(57)【要約】本発明は、粒子サイズ300nm以下、より好ましくは200nm以下、最も好ましくは100nm以下の粒子サイズをもつ超微粒子を検出するためのレーザー・センサー・モジュールを記述する。レーザー・センサー・モジュールは：・少なくとも一つの電気ドライバーによって提供される信号に反応して少なくとも一つの焦点領域にレーザー光を放出するよう適応された少なくとも一つのレーザーと；・前記少なくとも一つのレーザーのレーザー空洞内の光波の自己混合干渉信号を決定するよう適応されている少なくとも一つの検出器であって、前記自己混合干渉信号は前記レーザー空洞に再入する反射されたレーザー光によって引き起こされ、前記反射されたレーザー光は、前記レーザー光の少なくとも一部を受ける粒子によって反射される、検出器とを有しており、・当該レーザー・センサー・モジュールは、少なくとも一つの自己混合干渉測定を実行するよう構成され、・当該レーザー・センサー・モジュールは、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された少なくとも一つの測定結果によって、第一の感度で第一の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応されており、当該レーザー・センサー・モジュールは、前記第一の感度とは異なる第二の感度で第二の粒子サイズ分布関数を決定するようさらに適応されており、・前記少なくとも一つの評価器は、前記第二の粒子サイズ分布関数に較正因子qを乗算したものを前記第一の粒子サイズ分布関数から減算することによって、300nm以下の粒子サイズの粒子測度を決定するよう適応されている。本発明はさらに、対応する方法およびコンピュータ・プログラム・プロダクトを記述する。本発明は、100nmまたさらにはそれ未満のサイズをもつ粒子を検出できる、レーザー自己混合干渉に基づく簡単で低コストの粒子検出モジュールまたは流水検出器を可能にする。
2019516074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子サイズ300nm以下、より好ましくは200nm以下、最も好ましくは100nm以下の粒子サイズをもつ超微粒子を検出するためのレーザー・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：
・少なくとも一つの電気ドライバーによって提供される信号に反応して少なくとも一つの焦点領域にレーザー光を放出するよう適応されている少なくとも一つのレーザーと；
・前記少なくとも一つのレーザーのレーザー空洞内の光波の自己混合干渉信号を決定するよう適応されている少なくとも一つの検出器であって、前記自己混合干渉信号は前記レーザー空洞に再入する反射されたレーザー光によって引き起こされ、前記反射されたレーザー光は、前記レーザー光の少なくとも一部を受ける粒子によって反射される、検出器とを有しており、
・当該レーザー・センサー・モジュールは、少なくとも一つの自己混合干渉測定を実行するよう構成され、
・当該レーザー・センサー・モジュールは、第一の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応されており、前記第一の粒子サイズ分布関数は、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された少なくとも一つの測定結果による粒子サイズ検出に関する第一の感度によって特徴付けられ、当該レーザー・センサー・モジュールは、第二の粒子サイズ分布関数を決定するようさらに適応されており、前記第二の粒子サイズ分布関数は、粒子サイズ検出に関する第二の感度によって特徴付けられ、前記第二の感度は前記第一の感度とは異なり、
・前記少なくとも一つの評価器は、前記第二の粒子サイズ分布関数に較正因子qを乗算したものを前記第一の粒子サイズ分布関数から減算することによって、300nm以下の粒子サイズの粒子測度を決定するよう適応されており、前記較正因子qは、前記粒子測度が決定されることができるよう、より大きな粒子の効果が打ち消されるように決定される、
レーザー・センサー・モジュール。
【請求項２】
当該レーザー・センサー・モジュールが、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された前記少なくとも一つの測定結果によって前記第二の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応されている、請求項１記載のレーザー・センサー・モジュール。
【請求項３】
・前記少なくとも一つの評価器は、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された測定結果に第一の閾値を適用するよう適応され、前記少なくとも一つの評価器は、前記測定結果および前記第一の閾値によって前記第一の粒子サイズ分布関数を決定するようさらに適応され、
・前記少なくとも一つの評価器は、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された前記測定結果に第二の閾値を適用するようさらに適応され、前記第二の閾値は前記第一の閾値とは異なり、前記少なくとも一つの評価器は、前記測定結果および前記第二の閾値によって前記第二の粒子サイズ分布関数を決定するようさらに適応されている、
請求項２記載のレーザー・センサー・モジュール。
【請求項４】
・当該レーザー・センサー・モジュールは前記第一の感度で第一の自己混合干渉測定を実行するよう構成されており、
・当該レーザー・センサー・モジュールは前記第二の感度で第二の自己混合干渉測定を実行するようさらに構成されており、
・前記少なくとも一つの評価器は、前記第一の自己混合干渉測定に基づいて決定された第一の測定結果によって前記第一の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応され、前記少なくとも一つの評価器はさらに、前記第二の自己混合干渉測定に基づいて決定された第二の測定結果によって前記第二の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応されている、
請求項２記載のレーザー・センサー・モジュール。
【請求項５】
当該レーザー・センサー・モジュールは、前記レーザー光を合焦するための光学デバイスを有しており、該光学デバイスは、少なくとも0.06、より好ましくは少なくとも0.2、最も好ましくは少なくとも0.3の開口数によって特徴付けられる、請求項１ないし４のうちいずれか一項記載のレーザー・センサー・モジュール。
【請求項６】
前記粒子センサー・モジュール（１００）は、レーザー光の焦点領域を動かすよう構成されている光方向修正デバイスを有しており、前記粒子センサー・モジュールはさらに、前記第一の自己混合干渉測定の間は第一の速度で、前記第二の自己混合干渉測定の間は前記第一の速度とは異なる第二の速度で、焦点領域の動きを制御するよう適応されている少なくとも一つのコントローラを有する、請求項４記載の粒子センサー・モジュール。
【請求項７】
前記粒子センサー・モジュールは、粒子流の速度を制御するよう構成されている少なくとも一つの粒子流制御デバイスを有しており、前記粒子センサー・モジュールはさらに、前記第一の自己混合干渉測定の間は第一の粒子流速度で、前記第二の自己混合干渉測定の間は前記第一の粒子流速度とは異なる第二の粒子流速度で、粒子流制御デバイスによって粒子流の速度を制御するよう適応されている少なくとも一つの流れコントローラを有する、請求項４記載の粒子センサー・モジュール。
【請求項８】
当該レーザー・センサー・モジュールは：
・前記少なくとも一つの電気ドライバーによって提供される第一の信号に反応して第一の焦点領域に第一のレーザー光を放出するよう適応された少なくとも一つの第一のレーザーと；
・前記少なくとも一つの電気ドライバーによって提供される第二の信号に反応して第二の焦点領域に第二のレーザー光を放出するよう適応された少なくとも一つの第二のレーザーと；
・前記第一および第二の自己混合干渉信号を決定するよう適応された少なくとも一つの検出器と；
・少なくとも一つの光学デバイスとを有しており、前記第一のレーザー光および前記第二のレーザー光は前記少なくとも一つの光学デバイスを通じて放出され、前記第一の焦点領域における前記第一のレーザー光の収差レベルは、前記第二の焦点領域における前記第二のレーザー光の収差レベルとは異なる、
請求項４記載の粒子センサー・モジュール。
【請求項９】
当該レーザー・センサー・モジュールは：
・少なくとも一つの第一のレーザーであって、前記少なくとも一つの電気ドライバーによって提供される第一の信号に反応して第一の焦点領域に第一のレーザー光を放出するよう適応された第一のレーザーと；
・前記第一の自己混合干渉信号を決定するよう適応された少なくとも一つの第一の検出器と；
・少なくとも一つの第二のレーザーであって、前記少なくとも一つの電気ドライバーによって提供される第二の信号に反応して第二の焦点領域に第二のレーザー光を放出するよう適応された第二のレーザーと；
・前記第二の自己混合干渉信号を決定するよう適応された少なくとも一つの第二の検出器とを有する、
請求項４記載の粒子センサー・モジュール。
【請求項１０】
前記第一のレーザーは、第一の開口数をもつ第一の光学デバイスに光学的に結合され、前記第二のレーザーは、前記第一の開口数とは異なる第二の開口数をもつ第二の光学デバイスに光学的に結合されている、請求項９記載の粒子センサー・モジュール。
【請求項１１】
前記粒子センサー・モジュールは、前記第二の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応されている粒子検出ユニットを有する、請求項１記載の粒子センサー・モジュール。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のうちいずれか一項記載の粒子センサー・モジュールを有する空気清浄機、センサー・ボックスまたはウェアラブル・デバイス。
【請求項１３】
粒子サイズ300nm以下、より好ましくは200nm以下、最も好ましくは100nm以下の粒子サイズをもつ超微粒子を検出する方法であって、当該方法は：
・少なくとも一つの焦点領域にレーザー光を放出する段階と；
・少なくとも一つの自己混合干渉信号を決定する段階とを含み、
当該方法は：
・第一の粒子サイズ分布関数を決定する段階であって、前記第一の粒子サイズ分布関数は、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された少なくとも一つの測定結果による第一の感度によって特徴付けられる、段階と；
・第二の粒子サイズ分布関数を決定する段階であって、前記第二の粒子サイズ分布関数は第二の感度によって特徴付けられ、前記第二の感度は前記第一の感度とは異なる、段階と；
・前記第二の粒子サイズ分布関数に較正因子qを乗算したものを前記第一の粒子サイズ分布関数から減算することによって、300nm以下の粒子サイズの粒子測度を決定する段階とを特徴としており、
前記較正因子qは、前記粒子測度が決定されることができるよう、より大きな粒子の効果が打ち消されるように決定される、
方法。
【請求項１４】
当該方法が：
・前記第一の粒子サイズ分布関数を決定するために、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された測定結果に第一の閾値を適用する段階と；
・前記第二の粒子サイズ分布関数を決定するために、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された前記測定結果に第二の閾値を適用する段階
という追加的段階を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
請求項１ないし１１のうちいずれか一項記載の粒子センサー・モジュールに含まれる少なくとも一つのメモリ・デバイスに、あるいは前記粒子センサー・モジュールを有するデバイスの少なくとも一つのメモリ・デバイスに保存されることができるコード手段を有するコンピュータ・プログラムであって、前記コード手段は、前記粒子センサー・モジュールに含まれる少なくとも一つの処理装置によって、あるいは前記粒子センサー・モジュールを有するデバイスの少なくとも一つの処理装置によって請求項１３または１４記載の方法が実行されることができるよう、構成されている、コンピュータ・プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超微粒子サイズ検出のためのレーザー・センサーまたはレーザー・センサー・モジュールに関する。本発明はさらに、対応するコンピュータ・プログラム・プロダクトに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光学的な技術は超微粒子（ultrafine  particle）（300nm以下のオーダーの粒径）を検出することができないと考えられている。粒子の有効反射は粒径とともに大幅に減少する。これはサイズが小さくなるためばかりでなく、さらにミー散乱によって与えられる後方散乱効率（Dが粒子の直径であるとして、0.1から1ミクロンの間の直径については〜D2、＜0.1ミクロンの直径については〜D4）の低下にも起因する。
【０００３】
非特許文献１は、懸濁質における小さな粒子のサイズを迅速かつ簡単に測定するための方法を記載している。この方法は、きわめて高い光学感度をもつ、レーザー・ダイオードでポンピングされる薄片LiNdP4O12レーザーによる自己混合レーザー・ドップラー測定を使う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第02/37410号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】SUDOL  S  ET  AL、"Quick  and  easy  measurement  of  particle  size  of  Brownian  particles  and  planktons  in  water  using  a  self-mixing  laser",  OPTICS  EXPRESS,  val.14,  no.3,  6  February  2006  (2006-02-06),  p.1044-1054,  XP002753399,  DOI:10.1364/OE.14.001  044
【非特許文献２】Giuliani,  G.;  Norgia,  M.;  Donati,  S.  &  Bosch,  T.、"Laser  diode  self-mixing  technique  for  sensing  applications",  Journal  of  Optics  A:  Pure  and  Applied  Optics,  2002,  4,  S.283-S.294
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
超微粒子サイズ検出のための簡単かつ安価なレーザー・センサー・モジュールを提供することが本発明の目的である。本発明は、独立請求項によって定義される。従属請求項は、有利な実施形態を定義する。
【０００７】
第一の側面によれば、粒子サイズ300nm以下、より好ましくは200nm以下、最も好ましくは100nm以下の粒子サイズをもつ超微粒子を検出するためのレーザー・センサー・モジュールが提供される。レーザー・センサー・モジュールは：
・少なくとも一つの電気ドライバーによって提供される信号に反応して少なくとも一つの焦点領域にレーザー光を放出するよう適応された少なくとも一つのレーザーと；
・前記少なくとも一つのレーザーのレーザー空洞内の光波の自己混合干渉信号を決定するよう適応されている少なくとも一つの検出器であって、前記自己混合干渉信号は前記レーザー空洞に再入する反射されたレーザー光によって引き起こされ、前記反射されたレーザー光は、前記レーザー光の少なくとも一部を受ける粒子によって反射される、検出器を有しており、
・当該レーザー・センサー・モジュールは、少なくとも一つの自己混合干渉測定を実行するよう構成され、
・当該レーザー・センサー・モジュールは、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された少なくとも一つの測定結果によって、第一の感度で第一の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応されており、当該レーザー・センサー・モジュールは、前記第一の感度とは異なる第二の感度で第二の粒子サイズ分布関数を決定するようさらに適応されており、
・前記少なくとも一つの評価器は、前記第二の粒子サイズ分布関数に較正因子qを乗算したものを前記第一の粒子サイズ分布関数から減算することによって、300nm以下の粒子サイズの粒子測度を決定するよう適応されている。
【０００８】
第二の感度は、定義された閾値粒子サイズより小さな粒子が検出されないよう選ばれてもよい。第一の感度は、前記定義された閾値粒子サイズより小さな粒子が検出されるよう選ばれてもよい。第一および第二の粒子サイズ分布関数は本質的には、前記定義された閾値粒子サイズより上では同一の形状をもつ。前記信号の大きさは感度とともにスケールする。よって、前記第二の粒子サイズ分布関数に1より大きな一定の較正因子qを乗算したものを前記第一の粒子サイズ分布関数から減算することによって、前記定義された閾値より小さな粒子サイズの粒子測度を決定することが可能である。前記より小さな粒子の信号を隠蔽しうる前記より大きな粒子によって引き起こされる効果は、較正因子qを考慮に入れる前記減算によって消去されうる。第一の感度が第二の感度より低く、つまり第一の粒子サイズ分布関数が前記定義された閾値より小さな粒子に関係するいかなる信号も示さない場合に、同じ手順が使われてもよい。構成因子qはこの場合は1より小さい。選ばれる閾値粒子サイズは300nm、200nm、100nmまたはさらには50nmであってもよい。構成因子qは、前記より大きな粒子の効果が最適に打ち消されるように決定される。現在のモデル計算結果は、較正因子qの値は粒子サイズ分布とは独立であることを示している。あるサイズからの検出された粒子の比は、粒子分布によってではなく、前記二つの測定条件によって与えられるように思われる。いずれにせよ、粒子分布が、異なる範囲の粒子サイズについて異なるq値を要求するとしても、この測定においてこれについて補正する方法もある。a−qbによって通常どおりに超微粒子（前記定義された閾値より小さな粒子）の数を導出する。ここでaは第一の粒子サイズ分布を表わし、bは第二の粒子サイズ分布関数を表わす。その後の段階において比(a−qb)/aが導出されることができる。この比は、前記小さな粒子の相対的な寄与についての測度となる。最後に、必要であれば前記粒子分布についてqが補正されることができる。
【０００９】
前記少なくとも一つのレーザーは、たとえば、側面発光レーザーまたは垂直共振器型面発光レーザー（VCSEL:  Vertical  Cavity  Surface  Emitting  Laser）のような半導体レーザーであってもよい。検出器は、自己混合干渉信号を決定するために前記少なくとも一つのレーザーのレーザー空洞内の光波の変動を判別するよう構成されたいかなるセンサー構成であってもよい。自己混合干渉信号は、前記少なくとも一つのレーザーの動作中に、レーザーによって放出されたレーザー光が粒子によって反射され、レーザー空洞に再入することによって生成される。検出器はたとえば、VCSEL内に統合されていてもよいフォトダイオードであってもよく、あるいはレーザー空洞にわたる電気抵抗を決定するよう構成された測定回路であってもよい。前記少なくとも一つのレーザーは、単一のレーザーまたはVCSELアレイのような、二つ、三つ、四つまたはそれ以上のレーザーが一つの光半導体チップ上に統合されたレーザー・アレイであってもよい。
【００１０】
粒子測度（particle  measure）とは、粒子の絶対数、基準体積に対する粒子密度、基準体積に対する質量濃度、粒子分布もしくは密度の任意の種類のグラフィック呈示または関係した音響信号を指しうる。
【００１１】
粒子は流体によって担持されうる。流体はたとえば水のような液体または空気のような気体でありうる。
【００１２】
一つの自己混合干渉測定が、第一および第二の粒子サイズ分布関数を決定するために十分であることがありうる。レーザー・センサー・モジュールはこの場合、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された前記少なくとも一つの測定結果によって前記第二の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応されていてもよい。
【００１３】
前記少なくとも一つの評価器は、この場合、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された測定結果に第一の閾値を適用するよう適応されていてもよい。前記少なくとも一つの評価器は、この場合、前記測定結果および前記第一の閾値によって前記第一の粒子サイズ分布関数を決定するようさらに適応されてもよい。前記少なくとも一つの評価器は、この場合、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された前記測定結果に第二の閾値を適用するようさらに適応されてもよく、前記第二の閾値は前記第一の閾値とは異なる。前記少なくとも一つの評価器は、この場合、前記測定結果および前記第二の閾値によって前記第二の粒子サイズ分布関数を決定するようさらに適応されてもよい。前記第二の閾値はたとえば前記第一の閾値より高くてもよく、前記第二の粒子サイズ分布関数は、上記で論じたように、あらかじめ決定された粒子閾値サイズにおいて、より小さい粒子に関係するいかなる信号も示さない。この場合、上記で論じたように、較正因子qは1より大きい。検出閾値はたとえば、ある信号レベルに設定されるアナログ検出閾値レベルとして設定されることができる。このレベルより上の測定信号が粒子として検出される。レベルは、1より大きなqの場合、第二の粒子分布関数を得るために増加させられてもよい。あるいはまた、高速フーリエ変換（FFT）後、閾値は、それぞれの粒子サイズの粒子に対応するある周波数のところの信号強度に基づいて設定されることができる。ここでもまた、この閾値は、二つの粒子サイズ分布関数を得るよう変えられることができる。ひとたび検出されたら信号対雑音比（SNR）が代替的または追加的に設定されてもよい。SNR検出閾値は二つの異なる値に設定されてもよい。これは、アナログまたはデジタル領域でなされることができる。一つの変形は、SNRを決定し、要求されるSNRレベルを設定することでありうる。もう一つのオプションは、同じSNR閾値レベルを使うが、異なるノイズ帯域幅を使うことである。いずれのオプションも、アナログまたはデジタル領域で実行されることができる。時間領域で見ることとは別に、（短い時間期間の）周波数領域で見て、ここで閾値を異なる振幅レベルに設定するまたはFFTの異なる分解能帯域幅を使うこともできる。
【００１４】
前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された測定結果は、このように、一つの測定結果から第一および第二の粒子サイズ分布関数を生成するために、データ処理の各段階において操作されてもよい。前記一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された測定結果は、前記あらかじめ決定された粒子サイズ閾値より下の粒子サイズをもつ粒子が第一または第二の粒子サイズ分布関数のいずれかに寄与しないような仕方で操作またはフィルタリングされてもよい。
【００１５】
レーザー・センサー・モジュールは、代替的な手法では、第一の感度をもって第一の自己混合干渉測定を実行するよう構成されてもよい。レーザー・センサー・モジュールはこの場合、第二の感度をもって第二の自己混合干渉測定を実行するようさらに構成されてもよい。前記少なくとも一つの評価器は、第一の自己混合干渉測定に基づいて決定された第一の測定結果によって第一の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応され、前記少なくとも一つの評価器はさらに、第二の自己混合干渉測定に基づいて決定された第二の測定結果によって第二の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応されてもよい。第一の自己混合干渉測定は、第二の自己混合干渉測定とは異なる測定パラメータ（異なる感度）によって実行されてもよく、それにより、第一または第二の粒子サイズ分布関数は、前記あらかじめ決定された検出閾値より小さな粒子に関係したいかなる測定信号も示さない。あるいはまた、第一または第二の自己混合干渉測定に基づく測定結果は上記のように操作またはフィルタリングされてもよい。
【００１６】
レーザー・センサー・モジュールは、レーザー光を合焦するための光学デバイスを有していてもよい。該光学デバイスは、少なくとも0.06、より好ましくは少なくとも0.2、最も好ましくは少なくとも0.3の開口数によって特徴付けられる。該光学デバイスは、一つまたは複数のレンズのような一つまたは複数の光学素子を有していてもよい。
【００１７】
実験によれば、小さな特に超微粒子に関して感度を高めるために開口数が使用できることが示されている。0.06の開口数は300nmより小さい粒子の検出を可能にしうる。0.2の開口数は200nmより小さい粒子の検出を可能にしうる。0.3以上の開口数は100nmより小さい粒子の検出を可能にしうる。光学デバイスの開口数が大きいほど、検出される粒子は小さくてもよい。よって、上記または下記の実施形態の一つにおいて記載されるレーザー・センサー・モジュールの光学システムまたはデバイスが大きな開口数をもつことが有益でありうる。
【００１８】
粒子センサー・モジュールはさらに、レーザー光の焦点領域を動かすよう構成されている光方向修正デバイスを有していてもよい。粒子センサー・モジュールはさらに、第一の自己混合干渉測定の間は第一の速度で、第二の自己混合干渉測定の間は第一の速度とは異なる第二の速度で、焦点領域の動きを制御するよう適応されている少なくとも一つのコントローラを有していてもよい。自己混合干渉信号の信号強度は粒子のサイズおよびそれぞれの粒子がレーザー光によって照射される時間に依存する。焦点領域の動きが速いほど、信号強度は低くなる。つまり、たとえば100nmのサイズをもつ粒子は焦点領域の動きの速度があらかじめ定義された閾値より上であれば検出できないということになる。測定信号はこの場合、ノイズから区別できない。したがって、第二の速度が第一の速度より速ければ、第二の感度のほうが低くなる。この場合、較正因子qは1より大きい。第二の速度のほうが第一の速度より遅い場合には、較正因子qは1より小さい。光方向修正デバイスは、焦点領域を動かすことによって検出体積を増大させるのに好適ないかなる光学デバイスであってもよい。動きは連続的または不連続的な動き（段階的）でありうる。光方向修正デバイスは、たとえば、MEMSミラー、ガルバニック・ミラー（galvanic  mirror）のような可動鏡であってもよい。コントローラは、焦点領域を動かすために光方向修正デバイスを制御するために使用できるいかなる種類のプロセッサ、マイクロプロセッサまたはASICであってもよい。コントローラは、電気ドライバーと組み合わされてもよい。
【００１９】
光方向修正デバイスをもつ粒子センサー・モジュールはまた、上記のように粒子測度を決定するために、一つの自己混合干渉測定だけを実行するために使われてもよい。焦点領域の動きは、定義された粒子流をシミュレートするために使われてもよい。
【００２０】
粒子センサー・モジュールは代替的に、粒子流の速度を制御するよう構成されている少なくとも一つの粒子流制御デバイスを有していてもよい。粒子センサー・モジュールはさらに、第一の自己混合干渉測定の間は第一の粒子流速度で、第二の自己混合干渉測定の間は第一の粒子流速度とは異なる第二の粒子流速度で、粒子流制御デバイスによって粒子流の速度を制御するよう適応されている少なくとも一つの流れコントローラを有する。
【００２１】
粒子流制御デバイスはたとえば、粒子流の定義された速度を提供するよう構成されているファンまたはヒーターであってもよい。粒子は流体によって運ばれてもよい。粒子流の速度は、流体の速度によって決定されてもよい。流れコントローラは、粒子流制御デバイスを制御するために使用できるいかなる種類のプロセッサ、マイクロプロセッサまたはASICであってもよい。粒子コントローラは、電気ドライバーと組み合わされてもよい。流れコントローラは、二つ、三つ、四つまたはそれ以上の離散的なステップで、または連続的な仕方で、粒子流制御デバイスによって粒子流の速度を制御するよう構成されてもよい。粒子流の異なる速度は、上記で論じたように粒子センサー・モジュールの感度を制御するために使われてもよい。さらに、粒子流のより高い速度は、あらかじめ定義された時間期間に検出される粒子の数を増す。較正因子qは、検出される粒子数の増大とともに減少する（q＞1の場合）。よって、粒子流の速度（あるいはまた、上記で論じたように方向修正デバイスによる焦点領域の動きの速度）が、q因子の影響を減らすことによって粒子センサー・モジュールの堅牢さを増すために使われてもよい。全体的な感度は、300nm以下の粒子サイズの粒子測度を決定するために、評価器のSNR、放出されるレーザー光のパワー、検出器の感度、前記光学デバイスの開口数などによって適応されてもよい。
【００２２】
前記少なくとも一つの電気ドライバーは、追加的または代替的実施形態において、第一の自己混合干渉測定の間は第一のレーザー・パワーで、第二の自己混合干渉測定の間は第一のレーザー・パワーとは異なる第二のレーザー・パワーで、前記少なくとも一つのレーザーを駆動するよう適応されてもよい。レーザー・センサー・モジュールの感度はさらに、前記少なくとも一つのレーザーによって放出される光パワーによって適応されることができる。第二のレーザー・パワーが第一のレーザー・パワーより小さい場合には、第二の自己混合干渉測定のほうが感度が低い。較正因子qはこの場合、1より大きい。第二のレーザー・パワーが第一のレーザー・パワーより大きい場合には、較正因子qは1より小さい。この技術的施策は、上記および下記のそれぞれの他の技術的施策と組み合わされることができる。
【００２３】
粒子センサー・モジュールは、代替的または追加的に、少なくとも一つの切り換え可能な光減衰器を有する。前記少なくとも一つの切り換え可能な光減衰器は、第一の自己混合干渉測定の間に前記レーザー光または反射されたレーザー光に対する第一の光減衰を提供し、第二の自己混合干渉測定の間に前記レーザー光または反射されたレーザー光に対する第二の光減衰を提供するよう適応されてもよく、第二の光減衰は第一の光減衰とは異なる。第二の光減衰が第一の光減衰より高い場合には、より低いレーザー・パワーの場合と同様に、第二の自己混合干渉測定のほうが感度が低い。構成因子qはこの場合、1より大きい。較正因子qは、第二の光減衰が第一の光減衰より小さい場合には、1より小さい。切り換え可能な光減衰器は、前記少なくとも一つのレーザーによって放出されるレーザー光を、不連続的な仕方で（たとえば二つの異なる減衰レベル）または連続的な仕方で減衰させるよう構成されてもよい。切り換え可能な光減衰器は、前記少なくとも一つの電気ドライバーによって、または対応するプロセッサ、マイクロプロセッサまたはASICを有する別個の減衰コントローラによって、制御されうる。
【００２４】
粒子センサー・モジュールは代替的または追加的に、少なくとも一つの切り換え可能な光学デバイスを有していてもよい。前記少なくとも一つの切り換え可能な光学デバイスは、第一の自己混合干渉測定の間に第一の開口数を提供し、第二の自己混合干渉測定の間に第二の開口数を提供するよう適応されてもよく、第二の開口数は第一の開口数とは異なる。この場合、第二の開口数が第一の開口数より小さければ、第二の自己混合干渉測定のほうが感度は低い。較正因子qはこの場合、1より大きい。第二の開口数が第一の開口数より大きければ、較正因子qは1より小さい。切り換え可能な光学デバイスは、不連続的な仕方で（たとえば二つの異なる開口数）または連続的な仕方で開口数を変えるよう構成されてもよい。切り換え可能な光学デバイスは、前記少なくとも一つの電気ドライバーによって、または対応するプロセッサ、マイクロプロセッサまたはASICを有する別個の開口数コントローラによって、制御されうる。切り換え可能な光学デバイスはたとえば、虹彩絞りのような切り換え可能な開口であってもよい。
【００２５】
前記少なくとも一つの検出器は、第一の自己混合干渉測定の間に第一の検出閾値を、第二の自己混合干渉測定の間に第二の検出閾値を提供するよう適応されてもよく、第二の検出閾値は第一の検出閾値とは異なる。この場合、第二の検出閾値が第一の検出閾値より大きければ、第二の自己混合干渉測定のほうが感度は低い。較正因子qはこの場合、1より大きい。第二の検出閾値が第一の検出閾値より小さければ、較正因子qは1より小さい。検出器は、不連続的な仕方でまたは連続的な仕方で検出閾値を変えるよう構成されてもよい。検出器は、前記少なくとも一つの電気ドライバーによって、または対応するプロセッサ、マイクロプロセッサまたはASICを有する別個の検出器コントローラによって、制御されうる。検出閾値はたとえば、二つの異なる検出原理を使うことによって変更されてもよい。検出器は、この場合、たとえば、レーザー空洞（単数または複数）内の光波の変動を測定するフォトダイオードと、加えて、レーザー空洞（単数または複数）にまたがる抵抗を測定するよう適応された検出回路とを有していてもよい。
【００２６】
粒子センサー・モジュールは、ある代替的な実施形態では：
・前記少なくとも一つの電気ドライバーによって提供される第一の信号に反応して第一の焦点領域に第一のレーザー光を放出するよう適応された少なくとも一つの第一のレーザーと；
・前記少なくとも一つの電気ドライバーによって提供される第二の信号に反応して第二の焦点領域に第二のレーザー光を放出するよう適応された少なくとも一つの第二のレーザーと；
・前記第一および第二の自己混合干渉信号を決定するよう適応された少なくとも一つの検出器と；
・少なくとも一つの光学デバイスとを有しており、前記第一のレーザー光および前記第二のレーザー光は前記少なくとも一つの光学デバイスを通じて放出され、前記第一の焦点領域における前記第一のレーザー光の収差レベルは、前記第二の焦点領域における前記第二のレーザー光の収差レベルとは異なる。
【００２７】
前記第一のレーザー光および前記第二のレーザー光は、一つの光学デバイスを通じて放出されうる。ここで、前記第一のレーザー光は前記光学デバイスの光軸上で放出され、前記第二のレーザー光は前記光学デバイスの光軸とは平行に（たとえば40μm軸から外れて）放出される。第一の焦点領域における第一のレーザー光の収差レベルは0に近くてもよく、超微粒子の検出に関する最高の感度が可能にされる。軸から外れて放出される第二のレーザー光の収差レベルは異なり、それにより、超微粒子の検出に関する感度が減少する。この構成は、1に近い構成因子qを可能にしうる。最適でない較正因子qによって引き起こされる系統誤差の確率が低下しうる。第一のレーザー光を軸上で放出することは必須ではない。前記少なくとも一つの光学デバイスの構成に依存して、第一および第二のレーザー光が両方とも軸から外れて放出されてもよい。あるいはまた、異なる収差レベルをもつ焦点領域を提供するために、第一および第二のレーザー光がある角度をなすことも可能でありうる。第一および第二のレーザーによって放出されるレーザー・ビームそれぞれについて一つで、二つの光学デバイスがあってもよい。それぞれのレーザーについて一つの共通の検出器（たとえばフォトダイオード）があってもよく、あるいは二つの別個の検出器（たとえばフォトダイオード）があってもよい。
【００２８】
レーザー・センサー・モジュールは、ある代替的実施形態では：
・前記少なくとも一つの電気ドライバーによって提供される第一の信号に反応して第一の焦点領域に第一のレーザー光を放出するよう適応された少なくとも一つの第一のレーザーと；
・前記第一の自己混合干渉信号を決定するよう適応された少なくとも一つの第一の検出器と；
・前記少なくとも一つの電気ドライバーによって提供される第二の信号に反応して第二の焦点領域に第二のレーザー光を放出するよう適応された少なくとも一つの第二のレーザーと；
・前記第二の自己混合干渉信号を決定するよう適応された少なくとも一つの第二の検出器とを有していてもよい。
【００２９】
前記第一のレーザー／検出器構成および前記第二のレーザー／検出器構成の、小さな特に超微粒子に関する感度は、上記のように、ただし静的なデバイスまたは素子を用いて、適応されることができる。レーザー・パワー、光減衰、開口数、検出器の感度、測定信号に適用される閾値などは、異なるが固定でありうる（たとえば二つの異なるレベル）。両方のレーザーのための一つの電気ドライバーまたは二つの独立な電気ドライバーがあってもよい。任意的に、各レーザーは、異なる速度をもってそれぞれの焦点領域を動かすために、切り換え可能な鏡と組み合わされてもよい。較正因子qは、あらかじめ定義された粒子サイズ閾値より上の粒子サイズをもつ粒子に関係した信号を本質的に消去するために、較正手順によって決定される。第一のレーザーはたとえば、第一の開口数をもつ第一の光学デバイスに光学的に結合されてもよい。第二のレーザーはたとえば、第一の開口数とは異なる第二の開口数をもつ第二の光学デバイスに光学的に結合されてもよい。較正因子qは、上記のように第一の開口数と第二の開口数との間の関係に依存して、1より大きいまたは1より小さいのどちらかでありうる。前記少なくとも一つの第一のレーザーおよび前記少なくとも一つの第二のレーザーは、単一のレーザーまたは二つ、三つ、四つまたはそれ以上のレーザーを有するレーザー・アレイでありうる。
【００３０】
粒子センサー・モジュールは、自己混合干渉信号を決定するための自己混合レーザー・センサーに加えて、粒子検出ユニットを有していてもよい。粒子検出ユニットは、第二の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応されてもよい。粒子検出ユニットは、光源（たとえばLED）および光検出器によって、第二の粒子サイズ分布関数を決定するよう構成されてもよい。光検出器は、光源によって放出され、粒子によって散乱された光を、あるいはまた光源と光検出器との間の検出体積を通過する粒子によって引き起こされうる光源によって放出された光の強度の低下を決定するよう構成されてもよい。粒子検出ユニットは、小さな、特に超微粒子に関してそれほど敏感でなくてもよい。よって、較正因子qは通例1より大きい。
【００３１】
空気清浄機、センサー・ボックスまたはウェアラブル・デバイスが、上記の任意の実施形態に基づく粒子センサー・モジュールを有していてもよい。センサー・ボックスは、上記のような粒子センサーであってもよく、あるいはいくつかの互いに異なるセンサー・モジュールもしくはセンサーを有するデバイスであってもよい。ウェアラブル・デバイスはたとえば、スマートフォンのようなモバイル通信装置であってもよい。
【００３２】
第二の側面によれば、粒子サイズ300nm以下、より好ましくは200nm以下、最も好ましくは100nm以下の粒子サイズをもつ超微粒子を検出するための方法が提供される。本方法は：
・少なくとも一つの焦点領域にレーザー光を放出する段階と；
・少なくとも一つの自己混合干渉信号を決定する段階と；
・前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された少なくとも一つの測定結果によって、第一の感度で第一の粒子サイズ分布関数を決定する段階と；
・前記第一の感度とは異なる第二の感度で第二の粒子サイズ分布関数を決定する段階と；
・前記第二の粒子サイズ分布関数に較正因子qを乗算したものを前記第一の粒子サイズ分布関数から減算することによって、300nm以下の粒子サイズの粒子測度を決定する段階とを含む。
【００３３】
方法段階は必ずしも上記の序列で実行されるのではない。
【００３４】
本方法は：
・前記第一の粒子サイズ分布関数を決定するために、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された測定結果に第一の閾値を適用する段階と；
・前記第二の粒子サイズ分布関数を決定するために、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された前記測定結果に第二の閾値を適用する段階であって、前記第二の閾値は前記第一の閾値とは異なる、段階
という追加的段階を含んでいてもよい。
【００３５】
第三の側面によれば、コンピュータ・プログラム・プロダクトが呈示される。コンピュータ・プログラム・プロダクトは、請求項１ないし１１のうちいずれか一項記載のレーザー・センサー・モジュールの少なくとも一つのメモリ・デバイスに、あるいは前記レーザー・センサー・モジュールを有するデバイスの少なくとも一つのメモリ・デバイスに保存されることができるコード手段を有する。コード手段は、請求項１３または１４記載の方法が、請求項１ないし１１のうちいずれか一項記載のレーザー・センサー・モジュールの少なくとも一つの処理装置によって、あるいは前記レーザー・センサー・モジュールを有するデバイスの少なくとも一つの処理装置によって実行されることができるよう、構成される。
【００３６】
前記メモリ・デバイスまたは前記処理装置は、前記レーザー・センサー・モジュール（たとえば電気ドライバー、評価器など）または前記レーザー・センサー・モジュールを有するデバイスに含まれていてもよい。前記レーザー・センサー・モジュールを有するデバイスの第一のメモリ・デバイスおよび／または第一の処理装置は、前記レーザー・センサー・モジュールに含まれる第二のメモリ・デバイスおよび／または第二の処理装置と相互作用してもよい。
【００３７】
メモリ・デバイス（単数または複数）は、情報、特にデジタル情報を記憶するよう構成されたいかなる物理的なデバイスであってもよい。メモリ・デバイスは特に、半導体メモリまたは光学式メモリの群から選択されてもよい。
【００３８】
処理装置（単数または複数）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構成されたいかなる物理的な装置であってもよい。処理装置は、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）の群から選択されてもよい。
【００３９】
請求項１ないし１１のうちいずれか一項記載のレーザー・センサー・モジュールおよび請求項１３または１４記載の方法は同様および／または同一の実施形態、特に従属請求項において定義される実施形態をもつことを理解しておくものとする。
【００４０】
本発明の好ましい実施形態は、従属請求項の任意の、それぞれの独立請求項との組み合わせであることもできることを理解しておくものとする。
【００４１】
さらなる有利な実施形態は下記で定義される。
【００４２】
本発明のこれらおよび他の側面は、以下に記載される実施形態を参照することから明白となり、明快にされるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第一のレーザー・センサー・モジュールの原理図である。
【図２】検出アルゴリズムの原理図である。
【図３】粒子サイズの関数として粒子の検出される数を示す第一のグラフである。
【図４】レーザー・センサー・モジュールのある実施形態および対応する方法の第一の感度曲線を示す図である。
【図５】レーザー・センサー・モジュールのある実施形態および対応する方法の第二の感度曲線を示す図である。
【図６】測定データおよびシミュレートされたデータの第一の比較を示す図である。
【図７】業務用設備と比べた測定データの第二の比較を示す図である。
【図８】第二のレーザー・センサー・モジュールの原理図である。
【図９】粒子サイズの関数として粒子の検出された数を示す第二のグラフである。
【図１０】第三のレーザー・センサー・モジュールの原理図である。
【図１１】第四のレーザー・センサー・モジュールの原理図である。
【図１２】第五のレーザー・センサー・モジュールの原理図である。
【図１３】レーザー・センサー・モジュールのある実施形態の第三の感度曲線を示す図である。
【図１４】収差レベルに依存する感度を示す図である。
【図１５】第六のレーザー・センサー・モジュールの原理図である。
【図１６】第七のレーザー・センサー・モジュールの原理図である。
【図１７】空気清浄機の原理図である。
【図１８】超微粒子を検出する方法の原理図である。
【００４４】
図面において、同様の符号は全体を通じて同様のオブジェクトを指す。図面におけるオブジェクトは必ずしも同縮尺ではない。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本発明のさまざまな実施形態について、ここで図面によって記述する。
【００４６】
オブジェクトの動きおよびオブジェクトへの距離を検出するために、自己混合干渉（self-mixing  interference）が使われる。自己混合干渉についての背景情報は、参照によって組み込まれる非特許文献２に記載されている。光入力装置におけるセンサーに関する指先の動きの検出は、特許文献１において詳細に記載されている。特許文献１における距離および動きの検出に関する開示は参照によって組み込まれる。
【００４７】
自己混合干渉の原理を、特許文献１に呈示される例に基づいて論じておく。レーザー空洞をもつダイオード・レーザーがレーザー・ビームまたは測定ビームを放出するために設けられる。その上側において、デバイスは透明窓を設けられ、それを通じてオブジェクト、たとえば人間の指が動かされる。レンズ、たとえば平凸レンズがダイオード・レーザーと窓との間に配置される。このレンズがレーザー・ビームを透明窓の上側またはその近くに合焦する。この位置にオブジェクトが存在すれば、オブジェクトが測定ビームを散乱する。測定ビームの放射の一部は照射ビームの方向に散乱されて、この部分がレンズによってレーザー・ダイオードの放出面上に集束させられ、このレーザーの空洞に再入する。ダイオード・レーザーの空洞に再入する放射は、レーザーの利得の変動を、よってレーザーによって放出される放射の強度の変動を誘起する。この現象が、ダイオード・レーザーにおける自己混合効果と称される。
【００４８】
レーザーによって放出される放射の強度における変化は、この目的のために設けられるフォトダイオードによって検出されることができる。該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に電子回路が設けられる。
【００４９】
測定ビームに対するオブジェクトの動きがあると、それによって反射される放射がドップラー偏移を受ける。つまり、この放射の振動数が変化する、あるいは周波数偏移が起こる。この周波数偏移は、オブジェクトが動く速度に依存し、数kHzないしMHzのオーダーである。空洞に再入する周波数偏移した放射は、この空洞内で生成される光波または放射と干渉する。すなわち、この空洞において自己混合効果が起こる。光波と空洞に再入する放射との間の位相偏移に依存して、干渉は強め合うまたは弱め合う。すなわち、レーザー放射の強度は周期的に増加または減少する。このようにして生成されるレーザー放射変調の周波数は、空洞内の光波の周波数と空洞に再入するドップラー偏移した放射の周波数との間の差にちょうど等しい。周波数差は数kHzないしMHzのオーダーであり、よって検出するのが容易である。自己混合効果とドップラー偏移の組み合わせは、レーザー空洞の挙動における変動を引き起こす。特に、その利得および光増幅が変化する。レーザー空洞のインピーダンスまたはレーザーによって放出される放射の強度がたとえば測定されてもよく、センサーに対するオブジェクトの動きの量（すなわち移動した距離）が評価できるだけでなく、動きの方向も決定できる。これについては特許文献１に記載されている。
【００５０】
自己混合干渉信号は、粒子検出の場合、たとえば、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。したがって、信号検出および信号解析を単純化するために、DC駆動電流を使うことが好ましいことがありうる。代替的または追加的に、たとえば上記のようにより大きな粒子におけるレーザー光の反射によって生成されうる自己混合干渉信号によって粒子の位置および／または速度を決定するために、変調された駆動電流が使われてもよい。距離および／または速度は、一つの測定内で決定されてもよく、あるいはその後の測定段階において決定されてもよい。したがって、意図される粒子サイズの粒子測度を生成するためには第一の時間期間においてDC駆動電流を使い、粒子流の距離および／または速度を決定するためには変調された駆動電流を使うことが可能であり、さらには有益でありうる。
【００５１】
図１は、第一のレーザー・センサー・モジュール１００の原理図を示している。第一のレーザー・センサー・モジュールは、統合された検出器１２０をもつレーザー１１０を有している。統合された検出器１２０は、レーザー１１０の層構造の一部である統合されたフォトダイオードである。統合されたフォトダイオードは、レーザー１１０のレーザー空洞内の光波の振動を判別する。第一のレーザー・センサー・モジュール１００はさらに、電気ドライバー１３０および評価器１４０を有する。評価器１４０は、レーザー１１０に、あるいはより精密には検出器１２０および電気ドライバー１３０に接続されている。レーザー光を放出するために、電気ドライバー１３０は電力をレーザー１１０に供給する。レーザー１１０はこの場合、統合されたフォトダイオードをもつ垂直共振器型面発光レーザー（VCSEL）である。レーザー・センサー・モジュール１００は、DCであるまたは変調されている、電気ドライバー１３０によって供給される電力を提供する電源（図示せず）に接続されている。電気ドライバー１３０は、レーザー１１０に種々の変調方式を提供するよう構成される。レーザー１１０によって放出されるレーザー光がレーザー光の焦点領域を通過する粒子によって反射される場合に、自己混合干渉信号が生成される。粒子は好ましくは本質的に一定の流れ速度で移動する。定義された流れは、粒子を担持する流体（この場合は空気）を加熱するよう構成された加熱要素（図示せず）またはファン（図示せず）によって生成されうる。加熱要素またはファンおよび対応する流体チャネル（図示せず）は、第一のレーザー・センサー・モジュール１００を有する粒子センサー（図示せず）の一部または粒子センサー・モジュール１００を有するデバイスの一部であってもよい。矢印は、粒子の動きまたは流れの方向を示している。流れ速度はあらかじめ決定されていてもよく、あるいは別個の流れセンサー（図示せず）によってまたは上記のようにレーザー・センサー・モジュール１００によって実行される対応する自己混合干渉測定手順によって測定されてもよい。流れ速度がは、たとえば粒子密度を決定するために評価器１４０によって使われてもよい。この場合、評価器１４０は、あらかじめ決定された時間期間内に多数の粒子によって反射されるレーザー光によって生成される自己混合干渉信号に対して、異なる信号対雑音比を適用するよう構成される。
【００５２】
図２は、対応する検出アルゴリズムの原理図を示している。段階２１０では、レーザー１１０のレーザー空洞内の光波の変動に基づいて、自己混合干渉信号が検出器１２０によって生成される。自己混合干渉信号は段階２２０においてデジタイズされ、段階２３０において二つの異なる検出閾値が評価器１４０によって決定される。検出閾値は二つの異なる信号対雑音比に対応し、それらの信号対雑音比の第二のもの（第二の閾値に対応）は、たとえば150nm未満の粒子サイズをもつ粒子が、評価器１４０によって背景ノイズから区別できる自己混合干渉信号を生成しないよう、決定される。自己混合干渉信号は、第一の閾値において粒子数を、あるいはより正確には第一の粒子分布関数を決定するために、段階２４４において評価器１４０によって処理される。同じ自己混合干渉信号は、第二の閾値において粒子数を、あるいはより正確には第二の粒子分布関数を決定するために、段階２４８において評価器１４０によってさらに処理される。段階２５０において基準体積（たとえばm3）内における150nm未満の粒子サイズをもつ超微粒子の数についての測度を決定するために、第二の粒子分布関数は較正因子qを乗算されて、第一の粒子分布関数から減算される。
【００５３】
図３は、レーザー・センサー・モジュール１００によって生成される測定結果を示す第一のグラフを示している。横軸３０２は粒子の直径（μm）によって決定される粒子サイズを示す。縦軸３０１は、検出された粒子の数をカウント毎μg/m3で示す。曲線３０５、３０６は粒子の検出された数を、粒子サイズの関数として示す。曲線３０５、３０６は開口数0.5で測定されている。第一の曲線３０５は信号対雑音比25で測定されている。第二の曲線３０６は信号対雑音比（SRT）6で測定されている。基本的には、どちらの曲線も、最も小さな粒子サイズのところを除いて、同一の形を示している。これらの粒子については、もはやSNR値25には達しない。一方、SNR＝6に対応する検出閾値では、これらの小さな粒子はいまだ観察される。よって、SNR＝6の曲線からSNR＝25の曲線のq倍を減算することによって、図４の第一の感度曲線３０７が得られる。この状況について、較正因子はq＝6.5であった。第一の感度曲線３０７は、100nmよりわずかに上の信号は消去されることができ、100nm未満の粒子サイズをもつ超微粒子の数および質量濃度が決定できることを示している。検出される粒子の数に対する計算は、7m/sの粒子流または焦点領域の速度について実行された。
【００５４】
図５は、レーザー・センサー・モジュール１００および対応する方法の第二の感度曲線を示している。レーザー・センサー・モジュール１００は、50nmのサイズをもつ粒子を検出するために最適化された。現在の経験は、粒子カウントを粒子サイズの関数として測定するレーザー・センサー・モジュール１００について、モデルとの良好な相関が得られるというものである。さらに、自己混合干渉信号によって測定される粒子カウントと業務用の設備（Grimm  11-R）によって決定される粒子濃度との間に良好な相関が示されることができる。開口数（NA:  numerical  aperture）はこの実施形態ではNA＝0.6に拡大されており、測定速度は約50nmの粒子サイズをもつ粒子について良好な感度を得るために、1m/sである。この場合、SNR  24およびSNR  6が、図４に示され上記で論じたのと同じように使われた。較正因子qはこの場合6.2であった。
【００５５】
図６に示されるグラフは、線３１８において、NA＝0.1という比較的小さなNAをもつSMIデバイスで粒子サイズの関数として測定されたμg/m3当たりカウント数が得られたことを示している。測定は、この低いNAでの制限および業務用デバイスの制限（約250nm）のため、300nmより大きな粒子サイズに限定された。線３１７は、上記および下記の方法を適用することによって得られたシミュレートされたデータを示している。また、これらのモデル計算において、開口数0.1が使われる。測定データとシミュレートされたデータの比較は、モデルと実験について、粒子サイズの関数としての挙動の良好な一致を示している。
【００５６】
図７は、業務用設備によって決定されたおよびNA＝0.1をもつSMIデバイスを使って同時に測定された測定データ３３０の相関プロットを示している。縦軸３２０は、業務用設備によって決定されたμg/m3でのPM  2.5値を示し、横軸３２１はレーザー・センサー・モジュール１００によって決定された粒子カウント・レート（#/s）を示している。当てはめは、線形の式
PM  2.5＝26.07*(粒子カウント・レート)−0.12106
によって記述できる。
【００５７】
両方の測定方法の間の見事な相関が観察される。二つの90%CI線３４０は、当てはめされたデータの90%の確実性の区間を示している。二つの90%PI線３５０は、90%の確実性で個々の測定が載る区間を示している。この見事な相関は、上記および下記で論じた、より大きな粒子の検出に関係した信号の消去の堅牢性をさらに確証する。図６および図７はさらに、レーザー・センサー・モジュール１００および対応する方法が、300nmより大きいサイズをもつ粒子の検出のために使用されることもできることを示している。よって、レーザー・センサー・モジュール１００は、2500nm（2.5μm）、1500nm（1.5μm）または1000nm（1μm）より小さなサイズをもつ体積内の小さな粒子を、あるいはより正確には小さな粒子の濃度を決定するために使用されてもよい。
【００５８】
図８は、第二のレーザー・センサー・モジュール１００の原理図を示している。第二のレーザー・センサー・モジュール１００は、統合された検出器１２０をもつレーザー１１０を有している。統合された検出器１２０は、レーザー１１０の層構造の一部である統合されたフォトダイオードである。第二のレーザー・センサー・モジュール１００はさらに電気ドライバー１３０および評価器１４０および光学デバイス１５０を有する。評価器１４０は、レーザー１１０に、あるいはより精密には検出器１２０および電気ドライバー１３０に接続されている。レーザー光を放出するために、電気ドライバー１３０は電力を第一のレーザー１１０に供給する。レーザー１１０はこの場合、統合されたフォトダイオードをもつ垂直共振器型面発光レーザー（VCSEL）である。レーザー・センサー・モジュール１００は、変調されている、電気ドライバー１３０によって供給される電力を提供する電源（図示せず）に接続されている。光学デバイス１５０は、図５に関して論じたように約50nmの粒子直径をもつ超微粒子の測定を可能にするために、0.6という大きな開口数（NA）を提供するよう構成される。電気ドライバー１３０は、この場合、少なくとも二つの異なる電力レベルをレーザー１１０に提供するようさらに適応される。よって、第一の自己混合干渉信号に基づく第一のレーザー・パワーでの第一の粒子サイズ分布と、第二の自己混合干渉信号に基づく第二の異なるレーザー・パワーでの第二の粒子サイズ分布とを決定することがさらに可能である。評価器１４０は、上記で論じたように、第一および第二の粒子サイズ分布関数に基づいて粒子測度を計算するために、メモリ・デバイス内の対応する較正因子qを決定するよう適応される。
【００５９】
図９は、粒子サイズの関数として粒子のモデル計算を示す図３と同様の第二のグラフを示している。曲線３１０、３１１、３１２は、図１１に描かれている可動鏡１７０をもつレーザー・センサー・モジュール１００によって生成された測定結果を示している。可動鏡は、レーザー１１０によって放出されるレーザー光の焦点領域が7m/sの速度で動くよう構成された。あるいはまた、たとえばファンによって流体流れが同じ速度で提供されることができる。曲線３１０は、0.1の開口数をもつ光学デバイス１５０によって生成される粒子サイズ分布関数を示している。曲線３１１は、0.3の開口数をもつ光学デバイス１５０によって生成される粒子サイズ分布関数を示している。曲線３１２は、0.5の開口数をもつ光学デバイス１５０によって生成される粒子サイズ分布関数を示している。曲線３１０、３１１、３１２は、より小さな粒子に関する感度は、開口数の増大とともに増大することを示している。開口数は、特に超微粒子についての感度を増すために適応されることができる唯一のパラメータではない。流れ（あるいはまた、可動鏡１７０による焦点領域の動き）の速度が、上記で図５に関して論じたようにたとえば1m/sの比較的遅い速度を使うことによって感度を高めるためのさらなるパラメータである。
【００６０】
図１０は、第三のレーザー・センサー・モジュール１００の原理図を示している。第三のレーザー・センサー・モジュール１００は第二のレーザー・センサー・モジュール１００とよく似ている。第三のレーザー・センサー・モジュール１００は加えて、切り換え可能な光減衰器１５５を有する。切り換え可能な光減衰器１５５は、第一の自己混合干渉信号の生成中はレーザー１１０によって放出されるレーザー光に対して第一の光減衰を、第二の自己混合干渉信号の生成中は第二の光減衰を提供する。レーザー・センサー・モジュール１００はこの場合、第二の自己混合干渉信号によって決定された第二の粒子サイズ分布関数に較正因子qを乗算したものを、第一の自己混合干渉信号によって決定された第一の粒子サイズ分布関数から減算することによって、この場合200nmより小さい粒子サイズをもつ粒子の粒子測度を決定するよう構成される。第一の光減衰はこの場合、第二の光減衰より大きく、較正因子qは1より小さい。
【００６１】
図１１は、第四のレーザー・センサー・モジュール１００の原理図を示している。第四のレーザー・センサー・モジュール１００は、統合された検出器１２０をもつレーザー１１０を有している。第四のレーザー・センサー・モジュール１００はさらに、電気ドライバー１３０、評価器１４０、切り換え可能な光学デバイス１５７および可動鏡１７０として構成された光方向修正デバイスならびに可動鏡１７０を制御するためのコントローラ１６０を有する。評価器１４０は検出器１２０、電気ドライバー１３０およびコントローラ１６０に接続されている。レーザー光を放出するために、電気ドライバー１３０は電力をレーザー１１０に供給する。評価器１４０は、検出器１２０によって判別されるレーザー１１０のレーザー空洞内の自己混合干渉によって引き起こされる検出器１２０によって提供される電気信号を受領する。評価器１４０はさらに、第一の検出器１２０によって測定された自己混合干渉信号を解釈するために、電気ドライバー１３０およびコントローラ１６０から情報を受領する。電気ドライバー１３０によって提供される情報は、レーザー１１０に提供される駆動方式に関する情報を含んでいてもよい。コントローラ１６０によって提供される情報は、鏡動きの角速度、振幅、鏡動きの位相、任意的には種々の角度での保持時間などを含んでいてもよい。評価器１４０は、この情報によって、たとえば、可動鏡１７０の速度、あるいはより精密には角速度に依存して、粒子サイズ分布関数を決定することができるようになる。レーザー１１０によって放出されるレーザー光は、統合されたレンズ（レーザー１１０に接合されたマイクロレンズ）によって焦点領域に合焦される。焦点領域は、可動鏡１７０の振動の間、走査方向に沿って動く。粒子は、焦点領域のまわりの領域内で検出されることができる。
【００６２】
可動鏡１７０のより大きな速度についてはSNRが低下する。よって、レーザー・センサー・モジュールの感度は、可動鏡１７０の速度によって変えられることができる。さらに、第四のレーザー・センサー・モジュールの開口数を操作または変更するために、切り換え可能な光学デバイス１５７が使用されることができる。さらに、レーザー１１０のレーザー・パワーは、異なる検出期間については、電気ドライバー１３０によって変えられることができる。よって、評価器１４０によって実行できる自己混合干渉測定の結果のフィルタリングの操作に加えて、異なるハードウェア・パラメータによって第四のレーザー・センサー・モジュール１００の感度を調整することが可能である。よって、感度および対応する粒子サイズ分布関数を広い範囲で変えることが可能である。評価器１４０はさらに、ハードウェア・パラメータ（鏡速度、開口数など）、評価器１４０によって適用される評価パラメータ（たとえばSNR）および対応する較正因子qの間の関係を有する少なくとも一つのメモリ・デバイスを有する。該関係は、関数依存性によって、またはテーブルにおいて記憶されうる。空気または流体速度が大きいほど、検出体積の増大のため、毎秒より多くの粒子が検出されることを注意しておく。これは事実上、方向修正デバイスまたは外部ファンによって速度が変えられる諸方法について、q＞1の場合のq因子の低下（あるいは一般にはqが1により近くなる）を意味する。q因子の低下は、較正因子qの系統的な影響が軽減されうるので、より堅牢なシステム設計につながりうる。
【００６３】
図１２は、第五のレーザー・センサー・モジュール１００の原理図を示している。第五のレーザー・センサー・モジュール１００は、統合された第一の検出器１２０をもつ第一のレーザー１１１および統合された第二の検出器１２２をもつ第二のレーザー１１２を有している。第一のレーザー１１０および第二のレーザー１１１は第一および第二のレーザー光を放出する。第五のレーザー・センサー・モジュール１００は、第一のレーザー１１１および第二のレーザー１１２に駆動電流を提供するよう適応された電気ドライバー１３０を有する。電気ドライバーは、第一のレーザー１１０および第二のレーザー１１１に接続されている評価器１４０を有する。第五のレーザー・センサー・モジュール１００はさらに、第一のレーザー光を第一の焦点領域に合焦するための第一の開口数をもつ第一の光学デバイス１５１を有する。第五のレーザー・センサー・モジュール１００はさらに、第二のレーザー光を第二の焦点領域に合焦するための第一の開口数とは異なる第二の開口数をもつ第二の光学デバイス１５２を有する。第一の焦点領域はこの実施形態では第二の焦点領域と重ならないが、別の実施形態では重なってもよい。評価器１４０は、第一の自己混合干渉信号によって引き起こされる第一の検出器１２１によって提供される電気信号を受領する。評価器１４０はさらに、第二の自己混合干渉信号によって引き起こされる第二の検出器１２２によって提供される電気信号を受領する。評価器１４０はさらに、電気ドライバー１３０から情報を受領する。評価器１４０は、この情報により、第一および第二の粒子サイズ分布関数を、また上記で論じたようにしかるべく適応された較正因子qによって対応する粒子測度を、決定できる。
【００６４】
図１３は、開口数の二つの異なるセットアップ、よって二つの異なる自己混合干渉信号によって生成されるレーザー・センサー・モジュール１００のある実施形態の第三の感度曲線を示している。レーザー・センサー・モジュール１００は、この場合、図１１に関して上記したのと同様の可動鏡１７０を有する。どちらのシミュレーションも、焦点領域が7m/sの速度で動くよう実行された。図１２に関して論じた第五のレーザー・センサー・モジュール１００と組み合わせて粒子をもつ流体を対応する速度でファンが動かす場合、同様の手法を使用できる。曲線３１５によって示される第一の測定では、0.1の第一の開口数および0.3の第二の開口数が使用される。較正因子qはこの場合0.32である。曲線３１６によって示される第二の測定では、0.1の第一の開口数および0.5の第二の開口数が使用される。較正因子qはこの場合0.2である。より小さな、特に超微粒子（ultrafine  particles）を測定するために現在使われている業務用設備によって測定された結果との最良一致を得るために、あるいは検出されたUFP粒子サイズを関心領域に調整するために、パラメータの組み合わせが使用されることができる。
【００６５】
図１４は、対応する光学デバイスの収差に依存する粒子検出に関する感度を示している。横軸３０２は、粒子の直径（μm）によって決定される粒子サイズを示している。縦軸３０３は毎秒の(μg/m3)当たりのカウント［#/s/(μg/m3)］で、検出された粒子の数を示している。曲線３６５、３６６、３６７は、レーザー（単数または複数）によって放出されるレーザー光のスポットまたは合焦点の収差レベルの関数として、カウント・レートのシミュレーションを示している。三つの曲線３６５、３６６、３６７はみな、0.5の開口数および850nmのレーザーの発光波長でシミュレートされている。曲線３６５は、0mλの収差レベルでのシミュレートされたカウント・レートを示している。曲線３６６は、70mλの収差レベルでのシミュレートされたカウント・レートを示している。曲線３６７は、140mλの収差レベルでのシミュレートされたカウント・レートを示している。スポット収差に関する粒子カウント・レートのモデル計算から、焦点位置または領域の非常に近くで検出される小さな粒子については、検出される粒子の数は、焦点領域の収差レベルについて非常に敏感であることが明らかである。最適な焦点領域のまわりのずっと大きなエリアで検出される、より大きな粒子については、検出される粒子の数は、収差レベルとともにほとんど変化しない。図１４を図３と比べると、図３に関して論じた手法に比べたときの、二つの測定における異なる感度を提供するための収差レベルの変動の潜在的な利点が示される。0.15μmより大きい粒子サイズをもつ、より大きな粒子のカウント・レートは、ほとんど同一である。よって、q因子は、1に非常に近いことができる。これは、非最適なq因子（たとえば正しい最適なq因子6.5の代わりに6）によって引き起こされうる測定における最終的な誤差を低減させうる。さらに、焦点領域における収差レベルを調整するための一つまたは複数の光学デバイスをもつことで、これは、本質的に収差なしである第一の測定について、焦点領域またはスポットの品質が最適化されることができることをも意味する。その結果、可能な最も小さい、最小の検出される粒子サイズとなる。超微粒子に関して異なる感度で測定結果を得るために異なる収差レベルを使うことは、静的な焦点領域をもつレーザー・センサー・モジュール（たとえば図１、図８、図１０参照）においても、動的なまたは可動な焦点領域をもつレーザー・モジュール（たとえば図１１参照）においても利用されることができる。あるいはまた、二つの異なる感度での同時測定を可能にするために、二つのレーザーおよび異なる収差レベルをもつ二つの異なる光学デバイスを使うことも可能である（図１２参照）。異なる収差レベルを使ういくつかの具体的実施形態が、以下の実施形態に関して論じられる。
【００６６】
実施形態１：LCセル
第一の実施形態では、液晶セル（LC）が焦点領域の収差レベルを調整するために使われる。たとえば、図１０において、光減衰器１５５がこのLCセルによって置き換えられることができる。LCセルは、焦点領域またはスポットにおいて能動的に収差が導入されることができるデバイスである。それはこの方法のために要求されることである。同じLCセルが、光学系からの他の収差を補償または部分的に補償するために使われることができる。そうすることで、第一の測定において、超微粒子カウント・レートおよび最小の検出される粒子サイズに対する最良の性能が得られる。
【００６７】
実施形態２：回転ガラス板
第二の実施形態では、ガラス板の傾きが、収差レベルを変えるために使われる。たとえば、図８において、カバーガラス（図示せず）が、測定の光軸に本質的に垂直な軸のまわりに回転できるように、光学デバイス１５０の測定経路に取り付けられることができる。これは、特に非点収差を導入する。また、同じ板が、第一の測定においてスポットの非点収差が最小値になるよう最適化するために使用されることができる。
【００６８】
実施形態３：ガラス板の除去／挿入
この実施形態では、光学系は、たとえば図８における光学デバイス１５０の後に挿入されたガラス板を用いて最適に整列〔アラインメント〕される。ガラス板の除去は第二の測定のために収差を導入する。光学系は、ガラス板なしで最適化されることもでき、ガラス板を挿入することによって、収差が導入される。これらの収差はガラス板自身の厚さに由来してもよく（特に球面収差）、あるいはガラス板の傾きとの組み合わせに由来してもよい（主として球面収差と非点収差の組み合わせを生じる）。
【００６９】
実施形態４：可変形鏡
測定ビームの光路に挿入されうる可変形鏡によって、レーザー・センサー・モジュールにおいて、収差が影響されうる。同じ鏡が第一の測定のための収差を最小化するためにも使われてもよい。
【００７０】
実施形態５：可動レンズをもつ二レンズ・システム
図８の光学デバイス１５０は、収差を生成する二つのレンズを有していてもよい。これらの収差は、両方のレンズが測定ビームの光軸上にあるときは互いに打ち消し合う。一方のレンズが軸外れのとき、収差が現われる。たとえば、平行ビームにおける球面収差をもつ二つのレンズで、一方のレンズが軸から外れている場合に、コマが生じる。
【００７１】
実施形態６：可動レンズをもつ単一レンズ・システム
図８の光学デバイス１５０または図１１の切り換え可能な光学デバイス１５７は、アクチュエーター、たとえばボイスコイルモーターによって光軸に垂直に動かされる、光場について非最適なデザインのレンズを有していてもよい。
【００７２】
実施形態７：エレクトロウェッティング
図８の光学デバイス１５０または図１１の切り換え可能な光学デバイス１５７は、エレクトロウェッティング・レンズを有していてもよい。エレクトロウェッティング・レンズの一つまたは複数の光学流体に電圧をかけることによって、ビーム変形またはより精密には収差が変更されうる。
【００７３】
実施形態８：複数メサ・レーザー（multiple  mesa  laser）
第六のレーザー・センサー・モジュールの原理図を示す図１５に関して論じられる実施形態についての非常にエレガントな解決策が、複数メサ・レーザーを使うことによって得られる。この実施形態は図１２に関して論じた実施形態ときわめてよく似ている。レーザー・チップが、同一チップ上の一つの検出器１２０フォトダイオードの上に二つの独立なレーザー１１１、１１２をもつ。第一のレーザー１１１が軸上になり（最良の信号）、第二のレーザー１１２がたとえば40μm軸から外れるよう、光学的な整列がなされる。第二のレーザー・ビームは、収差のため、より大きなスポット・サイズにつながり、結果として、小さな粒子を測定する能力が制限される。二つのレーザーは、時間切り換えモードで、電気ドライバー１３０によって動作させられる。第一の、最適に整列されたレーザーは第一の測定を提供し、第二のレーザーが第二の測定を提供する。
【００７４】
実施形態９：並列に動作させられる複数メサ・レーザー
それぞれが図１２に関して論じられたような独自の検出器１２１、１２２および検出電子回路をもつ二つのレーザー１１１、１１２を並列に使うことによって、それぞれの焦点領域において異なる収差をもつ測定ビームを生成するために、図１２に関して論じた第一および第二の光学デバイス１５１、１５２または図１５に関して論じた一つの光学デバイス１５０を使って、第一および第二の測定が同時に実行されることができる。
【００７５】
図１６は、第七のレーザー・センサー・モジュール１００の原理図を示している。第六のレーザー・センサー・モジュール１００は、統合された検出器１２０をもつレーザー１１０を有している。該レーザーは、この場合レンズである光学デバイス１５０を通じてレーザー光を発する。統合された検出器１２０は、レーザー１１０の層構造の一部である統合されたフォトダイオードである。第六のレーザー・センサー・モジュール１００はさらに、光源（LED）１１５および光検出器１２５をもつ粒子検出ユニットを有する。これは、LEDによって放出された光が光検出器１２５によって受光されるよう配置される。光検出器１２５は、LEDと光検出器１２５の間の体積を通過する粒子によって引き起こされる、LEDによって放出された光の強度の変動を測定するよう構成される。第二のレーザー・センサー・モジュール１００はさらに、電気ドライバー１３０および評価器１４０を有する。評価器１４０は、レーザー１１０に、あるいはより精密には検出器１２０、LED、光検出器１２５および電気ドライバー１３０に接続されている。電気ドライバー１３０は、レーザー光を放出するためにレーザー１１０に、またLEDに電力を供給する。レーザー１１０はこの場合、統合されたフォトダイオードをもつ垂直共振器型面発光レーザー（VCSEL）である。レーザー・センサー・モジュール１００は、変調されている、電気ドライバー１３０によって供給される電力を提供する電源（図示せず）に接続されている。光学デバイス１５０は、約300nmの粒子直径をもつ小さな粒子の測定を可能にするために、0.06の開口数（NA）を提供するよう構成される。検出器１２０は、第一の粒子サイズ分布関数を生成するために自己混合干渉信号を決定するよう構成される。粒子検出ユニットは、それほど敏感ではなく、約300nmのサイズをもつ粒子を判別するようには構成されていない。よって、光検出器１２５によって検出される信号は、第二の粒子サイズ分布関数を決定するために使われる。評価器１４０は、上記のように第一および第二の粒子サイズ分布関数に基づいて300nm以下の粒子サイズをもつ粒子の粒子測度を計算するために、メモリ・デバイス内の対応する較正因子qを決定するよう適応されている。粒子検出ユニットについての代替的な概念は、光検出器１２５を90度のもとに置くことであってもよい。それにより、透過変化ではなく、粒子からの散乱光のみが検出される。そのような構成の感度は、上記で論じた透過配位に比べて向上されうる。
【００７６】
図１７は、空気清浄機４００の原理図を示している。空気清浄機４００は、粒子流制御デバイス４１０（たとえばファン）、フィルタ・システム４２０および上記の実施形態のいずれかに基づくレーザー・センサー・モジュール１００を有する。ファンおよびフィルタ・システム４２０は、たとえば、空気が流れる管内に配置される。ファンは、画定された流れまたは粒子速度を生成するために、空気を管の軸に沿って加速する。レーザー・センサー・モジュール１００は、意図される粒子サイズの粒子測度および任意的には粒子流の速度を決定する。空気清浄機４００は、エアコンディショナーに統合されてもよい。エアコンディショナーはたとえば、粒子測度が閾値より上であれば信号を提供してもよい。レーザー・センサー・モジュール１００は好ましくは、粒子流制御デバイス４１０から情報を受け取ってもよい。たとえば粒子流制御デバイス４１０によって引き起こされる空気または粒子流の速度に関して測定を較正するためである。粒子流制御デバイス４１０はこの場合、二つ以上の流れ粒子速度を可能にするために、レーザー・センサー・モジュール１００によって制御されてもよい。レーザー・センサー・モジュール１００はこの場合、粒子流制御デバイス４１０を制御するために流れコントローラを有する。空気清浄機４００は代替的に、粒子流制御デバイス４１０およびレーザー・センサー・モジュール１００からデータを受け取るために、プロセッサおよび対応する記憶装置を有していてもよい。矢印は、空気の方向を示す。レーザー・センサー・モジュール１００の測定結果は、空気がクリーニングされるときに、対応する制御回路または空気清浄機のプロセッサ上で走る制御アプリケーションによって空気清浄機がスイッチオフされることができるかどうかを判断するために使われてもよい。
【００７７】
図１８は、小さい、特に超微粒子を検出する方法の原理図を示している。段階５１０において、レーザー光が少なくとも一つの焦点領域に放出される。段階５２０において、少なくとも一つの自己混合干渉信号が決定される。段階５３０において、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された少なくとも一つの測定結果によって、第一の感度での第一の粒子サイズ分布関数が決定される。段階５４０において、第二の感度での第二の粒子サイズ分布関数が決定される。第二の感度は第一の感度とは異なる。第二の粒子サイズ分布関数に較正因子qを乗算したものを、第一の粒子サイズ分布関数から減算することによって、300nm以下の粒子サイズをもつ粒子の粒子測度が決定される。
【００７８】
異なる感度で二つの測定結果を生成するまたは二つの測定を実行することによって、300nmより小さな粒子サイズをもつ小さな粒子を感知するためのレーザー・センサー・モジュール１００および対応する方法を提供することが本発明の基本的発想である。あるサイズ領域における小さな、あるいはさらに超微粒子の粒子測度が、低感度モードでの粒子数のq倍を、敏感なモードでの粒子数から減算することによって導出される。より小さな粒子は、本質的には、低感度モードでは見えないが、より大きな粒子についての測定結果の形状は本質的には同じだが、較正因子qでスケールされたものとなっている。本発明は、レーザー自己混合干渉に基づく、簡単かつ低コストの粒子検出モジュールまたは粒子検出器であって、100nmまたさらにはより小さなサイズをもつ粒子を検出できるものを可能にする。
【００７９】
本発明は、図面および以上の記述において詳細に示され、記述されてきたが、そのような例解および記述は制約するものではなく、例解または例示するものであると考えられるべきである。
【００８０】
本開示を読むことで、他の修正が当業者には明白になるであろう。そのような修正は、本稿ですでに述べた特徴の代わりにまたはそれに加えて使用されうる、当技術分野においてすでに知られている他の特徴に関わることがある。
【００８１】
図面、本開示および付属の請求項の吟味から、開示される実施形態への変形が、当業者によって理解され、実施されることができる。請求項では、単語「有する／含む」は他の要素やステップを排除するものではなく、単数表現は複数の要素やステップを排除するものではない。ある種の施策が互いに異なる従属請求項において記載されているというだけの事実が、これらの施策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。
【００８２】
請求項に参照符号があったとしても、その範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【符号の説明】
【００８３】
１００  レーザー・センサー・モジュール
１１０  レーザー
１１１  第一のレーザー
１１２  第二のレーザー
１１５  光源
１２０  検出器
１２１  第一の検出器
１２２  第二の検出器
１２５  光検出器
１３０  電気ドライバー
１４０  評価器
１５０  光学デバイス
１５１  第一の光学デバイス
１５２  第二の光学デバイス
１５５  光減衰器
１５７  切り換え可能な光学デバイス
１６０  コントローラ
１７０  可動鏡
２１０  自己混合干渉信号を受領
２２０  自己混合干渉信号のデジタル化
２３０  検出閾値を決定
２４４  第一の閾値で決定
２４８  第二の閾値で決定
２５０  超微粒子の数を決定
３０１  検出される粒子（数/μg/m3）
３０３  粒子カウント・レート（#/数/(μg/m3)）
３０５  検出された粒子数
３０６  検出された粒子数
３０７  超微粒子の数
３０８  超微粒子の数
３１０  検出された粒子数
３１１  検出された粒子数
３１２  検出された粒子数
３１５  超微粒子の数
３１６  超微粒子の数
３１７  シミュレートされたデータ
３１８  実験データ
３２０  PM2.5（μg/m3）
３２１  粒子カウント（数/s）
３３０  測定データ
３３５  当てはめ〔フィット〕
３４０  90%CI
３５０  90%PI
３６５  第一の収差レベル
３６６  第二の収差レベル
３６７  第三の収差レベル
４００  空気清浄機
４１０  粒子流制御デバイス
４２０  フィルタ・システム
５１０  レーザー光を放出
５２０  自己混合干渉信号を決定
５３０  第一の粒子サイズ分布関数を決定
５４０  第二の粒子サイズ分布関数を決定
５５０  小さな粒子の数を決定
【図１】
2019516074.tif 000003
【図２】
2019516074.tif 000004
【図３】
2019516074.tif 000005
【図４】
2019516074.tif 000006
【図５】
2019516074.tif 000007
【図６】
2019516074.tif 000008
【図７】
2019516074.tif 000009
【図８】
2019516074.tif 000010
【図９】
2019516074.tif 000011
【図１０】
2019516074.tif 000012
【図１１】
2019516074.tif 000013
【図１２】
2019516074.tif 000014
【図１３】
2019516074.tif 000015
【図１４】
2019516074.tif 000016
【図１５】
2019516074.tif 000017
【図１６】
2019516074.tif 000018
【図１７】
2019516074.tif 000019
【図１８】
2019516074.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月25日(2018.9.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子サイズ300nm以下、より好ましくは200nm以下、最も好ましくは100nm以下の粒子サイズをもつ超微粒子を検出するためのレーザー・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：
・少なくとも一つの電気ドライバーによって提供される信号に反応して少なくとも一つの焦点領域にレーザー光を放出するよう適応されている少なくとも一つのレーザーと；
・前記少なくとも一つのレーザーのレーザー空洞内の光波の自己混合干渉信号を決定するよう適応されている少なくとも一つの検出器であって、前記自己混合干渉信号は前記レーザー空洞に再入する反射されたレーザー光によって引き起こされ、前記反射されたレーザー光は、前記レーザー光の少なくとも一部を受ける粒子によって反射される、検出器とを有しており、
・当該レーザー・センサー・モジュールは、少なくとも一つの自己混合干渉測定を実行するよう構成され、
・当該レーザー・センサー・モジュールは、第一の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応されており、前記第一の粒子サイズ分布関数は、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された少なくとも一つの測定結果による粒子サイズ検出に関する第一の感度によって特徴付けられ、当該レーザー・センサー・モジュールは、第二の粒子サイズ分布関数を決定するようさらに適応されており、前記第二の粒子サイズ分布関数は、粒子サイズ検出に関する第二の感度によって特徴付けられ、前記第二の感度は前記第一の感度とは異なり、前記第一の感度または前記第二の感度のいずれかは、300nm以下の定義された閾値粒子サイズより小さい粒子が検出されないように選ばれ、前記第一および第二の粒子サイズ分布関数は、較正因子qでスケーリングされて、前記定義された閾値粒子サイズより上での本質的に同一の形をもち、
・前記少なくとも一つの評価器は、前記第二の粒子サイズ分布関数に前記較正因子qを乗算したものを前記第一の粒子サイズ分布関数から減算することによって、300nm以下の粒子サイズの粒子測度を決定するよう適応されており、
レーザー・センサー・モジュール。
【請求項２】
当該レーザー・センサー・モジュールが、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された前記少なくとも一つの測定結果によって前記第二の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応されている、請求項１記載のレーザー・センサー・モジュール。
【請求項３】
・前記少なくとも一つの評価器は、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された測定結果に第一の閾値を適用することによって前記第一の感度を提供するよう適応され、前記少なくとも一つの評価器は、前記測定結果および前記第一の閾値によって前記第一の粒子サイズ分布関数を決定するようさらに適応され、
・前記少なくとも一つの評価器は、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された前記測定結果に第二の閾値を適用することによって前記第二の感度を提供するようさらに適応され、前記第二の閾値は前記第一の閾値とは異なり、前記少なくとも一つの評価器は、前記測定結果および前記第二の閾値によって前記第二の粒子サイズ分布関数を決定するようさらに適応されている、
請求項２記載のレーザー・センサー・モジュール。
【請求項４】
・当該レーザー・センサー・モジュールは前記第一の感度で第一の自己混合干渉測定を実行するよう構成されており、
・当該レーザー・センサー・モジュールは前記第二の感度で第二の自己混合干渉測定を実行するようさらに構成されており、
・前記少なくとも一つの評価器は、前記第一の自己混合干渉測定に基づいて決定された第一の測定結果によって前記第一の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応され、前記少なくとも一つの評価器はさらに、前記第二の自己混合干渉測定に基づいて決定された第二の測定結果によって前記第二の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応されている、
請求項２記載のレーザー・センサー・モジュール。
【請求項５】
当該レーザー・センサー・モジュールは、前記レーザー光を前記少なくとも一つの焦点領域に合焦するための光学デバイスを有しており、該光学デバイスは、少なくとも0.06、より好ましくは少なくとも0.2、最も好ましくは少なくとも0.3の開口数によって特徴付けられる、請求項１ないし４のうちいずれか一項記載のレーザー・センサー・モジュール。
【請求項６】
前記粒子センサー・モジュールは、レーザー光の焦点領域を動かすよう構成されている光方向修正デバイスを有しており、前記粒子センサー・モジュールはさらに、前記第一の自己混合干渉測定の間は第一の速度で、前記第二の自己混合干渉測定の間は前記第一の速度とは異なる第二の速度で、焦点領域の動きを制御するよう適応されている少なくとも一つのコントローラを有する、請求項４記載の粒子センサー・モジュール。
【請求項７】
前記粒子センサー・モジュールは、粒子流の速度を制御するよう構成されている少なくとも一つの粒子流制御デバイスを有しており、前記粒子センサー・モジュールはさらに、前記第一の自己混合干渉測定の間は第一の粒子流速度で、前記第二の自己混合干渉測定の間は前記第一の粒子流速度とは異なる第二の粒子流速度で、粒子流制御デバイスによって粒子流の速度を制御するよう適応されている少なくとも一つの流れコントローラを有する、請求項４記載の粒子センサー・モジュール。
【請求項８】
当該レーザー・センサー・モジュールは：
・前記少なくとも一つの電気ドライバーによって提供される第一の信号に反応して第一の焦点領域に第一のレーザー光を放出するよう適応された少なくとも一つの第一のレーザーと；
・前記少なくとも一つの電気ドライバーによって提供される第二の信号に反応して第二の焦点領域に第二のレーザー光を放出するよう適応された少なくとも一つの第二のレーザーと；
・前記第一および第二の自己混合干渉信号を決定するよう適応された少なくとも一つの検出器と；
・少なくとも一つの光学デバイスとを有しており、前記第一のレーザー光および前記第二のレーザー光は前記少なくとも一つの光学デバイスを通じて放出され、前記第一の焦点領域における前記第一のレーザー光の収差レベルは、前記第二の焦点領域における前記第二のレーザー光の収差レベルとは異なる、
請求項４記載の粒子センサー・モジュール。
【請求項９】
当該レーザー・センサー・モジュールは：
・少なくとも一つの第一のレーザーであって、前記少なくとも一つの電気ドライバーによって前記第一のレーザーに提供される信号に反応して第一の焦点領域に第一のレーザー光を放出するよう適応された第一のレーザーと；
・前記第一の自己混合干渉信号を決定するよう適応された少なくとも一つの第一の検出器と；
・少なくとも一つの第二のレーザーであって、前記少なくとも一つの電気ドライバーによって前記第二のレーザーに提供される信号に反応して第二の焦点領域に第二のレーザー光を放出するよう適応された第二のレーザーと；
・前記第二の自己混合干渉信号を決定するよう適応された少なくとも一つの第二の検出器とを有する、
請求項４記載の粒子センサー・モジュール。
【請求項１０】
前記第一のレーザーは、第一の開口数をもつ第一の光学デバイスに光学的に結合され、前記第二のレーザーは、前記第一の開口数とは異なる第二の開口数をもつ第二の光学デバイスに光学的に結合されている、請求項９記載の粒子センサー・モジュール。
【請求項１１】
前記粒子センサー・モジュールは、前記第二の粒子サイズ分布関数を決定するよう適応されている粒子検出ユニットを有する、前記粒子検出ユニットは、光源および光検出器によって前記第二の粒子サイズ分布関数を決定するよう構成されており、前記光検出器は、前記光源によって放出され、前記粒子によって散乱された光を決定する、あるいは前記光源と前記光検出器の間の検出体積を通過する粒子によって引き起こされる、前記光源によって放出された光の強度の低下を決定するよう構成されている、請求項１記載の粒子センサー・モジュール。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のうちいずれか一項記載の粒子センサー・モジュールを有する空気清浄機、センサー・ボックスまたはウェアラブル・デバイス。
【請求項１３】
粒子サイズ300nm以下、より好ましくは200nm以下、最も好ましくは100nm以下の粒子サイズをもつ超微粒子を検出する方法であって、当該方法は：
・少なくとも一つの焦点領域にレーザー光を放出する段階と；
・少なくとも一つの自己混合干渉信号を決定する段階とを含み、
当該方法は：
・第一の粒子サイズ分布関数を決定する段階であって、前記第一の粒子サイズ分布関数は、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された少なくとも一つの測定結果による第一の感度によって特徴付けられる、段階と；
・第二の粒子サイズ分布関数を決定する段階であって、前記第二の粒子サイズ分布関数は第二の感度によって特徴付けられ、前記第二の感度は前記第一の感度とは異なり、前記第一の感度または前記第二の感度のいずれかは、300nm以下の定義された閾値粒子サイズより小さい粒子が検出されないように選ばれ、前記第一および第二の粒子サイズ分布関数は、較正因子qでスケーリングされて、前記定義された閾値粒子サイズより上での本質的に同一の形をもつ、段階と；
・前記第二の粒子サイズ分布関数に前記較正因子qを乗算したものを前記第一の粒子サイズ分布関数から減算することによって、300nm以下の粒子サイズの粒子測度を決定する段階とを特徴とする、
方法。
【請求項１４】
当該方法が：
・前記第一の粒子サイズ分布関数を決定するために、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された測定結果に第一の閾値を適用することによって前記第一の感度を提供する段階と；
・前記第二の粒子サイズ分布関数を決定するために、前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された前記測定結果に第二の閾値を適用することによって前記第二の感度を提供する段階
という追加的段階を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
請求項１ないし１１のうちいずれか一項記載の粒子センサー・モジュールに含まれる少なくとも一つのメモリ・デバイスに、あるいは前記粒子センサー・モジュールを有するデバイスの少なくとも一つのメモリ・デバイスに保存されることができるコード手段を有するコンピュータ・プログラムであって、前記コード手段は、前記粒子センサー・モジュールに含まれる少なくとも一つの処理装置によって、あるいは前記粒子センサー・モジュールを有するデバイスの少なくとも一つの処理装置によって請求項１３または１４記載の方法が実行されることができるよう、構成されている、コンピュータ・プログラム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
非特許文献１は、懸濁質における小さな粒子のサイズを迅速かつ簡単に測定するための方法を記載している。この方法は、きわめて高い光学感度をもつ、レーザー・ダイオードでポンピングされる薄片LiNdP4O12レーザーによる自己混合レーザー・ドップラー測定を使う。
CN104458514Aは、ナノ粒子直径分布を高速測定するためのレーザー自己混合方法および対応する測定装置を開示している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
第二の側面によれば、粒子サイズ300nm以下、より好ましくは200nm以下、最も好ましくは100nm以下の粒子サイズをもつ超微粒子を検出するための方法が提供される。本方法は：
・少なくとも一つの焦点領域にレーザー光を放出する段階と；
・少なくとも一つの自己混合干渉信号を決定する段階と；
・前記少なくとも一つの自己混合干渉測定に基づいて決定された少なくとも一つの測定結果によって、第一の感度で第一の粒子サイズ分布関数を決定する段階と；
・前記第一の感度とは異なる第二の感度で第二の粒子サイズ分布関数を決定する段階と；
・前記第二の粒子サイズ分布関数に較正因子qを乗算したものを前記第一の粒子サイズ分布関数から減算することによって、300nm以下の粒子サイズの粒子測度を決定する段階とを含み、前記第一の感度または前記第二の感度のいずれかは、300nm以下の定義された閾値粒子サイズより小さい粒子が検出されないように選ばれ、前記第一および第二の粒子サイズ分布関数は、較正因子qでスケーリングされて、前記定義された閾値粒子サイズより上での本質的に同一の形をもつ。
【国際調査報告】
2019516074.tif 000021
2019516074.tif 000022