JP6788769B2 - 粒子密度検出のためのレーザセンサ - Google Patents

Description

本発明は、粒子密度検出のための自己混合干渉を用いるレーザセンサ又はレーザセンサモジュール、及び、これらに関連する粒子密度検出方法に関する。

中国特許出願公開第１０２５６４９０９号明細書は、大気微粒子のためのレーザ自己混合多物理パラメータ測定方法及びレーザ自己混合多物理パラメータ測定装置を開示している。レーザ自己混合多物理パラメータ測定装置は、マイクロチップレーザ、コリメータレンズ、ビームスプリッタ、収束レンズ、光検出器、増幅器、データ取得カード、及び、スペクトラムアナライザを有する。上記記載された方法及び装置は複雑且つ高価である。

米国特許出願公開第２０１２／０２４２９７６号明細書は、放射ビームと呼ばれるレーザビームを放出する発光素子と、前記放射ビームを所定の焦点距離（Ｄ）に集束させる集束素子と、反射ビームと呼ばれる空気中の粒子による反射後の放射ビームを受け取るための受光素子と、放射ビームと反射ビームとの間に生じる干渉の信号を信号プロセッサに送信して、そこから粒子の速度を推定するための送信要素と、を有する装置を開示している。上記発光素子は、レーザダイオードを含み、上記受光素子は、自己混合によりレーザダイオードと結合される。

本発明の目的は、粒子密度検出のための改善されたレーザセンサを提供することである。

第１の態様によれば、粒子密度検出の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、少なくとも１つの第１のレーザと、少なくとも１つの第１の検出器と、少なくとも１つの電気駆動部と、を有する。第１のレーザは、少なくとも１つの電気駆動部によって供給される信号に応じて第１のレーザ光を放出するように構成される。少なくとも１つの第１の検出器は、第１のレーザの第１のレーザキャビティ内の光波の第１の自己混合干渉信号を検出するように構成される。第１の自己混合干渉信号は、第１のレーザ光の少なくとも一部を受ける粒子によって反射された、第１のレーザキャビティに再入射する第１の反射レーザ光によって引き起こされる。レーザセンサモジュールは、粒子の多重カウントを低減させるように構成される。

可動ミラーが使用されない場合、又は、より一般的には、レーザセンサモジュールの前にある空気流又は空気移動が制御されない場合、サンプリングされた空気量は、既知でなく、粒子検出器の測定容積にある粒子は、測定容積の内外で粒子を循環させる空気流における渦のため、２回以上測定され得る。同じ粒子のこのような二重又は多重のカウントは、高すぎる粒子密度をもたらす。従って、許容可能な精度で粒子密度を提供するために、多重カウント（二重カウントを含む）を回避又は少なくとも減らす技術的手段が提案される。そのような技術的手段は、例えば、コントローラのような評価用電子装置と組み合わせてサンプリング量を増加させるレーザアレイである。コントローラは、レーザアレイによって提供される測定結果及び粒子移動のモデルによって多重カウントを決定するように構成され得る。あるいは、空気をリフレッシュすることが、レーザのスイッチを切ることによって、又は、粒子の測定を中断することによって可能にされ得る。レーザ自己混合干渉による粒子密度検出の精度は、これらの手段、それらの組み合わせ、及び、以下に説明されるような他の手段によって改善され得る。第１のレーザは、端面発光レーザ又は垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のような半導体レーザであることが好ましい。第１のレーザは、スペクトルの赤外領域において７５０ｎｍを超える波長、最も好ましくは波長スペクトルの７８０ｎｍと１３００ｎｍとの間の波長を有するレーザ光を放射するように構成されることが好ましい。

レーザセンサモジュールは、例えば、大気汚染を検出又は推定するために使用され得る。あるいは、レーザセンサモジュールは、粒子密度の評価が関係する産業用途に使用されてもよい。レーザセンサモジュールは、別個の装置であってもよいし、又は、別の装置に一体化されていてもよい。

レーザセンサモジュールは、例えば、所定の期間、粒子の検出を中断するように構成されてもよい。所定期間は、好ましくは、粒子の多重カウントを減少させるために粒子の多重検出が低減されるように選択される。所定期間は、空気が測定体積をリフレッシュするのに必要な時間よりもかなり長いことが好ましい。室内での最小対気速度は、例えば、約０．１ｍ／ｓである。第１の自己混合干渉信号を決定するために使用される測定スポットの典型的な寸法は、例えば、１０μｍ×１０μｍ×２００μｍであってもよい。粒子が測定スポットの容積を通過するのに必要な時間は、少なくとも２００μｍ／０．１ｍ／ｓ＝２ｍｓである。レーザをオフに切り替える所定の時間は、２ｍｓよりもかなり長くすべきである。レーザセンサモジュールのオン時間は、空気量がリフレッシュされないように短いことが好ましい。この場合、レーザセンサモジュールは基本的に測定体積を調べ、粒子が存在するかどうかを観察する。測定体積中の粒子の存在は確率過程であるので、測定体積内に粒子が存在する可能性を実験的に決定することができる。少なくとも１つの電気駆動部又は第１の検出器は、第１の自己混合干渉信号によって粒子の検出を周期的に中断するように構成されてもよい。電気駆動部は、例えば、その後、第１のレーザがスイッチオフされる３ｍｓの周期で中断された０．２５ｍｓの間、第１のレーザをスイッチオンすることができる。

レーザセンサモジュールは、コントローラを更に有していてもよい。コントローラは、粒子をカウントするためにセンサによって供給される第１の自己混合干渉信号を評価するように構成されてもよく、また、コントローラは、粒子の検出を中断するように構成されてもよい。コントローラは、例えば、所定期間、第１のセンサによって供給される第１の自己混合干渉信号の評価を中断するように構成されてもよい。

コントローラは、粒子の検出時に制御信号を生成するように構成されてもよい。コントローラは、粒子の検出後の所定期間、粒子の検出を中断するように更に構成されてもよい。コントローラは、例えば、第１の検出器からコントローラへの信号伝達を中断してもよい。あるいは、コントローラは、制御信号を電気駆動部に転送するように構成されてもよい。電気駆動部は、この場合、所定期間、制御信号を受信すると、第１のレーザ光の放出を中断するように構成されてもよい。

第１のレーザ光のビーム発散は、第１の自己混合干渉信号を得るために第１のレーザ光の集束が必要でないように、低くてもよい。別のアプローチでは、レーザセンサモジュールは、少なくとも第１の光学装置を含むことができる。第１の光学装置は、粒子を検出するための第１の焦点領域に第１のレーザ光を集束させるように構成されてもよい。第１のレーザ光の集束は、第１のレーザキャビティに再入射する第１の反射レーザ光の強度を増加させることができる。従って、第１の自己混合干渉信号の信号強度を増加させることができる。

レーザセンサモジュールは、別のアプローチではレーザアレイを含むことができる。レーザアレイは、少なくとも第１のレーザと第２のレーザとを有していてもよい。レーザセンサモジュールは、コントローラを更に有していてもよい。第２のレーザは、第２のレーザによって放出された第２のレーザ光によって引き起こされる第２の自己混合干渉信号によって、粒子の独立した検出を可能にするように構成されてもよい。コントローラは、少なくとも第１の自己混合干渉信号及び第２の自己混合干渉信号の評価によって、粒子の多重カウントを低減するように構成されてもよい。粒子の多重カウントの減少は、例えばコントローラ内に記憶された理論的な粒子移動モデルによって行なうことができる。理論的モデルは、少なくとも第１及び第２のレーザを用いて１つの粒子の検出の一致を決定することを可能にすることができる。

第１の自己混合干渉信号及び第２の自己混合干渉信号は、１つの共通の第１の検出器によって測定され得る。第１及び第２の自己混合干渉信号を検出するための独立した検出器を提供するために、第２の検出器を別の手法で設けることができる。レーザセンサモジュールは、少なくとも第１の光学装置を備えることができる。第１の光学装置は、少なくとも第１のレーザ光を第１の焦点領域に集束させ、第２のレーザ光を第２の集束領域に集束させて、粒子密度を検出するための検出容積が増加するようにすることができる。第１の光学装置は、例えば、レンズアレイ又はマイクロレンズアレイであってもよい。例えば、レーザアレイが半導体レーザの単一のチップを含む場合、マイクロレンズのアレイを使用することができる。半導体レーザは、例えば、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であってもよい。

レーザセンサモジュールは、少なくとも第１及び第２の焦点領域が移動するように少なくとも第１及び第２のレーザ光を反射する少なくとも第１の可動ミラーを更に有していてもよい。第１の可動ミラーは、第１及び第２の焦点領域の軌跡が重ならないように、少なくとも第１及び第２の焦点領域を移動させるように構成されてもよい。レーザのラインを可動ミラーの走査方向に平行にしないことが有利であり、その結果、各焦点領域又は測定スポットは異なる容積の空間を走査する。空間の異なる容積は、それぞれの焦点領域の軌跡（トレース）によって与えられる。

例えば、第１の検出器などの１つの共通の検出器が、第１の自己混合干渉信号、第２の自己混合干渉信号、及び、レーザアレイの第３、第４、第５などのレーザによって生成され得る更なる自己混合干渉信号を検出するために使用されてもよい。１つの共通の検出器を使用すると、ある時点で異なる粒子の多重粒子検出を引き起こすことがある。この多数の自己混合干渉信号の識別は困難であるか、より高度なコントローラが使用され得る。コントローラは、例えば、粒子密度に依存し、電気駆動部によって、レーザアレイに含まれるレーザの少なくとも一部をスイッチオフするように構成され得る。コントローラは、特に、決定された粒子密度が連続的に上昇した場合、レーザ光を放出するレーザアレイのレーザの数が連続的に減少するように電気駆動部を制御するように構成されてもよい。或る瞬間に１つの粒子しかカウントされないという状況を達成するために、動作するレーザの数をある程度減らすことができる。より一般的には、検出された粒子濃度に依存して使用されるレーザの最適数を決定するアルゴリズムを適用することができる。濃度が低いと使用されるレーザの数が多くなる。このとき、ノイズは大きくなるものの、スキャンするボリュームは大きくなる。濃度が高いと使用されるレーザの数が少なくなる。このとき、ノイズは少なくなるものの、スキャンされるボリュームが小さくなる。これらの手段によって、検出速度及び精度が向上し得る。

コントローラは、代わりに、又は、加えて、第１又は第２の自己混合干渉信号に基づいて、第１又は第２のレーザ光に平行な光軸に沿った粒子の第１の速度の投影を決定するように構成することができる。コントローラは、第１の速度を使用して粒子の多重カウントを低減するように更に構成されてもよい。第１の速度は、空気の動きの推定値を提供するために使用されてもよい。この推定値を得るための１つの方法は、検出された第１又は第２の自己混合干渉信号に存在するドップラーシフトを使用することである。ドップラーシフトは、粒子及び粒子を含む空気流の動きの推定を与えることができる。全速度ベクトルが決定されるのではなく、第１又は第２のレーザ光のレーザビーム伝搬方向の投影のみが決定される。あるいは、空気の動きは、追加のセンサでモニタされ得る。例えば、ジョギング時、レーザセンサモジュールは、粒子をカウントし、速度情報が、ランナーの速度を記録するアプリ、又は、最も近い気象台において測定された平均風速から得られる。第１の速度を決定することは、対応する第１の検出器を有する第１のレーザが１つだけである場合、又は、１又は複数の検出器を備えた多数のレーザがある場合に、粒子の多重カウントを低減するために使用され得る。

第１の速度の検出は、例えば、上述したように、第１のレーザ及び／又は第１の検出器をオフに切り替える所定の時間を構成するために使用され得る。粒子の移動が速いほど、検出を中断する所定の時間は短くてもよい。コントローラは、多かれ少なかれカオス的な動きがあるか、又は、粒子移動の好ましい方向があるかどうかの推定を提供するために、異なる粒子の第１の速度に基づく統計を提供するように更に構成されてもよい。第１の速度の分布が小さいほど、粒子移動の好ましい方向が存在する可能性が高くなる。粒子移動に関する推定値を使用して、粒子密度の決定を精緻化することができる。

移動通信デバイス（ラップトップ、スマートフォン、ＰＡＤなど）のような装置は、上述したようなレーザセンサモジュールを有していてもよい。

他の態様によれば、粒子密度検出のための方法が提供される。当該方法は、
第１のレーザにより第１のレーザ光を放出するステップと、
第１のレーザの第１のレーザキャビティにおいて、第１のレーザ光の少なくとも一部を受光する粒子によって反射された第１の反射レーザ光を受光するステップと、
第１のレーザキャビティに再入射する第１の反射レーザ光によって引き起こされる、第１のレーザの第１のレーザキャビティ内の光波の第１の自己混合干渉信号を決定するステップと、
粒子の多重カウントを低減させるステップと、
を有する。

上記方法のステップは、必ずしも上述した順番で実行されなくてもよい。

他の態様によれば、コンピュータプログラム製品が提供される。当該コンピュータプログラム製品は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のレーザセンサモジュールの少なくとも１つのメモリ装置、又は、レーザセンサモジュールを有する装置の少なくとも１つのメモリ装置に格納され得るコード手段を有する。コード手段は、請求項１０記載の方法が、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のレーザセンサモジュールの少なくとも１つの処理装置、又は、レーザセンサモジュールを有する装置の少なくとも１つの処理装置によって実行され得るように構成される。メモリ装置又は処理装置は、電気駆動部、及び／又は、コントローラ、及び／又は、レーザセンサモジュールを有する装置に含まれていてもよい。レーザセンサモジュールを有する装置の第１のメモリ装置及び／又は第１の処理装置は、レーザセンサモジュールに含まれる第２のメモリ装置及び／又は第２の処理装置と相互作用してもよい。

請求項１乃至９のいずれか１項に記載のレーザセンサモジュール及び請求項１０記載の方法は、特に、従属項に規定されるように、同様の、及び／又は、同一の実施形態を有することが理解されるべきである。

また、本発明の好適な実施形態が、従属項と各独立項との任意の組み合わせであってもよいことも理解されるべきである。

他の好適な実施形態が以下に規定される。

本発明のこれらの態様及び他の態様が、以下に説明される実施形態を参照して、明確且つ明らかになる。
本発明は、一例として、添付の図面を参照して実施形態に基づいて説明される。
図を通じて、同様の数字は、同様の物体を表している。図における物体は、必ずしも原寸通りには描かれていない。
図１は、第１のレーザセンサモジュールの原理図を示している。 図２は、第２のレーザセンサモジュールの原理図を示している。 図３は、第３のレーザセンサモジュールの原理図を示している。 図４は、第４のレーザセンサモジュールの原理図を示している。 図５は、第５のレーザセンサモジュールの原理図を示している。 図６は、第６のレーザセンサモジュールの原理図を示している。 図７は、第７のレーザセンサモジュールの原理図を示している。 図８は、焦点領域のアレイの第１の実施形態を示している。 図９は、レーザセンサモジュールを有する移動通信装置を示している。 図１０は、粒子密度を検出する方法の原理図を示している。

以下、本発明の様々な実施形態が、図により説明される。

物体の移動、及び、物体までの距離を検出するために、自己混合干渉が用いられる。自己混合干渉についての背景情報は、参照により組み込まれる、Giuliani, G.、Norgia, M.、Donati, S.、Bosch, T.らの「センサアプリケーションのためのレーザダイオード自己混合技術」（センサアプリケーションのためのレーザダイオード自己混合技術、Journal of Optics A: Pure and Applied Optics、２００２年４月、第２８３項乃至第２９４項）で説明されている。光入力装置内のセンサに対する指先の動きの検出は、国際特許出願公開ＷＯ０２／３７４１０号に詳細に記載されている。国際特許出願公開ＷＯ０２／３７４１０号における距離及び動きの検出に関する開示は、参考として援用される。

自己混合干渉の原理は、国際特許出願公開ＷＯ０２／３７４１０号に提示される例に基づいて議論される。レーザキャビティを持つダイオードレーザは、レーザ又は測定ビームを放出するために供給される。その上流側において、例えば、人間の指などの物体が移動される透明な窓を有する装置が設けられる。例えば、平凸レンズなどのレンズが、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、透明な窓の上流側において、又は、透明な窓の上流側近傍で、レーザビームを集束させる。物体がこの位置に存在する場合、物体は、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、レーザダイオードの放射面上のレンズによって収束され、このレーザのキャビティに再入射する。ダイオードレーザのキャビティに再入射する放射は、レーザの利得の変化、ひいてはレーザによって放射される放射の強度の変化を誘発し、これはダイオードレーザにおける自己混合効果と呼ばれる現象である。

レーザによって放射される放射線の強度の変化は、この目的のために提供されるフォトダイオードによって検出され、このダイオードは放射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設けられる。

測定ビームに対する物体の移動は、物体によって反射された放射をドップラーシフトさせる。これは、この放射の周波数が変化するか、周波数シフトが生じることを意味する。この周波数シフトは、物体が移動する速度に依存し、数ｋＨｚからＭＨｚのオーダである。レーザキャビティに再入射する周波数シフトされた放射は、このキャビティ内で生成される光波又は放射と干渉し、即ち、このキャビティ内で自己混合効果が生じる。光波とキャビティに再入射する放射との間の位相シフト量に依存して、干渉は、発展的又は負である。即ち、レーザ放射の強度は、周期的に、増減する。このようにして生成されたレーザ放射変調の周波数は、キャビティ内の光波の周波数と、キャビティに再入射するドップラーシフト放射の周波数との間の差と正確に等しい。周波数差は、数ｋＨｚから数ＭＨｚ程度であり、検出が容易である。自己混合効果とドップラーシフトとの組み合わせは、レーザキャビティの挙動の変化、特に、その利得又は光増幅の変化を引き起こす。レーザキャビティのインピーダンス又はレーザによって放射される放射の強度は、例えば、測定されてもよく、センサに対する物体の移動量（即ち、移動距離）を評価することができるだけでなく、国際特許出願公開第０２／３７４１０号に詳細に記載されているように、運動の方向も決定することができる。

図１は、第１のレーザセンサモジュール１００の原理図を示している。第１のレーザセンサモジュールは、一体化された第１の検出器１２０を具備する第１のレーザ１１０を有する。一体化された第１の検出器１２０は、第１のレーザ１１０のレイヤ構造の一部である一体型フォトダイオードである。一体型フォトダイオードは、第１のレーザの第１のレーザキャビティ内の光波の振動を決定する。第１のレーザセンサモジュール１００は、電気駆動部１３０を更に有する。電気駆動部１３０は、第１のレーザ光を放出するため、第１のレーザ１１０に電力を供給する。第１のレーザ１１０は、この場合、一体型フォトダイオードを具備する垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）である。レーザセンサモジュール１００は、電気駆動部１３０により変調及び供給される電力を供給する電源（図示省略）に接続されている。電気駆動部１３０は、異なる変調方式の交互の順序を第１のレーザ１１０に供給する。定電流が第１の変調方式において供給される。第２の変調方式では、三角波変調方式による駆動電流が供給される。三角波変調方式は、第１の自己混合干渉信号により、第１のレーザ１１０と粒子との間の速度と組み合わせて、相対距離を決定するために使用され得る。第１の変調方式は、破線で示される第１のレーザ１１０の光軸に対して平行粒子の第１の速度を決定するために使用され得る。第１の検出器の測定信号と、電気駆動部１３０によって付与される駆動方式に関する情報とは、別個の装置に配置され得る処理装置（図示省略）によって受信されてもよく、又は、レーザセンサモジュールは、処理装置を有する装置に一体化され得る。電気駆動部１３０は、第１の自己混合干渉信号による粒子の二重カウント又は複数カウントのリスクが回避されるか、又は、少なくとも低減されるように、少なくとも４ｍｓsの間、第１のレーザ光の放出を中断するように更に構成されている。

図２は、第２のレーザセンサモジュール１００の原理図を示している。第２のレーザセンサモジュールは、第１のレーザ１１０を有する。第１の検出器１２０が、第１のレーザキャビティに印加される電圧、又は、より一般的には、第１の自己混合干渉信号によって影響を受ける第１のレーザキャビティのインピーダンスを決定する外部測定回路として配置されている。第１のレーザセンサモジュール１００は、電気駆動部１３０を更に有する。電気駆動部１３０は、第１のレーザ光を放射するために、第１のレーザ１１０に電力を供給する。第１のレーザ１１０は、この場合、側面発光型半導体レーザである。レーザセンサモジュール１００は、電気駆動部１３０によって変調及び供給される電力を供給する電力供給装置（図示省略）に接続されている。電気駆動部１３０は、第１のレーザ光が第１のレーザ１１０によって放出されるように一定の駆動電流を供給する。電気駆動部１３０は、第１の自己混合干渉信号による粒子の二重カウント又は複数カウントのリスクが回避又は少なくとも低減されるように、１ｍｓ間、第１のレーザ光の放射を中断するように更に構成される。レーザセンサモジュール１００は、規定の粒子速度を供給するための装置を更に有する。決定された粒子速度を供給するための装置は、透明管１８２と、管内部の気体又は空気を移動させるためのファン１８０と、を有する。ファン１８０の速度は、第１のレーザ光の放射の中断時間に適合される。規定の粒子速度を供給するため、ファン１８０の代わりに、ポンプが使用されてもよい。

代替的に、ヒータ／クーラが、対流により空気移動を供給するために配置されてもよい。空気の移動に関する情報は、粒子密度の決定を精緻化するために使用されてもよい。ファンは、例えば、レーザセンサモジュール又は第１の自己混合干渉信号及び追加情報に基づいて粒子密度を決定するように構成されたコントローラ又は処理装置を有する外部装置のいずれかに、空気流量についての情報を供給するように構成されてもよい。

レーザセンサモジュール１００は、代替的に、又は、追加的に、装置内に一体化されていてもよく、装置周囲の空気を移動させるために、装置が、移動されてもよい。動きセンサのような追加のセンサが、装置の移動を決定するとともに、装置周囲の空気の移動を間接的に決定するために使用されてもよい。移動に関する情報は、粒子密度を決定するために使用され得る。

図３は、第３のレーザセンサモジュール１００の原理図を示している。第３のレーザセンサモジュール１００は、第１のレーザ１１０と、外部にある第１の検出器１２０と、を有する。外部の第１の検出器１２０は、外部のフォトダイオードである。これは、第１の検出器１２０が、レーザキャビティ内に一体化されていないが、同一のレーザチップ上にあってもよいことを意味する。第３のレーザセンサモジュール１００は、電気駆動部１３０と、コントローラ１４０と、第１の光学装置１５０と、を更に有する。コントローラ１４０は、第１のレーザ１１０に接続され、又は、より正確には、第１の検出器１２０及び電気駆動部１３０に接続される。電気駆動部１３０は、第１のレーザ光を放射するため、第１のレーザ１１０に電力を供給する。第１のレーザ１１０は、この場合、一体化されたフォトダイオードを具備する垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。レーザセンサモジュール１００は、電気駆動部１３０によって変調及び供給される電力を供給する電源（図示省略）に接続される。電気駆動部１３０は、一定の駆動電流を供給する。コントローラ１４０は、電気駆動部１３０から情報を更に受ける。第１のレーザ１１０から放射された第１のレーザ光は、第１のレーザ光の一部を検出器１２０に反射するように構成された第１の光学装置１５０を通過する。第１の光学装置１５０は、例えば、透明板であってもよい。第１のレーザ光は、第１のレーザ１１０の第１のレーザキャビティにおける光波の変調についての情報を有する。コントローラ１４０は、第１の自己混合干渉信号によって引き起こされる第１の検出器１２０による電気信号を受信する。粒子が、第１の焦点領域１５５周囲の範囲内で検出され得る。コントローラ１４０は、粒子を検出した際の対応する制御信号により粒子を検出後、４ｍｓ間、第１の検出器１２０をオフに切り替えるように更に構成される。粒子の二重カウント又は複数カウントが回避される、又は、少なくとも低減されるように、粒子は、第１のレーザ光の検出の中断中に、第１のレーザ光のビームを通過させる。

図４は、第４のレーザセンサモジュール１００の原理図を示している。第４のレーザセンサモジュール１００は、一体化された第１の検出器１２０を具備する第１のレーザ１１０を有する。一体型の第１の検出器１２０は、第１のレーザ１１０のレイヤ構造の一部である一体型フォトダイオードである。第４のレーザセンサモジュール１００は、電気駆動部１３０と、コントローラ１４０と、第１の光学装置１５０と、を更に有する。コントローラ１４０は、第１のレーザ１１０に接続され、又は、より正確には、第１の検出器１２０及び電気駆動部１３０に接続される。電気駆動部１３０は、第１のレーザ光を放射するため、第１のレーザ１１０に電力を供給する。第１のレーザ１１０は、この場合、一体型フォトダイオードを具備する垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。レーザセンサモジュール１００は、電気駆動部１３０によって変調及び供給される電力を供給する電源（図示省略）に接続される。電気駆動部１３０は、一定の駆動電流を供給する。コントローラ１４０は、第１の自己混合干渉信号によって引き起こされる第１の検出器１２０により供給される電気信号を受信する。コントローラ１４０は、電気駆動部１３０から情報を更に受ける。第１のレーザ１１０により放射された第１のレーザ光は、第１の光学装置１５０によって、第１の焦点領域１５５に集束される。粒子は、第１の焦点領域１５５の周囲の範囲内で検出され得る。コントローラ１４０は、粒子を検出した際の対応する制御信号により粒子を検出後、３ｍｓ間、第１のレーザ１１０をオフに切り替えるように更に構成される。粒子の二重カウント又は複数カウントが回避される、又は、少なくとも低減されるように、粒子は、第１のレーザ光の検出の中断中に、第１の焦点領域１５５を通過させられる。

第１の光学装置１５０は、例えば、規定の直径rlensを有するただ一つのレンズを有していてもよい。第１の自己混合干渉信号は、(1-exp[-(rlens/wpupil)^2])^2としてスケーリングされる。ここで、wpupilは、レンズ瞳孔における第１のレーザ光のガウシアンビームのウエストパラメータ（waist parameter）である。レンズは、第１のレーザ光の後方散乱ビーム又は反射ビームの口径食（ケラレ）による信号損失を回避するため、或る最小直径を有すべきである。好ましい実施形態は、レンズ直径＞１．１瞳孔直径（これは、３ｄＢの信号損失に対応する）を有する。ガウシアンビームの１．５倍の瞳孔直径（１ｄＢの信号損失）より大きいレンズがより優れている。

図５は、第５のレーザセンサモジュール１００の原理図を示している。第５のレーザセンサモジュール１００は、一体化された第１の検出器１２０を具備する第１のレーザ１１０と、一体化された第２の検出器１２１を具備する第２のレーザ１１１と、を有する。第１のレーザ１１０及び第２のレーザ１１１は、同一の波長を有する第１及び第２のレーザ光を放射する。第１及び第２のレーザ１１０，１１１は、好ましくは、スペクトルの赤外範囲において７５０ｎｍより上の波長を有するレーザ光を放射してもよく、最も好ましくは、７８０ｎｍと１３００ｎｍとの間の波長スペクトルを有するレーザ光を放射してもよい。第５のレーザセンサモジュール１００は、第１のレーザ１１０及び第２のレーザ１１１に対して駆動電流を供給するように構成された電気駆動部１３０を有する。電気駆動部は、第１のレーザ１１０及び第２のレーザ１１１に接続されるコントローラ１４０を有する。第５のレーザセンサモジュール１００は、第１の焦点領域１５５に第１のレーザ光を集束させるための第１の光学装置１５０を更に有する。第５のレーザセンサモジュール１００は、第２の焦点領域１５８に第２のレーザ光を集束させるための第２の光学装置１５６を更に有する。コントローラ１４０は、第１の自己混合干渉信号によって引き起こされる第１の検出器１２０により供給される電気信号と、第２のレーザ１２１の第２のレーザキャビティにおいて第２の自己混合干渉信号によって引き起こされる第２の検出器１２１により供給される電気信号と、を受信する。コントローラ１４０は、電気駆動部１３０から情報を更に受信する。第１のレーザ１１０及び第２のレーザ１１１、並びに、対応する検出器による平行検出は、検出容積を増大させる。検出容積の増大は、粒子数が著しく低い場合に有用であろう。

この場合、関連する大気汚染レベルにおける粒子カウント率は低い可能性がある。これは、例えば、PM2.5値の信頼できる出力を与えるため、長い測定時間（>3s）につながる。第３のレーザ、第４のレーザ、第５のレーザ、又は、それ以上のレーザを使用すると、測定時間が更に短縮される。測定時間の短縮は、第１及び第２の自己混合干渉信号によって１つの粒子を検出するリスクを増加させる可能性がある。従って、コントローラ１４０は、少なくとも第１の自己混合干渉信号及び第２の自己混合干渉信号、並びに、任意で、第３、第４、第５などの自己混合干渉信号の評価によって粒子の多重カウントを低減するように構成されてもよい。粒子の多重カウントの低減は、例えばコントローラ１４０に記憶された理論的な粒子移動モデルを用いて実行され得る。理論的モデルは、少なくとも第１及び第２のレーザ（並びに、任意選択的に更なるレーザ）による１つの粒子の検出の一致を決定することを可能にすることができる。

上述したように検出量を増やすことによって検出時間を短縮するために、２つ、３つ、４つ、又は、それ以上のレーザ及び対応する検出器を有するレーザセンサモジュール１００が使用されてもよい。検出器は、レーザキャビティのインピーダンスを検出するための集積フォトダイオード又は外部フォトダイオード又は測定回路のように集積されていてもよい。１つの検出器があってもよいし、各レーザごとに設けられていてもよいし、グループの検出器があってもよいし、全てが検出器であってもよい。レーザは、１つの半導体チップ上のアレイに配置されてもよく、半導体チップは、１又は複数の検出器を更に有する。レーザセンサモジュール１００は、コントローラ１４０を有していてもよい。コントローラ１４０によって実行され得る測定データの解析は、代替的に、外部コンピューティング装置により実行されてもよい。この場合、レーザセンサモジュール１００に一体化されたコントローラ１４０は存在しない。このようなレーザセンサモジュールは、特に所定の相対的な空気移動（ファン、可動ミラーなど）の場合に、二重又は多重カウントの減少とは独立して使用され得る。

図６は、第６のレーザセンサモジュール１００の原理図を示している。第６のレーザセンサモジュール１００の構成は、図５に示される第５のレーザセンサモジュール１００と略同一である。相違点は、２つの検出器の代わりに、第１及び第２のレーザのために、自己混合干渉信号及び制御データ、又は、電気駆動部１３０により供給される情報のディジタル信号処理用の増幅器及びＡＳＩＣを有し得る単一のコントローラ１４０と組み合わせて単一の第１の検出器（フォトダイオード）１２０が使用されていることである。通常の空気品質レベルでは粒子密度が低いため、殆どの場合、検出器が粒子を検出しないが、第１及び第２のレーザ１１０，１１１（又は、レーザアレイの場合、より多くのレーザ）を平行に配置した構成では、カウント率は増加するが、同じ瞬間に２つの粒子を検出する可能性は依然として非常に低い。このレイアウトの欠点は、単一のレーザのみが粒子の自己混合信号を提供し、他のレーザが依然としてフォトダイオードを照射するので、フォトダイオード信号上の背景光が増加することである。これにより、自己混合干渉信号のノイズ量が増加する。自己混合干渉信号は、通常、ショットノイズが制限されている。フォトダイオード上の光の強度を倍にすることにより、ノイズは、２の平方根の倍数だけ増加する。２つ又は３つ以上のレーザを並行して配置すると、上述のように検出された粒子が多くなるが、最終的にノイズの増加は並列に使用できるレーザの数を制限する。従って、効果的に追加のレーザーあたりの利得が減少する。

図７は、第７のレーザセンサモジュール１００の原理図を示している。第７のレーザセンサモジュール１００は、第１のレーザ１１０及びレーザ光を放射する複数の他のレーザを具備するレーザアレイ２００を有する。第７のレーザセンサモジュール１００は、１つの共通の第１の検出器１２０と、電気駆動部１３０と、コントローラ１４０と、第１の光学装置１５０と、可動ミラー１７０と、を更に有する。コントローラ１４０は、第１の検出器１２０、電気駆動部１３０、及び、可動ミラー１７０に接続される。電気駆動部１３０は、レーザ光を放射するため、レーザアレイのレーザに電力を供給する。電気駆動部１３０は、変調された駆動電流（例えば、矩形駆動電流）を供給してもよい。コントローラ１４０は、レーザの１つの焦点領域を横切る粒子によって引き起こされる、自己混合干渉信号により引き起こされる第１の検出器１２０により供給される電気信号を受信する。コントローラ１４０は、第１の検出器１２０によって測定される自己混合干渉信号を中断するために、電気駆動部１３０及び可動ミラー１７０から情報を更に受信する。電気駆動部１３０によって供給される情報は、決定された瞬間において供給される電流を有していてもよい。コントローラ１４０は、対応する制御信号によって、可動ミラー１７０の動きを制御するように更に構成される。コントローラ１４０によって供給される制御信号は、角速度、ミラーの動きなどを決定してもよい。第１の光学デバイス１５０は、検出ボリュームを増加させるために、レーザアレイの異なるレーザによって放出されるレーザ光を異なる焦点領域に集束させるように構成される。第１の光学デバイス１５０は、例えば、マイクロレンズのアレイを有していてもよい。第１の光学装置１５０は、好ましくは、可動ミラー１７０によって反射された後にそれぞれの焦点領域にレーザ光を集束させるように構成されてもよい。

空気の移動が、例えば図２（ファン）で説明されるような構成によって制御されない場合、レーザのスポット又は焦点領域を移動させるために、可動ミラー１７０が使用され得る。焦点領域の移動の速度を通常の空気速度、０．１ｓ／ｍ乃至１ｓ／ｍよりも高くすることが好ましい。従って、５ｍ／ｓ乃至２０ｍ／ｓの値を有することが便利であろう。３００ｎｍより大きい粒子が検出可能である場合、集束レンズの開口数の値は、０．０５乃至０．２が最適である（ここで、開口数は、ガウシアンビームの遠視野の角度の強度値の１／e^2倍により定義される）。

図８は、図７で説明されるようなレーザセンサモジュール１００によって供給され得る焦点領域のアレイの第１の実施形態を示している。この場合、レーザアレイ２００は線形アレイである。レーザアレイ２００、第１の光学装置１５０、及び、可動ミラー１７０は、例えば、第１の焦点領域１５５のトレース１５７が他の焦点領域のトレースと重ならないように配置される。各スポット又は焦点領域が検出容積を増加させるために異なる容積の空間を探知するように、レーザのラインを走査方向に平行にしないことが有利である。

レーザアレイ２００に含まれるレーザは、代替的な実施形態では、２次元レーザアレイ（例えば、正方形配置、六角形配置など）で配置されてもよい。線状配置の場合と同様に、焦点領域のパターンの配置は、好ましくは、各レーザスポット又は焦点領域が、図８の線状配置に関して説明されるように、空間内のそれ自身の体積をプローブするようにする。

レーザアレイ２００は、１つの基板を有する１つの半導体チップと、レーザ光を放出するための多数のＶＣＳＥＬと、を有していてもよい。対応する検出器は、別個のメサ（任意選択的に、アレイ内のレーザ発振メサとは異なる直径を有する）に配置され得るレーザダイオードとして構成され得る。別個のメサは、基板における反射によりＶＣＳＥＬから自発的に放出された光を受け取るように構成されてもよい。自己混合干渉効果によるこのような自発放出光の変調は、レーザ出力変調に比例するが、負の符号を持たなければならない。エピタキシャル構造は、フォトダイオードが基板のより近くに配置されている全てのメサに対して同じであってもよい。

あるいは、別個のメサは、アレイ内のレーザからレーザ光を受け取るように構成されてもよい。これは、例えば、第１の光学装置１５０などからの調整された後方反射によって実現され得る。この配置では、半導体チップの基板により、例えば、黒化された裏面又はメサ間のトレンチエッチングによって、自然放出された光の反射を抑制することが必要な場合がある。エピタキシャル構造は、代替的に、メサの頂部にフォトダイオードを有することができ、この部分はメサ形成のためにエッチングされて除去される。

図９は、レーザセンサモジュール１００を有する移動通信装置１９０を示している。移動通信装置１９０は、ユーザインタフェース１９１と、処理装置１９２と、主記憶装置１９３と、を有する。主処理装置１９２は、主記憶装置１９３及びレーザセンサモジュール１００と接続されている。主処理装置１９２は、上述したコントローラ１４０0の機能の少なくとも一部を有する。主処理装置１９２は、主記憶装置１９３に粒子検出に関するデータを格納する。代替的な実施形態では、主処理装置１９２及び主記憶装置１９３は、データが、ユーザインタフェース１９１を介して移動通信装置１９０のユーザに提示されることができるように、レーザセンサモジュール１００によって提供されるデータを準備又は適合させるためにのみ使用されてもよい。レーザセンサモジュール１００は、電源としての移動通信装置１９０によって給電される。

図１０は、粒子密度を検出するための方法の原理図を示している。ステップ２１０において、第１のレーザ１１０により第１のレーザ光が放射される。ステップ２２０において、第１のレーザ光の少なくとも一部を受ける粒子によって反射された第１の反射レーザ光は、第１のレーザ１１０の第１のレーザキャビティで反射される。ステップ２３０において、第１レーザ１１０の第１レーザキャビティ内の光波の第１の自己混合干渉信号３０が検出される。第１の自己混合干渉信号３０は、第１のレーザキャビティに再入射する第１の反射レーザ光によって引き起こされる。ステップ２４０において、粒子の多重カウントが低減される。

本発明は、図面及び前述の説明において詳細に図示され説明されてきたが、そのような図示及び説明は、例示的であって制限的ではないとみなされるべきである。

本開示を読むことで、他の修正例が、当該技術分野における当業者にとって明らかであろう。かかる修正例は、当該技術分野において既知であり、ここで説明された特徴の代わりに、又は、当該特徴に追加して使用され得る、他の特徴を含んでいてもよい。

図面、開示、及び、添付の請求項の研究から、開示の実施形態に対する変形が、当該技術分野における当業者によって、理解及び実施され得る。請求項中、「有する」なる用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形は、要素又はステップが複数であることを除外しない。特定の手段が相互に異なる従属項において言及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好適に用いられないということを示すものではない。

請求項中の任意の参照符号は、本発明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 振幅軸
２０ 時間軸
３０ 自己混合レーザ信号
４０ 振幅干渉
１００ レーザセンサモジュール
１１０ 第１のレーザ
１１１ 第２のレーザ
１２０ 第１の検出器
１２１ 第２の検出器
１３０ 電気駆動部
１４０ コントローラ
１５０ 第１の光学装置
１５５ 焦点領域
１５６ 第２の光学装置
１５７ 焦点領域の軌跡
１５８ 第２の焦点領域
１７０ 第１の可動ミラー
１８０ ファン
１８２ 透明管
１９０ 移動通信装置
１９１ ユーザインタフェース
１９２ 主処理装置
１９３ 主記憶装置
２００ レーザアレイ
２１０ レーザ光を放出するステップ
２２０ 反射されたレーザ光を受光するステップ
２３０ 第１の自己混合干渉信号を決定するステップ
２４０ 多重カウントを低減するステップ

Claims (11)

1. 粒子密度検出のためのレーザセンサモジュールであって、前記レーザセンサモジュールは、少なくとも１つの第１のレーザと、少なくとも１つの第１の検出器と、少なくとも１つの電気駆動部と、を有し、前記第１のレーザは、前記少なくとも１つの電気駆動部によって供給される信号を受けて第１のレーザ光を放出するように構成され、前記少なくとも１つの第１の検出器は、前記第１のレーザの第１のレーザキャビティ内の光波の第１の自己混合干渉信号を検出するように構成され、前記第１の自己混合干渉信号は、前記第１のレーザ光の少なくとも一部を受ける粒子によって反射された前記第１のレーザキャビティに再入射する第１の反射レーザ光によって引き起こされ、前記レーザセンサモジュールは、前記粒子の多重カウントを減少させるように構成され、前記レーザセンサモジュールは、所定の期間、粒子の検出を中断するように構成され、前記所定の期間は、前記粒子の多重カウントを減少させるため、前記粒子の多重検出が低減されるように選択され、前記レーザセンサモジュールは、コントローラを更に有し、前記コントローラは、前記粒子をカウントするために前記少なくとも１つの第１の検出器によって供給される前記第１の自己混合干渉信号を評価するように構成され、前記コントローラは、粒子の検出を中断するように構成され、前記コントローラは、前記所定の期間、前記少なくとも１つの第１の検出器によって供給される前記第１の自己混合干渉信号の評価を中断するように構成され、前記コントローラは、前記粒子の検出した場合に制御信号を生成するように構成され、前記コントローラは、前記粒子の検出後、前記所定の期間、粒子の検出を中断するように構成される、レーザセンサモジュール。
2. 前記少なくとも１つの電気駆動部が、前記信号により前記粒子の検出を周期的に中断するように構成される、請求項１記載のレーザセンサモジュール。
3. 前記コントローラが、前記電気駆動部に前記制御信号を伝達するように構成され、前記電気駆動部が、前記所定の期間、前記第１のレーザ光の放出を中断するように構成される、請求項１記載のレーザセンサモジュール。
4. 前記レーザセンサモジュールが、少なくとも１つの第１の光学装置を有し、前記第１の光学装置が、前記粒子を検出するために第１の焦点領域に前記第１のレーザ光を集束させるように構成される、請求項１又は２に記載のレーザセンサモジュール。
5. 前記レーザセンサモジュールが、前記少なくとも１つの第１のレーザと第２のレーザとを有するレーザアレイを有し、前記第２のレーザが、前記第２のレーザによって放出される第２のレーザ光により引き起こされる第２の自己混合干渉信号による独立した粒子検出を可能にするように構成され、前記コントローラが、少なくとも前記第１の自己混合干渉信号及び前記第２の自己混合干渉信号の評価によって前記粒子の多重カウントを減少させるように構成される、請求項１又は２に記載のレーザセンサモジュール。
6. 前記レーザセンサモジュールが、少なくとも第１の光学装置を有し、前記第１の光学装置が、前記粒子密度を検出するための検出量が増大されるように、少なくとも、第１の焦点領域に前記第１のレーザ光を集束させるとともに、第２の焦点領域に前記第２のレーザ光を集束させるように構成される、請求項５記載のレーザセンサモジュール。
7. 前記レーザセンサモジュールが、少なくとも前記第１及び第２の焦点領域が移動するように、少なくとも前記第１及び第２のレーザ光を反射するための少なくとも第１の可動ミラーを有し、前記第１の可動ミラーが、前記第１及び第２の焦点領域の軌跡が重複しないように、少なくとも前記第１及び第２の焦点領域を移動させるように構成される、請求項６記載のレーザセンサモジュール。
8. 前記第１の検出器が、前記第１の自己混合干渉信号及び前記第２の自己混合干渉信号を検出するように構成され、前記コントローラが、前記粒子密度に依存して、前記電気駆動部によって、前記レーザアレイに含まれる前記レーザの少なくとも一部をオフに切り替えるように構成される、請求項５記載のレーザセンサモジュール。
9. 前記コントローラが、前記第１又は第２の自己混合干渉信号に基づいて、前記第１又は第２のレーザ光に平行な光軸に沿って前記粒子の第１の速度の投影を決定するように構成され、前記コントローラが、前記第１の速度を用いて前記粒子の多重カウントを低減させるように構成される、請求項５記載のレーザセンサモジュール。
10. 粒子密度検出方法であって、前記方法は、
    第１のレーザにより第１のレーザ光を放出するステップと、
    前記第１のレーザの第１のレーザキャビティにおいて、前記第１のレーザ光の少なくとも一部を受光する粒子によって反射された第１の反射レーザ光を受光するステップと、
    前記第１のレーザキャビティに再入射する前記第１の反射レーザ光によって引き起こされる、前記第１のレーザの前記第１のレーザキャビティ内の光波の第１の自己混合干渉信号を決定するステップと、
    前記粒子の多重カウントを低減させるために前記粒子の多重検出が低減されるように選択された所定の期間、粒子の検出を中断することによって前記粒子の多重カウントを低減させるステップと、
    前記粒子をカウントするために前記第１の自己混合干渉信号を評価するステップと、
    前記粒子を検出した場合に制御信号を生成するステップと、
    前記粒子の検出後、前記所定の期間、粒子の検出を中断するステップと、
    を有する、方法。
11. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載のレーザセンサモジュールに含まれる少なくとも１つのメモリ装置、又は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のレーザセンサモジュールを有する装置の少なくとも１つのメモリ装置に格納され得るコード手段を有するコンピュータプログラム製品であって、前記コード手段は、請求項１０記載の方法が、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のレーザセンサモジュールに含まれる少なくとも１つの処理装置、又は、前記レーザセンサモジュールを有する前記装置の少なくとも１つの処理装置によって実行され得るように構成される、コンピュータプログラム製品。

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