CN109154660A - 紧凑型激光传感器 - Google Patents

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Abstract

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一个激光器(100),其适于发射测量光束(111)。所述激光传感器模块还包括紧凑型光学设备(150),其被布置为将所述测量光束(111)聚焦到聚焦区域(115)。所述紧凑型光学设备包括光学载体(154),所述光学载体一侧具有凸面镜面(152)并且在相对的第二侧具有凹面镜面(156),其中,所述凹面镜面(156)包括入射面,所述测量光束(111)能够通过所述入射面进入所述光学载体(154)。所述紧凑型光学设备(150)被布置为使得进入所述光学载体的所述测量光束(111)借助于所述凸面镜面(152)被反射并被发散到所述凹面镜面(156)。所述凹面镜面(156)被布置为将从所述凸面镜面(152)接收的所述测量光束(111)聚焦到聚焦区域(115)。所述激光传感器模块还包括至少一个探测器(120),其适于至少确定所述激光器(100)的激光腔内的第一光波的自混合干涉信号。本发明还描述了一种包括这种激光传感器模块的激光传感器(180)。本发明最后还描述了如包括所述激光传感器(180)或所述激光传感器模块的移动通信设备的设备。

Description

紧凑型激光传感器
技术领域
本发明涉及使用自混合干涉的激光传感器模块,以及激光传感器,尤其是包括该激光传感器模块的激光传感器。本发明还涉及包括这种激光传感器或激光传感器模块的移动通信设备。
背景技术
CN 102564909 A公开了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、分束器、会聚透镜、光电探测器、放大器、数据采集卡,以及频谱分析仪。所描述的设备复杂且昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供紧凑的激光传感器模块,特别是用于颗粒密度探测的紧凑的激光传感器模块。本发明由独立权利要求定义。从属权利要求定义了有利实施例。
根据第一方面,提出了一种激光传感器模块。所述激光传感器模块包括:
-至少一个激光器,其适于发射测量光束,
-紧凑型光学设备,其被布置为将所述测量光束聚焦到聚焦区域,其中,所述紧凑型光学设备包括光学载体,所述光学载体在一侧具有凸面镜面并且在相对的第二侧具有凹面镜面,其中,所述凹面镜面包括入射面或者包围入射面,所述测量光束能够通过所述入射面进入所述光学载体,其中,所述紧凑型光学设备被布置为使得进入所述光学载体的所述测量光束借助于所述凸面镜面被反射并被发散到所述凹面镜面,并且其中,所述凹面镜面被布置为将从所述凸面镜面接收的所述测量光束聚焦到聚焦区域,以及
-一个探测器,其适于至少确定所述激光器的激光腔内的第一光波的自混合干涉信号。
基于自混合干涉的激光传感器可以用于多种探测应用。可以探测通过由激光器发射的测量光束的聚焦区域的物体的存在、移动距离、移动速度和移动方向。测量光束被物体反射,并且反射的测量光束的至少部分重新进入激光器的激光腔。重新进入的激光与激光腔内的光驻波的干涉引起驻波的变化,这被称为自混合干涉。例如,能够借助于如光电二极管的探测器来测量自混合干涉。可以用于聚焦测量光束的常规透镜可能导致相当大的激光传感器模块。紧凑型光学设备实现了非常紧凑的激光传感器模块,其可以比借助于常规透镜来聚焦测量光束的激光传感器模块小得多。
紧凑型光学设备包括光学载体,所述光学载体在一侧具有凸面镜面并且在相对的一侧具有凹面镜面。凹面镜面包括入射窗口或入射面,光能够通过入射窗口或入射面进入光学载体。入射面优选是绕凹面镜面的中心的圆形。经由入射窗进入光学载体的光借助于凸面镜面被反射并被发散到凹面镜面。凹面镜面被布置为将从凸面镜面接收的光聚焦到聚焦区域,该聚焦区域位于紧凑型光学设备的相对于激光器的相对侧。紧凑型光学设备可以通过减小激光器与透镜的出射面之间的距离来帮助减小激光传感器模块的尺寸。激光的路径被折叠并同时借助于反射镜面被聚焦。紧凑性可以实现或支持将这种激光传感器模块与对应应用集成在小型设备中,尤其是集成在如移动通信设备的移动设备中。反射镜面和入射面优选被布置为绕由激光器发射的测量光束所定义的光轴呈圆形对称。
紧凑型光学设备的特征在于耦合数值孔径。耦合数值孔径是激光器侧的紧凑型光学设备的数值孔径。所述紧凑型光学设备的耦合数值孔径NA可以在0.15<NA<0.30的范围内,优选在0.18<NA<0.25的范围内。耦合数值孔径在0.2的范围内会产生朝向由紧凑型光学设备包括的聚焦凹面镜面的发散光束。耦合NA取决于激光束角度。激光束角度针对不同激光器类型能够变化。
激光传感器模块可以包括两个、三个、四个或更多个激光器(例如,被布置在一个公共半导体芯片上的垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列)。
所述激光传感器模块还可以包括聚焦设备。所述聚焦设备可以被布置为将所述测量光束会聚到所述紧凑型光学设备的所述凸面镜面。
紧凑型光学设备可能具有以下缺点:凸面镜面遮蔽或阻挡测量光束的部分,尤其是遮蔽或阻挡物体反射的激光。光束阻挡可能导致自混合干涉信号的减小或甚至干扰,尤其是通过降低由物体反射回的激光强度而导致上述情况。测量光束的激光借助于聚焦设备(优选是凸透镜,另一种可能是菲涅耳透镜或衍射透镜)被会聚,使得在凸面镜面处接收到基本上平行的光束。因此,与没有聚焦设备的尺寸相比,凸面镜面的尺寸可以更小。此外,与没有聚焦设备的曲率相比,凸面镜面的曲率可以更大,使得基本上整个凹面镜面可以借助于由凸面镜面反射的测量光束而得到照射。凸面镜面覆盖的尺寸或面积可以被布置为使得光束阻挡最小化。凸面镜面所覆盖的面积可以与紧凑型光学设备的入射面的面积相同,并且沿着由进入入射面的激光所定义的光轴与入射面对齐。因此,聚焦设备可以实现具有高探测灵敏度的更紧凑的激光传感器模块。
所述聚焦设备可以位于所述紧凑型光学设备的所述入射面中。入射面可以是折射型的并且被布置为使得由激光器发射的测量光束如上所述地会聚。将聚焦设备集成在紧凑型光学设备中可以进一步减小激光传感器模块的尺寸,因为聚焦设备与紧凑型光学设备之间基本上没有距离。聚焦设备可以包括与光学载体的材料相同的材料。聚焦设备可以替代地包括不同的光学材料,例如包括具有更高的折射率的光学材料,以便增加折射能力。针对光学载体和聚焦设备选择不同的材料可以用于进一步减小激光器与紧凑型光学设备之间的距离,从而减小激光传感器模块的尺寸。
凹面镜面被布置为将测量光束聚焦到聚焦区域。所述激光器、所述聚焦设备、所述凸面镜面和所述凹面镜面被布置为在所述凸面镜面所在的平面中定义所述紧凑型光学设备的出射光束面积。所述激光器、所述聚焦设备和所述凸面镜面可以布置为使得超过95%的所述测量光束被反射到所述凹面镜面。激光器发出的激光的发散角、激光器与聚焦设备之间的距离、聚焦设备与入射窗口之间的距离、入射窗口的尺寸、入射窗口与凸面镜面之间的距离、凸面镜面的曲率以及凹面镜面的曲率被布置为使得超过85%,优选超过90%并且最优选超过95%的测量光束的发射激光被聚焦到聚焦区域。凸面镜面可以覆盖小于10%,优选小于7%并且甚至更优选小于5%的出射光束面积,使得尤其是对测量光束的反向散射光的阻挡被减小。激光器可以包括微型光学设备,其被布置为调整发散角,使得测量光束的横截面基本上是圆形对称的。激光器可以是例如边缘发射型半导体激光器。测量光束的圆形对称性与紧凑型光学设备的结合可以增加聚焦到聚焦区域的激光部分以及测量光束的反射光或反向散射光的强度。因此,激光器为发射圆形对称测量光束的VCSEL可以是有益的。
入射面和凹面镜面大致被布置在入射平面中(忽略凹面镜面的曲率并且任选地忽略入射面的曲率)。此外,如果忽略凸面镜面的曲率,则凸面镜面大致定义一个平面。例如,该平面可以是包括凸面镜面的边缘的平面。该平面可以包括光学载体的一侧。该平面可以包括紧凑型光学设备的出射面,测量光束在该出射面处离开紧凑型光学设备。
所述凸面镜面的曲率和所述凹面镜面的曲率被布置为使得所述凸面镜面与所述凹面镜面之间的距离d在1mm至2mm的范围内(凹面镜面的虚拟点与测量光束的光轴上的凸面镜面的一个点之间的距离)。可以使用对一个或两个曲率的调整来进一步减小激光传感器模块的尺寸。
所述激光传感器模块可以包括光学重新定向设备。所述光学重新定向设备可以被布置为动态地改变所述聚焦区域的位置。所述光学重新定向设备可以是可移动反射镜,尤其是像MEMS反射镜那样的可切换反射镜。
所述激光传感器模块可以包括探测窗口。所述探测窗口可以被布置为使得所述测量光束在通过所述探测窗口之后到达所述聚焦区域。探测窗口可以被布置为保护激光传感器模块,尤其是紧凑型光学设备。探测窗口可以被布置在紧凑型光学设备与聚焦区域之间。如果激光传感器模块包括光学重新定向设备,则这种配置可能是有益的。替代地,所述探测窗口可以至少部分地被布置在所述凸面镜面与所述凹面镜面之间。光学载体可以例如包括探测窗口。凸面镜面可以被嵌入光学载体中,使得出射窗口被布置在由凸面镜面定义的平面与聚焦区域之间。此外,探测窗口可以被附接到紧凑型光学设备的光学载体。探测窗口可以例如包括可以被粘合到光学载体的防刮材料。
根据另外的方面,提供了一种激光传感器。所述激光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。所述评估器还可以适于确定所述聚焦区域中的物体的移动的速度分量、距离或方向中的至少一个。特别地,所述评估器可以适于基于在预定时间段内接收的探测信号来确定颗粒密度。可以通过确定在预定时间段内在探测体积内的颗粒数量来确定颗粒密度。所述颗粒密度可以是由美国环境保护局的对应的颗粒物国家空气质量标准所定义的PM 2.5值。自混合干涉信号的信号强度可以进一步用于确定粒度的估计值。评估器可以例如包括ASIC,其适于评估借助于激光器和紧凑型光学设备生成的自混合干涉信号。
激光传感器还可以包括电驱动器。电驱动器可以适于对激光器进行电驱动,使得激光器发射测量光束。
替代地或额外地,激光传感器可以包括接口,借助于该接口能够与外部控制器交换控制信号或电驱动信号或探测信号。
根据另外的方面,提供了一种移动通信设备。所述移动通信设备包括如上所述的激光传感器。所述激光传感器可以包括专用评估器或电驱动器。替代地或额外地,电驱动器和评估器的至少部分功能可以借助于移动通信设备的相关联的电路来执行。移动通信设备的第一存储器设备和/或第一处理设备可以与激光传感器所包括的第二存储器设备和/或第二处理设备交互,以便交换数据或执行评估器或电驱动器的功能。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。可以从固态存储器或光学存储器的组中具体选择存储器设备。
一个或多个处理设备可以是被布置为执行数据处理(尤其是数字数据处理)的任何物理设备。可以从处理器、微处理器或专用集成电路(ASIC)的组中具体选择处理设备。
移动通信设备包括探测窗口,测量光束被发射通过所述探测窗口。探测窗口可以是移动通信设备的外表面的部分。通过使用可以是紧凑型光学设备的部分或被附接到紧凑型光学设备的探测窗口,可以简化激光传感器的集成。通过集成探测窗口可以减小集成激光传感器所需的尺寸。
所述激光传感器还可以被包括在空气净化器、空调设备或包括一个、两个、三个或更多个额外传感器的传感器盒中。
应当理解,本发明的优选实施例也能够是从属权利要求与相应的独立权利要求的任何组合。
下文定义了其他有利实施例。
参考下文描述的实施例,本发明的这些方面和其他方面将变得明显并且得到阐明。
附图说明
在附图中:
图1示出了常规的激光传感器模块的原理草图;
图2示出了第一激光传感器模块的原理草图;
图3示出了第二激光传感器模块的原理草图;
图4示出了第三激光传感器模块的原理草图;
图5示出了第四激光传感器模块的原理草图;
图6示出了第五激光传感器模块的原理草图;
图7示出了第六激光传感器模块的原理草图;
图8示出了包括探测器的激光器的原理草图;
图9示出了激光传感器的原理草图;
图10示出了移动通信设备的原理草图。
在附图中,相同的附图标记始终指代相同的物体。附图中的物体不一定是按比例绘制的。
附图标记列表:
10 底部电极
12 基板
14 探测层
15 探测电极
16 底部DBR
17 活性层
18 顶部DBR
19 顶部电极
100 激光器
111 测量光束
115 聚焦区域
120 探测器
130 电驱动器
135 接口
140 评估器
150 紧凑型光学设备
152 凸面镜面
154 光学载体
155 聚焦设备
156 凹面镜面
158 探测窗口
159 常规透镜
160 光学重新定向设备
180 激光传感器
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
v 激光器到入射面的距离
NA 光束的耦合数值孔径,
d 透镜的厚度
nw 窗口的折射率
NA焦点 聚焦光束中的NA
Φb 被阻挡区的直径
Φu 出射光束直径
具体实施方式
现在将借助于附图来描述本发明的各种实施例。
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Giuliani,G.、Norgia,M.、Donati,S.和Bosch,T.的“Laser diode self-mixing techniquefor sensing applications”(Journal of Optics A:Pure and Applied Optics,2002,4,S.283-S.294)中进行了描述,通过引用将其并入本文。在国际专利申请第WO 02/37410号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。
基于国际专利申请第WO 02/37410号中提出的范例讨论了自混合干涉的原理。提供具有激光腔的二极管激光器以用于发射激光或测量光束。该设备在其上侧设有透明窗口,物体(例如,人的手指)跨越该透明窗口进行移动。在二极管激光器与窗口之间布置有透镜。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处,则该物体会散射测量光束。测量光束的部分辐射在照射光束的方向上发生散射,并且该部分通过透镜被会聚在激光二极管的发射表面上并重新进入激光器的腔体。重新进入二极管激光器的腔体的辐射引发激光器的增益变化,从而引发由激光器发射的辐射强度变化,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强度的变化能够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,并且电子电路被提供以用于处理该电信号。
在颗粒探测的情况下,自混合干涉信号可以例如以短信号突发或多个信号突发为特征。因此,可以优选使用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和/或速度,例如可以借助于可以通过如上所述的在较大颗粒处的激光反射而生成的自混合干涉信号来确定颗粒的位置和/或速度。可以在一次测量中或随后的测量步骤中确定速度(并且任选地确定距离)。因此,可以在第一时间段中使用DC驱动电流来生成预期粒度和调制的驱动电流的颗粒测量值,以便确定颗粒流动的速度,这是可能的并且甚至是有益的。信号的距离、持续时间和强度可以任选地用于确定粒度。
图1示出了常规的激光传感器模块的原理草图。激光传感器模块包括激光器100和探测器120,用于确定激光器的电触点之间的阻抗变化。由激光器100发射的激光借助于常规的双凸透镜159经由探测窗口158被聚焦到聚焦区域115。
图2示出了第一激光传感器模块的原理草图。激光传感器模块包括激光器100和探测器120,用于确定激光器的电触点之间的阻抗变化,该阻抗变化是由激光器100的激光腔中的驻波图案的变化引起的。激光器100被布置为在紧凑型光学设备150的方向上发射测量光束111。紧凑型光学设备150包括具有折射率n的光学载体154。具有直径Φb的凸面镜面被放置在光学载体154的相对于激光器100的背侧。凹面镜面156被放置在光学载体154的相对的前侧上。凹面镜面156围绕圆形入射面,激光器100发射的测量光束111能够通过该圆形入射面进入光学载体154。激光器与入射面之间的距离用v来指代。进入光学载体的测量光束111借助于凸面镜面152被反射并被发散到凹面镜面156。入射面与凸面镜面152之间的距离用d来指代。凹面镜面156被布置为将从凸面镜面152接收的测量光束111聚焦到聚焦区域115(未示出)。由凹面镜面156反射的测量光束111通过透明光学载体154的背侧,透明光学载体154的背侧定义了紧凑型光学设备150的出射面。测量光束111在通过出射面时具有直径Φu。直径Φb能够用于确定借助于凸面镜面152阻挡的面积,直径Φb能够被表示为:
其中,v是从激光器到入射面的距离,NA是光束的耦合数值孔径,d是光学载体154的厚度,并且n是光学载体154的材料的折射率。激光传感器模块的总尺寸能够借助于具有小的耦合数值孔径(例如,NA=0.2)的紧凑型光学设备150来减小。
测量光束111撞击物体(例如,聚焦区域中的颗粒),并且测量光束111的部分在紧凑型光学设备150的出射面的方向上发生反向散射。反向散射的测量光束111的部分被凸面镜面152的背面阻挡(吸收或反射)。朝向聚焦区域的测量光束本身也被凹面镜152阻挡。因此,紧凑型光学设备150的缺点可能是在光学载体154背侧(出射面)处的凸面镜面152阻挡了反向散射的测量光束111的部分,即使在物体处发生散射之前测量光束111的光基本上没有损失时也是如此。凸面镜面152的直径Φb的平方与出射面处的测量光束111的直径Φu的平方之比决定了重新进入激光器100的激光腔的散射的测量光束的强度。因此可以降低激光传感器模块的灵敏度。
图3示出了第二激光传感器模块的原理草图。普通配置与关于图2讨论的配置几乎相同。不同之处在于探测器120是光电二极管,其被配置为测量激光器100的激光腔内的光学驻波的变化。另外的不同之处在于:光学设备155(在这种情况下为凸透镜)被放置在激光器与紧凑型光学设备150之间,以便会聚由激光器100发射的发散的测量光束111。测量光束111被会聚为使得基本上平行的测量光束111被凸面镜面152反射。与上文在图2中讨论的凸面镜面152相比,凸面镜面152的曲率增大。因此,可以减小被阻挡的面积,从而能够增大激光传感器模块的灵敏度。此外,能够减小激光器与紧凑型光学设备150的入射面之间的距离。光学设备155可包括一个、两个、三个或更多个光学部件,以便实现对凸面镜面152的定义的照明。
图4示出了第三激光传感器模块的原理草图。普通配置非常类似于关于图1和图2所讨论的配置。在这种情况下,探测器120是被集成在激光器100的半导体层结构中的光电二极管。在该实施例中,紧凑型光学设备150包括光学设备155。入射面的曲率增大,使得测量光束111被会聚并且基本上平行的测量光束111在凸面镜面152处被反射。将光学设备155集成在紧凑型光学设备的入射面中可以进一步减小激光传感器模块的尺寸并且额外地减小被凸面镜面152阻挡的面积。
图5示出了第四激光传感器模块的原理草图,其与参考图4描述的激光传感器模块非常相似。该激光传感器模块还包括具有厚度dw和折射率nw的探测窗口158。被聚焦到聚焦区域115的测量光束的数值孔径由NA焦点给出。在这种情况下,阻挡散射的测量光束111的凸面镜面152的直径Φb由下式给出:
其中,用R表示入射面的(近轴)半径。
在具有以下数据的范例中:v=0.6mm,d=1.5mm,n=1.5并且NA=0.19,在没有额外透镜光学能力的情况下Φb的值是0.61mm(参见上文关于图1讨论的等式)。当增加具有(近轴)R=0.35mm的透镜光学能力时,Φb的值将减小到0.28mm。考虑到在出射面处测量光束111的直径为Φu=1.5mm,在该范例中,被阻挡面积与光束面积之比从16.5%减小到3.5%。这几乎是5倍。
图6示出了第五激光传感器模块的原理草图。普通配置非常类似于关于图5讨论的配置。在这种情况下,探测窗口158是紧凑型光学设备150的集成部分。探测窗口158包括光学载体154。探测窗口158的集成实现了非常紧凑的激光传感器模块。透明保护层可以在聚焦区域115的方向上被附接到探测窗口158的背侧,使得光学载体和凸面镜面152更耐刮。
图7示出了包括光学重新定向设备160的第六激光传感器模块的原理草图。激光器100、探测器120和紧凑型光学设备150的配置与参考图4所讨论的基本上相同。在这种情况下,光学重新定向设备160是可移动的MEMS反射镜,其动态地重新定向测量光束111,使得聚焦区域115移动并且探测体积增大。在颗粒探测的情况下,这种配置可能是特别有益的,因为通过增大探测体积增大了颗粒的数量。因此可以减少探测时间。MEMS反射镜被布置在紧凑型光学设备150与探测窗口158之间。对于出射面处的测量光束111的直径Φu,下式成立:
其中,如上所述,NA聚焦是聚焦光束中的NA,b是从透镜到焦点的距离,dw和nw是探测窗口158的厚度和折射率。探测窗口158的厚度dw通常为0.5mm,探测窗口158的折射率nw通常为1.5。针对玻璃厚度的校正因子为0.17mm,这相当小,使得直径Φu能够被近似表示为:
Φu≈2NA焦点·b
针对PM 2.5颗粒探测器的聚焦NA的典型值是:
NA焦点=0.10
对于MEMS反射镜的情况,b的最小值约为7mm。这意味着Φu=1.4mm。对于没有MEMS反射镜的情况,从探测窗口158到聚焦区域115的最小距离约为2mm,因此b的最小值为2.5mm。这得到Φu=0.5mm。透镜的放大率m是焦点NA与耦合NA之比:
对于常规的透镜(参见图1),b与v之比大致与放大率成比例。对于NA焦点=0.10和NA=0.19,放大率为1.9。对于紧凑型光学设备150,b与v之比能够大于10。这意味着通过使用紧凑型光学设备150,对于MEMS反射镜的情况,构造物高度能够被减小到大约3.6mm。对于没有MEMS反射镜的情况,构造物高度约为1.3mm。
图8示出了包括探测器120的激光器100的原理草图。该激光器是具有集成的光电二极管的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。激光器100被布置在半导体基板12上并且包括底部电极10。该激光器还包括探测层14,探测层14包括一个或多个光敏层,所述一个或多个光敏层被布置为确定激光器100的激光腔中的光学驻波的变化。借助于底部电极10和探测电极15来测量光电流。VCSEL的激光腔包括分布在底部的布拉格反射器(DBR)16、活性层17、顶部DBR 18以及顶部电极19。
图9示出了激光传感器180的原理草图,激光传感器180被配置为颗粒传感器。激光传感器180包括激光器100和集成的探测器120(光电二极管)。激光器100发射测量光束111。紧凑型光学设备150被布置在激光器100与测量光束111的聚焦区域(未示出)之间。自混合干涉信号可以在(例如平行于颗粒传感器的探测窗口158(未示出)的)颗粒流所包括的颗粒对测量光束111进行反射或散射之后生成。探测器120探测自混合干涉信号。借助于评估器140来接收和评估探测到的自混合干涉信号。借助于电驱动器130来驱动激光器111。可以借助于公共接口135来传输借助于评估器140生成的电测量结果以及电功率。替代地,可以使用单独的接口来传输电信号和电功率。评估器140包括如上所述的处理设备和存储器设备(未示出)。
图10示出了包括激光传感器180的移动通信设备190的原理草图。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连接并且与激光传感器模块100连接。主处理设备192包括上文描述的评估器140的至少部分功能。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激光传感器180提供的数据,使得能够借助于用户接口191将数据呈现给移动通信设备190的用户。激光传感器180借助于移动通信设备190的电源得到供电。移动通信设备190还可以包括取向探测设备(未示出)。例如,取向探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。取向探测设备可以与评估器140或主处理设备耦合,以便将借助于激光传感器180提供的数据与借助于取向探测设备提供的数据进行组合。取向探测设备与激光传感器180的耦合可以实现更可靠的风速和颗粒密度探测,并且还可以提供关于风向的信息。
本发明的基本构思是提供紧凑型自混合干涉激光传感器模块或激光传感器180。至少包括嵌入光学载体的凸面镜面152和凹面镜面156的紧凑型光学设备150可以用于降低激光传感器模块或激光传感器180的构造高度。可以使用额外的聚焦设备155来减少因光学探测路径中的至少凸面镜面152的布置所引起的对测量光束111的阻挡。激光传感器模块或激光传感器180可以用于例如颗粒探测、速度测量、手势控制或距离测量。激光传感器模块或激光传感器180可以被包括在其他设备(例如,空气净化器、真空吸尘器、空调设备、移动设备(例如,移动通信设备))中。
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说明性或示例性的,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而言将是显而易见的。这样的修改可以涉及本领域中已知的和可以代替或补充本文中已经描述的特征来使用的其他特征。
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其他变型。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。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其范围的限制。

Claims (15)

1.一种激光传感器模块,包括:
-至少一个激光器(100),其适于发射测量光束(111),
-紧凑型光学设备(150),其被布置为将所述测量光束(111)聚焦到聚焦区域(115),其中,所述紧凑型光学设备包括光学载体(154),所述光学载体在一侧具有凸面镜面(152)并且在相对的第二侧具有凹面镜面(156),其中,所述凹面镜面(156)包括入射面,所述测量光束(111)能够通过所述入射面进入所述光学载体(154),其中,所述紧凑型光学设备(150)被布置为使得进入所述光学载体的所述测量光束(111)借助于所述凸面镜面(152)被反射并被发散到所述凹面镜面(156),并且其中,所述凹面镜面(156)被布置为将从所述凸面镜面(152)接收的所述测量光束(111)聚焦到聚焦区域(115),以及
-一个探测器(120),其适于至少确定所述激光器(100)的激光腔内的第一光波的自混合干涉信号。
2.根据权利要求1所述的激光传感器模块,其中,所述紧凑型光学设备(150)的耦合数值孔径NA在0.15<NA<0.30的范围内。
3.根据权利要求1所述的激光传感器模块,其中,所述激光传感器模块还包括聚焦设备(155),所述聚焦设备被布置为将所述测量光束(111)会聚到所述紧凑型光学设备(150)的所述凸面镜面(152)。
4.根据权利要求3所述的激光传感器模块,其中,所述聚焦设备(155)位于所述紧凑型光学设备(150)的所述入射面中,其中,所述聚焦设备(155)被布置为使得平行光束被所述凸面镜面(152)接收。
5.根据权利要求3或4中的任一项所述的激光传感器模块,其中,所述激光器(100)、所述聚焦设备(155)、所述凸面镜面(152)和所述凹面镜面(156)被布置为在所述凸面镜面(152)所在的平面中定义所述紧凑型光学设备(150)的出射光束面积,其中,所述激光器(100)、所述聚焦设备(155)和所述凸面镜面(152)被布置为使得超过95%的所述测量光束(111)被反射到所述凹面镜面(156),并且其中,所述凸面镜面(152)覆盖小于10%的出射光束面积。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的激光传感器模块,其中,所述凸面镜面(152)的曲率和所述凹面镜面(156)的曲率被布置为使得所述凸面镜面(152)与所述凹面镜面(156)之间的距离d为1mm≤d≤2mm。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的激光传感器模块,其中,所述激光传感器模块包括光学重新定向设备(160),其中,所述光学重新定向设备(160)被布置为动态地改变所述聚焦区域(115)的位置。
8.根据权利要求7所述的激光传感器模块,其中,所述光学重新定向设备(160)是可移动反射镜。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的激光传感器模块,其中,所述激光传感器模块包括探测窗口(158),其中,所述探测窗口(158)被布置为使得所述测量光束(111)在通过所述探测窗口(158)之后到达所述聚焦区域(115)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的激光传感器模块,其中,所述探测窗口(158)至少部分地被布置在所述凸面镜面(152)与所述凹面镜面(156)之间。
11.一种激光传感器(180),包括根据前述权利要求中的任一项所述的激光传感器模块,所述激光传感器(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)还适于确定所述聚焦区域(115)中的物体的移动的速度分量、距离或方向中的至少一个。
12.根据权利要求10所述的激光传感器(180),其中,所述评估器(140)还适于基于在预定时间段内接收的探测信号来确定颗粒密度。
13.根据权利要求12所述的激光传感器(180),其中,所述颗粒密度是PM 2.5值。
14.一种移动通信设备(190),包括根据权利要求11-13中的任一项所述的激光传感器,其中,所述移动通信设备(190)包括用户接口(191),并且其中,所述用户接口(191)被布置为呈现借助于所述激光传感器(180)提供的数据。
15.根据权利要求14所述的移动通信设备(190),其中,所述探测窗口(158)是所述移动通信设备(190)的外表面的部分。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110456366A (zh) * 2019-07-19 2019-11-15 华为技术有限公司 位置检测设备和终端

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4835380A (en) * 1987-06-11 1989-05-30 U. S. Philips Corporation Scanning device for an optical recording and/or reproducing apparatus
NL8803048A (nl) * 1988-12-13 1990-07-02 Philips Nv Optische aftastinrichting, spiegelobjektief geschikt voor toepassing daarin en optische inschrijf- en/of uitleesapparaat voorzien van de aftastinrichting.
KR100644566B1 (ko) * 1999-09-29 2006-11-13 삼성전자주식회사 고밀도 광집속을 위한 대물렌즈 및 이를 채용한 광픽업장치
KR100813428B1 (ko) 2000-11-06 2008-03-13 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. 입력 장치의 움직임 측정 방법
JP2005508560A (ja) * 2001-06-21 2005-03-31 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ 光走査デバイス
US9081193B2 (en) * 2006-06-13 2015-07-14 The Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Interferometric systems and methods
ITMI20090400A1 (it) * 2009-03-16 2010-09-17 Datamed Srl Metodo di misurazione della velocita' di un fluido e relativa apparecchiatura.
CN102564909B (zh) 2011-11-29 2014-05-07 中国科学院安徽光学精密机械研究所 激光自混合大气颗粒物多物理参数测量方法和装置
WO2014013412A1 (en) * 2012-07-17 2014-01-23 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) Reflective optical objective

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110456366A (zh) * 2019-07-19 2019-11-15 华为技术有限公司 位置检测设备和终端

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