(57)【要約】  本発明は、レーザセンサモジュールについて述べる。レーザセンサモジュールは、測定ビーム１１１を放射するように構成された少なくとも１つのレーザ１００を有する。レーザセンサモジュールは、測定ビーム１１１を集束領域１１５に集束させるように構成された小型光学装置１５０を更に有する。小型光学装置は、一の側に凸状鏡面１５２を具備するとともに第２の反対側に凹状鏡面１５６を具備する光キャリア１５４を有し、凹状鏡面１５６は、測定ビーム１１１が光キャリア１５４に入射することができる入射面を有する。小型光学装置１５０は、光キャリアに入射する測定ビーム１１１が、凸状鏡面１５２によって凹状鏡面１５６に反射及び発散されるように構成される。凹状鏡面１５６は、凸状鏡面１５２から受けた測定ビーム１１１を集束領域１１５に集束させるように構成される。レーザセンサモジュールは、レーザ１００のレーザキャビティ内の第１の光波の少なくとも自己混合干渉信号を決定するように構成された少なくとも１つの検出器１２０を更に有する。また、本発明は、レーザセンサモジュールを有するレーザセンサ１８０について述べる。さらに、本発明は、レーザセンサ１８０又はレーザセンサモジュールを有する移動通信装置のような装置について述べる。
2019515258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ビームを放射するように構成された少なくとも１つのレーザと、
前記測定ビームを集束領域に集束させるように構成された小型光学装置であって、前記小型光学装置は、一の側に凸状鏡面を具備するとともに第２の反対側に凹状鏡面を具備する光キャリアを有し、前記凸状鏡面は、前記測定ビームが前記光キャリアに入射することができる入射面を有し、前記小型光学装置は、前記光キャリアに入射する前記測定ビームが前記凸状鏡面により前記凹状鏡面に対して反射及び発散されるように構成され、前記凹状鏡面は、前記凸状鏡面から受けた前記測定ビームを集束領域に集束させるように構成される、前記小型光学装置と、
前記レーザのレーザキャビティ内の第１の光波の少なくとも自己混合干渉信号を決定するように構成される一の検出器と、
を有する、レーザセンサモジュール。
【請求項２】
前記小型光学装置の結合開口数NAが、０．１５＜NA＜０．３０の範囲にある、請求項１記載のレーザセンサモジュール。
【請求項３】
前記レーザセンサモジュールが、前記測定ビームを前記小型光学装置の前記凸状鏡面に集束させるように構成された集束装置を更に有する、請求項１記載のレーザセンサモジュール。
【請求項４】
前記集束装置が、前記小型光学装置の前記入射面に配置され、前記集束装置が、平行な複数の光ビームが前記凸状鏡面によって受けられるように構成される、請求項３記載のレーザセンサモジュール。
【請求項５】
前記レーザ、前記集束装置、前記凸状鏡面、及び、前記凹状鏡面が、前記凸状鏡面が配置される平面において前記小型光学装置の出射ビーム領域を規定するように構成され、前記レーザ、前記集束装置、及び、前記凸状鏡面が、前記測定ビームの９５％より多くが、前記凹状鏡面に反射されるように構成され、前記凸状鏡面が、前記出射ビーム領域の１０％未満をカバーする、請求項３又は４に記載のレーザセンサモジュール。
【請求項６】
前記凸状鏡面の曲率及び前記凹状鏡面の曲率が、前記凸状鏡面と前記凹状鏡面との間の距離ｄが、１ｍｍ≦ｄ≦２ｍｍであるように構成される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザセンサモジュール。
【請求項７】
前記レーザセンサモジュールが、光リダイレクト装置を有し、前記光リダイレクト装置が、前記集束領域の位置を動的に変えるように構成される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザセンサモジュール。
【請求項８】
前記光リダイレクト装置が、可動ミラーである、請求項７記載のレーザセンサモジュール。
【請求項９】
前記レーザセンサモジュールが、検出窓を有し、前記検出窓が、前記測定ビームが前記検出窓を通過後に前記集束領域に到達するように構成される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のレーザセンサモジュール。
【請求項１０】
前記検出窓が、前記凸状鏡面と前記凹状鏡面との間に少なくとも部分的に配置される、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。
【請求項１１】
請求項１乃至１０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レーザセンサであって、前記レーザセンサは、評価器を更に有し、前記評価器は、前記決定された自己混合干渉信号に応答して前記検出器によって生成される検出信号を受けるように構成され、前記評価器は、前記集束領域におけるオブジェクトの速度成分、移動距離、又は、移動方向のうちの少なくとも１つを決定するように更に構成される、レーザセンサ。
【請求項１２】
前記評価器が、所定の期間における前記受けた検出信号に基づいて、粒子密度を決定するように更に構成される、請求項１１記載のレーザセンサ。
【請求項１３】
前記粒子密度が、PM2.5値である、請求項１２記載のレーザセンサ。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載のレーザセンサを有する移動通信装置であって、前記移動通信装置は、ユーザインタフェースを有し、前記ユーザインタフェースは、前記レーザセンサにより供給されるデータを提示するように構成される、移動通信装置。
【請求項１５】
前記検出窓が、前記移動通信装置の外面の一部である、請求項１４記載の移動通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自己混合干渉を使用するレーザセンサモジュール、及び、レーザセンサ、特に、レーザセンサモジュールを有するレーザセンサに関する。本発明は、さらに、そのようなレーザセンサ又はレーザセンサモジュールを有する移動通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
中国特許出願公開第１０２５６４９０９号明細書は、大気粒子状物質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、集束レンズ、光検出器、増幅器、データ取得カード、及び、スペクトルアナライザを有する。このような装置は複雑で高価である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、特に粒子密度検出のための小型レーザセンサモジュールを提供することである。本発明は、独立請求項によって定義される。従属請求項は有利な実施形態を規定する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の態様によれば、レーザセンサモジュールが提示される。当該レーザセンサモジュールは、
測定ビームを放射するように構成された少なくとも１つのレーザと、
前記測定ビームを集束領域に集束させるように構成された小型光学装置であって、前記小型光学装置は、一の側に凸状鏡面を具備するとともに第２の反対側に凹状鏡面を具備する光キャリアを有し、前記凸状鏡面は、前記測定ビームが前記光キャリアに入射することができる入射面を有し、前記小型光学装置は、前記光キャリアに入射する前記測定ビームが前記凸状鏡面により前記凹状鏡面に対して反射及び発散されるように構成され、前記凹状鏡面は、前記凸状鏡面から受けた前記測定ビームを集束領域に集束させるように構成される、前記小型光学装置と、
前記レーザのレーザキャビティ内の第１の光波の少なくとも自己混合干渉信号を決定するように構成される一の検出器と、を有する。
【０００５】
自己混合干渉に基づくレーザセンサは、多数の検出用途に使用することができる。レーザによって放射される測定ビームの集束領域を通過する物体の存在、距離、速度、及び、移動方向を検出することができる。測定ビームは物体によって反射され、反射された測定ビームの少なくとも一部はレーザのレーザキャビティに再入射する。レーザキャビティ内の光定在波による再入射レーザ光の干渉は、自己混合干渉と呼ばれる定在波の変化を引き起こす。自己混合干渉は、例えばフォトダイオードのような検出器によって測定することができる。測定ビームを集束させるために使用され得る従来のレンズは、かなり大きなレーザセンサモジュールを生じさせる可能性がある。小型光学装置は、従来のレンズによって測定ビームを集束させるレーザセンサモジュールよりもずっと小さくてもよい非常にコンパクトなレーザセンサモジュールを可能にする。
【０００６】
小型光学装置は、一方の面に凸状鏡面を有し、反対側に凹状鏡面を有する光キャリアを備える。凹状鏡面は、光が光キャリアに入ることができる入射窓又は入射面を含む。入射面は、好ましくは、凹状鏡面の中心の周りに円形である。入射窓を介して光キャリアに入射する光は、反射され、凸状鏡面によって凹状鏡面に発散される。凹状鏡面は、凸状鏡面から受け取った光を、レーザに対して小型光学装置の反対側の集束領域に集束させるように配置されている。小型光学装置は、レーザとレンズの出射面との間の距離を減少させることによって、レーザセンサモジュールのサイズを縮小するのを助けることができる。レーザ光の経路は折り畳まれ、同時に鏡面によって集束される。コンパクトさは、特に、移動通信装置のような移動装置における小型装置におけるそのようなレーザセンサモジュール及び対応するアプリケーションの統合を可能にするか、又は、サポートすることができる。鏡面及び入射面は、好ましくは、レーザによって放射される測定ビームによって画定される光軸の周りに円形対称に配置される。
【０００７】
小型光学装置は、結合開口数によって特徴付けられる。結合開口数は、レーザ側の小型光学装置の開口数である。小型光学装置の結合開口数NAは、0.15 <NA <0.30の範囲内にあることが好ましく、0.18 <NA <0.25の範囲内にあることがより好ましい。0.2の範囲内の結合開口数は、小型光学装置に含まれる集束凹状鏡面に向かって発散ビームをもたらす。結合NAは、レーザビーム角度に依存する。レーザビームの角度は、レーザの種類によって異なり得る。
【０００８】
レーザセンサモジュールは、2つ、3つ、4つ、又は、それ以上のレーザ（例えば、1つの共通の半導体チップ上に配置された垂直キャビティ面発光レーザ（VCSEL）のアレイ）を含むことができる。
【０００９】
レーザセンサモジュールは、集束装置をさらに備えることができる。集束装置は、小型光学装置の凸状鏡面に測定ビームを集束させるように構成することができる。
【００１０】
小型光学装置は、凸状鏡面が測定ビームの一部、特に物体によって反射されたレーザ光を遮るか、又は、ブロックするという欠点を有する可能性がある。ビームブロッキングは、特に、物体によって反射されたレーザ光の強度を減少させることによって、自己混合干渉信号の低減又は妨害さえも引き起こす可能性がある。本質的に平行な光ビームが凸状鏡面に受光されるように、測定ビームのレーザ光は集束装置（好ましくは凸レンズ、別の可能性はフレネルレンズ又は回折レンズである）によって集束される。従って、凸状鏡面のサイズは、集束装置のないサイズに比べて小さくてもよい。さらに、凹状鏡面の曲率は、凸状鏡面によって反射された測定ビームによって本質的に凹状鏡面全体が照明されるように、集束装置がない場合の曲率に比べて大きくてもよい。凸状鏡面によって覆われた大きさ又は面積は、ビーム遮蔽が最小限になるように配置されてもよい。凸状鏡面によって覆われた領域は、小型光学装置の入射面の領域と同じであり、入射面に入射するレーザ光によって画定される光軸に沿って入射面と整列する。従って、集束装置は、より高い検出感度を有するより小型のレーザセンサモジュールを可能にすることができる。
【００１１】
集束装置は、小型光学装置の入射面に配置されてもよい。入射面は、レーザによって放射された測定ビームが上記のように集束するように屈折及び配置されてもよい。集束装置と小型光学装置との間には本質的に距離がないので、小型光学装置に集束装置を組み込むことにより、レーザセンサモジュールのサイズをさらに減少させることができる。集束装置は、光学キャリアと同じ材料からなることができる。集束装置は、代わりに、屈折力を高めるために、例えば、より高い屈折率を有する異なる光学材料を含むことができる。光キャリア及び集束装置のための異なる材料を選択することは、レーザと小型光学装置との間の距離、ひいてはレーザセンサモジュールのサイズをさらに減少させるために使用され得る。
【００１２】
凹状鏡面は、測定ビームを集束領域に集束するように配置される。レーザ、集束装置、凸状鏡面、及び、凹状鏡面は、凸状鏡面が位置する平面内の小型光学装置の出射ビーム領域を画定するように配置される。レーザ、集束装置、及び、凸状鏡面は、測定ビームの95％より多くが凹状鏡面に反射されるように配置することができる。レーザによって発せられるレーザ光の発散角、レーザと集束装置との間の距離、集束装置と入射窓との間の距離、入射窓のサイズ、入射窓と凸状鏡面との間の距離、並びに、凸状鏡面の曲率及び凹状鏡面の曲率は、測定ビームの放射されたレーザ光の85％超、好ましくは90％超、最も好ましくは95％超が、集束領域に集束されるように構成される。凸状鏡面は、特に、測定ビームの後方散乱光の遮断が低減されるように、出射ビーム領域の10％未満、好ましくは7％未満、さらにより好ましくは5％未満を覆うことができる。レーザは、測定ビームの断面が本質的に円形対称であるように発散角を適合させるように構成されたマイクロ光学装置を含むことができる。レーザは、例えば、端面発光半導体レーザであってもよい。小型光学装置と組み合わせた測定ビームの円形対称性は、集束領域に集束されるレーザ光の部分及び測定ビームの後方反射又は後方散乱光の強度を増加させる可能性がある。従って、レーザは、円形対称測定ビームを放射するVCSELであることが有益であり得る。
【００１３】
入射面及び凹状鏡面は、（凹状鏡面の曲率、及び、オプションで入射面を無視した場合）入射面にほぼ配置されている。さらに、凸状鏡面の曲率が無視される場合には、凸状鏡面は、平面をほぼ画定する。この平面は、例えば、凸状鏡面のエッジを含む平面であってもよい。この平面は、光キャリアの一面を含むことができる。この平面は、小型光学装置の射出面を含み、この光学面において、測定ビームは小型光学装置を離れる。
【００１４】
凸状鏡面の曲率と凹状鏡面の曲率とは、凸状鏡面と凹状鏡面との間の距離d（測定ビームの光学軸上にある凹状鏡面の仮想点と凸状鏡面の仮想点との間の距離）が1mm乃至2mmの範囲になるように配置されていてもよい。一方又は両方の曲率の構成は、レーザセンサモジュールのサイズをさらに減少させるために使用され得る。
【００１５】
レーザセンサモジュールは、光リダイレクト装置を備えることができる。光リダイレクト装置は、集束領域の位置を動的に変更するように構成されてもよい。光リダイレクト装置は、可動ミラー、特にMEMSミラーのような切り替え可能なミラーであってもよい。
【００１６】
レーザセンサモジュールは、検出窓を備えることができる。検出窓は、検出窓を通過した後に測定ビームが集束領域に到達するように配置されてもよい。検出窓は、レーザセンサモジュール、特に小型光学装置を保護するように構成することができる。検出窓は、小型光学装置と集束領域との間に配置されてもよい。この構成は、光リダイレクト装置がレーザセンサモジュールに含まれる場合に有益であり得る。あるいは、検出窓は、凸状鏡面と凹状鏡面との間に少なくとも部分的に配置されてもよい。光キャリアは、例えば検出窓を含むことができる。凸状鏡面は、凸状鏡面によって画定される面と集束領域との間に出射窓が配置されるように、光キャリアに埋め込まれてもよい。さらに、検出窓は、小型光学装置の光キャリアに取り付けられてもよい。検出窓は、例えば、光キャリアに接着することができる耐引掻性材料を含むことができる。
【００１７】
さらなる態様によれば、レーザセンサが提供される。レーザセンサは、上述の任意の実施形態によるレーザセンサモジュールを備える。レーザセンサは、評価器をさらに備える。評価器は、決定された自己混合干渉信号に反応して検出器によって生成された検出信号を受信するように適合されてもよい。評価器は、集束領域内の対象物（オブジェクト）の速度成分、距離、又は、移動方向のうちの少なくとも１つを決定するようにさらに適合されてもよい。評価器は、特に、所定の時間内に受信された検出信号に基づいて粒子密度を決定するように適合されてもよい。粒子密度は、所定の時間内に検出体積内の粒子の数を決定することによって決定されてもよい。粒子密度は、米国環境保護局の粒子状物質の対応する全国大気質基準によって定義されたPM2.5値であってもよい。自己混合干渉信号の信号強度をさらに使用して、粒子サイズの推定値を決定することができる。評価器は、例えば、レーザ及び小型光学装置によって生成された自己混合干渉信号を評価するように適合されたASICを備えることができる。
【００１８】
レーザセンサは、電気ドライバをさらに備えていてもよい。電気ドライバは、レーザが測定ビームを放射するようにレーザを電気的に駆動するように適合されてもよい。
【００１９】
代替的又は追加的に、レーザセンサは、制御信号又は電気駆動信号又は検出信号を外部コントローラと交換することができるインタフェースを備えることができる。
【００２０】
さらなる態様によれば、移動通信装置が提供される。移動通信装置は、上述したようなレーザセンサを備える。レーザセンサは、専用の評価器又は電気ドライバを備えることができる。代替的に又は追加的に、電気ドライバ及び評価器の機能の少なくとも一部は、移動通信装置の関連する回路によって実行されてもよい。移動通信装置の第１のメモリデバイス及び／又は第１の処理デバイスは、データを交換したり、評価器又は電気ドライバの機能性を実行するために、レーザセンサに含まれる第２のメモリデバイス及び／又は第２の処理デバイスと相互作用することができる。
【００２１】
１又は複数のメモリデバイスは、情報、特にデジタル情報を格納するように構成された任意の物理的デバイスであってもよい。メモリデバイスは、特にソリッドステートメモリ又は光メモリのグループから選択することができる。
【００２２】
処理装置は、データ処理、特にデジタルデータの処理を実行するように構成された任意の物理的装置であってもよい。処理装置は、特に、グループプロセッサ、マイクロプロセッサ、又は、特定用途向け集積回路（ASIC）から選択することができる。
【００２３】
移動通信装置は、測定ビームが放射される検出窓を備える。検出窓は、移動通信装置の外面の一部であってもよい。レーザセンサの集積化は、小型光学装置の一部であっても取り付けられていてもよい検出窓を使用することによって単純化することができる。検出窓の一体化により、レーザセンサの集積に必要なサイズを小さくすることができる。
【００２４】
レーザセンサは、エアクリーナ、空調装置、あるいは、1つ、2つ、3つ又はそれ以上の追加のセンサを含むセンサボックスによってさらに構成されてもよい。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態は、従属請求項とそれぞれの独立請求項との任意の組み合わせであってもよいことを理解されたい。
【００２６】
さらなる有利な実施形態を以下に定義する。
【００２７】
本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に記載される実施形態を参照して明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、従来のレーザセンサモジュールの原理図を示している。
【図２】図２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３】図３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４】図４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５】図５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６】図６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７】図７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８】図８は、検出器を有するレーザの原理図を示している。
【図９】図９は、レーザセンサの原理図を示している。
【図１０】図１０は、移動通信装置の原理図を示している。  図面において、同様の番号は全体を通して同様のオブジェクトを指す。図中のオブジェクトは、必ずしも縮尺通りに描かれていない。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の様々な実施形態を、図面を用いて説明する。
【００３０】
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。
【００３１】
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。レンズは、ダイオードレーザと窓との間に配置される。このレンズは、透明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。
【００３２】
レーザによって放射される放射強度の変化は、レーザキャビティを横切るインピーダンス変化を決定するように構成されたフォトダイオード又は検出器によって検出することができる。ダイオード又はインピーダンス検出器は、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。
【００３３】
自己混合干渉信号は、例えば、粒子検出の場合には、短い信号バースト又は幾つかの信号バーストによって特徴付けられてもよい。従って、信号検出及び信号解析を簡単にするために、DC駆動電流を使用することが好ましい場合がある。変調された駆動電流は、例えば、上述のようにより大きな粒子でレーザ光を反射することによって生成され得る自己混合干渉信号によって、粒子の位置及び／又は速度を決定するために使用され得る。速度（及び、オプションで距離）は、1回の測定内又はその後の測定ステップ内で決定することができる。従って、粒子流の速度を決定するために、所望の粒子サイズの粒子測定値及び変調された駆動電流を生成するために、第１の期間にDC駆動電流を使用することが可能であり、又は、有益でさえあり得る。信号の距離、持続時間、及び、強度が、オプションで、粒子サイズを決定するために使用されてもよい。
【００３４】
図１は、従来のレーザセンサモジュールの原理図を示す。レーザセンサモジュールは、レーザの電気接点間のインピーダンスの変化を決定するレーザ１００及び検出器１２０を含む。レーザ１００によって放出されたレーザ光は、従来の両凸レンズ１５９により、検出窓１５８を介して集束領域１１５に集束される。
【００３５】
図２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。レーザセンサモジュールは、レーザ１００と、レーザ１００のレーザキャビティにおける定在波パターンの変化によって引き起こされるレーザの電気接点間のインピーダンスの変化を決定するための検出器１２０と、を有する。レーザ１００は、小型光学装置１５０の方向に測定ビーム１１１を放射するように構成される。小型光学装置１５０は、屈折率ｎを有する光キャリア１５４を有する。光キャリア１５４のレーザ１００よりも背面側には、直径Φｂの凸状鏡面が配置されている。光学キャリア１５４の反対側の前面には、凹状鏡面１５６が配置されている。凹状鏡面１５６は、レーザ１００によって放出された測定ビーム１１１が光キャリア１５４に入ることができる円形の入射面を取り囲んでいる。レーザと入射面との間の距離はνで示される。光キャリアに入射する測定ビーム１１１は、凸状鏡面１５２によって反射され、凹状鏡面１５６に発散される。入射面と凸状鏡面１５２との間の距離をｄとする。凹状鏡面１５６は、凸状鏡面１５２から受け取った測定ビーム１１１を集束領域１１５（図示せず）に集束させるように配置されている。凹状鏡面１５６によって反射された測定ビーム１１１は、小型光学装置１５０の出射面を画定する透明光キャリア１５４の背面を通過する。測定ビーム１１１は、射出面を通過するときに直径Φｕを有する。凸状鏡面１５２によって遮蔽される面積を決定するために使用される直径Φｂは、次式によって表される。
【数１】
2019515258.tif 000003
ここで、νはレーザから入射面までの距離、NAはビームの結合開口数、dは光キャリア１５４の厚さ、nは光キャリア１５４の材料の屈折率である。レーザセンサモジュールのトータルサイズは、例えばNA＝０．２の小さな結合係数開口を有する小型光学装置１５０によって低減され得る。
【００３６】
測定ビーム１１１は、対象物、例えば集束領域内の粒子に当たり、測定ビーム１１１の一部は小型光学装置１５０の射出面の方向に後方散乱される。後方散乱測定ビーム１１１の一部は、凸状鏡面１５２の背面によって遮断（吸収又は反射）される。集束領域に向かう測定ビーム自体も、凹状鏡面１５２によって遮断される。小型光学装置１５０の欠点は、対象物において散乱する前に測定ビーム１１１の光が本質的に全くなくても、光キャリア１５４（出射面）の裏面の凸状鏡面１５２が後方散乱測定ビーム１１１の一部を遮ることである。凸状鏡面１５２の直径Φｂの２乗と出射面における測定ビーム１１１の直径Φｕの２乗の比は、レーザ１００のレーザキャビティに再入射する散乱測定ビームの強度を決定する。従って、レーザセンサモジュールの感度が低下され得る。
【００３７】
図３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。一般的な構成は、図２に関して説明した構成とほぼ同じである。差異は、検出器１２０が、レーザ１００のレーザキャビティ内の光学定在波の変化を測定するように構成されたフォトダイオードであることである。さらに別の違いは、光学装置１５５、この場合は凸レンズが、レーザ１００によって放出された発散する測定ビーム１１１を集束させるために、レーザと小型光学装置１５０との間に配置されることである。実質的に平行な測定ビーム１１１が凸状鏡面１５２によって反射されるように、測定ビーム１１１は集束される。凸状鏡面１５２の湾曲は、図２で論じた凸状鏡面１５２と比較して増大する。従って、遮断面積を小さくすることができ、レーザセンサモジュールの感度を向上させることができる。さらに、レーザと小型光学装置１５０の入射面との距離を小さくすることができる。光学装置１５５は、凸状鏡面１５２の画定された照明を可能にするために、１，２，３又はそれ以上の光学部品を含むことができる。
【００３８】
図４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。一般的な構成は、図１及び図２に関して説明した構成に非常に類似している。検出器１２０は、この場合、レーザ１００の半導体層構造に組み込まれたフォトダイオードである。光学装置１５５は、この実施形態では、小型光学装置１５０を含む。入射ビームの曲率は、測定ビーム１１１が集束し、本質的に平行な測定ビーム１１１が凸状鏡面１５２で反射されるように増加する。光学装置１５５を小型光学装置の入射面に組み込むことにより、レーザセンサモジュールのサイズをさらに小さくすることができ、さらに凸状鏡面１５２によって遮蔽される面積を減少させることができる。
【００３９】
図５は、図４に関して説明したレーザセンサモジュールと非常に類似している第４のレーザセンサモジュールの原理図を示している。レーザセンサモジュールは、厚さｄｗ及び屈折率ｎｗを有する検出窓１５８をさらに備える。集束領域１１５に集束される測定ビームの開口数は、ＮＡｆｏｃｕｓによって与えられる。散乱された測定ビーム１１１を遮断する凸状鏡面１５２の直径Φｂは、この場合、次式で与えられる。
【数２】
2019515258.tif 000004
ここで、Ｒは入射面の（近軸）半径である。
【００４０】
ν＝０．６ｍｍ、ｄ＝１．５ｍｍ、ｎ＝１．５、及び、ＮＡ＝０．１９のデータを有する例では、余分なレンズパワーのないΦｂの値は０．６１ｍｍである（図１に関して上記の式を参照）。レンズパワーが（近軸）Ｒ＝０．３５ｍｍで加えられるとき、Φｂの値は０．２８ｍｍに減少する。出射面における測定ビーム１１１の直径Φｕ＝１．５ｍｍを考慮すると、この例では、遮断領域とビーム領域
【数３】
2019515258.tif 000005
との比は１６．５％から３．５％に減少する。これはほぼ１／５である。
【００４１】
図６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。一般的な構成は、図５に関して説明した構成に非常に類似している。検出窓１５８は、この場合、小型光学装置１５０の一体化された部分である。検出窓１５８は光キャリア１５４を含む。検出窓１５８の一体化は、非常にコンパクトなレーザセンサモジュールを可能にする。透明な保護層は、光キャリア及び凸状鏡面１５２がより傷つきにくいように、検出領域１５８の方向に検出窓１５８の裏側に取り付けられてもよい。
【００４２】
図７は、光リダイレクト装置１６０を含む第６のレーザセンサモジュールの原理図を示している。レーザ１００、検出器１２０、及び、小型光学装置１５０の構成は、図４に関して論じたものと本質的に同じである。光リダイレクト装置１６０は、この場合、集束領域１１５が移動し、検出量が増加するように、測定ビーム１１１を動的に方向変更する可動MEMSミラーである。このような構成は、粒子の数が検出量を増加させることによって増加するため、粒子検出の場合に特に有益であり得る。従って、検出時間を短縮することができる。MEMSミラーは、小型光学装置１５０と検出窓１５８との間に配置される。射出面における測定ビーム１１１の直径Φｕは、次式で与えられる。
【数４】
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ここで、焦点を合わせるためのレンズからの距離ｄｗ及びｎｗは、上述したような検出窓１５８の厚さ及び屈折率である。検出窓１５８の厚さｄｗは、典型的には０．５ｍｍであり、検出窓１５８の反射指数ｎｗは、典型的には１．５である。ガラス厚さの補正係数は０．１７ｍｍであり、これは直径Φｕが近似的に次のように表されるようにかなり小さい。
【数５】
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【００４３】
PM2.5粒子検出器の集束ＮＡの典型的な値は次のとおりである。
【数６】
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【００４４】
MEMSミラーの場合、ｂの最小値は約７ｍｍである。これは、Φｕ＝１．４ｍｍを意味している。MEMSミラーがない場合、検出窓１５８から集束領域１１５までの最小距離は約２ｍｍであるので、ｂの最小値は２．５ｍｍである。これは、Φｕ＝０．５ｍｍとなる。レンズの倍率ｍは、焦点NAとカップリングNAとの比である。
【数７】
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【００４５】
従来のレンズ（図１参照）では、ｂとνとの比は、倍率にほぼ比例する。ＮＡｆｏｃｕｓ＝０．１０且つＮＡ＝０．１９の場合、倍率は１．９である。小型光学装置１５０では、ｂとνとの比は１０倍以上にすることができる。これは、小型光学装置１５０を使用することによって、MEMSミラーの場合の建物高さを約３．６ｍｍに低減できることを意味する。MEMSミラーがない場合では、約１．３ｍｍである。
【００４６】
図８は、検出器１２０を含むレーザ１００の原理図を示している。レーザは、集積フォトダイオードを有する垂直空洞面発光レーザ（VCSEL）である。レーザ１００は、半導体基板１２上に配置され、底部電極１０を含む。レーザは、レーザ１００のレーザキャビティ内の光学定在波の変化を決定するように配置された１又は複数の感光層を含む検出層１４を更に有する。光電流は、底部電極１０と検出電極１５とによって測定される。VCSELのレーザキャビティは、底部分布ブラッグ反射器（DBR）１６、活性層１７、上部DBR１８、及び、上部電極１９を含む。
【００４７】
図９は、粒子センサとして構成されたレーザセンサ１８０の原理図を示している。レーザセンサ１８０は、レーザ１００と、集積検出器１２０（フォトダイオード）とを含む。レーザ１００は、測定ビーム１１１を放射する。小型光学装置１５０が、レーザ１００と測定ビーム１１１（図示せず）の集束領域との間に配置される。自己混合干渉信号は、例えば粒子センサの検出窓１５８（図示せず）に平行な粒子流に含まれる粒子による測定ビーム１１１の反射又は散乱後に生成されてもよい。自己混合干渉信号は、検出器１２０によって検出される。検出された自己混合干渉信号は、評価器１４０によって受信され評価される。レーザ１１１は、電気ドライバ１３０によって駆動される。評価器１４０及び電力によって生成された電気的測定結果は、共通のインターフェース１３５によって転送されてもよい。あるいは、電気信号及び電力を転送するために別個のインタフェースを使用してもよい。評価器１４０は、上述した処理装置及びメモリ装置（図示せず）を有する。
【００４８】
図１０は、レーザセンサ１８０を含む移動通信装置１９０の主要な略図を示している。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、を備える。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、上述した評価器１４０の機能の少なくとも一部を含む。主処理装置１９２は、粒子検出に関するデータを主記憶装置１９３に格納する。別の実施形態では、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により移動通信装置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１８０により供給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る。レーザセンサ１８０は、移動通信装置１９０の電源によって電力が供給される。移動通信装置１９０は、姿勢検出装置（図示せず）をさらに備えることができる。姿勢検出装置は、例えば、地面に対する移動通信装置１９０の相対位置を決定するように適合されてもよい。姿勢検出装置は、レーザセンサ１８０によって提供されるデータと姿勢検出装置によって提供されるデータとを組み合わせるために、評価器１４０又は主処理装置と結合されてもよい。姿勢検出装置とレーザセンサ１８０との結合は、風速と粒子密度とのより信頼性の高い検出を可能にし、また風向についての情報を提供することができる。
【００４９】
コンパクトな自己混合干渉レーザセンサモジュール又はレーザセンサ１８０を提供することが、本発明の基本的な考えである。光キャリアを埋め込んだ少なくとも凸状鏡面１５２及び凹状鏡面１５６を含む小型光学装置１５０を使用して、レーザセンサモジュール又はレーザセンサ１８０の建物高さを低減することができる。追加の集束装置１５５を使用して、光検出経路内の少なくとも凸状鏡面１５２の配置によって引き起こされる測定ビーム１１１の遮断を減少させることができる。レーザセンサモジュール又はレーザセンサ１８０は、例えば粒子検出、速度測定、ジェスチャ制御、又は、距離測定に使用することができる。レーザセンサモジュール又はレーザセンサ１８０は、例えば、エアクリーナ、掃除機、空調装置、移動通信装置などの移動装置のような他の装置によって構成することができる。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【符号の説明】
【００５４】
１０  底部電極
１２  基板
１４  検出層
１５  検出電極
１６  底部ＤＢＲ
１７  活性層
１８  上部ＤＢＲ
１９  上部電極
１００  レーザ
１１１  測定ビーム
１１５  集束領域
１２０  検出器
１３０  電気ドライバ
１３５  インタフェース
１４０  評価器
１５０  小型光学装置
１５２  凸状鏡面
１５４  光キャリア
１５５  集束装置
１５６  凹状鏡面
１５８  検出窓
１５９  従来レンズ
１６０  光リダイレクト装置
１８０  レーザセンサ
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  主メモリ装置
ν  レーザから入射面までの距離
ＮＡ  ビームの結合開口数
ｄ  レンズの厚さ
ｎｗ  窓の屈折率
ＮＡｆｏｃｕｓ  集束されたビームにおけるＮＡ
Φｂ  遮断領域の直径
Φｕ  出射ビーム直径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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