(57)【要約】  レーザを有するレーザモジュール（１８）と、温度放射（１４）を検出するように構成された検出器（２６）とを有する粒子センサ（１６）が提案される。粒子センサ（１６）は、光学装置（３６）を有し、光学装置（３６）は、レーザモジュール（１８）から発せられたレーザ光を第１のスポット（２２）に集束させるように構成されており、かつ、第１のスポット（２２）から発せられた温度放射（１４）を第２のスポットに集束させるように構成されており、検出器（２６）の放射感応面は、第２のスポット内に位置しており、又は、第２のスポットに集束された温度放射（１４）のビーム経路上で、第２のスポットの後方に位置していることを特徴とする。
2021515891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザを有するレーザモジュール（１８）と、温度放射（１４）を検出するように構成された検出器（２６）とを有する粒子センサ（１６）において、
前記粒子センサ（１６）は、光学装置（３６）を有し、
前記光学装置（３６）は、
前記レーザモジュール（１８）から発せられたレーザ光を第１のスポット（２２）に集束させるように構成されており、かつ、
前記第１のスポット（２２）から発せられた温度放射（１４）を第２のスポット（４０）に集束させるように構成されており、
前記検出器（２６）の放射感応面は、
前記第２のスポット（４０）内に位置している、又は、
前記第２のスポット（４０）に集束された前記温度放射（１４）のビーム経路上で、前記第２のスポット（４０）の後方に位置している、
ことを特徴とする粒子センサ（１６）。
【請求項２】
前記光学装置（３６）は、ビームスプリッタ（３８）と、第１の集束光学素子（２０）とを有し、
前記ビームスプリッタ（３８）は、前記レーザ光（１０）のビーム経路上で、前記レーザモジュール（１８）と前記第１の集束光学素子（２０）との間に配置されている、
請求項１に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項３】
前記第１の集束光学素子（２０）は、前記第１のスポット（２２）から発せられた温度放射（１４）を前記ビームスプリッタ（３８）に向けるように構成されており、
前記検出器（２６）は、前記ビームスプリッタ（３８）から発せられた前記温度放射（１４）のビーム経路上に配置されている、
請求項２に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項４】
前記第１のスポット（２２）は、前記第１の集束光学素子（２０）の第１の焦点内に位置しており、
前記第２のスポット（４０）は、前記第１の集束光学素子（２０）の第２の焦点内に位置している、
請求項３に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項５】
前記光学装置（３６）は、第２の集束光学素子（４８）を有し、
前記第２の集束光学素子（４８）は、
前記ビームスプリッタ（３８）から発せられた前記温度放射（１４）のビーム経路上に配置されており、
前記ビームスプリッタ（３８）から入射してきた温度放射（１４）を前記第２のスポット（４０）に集束させるように構成されている、
請求項４に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項６】
前記ビームスプリッタ（３８）から発せられた前記温度放射（１４）のビーム経路上で、前記ビームスプリッタ（３８）と前記第２の集束光学素子（４８）との間に、波長選択性の光学フィルタ（５２）が配置されており、
前記波長選択性の光学フィルタ（５２）の、前記レーザ光（１０）に対する透過性は、前記第１のスポット（２２）から発せられた温度放射（１４）に対する透過性よりも低い、
請求項５に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項７】
前記検出器（２６）の前記放射感応面は、前記第２のスポット（４０）に集束された前記温度放射（１４）のビーム経路上で、前記第２のスポット（４０）の後方に位置している、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の粒子センサ（１６）、又は、請求項１の代替形態による粒子センサ（１６）において、
前記第２のスポット（４０）は、前記温度放射のビーム経路上で、前記ビームスプリッタと前記検出器との間の配置されているピンホール絞り（４２）の開口部内に位置している、
ことを特徴とする粒子センサ（１６）。
【請求項８】
前記温度放射（１４）のビーム経路上で、前記ピンホール絞り（４２）と前記検出器（２６）との間に、第３の光学素子（５３）が配置されており、前記第３の光学素子（５３）は、前記ピンホール絞りの開口部から発せられた温度放射（１４）を平行化し、
前記温度放射（１４）のさらなるビーム経路上に、第４の光学素子（５４）が配置されており、前記第４の光学素子（５４）は、前記第３の光学素子（５３）によって平行化された前記温度放射（１４）を前記検出器（２６）に集束させる、
請求項７に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項９】
前記光学装置（３６）は、さらなる光学素子（４４）を有し、
前記さらなる光学素子（４４）は、
前記レーザ光（１０）のビーム経路上で、前記レーザモジュール（１８）と前記ビームスプリッタ（３８）との間に配置されており、
前記レーザモジュール（１８）から発せられたレーザ光（１０）を平行化して、前記ビームスプリッタ（３８）に向けるように構成されている、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項１０】
前記レーザは、半導体レーザ素子、特にレーザダイオードである、
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項１１】
前記ビームスプリッタ（３８）は、偏光ビームスプリッタであり、
前記偏光ビームスプリッタは、入射してきた所定の偏光方向を有する前記レーザ光（１０）に対して最大の透過性を有するように方向決めされている、
請求項２乃至６のいずれか一項に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項１２】
前記ビームスプリッタ（３８）は、ダイクロイックミラーであり、偏光ビームスプリッタであり、
前記偏光ビームスプリッタは、入射してきた所定の偏光方向を有する前記レーザ光（１０）に対して最大の透過性を有するように方向決めされている、
請求項１１に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項１３】
前記レーザモジュール（１８）は、５００ｎｍ未満の波長、特に４０５ｎｍ、４５０ｎｍ又は４６５ｎｍの波長を有するレーザ光（１０）を放出するように構成されており、
前記波長選択性の光学フィルタ（５２）は、５００ｎｍ未満の波長を有する光を減衰させるように又はそれどころか遮断するように構成されている、
請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項１４】
測定ガスに曝されるように構成された第１の部分（１６．１）と、
前記粒子センサ（１６）の光学部品を含む、前記測定ガスに曝されない第２の部分（１６．２）と、
が設けられており、
両方の部分は、前記測定ガスに対して非透過性である分離壁（１６．３）を介して分離されている、
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項１５】
前記レーザ光（１０）の前記ビーム経路上で、前記分離壁に窓（３４）が取り付けられており、
前記窓（３４）は、前記レーザ光（１０）と、前記第１のスポット（２２）から発せられた放射（１４）との両方に対して透過性を有する、
請求項１４に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項１６】
前記粒子センサ（１６）は、外側保護管（２８）及び内側保護管（３０）からなる配列を有し、前記外側保護管（２８）及び前記内側保護管（３０）は、両方とも一般的な円筒形状又は角柱形状を有し、
前記外側保護管（２８）と前記内側保護管（３０）とは、同軸上に配置されており、前記円筒形状又は前記角柱形状の軸線は、前記レーザ光（１０）の入射方向に対して平行に方向決めされており、前記第１のスポット（２２）は、前記内側保護管（３０）の内部に位置しており、
前記外側保護管（２８）の、前記レーザモジュール（１８）の方を向いた端部は、前記内側保護管（３０）を越えて突出しており、
前記内側保護管（３０）の、反対側の端部は、前記外側保護管（２８）を越えて突出している、
請求項１４又は１５に記載の粒子センサ（１６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載の粒子センサに関する。そのような粒子センサは、レーザを有するレーザモジュールと、温度放射を検出するように構成された検出器とを有する。
【背景技術】
【０００２】
空気中のナノ粒子を検出するためのレーザ誘起白熱法（ＬＩＩ）の原理は、例えば、B.F. Kock著の「“Two-color time-resolved LII applied to soot particle sizing, Combustion and flame”，2006年」や、S. Schraml著の「“Application of a new soot sensor for exhaust”，SAE TECHNICAL PAPER SERIES，2000年」から公知であり、例えば、実験室の「ガラス状」機関における燃焼プロセスの特性評価のために、又は、排気ガスの特性評価のために、集中的に使用されている。燃焼時に発生する煤粒子は、高出力レーザのナノ秒パルスによって摂氏数千度に加熱され、粒子の熱的な発光が、光検出器によって測定される。この方法においては、数十ｎｍの直径を有する非常に小さい粒子を検出することが可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】「“Two-color time-resolved LII applied to soot particle sizing, Combustion and flame”，2006年」B.F. Kock著
【非特許文献２】「“Application of a new soot sensor for exhaust”，SAE TECHNICAL PAPER SERIES，2000年」S. Schraml著
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この原理を、自動車のディーゼルエンジン又はガソリンエンジンの排気系統内における煤粒子の検出に拡張することが考えられる。この際、連続動作式（ＣＷ）の低コストのレーザダイオードを使用して、レーザビームの焦点内にある煤粒子を、この煤粒子が明確な熱的な発光信号を放出するように強力に加熱し、この熱的な発光信号を、例えばフォトダイオードのような検出器によって検出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の開示
この関連において本発明は、粒子センサが特徴的な特徴を有するようにすることを企図する。冒頭で述べた方式の粒子センサは、光学装置を有し、光学装置は、レーザモジュールから発せられたレーザ光を第１のスポットに集束させるように構成されており、かつ、第１のスポットから発せられた温度放射を第２のスポットに集束させるように構成されており、検出器の放射感応面は、第２のスポット内に位置しており、又は、第２のスポットに集束された温度放射のビーム経路上で、第２のスポットの後方に位置している。
【０００６】
本発明は、自動車の排気系統内で生成されたレーザ誘起白熱の測定信号を検出する際に、スポットの近傍の高温の環境（高温の排気管、高温のセンサヘッド）の熱放射によって引き起こされる干渉光が発生する可能性があるという知識に基づいている。検出器に対する干渉光の絶対的な伝導は、数Ｎで非常にわずかではあり得るが、状況によっては、実際に測定されるべき粒子よりも数桁より強い検出器信号を引き起こし、その測定信号は、Ｐｏ範囲内になる可能性がある。さらに、スポットの縁部領域においてスポットを横断する粒子によって生成された測定信号の検出に基づいて粒子寸法の分布を特定する場合には、問題が生じる。第１のスポットの縁部領域においては第１のスポットの出力密度が比較的低くなることに起因して、第１のスポットの縁部領域における温度は、第１スポットの中心を横断する粒子の場合よりも低くなる。その結果、比較的弱いＬＩＩ信号が生じることとなり、この比較的弱いＬＩＩ信号は、比較的小さい信号のＬＩＩ信号と混同されやすくなる可能性がある。即ち、焦点縁部における粒子の信号は、本質的に、誤った評価につながるので望ましくない。
【０００７】
本発明は、粒子を検出するための共焦点検出方法によって上記の問題を最終的に解決する。この共焦点検出方法によれば、狙いを定めて、厳格に限定された空間領域からの光、即ち、第１のスポット又は第１のスポットの一部からの光の温度放射だけが検出器に向けられ、この厳格に限定された空間領域の外側に由来する温度放射は、検出器の放射感応面には到達しなくなる。これらの特徴によって、温度放射うちの、第１のスポットに直接的に由来しない部分、又は、より正確には、第１のスポットの中心に由来しない部分が、検出器によって生成される信号に対して与える影響を、低減することが可能となる。
【０００８】
従って、本発明は、共焦点検出方法を、レーザ誘導白熱法による排気系統内における煤粒子の光学的な検出と組み合わせるものである。この組合せにより、高温の環境に由来する熱的な干渉信号をほぼ完全に抑制し、ひいては、信号対雑音比を大幅に向上させることが可能となり、これによって、非常に低出力のＬＩＩ信号を検出することが容易になる。さらに、本方法は、誤った信号の削減につながる。なぜなら、焦点のすぐ近傍にある粒子に由来するＬＩＩ信号だけが、検出器に到達するからである。
【０００９】
１つの好ましい実施形態は、光学装置が、ビームスプリッタと、第１の集束光学素子とを有し、ビームスプリッタが、レーザ光のビーム経路上で、レーザモジュールと第１の集束光学素子との間に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
第１の集束光学素子が、第１のスポットから発せられた温度放射をビームスプリッタに向けるように構成されており、検出器が、ビームスプリッタから発せられた温度放射のビーム経路上に配置されていることも好ましい。
【００１１】
ビームスプリッタにより、レーザモジュールから第１のスポットにつながるビーム経路のために、及び、第１のスポットから第２のスポットにつながるビーム経路のために、部分的に、同一の光学素子を使用することが可能となる。
【００１２】
さらに、第１のスポットが、第１の集束光学素子の第１の焦点内に位置しており、第２のスポットが、第１の集束光学素子の第２の焦点内に位置していることが好ましい。この実施形態は、ほんのわずかな光学素子しか必要としないという利点を有する。
【００１３】
さらなる有利な実施形態は、光学装置が、第２の集束光学素子を有し、第２の集束光学素子が、ビームスプリッタから発せられた温度放射のビーム経路上に配置されており、ビームスプリッタから入射してきた温度放射を第２のスポットに集束させるように構成されていることを特徴とする。この実施形態によって、特に光学システムを設計する際における構造上の自由度がより拡大する。
【００１４】
ビームスプリッタから発せられた温度放射のビーム経路上で、ビームスプリッタと第２の集束光学素子との間に、波長選択性の光学フィルタが配置されており、波長選択性の光学フィルタの、レーザ光に対する透過性が、第１のスポットから発せられた温度放射に対する透過性よりも低いことも好ましい。この特徴によって、望ましくない反射及び／又は屈折に起因して阻止されるレーザ光を、検出器に入射する前にフィルタリングすることができる。結果として、信号対雑音比が所期のように改善され、ひいては、測定感度及び測定精度が向上する。
【００１５】
さらに、検出器の放射感応面が、第２のスポットに集束された温度放射のビーム経路上で、第２のスポットの後方に位置している実施形態においては、第２のスポットが、温度放射のビーム経路上で、ビームスプリッタと検出器との間の配置されているピンホール絞りの開口部内に位置していることが好ましい。このようなピンホール絞りによって、第１のスポットに直接的に由来するのではなく、第１のスポットのわずかに前方若しくは後方又は第１のスポットの右側若しくは左側又は第１のスポットの上若しくは下に位置する点に由来する放射成分を、検出器から遠ざけることができる。これらの放射成分は、ピンホール絞りの開口部の平面において、ピンホール絞りの開口部に隣接する、ピンホール絞りの非透過性の部分に位置している。
【００１６】
さらなる好ましい実施形態は、温度放射のビーム経路上で、ピンホール絞りと検出器との間に、第３の光学素子が配置されており、第３の光学素子は、ピンホール絞りの開口部から発せられた温度放射を平行化し、温度放射のさらなるビーム経路上に、第４の光学素子が配置されており、第４の光学素子は、第３の光学素子によって平行化された温度放射を検出器に集束させることを特徴とする。これらの特徴によって、特に、ビームスプリッタと検出器との間のビーム経路を延長及び方向変化させることが可能となり、このことによって、粒子センサを設計する際における構造上の自由度が拡大する。
【００１７】
光学装置が、さらなる光学素子を有し、さらなる光学素子が、レーザ光のビーム経路上で、レーザモジュールとビームスプリッタとの間に配置されており、レーザモジュールから発せられたレーザ光を平行化して、ビームスプリッタに向けるように構成されていることも好ましい。本明細書における平行化とは、光束又は放射束の拡がり角の減少であると理解され、この平行化は、必ずしも完全に（拡がり角がゼロとなるように）実施されなくてもよい。平行化により、ビームスプリッタに入射するレーザ光のビーム断面が減少し、このことによって、事前に平行化しない場合よりも、ビームスプリッタを小型にすることができる。
【００１８】
さらに、レーザが、半導体レーザ素子、特にレーザダイオードであることが好ましい。この実施形態は、低コストかつロバストなレーザダイオードが市場で入手可能であるという利点を有する。
【００１９】
ビームスプリッタが、偏光ビームスプリッタであり、偏光ビームスプリッタが、入射してきた所定の偏光方向を有するレーザ光に対して最大の透過性を有するように方向決めされていることも好ましい。レーザ光は、しばしば偏光された形態で発生する。偏光ビームスプリッタと、レーザ光を偏光させるために偏光ビームスプリッタを適当に方向決めすることとによって、レーザ光の大部分を、信号生成のために利用することが可能となる。
【００２０】
レーザ光１０は、一般的に既に偏光されているので、レーザ光１０は、偏光ビームスプリッタの偏光方向に対して適当に選択された配置においては、偏光ビームスプリッタを一方向に（第１のスポット２２に向かう方向に）実質的に無損失で通過することができる。換言すれば、レーザの偏光とレーザの方向とを正しく選択することにより、その位置における透過出力を最大化することが可能であり（ほぼ１００％まで）、その一方で、従来の非偏光ビームスプリッタの場合には、ビームスプリッタを透過する際の約５０％の出力損失を甘受しなければならない。
【００２１】
さらに、レーザが、５００ｎｍ未満の波長、特に４０５ｎｍ、４５０ｎｍ又は４６５ｎｍの波長を有するレーザ光を放出するように構成されており、光学フィルタが、５００ｎｍ未満の波長を有する光を減衰させるように又はそれどころか遮断するように構成されていることが好ましい。この特徴により、そのようなフィルタを有さない実施形態と比較して、信号対雑音比が改善される。
【００２２】
さらなる好ましい実施形態は、粒子センサが、測定ガスに曝されるように構成された第１の部分と、粒子センサの光学部品を含む、測定ガスに曝されないように構成された第２の部分とを有し、両方の部分が、測定ガスに対して非透過性である分離壁を介して分離されていることを特徴とする。これによって、光学部品を、測定ガス流から隔離されるように配置することができ、これによって、内燃機関の排気ガスのような高温で化学浸食性の測定ガス中の粒子濃度を測定するためにも、センサを使用することが可能となる。
【００２３】
レーザ光のビーム経路上で、分離壁に窓が取り付けられており、当該窓が、レーザ光と、スポットから発せられた放射との両方に対して透過性を有することも好ましい。
【００２４】
さらには、粒子センサが、外側保護管及び内側保護管からなる配列を有し、外側保護管及び内側保護管が、両方とも一般的な円筒形状又は角柱形状を有し、外側保護管と内側保護管とが、同軸上に配置されており、円筒形状又は角柱形状の軸線が、レーザ光の入射方向に対して平行に方向決めされており、スポットが、内側保護管の内部に位置しており、外側保護管２８の、レーザの方を向いた端部が、内側保護管３０を越えて突出しており、内側保護管３０の、反対側の端部が、外側保護管２８を越えて突出していることが好ましい。
【００２５】
さらなる利点は、従属請求項、明細書及び添付の図面から明らかになる。
【００２６】
本発明に係る粒子センサは、内燃機関の排気ガス中の煤粒子の濃度、質量及び速度を測定するための煤粒子センサとして使用され得る。しかしながら、本発明に係る粒子センサを、ガス中の他の粒子濃度を測定するために、例えば、室内の空気中又は屋外の微細な粉塵を測定するために使用してもよい。
【００２７】
上述した特徴及び後述する特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれ記載された組合せだけでなく、他の組合せでも又は単独でも使用することが可能であることは自明である。
【００２８】
本発明の実施例を図面に示し、以下の記載においてより詳細に説明する。それぞれ異なる図面における同一の参照符号は、それぞれ同一の要素を示し、又は、少なくとも機能的に同等の要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明において使用されるレーザ誘起白熱法に基づく測定原理を示す図である。
【図２】レーザ誘起白熱法によって動作する粒子センサの基本構造を示す図である。
【図３】本発明に係る粒子センサの第１の実施例を示す図である。
【図４】本発明に係る粒子センサの、非平行なビーム経路によって動作する光学部分の実施例を示す図である。
【図５】本発明に係る粒子センサの、平行なビーム経路によって動作する光学部分の実施例を示す図である。
【図６】本発明に係る粒子センサの、非平行なビーム経路によって動作する光学部分のさらなる実施例を示す図である。
【図７】第２のスポットと検出器との間に配置された光学素子を有する、粒子センサの光学部分のさらなる実施例を示す図である。
【図８】検出器がピンホール絞り機能も実現する、さらなる実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１は、レーザ誘起白熱法（ＬＩＩ）に基づく測定原理を示している。高強度のレーザ光１０が、粒子１２に衝突する。レーザ光１０の強度は、粒子１２によって吸収されるレーザ光１０のエネルギが、粒子１２を摂氏数千度に加熱するほどに非常に高くなっている。加熱の結果として、粒子１２は、以下においてはＬＩＩ光とも称される温度放射の形態の放射１４を、実質的に優先方向なしに自発的に有意に放出する。従って、温度放射の形態で放出される放射１４の一部は、入射レーザ光１０の方向とは反対の方向にも放出される。
【００３１】
図２は、粒子センサ１６の基本構造を概略的に示している。ここでは、粒子センサ１６は、ＣＷレーザモジュール１８（ＣＷ：連続波）を有し、このＣＷレーザモジュール１８の、好ましくは平行なレーザ光１０は、ＣＷレーザモジュール１８のビーム経路上に配置された少なくとも１つの第１の集束光学素子２０によって、非常に小さい第１のスポット２２に集束される。第１の集束光学素子２０は、好ましくは第１のレンズ２４である。レーザ光１０の強度は、第１のスポット２２の体積内においてのみ、ＬＩＩのために必要な高い値に到達する。本発明は、ＣＷレーザの使用に限定されているわけではない。パルス駆動型のレーザを使用することも考えられる。
【００３２】
第１のスポット２２の寸法は、数μｍの範囲であり、特に最大でも２００μｍの範囲であり、従って、第１のスポット２２を横断する粒子１２は、レーザ誘起白熱によってであれ又は化学反応（特に酸化）によってであれ、励起されて評価可能な放射出力を放出する。結果として、第１のスポット２２内には常に多くても１つの粒子１２しか存在せず、粒子センサ１６の瞬間的な測定信号は、この多くても１つの粒子１２のみに由来するということを前提にすることができる。測定信号は、検出器２６によって生成され、この検出器２６は、第１のスポット２２を飛行通過する粒子１２から発せられる放射１４、特に温度放射を検出するように、粒子センサ１６内に配置されている。このために検出器２６は、好ましくは少なくとも１つのフォトダイオード２６．１を有する。
【００３３】
レーザモジュール１８のレーザを変調すること、又は、スイッチオン及びスイッチオフすることも、十分に可能である（デューティサイクル＜１００％）。しかしながら、レーザモジュール１８のレーザを、ＣＷレーザとすることが好ましい。このことによって、低コストの半導体レーザ素子（レーザダイオード）を使用することが可能となり、これにより、粒子センサ１６全体が安価になり、レーザモジュール１８の制御と、測定信号の評価とが大幅に簡単になる。しかしながら、パルスレーザの使用が排除されているわけではない。
【００３４】
図３は、燃焼プロセスの排気ガス中の煤粒子センサとして使用するために適した、本発明に係る粒子センサ１６の有利な実施例を示している。
【００３５】
粒子センサ１６は、測定ガスに曝されるように構成された第１の部分１６．１と、粒子センサ１６の光学部品を含む、測定ガスに曝されない第２の部分１６．２とを有する。これら両方の部分は、測定ガスに対して非透過性の分離壁１６．３によって分離されている。レーザ光１０のビーム経路上で、分離壁に窓３４が取り付けられており、この窓３４は、レーザ光１０に対しても、第１のスポット２２から発せられた放射に対しても透過性である。
【００３６】
粒子センサ１６の第１の部分１６．１は、外側保護管２８及び内側保護管３０からなる配列を有する。２つの保護管２８，３０は、好ましくは一般的な円筒形状又は角柱形状を有する。円筒形状の底面は、好ましくは円形、楕円形又は多角形である。円筒同士は、好ましくは同軸上に配置されており、円筒の軸線は、排気ガス３２の流れを横断する方向に方向決めされている。内側保護管３０は、軸線方向に外側保護管２８を越えて、流れている排気ガス３２内に突出している。２つの保護管２８，３０の、流れている排気ガスとは逆の方向を向いた端部においては、外側保護管２８が、内側保護管３０を越えて突出している。外側保護管２８の内法幅は、好ましくは、２つの保護管２８，３０の間に第１の流れ断面が形成されるように、内側保護管３０の外径よりも大きくなっている。内側保護管３０の内法幅は、第２の流れ断面を形成している。
【００３７】
上記の幾何形状によって結果的に、排気ガス３２は、第１の流れ断面を介して２つの保護管２８，３０の配列に流入し、その後、保護管２８，３０の、排気ガス３２とは逆の方向を向いた端部において方向を転換し、内側保護管３０に流入し、そこから、通流する排気ガス３２によって吸い出されることとなる。この際、内側保護管３０内に層流が形成される。保護管２８，３０のこの配列は、排気管上又は排気管内で、排気ガス流を横断するように粒子センサ１６に取り付けられる。粒子センサのそのような第１の部分１６．１は、好ましい実施例の構成部分である。しかしながら、第１の部分１６．１の特徴は、本発明に不可欠な特徴ではない。本発明に不可欠な特徴は、粒子センサ１６の第２の部分１６．２の構成部分である。
【００３８】
第２の部分１６．２は、レーザモジュール１８と、光学装置３６と、検出器２６とを有する。
【００３９】
図４は、光学装置３６の実施例を、レーザモジュール１８及び検出器２６と共に示しており、即ち、粒子センサ１６の第２の部分１６．２の実施例を示している。光学装置３６は、特にビームスプリッタ３８と、第１の集束光学素子２０とを有する。レーザモジュール１８のレーザ光１０は、例えばダイクロイックミラー又はビームスプリッタキューブであり得るビームスプリッタ３８と、第１の集束光学素子２０とを介して、第１のスポット２２に集束される。第１の集束光学素子２０は、好ましくはレンズ２４である。第１のスポットを飛行通過する粒子１２は、レーザ光によって加熱され、その結果、温度放射を放出する。粒子１２は、その寸法が小さいことに基づき、点光源とみなすことができる。
【００４０】
第１のスポット２２は、内側保護管３０の内部に位置している。この第１のスポット２２においては、レーザ光強度が、排気ガス３２と共に搬送される煤粒子１２を摂氏数千度に加熱するために十分に高いので、加熱された粒子１２が、温度放射の形態の放射１４を有意に放出する。この放射１４は、例えば近赤外及び可視スペクトル範囲にあるが、本発明は、このスペクトル範囲からの放射１４に限定されているわけではない。
【００４１】
放射１４の、温度放射の形態で無指向的に放出されたこの部分は、第１の集束光学素子２０に入射し、ビームスプリッタ３８を介して検出器２６へと伝搬し、この際、この部分は、第１の集束光学素子２０によって第２のスポット４０に集束される。図４の実施例においては、第２のスポット４０が、第１の集束光学素子２０の焦点内に位置しており、又は、逆に、焦点が、第２のスポット４０内に位置している。図４の特別な実施例から切り離してみると、第２のスポット４０が、光学装置３６の焦点内に位置しており、又は、逆に、光学装置３６の焦点が、第２のスポット４０内に位置しているということが当てはまる。
【００４２】
検出器２６は、ビームスプリッタ３８から発せられた放射１４のビーム経路上で、検出器２６の放射感応面が、第２のスポット４０内に位置するように配置されており、又は、第２のスポット４０に集束された放射１４のビーム経路上で、第２のスポット４０の後方に位置するように配置されている。図４に示される実施例においては、検出器２６は、放射１４のビーム経路上で、第２のスポット４０の後方に位置している。図示の実施例においては、第２のスポット４０は、ピンホール絞り４２の開口部上に位置しており、従って、検出器２６は、この開口部を通過して自身の放射感応面に入射してきた放射１４のみを記録する。
【００４３】
第１のスポット２２の前方、後方、右側、左側、上、又は、下に位置する領域に由来する放射１４は、ピンホール絞り４２によって遮断される。なぜなら、このような放射は、光学装置３６によって、ピンホール絞り４２のうちの、ピンホール絞り４２の開口部に隣接して位置している縁部領域であって、かつ、放射１４に対して不透明である縁部領域へと向けられるからである。これらの領域に由来する放射１４は、例えば、周囲環境からの熱的な干渉放射であり、又は、第１のスポット２２の縁部で第１のスポット２２を横断する粒子の信号である。従って、温度放射のこれらの部分は、検出器２６に到達しないので、測定信号を歪曲しない。
【００４４】
結果として、信号対雑音比（ＳＮＲ）が大幅に改善される。これに対して、第１のスポット２２に由来する温度放射であって、かつ、光学装置によってピンホール絞りの開口部に正確に向けられた温度放射の場合には、状況が異なる。この温度放射は、ピンホール絞りの直径が所定の最小寸法を下回らない限り、ピンホール絞りを完全に通過することが可能である。ここで、この最小寸法より小さい直径を選択してもよいことに留意すべきである。その場合には、検出器信号の大幅な減少を覚悟しなければならない。ピンホール絞りを使用する場合、固定の直径を有するピンホール絞りを利用することも、可変的に調整可能な直径を有するピンホール絞りを利用することもできる。後者の場合には、フィルタリング効果を広範囲に調整することが可能となる。
【００４５】
ビームスプリッタ３８は、光学装置３６において、排気ガス３２への光学的なアクセスが１つだけしか必要とされないという特に重要な利点をもたらす。なぜなら、第１のスポット２２を生成するために、及び、粒子１２から発せられた放射１４を検出するために、同一の光学系、特に同一の第１の集束光学素子２０が使用されるからである。
【００４６】
排気ガス３２は、測定ガスの一例である。測定ガスは、他のガス又はガス混合物、例えば室内空気でもよい。
【００４７】
図５は、粒子センサ１６の第２の部分１６．２の第２の実施例を示している。第２の実施例は、まず始めに、光学装置３６が、コリメートされたレーザ光１０によってビームスプリッタ３８を照明するという点で、第１の実施例とは異なっている。この実施例においては、光学装置３６は、さらなる光学素子４４を有し、このさらなる光学素子４４は、レーザ光１０のビーム経路上で、レーザモジュール１８とビームスプリッタ３８との間に配置されており、レーザモジュール１８から発せられたレーザ光１０を平行化して、ビームスプリッタ３８に向けるように構成されている。さらなる光学素子４４は、好ましくはレンズ４６である。
【００４８】
レーザモジュール１８から発せられたレーザ光１０は、さらなる光学素子４４によって平行化され、ビームスプリッタ３８を通過して第１の集束光学素子２０へと伝搬する。第１の集束光学素子２０は、レーザ光１０を第１のスポット２２に集束させる。第１のスポット２２内の加熱された粒子から発せられた放射１４は、ここでも、ビームスプリッタ３８を介して、検出器２６に通じるビーム経路に向けられる。
【００４９】
この実施例においては、光学装置３６は、第２のスポット４０を生成するために第２の集束光学素子４８を有し、この第２の集束光学素子４８は、ビームスプリッタ３８から発せられた放射１４のビーム経路上に配置されており、ビームスプリッタ３８から入射してきた放射１４を第２のスポット４０に集束させるように構成されている。第２の集束光学素子４８は、好ましくはレンズ５０である。
【００５０】
ビームスプリッタ３８と検出器２６との間に、特に、ビームスプリッタ３８と第２の集束光学素子４８との間に、波長選択性の光学フィルタ５２を配置することができ、この波長選択性の光学フィルタ５２の、レーザ光１０に対する透過性は、スポット２２から発せられた放射１４に対する透過性よりも低い。このようにして、励起レーザの起こり得る散乱光（例えば、４０５Ｎ）をフィルタリングすることができる。このようにしてフィルタリングされた放射１４は、次いで、第２の集束光学素子４８によって第２のスポット４０に集束される。このような波長選択性の光学フィルタ５２を、総ての実施例と組み合わせることができる。
【００５１】
本概念を、不完全なレーザビーム又は平行化されていないレーザビームを用いて構築してもよい。このことは、図６に示されている。図６は、粒子センサ１６の、完全には平行化されていないビーム経路によって動作する第２の部分１６．２のさらなる実施例を示している。このさらなる実施例は、完全に平行には方向決めされていないビーム経路によって動作する光学装置３６を有する。レーザモジュール１８とビームスプリッタ３８との間に配置されたさらなる光学素子４４は、レーザ光を完全に平行には方向決めせずに、レーザ光１０の拡がり角を小さくする。第１の集束光学素子２０は、ビームスプリッタ３８から発せられたレーザ光１０を第１のスポット２２に集束させ、第１のスポット２２から入射してきた放射１４をビームスプリッタ３８に向ける。第１の集束光学素子２０は、入射してきた放射１４の拡がり角を小さくする。ビームスプリッタ３８は、第１の集束光学素子２０から入射してきた放射１４を第２の集束光学素子４８に向ける。第２の集束光学素子４８は、ビームスプリッタ３８から入射してきた温度放射を第２のスポット４０に集束させる。
【００５２】
図７は、図４と同様に、粒子センサ１６の、完全には平行化されていないビーム経路によって動作する第２の部分１６．２の実施例を示している。図７に示される実施例においては、ビーム経路上で、第２のスポット４０の後方に、即ち、ピンホール絞りと検出器２６との間に、放射１４のビーム経路上で、第３の光学素子５３が配置されている。放射１４のさらなるビーム経路上には、第４の光学素子５４が配置されており、この第４の光学素子５４は、第３の光学素子５３から入射してきた放射１４を検出器２６に集束させる。２つの光学素子５３及び５４は、好ましくはレンズとして実現されている。第３の光学素子５３は、第２のスポット４０から発せられた放射１４を改めて平行化し、その一方で、第４の光学素子５４は、放射１４を最終的に検出器２６に集束させ、検出器２６は、全体としてもう少しだけピンホール絞りの後方に配置されている。
【００５３】
従って、図面に示される実施例は、全体として、光学装置を単一の、２つの又は３つ以上の集束光学素子、例えばレンズ又はミラーを有するように構築してもよいことも示している。
【００５４】
図８は、さらなる実施例を示している。この実施例は、その平行なビーム経路に関して図５の実施例にほぼ対応する。この実施例と、これまで説明してきた総ての実施例との違いは、この実施例においては、第２のスポット４０がピンホール絞りによって制限されないことにある。その代わりに、検出器２６は、第２のスポット４０内に直接的に配置されており、又は、第２のスポット４０が検出器の放射感応面上に位置するように、かつ、第２のスポット４０がこの検出器の放射感応面によって制限されるように配置されている。この場合には、検出器の放射感応面が、ピンホール絞りの機能を有する。この検出器の放射感応面に入射しない温度放射は、測定信号には寄与せず、このようにして空間的にフィルタリングされる。効率的な信号フィルタリングのために、検出器の放射感応面を、それに応じて小さく縮小しなければならない。この実施形態を、本明細書に示される総ての実施例と組み合わせることができる。さらに、レーザモジュール１８の位置と、検出器２６の位置とが入れ替えられている構造も可能である。その場合、ビームスプリッタ３８又はダイクロイックミラーは、それに応じて反対の機能を有さなければならない。その場合、ビームスプリッタ３８又はダイクロイックミラーは、励起レーザ光１０に対して全反射性を有し、ＬＩＩ信号を形成する温度放射に対して全透過性を有するべきである。
【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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【手続補正書】
【提出日】令和2年9月4日(2020.9.4)
【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】
レーザを有するレーザモジュール（１８）と、温度放射（１４）を検出するように構成された検出器（２６）とを有する粒子センサ（１６）において、
前記粒子センサ（１６）は、光学装置（３６）を有し、
前記光学装置（３６）は、
前記レーザモジュール（１８）から発せられたレーザ光（１０）を第１のスポット（２２）に集束させるように構成されており、かつ、
前記第１のスポット（２２）から発せられた温度放射（１４）を第２のスポット（４０）に集束させるように構成されており、
前記検出器（２６）の放射感応面は、
前記第２のスポット（４０）内に位置している、又は、
前記第２のスポット（４０）に集束された前記温度放射（１４）のビーム経路上で、前記第２のスポット（４０）の後方に位置している、
ことを特徴とする粒子センサ（１６）。
【請求項２】
前記光学装置（３６）は、ビームスプリッタ（３８）と、第１の集束光学素子（２０）とを有し、
前記ビームスプリッタ（３８）は、前記レーザ光（１０）のビーム経路上で、前記レーザモジュール（１８）と前記第１の集束光学素子（２０）との間に配置されている、
請求項１に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項３】
前記第１の集束光学素子（２０）は、前記第１のスポット（２２）から発せられた温度放射（１４）を前記ビームスプリッタ（３８）に向けるように構成されており、
前記検出器（２６）は、前記ビームスプリッタ（３８）から発せられた前記温度放射（１４）のビーム経路上に配置されている、
請求項２に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項４】
前記第１のスポット（２２）は、前記第１の集束光学素子（２０）の第１の焦点内に位置しており、
前記第２のスポット（４０）は、前記第１の集束光学素子（２０）の第２の焦点内に位置している、
請求項３に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項５】
前記光学装置（３６）は、第２の集束光学素子（４８）を有し、
前記第２の集束光学素子（４８）は、
前記ビームスプリッタ（３８）から発せられた前記温度放射（１４）のビーム経路上に配置されており、
前記ビームスプリッタ（３８）から入射してきた温度放射（１４）を前記第２のスポット（４０）に集束させるように構成されている、
請求項４に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項６】
前記ビームスプリッタ（３８）から発せられた前記温度放射（１４）のビーム経路上で、前記ビームスプリッタ（３８）と前記第２の集束光学素子（４８）との間に、波長選択性の光学フィルタ（５２）が配置されており、
前記波長選択性の光学フィルタ（５２）の、前記レーザ光（１０）に対する透過性は、前記第１のスポット（２２）から発せられた温度放射（１４）に対する透過性よりも低い、
請求項５に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項７】
前記検出器（２６）の前記放射感応面は、前記第２のスポット（４０）に集束された前記温度放射（１４）のビーム経路上で、前記第２のスポット（４０）の後方に位置しており、
前記第２のスポット（４０）は、前記温度放射のビーム経路上で、前記ビームスプリッタと前記検出器との間の配置されているピンホール絞り（４２）の開口部内に位置している、
請求項２乃至６のいずれか一項に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項８】
前記温度放射（１４）のビーム経路上で、前記ピンホール絞り（４２）と前記検出器（２６）との間に、第３の光学素子（５３）が配置されており、前記第３の光学素子（５３）は、前記ピンホール絞りの開口部から発せられた温度放射（１４）を平行化し、
前記温度放射（１４）のさらなるビーム経路上に、第４の光学素子（５４）が配置されており、前記第４の光学素子（５４）は、前記第３の光学素子（５３）によって平行化された前記温度放射（１４）を前記検出器（２６）に集束させる、
請求項７に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項９】
前記光学装置（３６）は、さらなる光学素子（４４）を有し、
前記さらなる光学素子（４４）は、
前記レーザ光（１０）のビーム経路上で、前記レーザモジュール（１８）と前記ビームスプリッタ（３８）との間に配置されており、
前記レーザモジュール（１８）から発せられたレーザ光（１０）を平行化して、前記ビームスプリッタ（３８）に向けるように構成されている、
請求項２乃至８のいずれか一項に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項１０】
前記レーザは、半導体レーザ素子、特にレーザダイオードである、
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項１１】
前記ビームスプリッタ（３８）は、偏光ビームスプリッタであり、
前記偏光ビームスプリッタは、入射してきた所定の偏光方向を有する前記レーザ光（１０）に対して最大の透過性を有するように方向決めされている、
請求項２乃至６のいずれか一項に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項１２】
前記ビームスプリッタ（３８）は、ダイクロイックミラーであり、
前記ダイクロイックミラーは、前記レーザ光（１０）に対して全反射性を有し、前記温度放射（１４）に対して全透過性を有する、
請求項２乃至６のいずれか一項に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項１３】
前記レーザモジュール（１８）は、５００ｎｍ未満の波長、特に４０５ｎｍ、４５０ｎｍ又は４６５ｎｍの波長を有するレーザ光（１０）を放出するように構成されており、
前記波長選択性の光学フィルタ（５２）は、５００ｎｍ未満の波長を有する光を減衰させるように又は遮断するように構成されている、
請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項１４】
測定ガスに曝されるように構成された第１の部分（１６．１）と、
前記粒子センサ（１６）の光学部品を含む、前記測定ガスに曝されない第２の部分（１６．２）と、
が設けられており、
両方の部分は、前記測定ガスに対して非透過性である分離壁（１６．３）を介して分離されている、
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項１５】
前記レーザ光（１０）の前記ビーム経路上で、前記分離壁に窓（３４）が取り付けられており、
前記窓（３４）は、前記レーザ光（１０）と、前記第１のスポット（２２）から発せられた放射（１４）との両方に対して透過性を有する、
請求項１４に記載の粒子センサ（１６）。
【請求項１６】
前記粒子センサ（１６）は、外側保護管（２８）及び内側保護管（３０）からなる配列を有し、前記外側保護管（２８）及び前記内側保護管（３０）は、両方とも円筒形状又は角柱形状を有し、
前記外側保護管（２８）と前記内側保護管（３０）とは、同軸上に配置されており、前記円筒形状又は前記角柱形状の軸線は、前記レーザ光（１０）の入射方向に対して平行に方向決めされており、前記第１のスポット（２２）は、前記内側保護管（３０）の内部に位置しており、
前記外側保護管（２８）の、前記レーザモジュール（１８）の方を向いた端部は、前記内側保護管（３０）を越えて突出しており、
前記内側保護管（３０）の、反対側の端部は、前記外側保護管（２８）を越えて突出している、
請求項１４又は１５に記載の粒子センサ（１６）。
【国際調査報告】
2021515891.tif 000011
2021515891.tif 000012
2021515891.tif 000013
2021515891.tif 000014