CN107850527A - 用于颗粒密度检测的激光传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于颗粒密度检测的激光传感器模块(100)。所述激光传感器模块(100)包括至少一个第一激光器(110)、至少一个第一检测器(120)以及至少一个电驱动器(130)。所述第一激光器(110)适于对由所述至少一个电驱动器(130)提供的信号做出反应而发射第一激光。所述至少一个第一检测器(120)适于检测所述第一激光器(110)的第一激光腔内的光波的第一自混合干涉信号。所述第一自混合干涉信号是由重新进入所述第一激光腔的第一反射激光引起的，所述第一反射激光是被接收所述第一激光的至少部分的颗粒所反射的。所述激光传感器模块(100)适于减少对所述颗粒的多重计数。本发明还描述了相关的方法和计算机程序产品。

Description

用于颗粒密度检测的激光传感器
技术领域
本发明涉及使用自混合干涉进行颗粒密度检测的激光传感器或激光传感器模块以及相关的颗粒密度检测方法。
背景技术
CN 102564909 A公开了激光自混合多物理参数测量方法，并且公开了一种针对大气颗粒物的激光自混合多物理参数测量设备。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、分束器、会聚透镜、光电检测器、放大器、数据采集卡以及谱分析仪。所描述的方法和设备是复杂且昂贵的。
US 2012/0242976 A1公开了一种设备，包括：发射元件，其用于发射被称为发射光束的激光束；聚焦元件，其用于将所述发射光束聚焦在预定焦距(D)处；接收元件，其用于接收被空气中的颗粒反射之后的所述发射光束，这种光束称为反射光束；发送元件，用于将所述发射光束与所述反射光束之间发生的干涉信号发送到信号处理器，以便从中推导出所述颗粒的速度。所述发射元件包括激光二极管，并且所述接收元件通过自混合与所述激光二极管进行组合。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的用于颗粒密度检测的激光传感器模块。
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至少一个第一激光器、至少一个第一检测器以及至少一个电驱动器。所述第一激光器适于对由所述至少一个电驱动器提供的信号做出反应而发射第一激光。所述至少一个第一检测器适于检测所述第一激光器的第一激光腔内的光波的第一自混合干涉信号。所述第一自混合干涉信号是由重新进入所述第一激光腔的第一反射激光引起的，所述第一反射激光是被接收所述第一激光的至少部分的颗粒所反射的。所述激光传感器模块适于减少对所述颗粒的多重计数。
在不使用可移动反射镜的情况下，或者更一般地说，在不控制激光传感器模块前面的气流或移动的情况下，采样的空气体积不是先验已知的，并且由于气流中的涡流使得颗粒循环进出测量体积，处于颗粒检测器的测量体积中的颗粒会被测量超过一次。相同颗粒的这种双重或甚至多重计数会导致颗粒密度过高。因此，为了提供具有可接受的准确度的颗粒密度，提出了避免或至少减少多重计数(包括双重计数)的技术措施。这种技术措施是例如增大采样体积的激光器阵列与评价电子器件(如控制器)相结合。控制器可以适于借助于通过激光器阵列提供的测量结果的均值和颗粒移动的模型来确定多重计数。备选地，可以通过关闭激光器或中断对颗粒的测量来实现空气的更新。通过这些措施及其组合以及如下所述的另外的措施，能够改进借助于激光自混合干涉的颗粒密度检测的准确度。第一激光器优选为如边缘发射激光器或垂直腔面发射激光器(VCSEL)的半导体激光器。第一激光器可以优选适于发射波长为750nm以上的红外光谱范围内的激光，最优选波长光谱在780nm至1300nm之间。
例如可以使用激光传感器模块来检测或估计空气污染。备选地，激光传感器模块可以用于与估计颗粒密度可能相关的工业应用中。激光传感器模块可以是单独的设备或被集成在另一设备中。
所述激光传感器模块可以例如适于将对颗粒的检测中断预定时间段。所述预定时间段优选被选择为使得对所述颗粒的多重检测被减少，以便减少对所述颗粒的多重计数。预定时间优选显著长于空气更新测量体积所需的时间。例如，房间内的最小空气速度为0.1m/s左右。用于确定第一自混合干涉信号的测量光斑的典型尺寸可以是例如10μm×10μm×200μm。颗粒通过测量光斑的体积所需的时间为至少200μm/0.1m/s＝2ms。关闭激光器的预定时间应当显著长于2ms。激光传感器模块的接通时间优选如此短以致空气体积未被更新。在这种情况下，激光传感器模块主要探查测量体积并观察是否存在颗粒。由于测量体积中颗粒的存在是个随机过程，因此能够通过实验确定在测量体积中存在颗粒的几率。所述至少一个电驱动器或第一检测器可以适于借助于所述第一自混合干涉信号来周期性地中断对颗粒的所述检测。例如，电驱动器可以随后将被中断3ms时段的第一激光器接通0.25ms，在3ms的中断时段中，第一激光器被关闭。
所述激光传感器模块还可以包括控制器。所述控制器可以适于评价由所述传感器提供的所述第一自混合干涉信号，以便对所述颗粒进行计数，并且其中，所述控制器适于中断对颗粒的所述检测。所述控制器可以例如适于将对由所述第一传感器提供的所述第一自混合干涉信号的评价中断所述预定时间段。所述控制器可以适于在检测到所述颗粒时生成控制信号。所述控制器还可以适于在检测到所述颗粒之后将对颗粒的所述检测中断所述预定时间段。所述控制器可以例如中断从第一检测器到控制器的信号传送。备选地，所述控制器可以适于将所述控制信号传送到所述电动驱动器。在这种情况下，所述电驱动器可以适于在接收到控制信号时将第一激光的发射中断所述预定时间段。
第一激光的光束发散可以很低而使得第一激光的聚焦不是必须的，以便得到第一自混合干涉信号。在备选方法中，所述激光传感器模块可以包括至少第一光学设备。所述第一光学设备可以适于将所述第一激光聚焦到第一聚焦区域以用于检测所述颗粒。第一激光的聚焦可以增加重新进入第一激光腔的第一反射激光的强度。因此可以增加第一自混合干涉信号的信号强度。
在备选方法中，所述激光传感器模块可以包括激光器阵列。所述激光器阵列可以包括至少所述第一激光器和第二激光器。所述激光传感器模块还可以包括控制器。所述第二激光器可以适于使得能够借助于由所述第二激光器发射的第二激光所引起的第二自混合干涉信号对所述颗粒进行独立检测。所述控制器可以适于通过评价至少所述第一自混合干涉信号和所述第二自混合干涉信号来减少对所述颗粒的多重计数。可以借助于例如被存储在控制器中的颗粒移动的理论模型来完成对颗粒的多重计数的减少。该理论模型可以使得能够借助于至少第一激光和第二激光来确定对一个颗粒的检测的不一致。
可以由一个共同的第一检测器来测量第一自混合干涉信号和该第二自混合干涉信号。在备选方法中，可以第二检测器以便提供用于检测第一自混合干涉信号和第二自混合干涉信号的独立检测器。所述激光传感器模块可以包括至少第一光学设备。所述第一光学设备可以适于将至少所述第一激光聚焦到第一聚焦区域并且将所述第二激光聚焦到第二聚焦区域，使得用于检测所述颗粒密度的检测体积被增大。第一光学设备可以例如是透镜阵列或微透镜的阵列。例如，如果激光器阵列包括半导体激光器的单个芯片，则可以使用微透镜的阵列。半导体激光器可以例如是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
所述激光传感器模块还可以包括至少第一可移动反射镜，所述第一可移动反射镜用于反射至少所述第一激光和所述第二激光，使得至少所述第一聚焦区域和所述第二聚焦区域移动。所述第一可移动反射镜可以适于移动至少所述第一聚焦区域和所述第二聚焦区域，使得所述第一聚焦区域和所述第二聚焦区域的迹线不重叠。使激光器的线不平行于可移动反射镜的扫描方向而使得每个聚焦区域或测量光斑探查不同的空间体积可以是有利的。各自的聚焦区域的迹线给出了不同的空间体积。
一个共同的检测器(例如，第一检测器)可以用于检测第一自混合干涉信号、第二自混合干涉信号以及可以由激光器阵列的第三激光器、第四激光器、第五激光器等生成的另外的自混合干涉信号。使用一个共同的检测器可能会导致在一个时刻处对不同的颗粒的多重颗粒检测。鉴别这种大量的自混合干涉信号可能是困难的，或者可以使用更为复杂的控制器。所述控制器可以例如适于取决于所述颗粒密度而借助于所述电驱动器来关闭所述激光器阵列所包括的所述激光器的至少部分。控制器可以尤其适于控制电驱动器，使得当确定的颗粒密度连续上升时，发射激光的激光器阵列的激光器的数量连续减少。可以以某种方式减少工作的激光器的数量，以实现在一个时刻内只有一个颗粒被计数的情况。更一般地，能够应用根据检测到的颗粒浓度确定使用的激光器的最优数量的算法。低浓度引起使用的激光器数量较多、噪音较高但被扫描的体积较大。高浓度引起使用的激光器数量(较)少、噪音较低且被扫描的体积较小。这些措施可以提高检测速度和准确度。
备选地或额外地，所述控制器可以适于基于所述第一自混合干涉信号或所述第二自混合干涉信号来确定所述颗粒沿着平行于所述第一激光或所述第二激光的光轴的第一速度的投影。所述控制器还可以适于使用所述第一速度来减少对所述颗粒的多重计数。第一速度可以用于提供对空气移动的估计。获得这种估计的一种方法是经由使用检测到的第一自混合干涉信号或第二自混合干涉信号中存在的多普勒移位。多普勒移位可以估计颗粒的移动以及包含颗粒的气流的移动。不能确定全速度矢量，只能确定第一激光或第二激光在激光束传播方向上的投影。备选地，也能够利用额外的传感器来监测空气移动。例如，当慢跑时，激光传感器模块对颗粒进行计数，并且速度信息可以来自于跟踪跑步者的速度的应用程序，或者经由在最近的气象站测量的平均风速。如果只有一个具有对应的第一检测器的第一激光器或者如果存在多个具有一个或多个检测器的激光器，则能够使用确定第一速度来减少对颗粒的多重计数。
例如，检测第一速度可以用于调整如上所述的关闭第一激光器和/或第一检测器的预定时间。颗粒移动越快，中断检测的预定时间就越短。控制器还可以适于基于不同颗粒的第一速度来提供统计数据，以便提供对是否存在更多或更少的混乱移动或是否存在颗粒移动的优选方向的估计。第一速度的分布越小，颗粒移动的优选方向的可能性就越高。关于颗粒移动的估计可以用于细化对颗粒密度的确定。
诸如移动通信设备(膝上型计算机、智能电话、PAD等)的设备可以包括如上所述的激光传感器模块。
根据另外的方面，提出了一种颗粒密度检测的方法。所述方法包括以下步骤：
-借助于第一激光器发射第一激光，
-接收所述第一激光器的第一激光腔中的第一反射激光，所述第一反射激光是被接收所述第一激光的至少部分的颗粒所反射的，
-确定所述第一激光器的所述第一激光腔内的光波的第一自混合干涉信号，其中，所述第一自混合干涉信号是由重新进入所述第一激光腔的第一反射的第一激光引起的，
-减少对所述颗粒的多重计数。
不必一定按照上述顺序执行所述方法的步骤。
根据另外的方面，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，所述代码模块能够被保存在根据权利要求1至13中的任一项所述的激光传感器模块的至少一个存储器设备上或者被保存在包括所述激光传感器模块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14所述的方法能够借助于根据权利要求1至13中的任一项所述的激光传感器模块的至少一个处理设备或借助于包括所述激光传感器模块的所述设备的至少一个处理设备来运行。所述存储器设备或所述处理设备可以由所述电驱动器和/或所述控制器和/或包括激光传感器模块的所述设备所包括。包括所述激光传感器模块的所述设备的第一存储器设备和/或第一处理设备可以与所述激光传感器模块所包括的第二存储器设备和/或第二处理设备进行交互。
应当理解，根据权利要求1至13中的任一项所述的激光传感器模块以及根据权利要求14所述的方法具有相似和/或相同的实施例，尤其是如从属权利要求中所定义的那些。
应当理解，本发明的优选实施例也能够是从属权利要求与各自的独立权利要求的任意组合。
下面定义了另外的有利实施例。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其它方面将变得明显并且得到阐明。
现在将参考附图基于实施例以范例的方式描述本发明。
在附图中：
图1示出了第一激光传感器模块的原理略图，
图2示出了第二激光传感器模块的原理略图，
图3示出了第三激光传感器模块的原理略图，
图4示出了第四激光传感器模块的原理略图，
图5示出了第五激光传感器模块的原理略图，
图6示出了第六激光传感器模块的原理略图，
图7示出了第七激光传感器模块的原理略图，
图8示出了聚焦区域的阵列的第一实施例，
图9示出了包括激光传感器模块的移动通信设备，
图10示出了检测颗粒密度的方法的原理略图。
在附图中，相似的附图标记始终指相似的物体。附图中的物体不一定按比例绘制。
附图标记列表
10 幅度轴
20 时间轴
30 自混合激光信号
40 幅度参考
100 激光传感器模块
110 第一激光器
111 第二激光器
120 第一检测器
121 第二检测器
130 电驱动器
140 控制器
150 第一光学设备
155 聚焦区域
156 第二光学设备
157 聚焦区域的迹线
156 第二光学设备
158 第二聚焦区域
170 第一可移动反射镜
180 风扇
182 透明管
190 移动通信设备
191 用户接口
192 主处理设备
193 主存储器设备
200 激光器阵列
210 发射激光的步骤
220 接收反射激光的步骤
230 确定第一自混合干涉信号的步骤
240 减少多重计数的步骤
具体实施方式
现在将借助于附图描述本发明的各种实施例。
自混合干涉用于检测物体的移动和距物体的距离。在Giuliani,G.、Norgia,M.、Donati,S.&Bosch,T.的“Laser diode self-mixing technique for sensingapplications”(Journal of Optics A：Pure and Applied Optics，2002年4月，第283-294页)中描述了关于自混合干涉的背景信息，通过引用将其并入本文。在国际专利申请第WO02/37410号中详细描述了在光学输入设备中对指尖相对于传感器的移动的检测。通过引用将国际专利申请第WO02/37410号中关于检测距离和移动的公开内容并入本文。
基于国际专利申请第WO 02/37410号中提出的范例来讨论自混合干涉的原理。具有激光腔的二极管激光器被提供用于发射激光或测量光束。在该设备的上侧，该设备被提供有透明的窗口，物体(例如，人的手指)跨该窗口进行移动。诸如平凸透镜的透镜被布置在二极管激光器与窗口之间。该透镜将激光束聚焦在透明窗口的上侧或其附近。如果在这个位置处存在物体，那么该物体会散射测量光束。测量光束的部分辐射被散射在照射光束的方向上，并且这部分被透镜会聚在激光二极管的发射表面上并且重新进入该激光器的腔。重新进入二极管激光器的腔的辐射会引发激光器增益的变化，尤其引发激光器发射的辐射强度的变化，这种现象被称为二极管激光器中的自混合效应。
能够由为此目的提供的光电二极管来检测由激光器发射的辐射强度的变化，所述二极管将辐射变化转换成电信号，并且电子电路被提供用于处理该电信号。
物体相对于测量光束的移动使得由此反射的辐射经历多普勒移位。这意味着该辐射的频率改变或发生频移。该频移取决于物体移动的速度，并且为几kHz到几MHz的数量级。重新进入激光腔的频移辐射干扰光波或在该腔中生成的辐射，即，在该腔中发生自混合效应。根据光波与重新进入该腔的辐射之间的相移量，干涉将是积极的或负面的，即，激光辐射的强度周期性增大或减少。以这种方式生成的激光辐射调制的频率恰好等于该腔中的光波的频率与重新进入该腔中的多普勒移位辐射的频率之差。频率差为几kHz到几MHz的数量级，因此易于检测。自混合效应与多普勒移位的组合引起激光腔的行为变化；特别是其增益或光放大率变化。例如可以测量激光腔的阻抗或由激光器发射的辐射强度，并且不仅可以评价物体相对于传感器的移动量(即，行进的距离)，而且也能够确定移动方向，如国际专利申请WO 02/37410中详细描述的那样。
图1示出了第一激光传感器模块100的原理略图。第一激光传感器模块包括具有集成的第一检测器120的第一激光器110。集成的第一检测器120是集成的光电二极管，其是第一激光器110的层结构的部分。集成光电二极管确定第一激光器的第一激光腔内的光波的振荡。第一激光传感器模块100还包括电驱动器130。电驱动器130向第一激光器110供应电力，以便发射第一激光。在这种情况下，第一激光器110是具有集成的光电二极管的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。激光传感器模块100被连接到电源(未示出)，所述电源提供借助于电驱动器130调制和供应的电力。电驱动器130向第一激光器110提供交替顺序的不同调制方案。在第一调制方案中提供恒定电流。在第二调制方案中提供具有三角形调制方案的驱动电流。三角形调制方案可以用于借助于第一自混合干涉信号与第一激光器110和颗粒之间的速度相结合来确定相对距离。第一调制方案可以用于确定平行于由虚线指示的第一激光器110的光轴的颗粒的第一速度。可以由可以被设置在单独的设备中的处理设备(未示出)来接收第一检测器的测量信号和关于由电驱动器130施加的驱动方案的信息，或者激光传感器模块可以被集成在包括处理设备的设备中。电驱动器130还适于将第一激光的发射中断至少4ms，使得避免或至少减少借助于第一自混合干涉信号对颗粒的双重计数或多重计数的风险。
图2示出了第二激光传感器模块100的原理略图。第二激光传感器模块包括第一激光器110。第一检测器120被布置为外部测量电路，所述外部测量电路确定第一激光腔两端的电压，或者更一般地，确定受到第一自混合干涉信号影响的第一激光腔的阻抗。第一激光传感器模块100还包括向第一激光器110供应电力以便发射第一激光的电驱动器130。在这种情况下，第一激光器110是侧面发射半导体激光器。激光传感器模块100被连接到电源(未示出)，所述电源提供借助于电驱动器130调制和提供的电力。电驱动器130提供恒定的驱动电流，使得第一激光由第一激光器110发射。电驱动器130还适于将第一激光的发射中断1ms，使得避免或至少减少借助于第一自混合干涉信号对颗粒的双重计数或多重计数的风险。激光传感器模块100还包括用于提供定义的颗粒速度的设备。用于提供确定的颗粒速度的设备包括透明管182和用于在管内移动气体或空气的风扇180。风扇180的速度适于第一激光的发射的中断时间。代替风扇180，可以使用泵来提供定义的颗粒速度。
备选地，可以布置加热器/冷却器以借助于对流来提供空气移动。可以使用关于空气移动的信息来细化对颗粒密度的确定。例如，风扇可以适于向激光传感器模块或包括控制器或处理设备的外部设备提供关于空气流率的信息，所述控制器或处理设备适于基于第一自混合干涉信号和额外的信息来确定颗粒密度。
备选地或额外地，激光传感器模块100可以被集成在设备中，并且设备能够被移动，以便提供设备周围的空气的移动。可以使用如移动传感器的额外的传感器，以便确定设备的移动并间接地确定设备周围的空气的移动。可以使用关于移动的信息，以便确定颗粒密度。
图3示出了第三激光传感器模块100的原理略图。第三激光传感器模块包括第一激光器110和外部第一检测器120。外部第一检测器120是外部光电二极管，意味着它不与激光腔集成在一起，但是能够在同一个激光器芯片上。第三激光传感器模块100还包括电驱动器130以及控制器140和第一光学设备150。控制器140被连接到第一激光器110，或更精确地，被连接到第一检测器120和电驱动器130。电驱动器130向第一激光器110供应电力，以便发射第一激光。在这种情况下，第一激光器110是具有集成的光电二极管的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。激光传感器模块100被连接到电源(未示出)，所述电源提供借助于电驱动器130调制和供应的电力。电驱动器130提供恒定的驱动电流。控制器140还接收来自电驱动器130的信息。由第一激光器110发射的第一激光通过适于将第一激光的部分反射到检测器120的第一光学设备150。第一光学设备150可以例如是透明板。第一激光包括关于第一层110的第一激光腔中的光波的调制的信息。控制器140接收由第一自混合干涉信号引起的、由第一检测器120提供的电信号。能够在第一聚焦区域155周围的范围内检测颗粒。控制器140还适于在检测到颗粒时借助于对应的控制信号将第一检测器120在检测到颗粒之后关闭4ms。在中断对第一激光的检测期间使得颗粒能够通过第一激光束，使得避免或至少减少对颗粒的双重计数或多重计数。
图4示出了第四激光传感器模块100的原理略图。第四激光传感器模块包括具有集成的第一检测器120的第一激光器110。集成的第一检测器120是集成的光电二极管，所述集成的光电二极管是第一激光器110的层结构的部分。第四激光传感器模块100还包括电驱动器130以及控制器140和第一光学设备150。控制器140被连接到第一激光器110，或更精确地，被连接到第一检测器120和电驱动器130。电驱动器130向第一激光器110供应电力，以便发射第一激光。在这种情况下，第一激光器110是具有集成的光电二极管的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。激光传感器模块100被连接到电源(未示出)，所述电源提供借助于电驱动器130调制和提供的电力。电驱动器130适于提供恒定的驱动电流。控制器140接收由第一自混合干涉信号引起的、由第一检测器120提供的电信号。控制器140还接收来自电驱动器130的信息。由第一激光器110发射的第一激光借助于第一光学设备150被聚焦到第一聚焦区域155。能够在第一聚焦区域155周围的范围内检测颗粒。控制器140还适于在检测到颗粒时借助于对应的控制信号将第一激光器110在检测到颗粒之后关闭3ms。在中断第一激光的发射期间使得颗粒能够通过第一聚焦区域155，使得避免或至少减少对颗粒的双重计数或多重计数。
例如，第一光学设备150可以仅包括具有定义直径的透镜的一个透镜。第一自混合干涉信号的比例尺为(1-exp[-(rlens/wpupil)^2])^2，其中，wpupil为第一激光在透镜瞳孔处的高斯光束的腰部参数。透镜应当具有某个最小直径，以便避免因第一激光的反向散射光束或反射光束的渐晕造成的信号损失。一个有利的实施例将具有大于1.1倍瞳孔直径的透镜直径(这对应于3dB的信号损失)。更好的办法是大于高斯光束的1.5倍瞳孔直径的透镜(1dB的信号损失)。
图5示出了第五激光传感器模块100的原理略图。第五激光传感器模块100包括具有集成的第一检测器120的第一激光器110以及具有集成的第二检测器121的第二激光器111。第一激光器110和第二激光器111发射具有相同波长的第一激光和第二激光。第一激光器110和第二激光器111优选可以发射在红外光谱范围内具有750nm以上的波长的激光，最优选为在波长光谱的780nm至1300nm之间。第五激光传感器模块100包括适于向第一激光器110和第二激光器111提供驱动电流的电驱动器130。电驱动器包括被连接到第一激光器110和第二激光器111的控制器140。第五激光传感器模块100还包括用于将第一激光聚焦到第一聚焦区域155的第一光学设备150。第五激光传感器模块100还包括用于将第二激光聚焦到第二聚焦区域158的第二光学设备156。控制器140接收由第一自混合干涉信号引起的、由第一检测器120提供的电信号以及由在第二激光器121的第二激光腔内的第二自混合干涉信号引起的、由第二检测器121提供的电信号。控制器140还接收来自电驱动器130的信息。借助于第一激光器110和第二激光器111以及对应的检测器进行的并行检测增大了检测体积。如果颗粒数量相当少，增大检测体积可能会有所帮助。
在这种情况下，相关空气污染水平下的颗粒计数率可能很低。这会导致为了给出例如PM 2.5值的可靠输出而需要较长的测量时间(>3s)。另外，使用第三激光器、第四激光器、第五激光器或更多激光器将减少测量时间。测量时间的减少可能增大借助于第一自混合干涉信号和第二自混合干涉信号检测一个颗粒的风险。控制器140因此可以适于通过评价至少第一自混合干涉信号和第二自混合干涉信号并且任选地评价第三自混合干涉信号、第四自混合干涉信号、第五自混合干涉信号等来减少对颗粒的多重计数。可以借助于例如被存储在控制器140中的颗粒移动的理论模型来执行对颗粒的多重计数的减少。该理论模型可以使得能够借助于至少第一激光器和第二激光器(并且任选地借助于另外的激光器)来确定对一个颗粒的检测的一致性。
可以使用具有两个激光器、三个激光器、四个激光器或更多激光器以及对应的检测器的激光传感器模块100，以便如上所述借助于的增大的检测体积来减少检测时间。检测器可以像集成的光电二极管一样被集成，或者像外部光电二极管或用于检测激光腔的阻抗的测量电路一样在外部。可能是每个激光器有一个检测器，或者一组或甚至所有激光器有一个检测器。激光器可以在一个半导体芯片上被布置成阵列，其中，半导体芯片还包括一个或多个检测器。激光传感器模块100可以包括控制器140。备选地，可以借助于外部计算设备来执行对能够由控制器140执行的测量数据的分析。在这种情况下，可以不包括被集成在激光传感器模块100中的控制器140。可以独立于减少双重计数或多重计数而使用这样的激光传感器模块，尤其是在预定的相对空气移动(风扇、可移动反射镜等)的情况下。
图6示出了第六激光传感器模块100的原理略图。第六激光传感器模块100的配置与图5中描述的第四激光传感器模块100的考虑几乎相同。不同之处在于，代替两个检测器，针对第一激光器和第二激光器使用单个第一检测器120(光电二极管)并结合使用单个控制器140，所述单个控制器140可以包括放大器和ASIC以用于对自混合干涉信号和控制数据或由电驱动器130提供的信息的数字信号处理。当在正常的空气质量水平下颗粒密度低时，大部分时间检测器检测不到颗粒，并且利用被平行布置的第一激光器110和第二激光器111(或者在激光器阵列的情况下利用更多激光器)的情况下，计数率会增大，但是在同一时刻检测到两个颗粒的机会仍然很低。这种布局的缺点是光电二极管信号上的背景光会增加，这是因为只有一个激光器会提供颗粒的自混合信号，其中，其他激光器仍然照射光电二极管。这会增加自混合干涉信号上的噪声量。自混合干涉信号通常是散粒噪声受限的。通过使光电二极管上的光的强度变为两倍，噪声将以平方根的两倍增大。两个或甚至三个或更多激光器的并行布置将如上所述引起更多检测到的颗粒，然而，噪声增大将最终限制能够并行使用的激光器的数量。因此，实际上，每增加一个激光器的增益会降低。
图7示出了第七激光传感器模块100的原理略图。第七激光传感器模块100包括具有第一激光器110和发射激光的多个其他激光器的激光器阵列200。第七激光传感器模块100还包括一个共同的第一检测器120、电驱动器130、控制器140、第一光学设备150以及可移动反射镜170。控制器140被连接到第一检测器120、电驱动器130以及可移动反射镜170。电驱动器130向激光器阵列的激光器供应电力，以便发射激光。电驱动器130可以提供调制的驱动电流(例如，矩形驱动电流)。控制器140接收由自混合干涉信号引起的、由第一检测器120提供的电信号，所述自混合干涉信号是由穿过激光器中的一个的聚焦区域的颗粒引起的。控制器140还接收来自电驱动器130和可移动反射镜170的信息，以便解读由第一检测器120测量的自混合干涉信号。由电驱动器130提供的信息可以包括在确定的时刻处提供的电流。控制器140还适于借助于对应的控制信号来控制可移动反射镜170的移动。由控制器140提供的控制信号可以确定角速度、反射镜移动的幅度等。第一光学设备150适于将由激光器阵列的不同激光器发射的激光聚焦到不同的聚焦区域，以便增大检测体积。例如，第一光学设备150可以包括微透镜的阵列。第一光学设备150可以优选适于在激光被可移动反射镜170反射之后将激光聚焦到相应的聚焦区域。
在不借助于例如图2所示的布置(风扇)控制空气移动的情况下，可移动反射镜170可以用于使激光的光斑区域或聚焦区域移位。选择比正常空气速度0.1至1m/s更高的聚焦区域的移动速度是有利的。因此，具有5-20m/s的值是方便的。在这种情况下，当应当能检测到300nm以上的颗粒(数值孔径使用高斯光束的远场角度扩展的1/e^2强度值来定义)时，聚焦透镜的数值孔径在0.05-0.2之间的值将是最优的。
图8示出了可以借助于图7所示的激光传感器模块100提供的聚焦区域的阵列的第一实施例。在这种情况下，激光器阵列200是线性阵列。激光器阵列200、第一光学设备150以及可移动反射镜170被布置为使得例如第一聚焦区域155的迹线157不与其他聚焦区域的迹线重叠。使激光器的线不平行于扫描方向而使得每个光斑区域或聚焦区域探查不同的空间体积以便增大检测体积可以是有利的。
激光器阵列200所包括的激光器在备选实施例中可以以二维激光器阵列进行布置(例如，正方形布置、六角形布置等)。类似于线性排列的情况，聚焦区域的图案的布置优选如关于图8的线性布置所描述地使得每个激光光斑区域或聚焦区域在空间中探测其自己的体积。
激光器阵列200可以包括具有一个基板和用于发射激光的多个VCSEL的一个半导体芯片。对应的检测器可以被布置为能够被放置在分开的台面(任选地具有与阵列中的激光台面不同的直径)中的激光二极管。分开的台面可以适于经由基板中的反射来接收从VCSEL自发发射的光。由自混合干涉效应对这种自发发射的光的调制应当与激光功率调制成比例，但是成反比。对于所有台面而言，外延结构能够是相同的，其中光电二极管被布置得更靠近基板。
备选地，分离的台面可以适于接收来自阵列中的激光器的激光。这能够由来自例如第一光学设备150的定制的背反射来实现。在该布置中，可能有必要例如通过黑化背面或在台面之间的蚀刻沟槽来抑制经由半导体芯片的基板的自发发射的光的反射。外延结构可以备选地具有在台面顶部的光电二极管，其中该部分被蚀刻掉以用于激射台面。
图9示出了包括激光传感器模块100的移动通信设备190。移动通信设备190包括用户接口191、处理设备192以及主存储器设备193。主处理设备192与主存储器设备193和激光传感器模块100相连接。主处理设备192包括上面描述的控制器140的功能的至少部分。主处理设备192将与颗粒检测相关的数据存储在主存储器设备193中。在备选实施例中，主处理设备192和主存储设备193也可以仅用于准备或调整借助于激光传感器模块100提供的数据，使得数据能够借助于用户接口191被呈现给移动通信设备190的用户。借助于电源移动通信设备190对激光传感器模块100进行供电。
图10示出了检测颗粒密度的方法的原理略图。在步骤210中，借助于第一激光器110发射第一激光。在步骤220中，在第一激光器110的第一激光腔中反射由接收第一激光的至少部分的颗粒反射的第一反射激光。在步骤230中，检测第一激光器110的第一激光腔内的光波的第一自混合干涉信号30。第一自混合干涉信号30是由重新进入第一激光腔的第一反射激光引起的。在步骤240中，减少对颗粒的多重计数。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的。
通过阅读本公开内容，其他修改对于本领域技术人员来说将是明显的。这样的修改可以涉及本领域已知的其他特征，并且可以代替地或额外地用于本文已经描述的特征。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求能够理解并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。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (11)

1.一种用于颗粒密度检测的激光传感器模块(100)，所述激光传感器模块(100)包括至少一个第一激光器(110)、至少一个第一检测器(120)以及至少一个电驱动器(130)，其中，所述第一激光器(110)适于对由所述至少一个电驱动器(130)提供的信号做出反应而发射第一激光，其中，所述至少一个第一检测器(120)适于检测所述第一激光器(110)的第一激光腔内的光波的第一自混合干涉信号，其中，所述第一自混合干涉信号是由重新进入所述第一激光腔的第一反射激光引起的，所述第一反射激光是被接收所述第一激光的至少部分的颗粒所反射的，其中，所述激光传感器模块(100)适于减少对所述颗粒的多重计数，其特征在于，所述激光传感器模块(100)适于将对颗粒的检测中断预定时间段，其中，所述预定时间段被选择为使得对所述颗粒的多重检测被减少，以便减少对所述颗粒的多重计数，所述激光传感器模块还包括控制器(140)，其中，所述控制器(140)适于评价由所述传感器(120)提供的所述第一自混合干涉信号，以便对所述颗粒进行计数，并且其中，所述控制器(140)适于中断对颗粒的所述检测，其中，所述控制器(140)适于将对由所述传感器(120)提供的所述第一自混合干涉信号的评价中断所述预定时间段，其中，所述控制器(140)适于在检测到所述颗粒时生成控制信号，并且其中，所述控制器(140)还适于在检测到所述颗粒之后将对颗粒的所述检测中断所述预定时间段。
2.根据权利要求1所述的激光传感器模块(100)，其中，所述至少一个电驱动器(130)适于借助于所述信号来周期性地中断对颗粒的所述检测。
3.根据权利要求1所述的激光传感器模块(100)，其中，所述控制器(140)适于将所述控制信号传送到所述电驱动器(130)，并且其中，所述电驱动器(130)适于将第一激光的发射中断所述预定时间段。
4.根据权利要求1或2中的任一项所述的激光传感器模块(100)，其中，所述激光传感器模块(100)包括至少第一光学设备(150)，其中，所述第一光学设备(150)适于将所述第一激光聚焦到第一聚焦区域(155)以用于检测所述颗粒。
5.根据权利要求1或2所述的激光传感器模块(100)，其中，所述激光传感器模块(100)包括激光器阵列(200)，所述激光器阵列包括至少所述第一激光器(100)和第二激光器(111)，其中，所述第二激光器(111)适于使得能够借助于由所述第二激光器(111)发射的第二激光所引起的第二自混合干涉信号对所述颗粒进行独立检测，并且其中，所述控制器(140)适于通过评价至少所述第一自混合干涉信号和所述第二自混合干涉信号来减少对所述颗粒的多重计数。
6.根据权利要求5所述的激光传感器模块(100)，其中，所述激光传感器模块(100)包括至少第一光学设备(150)，其中，所述第一光学设备(150)适于将至少所述第一激光聚焦到第一聚焦区域(155)并且将所述第二激光聚焦到第二聚焦区域(155)，使得用于检测所述颗粒密度的检测体积被增大。
7.根据权利要求6所述的激光传感器模块(100)，其中，所述激光传感器模块(100)包括至少第一可移动反射镜(170)，所述第一可移动反射镜用于反射至少所述第一激光和所述第二激光，使得至少所述第一聚焦区域和所述第二聚焦区域移动，其中，所述第一可移动反射镜(170)适于移动至少所述第一聚焦区域和所述第二聚焦区域(155)，使得所述第一聚焦区域和所述第二聚焦区域(155)的迹线(157)不重叠。
8.根据权利要求5中的任一项所述的激光传感器模块(100)，其中，所述第一检测器(120)适于检测所述第一自混合干涉信号和所述第二自混合干涉信号，其中，所述控制器(140)适于取决于所述颗粒密度而借助于所述电驱动器(130)来关闭所述激光器阵列(200)所包括的所述激光器(110)的至少部分。
9.根据权利要求5中的任一项所述的激光传感器模块(100)，其中，所述控制器(140)适于基于所述第一自混合干涉信号或所述第二自混合干涉信号来确定所述颗粒沿着平行于所述第一激光或所述第二激光的光轴的第一速度的投影，并且其中，所述控制器(140)还适于使用所述第一速度来减少对所述颗粒的多重计数。
10.一种颗粒密度检测的方法，所述方法包括以下步骤：
-借助于第一激光器(110)发射第一激光，
-接收所述第一激光器(110)的第一激光腔中的第一反射激光，其中，所述第一反射激光是被接收所述第一激光的至少部分的颗粒所反射的，
-确定所述第一激光器(110)的所述第一激光腔内的光波的第一自混合干涉信号，其中，所述第一自混合干涉信号是由重新进入所述第一激光腔的第一反射的第一激光引起的，
-通过将对颗粒的检测中断预定时间段来减少对所述颗粒的多重计数，其中，所述预定时间段被选择为使得对所述颗粒的多重检测被减少，以便减少对所述颗粒的多重计数，
-评价所述第一自混合干涉信号，以便对所述颗粒进行计数，
-在检测到所述颗粒时生成控制信号，并且
-在检测到所述颗粒之后将对颗粒的所述检测中断所述预定时间段。
11.一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至13中的任一项所述的激光传感器模块(100)所包括的至少一个存储器设备上或者被保存在包括根据权利要求1至9中的任一项所述的激光传感器模块(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10所述的方法能够借助于根据权利要求1至9中的任一项所述的激光传感器模块(100)所包括的至少一个处理设备或借助于包括所述激光传感器模块(100)的所述设备的至少一个处理设备来运行。
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