CN110431399A - 用于使用偏移光束进行颗粒检测的激光传感器模块 - Google Patents

用于使用偏移光束进行颗粒检测的激光传感器模块 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种激光传感器模块(100)，用于检测流体中尺寸小于20μm、优选小于10μm的颗粒(10)的颗粒密度，其中，所述激光传感器模块(100)包括激光器(111)、检测器(121)和镜(160)，其中，激光器(111)被布置成向镜(160)发射激光束(112)，其中，镜(160)被设置成能动态地重定向激光束(112)，其中，重定向的激光束(112)的方向限定了光轴(51)，其中，检测器(121)被布置成能确定激光器(111)的激光腔内的光波的自混合干涉信号，自混合干涉信号通过激光束(112)的、由颗粒(10)中的至少一个反射的激光产生，其中，激光器(111)和镜(160)之间的几何关系被布置成使得自混合干涉信号转移到较高频率，其中，激光传感器模块(100)被布置成使得静止的颗粒(10)的轨迹与重定向的激光束(112)的垂直于光轴(51)的速度矢量(55)之间的角度α至少是至少2°的阈值角度。本发明还涉及包括这种激光传感器模块(100)的颗粒检测器(200)和包括这种激光传感器模块(100)或颗粒检测器(200)的移动通信装置(190)。本发明还涉及测量小颗粒的颗粒密度的方法。最后，本发明涉及相应的计算机程序产品。

Description

用于使用偏移光束进行颗粒检测的激光传感器模块
技术领域
本发明涉及激光传感器模块，包括这种激光传感器模块的颗粒检测器和包括这种激光传感器模块或颗粒检测器的移动通信装置。本发明还涉及测量小颗粒的颗粒密度的方法。最后，本发明涉及相应的计算机程序产品。
背景技术
DE 10 2015 207 289 A1公开了一种具有光发射器装置的颗粒传感器设备，该光发射器装置被配置为发射光辐射，使得具有可能存在于其中的至少一个颗粒的区域至少部分地是可照射的；光检测器装置，具有至少一个检测表面，该检测表面被在至少一个颗粒处散射的至少一部分光辐射撞击，关于撞击至少一个检测表面的光辐射的强度和/或强度分布的至少一个信息信号是可显示的；以及分析处理装置，利用该分析处理装置可以识别和显示关于颗粒的存在、颗粒的数量、颗粒密度和/或颗粒的至少一种性质的信息项，颗粒传感器设备还包括至少一个被设置成使得发射的光辐射可聚焦到区域内的聚焦区域上的透镜元件。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有改进的检测精度或改进的灵敏度的激光传感器模块。
根据第一方面，提供了一种激光传感器模块，用于检测流体中尺寸小于20μm、优选小于10μm的颗粒的颗粒密度，其中，所述激光传感器模块包括激光器、检测器和镜。激光器被布置成向镜发射激光束。镜被布置成动态地重定向激光束。重定向的激光束的方向限定了光轴。检测器被布置成确定激光器的激光腔内的光波的自混合干涉信号，自混合干涉信号通过激光束的、由至少一个颗粒反射的激光产生。激光器和镜之间的几何关系被布置成使得自混合干涉信号被转移到更高频率。激光传感器模块被布置成使得静止的颗粒的轨迹相对于重定向的激光束的垂直于光轴的速度矢量之间的角度α至少是2°的阈值角度。阈值角度可以是3°或甚至4°，以增加测量的颗粒密度的可靠性。激光传感器模块可包括两个、三个、四个或更多个激光器和/或检测器。激光器和检测器可以例如以阵列布置在公共半导体芯片上。
用于重定向激光束的镜的移动导致光轴的方向是时间的函数。因此，即使在颗粒静止的情况下，激光束中的颗粒之间也存在相对移动。激光束的移动增加了激光传感器模块的检测区域，并因此增加了在预定时间段内检测到的颗粒的计数率。实验表明，静止颗粒正交通过激光束所产生的颗粒信号在DC下在频谱中具有最大的信号能量。将这些信号转移到更高的频率可以避免1/f噪声。此外，当正交通过激光束的焦点时，在焦点上静止的相对于激光腔中的光具有90°相移的颗粒是不能被检测到的。因此难以或甚至不可能检测相应的颗粒。后一种情况通常是如果基本上没有空气流量或空气流量低的情况，例如在封闭房间中的测量期间。因此，在这种情况下可能降低计数率。这可能降低颗粒密度检测的检测精度或灵敏度。将激光器和镜之间的几何关系布置成使得所关注的颗粒的轨迹相对于重定向的激光束的垂直于光轴的速度矢量的之间的角度α至少是2°的阈值角度，而将自混合干涉信号转移到更高的频率并增加计数率。
传感器模块可以被布置成检测气体污染，尤其是具有颗粒的空气，所述颗粒特征在于，颗粒尺寸分布包括尺寸在50nm和50μm、100nm和20μm、200nm和10μm之间的尺寸。传感器模块可以特别地布置成确定颗粒密度，如PM10和PM2.5值，如美国环境保护局对于颗粒物质的相应的国家空气质量标准所定义的。
调整上述激光器和镜之间的几何关系的措施可以是布置激光传感器模块(例如，通过布置激光器或镜或通过提供光学装置)，使得激光器发射的激光束相对于镜的旋转轴线移位。在该实施例中，在通过镜重定向之前激光束的光轴可以不与镜的旋转轴线对准。在由镜重定向之前在光轴上的激光在该实施例中不会撞击可移动镜(例如MEMS镜等)的旋转中心。用于检测流体中尺寸小于20μm、优选小于10μm的颗粒的颗粒密度的激光传感器模块在这方面包括：
被布置成向可移动镜发射激光束的激光器，其中激光束相对于可移动镜的旋转中心偏移。
被布置成围绕旋转中心旋转的镜，以将激光束动态地重定向到激光束的聚焦区域。重定向的激光束的方向限定了光轴。激光束被聚焦，使得激光束的聚焦区域或焦点以包括垂直于并且平行于重定向的激光束的光轴的分量的速度移动，使得速度的平行速度分量与垂直速度分量之间的角度α至少为2°的阈值角度。
被布置成用于确定激光器激光腔内的光波的自混合干涉信号的检测器，自混合干涉信号通过由聚焦区域中的颗粒中的至少一个反射的激光束的激光产生。
旋转轴线可以例如相对于镜偏心地布置。在这种情况下，镜的特征在于两个臂相对于旋转轴线具有不同的长度。
替代地，旋转轴线可以布置在镜的中心上。在这种情况下，镜的特征在于两个臂相对于旋转轴线具有相同的长度。激光束相对于镜偏心使得偏转之前的激光束的光轴对于所有偏转角度在旋转轴线上方或下方穿过镜，这取决于镜相对于激光器的相对布置。
激光束可以偏心成使得激光器发射的大部分光通过镜重定向。应避免大部分激光在所有偏转角度下都不会碰到镜。
激光传感器模块可包括至少一个光学单元。所述至少一个光学单元布置成将激光束聚焦到颗粒上。在由光学单元提供的焦点或聚焦区域和镜的移动限定的检测区域中检测颗粒。光学单元可以例如包括透镜或一个或多个可比的光学装置，其可以支撑例如激光器内的热透镜，以增加激光传感器模块的灵敏度。
激光传感器模块可以被布置成使得可以改变阈值角度。改变阈值角度可用于调整灵敏度或精度。激光传感器模块可以例如布置成在一定范围内改变阈值角度并且确定使激光传感器模块的灵敏度或精度最高的阈值角度。例如，可以通过确定检测到最大颗粒密度的阈值角度来执行优化。
例如，激光传感器模块可以布置成使得激光器和旋转轴线之间的相对位置可以改变，以便改变阈值角度。
替代地或附加地，至少一个光学装置可以布置在激光器和镜之间以改变阈值角度。可移动透镜、液晶装置或普克尔盒可以是这种光学装置的示例，其可以使得能够改变阈值角度。
激光传感器模块还可包括电驱动器。电驱动器可以适于电驱动激光器，使得激光器发射激光束。
激光传感器模块可以附加地包括接口，通过该接口可以与外部控制器交换控制信号、电驱动信号或检测信号。
根据另一方面，提供了一种颗粒检测器。颗粒检测器包括根据上述任何实施例的激光传感器模块。颗粒检测器包括分析处理器。分析处理器被布置成从检测器提供的测量信号中提取转移的自混合干涉信号。分析处理器可以是控制器的集成部分或可以是布置成与控制器交互的独立电气装置。
分析处理器还可以被布置为过滤测量信号的低于阈值频率的频率分量。阈值频率小于自混合干涉信号的频移。
颗粒检测器可包括上述电驱动器。
空气净化器、排气罩、汽车、传感器盒或可移动通信装置等可穿戴设备可包括根据上述任何实施例的激光传感器模块或颗粒检测器。
根据另一方面，提供了一种测量流体中尺寸小于20μm、优选小于10μm的颗粒的颗粒密度的方法。该方法包括以下步骤：
向镜发射激光束，
借助于镜动态地重定向激光束，其中重定向的激光束的方向限定了光轴，
确定激光器激光腔内的光波的自混合干涉信号，自混合干涉信号通过由颗粒中的至少一个反射的激光束的激光产生，其中，激光器和镜之间的几何关系被布置成使得自混合干涉信号被转移到更高频率，其中，静止的颗粒的轨迹相对于重定向的激光束的垂直于光轴的速度矢量之间的角度α至少是2°的阈值角度。
基于自混合干涉信号向较高频率的转移来分析自混合干涉信号。
基于自混合干涉信号向高频的转移来分析自混合干涉信号可以包括过滤测量信号的低于阈值频率的频率分量。阈值频率小于借助于至少2°的阈值角度产生的自混合干涉信号的频移。如上所述，激光束可以聚焦到检测区域。
根据另一方面，提出了一种计算机程序载体。该计算机程序载体包括代码单元，该代码单元可以保存在上述激光传感器模块的至少一个存储器装置上，或者保存在包括上述激光传感器模块的装置的至少一个存储器装置上。代码单元被布置成使得上述方法可以借助于上述激光传感器模块的至少一个处理装置或者借助于包括上述激光传感器模块的装置的至少一个处理装置来执行。
存储器装置或处理装置可以由颗粒检测器(例如电驱动器、分析处理器等)或包括颗粒检测器的装置包括。包括颗粒检测器的装置的第一存储器装置和/或第一处理装置可以与由颗粒检测器或激光传感器模块包括的第二存储器装置和/或第二处理装置交互。
存储器装置可以是被布置为存储信息、尤其是数字信息的任何物理装置。可以从固态存储器或光学存储器的组中特别选择存储器装置。
处理装置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装置。特别可以从处理器、微处理器或专用集成电路(ASIC)的组中选择处理装置。
应当理解，根据本申请的激光传感器模块、根据本申请的颗粒检测器以及本申请的方法具有类似和/或相同的实施例。
应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应独立权利要求的任意组合。下面定义了其它有利实施例。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见并得以阐明。
附图说明
在附图中：
图1示出了通过激光束的颗粒轨迹的示意图；
图2示出了在0°的阈值角度下的自混合干涉信号的强度；
图3示出了相对于镜旋转轴线偏离轴的激光束的示意图；
图4示出了颗粒轨迹α的角度对镜的偏转角度θ的依赖性；
图5示出了在3°的阈值角度下的自混合干涉信号的强度；
图6示出了激光传感器模块的第一实施例；
图7示出了激光传感器模块的第二实施例；
图8示出了激光传感器模块的第三实施例；
图9示出了颗粒检测器的实施例；
图10示出了包括激光传感器模块的移动装置；
图11示出了颗粒密度检测方法的第一实施例；
图12示出了颗粒密度检测方法的第二实施例。
在附图中，相同的附图标记始终表示相同的对象。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到物体的距离。关于自混合干涉的背景信息在“Laser diode self-mixing technique for sensing applications”，Giuliani，G；Norgia，M；Donati，S和Bosch，T中描述，用于传感应用的激光二极管自混合技术，Journalof Optics A：Pure and Applied Optics，2002,4，S.283-S.294，其通过引用并入本文中。在国际专利申请No.WO02/37410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，该专利申请通过引用结合于此。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，该装置设有透明窗口，物体(例如人的手指)在该透明窗口上移动。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或附近。如果物体存在于该位置，则会散射测量光束。测量光束的一部分辐射在照射光束的方向上散射，并且该部分通过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。重新进入二极管激光器腔的辐射引起激光器增益的变化，从而引起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。
由激光器发射的辐射的强度的变化或激光器腔中的光波的强度的变化可以通过被布置成确定激光腔上的阻抗变化的光电二极管或检测器来检测。二极管或阻抗检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。
在颗粒检测的情况下，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。在这些信号中观察到的多普勒频率是沿光轴的颗粒速度的量度。因此，优选使用DC驱动电流以简化信号检测和信号分析。可以使用调制的驱动电流以便确定颗粒的位置或速度，例如，借助于自混合干涉信号，自混合干涉信号可以通过在较大颗粒或干扰物体处反射激光而产生。距离(和可选的速度)可以在一次测量中或在随后的测量步骤中确定。因此，在第一时间段中使用DC驱动电流是可能的或者甚至是有益的，以便在第二时间段内生成与预期的颗粒数、速度和调制的驱动电流相关的测量信号，以便确定光束中的虚假物体。测量信号的持续时间和强度可以可选地用于确定颗粒大小。
图1示出了通过沿光轴51发射的激光束的颗粒轨迹11的示意图。激光束优选地围绕光轴51是圆对称的，并且其特征在于在激光束的焦点或聚焦区域具有半径为W0的光束腰53。激光束的半径w(z)根据沿光轴51到焦点的距离z而增加。光轴51根据激光传感器模块(未示出)的镜的偏转角度动态移动。颗粒10沿着颗粒轨迹11穿过激光束，这是通过颗粒10在相应流体(通常是空气或其它气体)内的移动和由重定向激光束的镜的移动引起的激光束的移动的组合引起的。颗粒轨迹11与垂直于重定向激光束的激光束光轴51的速度矢量55(类轨道速度)围出角度α。从图1中显而易见的是，相对于激光传感器模块不移动的颗粒的轨迹与动态重定向的激光束的速度矢量55围成0°的角度α。这种颗粒相对于激光传感器模块(不是相对于移动的激光束)可以是慢的或静止的颗粒，其通常存在于封闭房间中的室内测量中。特别是围绕光轴的激光束的形状可以取决于激光器(例如VCSEL或侧发射器)和用于变换激光器发射的激光束的光学单元或装置(例如楔形光学器件)。该形状可以是例如椭圆形而不是圆形。
图2示出了在0°的阈值角度下作为以微秒为单位的时间22的函数的自混合干涉信号的强度21。发射到激光传感器模块(未示出)的镜的激光束的光轴在这种情况下与镜的旋转轴线对准。线24示出了在0.21μm离焦时(如上文图1中讨论的，颗粒通过激光束时相对于光束腰53的距离z)的测量强度。线25、26、27和28分别示出了在0.16μm离焦、0.11μm离焦、0.05μm离焦和0μm离焦时的测量强度。在最坏情况下，在0.11μm离焦时的测量强度26，根本不能检测到颗粒。通过激光束的所有满足这些条件的颗粒都不会被检测到，从而导致测量的颗粒密度的系统误差。除了降低计数率之外，如果已知所有颗粒相对于激光传感器模块是静态的，则这不是问题。在这种情况下，可以估计这种系统误差并且可以相应地校正测量结果。问题在于，不知道这个条件何时满足。即使在封闭的房间内的情况也可能动态地改变，例如，如果人们在房间内移动或者在例如房间内的对流的情况下。
图3示出了相对于镜160的旋转轴线162偏离轴的激光束的示意图。图3示出了由激光器(未示出)发射的激光束112的光轴，其与穿过旋转轴线162的平行于激光束112的光轴具有光束偏移164。箭头表示激光发射的方向。激光束112在旋转轴线162上方撞击镜160。镜与平行于激光束112的光轴的、穿过旋转轴线的轴线围出偏转角度θ。入射激光束112是借助于镜160镜面反射的(激光束112的入射角度φin与反射角度φout相对于镜面的法线161相同)。重定向的激光束沿着(动态变化的)光轴51发射。光束偏移导致颗粒10的颗粒轨迹11之间的限定的最小角度为至少2°。阈值角度可以通过颗粒轨迹11的信号波形在数学上描述，由下式给出：
k是光波矢量k＝2π/λ，v是颗粒与激光束的焦点之间的速度，t是时间，w(z)是位置z处的高斯腰参数，R(z)是高斯光束的波前曲率，ζ(z)是位置z处的Gouy相移，φback是颗粒往来激光横向平面之间的总光学距离。作为时间函数的x坐标和z坐标的位置是，x[t]＝vtcos(α)，z[t]＝vt sin(α)。
当颗粒轨迹11具有不同于0°的角度α时，线性时间相关的相位因子不为零，因此产生颗粒信号的调制并因此使颗粒信号偏离DC。当在极坐标中表示焦点时，取光束照射到镜160的镜位置作为如图3中所示的原点(0,0)，可以找到推导的下面的公式
其中o是偏移164，θ是上述镜的角度，l是从镜表面到焦点(图1中光束腰53的位置)的距离，是颗粒轨迹的角度(更精确为tan(α))。该推导给出了关于图1描述的颗粒10的颗粒轨迹11与速度矢量55之间的角度α。如上所述，在轨迹与激光束正交的情况下，角度α是零。
图4示出了角度α(附图标记31)如何借助于线35随镜的偏转角度θ(附图标记32)而变化，线35是针对从镜面到焦点的距离l＝5mm并且光束与镜160的旋转轴线162的光束偏移164为0.1mm而计算的。对于介于15°和75°之间的所有相关的镜角度θ(附图标记32)，角度α(附图标记31)都不同于0°。因此，偏移164可用于提供针对角度α的阈值角度。
图5示出了在3°的阈值角度下的自混合干涉信号的强度。如上面关于图2所讨论的，线24、25、26、27和28分别示出了在0.21μm离焦、0.16μm离焦、0.11μm离焦、0.05μm离焦和0μm离焦时的测量强度。与参照图2讨论的情况相比，信号被转移到更高的频率并且可以针对所有测量条件检测到信号。
总之，当颗粒轨迹11与光轴51正交时，观察到的颗粒信号具有围绕DC的频谱，并且不能检测到90度异相距离处的颗粒。当在颗粒轨迹11和光轴51之间引入小角度(取角度α＝2°作为阈值)时，解决了这些问题。这可以通过使激光束相对于镜160的旋转轴线162移位来实现，如图3所示和特别参照图3所讨论的。
图6示出了激光传感器模块100的第一实施例。激光传感器模块100包括具有检测器121的激光器111，在该实施例中，检测器121是集成光电二极管。激光传感器模块100还包括具有旋转轴线162的镜160，旋转轴线162相对于镜160的偏心布置。镜160围绕旋转轴线162的移动可以通过经由接口135提供的控制信号来控制。激光器111发射激光束112，使得激光束112相对于旋转轴线162在镜160的长边上撞击镜160。激光束112根据镜的偏转角度通过镜160重定向。重定向的激光束撞击颗粒10，并且一部分激光被镜160反射回激光器111的激光腔。激光腔内的自混合干涉引起激光腔内的光波的变化。对应于激光腔中的自混合干涉的测量信号通过集成光电二极管被检测，并且可以借助于接口135与外部装置交换。接口135可以可选地用于向激光传感器模块100供电。替代地，可以提供用于供电的单独接口。此外，可以存在两个接口而不是单个接口135，以便交换用于镜160的控制信号并且传输与检测到的自混合干涉信号有关的测量信号。
图7示出了激光传感器模块100的第二实施例。镜160在这种情况下相对于旋转轴线162对称。第一光学单元171(例如透镜等)接收由激光器111发射的激光，并且在镜160的镜表面上提供准直激光束112。准直激光束112的中心相对于镜160的旋转轴线162转移，以便提供如上所述的光束偏移。准直激光束112通过镜160和第二光学单元172(例如透镜等)被动态反射，以提供如关于图1所讨论的具有束腰的聚焦激光束。被颗粒反射的激光通过反向发射路径进入激光器11的激光腔，并且借助于检测器121检测自混合干涉信号。
图8示出了激光传感器模块100的第三实施例。第一光学单元171(例如透镜等)接收由激光器111发射的激光，并在镜160的镜面上提供聚焦激光束112。镜的旋转轴线162偏心布置(两个镜臂具有不同长度)，与参照图7讨论的镜160不同。聚焦激光束112的光轴相对于镜160的旋转轴线162转移。如图1所讨论的，聚焦激光束112通过镜160被动态地反射到焦点。被颗粒反射的激光通过反向发射路径进入激光器11的激光腔，并且借助于检测器121检测自混合干涉信号。
关于图6、图7和图8讨论的实施例中的第一光学装置171、镜160和/或激光器111可以相对于彼此移动，以便能够动态地调整阈值角度。替代地或附加地，激光器11、第一光学装置171和/或镜160可以被布置成动态地改变激光器和焦点之间的距离，从而由于部件移动而产生阈值角度。作为另一种替代方案，可以在激光器111和光学装置171之间使用诸如普克尔盒或液晶的光学调制器，以产生随时间变化的相位差，从而有效地将信号转移到更高的频率。
图9示出了颗粒检测器200的一个实施例。颗粒检测器200包括激光传感器模块100，其类似于关于图6讨论的激光传感器模块100。颗粒检测器200包括用于驱动激光器111的电驱动器130和被布置成向可移动镜160提供控制信号的控制器150。如上所述，控制器150还被布置成接收基于激光器111的激光腔中的自混合干涉信号检测到的测量信号，自混合干涉信号由所检测的颗粒引起。控制器150还包括分析处理器，该分析处理器被布置成从由检测器121提供的测量信号中提取被转移到较高频率的自混合干涉信号。分析处理器可以例如包括高通滤波器，其被布置为过滤低于由阈值角度确定的阈值频率的频率分量。
图10示出了移动通信装置190的主要示意图，该移动通信装置190包括关于图9讨论的颗粒检测器200的至少一部分。颗粒检测器200适于发射激光束112。移动通信装置190包括用户接口191、处理装置192和主存储器装置193。主处理装置192与主存储器装置193和颗粒检测器200连接。主处理装置192包括如上所述的控制器150的至少一部分功能。主处理装置192将与颗粒检测有关的数据存储在主存储器装置193中。在一个替代实施例中，主处理装置192和主存储器装置193也可以仅用于准备或调整借助于颗粒检测器200提供的数据，在这种情况下，颗粒检测器200可以与关于图9讨论的颗粒检测器200相同，使得数据可以通过用户界面191呈现给移动通信装置190的用户。颗粒检测器200可以通过移动通信装置190的电源供电。移动通信装置190可以替代地包括上述激光传感器模块100。在这种情况下，所有数据处理和控制可以通过主处理装置192和主存储器装置193来执行。相同的原理可以用在包括颗粒检测器200或激光传感器模块100的其它装置中。
图11示出了颗粒密度检测方法的第一实施例。在步骤310中，借助于在通过检测器121提供的测量信号125的快速傅里叶变换之后跳过低频区来过滤借助于检测器121检测的测量信号125，其中考虑到由布置颗粒传感器模块100以提供高于至少2°的阈值角度的角度α而引起的频移。在步骤315中确定信号阈值，该信号阈值高于通过分析变换的测量信号确定的噪声测量值。在步骤320中，通过检测频域中的最高功率/强度(峰值检测)来进一步处理变换后的信号。在步骤330中将峰值与在步骤315中确定的阈值进行比较。在步骤340中计算高于阈值的所有峰值，并且基于在预定时间段内确定的颗粒数量来确定颗粒密度。
图12示出了颗粒密度检测方法的第二实施例。在步骤410中，由于借助于阈值角度向高频的转移而借助于(可选的)高通滤波器410对借助于检测器121检测的测量信号125进行滤波。在步骤420中，通过线性滤波器(双二阶滤波器/匹配滤波器)进一步处理滤波后的信号。在步骤425中确定线性滤波的测量信号的噪声和信号阈值。在步骤430中将线性滤波的信号与在步骤425中确定的信号阈值进行比较。在步骤440中，基于高于阈值的测量信号对颗粒数进行计数。并且基于在预定时间段内确定的颗粒数确定颗粒密度。
虽然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，其它修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。这些修改可以涉及本领域中已知的并且可以代替或补充本文已经描述的特征的其它特征。
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对所公开实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个元件或步骤。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。
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 颗粒
11 颗粒轨迹
21 强度
22 时间
24 在0.21μm离焦时测量的强度
25 在0.16μm离焦时测量的强度
26 在0.11μm离焦时测量的强度
27 在0.05μm离焦时测量的强度
28 在0μm离焦时测量的强度
31 颗粒轨迹的角度α
32 镜的偏转角度θ
35 角度α对偏转角度θ的依赖性
51 光轴
53 光束腰
55 速度矢量
100 激光传感器模块
111 激光器
112 激光束
121 检测器
125 测量信号
130 电驱动器
135 接口
150 控制器
160 镜
161 镜面的法向
162 旋转轴线
164 光束偏移
171 第一光学单元
172 第二光学单元
190 移动通信装置
191 用户界面
192 主处理装置
193 主存储器装置
200 颗粒检测器
310 快速傅里叶变换
315、425 阈值确定
320 峰值检测
330、430 阈值比较
340、440 颗粒计数
410 高通滤波
420 线性滤波
w0 激光束焦点处的激光束半径
w(z) 沿光轴相对于焦点在距离z处的激光束半径
φin 入射角度
φout 反射角度

Claims (15)

1.一种激光传感器模块(100)，用于检测流体中尺寸小于20μm、优选小于10μm的颗粒(10)的颗粒密度，其中，所述激光传感器模块(100)包括激光器(111)、检测器(121)和镜(160)，其中，激光束(112)聚焦到聚焦区域，其中，激光器(111)被布置成向镜(160)发射激光束(112)，其中，镜(160)的移动被设置成能动态地重定向激光束(112)，其中，重定向的激光束(112)的方向限定了根据镜的移动而移动的光轴(51)，其中，重定向的激光束(112)的移动的特征在于垂直于光轴(51)的速度矢量(55)，其中，重定向的激光束(112)的移动限定了相对于重定向的激光束(112)的移动静止的颗粒(10)的轨迹，其中，检测器(121)被布置成能确定激光器(111)的激光腔内的光波的自混合干涉信号，自混合干涉信号通过激光束(112)的、由颗粒(10)中的至少一个反射的激光产生，其中，激光器(111)和镜(160)之间的几何关系被布置成使得静止的颗粒(10)的轨迹与重定向的激光束(112)的垂直于光轴(51)的速度矢量(55)之间的角度α至少是阈值角度，其中，阈值角度至少为2°。
2.根据权利要求1所述的激光传感器模块(100)，其中，所述激光传感器模块(100)被布置成使得由所述激光器(111)发射的激光束(112)相对于镜(160)的旋转轴线(162)移位。
3.根据权利要求2所述的激光传感器模块(100)，其中，所述旋转轴线(162)相对于所述镜(160)偏心地布置。
4.根据权利要求2所述的激光传感器模块(100)，其中，所述旋转轴线(162)被布置成穿过所述镜(160)的中心。
5.根据权利要求2至3中任一项所述的激光传感器，其中，所述激光器(111)被布置成能将所述激光束(112)发射成相对于所述旋转轴线(162)偏移，使得静止的颗粒(10)的轨迹与重定向的激光束(112)的速度矢量(55)之间的角度α是至少2°的阈值角度。
6.根据前述权利要求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包括至少一个光学单元(171、172)，其中，所述至少一个光学单元(171、172)被布置成能够将激光束(112)聚焦到颗粒(10)。
7.根据权利要求2至6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)被布置成使得能够改变所述阈值角度。
8.根据权利要求7所述的激光传感器模块(100)，其中，能够改变激光器(111)和旋转轴线(162)之间的相对位置。
9.根据权利要求7或8所述的激光传感器模块(100)，其中，布置在所述激光器(111)和所述镜(160)之间的至少一个光学装置被布置成能够改变所述阈值角度。
10.一种颗粒检测器(200)，其包括根据前述权利要求中任一项所述的激光传感器模块(100)，其中，所述颗粒检测器(200)包括分析处理器，其中，所述分析处理器被布置成能从由检测器(121)提供的测量信号(125)中提取被转移的自混合干涉信号。
11.根据权利要求10所述的颗粒检测器(200)，其中，所述分析处理器被布置为能过滤所述测量信号(125)的低于阈值频率的频率分量，其中，所述阈值频率小于所述自混合干涉信号的频移。
12.一种移动通信装置(300)，其包括根据权利要求1至8中任一项所述的激光传感器模块(100)或根据权利要求10至11中任一项所述的颗粒检测器(200)。
13.一种测量流体中尺寸小于20μm、优选小于10μm的颗粒的颗粒密度的方法，该方法包括以下步骤：
将激光束(112)发射到镜(160)，其中，激光束(112)聚焦到聚焦区域，
借助于镜的移动动态地重定向激光束(112)，其中，重定向的激光束(112)的方向限定了根据镜的移动而移动的光轴(51)，其中，重定向的激光束(112)的移动的特征在于垂直于光轴(51)的速度矢量(55)，其中，重定向的激光束(112)的移动限定了静止的颗粒(10)相对于重定向的激光束(112)的移动的轨迹，
确定激光器的激光腔内的光波的自混合干涉信号，自混合干涉信号通过激光束(112)的、由颗粒(10)中的至少一个反射的激光产生，其中，激光器(111)和镜(160)之间的几何关系被布置成使得静止的颗粒(10)的轨迹与重定向的激光束(112)的垂直于光轴(51)的速度矢量(55)之间的角度α至少是阈值角度，其中，阈值角度至少为2°，
基于自混合干涉信号向较高频率的转移来分析自混合干涉信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，分析自混合干涉信号的步骤包括以下步骤：
过滤测量信号(125)的低于阈值频率的频率分量，其中，阈值频率小于自混合干涉信号的频移。
15.一种计算机程序产品，其包括代码单元，该代码单元能够被保存在由根据权利要求1-9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器装置上，或者被保存在包括所述激光传感器模块(100)的装置的至少一个存储器装置上，其中，代码单元被布置成使得能够借助于由激光传感器模块(100)所包括的至少一个处理装置或借助于包括激光传感器模块(100)的装置的至少一个处理装置来执行根据权利要求13或14所述的方法。
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