光学颗粒传感器
阅读：740发布：2021-10-26
专利汇可以提供光学颗粒传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 描述了一种激光 传感器 模 块 。所述激光传感器模块包括：至少第一 激光器 (111)，其适于发射第一测量光束(111’)，以及至少第二激光器(112)，其适于发射第二测量光束(112’)。所述激光传感器模块还包括光学设备(150)，所述光学设备被布置为对所述第一测量光束(111’)和所述第二测量光束(112’)进行重定向，使得5所述第一测量光束(111’)与所述第二测量光束包围在45°和135°之间的 角 度。所述激光传感器模块包括一个探测器(120)，所述一个探测器适于确定所述第一激光器(111)的第一激光腔内的第一光波的至少第一自混合干涉 信号 和所述第二激光器(112)的第二激光腔内的第二光波的至少第二自混合干涉信号。尽管实际上不可能确定速度矢量的分量，但是该配置10使得能够确定颗粒的平均速度。借助于统计变化引入的误差是可接受的，因为探测到的颗粒的数量与颗粒速度的立方根成比例。本发明还描述了一种包括这样的激光传感器模块的颗粒传感器(100)、对应的方法和 计算机程序 产品15。本发明使得能够基于激光自混合干涉来探测小颗粒的简单且低成本的颗粒传感器(100)。，下面是光学颗粒传感器专利的具体信息内容。
1.一种颗粒传感器(100)，其包括用于探测颗粒的激光传感器模块，所述激光传感器模块包括：
-至少第一激光器(111)，其适于发射第一测量光束(111’)，以及至少第二激光器(112)，其适于发射第二测量光束(112’)，
-光学设备(150)，其被布置为至少对所述第一测量光束(111’)进行重定向，使得所述第一测量光束(111’)与所述第二测量光束(112’)包围45°与135°之间的角度，-一个公共探测器(120)，其适于确定所述第一激光器(111)的第一激光腔内的第一光波的至少第一自混合干涉信号和所述第二激光器(112)的第二激光腔内的第二光波的至少第二自混合干涉信号，
-所述颗粒传感器(100)还包括评估器(140)，其中，所述评估器(140)适于接收由所述探测器(120)响应于所确定的自混合干涉信号而生成的探测信号，其中，所述评估器(140)还适于借助于接收到的在预定时间段内的探测信号来确定至少一个平均颗粒速度，并且其中，所述评估器(140)还适于基于所确定的在所述预定时间段内的自混合干涉信号的数量和所述至少一个平均速度来确定颗粒密度。
2.根据权利要求1所述的颗粒传感器(100)，其中，所述激光传感器模块包括至少第三激光器(113)，所述至少第三激光器适于发射第三测量光束(113’)，其中，所述光学设备(150)被布置为对所述测量光束(111’、112’、113’)中的至少两个进行重定向，使得所述测量光束(111’、112’、113’)相互包围相同的角度，并且其中，所述探测器(120)适于确定所述第三激光器(113)的第三激光腔内的第三光波的至少第三自混合干涉信号。
3.根据权利要求1所述的颗粒传感器(100)，其中，所述测量光束(111’、112’、113’)相互包围90°的角度。
4.根据权利要求1、2或3所述的颗粒传感器(100)，其中，所述至少第一激光器(111)和所述至少第二激光器(112)包括在公共半导体芯片上提供的半导体层。
5.根据权利要求4所述的颗粒传感器(100)，其中，所述探测器(120)被集成在所述半导体层中。
6.根据权利要求1所述的颗粒传感器(100)，其中，所述光学设备(150)包括光栅。
7.根据权利要求4所述的颗粒传感器(100)，其中，所述光学设备(150)包括被集成在所述半导体层中的表面光栅。
8.根据权利要求4所述的颗粒传感器(100)，其中，所述光学设备(150)包括微光学部件(151a)，所述微光学部件用于对由所述激光器(111、112、113)发射的所述测量光束(111’、
112’、113’)进行重定向，并且其中，每个微光学部件(151a)被附接到一个激光器(111、112、
113)。
9.根据权利要求8所述的颗粒传感器(100)，其中，所述光学设备(150)还包括与每个测量光束(111’、112’、113’)相关联的至少一个聚焦元件(151b)，其中，所述至少一个聚焦元件(151b)被布置为将相应的测量光束聚焦到聚焦区域(155)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的颗粒传感器(100)，所述颗粒传感器(100)还包括电驱动器(130)，其中，所述电驱动器(130)适于对所述激光器(111、112、113)进行电驱动，使得所述激光器发射所述测量光束(111’、112’、113’)。
11.一种包括根据前述权利要求中的任一项所述的颗粒传感器(100)的空气净化器、传感器盒或可穿戴设备。
12.一种颗粒探测的方法，所述方法包括以下步骤：
-借助于第一激光器(111)发射至少第一测量光束(111’)，
-借助于第二激光器(112)发射至少第二测量光束(112’)，
-至少对所述第一测量光束(111’)进行重定向，使得所述第一测量光束(111’)与所述第二测量光束包围45°与135°之间的角度，
-借助于一个公共探测器(120)来确定在预定时间段内的所述第一激光器(111)的第一激光腔内的至少第一光波的至少自混合干涉信号和所述第二激光器(112)的第二激光腔内的至少第二光波的至少自混合干涉信号，
-基于所确定的自混合干涉信号来确定至少一个平均速度，
-基于所确定的平均速度和所确定的在预定时间段内的自混合干涉信号的数量来确定颗粒密度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法包括以下额外的步骤：
-基于所确定的在第一时间段中的自混合干涉信号来确定至少第一平均速度，-基于所确定的在第二时间段中的自混合干涉信号来确定至少第二平均速度，-确定在包括所述第一时间段和所述第二时间段的预定时间段中的所确定的自混合干涉信号的数量，
-基于所述至少第一平均速度、所述至少第二平均速度和相应的所确定的自混合干涉信号的数量来确定颗粒密度。
14.一种包括代码模块的计算机程序产品，所述代码模块能够被保存在根据权利要求
1-10中的任一项的颗粒传感器(100)所包括的至少一个存储器设备上，或者保存在包括所述颗粒传感器(100)的设备的至少一个存储器设备上，其中，所述代码模块被布置为使得根据权利要求12或13中的任一项所述的方法能够借助于由所述颗粒传感器(100)包括的至少一个处理设备或者借助于包括所述颗粒传感器(100)的设备的至少一个处理设备来运行。
光学颗粒传感器
技术领域
背景技术
[0002] CN102564909 A公开了一种用于大气颗粒物的激光自混合多物理参数测量方法和激光自混合多物理参数测量设备。所述激光自混合多物理参数测量设备包括微芯片激光器、准直透镜、分光器、会聚透镜、光电探测器、放大器、数据采集卡和谱分析器。所描述的方法和设备复杂且昂贵。
发明内容
[0004] 根据第一方面，提出了一种用于颗粒密度检测的激光传感器模块。所述激光传感器模块包括：
[0005] -至少第一激光器，其适于发射第一测量光束，以及至少第二激光器，其适于发射第二测量光束，
[0006] -光学设备，其被布置为至少对所述第一测量光束进行重定向，使得所述第一测量光束与所述第二测量光束包围45°与135°之间的角度，
[0008] 借助于光学感测技术确定的探测颗粒的数量取决于颗粒相对于光束的相对速度。因此有必要确定颗粒的速度以确定相应的颗粒密度。在未知风向的一般情况下，必须使用指向不同方向的多个自混合激光传感器，优选地正交地放置。自混合激光传感器中的每个在相应方向上发射激光束，并且一旦激光束在颗粒处反射而使得至少一部分反射激光束重新进入相应的自混合激光传感器的激光腔就产生自混合干涉信号。平行于激光束发射方向的颗粒的速度分量可以通过自混合干涉信号来确定。因此，需要三线性独立方向(优选地，正交方向，如x、y和z)中的自混合激光传感器发射激光，以确定颗粒流的速度矢量。在其他配置中，必须相对于自混合激光传感器固定颗粒流的方向，或者必须借助于例如可移动的镜面来生成人造颗粒流，使得风速的影响可以忽略不计。特别是作为振荡的镜面的可移动机械部件增加了这样的颗粒传感器的尺寸和成本。
[0009] 具有用于探测至少两个激光器的自混合干涉信号的一个公共探测器的激光传感器模块减小了颗粒传感器的尺寸、复杂性并因此降低了成本。探测器不是为了区分哪个激光腔产生自混合干涉信号而布置的。因此，不可能将发射方向分配给所确定的自混合干涉信号。静态光学设备(没有可移动部件)用于对一个或两个测量光束进行重定向，使得测量光束包围45°与135°之间的固定角度，更优选地在60°与120°之间，并且最优选地在80°与100°之间。可以从单个或共同的探测器(例如，光电二极管)来确定可靠的速度测量。原因在于，在二维颗粒流(例如，平行于表面的风)的情况下，颗粒速度将在已知方法中通过x和y方向上的速度分量的平方根得出。因此，仅借助于一个不能区分x和y方向的探测器来测量速度会引入误差。因为探测到的颗粒的数量与颗粒速度的立方根成比例，所以颗粒的数量的误差小于颗粒速度的误差。因此，简化的激光传感器模块能够在多种应用中以足够的精度探测探测体积内的颗粒的数量。探测体积内的颗粒的数量可用于确定由美国环境保护局的国家空气质量标准定义的PM 2.5值。自混合干涉信号的信号强度还可以用于确定粒尺寸的估计。
[0010] 可以有两个、三个、四个或更多个(例如阵列)发射第一测量光束的激光器以及两个、三个、四个或更多个(例如阵列)发射第二测量光束的激光器。增加测量光束的数量可以增加探测体积并因此减少确定足够颗粒所需的探测时间。
[0011] 激光传感器模块可以包括适于发射第三测量光束的至少第三激光器。所述光学设备可以被布置为使得至少两个测量光束被重定向，使得所有测量光束相互包围相同的角度。光学设备可以特别地被布置为对所述第一测量光束、所述第二测量光束和所述第三测量光束进行重定向，使得所述第一测量光束和所述第二测量光束包围的角度与所述第二测量光束和所述第三测量光束包围的角度并且与所述第三测量光束和所述第一测量光束包围的角度相同。单个探测器可以适于确定所述第三激光器的第三激光腔内的第三光波的至少另外的第三自混合干涉信号。因此，单个探测器被布置为确定所有三个激光器的自混合干涉信号。因此，与单独的探测器与每个激光器组合的配置相比，简化了激光传感器模块。
[0012] 采用三个借助于光学设备布置的激光器在三个线性独立测量方向上发射三个测量光束，使得能够在颗粒流向量不被限制到基本上二维平面的情况下确定平均速度，如具有上述两个测量光束的激光器传感器模块的情况。因此，即使在未知的三维颗粒流的情况下，也可以通过这种简单的激光传感器模块来确定探测体积中的颗粒的数量。
[0013] 如上所述，可以有两个、三个、四个或更多(例如阵列)的激光器发射第三测量光束以增加探测体积。
[0014] 测量光束可以包围90°的角度。选择基本上正交的测量光束减小了测量误差，如下所述，并且因此可能是优选的。两个测量光束可以包围90°的角度，或者三个测量光束可以包围90°的角度(例如，指向笛卡尔坐标系x、y、z方向的测量光束)。
[0016] 两个或三个激光器可以彼此相邻放置，例如，在共同的半导体芯片上，使得这些激光器以相同的方向发射激光。光学设备改变发射方向，使得两个或三个测量光束包围所需的一个或多个角度。
[0017] 公共探测器可以集成在公共半导体芯片的半导体层中。半导体芯片的半导体层可包括一个或多个光敏层。光敏层(例如，光电二极管或光电晶体管)可以被布置在构建所述至少两个激光器的半导体层的布置下方。所述光敏层可以被布置为使得可以探测激光器的每个激光腔内的光波的变化。因此，可以借助于公共半导体芯片与光学器件的组合来实现非常紧凑的激光传感器模块。激光器和光敏层可以在一个半导体工艺流程中在晶片级上制造。
[0018] 光学设备可包括与激光器光学耦合的光栅。替代地，光学设备可以包括集成在半导体层中或恰好在半导体层上方的表面光栅。表面光栅可以包括在发射的测量光束的路径中的一个或多个结构化半导体层，其可以在激光器的半导体处理期间以及任选地如上所述的集成公共探测器处理期间被处理。光栅或表面光栅被布置为使测量光束在预期的方向上偏转，如上文和下文所述。
[0019] 所述至少第一激光器和所述至少第二激光器可以是例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)。在这种情况下，公共探测器可以任选地放置在激光腔附近或者集成在腔的结构中(例如，集成在镜面中的一个的层结构中)，使得实现激光器的激光腔与公共探测器之间的光学耦合。表面光栅可以任选地被提供在两个、三个或更多个VCSEL(顶部或底部发射器)的光发射侧，以便实现或支持测量光束的偏转。
[0020] 所述光学设备可以包括微光学部件，用于对由激光器发射的测量光束进行重定向。每个微光学部件可以被附接到一个激光器或激光器设备，以便在将相应的测量光束重定向到预期的测量方向上。微光学部件可以在晶片级连接到激光器，以便简化对齐。微光学部件可以分组在共同的光学子设备中，使得两个、三个、四个或更多个微光学部件可以被附接到包括两个、三个、四个或更多个激光器的激光传感器模块。一个微光学部件(光学阵列)可用于重定向例如由包括两个、三个、四个或更多个激光器(例如阵列)的布置的第一激光器发射的第一测量光束。
[0021] 所述光学设备还可以包括与每个测量光束相关联的至少一个聚焦元件。所述至少一个聚焦元件被布置为将相应的测量光束聚焦到聚焦区域。将测量光束聚焦到各个聚焦区域可以增加自混合干涉信号的信号强度。因此可以改善测量的可靠性。聚焦元件可以是例如透镜。
[0022] 所述微光学部件和所述聚焦元件可以在一个集成光学设备中制造，以简化对齐。取决于用于在相应测量方向上发射测量光束的激光器的数量，一个、两个、三个、四个或更多个微光学部件可以与一个聚焦元件相关联。
[0023] 根据另一方面，提供了一种颗粒传感器。所述颗粒传感器包括根据如上所述的任何实施例的激光传感器模块。所述激光传感器还包括评估器。所述评估器可以适于接收由探测器响应于所确定的自混合干涉信号而生成的探测信号。所述评估器还适于借助于接收到的在预定时间段内的探测信号来确定至少一个平均颗粒速度。所述评估器还适于基于接收到的在预定时间段内的探测信号和至少一个平均速度来确定颗粒密度。
[0024] 探测到的颗粒的数量和探测到的速度的组合得到颗粒密度。颗粒密度可以表示为例如PM2.5值。例如，评估器可以仅包括一个ASIC，其适于评估借助于第一、第二和任选的第三激光器与公共探测器组合产生的自混合干涉信号，如下面更详细描述的。
[0027] 空气净化器、传感器盒或可穿戴设备可以包括根据如上所述的任何实施例的颗粒传感器模块。传感器盒可以是如上所述的颗粒传感器或包括若干相互不同的传感器模块或传感器的设备。可穿戴设备例如可以是像智能电话的移动通信设备。
[0028] 根据另一方面，提出了一种颗粒密度检测方法。所述方法包括以下步骤：
[0029] -借助于第一激光器发射至少第一测量光束，
[0030] -借助于第二激光发射至少第二测量光束，
[0031] -至少对所述第一测量光束进行重定向，使得所述第一测量光束与所述第二测量光束包围45°与135°之间的角度，
[0032] -一个探测器来确定在预定时间段内借助于的所述第一激光器的第一激光腔内的至少第一光波和所述第二激光器的第二激光腔内的至少第二光波的自混合干涉信号，[0033] -基于所确定的自混合干涉信号来确定至少一个平均速度，
[0034] -基于确定的平均速度和所确定的自混合干涉信号的数量来确定颗粒密度。
[0035] 所述方法还可以包括以下额外的步骤：
[0036] -基于所确定的在第一时间段中的自混合干涉信号来确定至少第一平均速度，[0037] -基于所确定的在第二时间段中的自混合干涉信号来确定至少第二平均速度，[0038] -在包括所述第一时间段和所述第二时间段的预定时间段中确定所确定的自混合干涉信号的数量，
[0039] -基于所述至少第一平均速度、所述至少第二平均速度和相应的所确定的自混合干涉信号的数量来确定颗粒密度。
[0040] 方法步骤不一定按照上述顺序执行。
[0041] 确定在相应的时间段中的所述自混合干涉信号的数量。为了最准确的结果，根据该方法可以优化颗粒探测的间隔。对于小的时间间隔，最准确地遵循风速。对于大的时间间隔，探测到的颗粒的数量较大，因此测量误差较小。通过对于颗粒的数量使用较长的平均时间(包括所述第一时间段和所述第二时间段的时间段)并且对于瞬时风速使用较短的平均时间(第一时间段或第二时间段)(并因此对颗粒计数进行瞬时校正因子)可以获得最准确的结果。
[0042] 根据第三方面，提出了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品包括代码模块，所述代码模块可以保存在根据权利要求8至9中的任一项的颗粒传感器的至少一个存储器设备上，或者保存在包括颗粒传感器的设备的至少一个存储器设备上。所述代码模块被布置为使得根据权利要求11或12所述的方法可以借助于根据权利要求8至9中的任一项所述的激光传感器的至少一个处理设备或者借助于包括所述激光传感器的设备的至少一个处理设备来执行。
[0043] 存储器设备或处理设备可以由激光传感器(例如电驱动器、评估器等)或者包括激光传感器模块的设备所包括。包括激光传感器模块的设备的第一存储器设备和/或第一处理设备可以与由所述激光传感器模块包括的第二存储器设备和/或第二处理设备交互。
[0044] 所述一个或多个存储器设备可以是被布置为存储信息尤其是数字信息的任何物理设备。可以从组固态存储器或光学存储器中具体选择存储器设备。
[0046] 应当理解，根据权利要求8或9中的任一项所述的激光传感器和根据权利要求11或12所述的方法具有类似和/或相同的实施例，特别是如从属权利要求中所限定的。
[0048] 另外的有利实施在下文定义。
[0050] 在附图中：
[0051] 图1示出了作为激光器的数量的函数的探测到的颗粒的数量；
[0052] 图2示出了概率分布；
[0053] 图3示出了图2中所示的颗粒在x和y探测器上的分布；
[0054] 图4示出了第一激光传感器模块的主要草图；
[0055] 图5示出了第二激光传感器模块的主要草图；
[0056] 图6示出了第一颗粒传感器的主要草图；
[0057] 图7示出了第二颗粒传感器的俯视图的主要草图；
[0058] 图8示出了第一微光学部件的主要草图；
[0059] 图9示出了第一光学设备的主要草图；
[0060] 图10示出了第二微光学部件的主要草图；
[0061] 图11示出了第二光学设备的主要草图；
[0062] 图12示出了第三微光学部件的主要草图；
[0063] 图13示出了第三光学设备的主要草图；
[0064] 图14示出了第四微光学部件的主要草图；
[0065] 图15示出了移动通信设备的主要草图；
[0066] 图16示出了颗粒探测方法的主要草图；
[0067] 图17示出椭圆光斑形状的1象限；
[0068] 图18示出了由椭圆斑点形状引起的误差因子的示例；
[0069] 图19示出了考虑椭圆斑点形状的误差因子的减小。
[0070] 在附图中，相似的数字始终指代相似的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。
[0071] 附图标记列表：
[0073] 12 基板
[0074] 14 探测层
[0075] 15 探测电极
[0076] 16 底部DBR
[0077] 17 活性层
[0078] 18 顶部DBR
[0079] 19 顶部电极
[0080] 100 颗粒传感器
[0081] 111 第一激光器
[0082] 111’ 第一测量光束
[0083] 112 第二激光器
[0084] 112’ 第二测量光束
[0085] 113 第三激光器
[0086] 113’ 第三测量光束
[0087] 120 探测器
[0088] 130 电驱动器
[0089] 135 接口
[0090] 140 评估器
[0091] 150 光学设备
[0092] 151a 微光学部件
[0093] 151b 聚焦元件
[0094] 151c 测量窗口
[0095] 155 焦点区域
[0096] 160 空调系统
[0097] 162 空气增流器
[0098] 164 过滤系统
[0099] 190 移动通信设备
[0100] 191 用户接口
[0101] 192 主处理设备
[0102] 193 主存储器
[0103] 230 每分钟颗粒的数量
[0104] 240 激光器
[0105] 242 在一个探测器的情况下探测针对所有激光器的颗粒
[0106] 244 在每个激光器一个探测器的情况下探测颗粒
[0107] 210 概率
[0108] 220 颗粒的数量
[0109] 222 探测对应的颗粒的数量的概率
[0110] 224 概率分布函数
[0111] 310 频率
[0112] 322 探测相应数量的颗粒的频率
[0113] 324 x和y探测器上的颗粒分布函数
[0114] 410 发射第一测量光束
[0115] 420 发射第二测量光束
[0116] 430 对测量光束进行重定向
[0117] 440 确定自混合干涉信号
[0118] 450 确定平均速度
[0119] 460 确定颗粒密度
[0120] 502 以微米为单位的沿y轴的延伸
[0121] 504 以微米为单位的沿z轴的延伸
[0122] 506 椭圆形斑点形状
[0123] 512 误差因子
[0124] 514 发射方向与颗粒轨迹之间的角度
[0125] 516 作为角度的函数的误差因子
[0126] 518 作为角度的函数补偿误差因子
[0127] α 测量光束包围的角度
[0128] x1 微光学部件的半径
[0129] y1 微光学部件的高度
[0130] y2 微光学部件和聚焦元件的高度
具体实施方式
[0131] 现在将借助于附图来描述本发明的各种实施例。
[0132] 自混合干涉用于探测物体的移动和距离。关于自混合干涉的背景信息在下文中描述：“Laser diode self-mixing technique for sensing applications”,Giuliani,G.；Norgia,M.；Donati,S.&Bosch,T.,Laser diode self-mixing technique for sensing applications,Journal of Optics A:Pure and Applied Optics,2002,4,S.283-S.294，通过引用将其并入到本文中。在国际专利申请No.WO 02/37410中详细描述了对指尖相对于光学输入设备中的传感器的移动的探测，通过引用将其并入。基于国际专利申请No.WO 02/
37410中提供的实例讨论了自混合干涉的原理。提供了具有激光腔的二极管激光器，用于发射激光或测量光束。在其上侧，所述设备被提供有透明窗口，物体(例如人的手指)跨过该透明窗口移动。在二极管激光器与窗口之间布置透镜。该透镜将激光束聚焦在透明窗口的上侧或其附近。如果物体存在于该位置，则其将测量光束散射。测量光束的辐射的一部分在照射光束的方向上散射，并且该部分由透镜会聚在激光二极管的发射表面上并重新进入该激光器的腔体。重新进入二极管激光器腔体的辐射引起激光器增益的变化并且因此引起激光器发射的辐射强度的变化，并且正是这种现象被称为二极管激光器中的自混合效应。
37410中提供的实例讨论了自混合干涉的原理。提供了具有激光腔的二极管激光器，用于发射激光或测量光束。在其上侧，所述设备被提供有透明窗口，物体(例如人的手指)跨过该透明窗口移动。在二极管激光器与窗口之间布置透镜。该透镜将激光束聚焦在透明窗口的上侧或其附近。如果物体存在于该位置，则其将测量光束散射。测量光束的辐射的一部分在照射光束的方向上散射，并且该部分由透镜会聚在激光二极管的发射表面上并重新进入该激光器的腔体。重新进入二极管激光器腔体的辐射引起激光器增益的变化并且因此引起激光器发射的辐射强度的变化，并且正是这种现象被称为二极管激光器中的自混合效应。
[0133] 由激光器或激光腔中的光波发射的辐射强度的变化可以通过光电二极管或探测器来探测，所述光电二极管或探测器被布置为确定跨激光腔的阻抗变化。二极管或阻抗探测器将辐射变化转换成电信号，并且提供电子电路用于处理该电信号。
[0134] 在颗粒探测的情况下，自混合干涉信号可以例如以短的信号突发或若干信号突发为特征。因此，优选使用DC驱动电流以简化信号探测和信号分析。可以使用调制的驱动电流以确定颗粒的位置或速度，例如，借助于自混合干涉信号，其可以通过在较大颗粒处反射激光而生成。可以在一次测量或随后的测量步骤中确定速度(以及任选地，距离)。因此，可能的甚至是有益的是，在第一时间段内使用DC驱动电流，以便生成预期颗粒的数量或尺寸的颗粒度量，并且使用调制的驱动电流以便确定颗粒流的速度。信号的持续时间和强度可以任选地用于确定颗粒尺寸。
[0135] 借助于图1、图2和图3解释了颗粒测量的理论概念。
[0136] 图1示出了依赖于激光器的数量的每分钟探测到的颗粒的数量。图1示出了两个或三个激光器111、112、113与单个探测器120以及单个探测电子器件解决方案的组合在技术上是可行的。借助于一个探测器120结合单个探测电子器件测量所有激光电流会增加系统中的噪声。然而，模型计算表明，多个测量光束111’、112’、113’的优点大于额外的噪声的缺点。具有公共探测器120和ASIC(评估器140)的多个激光器111、112、113增加了探测到的颗粒的数量，如曲线242所示。曲线244示出了每个激光器使用一个具有一个ASIC的探测器的参考。
[0137] 借助于图2和3，讨论了可以从单个光电探测器信号确定可靠的速度测量。为了解释这一点，假设传感器在平坦区域上方探测，其中，风速主要在x、y平面中。通常，风速将通过x和y方向上的速度分量的平方根导出。在单个探测器120和评估器140(光电二极管/电子器件)的情况下，不能在vx和vy之间进行区分。只能确定由公式给出的平均速度vav。
[0138] vav＝sqrt(2*(∑vi2)/n)
[0139] vi是在公共探测器120上结合公共评估器140(光电二极管结合ASIC)观察到的第i速度的绝对值，并且n是由探测到的颗粒的数量给出的测量的数量。在这种情况下，使用速度变化相对于颗粒探测率慢的事实。在风向为45度的情况下，尽管不可能在x和y方向之间进行区分，但获得了平均速度的精确数值。在风向为0或90度的情况下，风速取决于针对每个激光器探测到的颗粒的数量。对于每激光器颗粒的数量相同(均为n/2)，也将导出空气速度的精确数值。然而，每个激光器探测到的颗粒的数量可能不同。探测到的颗粒的数量的这些统计变化将导致速度测量误差。图2示出了针对测量时间的探测颗粒的数量，其平均产生15个探测到的颗粒。对于n＝15，标准偏差是4个颗粒。图3示出了针对15个探测到的颗粒给出x和y探测器上的二项式概率分布。当然，每个激光器111、112平均探测到7.5个颗粒。标准偏差是p(1-p)n＝0.5*0.5*15＝1.9个颗粒(p＝0.5)。对于速度平行于x(或y)轴并且在零速度方向上观察到最大数量的颗粒的最坏情况，速度误差由下式给出：
[0140] sqrt(2*(7.5*v2)/15)/sqrt(2*(5.6*v2)/15)＝1.16(对于1西格玛)
[0141] 由于探测到的颗粒的数量与速度的立方根成比例，因此颗粒的数量的误差仅为5％。由于15个样本(25％、1西格玛)的颗粒探测误差本身，这个误差要小得多。这意味着在单个探测器120(例如光电二极管)与单个评估器140(例如ASIC)组合的情况下，速度探测足够准确地用于许多应用。
[0142] 在三维配置的情况下，平均速度包括通过以下公式确定的三个激光器111、112、113(如上所述和如下文所述)：
[0143] vav＝sqrt(3*(∑vi2)/n)
[0144] 当测量光束111’、112’、113’相对于彼此不正交、但彼此包围相同的角度时(意味着不同激光的方向矢量的内积是相同的)，速度矢量系数的估计可以通过对获得的速度/频率应用最大似然方法以便在两个或三个激光基础上找到最可能的速度系数来得到。利用这些系数，人们可以计算速度矢量的大小。
[0145] |v|2＝∑ijαiαj
[0146] 在这种情况下进行速度估计的误差。速度的大小由格拉姆矩阵G_ij＝修正。根据该矩阵的特征值可以确定所产生的误差。
[0147] 简而言之，当所有测量光束111’、112’、113’彼此包围相同的角度时，误差最小，角度为90°。对于例如60°角，速度估计中的误差可以计算为2的因子，这导致PM2.5估计中的误差为2的立方根≈1.25。因此优选但非绝对必要的是，在两个激光器配置的情况下两个测量光束111’、112’或者在三个激光器配置的情况下三个测量光束111’、112’、113’包围90°的角度。
[0148] 因此，可以通过两个或三个激光器111、112、113结合一个探测器120来确定颗粒的数量。此外，需要光学设备150以对测量光束111’、112’、113’进行重定向。下面描述这样的光学设备150的示例，其能够从激光器，特别是VCSEL，在芯片上紧密地在一起(例如，100微米)开始，在各个方向上制造聚焦光束。
[0149] 图4示出了第一激光传感器模块的主要草图。第一激光传感器模块包括两个垂直腔面发射激光器(VCSEL)111、112。两个激光器111、112布置在共同的半导体基板12上并且包括公共的底部电极10。第一激光传感器模块还包括探测层14，探测层14包括一个或多个光敏层，所述光敏层被布置为确定两个激光器111、112的激光腔中的光驻波的变化。借助于共用底部电极10和探测电极15来测量光电流。第一激光器111和第二激光器112的激光腔布置在不同的台面中。激光器111、112中的每个包括底部电介质布拉格反射器(DBR)16、活性层17、顶部DBR 18和顶部电极19。两个激光器111、112的顶部电极19优选地电连接，使得经由公共底部电极10和顶部电极19提供电驱动电流，可以容易地并行驱动两个激光器。第一激光器111被布置为发射第一测量光束111’。第二激光器112被布置为发射第二测量光束112’。公共光学设备150被布置为对第一测量光束111’和第二测量光束112’进行重定向，使得在测量光束被布置在同一平面内的情况下两个经重定向的测量光束111’、112’的延伸在虚拟交叉点处包围优选90°的角度。对应于两个测量光束的方向的方向矢量可以跨越平面，所述平面优选地相对于与二维颗粒流(例如，平行于表面的风)共面的平面倾斜，使得二维颗粒流的所有分量都可以被可靠地测量。
[0150] 图5示出了第二激光传感器模块的主要草图。该配置与关于图4所讨论的几乎相同。具有表面光栅的两个激光器111、112(VCSEL)布置在公共衬底上。光学设备150包括表面光栅。表面光栅被布置为使得测量光束111’、112’的发射方向上的方向矢量包围90°的角度。测量光束111’、112’可以布置在由方向矢量跨越的相同平面或平行的平面中。光学设备150可以任选地包括另外的光学元件，例如，如下所述的透镜。
[0151] 图6示出了第一颗粒传感器100的主要草图。第一颗粒探测器包括第一激光器111和第二激光器112。两个激光器111、112都可以是侧发射器，其被布置为沿相同方向发射激光。光学设备150与每个激光器111、112光学耦合，以便如上所述地对相应的测量光束111’、112’进行重定向。光学设备150包括用于偏转测量光束111’、112’的表面光栅。表面光栅借助于激光器111、112(例如，如图4所示的VCSEL)的生产过程中的半导体处理来制造。在通过平行于第一颗粒传感器100的表面的颗粒流所包括的颗粒反射第一或第二测量光束111’、
112’之后，可以生成自混合干涉信号。自混合干涉信号由公共探测器120探测。借助于评估器140接收和评估探测到的自混合干涉信号。激光器111、112借助于电驱动器130驱动。借助于评估器140产生的电测量结果以及电功率可以通过公共接口135提供。替代地，可以使用单独的接口。
112’之后，可以生成自混合干涉信号。自混合干涉信号由公共探测器120探测。借助于评估器140接收和评估探测到的自混合干涉信号。激光器111、112借助于电驱动器130驱动。借助于评估器140产生的电测量结果以及电功率可以通过公共接口135提供。替代地，可以使用单独的接口。
[0152] 图7示出了第二颗粒传感器100的俯视图的主要草图。三个激光器111、112、113被布置为沿相同方向发射测量光束111’、112’、113’。在这种情况下，光学设备150被布置为使得第一测量光束111’和第二测量光束112’包围与第二测量光束112’和第三测量光束113’以及第三测量光束113’和第一测量光束111’相同的角度。由测量光束111’、112’、113’包围的角度优选为90°。因此，第二颗粒传感器110能够确定三维平均速度。第二颗粒传感器100还包括公共探测器120、评估器140和电驱动器130以及如上所述的一个或多个未示出的接口。任选地，光学设备150可包括与每个激光器111、112、113光学耦合的光栅。
[0153] 图8示出了第一微光学部件151a的主要示意图，所述第一微光学部件151a可以由光学设备150所包括。微光学部件151a包括晶片级的镜面。例如，151a可以由UV固化复制材料制成。玻璃成型或研磨等其他技术也是可能的。在这种情况下，镜子基于全内反射，以便将第一次测量光束111’重定向。第一激光器111的中心与第一微光学部件151a的边缘之间的距离x1是x1＝0.05mm。第一微光学部件151a的高度为y1＝0.16mm。
[0154] 图9示出了第一光学设备150的一部分的主要草图。该部件包括第一微光学部件151a和聚焦元件151b。聚焦元件151b是尺寸小于1mm的透镜，并且光学设备的所述部分的总高度y2是y2＝1.1mm。透镜被布置为将第一测量光束111’聚焦到聚焦区域155。激光器111、
112、113中的每个被分配给第一光学设备150的这样的部分。出于清楚的原因，第一微光学部件151a和聚焦元件151b被示出为单独的元件。可能优选的是，将两个或三个这样的第一微光学部件151a和两个或三个这样的聚焦元件151b集成在一个集成光学设备150中。还可能的是，一个聚焦元件151b从具有相关的第一微光学部件151a的两个、三个、四个或更多个第一激光器111接收第一测量光束111’，使得例如激光器阵列可以用于发射第一测量光束
111’的集束。这同样适用于关于图9、10、11和12讨论的以下配置。
112、113中的每个被分配给第一光学设备150的这样的部分。出于清楚的原因，第一微光学部件151a和聚焦元件151b被示出为单独的元件。可能优选的是，将两个或三个这样的第一微光学部件151a和两个或三个这样的聚焦元件151b集成在一个集成光学设备150中。还可能的是，一个聚焦元件151b从具有相关的第一微光学部件151a的两个、三个、四个或更多个第一激光器111接收第一测量光束111’，使得例如激光器阵列可以用于发射第一测量光束
111’的集束。这同样适用于关于图9、10、11和12讨论的以下配置。
[0155] 图10示出了第二微光学部件151a的主要草图。在这种情况下，第二微光学部件151a是环形微光学楔，其光学地耦合到优选地附接到第一激光器111，使得第一测量光束
111’指向预期方向，以与另一第二测量光束112’包围预定角度，并且在三维激光传感器模块的情况下也与第三测量光束113包围预定角度’。第一激光器111的中心与第二微光学部件151a的边缘之间的距离x1是x1＝0.04mm。第一微光学部件151a的高度为y1＝0.07mm。
111’指向预期方向，以与另一第二测量光束112’包围预定角度，并且在三维激光传感器模块的情况下也与第三测量光束113包围预定角度’。第一激光器111的中心与第二微光学部件151a的边缘之间的距离x1是x1＝0.04mm。第一微光学部件151a的高度为y1＝0.07mm。
[0156] 图11示出了第二光学设备150的一部分的主要草图，所述第二光学设备150包括图9中描述的第二微光学部件151a、第二聚焦元件151b以及任选的测量窗口151c。第二聚焦元件151b是与关于图8所讨论的类似的透镜。第二微光学部件151a和第二聚焦元件151b的总高度是y2＝1.3mm。
[0157] 图12示出了第三微光学部件151a的主要草图。在这种情况下，第三微光学部件151a是复制楔，其光学地耦合到优选地附接到第一激光器111，使得第一测量光束111’指向预期方向。第一激光器111的中心与第二微光学部件151a的边缘之间的距离x1是x1＝
0.04mm。第一微光学部件151a的高度为y1＝0.08mm。
0.04mm。第一微光学部件151a的高度为y1＝0.08mm。
[0158] 图13示出了第三光学设备150的一部分的主要草图，所述第三光学设备150包括图11中描述的第三微光学部件151a、第三聚焦元件151b以及任选的测量窗口151c。所述第三聚焦元件151b是楔形透镜，所述第三微光学部件151a和所述第三聚焦元件151b的总高度是y2＝1.3mm。
[0159] 图14示出了第四微光学部件151a的主要草图。在这种情况下，所述第三微光学部件151a是闪耀光栅，其可以光学地耦合并附接到第一激光器111，使得第一测量光束111’指向预期方向。这种倾斜的光栅结构可以在一个衍射级中产生最大效率。光栅节距约为1微米。闪耀光栅可以以不同的取向放置在每个激光器的前面，以便将测量光束111’、112’、113’在预期方向上重定向。第一光学设备可以包括聚焦元件151b和任选的测量窗口，例如，参考图10和12描述的。
[0160] 图15示出了包括颗粒传感器100的移动通信设备190的主要草图。颗粒传感器适于发射包围α＝90°的角度的第一测量光束111’和第二测量光束112’。移动通信设备190包括用户接口191、处理设备192和主存储器设备193。主处理设备192与主存储器设备193和激光传感器模块100连接。主处理设备192包括上面描述的评估器140的至少一部分功能。主处理设备192将与颗粒探测有关的数据存储在主存储器设备193中。在替代的实施例中，主处理设备192和主存储器设备193也可以仅用于准备或调整借助于颗粒传感器100提供的数据，使得数据可以借助于用户接口191而被呈现给移动通信设备190的用户。颗粒传感器100通过移动通信设备190的电源供电。移动通信设备190还可以包括方位检测设备(未示出)。例如，方位检测设备可以适于确定移动通信设备190相对于地面的相对位置。方位检测设备可以与评估器140或主处理设备耦合，以便组合借助于颗粒传感器100提供的数据和借助于方位检测设备提供的数据。方位检测设备与颗粒传感器100的耦合可以使得能够更可靠地探测风速和颗粒密度，并且还可以提供关于风向的信息。
[0161] 图16示出了颗粒探测的方法的主要草图。在步骤410中借助于第一激光器111发射第一测量光束111’。在步骤420中借助于第二激光器112发射第二测量光束112’。在步骤430中将所述第一测量光束111’和所述第二测量光束112’重定向，使得所述第一测量光束111’与所述第二测量光束112’包围45°与135°之间的角度。在步骤440中，借助于一个探测器120来确定在预定时间段内的所述第一激光器111的第一激光腔内的至少第一光波和所述第二激光器112的第二激光腔内的第二光波的至少自混合干涉信号。在步骤450中确定基于所确定的自混合干涉信号的至少一个平均速度。在步骤460中，基于所确定的平均速度和所确定的自混合干涉信号的数量来确定颗粒密度。
[0162] 图17示出了椭圆斑点形状506的1象限。通过以下公式来确定平均速度[0163] vav＝sqrt(2*(∑vi2)/n)
[0164] 只要有效光斑形状(垂直于测量体积中相应测量光束111’、112’、113’的发射方向的横截面)基本上是圆形的，上述项就可以很好地工作。对于具有实际NA用于颗粒探测的光学系统，通常所得到的斑点具有非常大的椭圆形横截面，如图17中所示，NA＝0.10。在该示例中，沿着y轴502和x轴(从该图中平面向外)在垂直于发射方向的光斑形状的部分横截面(右上象限)中的延伸远小于沿着z轴504的延伸(注意y轴502和小写z轴504之间的标度的差异)。这导致当颗粒沿y轴502或z轴504行进时探测到颗粒的机会差异很大。结果，获得了速度测量的不准确性，并因此获得了导出的PM2.5值的不准确性。不准确性取决于颗粒相对于两个正交放置的传感器行进的角度，如关于图18所讨论的。
[0165] 图18示出了由于图17中所示的椭圆形光斑形状，误差因子512对发射方向和颗粒轨迹514之间的角度(角度)的依赖关系516的示例。激光传感器模块或颗粒传感器的光学设备150的数值孔径(NA)在该示例中为NA＝0.1。在零角度处，颗粒沿第一传感器的光轴行进，颗粒以90度角度沿第二传感器的光轴行进(α＝90)。研究表明，由于椭圆形状而撞击光束的可能性变小，颗粒在光束中行进的时间增加。从图17中也可以清楚地看出这一点。当颗粒沿z轴504行进时，用于探测的区域相对较小。但是颗粒在光束中传播的时间相对较长。因此，通过对每次测量使用t*v2而不是v2，可以有效地使用光斑体积而不是光斑横截面的度量，并且以适当的权重考虑x、y和z方向上的分量。
[0166] vav＝sqrt(2*(∑ti*vi2)/n*tav)，
[0167] 其中，ti是第i次测量的时间(第i个颗粒)，vi是第i个颗粒的测量速度，tav＝(t1+t2+...ti...+tn)/n，其中，n为在相应的时间段内探测到的所有颗粒的数量。使用具有权重的公式再次分析由于椭圆光束引起的误差因子。在这种情况下，椭圆形光束形状通过矩形框来简化，所述矩形框的尺寸具有如图17中给出的形状的最大宽度和最大长度。时间由行进通过该盒子的距离确定，作为角度的函数。结果如图19中所示。
[0168] 图19示出了通过使用具有权重的公式来考虑椭圆光斑形状，作为角度514(补偿误差因子518)的函数的误差因子512的减小。对于所有角度，误差因子512减小到小于20％。通过确定信号持续时间在测量中导出校正椭圆率所需的时间t。这可以在时域中完成，但也可以在频域中通过查看用于颗粒的FFT探测的最佳块大小来完成。因此，评估器140可以被布置为补偿相应的测量光束111’、112’、113’的测量体积中的光斑形状的椭圆率(颗粒穿过相应测量光束111’、112’、113’的体积提供足够的反馈以生成可探测的自混合干涉信号)。
[0169] 本发明的基本思想是提供一种简单的激光传感器模块，其包括两个或更多个激光器111、112、113，优选地在一个半导体芯片上，并且仅一个优选地集成的探测器120与用于颗粒探测的光学设备150组合。光学设备150对测量光束111’、112’、113’进行重定向，使得测量光束111’、112’、113’全部包围相同的角度，优选地为90°。尽管实际上不可能确定速度矢量的分量，但是这种配置使得能够确定颗粒的平均速度。借助于统计变化引入的误差是可接受的，因为探测到的颗粒的数量与颗粒速度的立方根成比例。因此，由于所确定的速度的误差导致的颗粒的数量的误差小于颗粒速度的误差。
[0170] 尽管已经在附图和前部面的描述中详细例示和描述了本发明，但这样的例示和描述应当被认为是例示性或示范性的，而非限制性的。
[0172] 本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，能够理解并且实现对所公开的实施例的变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个元件或步骤。尽管特定措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的集合。
[0173] 权利要求书中的任何附图标记不应被解释为其对范围的限制。
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