JP7334250B2 - レーザ誘起白熱の原理に基づいて動作する粒子センサの信号を処理する方法、斯かる信号を処理するための装置及び粒子センサ - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、各独立請求項の上位概念に基づく、レーザ誘起白熱の原理に従って動作する粒子センサの信号を処理する方法、斯かる信号を処理するための装置、及び、粒子センサに関する。

レーザ誘起白熱（「ＬＩＩ」）の原理は、気体中の、例えば空気中のナノ粒子の検出に関連して久しく知られており、また、例えば、実験室における「ガラス」エンジンの燃焼プロセスの特性評価、又は、実験室環境における排気ガスの特性評価にも集中的に用いられている。この場合、例えば煤粒子のような粒子は、粒子の熱放射又は温度放射が有意に放出されるように、レーザにより摂氏数千度まで加熱される。こうした熱による粒子の発光は、光検出器によって測定される。独国特許出願公開第１０２０１７２０７４０２号明細書には、レーザ誘起白熱の原理により動作する自動車用光学式煤粒子センサが記載されている。

独国特許出願公開第１０２０１７２０７４０２号明細書

発明の開示
本発明の基礎とする課題は、請求項１に記載の特徴を有する方法、並びに、独立請求項に記載の特徴を有する装置及び粒子センサによって解決される。有利な発展形態は、各従属請求項に提示されている。

本発明に係る方法は、例えば排気ガスなどの流体における粒子又はエアロゾルを検出するために用いられる。これは、レーザ誘起白熱（ＬＩＩ）の原理を用いて動作する。この場合、先ず、レーザから射出され、好適にはスポット、即ち、マイクロメートル領域の微小寸法を有する容量領域に十分に高い強度により集光したレーザ光を用いて、レーザ光の部分的な吸収により粒子を数千度まで加熱する。こうした高温の粒子は、プランクの輻射法則により、特徴的な温度放射（白熱又は熱電子放出）を放出し、これが測定信号として用いられ、検出器により受信される。

この目的のために、例えば、レーザの光路上に配置され、レーザから射出されたレーザ光を微小スポットにおいて集光させるように構成及び設計された光学素子が用いられる。焦点径が例えば１０μｍの場合には、粒子濃度が１０^１３／ｍ^３のとき、任意の時刻に常に１つの粒子のみがスポットを通過する（内在単一粒子検出性）と仮定することができる。検出器は、スポットから放出される温度放射を検出するように設定及び構成されている。レーザとしては、廉価である半導体レーザダイオードを用いることができる。温度放射は、例えば、多画素光子カウンタ（ＭＰＰＣ）又はシリコン光子乗算器（ＳｉＰＭ）を用いて検出することができる。

本発明に係る方法は、
ａ．検出器により、複数のパルスを含む出力信号を提供するステップと、
ｂ．少なくとも一時的に、出力信号を加算器に供給するステップと、
ｃ．加算器を用いて、出力信号を所定の時間区間にわたって積算するステップと、
を含む。

本発明に係る装置において、
ａ．検出器は、複数のパルスを含む出力信号を提供するように形成及び設定されており、
ｂ．当該装置は、出力信号が少なくとも一時的に供給され、出力信号を所定の時間区間にわたって積算するように形成及び設定された加算器を備える。

ＭＰＰＣ又はＳｉＰＭ検出器を用いることにより、粒子が微小（例えば１０～３０ｎｍの領域、例えば直径が２３ｎｍ又は１０ｎｍ）であって、検出器の有効表面に数ピコワットのパワーしか投じないとしても、粒子から放出される光の量に対しては必要な感度が得られる。斯かる検出器は、（設計と光子の波長とに依存して）例えば数％乃至５０％の検出効率で個々の光子を検出する。その際、光子は検出器の出力に、例えば数ナノ秒から数百ナノ秒のＦＷＨＭを有する極めて短い電流パルス又は電圧パルスを生成する。検出器においては信号の内部増幅が行われるため、当該信号を（場合によっては、さらに増幅された後に）単独の事象として検出することができる。同時に、検出器は、光が入射しなくても、散発的に、熱励起（いわゆる「ダークカウント（dark counts）」）によりキロヘルツからメガヘルツの領域において信号を生成する。この場合、粒子の光の信号は、背景が一様である場合には、パルスの集積として現れる。

この場合に、極めて高速で短いパルス（場合によっては、わずか数ナノ秒）を検出することは、電子装置に対して一つの難題を提示する。また、これは、例えば１００ｎｍ超（＞１００ｎｍ）というサイズを有する大きい粒子の信号に相当するため、１００ＭＨｚから１ＧＨｚまでの周波数の単一パルスを処理可能であることが要求される。本発明は、パルスの高速かつ効率的な検出を可能にするだけでなく、妥当な労力と抑制した費用とによってデータの評価を可能にする、実現可能な信号及びデータ処理アーキテクチャを提案する。

典型的には、ＭＰＰＣ／ＳｉＰＭ検出器は、高い検出効率を得るために大型のＳＰＡＤ画素（ＳＰＡＤ＝Single Photon Avalanche Diode（単一光子アバランシェダイオード））に頼っている（画素が小さいと配線に使用される面積が大きくなり、相対的に有効面積が小さくなる）。しかしながら、このような大きいピクセルは、信号のＦＷＨＭが例えば５０～２００ｎｓ、特に１００ｎｓ程度になる。しかしながら、そこでは、大きい粒子の検出の場合、ＧＨｚ程度の信号反復率が発生することがある。本発明に係る方法によれば、流れている流体中の粒子又はエアロゾル、特に、例えばディーゼル車又はガソリン車などの燃焼システム又は内燃機関の排気ガス中の煤粒子、の個数濃度及び質量濃度の両方を測定することができる。ここでは、テスト容量内の単一粒子を検出し、測定データから粒子サイズも特定し得るようにする能力が明示的に含まれている。この場合、本発明に係る方法は、粒子フィルタの状態のＯＢＤモニタリング（ＯＢＤ＝On Board Diagnose（車載診断））に用いることができる。本発明に係る方法により動作する粒子センサは、応答時間が短く、起動後ほぼ直ちに使用可能な状態となる。

ガソリン内燃機関を搭載した自動車から一般的に排出される超微粒子（低質量、多数）の大部分は、低温始動時に発生するため、特にガソリン車においては、車両始動直後の粒子数測定能力と使用待機状態とが極めて重要となる。

本発明により、信号評価用電子装置を簡便なものにすることができる。これにより、費用効果及び耐熱性が向上し、静電気放電ＥＳＤ（electrostatic discharge）、即ち、絶縁破壊及び電気的干渉に対する耐性が向上する。また、本発明により、加算器の出力において得られたデータが供給される粒子センサの評価装置における計算量が削減され、データのより複雑な評価が可能となり、ひいては情報量を増加させることができる。また、一般的なＭＰＰＣ／ＳｉＰＭを使用することができるため、サプライヤにおける選択肢が拡張する。加算器が読み出したデータは、直前に言及した評価装置においてトリガ法、データフィッティング法、ニューラルネットワーク法、機械学習法及び／又はＫＩ（人工知能＝Kuenstliche Intelligenz）法を用いて評価することができる。

本願の一発展形態によれば、相互に連続する２つのパルスが出力される時間範囲は、２つのパルスの合計幅よりも少なくとも一時的に小さく、これにより、「パイルアップ」が発生し、加算器は、出力信号を所定の時間区間にわたって積分する積分器であることが提案されている。

パイルアップ又は「重なり」とは、極めて一般的には、１つの検出器において２つの検出事象が、当該検出事象が惹起する単一の電気パルスの持続時間（特にＦＷＨＭであり、ここで、ＦＷＨＭは、Full Width at Half Maximum「半値全幅」を表す）よりも短い時間内に発生する場合をいう。パイルアップの場合は、結果として、それぞれパルスの高さが低い２つの事象ではなく、パルスの高さがより高い１つの事象のみが記録される。上記のステップｂ，ｃ（方法）は、出力信号がそのようなパイルアップを有する場合においても、あるいは、そのような場合にこそ、実行される。

従って、単一ＳＰＡＤのパルスは、ＭＰＰＣ／ＳｉＰＭ検出器の出力において合流して「山」を形成する。この場合、山の総電荷量は、個々のパルスの総電荷量に対応しており、即ち、パルスの総数に関する情報は、保持されている。

従って、検出器の信号出力における電荷は、好適には所定の時間（例えば０．５～３μｓ、例えば１μｓ）だけ、測定信号として用いられ、少なくともこのような場合には個々のパルスは計数されず、この測定信号に関して積分値が形成される。これにより、高速出力（光子検出時に、追加の出力が極めて短いパルス（数ナノ秒）を出力するという、特定のＳｉＰＭの一特性）を備えていないＭＰＰＣ／ＳｉＰＭ検出器を、ＬＩＩ粒子センサに用いることも考慮の対象になり得る。

比較的容易に実施可能な他の発展形態によれば、加算器が所定の時間区間内のパルス数を積算する計数器であることが提案されている。斯かる計数器は、個々のパルスを検出し、計数器の出力に提供される計数を増分する超高速カウンタとして形成されるものとしてよい。

基本的に、検出器の出力信号は、加算器において積算される前に増幅器において増幅されると有利である。

一発展形態によれば、時間区間の持続時間を可変とすることが提案されている。これにより、時間区間の持続時間は、現在の動作状況又は予想される煤粒子の発生状況に応じて個別に調整することができる。これにより、処理効率が向上する。

一発展形態によれば、加算器の出力がデジタルであり、好適には並列であることが提案されている。これにより、積分器から提供されたデータの処理が簡便になる。

一発展形態によれば、これに関して、加算器の出力における１ビットは、最大で個々の１パルスの電圧又は電流の予想される積分値にほぼ相当し、好適には個々の半パルスの電圧又は電流の予想される積分値にほぼ相当することが提案されている。これは、適当な回路によって保証することができる。これにより、十分な解像度が得られ、最終的にノイズフィルタリングの拡張が可能になる。好適には、加算器は、この場合、最大で約４～１６ビットの領域、好適には約８～１２ビットの領域の値を有する信号をその出力端に提供する。これは、検出すべき最大の粒子（例えば約１ＧＨｚ）及び典型的な最大時間区間（例えば約１μｓ）の場合における典型的な検出器のパルスレートから導出され、ここから、例示的には、最大計数１０００パルス、即ち、必要値１０ビット（＝１０２４）が導出される。

一発展形態によれば、外部からの信号により加算器をリセット可能であるものとし、特に、最後のリセットから所定の時間区間が経過した後にリセット可能であるものとすることが提案されている。これにより、加算器のオーバーフロー又は不必要に大きい値の出力が回避される。

一発展形態によれば、加算器の状態を、固定である又は柔軟に制御可能である時間的間隔をおいて読み出すことが提案されている。加算器は、典型的には、０．５～５μｓの時間的間隔により、特に約１μｓの時間的間隔により読み出される。これにより、評価が簡便になる。

一発展形態によれば、加算器から読み出されたデータが、先ず、持続的に読み出されるバッファに、特に、所定の量のデータが取得された後に読み出されるバッファに供給されることが提案されている。この場合、例えば、Ｙビットを備えたＸ個の数字が単位時間に１回（例えば、１０ビットを備えた１００個の数字が１μｓごとに１回）読み出され、データパケット全体の高速な評価／査定がＺＭＨｚの周波数（例えば約１ＭＨｚ）において実行されることが考えられる。そのためには、この場合、比較的高速で高性能な計算機が必要になるが、一種の「実時間処理」が可能になる。

他の発展形態によれば、加算器から読み出されたデータを先ずバッファに供給し、直近に取得された所定の量のデータをバッファに保存し、この保存された量をデータパケットとして評価装置に出力することが提案されている。例えば、バッファは、加算器の直近のＸ個の値（例えば約１００個）を保存し、これを作業パケットとして評価装置に転送することができる。これには、評価装置が、極めて高い周波数（例えば約１ＭＨｚ）において加算器から値を取得するのでなく、大幅に低い周波数（例えば約１０ｋＨｚ）においてバッファから新しいデータを取得することができるという利点がある。しかしながら、この場合、相応に、より大きいデータパケットを処理しなければならない。当該発展形態には、評価装置において比較的大きいデータパケットを処理する必要があるが、特定の時間的間隔で処理すればよいため、場合に応じて適当なプロセッサを用いることができるという利点がある。

一発展形態によれば、加算器から読み出されたデータは、取得したデータを段階的に処理する評価装置に転送され、ここで、第１の段階においては、所定の特性を有するデータパケットが識別され、第２の段階においては、これらの識別されたデータパケットのみが評価されることが提案されている。例えば、「関心」データパケット（例えば、粒子事象を含む可能性が高いデータパケット）を大まかに事前選択し、続いて、これらの事前選択された少数のデータパケットのより詳細な評価（即ち、関連情報の抽出）を行うものとしてもよい。これにより、比較的低い計算能力によっても、例えば、比較的大きい煤粒子に関する関連性の高い情報を得ることができる。

上述したように、加算器の上流に増幅器が配置され、加算器の下流にバッファが配置され、バッファの下流に評価装置が配置されるものとしてよい。これらの要素の一部又は全部は、専用のＡＳＩＣに組み込まれるものとしてよい。これにより、高い処理速度、小型化及び廉価が達成される。ただし、個々の構成要素が個別構成要素又はマイクロＡＳＩＣとして形成されていることも考えられる。例えば、増幅器及び加算器は、個別構成要素として又はマイクロＡＳＩＣとして形成されるものとしてよい。さらに、上記の構成要素の一部又は全部が、マイクロコントローラ又はマイクロプロセッサにソフトウェアとして実装されていることも考えられる。最後に、上述の構成要素の一部又は全部が、内燃機関のエンジン制御ユニットに収容されていることも考えられる。上記のいずれの場合も、廉価、小型、高い応用性などの利点がある。

一発展形態によれば、加算器が少なくとも２つの入力端を有することが提案されている。従って、斯かる加算器はデュアル入力部を有し、検出器からの信号が一方の入力端に流れている間に、他方の入力端を評価することができる。その後、切り替えにより、一方の入力端を評価しながら、他方の入力端にデータが流れるようにすることができる。これにより、加算器の処理能力が向上する。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。

レーザ誘起白熱の原理により動作する粒子センサの構造を説明するブロック図である。 粒子が存在する、流れている流体の描出を含む、図１の粒子センサの構造の詳細図である。 粒子センサの検出器からの信号を処理するための装置のブロック図である。 図１及び図２の粒子センサの検出器の第１のタイプのデジタル出力信号を時間に対してプロットしたグラフである。 図１及び図２の粒子センサの検出器の第２のタイプのデジタル出力信号を時間に対してプロットしたグラフである。 図１及び図２の粒子センサの検出器のデジタル出力信号を処理する方法のフローチャートである。

機能的に同等の要素又は領域には、以下の説明において、同一の参照符号が付されている。

図１は、粒子センサ１０の可能な実施形態のブロック図を示している。先ず、レーザ光１４を射出するレーザ１２、この例においてはＣＷレーザ（ＣＷ＝continuous wave、即ち、「連続波」）が認識される。レーザ１２は、特に、極めて廉価であるレーザダイオードを有し得る。レーザ光１０は、先ず、レンズ１６によって平行光に形成され、例えばビームスプリッタ又はダイクロイックミラーの形態のビームスプリッタ１８を通過する。平行光は、そこからレンズ２０に至り、さらに、集光された形態においてスポット２２に到達する。ここで、スポット２２とは、マイクロメートル領域又はナノメートル領域の微小なサイズの容量要素をいう。

高強度のレーザ光１４は、スポット２２において、そこに存在する粒子２４、例えば内燃機関（図示せず）の排気流中の煤粒子に衝突する可能性がある。レーザ光２４の強度は、スポット２２において、粒子２４に吸収されたレーザ光１４のエネルギによって粒子２４が摂氏数千度まで加熱される程度の高さである（スポット２２の容量においてのみ、レーザ光１４の強度は、レーザ誘起白熱に必要な高い値に到達する）。加熱の結果、粒子２４は、自発的に、かつ、実質的に優先方向なしに、ＬＩＩ光とも称される温度放射の形態において放射線２６（破線の矢印）を著しく放出する。そのため、温度放射２６の一部は、入射するレーザ光１４の方向とは反対の方向にも放射される。例えば、温度放射２６は、近赤外及び可視のスペクトル領域にあるが、このスペクトル領域に限定されるものではない。

また、スポット２２においてレーザ光１４により励起された粒子２４の温度放射２６は、レンズ２０を通過してビームスプリッタ１８に戻り、そこで９０°だけ偏向され、集束レンズ２８を通過し、フィルタ３０（これを設けることは必須ではない）を通過して検出器３２に至る。フィルタ３０は、レーザ光１４の波長をフィルタリングするように形成されており、レーザ光１４もわずかな量が反射される（鎖線の矢印３１）。従って、フィルタ３０により、干渉する背景が低減される。また、簡易なエッジフィルタを使用することも考えられる。これにより、信号対雑音比が向上する。

図示されていない一実施形態によれば、レーザ光は、光導波管とこれに対応する結合及び分離光学素子とを用いて、レーザから集束レンズへと導かれる。検出対象であるＬＩＩ光についても同様のことがあてはまる。また、レーザ光及びＬＩＩ光が、同一のレンズにより、対応して収束及び集光されることも必須ではない。

スポット２２の寸法は、数マイクロメートル、特に最大で２００μｍの領域にあり、スポット２２を通過する粒子２４は、評価可能な放射力を放射するようにレーザ誘起白熱又は化学反応（特に酸化）により励起される。結果として、スポット２２には常に最大で１つの粒子２４が存在し、粒子センサ１０の瞬間的な出力信号３４は、この最大で１つの粒子２４にのみ由来すると推測することができる。

出力信号３４は、スポット２２を通過する粒子２４から射出される放射２６、特に温度放射を検出するように、粒子センサ１０に配置された検出器３２により生成される。

この点において、検出器３２によって提供される出力信号３４は、検出器３２によって検出された温度放射を特徴付ける量である。好ましくは、検出器３２は、温度放射２６を検出して、特定の電圧又は特定の電流を有するパルスの形態のデジタル出力信号３４を生成する多画素光子カウンタ（ＭＰＰＣ）又はシリコン光子乗算器（ＳｉＰＭ）又はＳＰＡＤダイオード（single-photon avalanche diode（単一光子アバランシェダイオード））を含む。温度放射２６が強いほど、単位時間あたりに出力されるパルス数も多くなる。これにより、単一粒子の測定が可能となり、大きさ又は速度などの粒子２４に関する情報の抽出が可能となる。

前述のタイプの検出器３２を用いて、極めて小さい粒子２４によって生成され、従って、極めて小さい、例えば数個の光子によって形成された光信号を検出することが既に可能である。

これによって、検出可能な粒子２４のサイズは、検出の下限である１０ｎｍに到達する。

レーザ１２を変調させること、又は、その電源を投入及び遮断することは、問題なく可能である（デューティサイクル＜１００％）。ただし、レーザ１２がＣＷレーザであることが好ましいことに変わりはない。これにより、廉価の半導体レーザ素子（レーザダイオード）を使用することができ、従って、粒子センサ１０を安価に完成することが可能となり、レーザモジュール１２の制御及び出力信号３４の評価を大幅に簡素化することができる。ただし、パルスレーザの使用を除外するものではない。

図２は、例えば自動車の内燃機関（ディーゼル又はガソリン）の排気システムにおいて、燃焼プロセスの排気ガス３６における煤粒子センサとして使用するために適した粒子センサ１０の有利な実施例をより詳細に示している。この点において、排気ガス３６は、特定の速度で流れ、粒子２４を含む流体の一例を形成する。

粒子センサ１０は、外側保護管３８及び内側保護管４０からなる構成を有する。両保護管３８，４０は、好ましくは、概して円筒形状又は角柱形状を有する。円筒形の基底面は、円形、楕円形、多角形のいずれかであることが好ましい。保護管３８，４０は、好ましくは、保護管３８，４０の軸が排気ガス３６の流れに対して交差する方向に向いた状態で同軸上に配置されている。内側保護管４０は、外側保護管３８を越えて、流れている排気ガス３６へと軸線方向に突出している。流れている排気ガス３６とは反対側の２つの保護管３８，４０の端部においては、外側保護管３８が内側保護管４０を越えて突出している。外側保護管３８の内のり幅は、好ましくは、２つの保護管３８，４０の間に、本例においては、ほぼ円形の第１の流れ断面が得られる程度に内側保護管４０の外径よりも大きい。内側保護管４０の内のり幅は、本例においては、円形の第２の流れ断面を形成する。

当該配置構成の結果として、排気ガス３６は、第１の流れ断面を介して２つの保護管３８，４０の構造内に侵入し、その後、排気ガス３６とは反対側の保護管３８，４０の端部においてその方向を変更し、内側保護管４０に侵入し、そこから、近傍を流れる排気ガス３６によって吸出される（参照符号４２の矢印）。ここで、内側保護管４０内に層流が発生する。保護管３８，４０の当該配置は、排気ガス３６の流れに交差する方向において、排気管（図示せず）上又は排気管内に固定される。スポット２２は、内側保護管４０の内部に位置する。この構造は、スポット２２の生成のために、及び、粒子２４から放出される温度放射２６の検出のために、同一の光学系、特に同一のレンズ２０が使用されることから、排気ガス３６への光学的アクセスが１つだけで足りるという、極めて重要な利点を有する。

粒子センサ１０は、好ましくは、排気ガス３６に晒される第１の部分４４（保護管３８及び４０）と、粒子センサ１０の光学的構成要素を含み、排気ガス３６に晒されない第２の部分４６とを有する。両部分４４，４６は、保護管３８，４０と粒子センサ１０の光学的要素との間に延在する仕切壁４８によって仕切られている。壁４８は、高温で化学的に攻撃的な「汚れた」排気ガス３６から敏感な光学的要素を隔離するために用いられている。仕切壁４８には、レーザ光１４の光路上に保護窓５０が設けられており、これを通過してレーザ光１４が流れ４２間を通って排気ガス３６へと入射し、これを介して、スポット２２から射出される温度放射２６がレンズ２０へ、かつ、そこからビームスプリッタ１８及びフィルタ３０を経由して検出器３２へ、入射することができる。

さらに、粒子センサ１０は、検出器３２の出力信号３４を処理するための装置５２を有し、当該装置は、検出器３２によって提供され、検出された温度放射２６を特徴付ける量の評価を検出器３２の出力信号３４に基づいて実行するように構成及び設計されている。そのために、装置５２は、図３により詳細に示す構成要素を有する。

装置５２は、先ず増幅器５４を有するが、この増幅器５４の採用は任意である。増幅器５４の下流には加算器５６が設けられ、その下流にはやはり採用が任意であるバッファ５８が配置されている。バッファ５８の出力は、評価装置６０に接続されており、一方、評価装置は、診断装置、表示装置、及び／又は、その他の処理装置６２に接続されている。本例においては、積分器５６は、２つの入力端６４ａ及び６４ｂを有する。

これらの要素の一部又は全部は、専用のＡＳＩＣに組み込まれるものとしてよい。ただし、個々の構成要素は個別構成要素又はマイクロＡＳＩＣとして形成されていることも考えられる。例えば、増幅器５４及び加算器５６は、個別構成要素として又はマイクロＡＳＩＣとして形成されるものとしてよい。さらに、上記の構成要素の一部又は全部が、マイクロコントローラ又はマイクロプロセッサ内のソフトウェアとして実装されており、当該ソフトウェアが適当な電気的記憶媒体に保存されていることも考えられる。最後に、上述の構成要素の一部又は全部が、内燃機関のエンジン制御装置に収容されていることも考えられる。

図４は、検出器３２のデジタル出力信号３４をより詳細に示している。出力信号３４は、６６により示される個々のパルス「シングルカウント（single counts）」を含み得ることが分かる。これらは、６８により示される半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する。検出器３２は、極めて高い検出効率により個々の光子を検出する。その際、光子は、例えば数ナノ秒から数百ナノ秒の領域にあり得るＦＷＨＭ６８を有する極めて短い電流パルス又は電圧パルス６６を生成する。

ただし、図５から分かるように、大きい粒子２４が、これに対応する強い温度放射２６と共に検出される場合、ＧＨｚ程度の信号反復率が発生し、従って、極めて短い時間内に多数の個々のパルス６６が発生する。

その結果、「パイルアップ」が惹起される。パイルアップ又は「重なり」とは、本例の場合、検出器３２において、複数の電気パルス６６が、発生した個々の電気パルス６６の持続時間（ＦＷＨＭ６８）の合計よりも短い持続時間（図５の参照番号７０）内に発生することをいう。従って、パルス６６は検出器３２の出力において合流し、図５において参照符号７２を付した黒い太線により縁取られた「山」を形成する。この場合、山７２の総電荷量（＝面積）は、個々のパルス６６の総電荷量に対応している。従って、パイルアップの場合、各パルスの高さがそれぞれ低い複数の事象ではなく、パルスの高さがより高い１つの事象（即ち、単一の山７２）のみが記録される。

通常、例えば図４のものに対応するデジタル出力信号３４は、計数器又は「カウンタ」の形態の加算器５６によって評価され、この加算器は、単位時間あたりのパルス６６の数を検出し、このようにして、検出事象、本例の場合はスポット２２における粒子２４の有無に関して推測を行う。この場合、単位時間あたりのパルス６６の数は、温度放射２６の強度に依存する。単位時間あたりに計数されるパルス６６の数が多いほど、温度放射２６が強くなり、粒子２４が大きくなる。

しかし、上述のとおり、粒子２４が極めて大きい場合には、図５に示すように、上述のパイルアップが発生することがある。従って、このような場合には、出力信号３４は、アナログ測定信号と同様に用いられ、個々のパルス６６（単一パルスの場合）及び「山」７２（パイルアップの場合）に対する積分値が、積分時間を可変にして加算器５６内において形成される。即ち、本実施形態においては、加算器５６は、積分器として形成されており、対応する値をその出力端に送出する。

この場合、好適には、加算器５６の出力は、同様にデジタルであり、また、並列であるが、直列であってもよい。好適には、回路は、加算器５６の１ビットが、検出器３２のパルス６６の予想される電荷にほぼ対応するように形成されている。解像度が高いほど（例えば、パルス６６あたり２ビット）有利であり、ノイズフィルタリングを拡張することができる。また、加算器５６は、外部信号によりリセットすることができる。加算器５６は、最大で約４～１６ビットの領域、好適には約８～１２ビットの領域の値を好適に有する信号を出力する。これは、検出すべき最大の粒子２４（例えば、約１ＧＨｚの信号反復率に相当する）及び典型的な最大時間区間（例えば、約１μｓ）の場合における典型的な検出器３２のパルスレートから導出され、これから、例示的には、最大計数１０００パルス、即ち、必要値１０ビット（＝１０２４）が導出される。加算器５６は、２つの入力端６４ａ，６４ｂを備えたデュアル入力部を有するため、検出器３２からの出力信号３４が一方の入力端６４ａに流れている間に、他方の入力端６４ｂを評価（即ち、積分）することができる。その後、切り替えにより、一方の入力端６４ａを評価しながら、他方の入力端６４ｂに出力信号３４のデータが流れるようにすることができる。

加算器５６の状態は、定期的に、又は、柔軟に制御可能な時間区間により、例えば、１μｓごとに１回読み出される。加算器５６の出力において得られたデータは、基本的には評価装置６０に直接的に供給されるものとしてよい。しかしながら、本例において、また、極めて例示的には、これらはバッファ５８に供給され、当該バッファは、加算器５６の直近の値を所定の個数、例えば１００個だけ記憶し、その後、これらを作業パケットとして評価装置６０に転送する。

評価装置６０は、加算器５６から取得したデータを、本例においては複数の段階、例えば２段階で処理する。第１の段階において、所定の特性を有するデータパケットが識別され、第２の段階において、この識別されたデータパケットのみが評価される。例えば、「関心」データパケットの大まかな事前選択が実行されるものとしてよく、この場合、データパケットは、例えば積分値に基づいて、粒子、場合によっては特に大きい粒子２４の検出を高い確率により示す場合、「関心対象」として分類される。例えば、山７２の形状が特定されてそこから粒子２４の形状が推測されるような、より詳細な評価は、このように選択された「関心」データパケットに対してのみ実行される。加算器５６から読み出されたデータは、トリガ法、データフィッティング法、ニューラルネットワーク法、機械学習法及び／又はＫＩ法（人工知能＝Kuenstliche Intelligenz）を用いて評価装置６０において評価することができる。

ただし、基本的には評価装置６０に組み込まれ得るバッファ５８が継続的に読み出され、例えば特定の数の値が単位時間ごとに１回読み出されることも考えられる。特に、１μｓに１回、１０ビットの数字が１００個読み出されるものとしてよい。このように継続的に読み出されたデータは、例えば１ＭＨｚのような高い周波数を有する極めて高速な評価によって処理することができる。

次に、図６を参照して、粒子センサ１０からの信号３４を処理する方法について説明する。当該方法は、スタートブロック７４において開始する。ブロック７６において、デジタル出力信号３４が検出器３２により提供される。ブロック７８において、出力信号３４が加算器５６に供給される。加算器５６が積分器として形成されている場合、ブロック８０において、出力信号３４が所定の時間区間に対してこの加算器により積分される。これに対して、加算器５６が計数器又はカウンタとして形成されている場合は、時間区間内のパルス数が計数される。ブロック８２において、積分値又は計数器状態に対応して加算器５６の出力に得られた値がバッファ５８に読み込まれ、加算器５６がリセットされる。ブロック８４において、バッファ５８に到達した値がデータパケットとして収集され、ブロック８６において、収集されたデータパケットが評価装置６０に供給される。ブロック８８において、データパケットが評価装置６０において評価される。当該方法は、ブロック９０において終了する。

Claims (16)

1. レーザ誘起白熱の原理により動作する粒子センサ（１０）の出力信号（３４）を処理するための方法であって、
   検出器（３２）により検出された温度放射（２６）を特徴付ける出力信号（３４）を前記検出器（３２）において提供するステップを含む、方法において、
   ａ．前記検出器（３２）により、複数のパルス（６６）を含む出力信号（３４）を提供するステップと、
   ｂ．少なくとも一時的に、前記出力信号（３４）を加算器（５６）に供給するステップと、
   ｃ．前記出力信号（３４）を前記加算器（５６）により所定の時間区間にわたって積算するステップと、
   をさらに含み、
   前記検出器（３２）は、多画素光子カウンタ（ＭＰＰＣ）又はシリコン光子乗算器（ＳｉＰＭ）であり、特定の電圧又は特定の電流を有するパルスの形態の前記出力信号（３４）を生成することにより、個々の光子を検出し、
   相互に直接的に連続する２つのパルス（６６）が出力される時間範囲（７０）が、前記２つのパルス（６６）の合計幅よりも少なくとも一時的に小さく、これにより、「パイルアップ」が発生し、前記加算器（５６）は、前記出力信号（３４）を所定の時間区間にわたって積分する積分器である、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記時間区間の持続時間は、可変である、請求項１に記載の方法。
3. 前記加算器（５６）の出力は、デジタルである、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記加算器（５６）の出力は、並列である、請求項３に記載の方法。
5. 前記加算器（５６）の前記出力における１ビットは、最大で個々の１パルス（６６）の電圧又は電流の予想される積分値にほぼ相当する、請求項３又は４に記載の方法。
6. 前記加算器（５６）の前記出力における１ビットは、個々の半パルス（６６）の電圧又は電流の予想される積分値にほぼ相当する、請求項５に記載の方法。
7. 前記加算器（５６）は、外部からの信号によりリセット可能である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記加算器（５６）は、最後のリセットから所定の時間区間が経過した後にリセット可能である、請求項７に記載の方法。
9. 前記加算器（５６）の状態は、時間的間隔をおいて読み出され、前記時間的間隔は、固定であり又は柔軟に制御可能である、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記加算器（５６）から読み出されたデータは、先ず、持続的に読み出されるバッファ（５８）に供給される、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記加算器（５６）から読み出されたデータは、先ず、持続的に読み出されるバッファ（５８）であって、所定の量のデータが取得された後に読み出されるバッファ（５８）に供給される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記加算器（５６）から読み出されたデータは、先ず、バッファ（５８）に供給され、直近に取得された所定の個数のデータが前記バッファ（５８）に保存され、次に、当該保存された個数がデータパケットとして評価装置（６０）に出力される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記加算器（５６）から読み出されたデータは、取得したデータを段階的に処理する評価装置（６０）に転送され、第１の段階において、設定された特性を有するデータパケットが識別され、第２の段階において、当該識別されたデータパケットのみが評価される、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 検出された温度放射（２６）を特徴付ける出力信号（３４）を提供する検出器（３２）を備えた、レーザ誘起白熱の原理により動作する粒子センサ（１０）の出力信号（３４）を処理するための装置（５２）において、
    ａ．前記検出器（３２）は、複数のパルス（６６）を含む出力信号（３４）を提供するように構成及び設計されており、
    ｂ．前記装置（５２）は、前記出力信号（３４）が少なくとも一時的に供給され、前記出力信号（３４）を所定の時間区間にわたって積算するように構成及び設計された加算器（５６）を備え、
    前記検出器（３２）は、多画素光子カウンタ（ＭＰＰＣ）又はシリコン光子乗算器（ＳｉＰＭ）であり、特定の電圧又は特定の電流を有するパルスの形態の前記出力信号（３４）を生成することにより、個々の光子を検出し、
    相互に直接的に連続する２つのパルス（６６）が出力される時間範囲（７０）が、前記２つのパルス（６６）の合計幅よりも少なくとも一時的に小さく、これにより、「パイルアップ」が発生し、前記加算器（５６）は、前記出力信号（３４）を所定の時間区間にわたって積分する積分器である、
    ことを特徴とする装置（５２）。
15. 前記加算器（５６）は、少なくとも２つの入力端を有する、請求項１４に記載の装置。
16. レーザ誘起白熱の原理により動作する粒子センサ（１０）において、請求項１４又は１５に記載の装置（５２）を備えることを特徴とする粒子センサ（１０）。

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