KR20200126384A - 레이저 스폿과 열 방사 스폿의 공초점 배치를 포함하는 레이저 유도 백열 입자 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저를 갖는 레이저 모듈(18), 및 열 방사선(14)을 검출하도록 설계된 검출기(26)를 포함하는 입자 센서(16)에 관한 것이다. 입자 센서(16)는 레이저 모듈(18)로부터 방출되는 레이저 광을 제 1 스폿(22)에 포커싱하도록 설계되며 제 1 스폿(22)으로부터 방출되는 열 방사선(14)을 제 2 스폿에 포커싱하도록 설계된 광학 장치(36)를 포함하고, 검출기(26)의 방사선 감지면은 제 2 스폿에서 또는 상기 제 2 스폿에 포커싱된 열 방사선(14)의 빔 경로에서 상기 제 2 스폿 뒤에 있는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 입자 센서에 관한 것이다. 이러한 입자 센서는 레이저를 구비한 레이저 모듈, 및 열 방사선을 검출하도록 설계된 검출기를 포함한다.
공기 중의 나노 입자의 검출을 위한 레이저 유도 백열(LII)의 원리는 예를 들어 B.F. Kock의 논문, Two-color time-resolved LII applied to soot particle sizing, Combustion and flame, 2006, 및 S. Schraml의 논문, Application of a new soot sensor for exhaust, SAE TECHNICAL PAPER SERIES, 2000에 알려져 있고, 예를 들어 실험실의 "유리" 엔진에서 연소 공정의 특성화를 위해 또는 배기 가스 특성화를 위해 집중적으로 사용된다. 연소 동안 생성된 수트(soot) 입자는 고출력 레이저의 나노초 펄스로 섭씨 수천도로 가열되고 입자의 열 방출은 광 검출기로 측정된다. 이 방법을 사용하면, 직경이 수 10 nm인 매우 작은 입자가 검출된다.
이 원리를 자동차의 디젤 엔진 또는 가솔린 엔진의 배기 라인에서 수트(soot) 입자의 검출로 확장하는 것이 가능하다. 이 경우, 검출기, 예를 들어 포토다이오드에 의해 검출될 수 있는 명확한 열 광신호를 방출할 정도로 수트 입자를 레이저 빔의 초점에서 강력히 가열하기 위해, 연속 작동(CW)의 저렴한 레이저 다이오드가 사용된다.
본 발명의 과제는 종래 기술에 비해 개선된 입자 센서를 제공하는 것이다.
이와 관련하여, 본 발명은 입자 센서가 다음 특징을 갖는 것을 제안한다. 상기 입자 센서는 레이저 모듈로부터 방출된 레이저 광을 제 1 스폿에 포커싱하도록 설계되며 제 1 스폿으로부터 방출된 열 방사선을 제 2 스폿에 포커싱하도록 설계된 광학 장치를 포함하고, 검출기의 방사선 감지면은 제 2 스폿에서 또는 상기 제 2 스폿에 포커싱된 열 방사선의 빔 경로에서 상기 제 2 스폿 뒤에 있다.
본 발명은 자동차의 배기 라인에서 발생되는 레이저 유도 백열의 측정 신호를 검출할 때, 스폿 부근의 뜨거운 환경(뜨거운 배기관, 뜨거운 센서 헤드)의 열 방사에 의해 야기되는 간섭 광이 발생할 수 있다는 사실에 기초한다. 검출기에서 미광의 절대 전도는 수 N으로 매우 낮을 수 있지만, 특정 상황에서 측정 신호가 Po 범위에 있을 수 있는 실제로 측정될 입자보다 더 큰 검출기 신호를 야기한다. 또한, 스폿의 가장자리 영역을 가로 지르는 입자에 의해 생성되는, 검출된 측정 신호에 기초하여 입자 크기 분포를 결정하는데 문제가 있다. 제 1 스폿의 더 낮은 전력 밀도로 인해, 제 1 스폿의 중심을 가로 지르는 입자에 대한 것보다 더 낮은 온도가 거기에 나타난다. 이로부터 더 약한 LII 신호가 나타나고, 이 신호는 더 작은 신호의 LII 신호와 쉽게 혼동될 수 있다. 따라서, 초점 가장자리에 있는 입자들로부터의 신호들 자체는 잘못된 평가로 이어지기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명은 이 문제를 입자의 검출을 위한 공초점 검출 방법에 의해 해결한다. 이 공초점 검출 방법에 의해, 예리하게 한정된 공간 영역, 즉 제 1 스폿 또는 제 1 스폿의 일부로부터의 열 방사선만이 검출기로 향하게 되고, 이 예리하게 한정된 공간 영역의 외부에서 발생하는 열 방사선은 검출기의 방사선 감지면에 도달하지 않는다. 이러한 특징에 의해, 제 1 스폿으로부터 직접 발생하지 않거나 또는 더 양호하게는 제 1 스폿의 중심으로부터 직접 발생하지 않는 열 방사선 성분이 검출기에 의해 생성된 신호에 미치는 영향이 감소될 수 있다.
따라서, 본 발명은 공초점 검출 방법과 레이저 유도 백열에 의한 배기 라인에서의 수트(soot) 입자의 광학 검출을 조합한다. 이 조합을 사용하면, 뜨거운 환경에서 발생하는 열 간섭 신호를 거의 완전히 억제하여 신호 대 잡음비를 크게 높일 수 있으므로, 매우 낮은 성능의 LII 신호의 검출이 쉬워진다. 또한, 이 방법은 초점 바로 근처의 입자에서 발생한 LII 신호들만이 검출기에 도달하기 때문에 잘못된 신호를 감소시킨다.
바람직한 실시예는 광학 장치가 빔 스플리터 및 제 1 포커싱 광학 요소를 포함하고, 상기 빔 스플리터는 레이저 광의 빔 경로에서 레이저 모듈과 제 1 포커싱 광학 요소 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제 1 포커싱 광학 요소는 제 1 스폿으로부터 방출된 열 방사선을 빔 스플리터로 향하게 하도록 설계되고 검출기는 빔 스플리터로부터 방출된 열 방사선의 빔 경로에 배치되는 것이 바람직하다.
빔 스플리터에 의해, 레이저 모듈로부터 제 1 스폿으로 이어지는 빔 경로에 대해 그리고 제 1 스폿으로부터 제 2 스폿으로 이어지는 빔 경로에 대해, 부분적으로 동일한 광학 요소들이 사용될 수 있다.
또한, 제 1 스폿은 제 1 포커싱 광학 요소의 제 1 초점에 놓이고, 제 2 스폿은 제 1 포커싱 광학 요소의 제 2 초점에 놓이는 것이 바람직하다. 이 구성은 광학 요소가 거의 필요하지 않다는 장점을 갖는다.
다른 바람직한 실시예는 광학 장치가 제 2 포커싱 광학 요소를 포함하고, 제 2 포커싱 광학 요소는 빔 스플리터로부터 방출되는 열 방사선의 빔 경로에 배치되며 빔 스플리터로부터 입사하는 열 방사선을 제 2 스폿에 포커싱하도록 설계되는 것을 특징으로 한다. 이 구성은 광학 시스템의 설계에서 더 큰 구조적 자유도를 제공한다.
또한, 파장 선택 광학 필터가 빔 스플리터로부터 방출되는 열 방사선의 빔 경로에서 빔 스플리터와 제 2 포커싱 광학 요소 사이에 배치되고, 상기 광학 필터는 스폿으로부터 방출되는 열 방사선에 대한 것보다 레이저 광에 대해 더 낮은 투과성을 갖는 것이 바람직하다. 이 특징에 의해, 원하지 않는 반사 및/또는 굴절로 인해 방해가 되는 레이저 광이 검출기에 도달하기 전에 필터링될 수 있다. 결과적으로, 신호 대 잡음비의 바람직한 개선이 이루어지고, 따라서 측정 감도 및 측정 정확도가 높아진다.
검출기의 방사선 감지면이 제 2 스폿에 포커싱된 열 방사선의 빔 경로에서 제 2 스폿 뒤에 있는 구성에서, 제 2 스폿은 열 방사선의 빔 경로에서 빔 스플리터와 검출기 사이에 배치된 핀홀의 개구부에 놓이는 것이 바람직하다. 이러한 핀홀에 의해, 제 1 스폿에서 직접 발생하지는 않지만 제 1 스폿의 약간 앞이나 뒤에 또는 제 1 스폿의 오른쪽 또는 왼쪽에 또는 제 1 스폿의 위 또는 아래에 놓이는 지점에서 발생하는 방사선 성분이 검출기로부터 멀리 떨어져 있을 수 있다. 이 방사선 성분은 핀홀의 불투명한 부분에서 핀홀 개구부 옆의 핀홀 개구부의 평면에 놓인다.
다른 바람직한 실시예는 제 3 광학 요소가 열 방사선의 빔 경로에서 핀홀과 검출기 사이에 배치되고, 상기 제 3 광학 요소는 핀홀 개구부로부터 방출되는 열 방사선을 평행화하며, 제 4 광학 요소가 열 방사선의 추가 빔 경로에 배치되고, 상기 제 4 광학 요소는 제 3 광학 요소에 의해 평행화된 열 방사선을 검출기에 포커싱하는 것을 특징으로 한다. 이러한 특징에 의해, 특히 빔 스플리터와 검출기 사이의 광학 경로가 방향 변경 및 연장될 수 있으며, 이는 입자 센서의 설계에서 구조적 자유도를 제공한다.
또한, 광학 장치는, 레이저 광의 빔 경로에서 레이저 모듈과 빔 스플리터 사이에 배치되며 레이저 모듈로부터 방출되는 레이저 광을 평행화하고 빔 스플리터를 향하게 하도록 설계되는 추가의 광학 요소를 포함하는 것이 바람직하다. 여기서 평행화는 광 번들 또는 방사선 번들의 개방 각도의 감소를 의미하며, 상기 평행화가 반드시 완전히(개방 각도 0) 이루어질 필요는 없다. 평행화는 빔 스플리터로 입사하는 레이저 광의 빔 단면을 감소시키며, 이는 빔 스플리터가 이전의 평행화가 없는 것보다 작을 수 있음을 의미한다.
레이저는 반도체 레이저 요소, 특히 레이저 다이오드인 것이 바람직하다. 이 구성은 저렴하고 강한 레이저 다이오드를 시장에서 구입할 수 있다는 장점을 갖는다.
빔 스플리터는 편광 빔 스플리터이고, 상기 편광 빔 스플리터는 미리 정해진 편광 방향을 갖는 입사 레이저 광에 대해 최대의 투과성을 갖도록 정렬되는 것이 바람직하다. 레이저 광은 종종 편광된 형태로 발생한다. 편광 빔 스플리터 및 레이저 광의 편광에 적합한 그 정렬로 인해, 레이저 광은 대부분 신호의 생성을 위해 사용될 수 있다.
레이저 광(10)은 일반적으로 이미 편광되어 있기 때문에, 배치가 편광 빔 스플리터의 편광 방향과 일치하는 방향(제 1 스폿(22)을 향함)으로 선택된다면, 레이저 광(10)이 실제로 손실없이 편광 빔 스플리터를 통과할 수 있다. 다시 말해, 레이저 편광과 레이저 정렬의 올바른 선택에 의해, 여기서 전송 전력이 최대화(거의 100%)될 수 있는 반면, 기존의 비편광 빔 스플리터를 사용하면 빔 스플리터를 통한 투과율에서 약 50%의 전력 손실을 수용해야 한다
또한, 레이저는 500nm 미만, 특히 405nm, 450nm 또는 465nm의 파장을 갖는 레이저 광을 방출하도록 설계되고, 광학 필터는 500nm 미만의 파장을 갖는 광을 감쇠시키거나 심지어 차단하도록 설계되는 것이 바람직하다. 이 특징에 의해, 그러한 필터를 갖지 않는 구성에 비해 신호 대 잡음비가 개선된다.
다른 바람직한 실시예는 입자 센서가 측정 가스에 노출되도록 설계된 제 1 부분, 및 측정 가스에 노출되지 않도록 설계되며 입자 센서의 광학 컴포넌트들을 갖는 제 2 부분을 포함하는 것을 특징으로 한다. 두 부분은 측정 가스에 대해 불투과성인 분리벽에 의해 분리된다. 결과적으로, 광학 컴포넌트들은 측정 가스 흐름으로부터 분리되어 배치될 수 있으므로, 센서는 내연 기관의 배기 가스와 같이 뜨겁고 화학적으로 공격적인 측정 가스에서 입자 농도를 측정하는데 사용될 수 있다.
또한, 레이저 광의 빔 경로에서 분리 벽에, 레이저 광에 대해 그리고 스폿으로부터 방출되는 방사선에 대해 투과성인 윈도우가 부착되는 것이 바람직하다.
또한, 입자 센서는 외부 보호 튜브 및 내부 보호 튜브로 이루어진 장치를 포함하고, 두 부호 튜브들은 일반적인 원통 형상 또는 프리즘 형상을 가지며, 상기 보호 튜브들은 동축으로 배치되는 것이 바람직하고, 원통 형상 또는 프리즘 형상의 축들은 레이저 광의 입사 방향에 대해 평행하게 정렬되며, 스폿은 내부 보호 튜브의 내부에 놓이고, 레이저를 향한 외부 보호 튜브(28)의 단부는 내부 보호 튜브(30)를 넘어 돌출하며, 내부 보호 튜브(30)의 반대편 단부는 외부 보호 튜브(28)를 넘어 돌출한다.
추가 장점들은 종속 청구항들, 상세한 설명 및 첨부된 도면에 나타난다.
본 발명에 따른 입자 센서는 내연 기관의 배기 가스에서 수트(soot) 입자 농도, 질량 및 속도를 측정하기 위한 수트 입자 센서로서 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 입자 센서는 가스에서 다른 입자 농도를 측정하기 위해, 예를 들어 실내 공기에서 또는 실외에서 미세 먼지를 측정하기 위해 사용될 수 있다.
상기 특징들 및 아래에서 설명될 특징들은 각각 제시된 조합뿐만 아니라 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 조합으로도 또는 단독으로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 도면에 도시되고 아래의 설명에서 더 상세하게 설명된다. 상이한 도면들에서 동일한 도면 번호는 동일하거나 적어도 기능적으로 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 레이저 유도 백열에 기초한 측정 원리를 도시한다.
도 2는 레이저 유도 백열로 작동하는 입자 센서의 기본 구조를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 입자 센서의 제 1 실시예를 도시한다.
도 4는 평행하지 않은 빔 경로들로 작동하는 본 발명에 따른 입자 센서의 광학 부분의 실시예를 도시한다.
도 5는 평행한 빔 경로들로 작동하는 본 발명에 따른 입자 센서의 광학 부분의 실시예를 도시한다.
도 6은 평행하지 않은 빔 경로들로 작동하는 본 발명에 따른 입자 센서의 광학 부분의 다른 실시예를 도시한다.
도 7은 제 2 스폿과 검출기 사이에 배치된 광학 요소들을 갖는 입자 센서의 광학 부분의 다른 실시예를 도시한다.
도 8은 검출기가 핀홀 기능도 수행하는 다른 실시예를 도시한다.
도 2는 레이저 유도 백열로 작동하는 입자 센서의 기본 구조를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 입자 센서의 제 1 실시예를 도시한다.
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도 6은 평행하지 않은 빔 경로들로 작동하는 본 발명에 따른 입자 센서의 광학 부분의 다른 실시예를 도시한다.
도 7은 제 2 스폿과 검출기 사이에 배치된 광학 요소들을 갖는 입자 센서의 광학 부분의 다른 실시예를 도시한다.
도 8은 검출기가 핀홀 기능도 수행하는 다른 실시예를 도시한다.
도 1은 레이저 유도 백열(LII) 기반 측정 원리를 나타낸다. 고강도 레이저 광(10)이 입자(12)에 부딪친다. 레이저 광(10)의 강도는 입자(12)에 의해 흡수된 레이저 광(10)의 에너지가 입자(12)를 섭씨 수천도로 가열할 정도로 높다. 가열의 결과로서, 입자(12)는 자발적으로 그리고 실질적으로 우선 방향없이 열 방사선의 형태인 방사선(14)(이하, LII 광이라고도 함)을 방출한다. 따라서 열 방사선의 형태로 방출된 방사선(14)의 일부는 입사 레이저 광(10)의 방향과 반대로 방출된다.
도 2는 입자 센서(16)의 기본 구성을 개략적으로 도시한다. 여기서, 입자 센서(16)는 CW 레이저 모듈(18)(CW:continuous wave)을 포함하며, 상기 CW 레이저 모듈(18)의 바람직하게는 평행한 레이저 광(10)은 CW 레이저 모듈(18)의 빔 경로에 배치된 적어도 하나의 제 1 포커싱 광학 요소(20)에 의해 매우 작은 제 1 스폿(22)에 포커싱된다. 제 1 포커싱 광학 요소(20)는 바람직하게는 제 1 렌즈(24)이다. 제 1 스폿(22)의 체적에서만 레이저 광(10)의 강도는 LII에 필요한 높은 값에 도달한다. 본 발명은 CW 레이저의 사용으로 제한되지 않는다. 펄스 레이저를 사용하는 것도 가능하다.
제 1 스폿(22)의 치수는 수 ㎛의 범위, 특히 최대 200 ㎛의 범위에 있으므로, 제 1 스폿(22)을 통과하는 입자(12)는 레이저 유도된 백열에 의해 또는 화학 반응(특히 산화)에 의해 평가 가능한 방사력을 방출하도록 여기된다. 결과적으로, 제 1 스폿(22)에 항상 최대 하나의 입자(12)가 있고 입자 센서(16)의 현재 측정 신호가 상기 최대 하나의 입자(12)로부터만 발생하는 것이 가정될 수 있다. 측정 신호는 입자 센서(16)에 배치되어 제 1 스폿(22)을 통과하는 입자(12)로부터 방출되는 방사선(14), 특히 열 방사선을 검출하는 검출기(26)에 의해 생성된다. 검출기(26)는 이를 위해 바람직하게는 적어도 하나의 포토 다이오드(26.1)를 포함한다.
레이저 모듈(18)의 레이저가 변조되거나 스위치 온 및 오프될 수 있다(듀티 사이클 < 100%). 그러나 레이저 모듈(18)의 레이저는 CW 레이저인 것이 바람직하다. 이는 저렴한 반도체 레이저 요소(레이저 다이오드)의 사용을 가능하게 하여, 완전한 입자 센서(16)를 저렴하게 하고 레이저 모듈(18)의 제어 및 측정 신호의 평가를 매우 단순화시킨다. 그러나 펄스 레이저의 사용도 배제되지 않는다.
도 3은 연소 공정의 배기 가스에서 수트(soot) 입자 센서로서 사용하기에 적합한 본 발명에 따른 입자 센서(16)의 바람직한 실시예를 도시한다.
입자 센서(16)는 측정 가스에 노출되도록 설계되는 제 1 부분(16.1), 및 측정 가스에 노출되지 않고 입자 센서(16)의 광학 컴포넌트들을 갖는 제 2 부분(16.2)을 포함한다. 두 부분은 측정 가스에 대해 불투과성인 분리벽(16.3)에 의해 분리되어 있다. 레이저 광(10)의 빔 경로에서 분리벽에, 레이저 광(10)에 대해서뿐만 아니라 제 1 스폿(22)으로부터 방출되는 방사선에 대해서도 투과성인 윈도우(34)가 부착된다.
입자 센서(16)의 제 1 부분(16.1)은 외부 보호 튜브(28) 및 내부 보호 튜브(30)로 이루어진 장치를 포함한다. 2개의 보호 튜브(28, 30)는 바람직하게는 일반적인 원통 형상 또는 프리즘 형상을 갖는다. 원통 형상의 베이스 면은 바람직하게는 원형, 타원형 또는 다각형이다. 실린더들은 동축으로 배치되는 것이 바람직하고, 실린더들의 축들은 배기 가스(32)의 유동에 대해 횡 방향으로 정렬되어 있다. 내부 보호 튜브(30)는 상기 축들의 방향으로 외부 보호 튜브(28)를 넘어 유동 배기 가스(32) 내로 돌출한다. 유동 배기 가스 반대편에 놓인, 2개의 보호 튜브(28, 30)의 단부에서, 외부 보호 튜브(28)는 내부 보호 튜브(30)를 넘어 돌출한다. 외부 보호 튜브(28)의 내부 폭은 바람직하게는 내부 보호 튜브(30)의 외경보다 훨씬 더 커서, 2개의 보호 튜브(28, 30) 사이에 제 1 유동 단면이 형성된다. 내부 보호 튜브(30)의 내부 폭은 제 2 유동 단면을 형성한다.
이 기하 구조는 배기 가스(32)가 제 1 유동 단면을 통해 2개의 보호 튜브(28, 30)의 장치 내로 들어간 다음, 배기 가스(32) 반대편에 놓인, 보호 튜브(28, 30)의 단부에서 그 방향을 바꿔, 내부 보호 튜브(30) 내로 유입되고, 통과하는 배기 가스(32)에 의해 상기 내부 보호 튜브로부터 흡입된다. 내부 보호 튜브(30)에 층류가 생긴다. 보호 튜브들(28, 30)의 상기 장치는 입자 센서(16)와 함께 배기 가스 유동에 대해 횡 방향으로 배기관 상에 또는 내에 고정된다. 입자 센서의 이러한 제 1 부분(16.1)은 바람직한 실시예의 구성 요소이다. 그러나 그 특징은 본 발명에 필수적인 특징이 아니다. 본 발명에 필수적인 특징은 입자 센서(16)의 제 2 부분(16.2)의 구성 요소이다.
제 2 부분(16.2)은 레이저 모듈(18), 광학 장치(36) 및 검출기(26)를 포함한다.
도 4는 레이저 모듈(18) 및 검출기(26)와 함께 광학 장치(36)의 실시예, 즉 입자 센서(16)의 제 2 부분(16.2)의 실시예를 도시한다. 광학 장치(36)는 특히 빔 스플리터(38) 및 제 1 포커싱 광학 요소(20)를 포함한다. 레이저 모듈(18)의 레이저 광(10)은 예를 들어 색 선별 거울(dichroic mirror) 또는 빔 스플리터 큐브일 수 있는 빔 스플리터(38), 및 제 1 포커싱 광학 요소(20)를 통해 제 1 스폿(22)에 포커싱된다. 제 1 포커싱 광학 요소(20)는 렌즈(24)인 것이 바람직하다. 제 1 스폿을 통과한 입자(12)는 레이저 광에 의해 가열되어 열 방사선을 방출한다. 입자(12)는 그 작은 크기로 인해 점 광원으로 간주될 수 있다.
제 1 스폿(22)은 내부 보호 튜브(30) 내부에 놓인다. 이 제 1 스폿(22)에서, 레이저 광 세기는 배기 가스(32)와 함께 운반된 수트(soot) 입자(12)를 섭씨 수천도로 가열하기에 충분한 크기이므로, 가열된 입자(12)는 열 방사선 형태의 방사선(14)을 방출한다. 방사선(14)은 예를 들어 근적외선 및 가시 스펙트럼 범위에 있으며, 본 발명은 이 스펙트럼 범위로부터의 방사선(14)으로 제한되지 않는다.
열 방사선 형태로 방향 없이 방출된 방사선(14)의 일부는 제 1 포커싱 광학 요소(20)에 떨어지며 빔 스플리터(38)를 통해 검출기(26)로 전파되고, 상기 부분은 제 1 포커싱 광학 요소(20)에 의해 제 2 스폿(40)에 포커싱된다. 도 4의 실시예에서, 제 2 스폿(40)은 제 1 포커싱 광학 요소(20)의 초점에 놓이거나, 반대로 상기 초점이 제 2 스폿(40)에 놓인다. 도 4의 특별한 실시예에서 분리하면, 제 2 스폿(40)은 광학 장치(36)의 초점에 놓이거나, 반대로 광학 장치(36)의 초점이 제 2 스폿(40)에 놓인다.
검출기(26)는 빔 스플리터(38)로부터 방출되는 방사선(14)의 빔 경로에서, 그 방사선 감지면이 제 2 스폿(40)에서 또는 상기 제 2 스폿(40)에 포커싱된 방사선(14)의 빔 경로에서 제 2 스폿(40) 뒤에 놓이도록 배치된다. 도 4에 도시된 실시예에서, 검출기(26)는 방사선(14)의 빔 경로에서 제 2 스폿(40) 뒤에 놓인다. 도시된 실시예에서, 제 2 스폿(40)은 핀홀(42)의 개구부에 놓이기 때문에 검출기(26)는 개구부를 통해 방사선 감지면에 부딪치는 방사선(14)만을 등록한다.
제 1 스폿(22)의 전, 후, 오른쪽, 왼쪽, 위 또는 아래에 놓인 영역으로부터 나온 방사선(14)은 광학 장치(36)로부터 핀홀(42)의 개구부 옆에 놓인, 방사선(14)에 대해 불투명한 핀홀(44)의 가장자리 영역으로 향하기 때문에, 핀홀(42)에 의해 차단된다. 이들 영역으로부터 나온 방사선(14)은 예를 들어 주변으로부터의 열 간섭 방사선이거나 또는 제 1 스폿(22)의 가장자리를 가로 지르는 입자들로부터의 신호이다. 따라서, 열 방사선의 상기 부분들은 검출기(26)에 도달하지 않으므로 측정 신호를 왜곡하지 않는다.
그 결과, 신호 대 잡음비(SNR)가 크게 개선된다. 한편, 제 1 스폿(22)으로부터 나온 열 방사선에 대해 다른 거동이 나타나며, 상기 방사선은 광학 장치로부터 정확히 핀홀 개구부로 향한다. 핀홀 직경이 특정 최소 크기보다 작지 않으면, 상기 열 방사선은 핀홀을 완전히 통과할 수 있다. 여기서, 상기 직경은 상기 최소 크기보다 작게 선택될 수 있음을 유의해야 한다. 이 경우, 현저히 감소된 검출기 신호가 예상된다. 사용되는 핀홀에는 고정 직경뿐만 아니라 가변적으로 조정 가능한 직경을 갖는 핀홀도 사용될 수 있다. 후자는 필터 효과를 넓은 범위에 걸쳐 설정할 수 있게 한다.
빔 스플리터(38)는 광학 장치(36)에서, 동일한 광학 장치, 특히 동일한 제 1 포커싱 광학 요소(20)가 제 1 스폿(22)의 생성을 위해 그리고 입자(12)로부터 방출된 방사선(14)을 검출하기 위해 사용되기 때문에, 배기 가스(32)에 대한 광학적 접근만이 필요하다는 특히 중요한 장점을 제공한다.
배기 가스(32)는 측정 가스의 일례이다. 측정 가스는 다른 가스 또는 가스 혼합물, 예를 들어 실내 공기일 수도 있다.
도 5는 입자 센서(16)의 제 2 부분(16.2)의 제 2 실시예를 도시한다. 제 2 실시예는 광학 장치(36)가 충돌된 레이저 광(10)으로 빔 스플리터(38)를 조명한다는 점에서 제 1 실시예와 다르다. 이 실시예에서, 광학 장치(36)는 추가 광학 요소(44)를 포함하고, 상기 추가 광학 요소(44)는 레이저 광(10)의 빔 경로에서 레이저 모듈(18)과 빔 스플리터(38) 사이에 배치되며 레이저 모듈(18)로부터 방출된 레이저 광(10)을 평행화하여 빔 스플리터(38)로 향하게 하도록 설계된다. 상기 추가 광학 요소(44)는 바람직하게는 렌즈(46)이다.
레이저 모듈(18)로부터 방출된 레이저 광(10)은 추가 광학 요소(44)에 의해 평행화되고 빔 스플리터(38)를 통해 제 1 포커싱 광학 요소(20)로 전파된다. 제 1 포커싱 광학 요소(20)는 레이저 광(10)을 제 1 스폿(22)에 포커싱한다. 제 1 스폿(22)에서 가열된 입자로부터 방출된 방사선(14)은 빔 스플리터(38)를 통해 검출기(26)로 이어지는 빔 경로로 향한다.
제 2 스폿(40)의 생성을 위해, 이 실시예에서 광학 장치(36)는 제 2 포커싱 광학 요소(48)를 포함하고, 상기 제 2 포커싱 광학 요소(48)는 빔 스플리터(38)로부터 방출되는 방사선(14)의 빔 경로에 배치되며, 빔 스플리터(38)로부터 입사하는 방사선(14)을 제 2 스폿(40)에 포커싱하도록 설계된다. 제 2 포커싱 광학 요소(48)는 렌즈(50)인 것이 바람직하다.
빔 스플리터(38)와 검출기(26) 사이에, 특히 빔 스플리터(38)와 제 2 포커싱 광학 요소(48) 사이에, 파장 선택 광학 필터(52)가 배치될 수 있으며, 상기 광학 필터(52)는 스폿(22)으로부터 방출되는 방사선(14)보다 레이저 광(10)에 대해 더 낮은 투과성을 갖는다. 이러한 방식으로, 여기 레이저(예를 들어 405 N)의 가능한 미광(stray light)이 필터링될 수 있다. 이렇게 필터링된 방사선(14)은 후속해서 제 2 포커싱 광학 요소(48)에 의해 제 2 스폿(40)에 포커싱된다. 이러한 파장 선택 광학 필터(52)는 모든 실시예와 조합될 수 있다.
이 개념은 불완전하거나 평행하지 않은 레이저 빔으로도 구축될 수 있다. 이는 도 3에 도시되어 있다. 도 6은 완전히 평행화되지 않은 빔 경로로 작동하는 입자 센서(16)의 제 2 부분(16.2)의 다른 실시예를 도시한다. 이 다른 실시예는 완전히 평행하지 않은 빔 경로로 작동하는 광학 장치(36)를 포함한다. 레이저 모듈(18)과 빔 스플리터(38) 사이에 배치된 추가 광학 요소(44)는 레이저 광을 완전히 평행하게 정렬시키지 않으면서 레이저 광(10)의 개방 각도를 감소시킨다. 제 1 포커싱 광학 요소(20)는 빔 스플리터(38)로부터 방출되는 레이저 광(10)을 제 1 스폿(22)에 포커싱하고, 제 1 스폿(22)으로부터 입사하는 방사선(14)을 빔 스플리터(38)로 향하게 한다. 여기서, 제 1 포커싱 광학 요소(20)는 입사 방사선(14)의 개방 각도를 감소시킨다. 빔 스플리터(38)는 제 1 포커싱 광학 요소(20)로부터 입사하는 방사선(14)을 제 2 포커싱 광학 요소(48)로 향하게 한다. 제 2 포커싱 광학 요소(48)는 빔 스플리터(38)로부터 입사하는 열 방사선을 제 2 스폿(40)에 포커싱한다.
도 7은 도 4와 같이, 완전히 평행화되지 않은 빔 경로로 작동하는 입자 센서(16)의 제 2 부분(16.2)의 실시예를 도시한다. 도 7에 도시된 실시예에서, 제 3 광학 요소(53)는 방사선(14)의 빔 경로에서 제 2 스폿(40) 뒤에, 즉 핀홀과 검출기(26) 사이에 있다. 방사선(14)의 추가 빔 경로에 제 4 광학 요소(54)가 배치되고, 상기 제 4 광학 요소(54)는 제 3 광학 요소(53)로부터 입사하는 방사선(14)을 검출기(26)에 포커싱한다. 2개의 광학 요소(53, 54)는 렌즈로서 구현되는 것이 바람직하다. 제 3 광학 요소(53)는 제 2 스폿(40)으로부터 방출되는 방사선(14)을 다시 평행화하는 한편, 제 4 광학 요소(54)는 방사선(14)을 검출기(26)에 최종적으로 포커싱하며, 상기 검출기(26)는 이제 핀홀 약간 뒤에 배치된다.
따라서, 도면에 도시된 실시예들은 광학 장치가 거울들, 또는 렌즈들과 같은 하나의, 2개의 또는 3개 이상의 포커싱 광학 요소로 구성될 수 있음을 전반적으로 보여준다.
도 8은 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예는 평행한 빔 경로와 관련하여 도 5의 실시예에 거의 상응한다. 지금까지 설명된 모든 실시예들과 상기 실시예의 차이점은 제 2 스폿(40)이 여기서는 핀홀에 의해 제한되지 않는다는 것이다. 그 대신에, 검출기(26)는 제 2 스폿(40)에 직접 배치되거나, 제 2 스폿(40)이 검출기의 방사선 감지면에 놓이고 이것에 의해 한정되도록 배치된다. 이 경우, 검출기의 방사선 감지면은 핀 홀의 기능을 갖는다. 검출기의 방사선 감지면에 떨어지지 않는 열 방사선은 측정 신호에 영향을 미치지 않으며 이러한 방식으로 공간적으로 필터링된다. 효율적인 신호 필터링을 위해서는 검출기의 방사선 감지면이 상응하게 작아야 한다. 이 구성은 여기에 도시된 모든 실시예와 조합될 수 있다. 또한, 레이저 모듈(18)과 검출기(26)의 위치가 서로 바뀌는 구성도 가능하다. 빔 스플리터(38) 또는 색 선별 거울은 그에 따라 반대 기능을 가져야 한다. 그 경우, 빔 스플리터(38) 또는 색 선별 거울은 여기 레이저 광(10)에 대한 완전한 반사 및 LII 신호를 형성하는 열 방사선에 대한 완전한 투과를 가져야 한다.
10: 레이저 광
14: 열 방사선
16: 입자 센서
18: 레이저 모듈
20, 48: 포커싱 광학 요소
22: 제 1 스폿
26: 검출기
36: 광학 장치
38: 빔 스플리터
40: 제 2 스폿
42: 핀홀
53, 54: 광학 요소
14: 열 방사선
16: 입자 센서
18: 레이저 모듈
20, 48: 포커싱 광학 요소
22: 제 1 스폿
26: 검출기
36: 광학 장치
38: 빔 스플리터
40: 제 2 스폿
42: 핀홀
53, 54: 광학 요소
Claims (16)
- 레이저를 갖는 레이저 모듈(18), 및 열 방사선(14)을 검출하도록 설계된 검출기(26)를 포함하는 입자 센서(16)에 있어서,
상기 입자 센서(16)는 상기 레이저 모듈(18)로부터 방출되는 레이저 광을 제 1 스폿(22)에 포커싱하도록 설계되며 상기 제 1 스폿(22)으로부터 방출되는 열 방사선(14)을 제 2 스폿(40)에 포커싱하도록 설계된 광학 장치(36)를 포함하고, 상기 검출기(26)의 방사선 감지면은 상기 제 2 스폿(40)에서 또는 상기 제 2 스폿(40)에 포커싱된 열 방사선(14)의 빔 경로에서 상기 제 2 스폿(40) 뒤에 있는 것을 특징으로 하는 입자 센서(16). - 제 1 항에 있어서, 상기 광학 장치(36)는 빔 스플리터(38) 및 제 1 포커싱 광학 요소(20)를 포함하고, 상기 빔 스플리터(38)는 레이저 광(10)의 빔 경로에서 상기 레이저 모듈(18)과 상기 제 1 포커싱 광학 요소(20) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 입자 센서(16).
- 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 포커싱 광학 요소(20)는 상기 제 1 스폿(22)으로부터 방출되는 열 방사선(14)을 상기 빔 스플리터(38)로 향하게 하도록 설계되고, 상기 검출기(26)는 상기 빔 스플리터(38)로부터 방출되는 열 방사선(14)의 빔 경로에 배치되는 것을 특징으로 하는 입자 센서(16).
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 스폿(22)은 상기 제 1 포커싱 광학 요소(20)의 제 1 초점에 놓이고, 상기 제 2 스폿(40)은 상기 제 1 포커싱 광학 요소(20)의 제 2 초점에 놓이는 것을 특징으로 하는 입자 센서(16).
- 제 4 항에 있어서, 상기 광학 장치(36)는 제 2 포커싱 광학 요소(48)를 포함하고, 상기 제 2 포커싱 광학 요소(48)는 상기 빔 스플리터(38)로부터 방출되는 열 방사선(14)의 빔 경로에 배치되며 상기 빔 스플리터(38)로부터 입사하는 열 방사선(14)을 상기 제 2 스폿(40)에 포커싱하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 입자 센서(16).
- 제 5 항에 있어서, 파장 선택 광학 필터(52)는 상기 빔 스플리터(38)로부터 방출되는 열 방사선(14)의 빔 경로에서 상기 빔 스플리터(38)와 상기 제 2 포커싱 광학 요소(48) 사이에 배치되고, 상기 제 1 스폿(22)으로부터 방출되는 열 방사선(14)에 대한 것보다 레이저 광(10)에 대해 더 낮은 투과성을 갖는 것을 특징으로 하는 입자 센서(16).
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항 그리고 검출기(26)의 방사선 감지면이 상기 제 2 스폿(40)에 포커싱된 열 방사선(14)의 빔 경로에서 상기 제 2 스폿(40) 뒤에 있는, 제 1 항의 대안에 있어서,
상기 제 2 스폿(40)은 상기 열 방사선의 빔 경로에서 상기 빔 스플리터와 상기 검출기 사이에 배치된 핀홀(42)의 개구부에 놓이는 것을 특징으로 하는 입자 센서(16). - 제 7 항에 있어서, 제 3 광학 요소(53)는 상기 열 방사선(14)의 빔 경로에서 상기 핀홀(42)과 상기 검출기(26) 사이에 배치되며, 핀홀 개구부로부터 방출된 열 방사선(14)을 평행화하고, 제 4 광학 요소(54)는 상기 열 방사선(14)의 추가 빔 경로에 배치되며, 상기 제 3 광학 요소(53)에 의해 평행화된 열 방사선(14)을 상기 검출기(26)에 포커싱하는 것을 특징으로 하는 입자 센서(16).
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 장치(36)는 추가 광학 요소(44)를 포함하고, 상기 추가 광학 요소(44)는 상기 레이저 광(10)의 빔 경로에서 상기 레이저 모듈(18)과 상기 빔 스플리터(38) 사이에 배치되며, 상기 레이저 모듈(18)로부터 방출되는 레이저 광(10)을 평행화하여 상기 빔 스플리터(38)로 향하게 하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 입자 센서(16).
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저는 반도체 레이저 요소, 특히 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 입자 센서(16).
- 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 스플리터(38)는 편광 빔 스플리터이고, 상기 편광 빔 스플리터는 미리 정해진 편광 방향을 갖는 입사 레이저 광(10)에 대해 최대 투과성을 갖도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 입자 센서(16).
- 제 11 항에 있어서, 상기 빔 스플리터(38)는 색 선별 거울 또는 편광 빔 스플리터이고, 편광 빔 스플리터는 미리 정해진 편광 방향을 갖는 입사 레이저 광(10)에 대해 최대 투과성을 갖도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 입자 센서(16).
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 모듈(18)은 500nm 미만의, 특히 405nm, 450nm 또는 465nm의 파장을 갖는 레이저 광(10)을 방출하도록 설계되고, 상기 파장 선택 광학 필터(52)는 500nm 미만의 파장을 갖는 광을 감쇠시키거나 또는 심지어 차단하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 입자 센서(16).
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 센서(16)는 측정 가스에 노출되도록 설계된 제 1 부분(16.1), 및 측정 가스에 노출되지 않으며 상기 입자 센서(16)의 상기 광학 컴포넌트들을 갖는 제 2 부분(16.2)을 포함하고, 두 부분은 측정 가스에 대해 불투과성인 분리 벽(16.3)에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 입자 센서(16).
- 제 14 항에 있어서, 상기 레이저 광(10)의 빔 경로에서 분리 벽에, 상기 레이저 광(10)에 대해서뿐만 아니라 상기 제 1 스폿(22)으로부터 방출되는 방사선(14)에 대해서도 투과성인 윈도우(34)가 부착되는 것을 특징으로 하는 입자 센서(16).
- 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 입자 센서(16)는 외부 보호 튜브(28)과 내부 보호 튜브(30)로 이루어진 장치를 포함하고, 두 보호 튜브는 일반적인 원통 형상 또는 프리즘 형상을 가지며 동축으로 배치되고, 상기 원통 형상 또는 프리즘 형상의 축들은 상기 레이저 광(10)의 입사 방향에 대해 평행하게 정렬되며, 상기 제 1 스폿(22)은 상기 내부 보호 튜브(30)의 내부에 놓이고, 상기 레이저 모듈(18)을 향한 상기 외부 보호 튜브(28)의 단부는 상기 내부 보호 튜브(30)를 넘어 돌출하며, 상기 내부 보호 튜브(30)의 반대편 단부는 상기 외부 보호 튜브(28)를 넘어 돌출하는 것을 특징으로 하는 입자 센서(16).
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