JP2019516074A - 超微粒子サイズ検出のためのレーザー・センサー - Google Patents
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Abstract
Description
・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。
・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。
・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。
・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。
・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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
・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。
Claims (15)
- 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。 - 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。
- ・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。 - ・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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
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