することができる。この検出された距離を近接センサーとしてたとえば頭からスマートフォンまでの距離を測定するために用いることができる。またはそれに代えて、この測定された距離をジェスチャコントロールのためにたとえば指からセンサーまでの距離を変えて写真を拡大縮小するために用いることができる。低速粒子の検出に必要な最適な低ＮＡ（開口数）値は要求距離範囲において近接検出およびジェスチャ検出を実現するのに非常に有益であることが認められている。たとえばＮＡ＝０．０３のシステムでは、最大５ｃｍまでの距離での検出が可能となる。

図１は、第一のレーザーセンサーモジュール１００を示す主要概略図（ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｓｋｅｔｃｈ）である。レーザーセンサーモジュールは２つの垂直空洞面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）１１１、１１２を備えている。この場合、光学装置１５０は、開口数が０．０４５の２つの別個のレンズを有している。第一のレーザー１１１と第二のレーザー１１２とは、測定ビーム１１１’、１１２’の放射方向の２つの方向ベクトルが９０°の角度を形成するように配置されている。測定ビーム１１１’、１１２’は同一平面に配置されてもよいしまたは方向ベクトルにより離隔された並列な平面に配置されてもよい。たとえば、両方のレーザービームがデバイスの異なる位置を起点とし、ほぼ同じ位置に集中するようになっていてもよい。他の例実施形態では、両方のレーザービームがデバイスにおいて短距離離れた位置を起点とし、異なる位置に集中し、粒子を検出するようになっていてもよい。第一のレーザー１１１が第一の検出器１２１（たとえば、集積フォトダイオード）と結合されて第一のレーザー１１１のレーザーキャビティ内の第一の自己混合干渉信号を検出することができるようになっている。また、第二のレーザー１１１が第二の検出器１２２（たとえば、集積フォトダイオード）と結合されて第二のレーザー１１２のレーザーキャビティ内の第一の自己混合干渉信号を検出することができるようになっている。検出された自己混合干渉信号は、第一の検出器１２１および第二の検出器１２２に電気的に接続されている評価器１４０により評価される。矢印は粒子の流れ方向を示している。レーザーセンサーモジュールは任意選択的に第一のインターフェース（図示せず）を備えていてもよい。第一のインターフェースは電気エネルギーおよび制御信号を受信して第一のレーザー１１１および第二のレーザー１１２を駆動するように構成されている。さらに、評価された自己混合干渉信号および／または求められた粒子密度を外部の処理デバイスへ転送してさらなるデータ処理を行うように構成された第二のインターフェースが設けられてもよい。

図２は、基準面１０２の上方にある第一の測定ビーム１１１’および第二の測定ビーム１１２’の斜視図を示す主要概略図である。この構成は、基準面１０２に対して平行に流れる粒子の粒子密度を求めるように構成されたレーザーセンサーモジュール１００にとくに適しうる。基準面１０２は、レーザーセンサーモジュール１００の表面であってもよいしまたはレーザーセンサーモジュール１００を備えたデバイスの表面の一部であってもよい。第一の測定ビーム１１１’および第二の測定ビーム１１２’は、（透明な）基準面１０２を経由して放射されるようになっており、２つの測定ビームは角度φ（図示せず）を形成するようになっている。第一の測定ビーム１１１’は基準面１０２との間に角度β１を形成し、第二の測定ビーム１１２’は基準面１０２との間に角度β２を形成するようになっている。第一の測定ビーム１１１’の基準面１０２への第一の投影１１１”と第二の測定ビーム１１２’の基準面１０２への第二の投影１１２”とが角度γを形成している。基準面１０２に対して平行な粒子の流れが、矢印によって示され、第二の測定ビーム１１２’との間に角度９０−αを形成している。

図３は、粒子サイズ［μｍ］（横座標１０）の関数とする異なる粒子分布を示す主要概略図（ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｓｋｅｔｃｈ）である。縦座標５は、０．１μｍビン毎の単位ｍ^３当たりの粒子数（ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｐｅｒ ｃｕｂｉｃ ｍｅｔｅｒ ｐｅｒ ０．１μｍ ｂｉｎ）を示している。粒子の直径の関数として表した粒子数は０．１マイクロンのビン（データ区間）に分割することができる。図３のグラフにおいて０．５マイクロンの点は０．４５マイクロンと０．５５マイクロンとの間の粒子の数を示している。粒子分布１１は、すべてのビンにわたって一定の粒子濃度を有する平坦な基準粒子分布を示している。粒子分布１２は、浮遊粒子の典型的な分布を示している。一般的に、浮遊粒子とは、空気中に浮遊し、風によりまき散らされたままでありうる固体または液体からなる微粒子のことである。粒子分布１３は焼香（ｉｎｃｅｎｓｅ）に起因するものである。粒子分布１４は上海スモッグの平均粒子分布に相当するものである。これらの様々な粒子分布から、汚染された空気中の粒子分布では０．５μｍ未満の粒子サイズを有する小粒子が大半を占めていることが分かる。さらに、所与の粒子サイズの粒子数は粒子汚染源に応じて異なっている。したがって、基準粒子分布というものは存在しない。したがって、これらの異なる粒子分布を考慮すると、粒子密度の測定の信頼性というものは少なくともいくつかの限界を有している。

図４には、異なる粒子速度について、粒子直径（横座標１０）に対する粒子カウント数［ｃｏｕｎｔｓ数／（分＊μｇ／ｍ^３）］（縦座標２０）が示されている。ライン２１は第一の速度である０．０５ｍ／ｓでの粒子カウント数を示している。ライン２２は第二の速度である０．６ｍ／ｓでの粒子カウント数を示し、ライン２３は第三の速度である７ｍ／ｓでの粒子カウント数を示している。粒子カウント数（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｃｏｕｎｔｓ）または粒子カウント計数率（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｃｏｕｎｔ ｒａｔｅｓ）は、０．６ｍ／ｓの基準速度向けの構成となっている開口数が０．０４５のレーザーセンサーモジュールにより検出される。モデル最尤判定法および焼香の粒子分布（非常に小さな粒子が多い）の場合、上海スモッグおよび浮遊粒子（大きな粒子が多い）が用いられる（図３参照）。基本的に、０．５μｍより大きな粒子サイズを有する粒子の場合、粒子カウント数または粒子カウント計数率はｖ^１／３に比例する。高速度では、０．３μｍ未満のサイズを有する粒子は検出されない。図３には、図３に記載された異なる粒子分布１２、１３、１４について、速度３０の関数として表した粒子カウント数２０が示されている。図６には、異なる粒子分布について速度３０の関数として表した補正済み粒子カウント数２０が示されている。粒子カウント数は補正係数（ｖ_ｒｅｆ／ｖ_ａｖ）^１／３を用いてｖ^１／３速度依存に基づいて補正されている。ここで、基準速度ｖ_ｒｅｆは先に記載したように０．６ｍ／ｓであり、平均速度ｖ_ａｖは先に記載したように自己混合干渉信号から式ｖ＝ｆ＊λ／（２＊ｓｉｎ（α））を用いて求められる。浮遊粒子１２（大きな粒子）の分布についての粒子カウント計数率対速度はｖ^１／３関係に良好にフィットしている。ドップラー信号から速度が分かるので粒子密度（ＰＭ２．５の値）を導出することができる。導出した粒子密度は速度にほとんど依存していない。小粒子の粒子分布１３、１４については、高速度でのＰＭ２．５の値は非常に小さくなる。この理由は小粒子の多くが検出されないからである。

図７には、異なる粒子速度について、粒子直径または粒子サイズ１０の関数として表した異なる信号対雑音比しきい値レベルにおける粒子カウント数の比５０が示されている。ライン５１は０．０５ｍ／ｓである第一の速度における粒子カウント数の比を示している。ライン５２は０．６ｍ／ｓである第二の速度における粒子カウント数の比を示し、ライン５３は７ｍ／ｓである第三の速度における粒子カウント数の比を示している。雑音レベルに比べて６倍および１５倍の大きなしきい値レベル両方において粒子カウント計数率を求めることにより小粒子の数の大きさが得られる。すべての粒子サイズにわたる加重平均は粒子分布と速度との関数である。この例では、極大値が０．０５ｍ／ｓにおける浮遊粒子の０．３０であり、最小値が７ｍ／ｓにおける焼香の０．１２である。エラーを最小に抑えたＰＭ２．５の値（グラフ参照）は次の式を用いて得られる。

この式で、＃_ｍｅａｓ＝測定された粒子数であり、ｃ_２＝４．５であり、ｖ_ｒｅｆ＝０．６ｍ／ｓであり、ｒａｔｉｏｔｗｏｔｈｒ_ｒｅｆ＝０．３である。図７には、この式を用いて小粒子について補正された異なる粒子分布１２、１３、１４の粒子数２０が示されている。すべての粒子分布１２、１３、１４は粒子の速度の関数として表した受け入れ可能な（ほとんど平坦な）粒子カウント計数率を示している。上述の検出の相対的尤度を求めることにより開口数が小さい場合の粒子密度の検出をさらに改良することが可能となる。低周波速度変動（ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｖｅｌｏｃｉｔｙ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ）は複数の測定期間にわたって平均することにより対処することができる。

図９は、速度ベースのレーザーセンサーモジュールにより求め、プロフェッショナル向け装置を用いた基準実験と比較した粒子密度の速度依存性を示している。縦座標３７は相対粒子密度を示している。レーザーセンサーモジュールとプロフェッショナル向け装置とが両方とも同じ粒子密度を示すことが最適な結果であり、この場合、測定値４８が粒子速度を示す横座標３７に対して平行な直線上に並び、縦座標の値が１となる。０．０１ｍ／ｓと７ｍ／ｓとの間の速度範囲における異なる速度での測定値の標準偏差は約０．２であり、この結果は、簡単なレーザーセンサーモジュール、すなわち２つのレーザーとそれぞれに対応する検出器とを備え、これらの検出器がたとえば決められた粒子流量を本質的に必要とすることなく大気汚染の定性的な指標を与えるために動作する簡単なレーザーセンサーモジュールとしてはすばらしい結果である。

図１０は、第二のレーザーセンサーモジュール１００を示す主要概略図である。図１０には、干渉測定値に基づいて粒子密度および任意選択的に対象物２０を検出するように構成されるレーザーセンサーモジュールが示されている。分かり易いように、この実施形態にかかるレーザーセンサーモジュール１００は測定原理について説明するために第一のレーザー１１１のみを備えている。２つ、３つまたはそれ以上の数のレーザーおよびそのそれぞれに対応する検出器をさらに備えることは図１、２、１３、１４から明白である。第一のレーザー１１１は偏光ビームスプリッタ１５２に向けてレーザー光を放射する。このレーザー光は、偏光ビームスプリッタ１５２において反射され、四分の一波長板１５３、光学的フィルタデバイス１５５および焦点調整デバイス１５７を通る。四分の一波長板１５３は、その光軸が第一のレーザー１１１の偏向方向に対して４５°であるように設定されている。このようにして、円偏光が形成される。光学フィルタデバイス１５５の特徴は、第一のレーザー１１１の放射波長（たとえば、８５０ｎｍ）の近傍の狭い通過帯域である。光学フィルタデバイス１５５は、環境光を抑制するように最適化されており、環境光が検出問題を引き起こす恐れがある場合にのみ必要となる。焦点調整デバイス１５７はたとえばレンズであってもよいしまたは１を超える数の光学デバイスを備えた装置であってもよい。第二のレーザーセンサーモジュール１００は、レーザー光が当該第二のレーザーセンサーモジュール１００を出る前に、レーザー光の決められた部分が複数のインターフェースのうちの１つのインターフェース（たとえば、光学フィルタデバイス１５５と空気との間のインターフェース）で反射されるように構成されている。レーザー光のうちの第二のレーザーセンサーモジュール１００から出射する部分は、第一の測定ビーム１１１’であり、この第一の測定ビーム１１１’は第一の測定ボリューム１６１に集中する。粒子１０は、反射光の一部が第二のレーザーセンサーモジュール１００の中に再入射するように第一の測定ビーム１１１’の一部を反射する。第二のレーザーセンサーモジュールの中に再入射した反射光は焦点調整デバイス１５７、光学フィルタ１５５および四分の一波長板１５３を通る。直線偏光は、偏光ビームスプリッタ１５２を通り、第二のレーザーセンサーモジュール１００から出射する前に複数のインターフェースのうちの１つのインターフェースで反射されたレーザー光と干渉し合う。第一の検出器１２１（たとえば、フォトダイオード）が干渉光を検出し、それに対応する測定信号が評価器１４０へ送信される。粒子密度は与えられた期間に求められた粒子数と粒子速度とに基づいて（たとえば、遷移時間を測定することによりまたは上述もしくは後述の異なる測定ビーム１１１’、１１２’、１１３’に基づいて）求めることが可能である。第二のレーザーセンサーモジュール１００は任意選択的に対象物２５（たとえば、指）を測定するように構成されていてもよい。

図１１は開口数の関数として表した検出距離を示している。曲線は、特定のレーザーの自己混合干渉の感度と用いられた対象物とに応じて異なる。したがって、曲線は一般的傾向を示しているものの絶対値は特定のレーザーの自己混合干渉の感度に応じて異なる。レーザー１１１、１１２、１１３により放射され、対象物２５（たとえば、皮膚）に当たる測定ビーム１１１’、１１２’、１１３’はレーザー１１１、１１２、１１３に向かって後方散乱する。このことは、対応する検出器１２１、１２２により検出された時の信号のパワースペクトルにおいて視認可能なドップラー信号を生成する。このドップラー信号の信号パワーが雑音より大きくなると、ドップラー信号はパワースペクトルの中のピークとして視認可能となる。このピークはパワースペクトルドメインにおいてピーク高さを観察するのに十分広い。検出器により測定された信号のパワースペクトル内のドップラー信号のピーク高さは次の式で求められる。

この式は、対象物２５（たとえば、手）からレンズまでの距離ｄが、レンズの位置に対する焦点の距離ｄ_{ｆｏｃｕｓ}よりもはるかに大きい場合に有効である。開口数（ＮＡ）ＮＡが０．０３であり、焦点がレンズから５ｍｍの位置にある場合、ドップラー信号は実験的に最大１５ｃｍまで観察可能であることが見出されている。ＮＡ＝０．０３の場合にＳＮＲの限界が１５ｃｍの距離であると仮定すると、次の式が得られる。

図１１にはこの関数が示されている。Ｙ軸は開口数６２を示し、Ｙ軸は検出距離６１をメートル単位で示している。近接検出のための所望の範囲は１０ｃｍよりも大きい。したがって、図１１の左側の正方形により示されているよう、近接検出またはジェスチャコントロールを可能にするためにはＮＡが０．１未満であることが必要となる。

図１２には、開口数の関数として表した最小検出粒子サイズが示されている。先の場合と同様に、２つの曲線は特定のレーザーの自己混合干渉の感度および用いられる対象物に応じて異なる。したがって、２つのカーブは一般的な傾向を示しているものの絶対値は測定システムの自己混合干渉の感度に応じて異なる。先の場合と同様に、Ｘ軸は開口数６２を示し、Ｙ軸は最小粒子サイズ［μｍ］６３を示している。ライン６６は、開口数６２の関数として表した０．０２ｍ／ｓの粒子速度において検出することができる最小粒子サイズを示している。ライン６７は、開口数６２の関数として表した６ｍ／ｓの粒子速度において検出することができる最小粒子サイズを示している。図１２によれば、右側の正方形により示されているように、６ｍ／ｓの速度において０．４マイクロンの粒子を検出することができるためには粒子検出用のＮＡとして０．０２８を超える値を選択する必要がある。図１１および図１２に関連して説明された両方の条件を組み合わせると、粒子検出および近接検出のためには本システムの開口数が０．０２８＜ＮＡ＜０．１であることが必要となる。上述のように、この範囲は特定のレーザーに応じて異なってくる。対象物および最小粒子の検出はシステム感度に応じて異なり、上述の範囲は単に特定のシステムの一例に過ぎない。上述の範囲は、感度のさらに良好なシステムの場合には０．０２＜ＮＡ＜０．０６の間であり、利用可能な最も感度の良好なシステムの場合には０．０１５＜ＮＡ＜０．０５の間であってもよい。

図１３は第三のレーザーセンサーモジュール１００を示す主要概略図である。第三のレーザーセンサーモジュール１００は第一のレーザー１１１と第二のレーザー１１２とを備えている。両方のレーザー１１１、１１２は同一方向にレーザー光を放射するように構成されているサイドエミッターであってもよい。両方の測定ビーム１１１’、１１２’が同一の測定ボリュームに向けられるように測定ビーム１１１’、１１２’の向きを変えるために、光学装置１５０はそれぞれレーザー１１１、１１２と光学的に結合されている。光学装置１５０は、測定ビーム１１１’、１１２’の向きを反らすための面格子と、測定ビーム１１１’、１１２’の開口数を０．０３とするさらなる光学的デバイスとを有している。第三のレーザーセンサーモジュール１００の表面に対して平行な粒子の流れに含まれている粒子により第一の測定ビーム１１１’および／または第二の測定ビーム１１２’が反射された後に第一の干渉信号および第二の干渉信号または自己混合干渉信号が生成されるようになっていてもよい。干渉信号または自己混合干渉信号は第一の検出器１２１および／または第二の検出器１２２により検出される。検出された干渉信号または自己混合干渉信号は評価器１４０により受信されて評価される。レーザー１１１、１１２は電気ドライバ１３０により駆動される。評価器１４０により生成される電気的な測定結果および電気的なパワーが共通インターフェース１３５により提供されるようになっていてもよい。それに代えて、別々のインターフェースが用いられるようになっていてもよい。図１３には、第二の測定ビーム１１２’を遮断する対象物２５がさらに示されている。遮蔽物はレーザーセンサーモジュール１００の放射窓に付着している。遮蔽物は前もって決められた期間に変調駆動電流（たとえば、三角波駆動電流）を用いて第二のレーザー１１２を駆動させることにより検出される。評価器１４０は干渉信号または自己混合干渉信号が粒子１０の検出とは関係してないことを判断するように構成されていてもよい（たとえば、持続時間が長い、対象物まで距離が近い）。評価器１４０は、干渉信号または自己混合干渉信号を無視して任意選択的にそれに対応するエラー信号を生成するように構成されていてもよい。

図１４は、第四のレーザーセンサーモジュール１００の平面図を示す主要概略図である。３つのレーザー１１１、１１２、１１３が測定ビーム１１１’、１１２’、１１３’を別個々の第一の測定ボリューム１６１、第二の測定ボリューム１６２および第三の測定ボリューム１６３に向けて放射するように構成されている。この場合、光学装置１５０は、第一の測定ビーム１１１’と第二の測定ビーム１１２’とが形成する角度が、第二の測定ビーム１１２’と第三の測定ビーム１１３’とが形成する角度と、第三の測定ビーム１１３’と第一の測定ビーム１１１とが形成する角度と同じになるように構成されている。測定ビーム１１１’、１１２’、１１３’により形成される角度は好ましくは９０°である。したがって、第二のレーザーセンサーモジュール１００は三次元の平均速度を求めることができる。光学装置１５０はさらにマイクロ光学コンポーネントを有しており、マイクロ光学コンポーネントは、それぞれ、測定ビーム１１１’、１１２’、１１３’を第一の測定ボリューム１６１、第二の測定ボリューム１６２および第三の測定ボリューム１６３に向けて集中させるように構成されている。これらの測定ボリュームに対する開口数は０．０２５である。

図１５は、光学装置１５０が備えうる第一のマイクロ光学コンポーネント１５１ａを示す主要概略図である。マイクロ光学コンポーネント１５１ａはウエハーレベルの鏡からなっている。たとえば、１５１ａはＵＶにより硬化されるレプリカ材料からなっていてもよい。また、ガラスモールド成型またはガラス研磨のような他の技術も可能である。この場合、第一の測定ビーム１１１’の方向を変えるために鏡は全内部反射に基づくものである。第一のレーザー１１１の中心と第一のマイクロ光学コンポーネント１５１ａの縁部との間の距離ｘ１はｘ１＝０．０４ｍｍである。第一のマイクロ光学コンポーネント１５１ａの高さはｙ１＝０．２０ｍｍである。

図１６は、第一の光学装置１５０の一部分を示す主要概略図である。第一の光学装置１５０の一部分は第一のマイクロ光学コンポーネント１５１ａと焦点調整要素１５１ｂとを有している。焦点調整要素１５１ｂは１ｍｍ未満のサイズを有するレンズであり、また、第一の光学デバイスの一部分の全高ｙ２はｙ２＝１．１ｍｍである。上述のレンズは第一の測定ビーム１１１’を第一の測定ボリューム１６１に集中させるように構成されている。レーザー１１１、１１２、１１３の各々はこのような第一の光学デバイス１５０の一部分に割り当てられるようになっていてもよい。分かり易いように、第一のマイクロ光学コンポーネント１５１ａおよび焦点調整要素１５１ｂは別個の要素として図示されている。２つまたは３つのこのような第一のマイクロの光学部品１５１ａと２つまたは３つのこのような焦点調整要素１５１ｂとを集積して一つの集積光学装置１５０を形成することが好ましい場合もある。また、１つの焦点調整要素１５１ｂが、第一のマイクロ光学コンポーネント１５１ａを備えた２つ、３つ、４つまたはそれ以上の数の第一のレーザー１１１からそれぞれの第一の測定ビーム１１１’を受け取るようにすることにより、たとえば一連のレーザーを用いて一連の第一の測定ビーム１１１’を放射するようにすることも可能である。焦点調整要素１５１ｂは０．０３の開口数で第一の測定ビーム１１１’を集中させるように構成されている。

図１７は、第二のマイクロ光学コンポーネント１５１ａと第二の焦点調整要素１５１ｂとを有する第二の光学装置１５０を示す主要概略図である。第二のマイクロ光学コンポーネント１５１ａは、第一の測定ビーム１１１’をマイクロの光学コンポーネント１５１ａ内で時計の回転方向とは逆の方向にＺ字状に９０°曲げるように２つの反射面を有している。第二の焦点調整要素１５１ｂは０．０３５の開口数で第一の測定ビーム１１１’を第一の測定ボリュームへ集中させるように構成されたレンズである。第二のマイクロ光学コンポーネント１５１ａと、第二の焦点調整要素１５１ｂと、第一のレーザー１１１と合わせた全高（建物高さ（ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔ））はｙ２＝０．７ｍｍである。

図１８には、レーザーセンサーモジュール１００を備えたモバイル通信デバイス１９０を示す主要概略図である。レーザーセンサーモジュールは第一の測定ビーム１１１’と第二の測定ビーム１１２’とを角度φ＝６０°で放射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と、処理デバイス１９２と、メインメモリーデバイス１９３とを備えている。メイン処理デバイス１９２はメインメモリーデバイス１９３とレーザーセンサーモジュール１００とに接続されている。メイン処理デバイス１９２は上述の評価器１４０の機能のうちの少なくとも一部を有している。メイン処理デバイス１９２はメインメモリーデバイス１９３に粒子検出に関連するデータを格納している。他の実施形態では、レーザーセンサーモジュール１００により提供されるデータをモバイル通信デバイス１９０のユーザにユーザインターフェース１９１により提示することができるようにデータを整えるまたは適合させるためのみにメイン処理デバイス１９２およびメインメモリーデバイス１９３が用いられるようにすることも可能である。レーザーセンサーモジュール１００はモバイル通信デバイス１９０の電源により電力が供給されるようになっている。モバイル通信デバイス１９０はさらに方向検出デバイス（図示せず）を備えていてもよい。たとえば、方向検出デバイスは地面に対するモバイル通信デバイス１９０の相対的位置を求めるように適合されていてもよい。レーザーセンサーモジュール１００により提供されるデータと方向検出デバイスにより提供されるデータとを組み合わせるために方向検出デバイスが評価器１４０またはメイン処理デバイスと結合されるようになっていてもよい。方向検出デバイスとレーザーセンサーモジュール１００とを結合することにより、風速および粒子密度の検出をさらに信頼のできるものとすることが可能となるとともに、風向についての情報をさらに提供することも可能となる。レーザーセンサーモジュール１００はさらに対象物２５を検出するように構成されていてもよい。対象物２５はたとえばジェスチャコントロールに用いられうる手であってもよい。

同じ原理がレーザーセンサーモジュール１００を備えた他のデバイスに用いられでもよい。デバイス（たとえば、レーザーセンサーモジュール１００を備えた自動車）の位置または速度についての情報を提供するためにさらなるセンサーが用いられるようになっていてもよい。このデバイスの速度がたとえば測定信号の評価をサポートするために（たとえば、適合基準速度（ａｄａｐｔｅｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）を求めるために）用いられてもよい。

図１９は粒子密度を求める方法を示す主要概略図である。ステップ４１０では、自己混合干渉信号により求められる周波数の値から速度の値が求められる（式１参照）。ステップ４２０では平均粒子速度が求められる（式２参照）。とくに小さな開口数（たとえば０．０３）を特徴とする光学装置１５０を備えたレーザーセンサーモジュール１００の場合、検出の相対的尤度がステップ４３０（式３を参照）で求められる。ステップ４４０では粒子密度またはＰＭ２．５値が求められる（式４参照）。

本発明が図面および上述の記載により詳細に説明されているが、このような説明および記載は例示のみを意図したものであり限定を意図したものではない。

当業者にとって、本開示の内容から他の変形例も明白なものとなる。このような変形例は、当該技術分野において既に知られ、かつ、本明細書に既に記載されている構成に加えてまたはそれに代えて用いられうる他の特徴に含みうる。

開示した実施形態の変形例は、図面、説明および添付の特許請求の範囲を学習することにより当業者が理解し、考え出すことができるようになる。特許請求の範囲において、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（備える、有する、含む等）」は他の要素またはステップを除外するものではなく、また、用語「ａ」または「ａｎ」は複数の要素またはステップを除外するものではない。互いに異なる従属項に手段または手法（ｍｅａｓｕｒｅｓ）が記載されているからという理由のみで、有利効果を得るためにこれらの手段または手法を組み合わせることができないわけではない。

請求項において用いられる符号が本発明の範囲を制限してしまうと解釈すべきではない。

５ ０．１μｍビン毎の粒子数／ｍ^３
１０ 粒子サイズ［μｍ］
１１ 平坦
１２ 典型的な浮遊粒子分布
１３ 焼香
１４ 上海スモッグ
２０ 粒子カウント数／（分＊μｇ／ｍ^３）
２１ ０．０５ｍ／ｓ
２２ ０．６ｍ／ｓ
２３ ７ｍ／ｓ
２５ 対象物
３０ 粒子速度［ｍ／ｓ］
３７ 相対粒子密度
４８ 測定結果
５０ 異なる信号対雑音比しきい値レベルでの粒子カウント数
５１ ０．０５ｍ／ｓでの粒子カウント数の比
５２ ０．６ｍ／ｓでの粒子カウント数の比
５３ ７ｍ／ｓでの粒子カウント数の比
６１ 検出距離［ｍ］
６２ 開口数
６３ 最小粒子サイズ［μｍ］
６５ 開口数の関数として表した検出距離
６６ 開口数の関数として表した＠０．０２ ｍ／ｓでの最小検出粒子サイズ
６７ 開口数の関数として表した＠６ｍ／ｓでの最小検出粒子サイズ
１００ レーザーセンサーモジュール
１０２ 基準面
１１１ 第一のレーザー
１１１’ 第一の測定ビーム
１１１” 第一の測定ビームの第一の投影
１１２ 第二のレーザー
１１２’ 第二の測定ビーム
１１２” 第二の測定ビームの第二の投影
１１３ 第三のレーザー
１１３’第三の測定ビーム
１２１ 第一の検出器
１２２ 第二の検出器
１３０ 電気ドライバ
１３５ インターフェース
１４０ 評価器
１５０ 光学装置
１５１ａ マイクロ光学コンポーネント
１５１ｂ 焦点調整要素
１５１ｃ 測定窓
１５２ ビームスプリッタ
１５３ 四分の一波長板
１５５ 光学フィルタデバイス
１５７ 焦点調整デバイス
１６１ 第一の測定ボリューム
１６２ 第二の測定ボリューム
１６３ 第三の測定ボリューム
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 メインメモリーデバイス
４１０ 速度値を求める
４２０ 平均粒子速度を求める
４３０ 検出の相対的尤度を求める
４４０ 粒子密度を求める
９０−α 測定ビームと粒子の流れとの間に形成される角度
β１ 第一の測定ビームと第一の投影との間に形成される角度
β２ 第二の測定ビームと第二の投影との間に形成される角度
γ 基準面において第一の投影と第二の投影との間に形成される角度

Claims (15)

1. ０．０５μｍと１０μｍと間の粒子サイズを有する小粒子の粒子密度を検出するためのレーザーセンサーモジュール（１００）であって、
   第一の測定ビーム（１１１’）を放射するように適合された少なくとも第一のレーザー（１１１）および第二の測定ビーム（１１２’）を放射するように適合された少なくとも第二のレーザー（１１２）と、
   少なくとも前記第一の測定ビーム（１１１’）を第一の測定ボリューム（１６１）に集中させるように構成され、さらに、少なくとも前記第二の測定ビーム（１１２’）を第二の測定ボリューム（１６２）に集中させるように構成された光学装置（１５０）であって、該光学装置が、前記第一の測定ビーム（１１１’）に対する第一の開口数と前記第二の測定ビーム（１１２’）に対する第二の開口数とにより特徴付けされ、前記第一の開口数および前記第二の開口数が基準速度における前もって決められた最小粒子サイズを検出するように決められ、前記基準速度が該基準速度を含む０．０１ｍ／ｓと７ｍ／ｓとの間の前もって決められた速度範囲内から選択され、前記第一の測定ビーム（１１１’）と前記第二の測定ビーム（１１２’）とが１０°と１６０°との間の角度φを形成する、光学装置（１５０）と、
   前記第一のレーザー（１１１）の第一のレーザーキャビティ内の第一の光学波の第一の自己混合干渉信号を求めるように適合された少なくとも第一の検出器（１２１）と、
   前記第二のレーザー（１１２）の第二のレーザーキャビティ内の第二の光学波の第二の自己混合干渉信号を求めるように適合された少なくとも第二の検出器（１２２）と、
   評価器（１４０）とを備えており、
   前記評価器（１４０）が、前記第一の自己混合干渉信号および前記第二の自己混合干渉信号が求められたことを受けて少なくとも前記第一の検出器（１２１）および前記第二の検出器（１２２）により生成される検出信号を受信するように適合され、前記評価器（１４０）がさらに、前もって決められた期間に受信される検出信号を用いて、第一の検出器（１２１）により検出される粒子の少なくとも第一の粒子平均速度と、第二の検出器（１２２）により検出される粒子の少なくとも第二の粒子平均速度を求めるように適合され、前記評価器（１４０）がさらに、前記前もって決められた期間に、前記第一の検出器（１２１）により提供される前記検出信号に基づいて少なくとも第一の粒子数と、前記前もって決められた期間に前記第二の検出器（１２２）により提供される前記検出信号に基づいて少なくとも第二の粒子数とを求めるように適合され、前記評価器（１４０）がさらに、前記第一の平均速度および前記第二の平均速度を用いて求められた平均粒子速度、少なくとも前記第一の粒子数および少なくとも前記第二の粒子数に基づいて粒子密度を求めるように適合されてなる、レーザーセンサーモジュール（１００）。
2. 前記第一の測定ビーム（１１１’）が基準面（１０２）との間に第一の角度β１を形成し、前記第二の測定ビーム（１１２’）が前記基準面（１０２）との間に第二の角度β２を形成し、前記第一の測定ビームの前記基準面（１０２）への投影（１１１”）と、前記第二の測定ビームの前記基準面（１０２）への投影（１１２”）とが２０°と１６０°との間、好ましくは６０°と１２０°との間、最も好ましくは８０°と１００°との間の角度γを形成するように構成されてなる、請求項１に記載のレーザーセンサーモジュール（１００）。
3. 前記第一の測定ビーム（１１１’）および前記第二の測定ビーム（１１２’）に対する前記第一の開口数および前記第二の開口数が０．０１と０．０６との間、好ましくは０．０２と０．０４との間であり、検出された前記粒子の前記基準速度が１ｍ／ｓ未満である、請求項１または２に記載のレーザーセンサーモジュール（１００）。
4. 前記基準速度を含む前記前もって決められた速度範囲内のエラー最小化が前記基準速度を中心として対称となるよう前記基準速度が選択されるように構成されてなる、請求項１、２または３に記載のレーザーセンサーモジュール（１００）。
5. 前記評価器（１４０）がさらに、求められた前記粒子密度を前記基準速度と求められた前記平均粒子速度との間の比の立方根を含む係数により補正するように構成されてなる、請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載のレーザーセンサーモジュール（１００）。
6. 前記第一の測定ボリューム（１６１）が前記第一の測定ビーム（１１１’）の方向に沿って線形に延び、前記第二の測定ボリューム（１６２）が前記第二の測定ビーム（１１２’）の方向に沿って線形に延び、前記評価器（１４０）が前記第一の測定ボリューム（１６１）内に粒子を検出する第一の相対的尤度を求めるように適合され、前記評価器（１４０）が前記第二の測定ボリューム（１６２）内に粒子を検出する第二の相対的尤度を求めるように適合され、前記評価器（１４０）がさらに、求められた前記粒子密度を前記第一の相対的尤度および前記第二の相対的尤度を用いて補正するように適合されてなる、請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載のレーザーセンサーモジュール（１００）。
7. 前記評価器（１４０）がさらに、第一の信号対雑音比しきい値レベルで第一の粒子カウント計数率と、前記第一の信号対雑音比しきい値レベルとは異なる第二の信号対雑音比しきい値レベルで第二の粒子カウント計数率とを求めるように適合され、前記評価器（１４０）がさらに、求められた前記粒子密度を前記第一の粒子カウント計数率および前記第二の粒子カウント計数率を用いて補正するように適合されてなる、請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載のレーザーセンサーモジュール（１００）。
8. 前記レーザーセンサーモジュール（１００）が第三の測定ビーム（１１３’）を放射するように適合された少なくとも第三のレーザー（１１３）を備え、前記光学装置（１５０）が前記第三の測定ビーム（１１３’）を第三の測定ボリューム（１６３）に集中させるように構成され、前記第一の測定ビーム（１１１’）、前記第二の測定ビーム（１１２’）および前記第三の測定ビーム（１１３’）の各対が１０°と１１０°との間の角度を形成し、前記レーザーセンサーモジュール（１００）がさらに、前記第三のレーザー（１１３）の第三のレーザーキャビティ内の第三の光学波の第三の自己混合干渉信号を求めるように適合され、前記評価器（１４０）がさらに、前記第三の検出器により生成される検出信号を受信するように適合され、前記評価器（１４０）がさらに、前記前もって決められた期間内に前記第三の検出器により検出される粒子の第三の平均速度を求めるように適合され、前記評価器（１４０）がさらに、前記前もって決められた期間に前記第三の検出器により生成される検出信号を用いて第三の粒子数を求めるように適合され、前記評価器（１４０）がさらに、前記第一の平均速度、前記第二の平均速度および前記第三の平均速度を用いて求められた平均粒子速度ならびに前記第一の粒子数、前記第二の粒子数および前記第三の粒子の数に基づいて粒子密度を求めるように適合されてなる、請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載のレーザーセンサーモジュール（１００）。
9. 前記レーザーセンサーモジュール（１００）が第一のモードで前記粒子密度を検出するように構成され、また、前記レーザーセンサーモジュール（１００）が第二のモード少なくとも１ｍｍのサイズを有する対象物の接近を検出するように構成されてなる、請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載のレーザーセンサーモジュール（１００）。
10. ０．０５μｍと１０μｍとの間の粒子サイズを有する小粒子の粒子密度を検出するためのレーザーセンサーモジュール（１００）であって、
    第一の測定ビーム（１１１’）を放射するように適合された少なくとも第一のレーザー（１１１）および第二の測定ビーム（１１２’）を放射するように適合された少なくとも第二のレーザー（１１２）と、
    少なくとも前記第一の測定ビーム（１１１’）を第一の測定ボリューム（１６１）に集中させるように構成され、さらに、少なくとも前記第二の測定ビーム（１１２’）を第二の測定ボリューム（１６２）に集中させるように構成された光学装置（１５０）であって、該光学装置が、前記第一の測定ビーム（１１１’）に対する第一の開口数と前記第二の測定ビーム（１１２’）に対する第二の開口数とにより特徴付けされ、前記第一の開口数および前記第二の開口数が基準速度における前もって決められた最小粒子サイズを検出するように第一の測定ビーム（１１１’）および前記第二の測定ビーム（１１２’）に対して決められ、前記基準速度を含む０．０１ｍ／ｓと７ｍ／ｓとの間の前もって決められた速度範囲内から前記基準速度が選択され、前記第一の測定ビーム（１１１’）と前記第二の測定ビーム（１１２’）とが１０°と１６０°との間の角度φを形成する、光学装置（１５０）と、
    第一の干渉信号を求めるように適合された少なくとも第一の検出器（１２１）と、
    第二の干渉信号を求めるように適合された少なくとも第二の検出器（１２２）と、
    評価器（１４０）とを備えており、
    前記評価器（１４０）が、前記第一の自己混合干渉信号および前記第二の自己混合干渉信号が求められたことを受けて少なくとも前記第一の検出器（１２１）および前記第二の検出器（１２２）により生成される検出信号を受信するように適合され、前記評価器（１４０）がさらに、前もって決められた期間に受信される検出信号を用いて、第一の検出器（１２１）により検出される粒子の少なくとも第一の粒子平均速度と、第二の検出器（１２２）により検出される粒子の少なくとも第二の粒子平均速度を求めるように適合され、前記評価器（１４０）がさらに、前記前もって決められた期間に前記第一の検出器（１２１）により提供される前記検出信号に基づいて少なくとも第一の粒子数と、前記前もって決められた期間に前記第二の検出器（１２２）により提供される前記検出信号に基づいて少なくとも第二の粒子数とを求めるように適合され、前記評価器（１４０）がさらに、前記第一の平均速度および前記第二の平均速度を用いて求められた平均粒子速度、少なくとも前記第一の粒子数ならびに少なくとも前記第二の粒子数に基づいて粒子密度を求めるように適合されてなる、レーザーセンサーモジュール（１００）。
11. 前記レーザーセンサーモジュール（１００）が前記第一の測定ビーム（１１１’）の部分的な反射による前記第一の測定ビーム（１１１’）に基づく第一の基準ビームと、前記第二の測定ビーム（１１２）の部分的な反射による前記第二の測定ビーム（１１２’）に基づく第二の基準ビームとを提供するように構成され、前記第一の検出器（１２１）が前記第一の測定ビーム（１１１’）の反射光と前記第一の基準ビームとの干渉に基づいて前記第一の干渉信号を求めるように構成され、前記第二の検出器（１２２）が前記第二の測定ビーム（１１２’）の反射光と前記第二の基準ビームとの干渉に基づいて前記第二の干渉信号を求めるように構成されてなる、請求項１０に記載のレーザーセンサーモジュール（１００）。
12. 前記第一の検出器（１２１）が前記第一のレーザー（１１１）から分離され、前記第二の検出器（１２２）が前記第二のレーザー（１１２）から分離され、前記レーザーセンサーモジュール（１００）が前記第一の基準ビームを提供するように構成された第一のビームスプリッター（１５２）を有し、また、前記レーザーセンサーモジュール（１００）がさらに前記第二の基準ビームを提供するように構成された第二のビームスプリッター（１５２）を有してなる、請求項１０または１１に記載のレーザーセンサーモジュール（１００）。
13. 請求項１乃至１２のうちのいずれか一項に記載のレーザーセンサーモジュール（１００）を備えたモバイル通信デバイス（３００）であって、該モバイル通信デバイスが前記レーザーセンサーモジュール（１００）により提供される測定結果を提示するように構成されてなる、モバイル通信デバイス（３００）。
14. ０．０５μｍと１０μｍとの間の粒子サイズを有する粒子を検出する方法であって、
    第一のレーザー（１１１）により少なくとも第一の測定ビーム（１１１’）を放射するステップと、
    第二のレーザー（１１２）により少なくとも第二の測定ビーム（１１２’）を放射するステップと、
    第一の開口数で第一の測定ビーム（１１１’）を集中させるステップであって、前記第一の開口数が基準速度における前もって決められた最小粒子サイズを検出するように決められ、前記基準速度が０．０１ｍ／ｓと７ｍ／ｓの間の前もって決められた速度範囲内にある、集中させるステップと、
    第二の開口数で第二の測定ビーム（１１２’）を集中させるステップであって、前記第二の開口数が前記基準速度における前もって決められた最小粒子サイズを検出するように決められ、前記基準速度が前もって決められた速度範囲内にある、集中させるステップと、
    前記第一のレーザー（１１１）の第一のレーザーキャビティ内の第一の光学波の第一の干渉信号または第一の自己混合干渉信号を求めるステップと、
    前記第二のレーザー（１１２）の第二のレーザーキャビティ内の第二の光学波の第二の干渉信号または第二の自己混合干渉信号を求めるステップと、
    前もって決められた期間に求められた前記第一の干渉信号または前記第一の自己混合干渉信号に基づいて第一の平均速度を求めるステップと、
    前もって決められた期間に求められた前記第二の干渉信号または前記第二の自己混合干渉信号に基づいて第二の平均速度を求めるステップと、
    前もって決められた期間に求められた前記第一の干渉信号または前記第一の自己混合干渉信号から第一の粒子数を求めるステップと、
    前もって決められた期間に求められた前記第二の干渉信号または前記第二の自己混合干渉信号から第二の粒子数を求めるステップと、
    少なくとも前記第一の平均速度および前記第二の平均速度に基づいて平均速度を求めるステップと、
    少なくとも求められた前記平均速度、前記第一の粒子数および前記第二の粒子数に基づいて粒子密度を求めるステップと
    を有する、方法。
15. 請求項１乃至１２のうちのいずれか一項に記載レーザーセンサーモジュール（１００）が有する少なくとも１つのメモリーデバイスまたは前記レーザーセンサーモジュール（１００）を有するデバイスの少なくとも１つのメモリーデバイスに保存することができるコード手段を備えるコンピュータプログラム製品であって、前記コード手段が、前記レーザーセンサーモジュール（１００）が有する少なくとも１つの処理デバイスによりまたは前記レーザーセンサーモジュール（１００）を有する前記デバイスの少なくとも１つの処理デバイスにより請求項１４に記載の方法を実行することができるように構成されてなる、コンピュータプログラム製品。
    

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