CN108027312B - 用于颗粒尺寸检测的激光传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种用于颗粒尺寸检测的激光传感器模块（100）。该激光传感器模块（100）包括至少一个第一激光器（110）、至少一个第一检测器（120）、至少一个电驱动器（130）和至少一个评估器（140）。该第一激光器（110）适配成响应于由所述至少一个驱动器（130）提供的信号而发射第一激光。该至少一个第一检测器（120）适配成确定第一激光器（110）的第一激光腔内的光波的第一自混合干涉信号（30）。该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，该第一反射激光被接收第一激光的至少一部分的颗粒反射。该评估器（140）适配成通过借助于第一自混合干涉信号（30）确定颗粒与第一激光器（110）之间的第一相对距离并且通过借助于第一自混合干涉信号（30）确定第一振幅信息来确定颗粒的尺寸。本发明还涉及确定颗粒尺寸的相应方法。

Description

用于颗粒尺寸检测的激光传感器
技术领域
本发明涉及用于颗粒尺寸检测的激光传感器或激光传感器模块、颗粒尺寸检测的相关方法以及相应的计算机程序产品。
背景技术
US2014/0226158A1公开了分析光以确定颗粒的尺寸和特性的系统和方法。所描述的系统和方法是复杂且昂贵的。
US4871251公开了一种用于分析包含在流体介质中的颗粒的设备。该设备包括具有窗口的主体、优选地包括具有小发光面积的激光二极管的光源、以及光学系统，该光学系统用于将来自激光二极管的光聚焦在焦斑处，使得焦斑的尺寸近似地等于激光二极管的发光面积的尺寸。光检测器安装在主体中，并检测由流体介质中的颗粒从焦斑后向散射的光，并产生包括与颗粒相关的一系列脉冲的电信号。电信号被输入到对脉冲进行计数并指示流体介质中的颗粒数量的检测器。
SEIICHI SUDO等：“使用自混合激光快速简便测量布朗粒子和水中浮游生物的颗粒尺寸”OPTICS EXPRESS,第14卷,第3期,2006年2月6日(2006-02-06),1044-1054页,XP002753399公开了一种用于借助于自混合干涉测量混悬剂中小颗粒的尺寸的方法。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于颗粒尺寸检测的更简单和更便宜的激光传感器模块。
根据第一方面，提出了一种用于颗粒尺寸检测的激光传感器模块。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、至少一个电驱动器和至少一个评估器。第一激光器适配成响应于由至少一个驱动器提供的信号而发射第一激光。至少一个第一检测器适配成确定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。第一自混合干涉信号是由重新进入第一激光腔的第一反射激光引起的。第一反射激光被接收第一激光的至少一部分的颗粒反射。评估器适配成通过借助于第一自混合干涉信号确定颗粒与第一激光器之间的第一相对距离并且通过借助于第一自混合干涉信号确定第一振幅信息来确定颗粒的尺寸。
颗粒与第一激光器之间的相对距离可以直接确定或间接确定。直接确定可能与调制激光有关，并且间接确定可能与如下详细描述的光学配置有关。第一振幅信息包括可以从第一自混合干涉信号导出的所有信息，该第一自混合干涉信号基本上与颗粒的尺寸有关。颗粒的尺寸决定了被颗粒反射的第一激光的量。此外，第一激光器和颗粒之间的距离影响可以从第一自混合干涉信号中提取的第一振幅信息。此外，颗粒位置处的第一激光束的发散影响进入第一激光器的第一激光腔的第一反射激光。例如，如果第一激光聚焦并且颗粒偏离焦点，则第一自混合干涉信号受到影响。第一振幅信息可以包括第一自混合干涉信号的最大振幅和/或最小振幅。可替换地，可以使用第一自混合干涉信号来确定例如所测量的第一自混合干涉信号的包络。包络的最大振幅和/或最小振幅可以由第一振幅信息包括。包络的最大振幅和/或最小振幅可以与第一自混合干涉信号的最大值和/或最小值不同。
第一激光器可以优选地适配成发射具有光谱的红外范围内的750nm以上、最优选在波长光谱的780nm和1300nm之间的波长的激光。
第一激光器可以是作为侧面发射器的半导体激光器或垂直腔面发射激光器（VCSEL）。
激光传感器模块可以是可用于确定空气质量的颗粒检测器的一部分。例如，这样的颗粒检测器可以集成在移动装置中，特别是移动通信装置中。激光传感器模块可以是可以例如集成在移动装置中单独的装置，或者激光传感器模块的至少一部分功能可以借助于移动装置提供的基础结构来执行。尤其可以借助于移动装置的一个或多个处理器来提供评估器的全部或部分功能。软件代码可以被存储在移动装置的存储装置中，以便实现例如评估器的至少一部分功能。
激光传感器模块包括至少一个第一聚焦区域。第一相对距离与第一聚焦区域和颗粒之间的距离以及第一激光器和第一聚焦区域之间的距离有关，第一聚焦区域由激光传感器模块的光学特性确定。评估器适配成基于第一自混合干涉信号与第一聚焦区域和颗粒之间的距离有关的至少一个特性来确定第一相对距离，并且其中第一振幅信息包括第一自混合干涉信号的最大振幅或最小振幅。
第一聚焦区域可以包括激光腔内的束腰或者可替换地激光器外的第一聚焦区域。在其中激光传感器模块被布置成使得颗粒横跨靠近第一激光器的出射窗口（意味着靠近形成第一激光腔的腔镜之一的表面）的第一激光的位置的情况下，束腰可以用作第一聚焦区域。在这种情况下，相对距离可以是第一激光腔内的束腰与颗粒之间的距离减去束腰与出射窗口之间的距离。
激光传感器模块可以替代地或附加地包括用于将第一激光聚焦到第一聚焦区域的至少一个第一光学装置。所提出的方法使能够确定颗粒的尺寸，即使颗粒偏离焦点。第一聚焦区域和颗粒之间的距离称为散焦。在这种情况下，第一激光器和颗粒之间的相对距离由第一激光器和第一聚焦区域之间的距离和第一聚焦区域和颗粒之间的距离之和给出（必须考虑代数符号）。可以使用关于系统中使用的第一光学装置的信息来计算在颗粒的点处的第一激光的散焦量（即波前的曲率，结合光束的振幅的展宽）。第一光学装置可以包括单个透镜，但也可以包括两个、三个或更多个透镜或透镜布置。此外，在这样的第一光学装置中可以使用具有可适应焦点的透镜。第一聚焦区域可以是点状的，但也可以替代地也包括限定的聚焦深度。焦点的直径或更一般的焦点的截面可以例如在限定时间段内、沿着第一激光器和第一光学装置的光轴是基本恒定的。第一聚焦区域可以例如具有圆形或椭圆形截面。
第一自混合干涉信号与第一聚焦区域和颗粒之间的距离有关的至少一个特性包括相位信息、振荡次数、相对最大值或相对最小值的数量、相对最大值最小值的振幅比、第一自混合干涉信号的限定间隔内的过零点的数量、过零点之间的一个或多个距离以及第一自混合干涉信号的包络的形状。表示第一激光器和颗粒之间的相对距离的第一相对距离强烈影响第一自混合干涉信号的振荡的特性或形状。相位信息、振荡次数、相对最大值或相对最小值的数量、相对最大值最小值的振幅比、第一自混合干涉信号的限定间隔内的过零点的数量、过零点之间的一个或多个距离以及第一自混合干涉信号的包络的形状是取自第一自混合干涉信号的限定的部分。可以使用第一自混合干涉信号的振荡次数和/或过零点的非均匀时间间隔来确定颗粒的尺寸。第一自混合干涉信号的该部分的大小可以取决于第一自混合干涉信号的振幅的绝对最大值和噪声水平。对相对于空间散焦场移动的颗粒的理论上预期的强度行为（intensity behavior）的拟合将产生足够的信息以便确定颗粒的尺寸。所测量的第一自混合干涉信号可以拟合到理论上预期的曲线，其中可以使用相位信息、振荡次数、相对最大值或相对最小值的数量、相对最大值最小值的振幅比、第一自混合干涉信号的限定间隔内的过零点的数量、过零点之间的一个或多个距离以及第一自混合干涉信号的包络的形状中的至少一个。可以使用小波类型的分析或具有相应调整的算法的神经网络以便执行所测量的第一自混合干涉信号的拟合。
评估器可以适配成确定第一自混合干涉信号的第一信号振幅的绝对最大值或绝对最小值。评估器可以适配成确定在第一自混合干涉信号的绝对最大值或绝对最小值附近的限定范围内的第一自混合干涉信号的相对最大值或相对最小值的第一数量。评估器可以适配成借助于在限定的范围内的第一自混合干涉信号的最大值或最小值的数量来确定到颗粒的第一相对距离。评估器可以进一步适配成借助于确定的到颗粒的第一相对距离以及第一自混合干涉信号的第一信号振幅的绝对最大值或绝对最小值来确定颗粒的尺寸。
第一自混合干涉信号可以包括常规多普勒频率、由于第一激光器和颗粒之间的光路引起的相位（这也可以由于可能由例如由扫描反射镜引起的光束的离轴旋转而受到影响）、以及由于光束的散焦引起的空间相位轮廓。使用空间相位轮廓以便确定颗粒的尺寸。如例如多普勒频率的其他效应可以通过可替换的测量来确定，或者例如在多普勒频率低于由于散焦效应引起的频率的情况下其效应可以忽略不计。例如，这可以通过与平行于第一激光的光束的速度相比垂直于第一激光的光束的快速光斑移动或引起的快速颗粒移动来实现。
评估器可以适配成基于第一自混合干涉信号的第一信号振幅的绝对最大值与在第一自混合干涉信号的相对最大值中的至少一个处第一自混合干涉信号的振幅的比、或者基于第一自混合干涉信号的第一信号振幅的绝对最小值与在第一自混合干涉信号的相对最小值中的至少一个处第一自混合干涉信号的振幅的比来改善到颗粒的第一相对距离的确定。可以直接使用第一自混合干涉信号的相对最大值或相对最小值，以便确定相对于测量的绝对最大值或绝对最小值信号的衰减。可替换地，可以使用自混合干涉信号的绝对最大值和绝对最小值结合自混合干涉信号的相对最大值和相对最小值来对数学上描述信号的衰减的测量信号的包络函数进行建模或拟合。可以在信号高于自混合干涉信号的噪声水平的绝对最大值或绝对最小值附近的范围内分析第一自混合干涉信号的衰减。
激光传感器模块可以适配成提供包括与第一聚焦区域相关的颗粒的颗粒群组的限定的速度分布。限定的速度分布可以例如借助于风扇来提供。风扇可以例如在管中吹动包含颗粒的气体以便提供限定的速度分布。限定的速度分布可以替代地或附加地是相对于可能由反射第一激光的移动反射镜引起的第一激光的光束的相对速度分布。
电驱动器可以适配成向第一激光器提供调制的第一驱动电流。评估器可以适配成基于由调制的第一驱动电流产生的第一自混合干涉信号来确定到颗粒的第一相对距离。调制的驱动电流可以例如包括三角形驱动电流或矩形驱动电流。可以使用借助调制的驱动电流确定的第一相对距离以便计算或确定由颗粒相对于第一聚焦区域的相对位置引起的第一自混合干涉信号的散焦。可以另外使用相位信息、振荡次数、相对最大值或相对最小值的数量、相对最大值最小值的振幅比、第一自混合干涉信号的限定间隔内的过零点的数量、过零点之间的一个或多个距离以及第一自混合干涉信号的包络的形状以便确定相对距离或散焦，使得可以考虑第一振幅信息来确定颗粒的尺寸。调制的第一驱动电流可以包括至少第一驱动方案和第二驱动方案，其中第一驱动方案不同于第二驱动方案。此外，有可能以交替顺序使用调制的第一驱动电流和非调制的第一驱动电流，使得可以使用检测到颗粒的距离以及因此散焦的不同机制以便提高准确度。
三角形驱动电流是为第一自混合干涉信号添加恒定频率的选项。 可以使用FM技术以确定作为相位调制和振幅包含在第一自混合干涉信号中的颗粒尺寸。此外，颗粒距激光器的距离也包含在由三角形驱动电流提供的恒定频率中，并且可以用作附加信息。
利用方波调制，可以获得颗粒信号的两个正交分量。矩形驱动电流或方波驱动电流使得第一激光器的感应（induced）波长偏移导致第一激光器处的后向散射光的90度相移。在两个正交分量可用的情况下，总是可以重建最大颗粒信号振幅。该解决方案的缺点可能是第一自混合干涉信号的信噪比（SNR）降低了3dB，因为信号功率的一半被用于重建正交。
激光传感器模块可以包括用于重定向第一激光的第一可移动反射镜。激光传感器模块可以适配成控制第一可移动反射镜的移动，使得可以抑制对限定尺寸阈值以下的颗粒的尺寸的检测。
第一自混合干涉信号的频率带宽取决于颗粒和第一激光的光束的相对速度。较高的速度意味着较大的带宽信号，较大的带宽信号意味着较小的信噪比（SNR）。第一自混合干涉信号的颗粒信号振幅取决于颗粒尺寸。（当颗粒直径小于波长时）较小的颗粒意味着较小的振幅。通过改变相对速度使得小颗粒的SNR低于检测极限，只有更大的颗粒将被计数。这允许从颗粒计数统计中提取作为镜速度的函数的颗粒尺寸信息。必须考虑到，对于增加的相对速度，每次探测的体积也会增加，并且需要修正计数统计。
激光传感器模块可以包括至少第二激光器和至少第二检测器。第二激光器可以适配成发射第二激光。第二激光可以具有不同于第一激光的第一波长的第二波长。第二检测器可以适配成确定第二激光器的第二激光腔内的光波的第二自混合干涉信号。第二自混合干涉信号是由重新进入第二激光腔的第二反射激光引起的，第二反射激光被接收第二激光的至少一部分的颗粒反射。评估器可以适配成通过借助于第二自混合干涉信号确定颗粒与第二激光器之间的第二相对距离来改善颗粒的尺寸的确定。
由于不同的波长，相同的颗粒尺寸将具有不同的信号强度响应。该附加信息可以与距离信息和信号强度信息组合。不同波长的响应的差异可以用作颗粒尺寸的附加鉴别器。第一激光器和第二激光器可以具有更多或更少的重叠光束轮廓，使得可以借助于第一激光器和第二激光器来对颗粒进行重合检测（coincidence detection）。可替换地，第一激光器和第二激光器可以具有不重叠的光束，并且信息可以借助于统计方法进行比较或分析。
激光传感器模块可以包括用于将第一激光聚焦到第一聚焦区域的至少一个第一光学装置。激光传感器模块还可以包括至少第二激光器、至少第二检测器和用于将由第二激光器发射的第二激光聚焦到第二聚焦区域至少一个第二光学装置。第二检测器可以适配成确定第二激光器的第二激光腔内的光波的第二自混合干涉信号。第二自混合干涉信号是由重新进入第二激光腔的第二反射第二激光引起的，第二反射激光被接收第二激光的至少一部分的颗粒反射。评估器可以适配成通过借助第二自混合干涉信号确定颗粒与第二激光器之间的第二相对距离来改善颗粒的尺寸的确定。
第一焦点区域和第二焦点区域的尺寸可以不同（不同的焦距、不同尺寸的焦点等）。借助于第一激光器结合第一光学装置可以提供相对尖锐的第一焦点，并且可以借助于第二激光器结合第二光学装置提供第二焦线，其中第一焦点可以例如被布置在第二焦线上。第二焦线可以布置成沿着第二激光器的光轴。第一激光器与第一聚焦区域之间的第一距离可以不同于第二激光器与第二聚焦区域之间的第二距离。如上所述，第一聚焦区域可以不与第二聚焦区域重叠。如上所述，第一聚焦区域可以可替换地与第二聚焦区域重叠。
根据另一方面，提出了一种颗粒尺寸检测方法。该方法包括以下步骤：
-借助于第一激光器发射第一激光，
-在第一激光器的第一激光腔中接收被接收第一激光的至少一部分的颗粒反射的第一反射激光，
-确定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，其中第一自混合干涉信号是由重新进入第一激光腔的第一反射激光引起的，
-通过借助于第一自混合干涉信号确定颗粒与第一激光器之间的第一相对距离并且通过借助于第一自混合干涉信号确定第一振幅信息来确定颗粒的尺寸。
该方法的步骤不一定按照上述顺序执行。
根据另一方面，提出了一种计算机程序产品。该计算机程序产品包括代码装置，该代码装置可以保存在根据权利要求1至13中任一项所述的激光传感器模块的至少一个存储装置上或者保存在包括激光传感器模块的装置的至少一个存储装置上。所述代码装置被布置成使得根据权利要求14所述的方法可以借助于根据权利要求1至13中任一项所述的激光传感器模块的至少一个处理装置或借助于包括激光传感器模块的装置的至少一个处理装置来执行。存储装置或处理装置可以被激光传感器模块（例如电驱动器、评估器等）或包括激光传感器模块的装置包括。包括激光传感器模块的装置的第一存储装置和/或第一处理装置可以与激光传感器模块所包括的第二存储装置和/或第二处理装置交互。
应当理解的是，根据权利要求1至13中任一项所述的激光传感器模块以及权利要求14所述的方法具有特别是如从属权利要求中所限定的相似和/或相同的实施例。
应当理解的是，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应的独立权利要求的任意组合。
以下限定了进一步有利的实施例。
附图说明
本发明的这些和其他方面根据下文描述的实施例将是清楚的，并且将参照下文描述的实施例进行阐述。
现在将参照附图基于实施例以举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主体草图；
图2示出了第二激光传感器模块的主体草图；
图3示出了第三激光传感器模块的主体草图；
图4示出了第四激光传感器模块的主体草图；
图5示出了第一聚焦区域的主体草图；
图6示出了第五激光传感器模块的主体草图；
图7示出了第六激光传感器模块的主体草图；
图8示出了第一自混合干涉信号的第一实施例；
图9示出了第一自混合干涉信号的第二实施例；
图10示出了包括激光传感器模块的移动通信装置；
图11示出了检测颗粒尺寸的方法的主体草图。
在附图中，相似的附图标记始终指代相似的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。
具体实施方式
现在将借助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离。有关自混合干涉的背景信息在“用于传感应用的激光二极管自混合技术”Giuliani,G.、Norgia,M.、Donati,S.以及Bosch,T.，用于传感应用的激光二极管自混合技术，Journal of Optics A:Pure and Applied Optics，2002,4,S.283-S294中描述，其通过引用并入本文。在国际专利申请No.WO 02/37410中详细描述了指尖相对于光学输入装置中的传感器的移动的检测。国际专利申请No.WO 02/37410中有关检测距离和移动的公开内容通过引用并入本文。
基于国际专利申请WO 02/37410中提出的实例讨论自混合干涉的原理。提供具有激光腔的二极管激光器用于发射或测量激光束。在其上侧，该装置设有透明窗口，物体（例如人手指）被移动横跨该窗口。透镜（例如平凸透镜）布置在二极管激光器和窗口之间。该透镜将激光束聚焦在透明窗口的上侧处或上侧附近。如果有物体存在于此位置，它会散射测量光束。测量光束的一部分辐射在照明光束的方向上散射，并且该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起激光器增益的变化，并且从而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。
由激光器发射的辐射的强度变化可以由为此目的提供的光电二极管检测，该二极管将辐射变化转换成电信号，并且提供电路用于处理该电信号。
物体相对于测量光束的运动引起由此反射的辐射经历多普勒频移。这意味着该辐射的频率发生变化或发生频移。这种频移取决于物体移动的速度，并且具有几kHz到几MHz的数量级。重新进入激光腔的频移辐射与光波或在该腔中生成的辐射干涉，即在该腔中发生自混合效应。根据光波与重新进入腔的辐射之间的相移量，干涉将是相长的或相消的，即激光辐射的强度周期性地增加或降低。以这种方式生成的激光辐射调制的频率恰好等于腔中的光波的频率与重新进入腔的多普勒频移辐射的频率之差。频率差为几kHz到几MHz的数量级，并且因此容易检测。自混合效应和多普勒频移的组合引起激光腔行为的变化；特别是它的增益或光放大率发生变化。如国际专利申请No.WO 02/37410中详细描述的那样，可以例如测量激光腔的阻抗或由激光器发射的辐射的强度，并且不仅可以评估物体相对于传感器的移动量（即行进的距离），而且也可以确定运动的方向。
图1示出了第一激光传感器模块100的主体草图。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，该集成的光电二极管是第一激光器110的层结构的一部分。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和评估器140。评估器140连接到第一激光器110或更精确地连接到第一检测器120和电驱动器130。电驱动器130将电力供应到第一激光器110以便发射第一激光。第一激光器110在这种情况下是具有集成光电二极管的垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。激光传感器模块100连接到提供借助于电驱动器130调制和供应的电力的电源（未示出）。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调制方案的驱动电流。三角调制方案用于借助于第一自混合干涉信号30来确定第一激光器110和颗粒之间的相对距离。评估器140接收第一检测器120提供的由第一自混合干涉信号30引起的电信号。评估器140还接收来自电驱动器130的关于驱动方案的信息。评估器140借助于该信息被启用以确定第一激光器110与第一振幅信息之间的相对距离。可以提供附加的检测器以便确定以不同散射角度被颗粒散射的第一激光。附加的一个或多个检测器可以用于改进颗粒尺寸的检测。不同颗粒尺寸的散射光具有角度依赖性。使用附加的检测器结合第一自混合干涉信号30允许借助于评估器140的改进的颗粒尺寸估计。借助于评估器140能够实现对由附加的检测器提供的信号和第一自混合干涉信号30的重合检测。
图2示出了第二激光传感器模块100的主体草图。第二激光传感器模块包括第一激光器110。第二检测器120布置为外部测量电路，该外部测量电路确定第一激光腔两端的电压或更一般地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还包括电驱动器130和评估器140。评估器140连接到第一激光器110、第一检测器120和电驱动器130。电驱动器130将电力供应到第一激光器110以便发射第一激光。第一激光器110在这种情况下是侧面发射半导体激光器。激光传感器模块100连接到提供借助于电驱动器130调制和供应的电力的电源（未示出）。电驱动器130提供恒定的驱动电流。评估器140接收第一检测器120提供的由第一自混合干涉信号30引起的电信号。评估器140接收来自电驱动器130的信息。评估器140还接收来自第一激光器装置的温度信息。评估器140借助于该信息被启用以确定第一激光器110与第一振幅信息之间的相对距离。由于恒定的驱动电流，偏离焦点相对较远地通过的颗粒在第一自混合干涉信号中将具有足够的可见振荡，以确定其可靠的位置，并因此确定颗粒尺寸。这种调制方案的优点在于，它使用总信号功率来重建信号的仅一个正交信号，这给出最佳的信噪比以检测最小的颗粒。
图3示出了第三激光传感器模块100的主体草图。第三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，该集成的光电二极管是第一激光器110的层结构的一部分。第三激光传感器模块100还包括电驱动器130和评估器140以及第一光学装置150。评估器140连接到第一激光器110或更精确地连接到第一检测器120和电驱动器130。电驱动器130将电力供应到第一激光器110以便发射第一激光。第一激光器110在这种情况下是具有集成的光电二极管的垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。激光传感器模块100连接到提供借助于电驱动器130调制和供应的电力的电源（未示出）。电驱动器130提供恒定的驱动电流。评估器140接收第一检测器120提供的由第一自混合干涉信号30引起的电信号。评估器140还接收来自电驱动器130的信息。评估器140借助于该信息被启用以确定第一激光器110与第一振幅信息之间的相对距离。由第一激光器110发射的第一激光借助于第一光学装置150聚焦到第一聚焦区域155。可以在第一聚焦区域155周围的范围内检测颗粒。第一聚焦区域155与颗粒之间的距离称为散焦。散焦影响第一自混合干涉信号30并提供信息以便确定第一激光器110与颗粒之间的相对距离。借助于评估器140使用该信息与第一振幅信息的组合以便确定颗粒的尺寸。
第一光学装置150可以例如包括具有限定的直径rlens的仅一个透镜。第一自混合干涉信号30标度为(1-exp[-(rlens / wpupil)^ 2])^ 2，其中wpupil是第一激光在透镜光瞳处的高斯光束的束腰参数。透镜应具有一定的最小直径以便避免由于第一激光的后向散射或反射光束的渐晕而引起的信号损失。一个有利的实施例将具有>1.1倍光瞳直径的透镜直径（这对应于3dB信号损失）。甚至更好的将是>1.5倍高斯光束的光瞳直径的透镜（1 dB信号损失）。
以下段落描述了关于确定颗粒尺寸的理论背景的细节。
由于来自颗粒的后向散射的第一激光或反射的第一激光而引起的第一激光器110的第一激光腔内的功率的变化可由以下公式给出。
Figure 683209DEST_PATH_IMAGE002
。
∆P/P是由于来自颗粒的后向散射光而引起的第一激光腔内光波的激光强度的相对功率变化，E_(laser)(x,y,z)是颗粒位置处的激光场，|Ebs|与来自颗粒的后向方向上的后向散射光有关，λ是波长，k是2π/λ，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE004A
是第一激光腔中后向散射光与光波之间的产生的相位。该相位可以非线性地依赖于后向散射信号的振幅。
|Ebs|由以下公式给出，
Figure 475715DEST_PATH_IMAGE006
。
这里
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE008A
/
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE010A
是第一激光的光束的后向方向的散射截面。（这里假定它在激光束的接收角度内是恒定的）。
信号强度的总表达式变为：
Figure 196065DEST_PATH_IMAGE012
。
等式的第一部分描述信号的振幅和信号的相位的最后一项。
如在干涉仪中众所周知的，该相位由从第一激光器110到颗粒的距离以及第一激光的入射激光束的相位确定。对于使用具有扫描光斑的自混合干涉或在横向中移动颗粒的激光传感器模块100，特别是对场的横向分量的依赖性，x、y是令人关注的。对于第一激光的高斯光束，它由以下等式给出。
Figure 591274DEST_PATH_IMAGE014
。
z =常数的平面处的相位由可由R(z)参数化的第一激光的光束的散焦量确定。
Figure 343330DEST_PATH_IMAGE016
。
在常数z的平面中，光束的振幅是由其束腰确定的高斯分布，由w(z)参数化。
Figure 165792DEST_PATH_IMAGE018
。
其中zr是瑞利长度，
Figure 432826DEST_PATH_IMAGE020
。
高斯光束的第一部分给出振幅相关性和复指数部分的光束的相位轮廓。
这个高斯光束轮廓可以插入到激光功率的等式中（也可以插入其他激光束轮廓）。
这导致
Figure 631726DEST_PATH_IMAGE022
。
关于相位项的一些措辞，可以说颗粒和激光的相对z运动对应于多普勒相移，并且相对x、y运动对应于散焦相移。
当相对于焦点的颗粒轨迹已知时，该等式描述了观察到的激光强度振荡。基本的未知是
Figure 238288DEST_PATH_IMAGE024
，它取决于颗粒的尺寸（及其介电性质，但是通常光学颗粒计数器假定散射截面
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE026A
与颗粒尺寸相关并且假定不同颗粒的介电性质相同），当所有其他参数已知时，可以从测量信号确定后向散射截面。
颗粒的运动可以是小的或者可以提供预定的颗粒轨迹。一种选择将是使用受控气流。另一种选择是使用例如通过如图4中所描述的MEMs反射镜的扫描光斑，以及颗粒运动明显小于光斑的运动的假设。扫描光斑还确保了颗粒与第一激光器在其轨迹期间的相对距离是已知的。
在颗粒和激光光斑具有明确定义的横向相对速度并且可以忽略z相关性的情况下，通过移动激光光斑的扫描反射镜或通过移动颗粒的受控气流，后向散射的光的相位将会因散焦项而变化。该相位变化导致第一自混合干涉信号30的振荡。除了该相位变化之外，光束的振幅也减小，导致颗粒信号的较低信号。当颗粒偏离焦点时，与横向衰减相比，相位振荡项变得更大（zR是瑞利长度）。
Figure 169335DEST_PATH_IMAGE028
（横向指数相位激光场）。
Figure 923664DEST_PATH_IMAGE030
（横向指数强度光束）。
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE032
（二者的比）。
这意味着在第一自混合干涉信号30衰减到噪声水平以下之前，偏离焦点时存在更多的颗粒信号的振荡。因此，根据作为信号衰减的函数的振荡量，可以确定颗粒的位置。最大信号振幅衰减，因为偏离焦点时激光束的最大强度较低。
重要的点是，考虑到第一自混合干涉信号30的振幅以及例如振荡周期的量和它们的频率，可以确定与焦点的距离，并且利用该信息和第一自混合干涉信号30的最大振幅可以确定颗粒尺寸。可替换地或附加地，可以使用第一自混合干涉信号30的过零点和过零点之间的距离。此外，可以对第一自混合干涉信号30的包络进行建模，并且可以借助于包络的最大值和/或最小值以及包络的衰减来确定距离，只要该包络高于第一自混合干涉信号30的噪声水平。
图4示出了第四激光传感器模块100的主体草图。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。第四激光传感器模块100还包括电驱动器130、以及评估器140、第一光学装置150、可移动反射镜170、以及用于控制可移动反射镜170的控制器160。评估器140连接到第一检测器120、电驱动器130和控制器160。电驱动器130将电力供应到第一激光器110以便发射第一激光。电驱动器130提供调制驱动电流（矩形驱动电流）。评估器140接收第一检测器120提供的由第一自混合干涉信号30引起的电信号。评估器140还接收来自电驱动器130和控制器160的信息以便解释由第一检测器120测量的第一自混合干涉信号30。由电驱动器130提供的信息可以包括在确定的时刻提供的电流振幅。由控制器160提供的信息可以包括角速度、反射镜运动的振幅等。借助于该信息使评估器140被启用以确定第一激光器110与第一振幅信息之间的相对距离，如上面详细描述的。由第一激光器110发射的第一激光借助于第一光学装置150聚焦到第一聚焦区域155，该第一聚焦区域155由于可移动反射镜170而沿着扫描方向175（参见例如图5）移动。可以在第一聚焦区域155周围的范围内检测颗粒。第一聚焦区域155和颗粒之间的距离称为散焦。散焦影响第一自混合干涉信号30并且提供信息以便如上所述确定第一激光器110与颗粒之间的相对距离。借助于评估器140使用该信息与第一振幅信息的组合以便如上所述确定颗粒的尺寸。
第一自混合干涉信号30的颗粒信号振幅是聚焦光斑（或高斯光束的束腰）的数值孔径与可移动反射镜170的反射镜移动之间的相互作用。首先，将要检测的最小颗粒尺寸应该确定。这对于滤波之后在第一自混合干涉信号30中存在的最大噪声功率提出了限制。如上所述，光斑和颗粒的相对速度确定了信号的频率带宽。当速度较低时，采样空气体积较低，速度增加会导致更多的采样体积，从而导致检测到更多的颗粒。对于较大的速度，SNR也下降，但只要最小的期望颗粒仍然可检测到，这并不重要。激光束的形状也会影响采样空气量；具有大束腰的高斯光束具有更大的直径和瑞利长度，产生比具有小束腰（更高数值孔径）的光束更大的截面积。较大的束腰也意味着较低的散射信号，因为局部强度较低。这意味着在用于聚焦光束的透镜的数值孔径与相对速度之间存在折衷。
在空气运动不受控制的情况下，并且使用扫描反射镜来移动光斑。选择高于正常空气速度（0.1〜1 m/s）的速度可能是有利的。因此，具有5-20m/s的值将是方便的。在这种情况下，当300nm以上的颗粒应该是可检测的时候，聚焦透镜的数值孔径的值在0.05-0.2之间将是最佳的。（使用高斯光束的远场角延伸的1/e^2强度值来定义数值孔径）。
图5示出了第一聚焦区域155的截面的主体草图，该第一聚焦区域155由于如图4所述的可移动反射镜170而在横跨扫描方向175上移动。该截面示出椭圆形聚焦。通过使椭圆形光斑对准焦点，散焦的灵敏度可以沿着椭圆的短轴变得最大。因此可能优选的是将扫描方向175布置成平行于椭圆的短轴。这种光斑形状可以利用变形棱镜对、或者通过使用柱面透镜、或者通过使用例如具有椭圆模式轮廓的VCSEL来制作。
图6示出了第五激光传感器模块100的主体草图。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和具有集成的第二检测器121的第二激光器111。第一激光器110发射具有第一波长的第一激光，第二激光器111发射具有第二波长的第二激光。第二波长不同于第一波长。第五激光传感器模块100包括电驱动器130，该电驱动器130适配成向第一激光器110和第二激光器111提供驱动电流。第五激光传感器模块100可以在的可替换的实施例中包括用于电驱动第二激光器121的另一个电驱动器130。第三激光传感器模块还包括评估器140。评估器140连接到第一激光器110、第二激光器111和电驱动器130。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的第一光学装置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的第二光学装置156，评估器140接收第一检测器120提供的由第一自混合干涉信号30引起的电信号、以及第二检测器121提供的由第二自混合干涉信号引起的电信号。评估器140还接收来自电驱动器130的信息。评估器140借助于该信息被启用以确定第一激光器110与第一振幅信息之间的相对距离。评估器140借助于该信息进一步被启用以确定第二激光器111与第二振幅信息之间的相对距离。借助于独立于第一自混合干涉信号30的信息可以确定颗粒的尺寸。评估器140还适配成借助于基于颗粒移动的理论模型的统计分析或基于关于颗粒移动的信息的统计分析评估第一自混合干涉信号30和第二自混合干涉信号，所述颗粒移动例如可以由相对于第一激光和第二激光透明的或者可以具有窗口的管内的风扇引起（未示出）。
图7示出了第六激光传感器模块100的主体草图。第六激光传感器模块100包括具有集成的第一检测器120的第一激光器110和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。第六激光传感器模块100包括电驱动器130，该电驱动器130适配成向第一激光器110和第二激光器111提供驱动电流。电驱动器包括评估器140，评估器140连接到第一激光器110和第二激光器111。第六激光传感器模块100还包括用于将第一激光聚焦到第一聚焦区域155的第一光学装置150。第六激光传感器模块100还包括用于将第二激光聚焦到第二聚焦区域158的第二光学装置156。第一聚焦区域155沿着第一激光器110和第一光学装置150的光轴延伸，并因此向第一聚焦区域155内的第一激光器110提供几乎恒定的反馈。第二聚焦区域158包括尖锐的焦点。第一聚焦区域155与第二聚焦区域158重叠。评估器140接收第一检测器120提供的由第一自混合干涉信号30引起的电信号、以及第二检测器121提供的由第二自混合干涉信号引起的电信号。评估器140还接收来自电驱动器130的信息。评估器140借助于该信息被启用以确定第一激光器110与第一振幅信息之间的相对距离。评估器140借助于该信息进一步被启用以确定第二激光器111与第二振幅信息之间的相对距离。借助于独立于第一自混合干涉信号30的该信息可以确定颗粒的尺寸。第一激光器110的线聚焦或第一聚焦区155给出沿着第一激光器110和第一光学装置150的光轴的或多或少相同的第一自混合干涉信号。根据第二自混合干涉信号可以确定偏离焦点的位置，并且因此可以借助于评估器140推断第一自混合干涉信号30是否源自恒定的第一聚焦区域155。
图8示出了第一自混合干涉信号30的第一实施例。呈现了600nm颗粒的测量的第一自混合干涉信号30。竖直轴示出振幅轴10，并且水平轴示出时间轴20。颗粒远离焦点通过，这导致了相当低振幅的第一自混合干涉信号30。与此相反，图9中所示的第一自混合干涉信号是高的，因为是在第一光学装置的焦点中或焦点附近测量了颗粒。在图8中在最大（或最小）振幅附近0.02ms的预定时间范围内的振荡次数与图9中最大或最小振幅附近的相同时间范围内的振荡次数相比较高。此外， 图8中的第一自混合干涉信号30的振幅相对最大值与图9相比缓慢地衰减。实际上，噪声将设置检测阈值，在该检测阈值以上的颗粒信号将被辨别。颗粒的尺寸主要影响第一自混合干涉信号30的振幅，而散焦量将主要确定其在时间上的延伸。当信号被归一化时，则偏离焦点相同的量将导致除了任意相位因子（以及在相对于激光束尺寸颗粒尺寸不可忽略时的校正项）之外相同的信号形状。由于垂直于第一激光器110和第一光学装置150的光轴（当光束在x方向上扫描时的y方向）的可能偏移，将振幅与颗粒尺寸相关联的一些模糊性将保持，但可以确定平均颗粒尺寸。通过使用不同散射角度的独立检测器或通过使用具有相应检测器120、121的两个、三个或更多个激光器110、111，可以减少这种模糊性。
图10示出了包括激光传感器模块100的移动通信装置190。移动通信装置190包括用户界面191、处理装置192和主存储装置193。主处理装置192与主存储装置193连接，并且与激光传感器模块100连接。主处理装置192包括上面描述的评估器140的至少一部分功能。主处理装置192在主存储装置193中存储与颗粒检测相关的数据。在可替换的实施例中，主处理装置192和主存储装置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，使得可以借助于用户界面191将数据呈现给移动通信装置190的用户。激光传感器模块100借助于供电移动通信装置190供电。
图11示出了检测颗粒尺寸的方法的主体草图。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，由接收第一激光的至少一部分的颗粒反射的第一反射激光在第一激光器的第一激光腔中反射。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由重新进入第一激光腔的第一反射激光引起。在步骤240中通过借助于第一自混合干涉信号30确定颗粒与第一激光器110之间的第一相对距离并且通过借助于第一自混合干涉信号30确定第一振幅信息来确定颗粒的尺寸。
本发明的基本思想是使用自混合干涉信号的距离和振幅信息来确定颗粒的尺寸。尤其是在自混合干涉信号的最大值或最小值附近的限定时间段内的自混合干涉信号的形状提供了可用于确定颗粒尺寸的信息。
虽然已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的。
通过阅读本公开内容，其他修改对于本领域技术人员将是显而易见的。这样的修改可以涉及本领域已知的其他特征，并且可以代替或者附加于本文已经描述的特征来使用。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员可以理解和实现所公开实施例的变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个元素或步骤。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施这一纯粹事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。
附图标记列表：
10 振幅轴
20 时间轴
30 第一自混合干涉信号
40 振幅参考
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 评估器
150 第一光学装置
155 第一聚焦区域
156 第二光学装置
158 第二聚焦区域
160 控制器
170 可移动反射镜
175 扫描方向
190 移动通信装置
191 用户界面
192 主处理装置
193 主存储装置
210 发射第一激光的步骤
220 接收第一反射激光的步骤
230 确定第一自混合干涉信号的步骤
240 确定颗粒的尺寸。

Claims (14)

1.一种用于确定空气质量的用于颗粒尺寸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）、至少一个电驱动器（130）和至少一个评估器（140），其中所述第一激光器（110）适配成响应于由所述至少一个驱动器（130）提供的信号而发射第一激光，其中所述至少一个第一检测器（120）适配成确定第一激光器（110）的第一激光腔内的光波的第一自混合干涉信号（30），其中所述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，所述第一反射激光被接收第一激光的至少一部分的颗粒反射，其特征在于，所述评估器（140）适配成通过借助于第一自混合干涉信号（30）确定颗粒与第一激光器（110）之间的第一相对距离并且通过借助于第一自混合干涉信号（30）确定第一振幅信息来确定颗粒的尺寸，其中所述激光模块还包括至少一个第一聚焦区域（155），其中所述第一相对距离与第一聚焦区域（155）和颗粒之间的距离有关，并且其中所述评估器（140）适配成基于第一自混合干涉信号（30）与第一聚焦区域（155）和颗粒之间的距离有关的至少一个特性来确定第一相对距离，并且其中所述第一振幅信息包括第一自混合干涉信号（30）的最大振幅或最小振幅，并且其中所述第一自混合干涉信号（30）与第一聚焦区域（155）和颗粒之间的距离有关的至少一个特性包括相位信息、振荡次数、相对最大值或相对最小值的数量、相对最大值最小值的振幅比、第一自混合干涉信号（30）的限定间隔内的过零点的数量、过零点之间的一个或多个距离以及第一自混合干涉信号（30）的包络的形状中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的激光传感器模块（100），其中所述激光模块还包括用于将第一激光聚焦到第一聚焦区域（155）的至少一个第一光学装置（150）。
3.根据权利要求1所述的激光传感器模块（100），其中所述评估器（140）适配成确定第一自混合干涉信号（30）的第一信号振幅的绝对最大值或绝对最小值，并且其中所述评估器（140）适配成确定在第一自混合干涉信号（30）的绝对最大值或绝对最小值附近的限定范围内的第一自混合干涉信号（30）的相对最大值或相对最小值的第一数量，并且其中所述评估器（140）适配成借助于在限定的范围内的第一自混合干涉信号（30）的最大值或最小值的数量来确定到颗粒的第一相对距离，并且其中所述评估器（140）进一步适配成借助于确定的到颗粒的第一相对距离以及第一自混合干涉信号（30）的第一信号振幅的绝对最大值或绝对最小值来确定颗粒的尺寸。
4.根据权利要求3所述的激光传感器模块（100），其中所述评估器（140）适配成基于第一自混合干涉信号（30）的第一信号振幅的绝对最大值与在第一自混合干涉信号（30）的相对最大值中的至少一个处第一自混合干涉信号（30）的振幅的比、或者基于第一自混合干涉信号（30）的第一信号振幅的绝对最小值与在第一自混合干涉信号（30）的相对最小值中的至少一个处第一自混合干涉信号（30）的振幅的比来改善到颗粒的第一相对距离的确定。
5.根据权利要求1或2中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）适配成提供包括与第一聚焦区域（155）相关的颗粒的颗粒群组的限定的速度分布。
6.根据权利要求1或2中任一项所述的激光传感器模块（100），其中所述电驱动器（130）适配成向第一激光器（110）提供调制的第一驱动电流，其中所述评估器（140）适配成基于由调制的第一驱动电流产生的第一自混合干涉信号（30）来确定到颗粒的第一相对距离。
7.根据权利要求6所述的激光传感器模块，其中所述调制的第一驱动电流包括至少第一驱动方案和第二驱动方案，其中所述第一驱动方案不同于所述第二驱动方案。
8.根据权利要求1或2中任一项所述的激光传感器模块（100），所述激光传感器模块（100）还包括用于重定向第一激光的第一可移动反射镜（170），所述激光传感器模块（100）适配成控制所述第一可移动反射镜（170）的移动，使得对限定尺寸阈值以下的颗粒的尺寸的检测被抑制。
9.根据权利要求1或2中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）包括至少第二激光器（111）和至少第二检测器（121），其中所述第二激光器（111）适配成发射第二激光，其中所述第二激光具有不同于第一激光的第一波长的第二波长，其中所述第二检测器（121）适配成确定第二激光器（111）的第二激光腔内的光波的第二自混合干涉信号，其中所述第二自混合干涉信号是由重新进入第二激光腔的第二反射激光引起的，所述第二反射激光被接收第二激光的至少一部分的颗粒反射，并且其中所述评估器（140）适配成通过借助于第二自混合干涉信号确定颗粒与第二激光器（111）之间的第二相对距离来改善颗粒的尺寸的确定。
10.根据权利要求1所述的激光传感器模块（100），其中所述激光传感器模块（100）包括用于将第一激光聚焦到第一聚焦区域（155）的至少一个第一光学装置（150），所述激光传感器模块（100）还包括至少第二激光器（111）、至少第二检测器（121）和用于将由第二激光器（111）发射的第二激光聚焦到第二聚焦区域（158）的至少一个第二光学装置（156），其中所述第二检测器（121）适配成确定第二激光器（111）的第二激光腔内的光波的第二自混合干涉信号，其中所述第二自混合干涉信号是由重新进入第二激光腔的第二反射第二激光引起的，所述第二反射激光被接收第二激光的至少一部分的颗粒反射，并且其中所述评估器（140）适配成通过借助第二自混合干涉信号确定颗粒与第二激光器（111）之间的第二相对距离来改善颗粒的尺寸的确定。
11.根据权利要求10所述的激光传感器模块，其中第一聚焦区域（155）的第一尺寸不同于第二聚焦区域（158）的第二尺寸。
12.一种移动通信装置，包括颗粒检测器，所述颗粒检测器包括至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的激光传感器模块（100）。
13.一种用于确定空气质量的颗粒尺寸检测的方法，所述方法包括以下步骤：
-借助于第一激光器（110）向至少一个第一聚焦区域（155）发射第一激光，
-在第一激光器的第一激光腔中接收第一反射激光，其中所述第一反射激光被接收第一激光的至少一部分的颗粒反射，
-确定第一激光器（110）的第一激光腔内的光波的第一自混合干涉信号（30），其中所述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，其特征在于，所述方法包括以下进一步的步骤：
-通过借助于第一自混合干涉信号（30）确定颗粒与第一激光器（110）之间的第一相对距离并且通过借助于第一自混合干涉信号（30）确定第一振幅信息来确定颗粒的尺寸，其中所述第一相对距离与第一聚焦区域（155）和颗粒之间的距离相关，
-基于第一自混合干涉信号（30）与第一聚焦区域（155）和颗粒之间的距离有关的至少一个特性来确定第一相对距离，并且其中所述第一振幅信息包括第一自混合干涉信号（30）的最大振幅或最小振幅，并且其中所述第一自混合干涉信号（30）与第一聚焦区域（155）和颗粒之间的距离有关的至少一个特性包括相位信息、振荡次数、相对最大值或相对最小值的数量、相对最大值最小值的振幅比、第一自混合干涉信号（30）的限定间隔内的过零点的数量、过零点之间的一个或多个距离以及第一自混合干涉信号（30）的包络的形状中的至少一个。
14.一种计算机介质，包括代码装置，该代码装置可以保存在根据权利要求1至12中任一项所述的激光传感器模块（100）所包括的至少一个存储装置上或者保存在包括根据权利要求1至12中任一项所述的激光传感器模块（100）的装置的至少一个存储装置上，其中所述代码装置被布置成使得根据权利要求13所述的方法可以借助于根据权利要求1至12中任一项所述的激光传感器模块（100）所包括的至少一个处理装置或借助于包括所述激光传感器模块（100）的装置的至少一个处理装置来执行。
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