CN111856073A - 基于分束自混合干涉测量传感器的颗粒物传感器 - Google Patents

基于分束自混合干涉测量传感器的颗粒物传感器 Download PDF

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Abstract

本公开涉及基于分束自混合干涉测量传感器的颗粒物传感器。本发明描述了各种传感器，包括颗粒物传感器。一种颗粒物传感器包括自混合干涉测量传感器和一组一个或多个光学元件。所述一组一个或多个光学元件被定位成接收所述自混合干涉测量传感器的光学发射，将所述光学发射分成多个光束，并且将所述多个光束中的每个光束引导到不同的方向。所述自混合干涉测量传感器被配置为生成关于颗粒穿过所述多个光束的相应测量区域的颗粒速度信息。

Description

基于分束自混合干涉测量传感器的颗粒物传感器
技术领域
所述实施方案整体涉及颗粒物传感器。更具体地讲，所述实施方案涉及基于分束自混合干涉测量传感器的颗粒物传感器。
背景技术
自混合干涉测量法是一种可用于颗粒物检测和空气质量监测的光学感测技术。在自混合干涉测量法中，由基于受激发射的电磁辐射源(例如，激光器)发射的相干或部分相干电磁辐射可通过从颗粒物(例如，小固体或液体颗粒，诸如包含在污染(烟雾)、灰分、粉尘、花粉、水蒸气等中的颗粒)反射/反向散射而重新耦接到电磁辐射源的光学谐振腔中。这种重新耦接引起光学谐振腔的电场和载波分布中的可测量的相敏变化(例如，多普勒频移)。
发明内容
本公开所述的系统、装置、方法和设备的实施方案涉及颗粒物传感器，更具体地讲，涉及基于分束自混合干涉测量传感器的颗粒物传感器。本文将自混合干涉测量传感器定义为一种传感器，该种传感器被配置为在光学谐振腔内生成电磁辐射，从该光学谐振腔发射该电磁辐射，将该电磁辐射反射或反向散射回该光学谐振腔中，在该光学谐振腔内自混合生成的和反射/反向散射的电磁辐射，并且生成指示自混合的输出。生成的、发射的以及接收到的电磁辐射可以是相干的或部分相干的。在一些示例中，由自混合干涉测量传感器发射的电磁辐射可由电磁辐射源诸如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)、量子点激光器(QDL)、量子级联激光器(QCL)、或发光二级管(LED)(例如，有机LED(OLED)、谐振腔LED(RC-LED)、微LED(mLED)、超发光LED(SLED)、或边缘发射LED)等生成。生成的、发射的以及接收到的电磁辐射可包括例如可见光或不可见光(例如，绿光、红外(IR)光，紫外(UV)光等)。自混合干涉测量传感器的输出可包括由光电探测器(例如，光电二极管)产生的光电流，该光电探测器与传感器的电磁辐射源集成或者定位在传感器的电磁辐射源下方、上方或旁边。另选地或除此之外，自混合干涉测量传感器的输出可包括该自混合干涉测量传感器的偏置电流或接点电压的测量。
如本文所述，单个自混合干涉测量传感器可用于确定以下中的一者或多者：一组测量区域内的颗粒物的存在、穿过测量区域的颗粒的速度、穿过测量区域的气流、测量区域内的颗粒物浓度、测量区域内的空气质量等。
在第一方面，本公开描述了一种颗粒物传感器。颗粒物传感器可包括自混合干涉测量传感器和一组一个或多个光学元件。该一组一个或多个光学元件可被定位成接收自混合干涉测量传感器的光学发射，将该光学发射分成多个光束，并且将该多个光束中的每个光束引导到不同的方向。自混合干涉测量传感器被配置为生成关于穿过该多个光束的相应测量区域的颗粒的颗粒速度信息。
在另一方面，本公开描述了一种包括电磁辐射源和分光器的传感器。电磁辐射源可具有光学谐振腔。分光器可被配置为将电磁辐射源的光学发射分成一组多个光束，并且接收该多个光束的反射或反向散射，并且将接收到的反射或反向散射引导到光学谐振腔中。
在本公开的又一方面，描述了一种感测颗粒物的方法。该方法可包括将从自混合干涉测量传感器接收到的光学发射分成多个光束；将该多个光束中的每个光束引导到不同的方向；并且从自混合干涉测量传感器输出关于穿过该多个光束的相应测量区域的颗粒的颗粒速度信息。
除了所述示例性方面和实施方案之外，参考附图并通过研究以下描述，更多方面和实施方案将为显而易见的。
附图说明
通过以下结合附图的具体实施方式，将容易理解本公开，其中类似的附图标号指代类似的结构元件，并且其中：
图1A和图1B示出了可包括颗粒物传感器的设备的第一示例；
图2A和图2B示出了可包括颗粒物传感器的设备的第二示例；
图3示出了颗粒物传感器的示例性框图；
图4示出了颗粒物传感器的示例性正面图；
图5示出了颗粒物传感器的平面图；
图6A至8B示出了图4和图5所示的光束的相应平面图(“A”视图)和正面图(“B”视图)；
图9示出了估计颗粒物浓度的示例性方法，该方法可由与自混合干涉测量传感器相关联的电路执行；
图10示出了感测颗粒物的示例性方法；以及
图11示出了电子设备的示例性电气框图。
附图中的交叉影线或阴影的用途通常被提供以阐明相邻元件之间的边界并还有利于附图的易读性。因此，存在或不存在无交叉影线或阴影均不表示或指示对特定材料、材料属性、元件比例、元件尺寸、类似图示元件的共同性或在附图中所示的任何元件的任何其他特性、性质、或属性的任何偏好或要求。
此外，应当理解，各个特征部和元件(以及其集合和分组)的比例和尺寸(相对的或绝对的)以及其间呈现的界限、间距和位置关系在附图中被提供，以仅用于促进对本文所述的各个实施方案的理解，并因此可不必要地被呈现或示出以进行缩放并且并非旨在指示对所示的实施方案的任何偏好或要求，以排除结合其所述的实施方案。
具体实施方式
相关申请的交叉引用
本专利申请是非临时性的，并且根据35 USC 119(e)，要求于2019年4月5日提交的美国临时专利申请No.62/830,085的权益，上述专利申请的内容以引用方式并入本文，如同在本文中完全公开。
现在将具体地参考在附图中示出的代表性实施方案。应当理解，以下描述不旨在将实施方案限制于一个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可被包括在由所附权利要求书限定的所述实施方案的实质和范围内的另选形式、修改形式和等同形式。
以下描述涉及颗粒物感测。当使用自混合干涉测量法来估计颗粒物浓度时，精确的颗粒物浓度估计取决于颗粒速度的精确三维(3D)重构(例如，颗粒速度矢量的重构)。然而，自混合干涉测量法的固有限制在于，当颗粒穿过靠近光束焦距的电磁辐射的光束时，仅可测量在光束方向上的颗粒的绝对颗粒速度，而垂直于光束的颗粒的速度丧失。因此，使用自混合干涉测量法估计颗粒物浓度的常规方法是使用在三个不同方向上取向的三个自混合干涉测量传感器。然而，使用多个自混合干涉测量传感器可提高颗粒物传感器的成本、复杂性和功率消耗以及增大颗粒物传感器的尺寸。
如本文所述，单个自混合干涉测量传感器可用于确定以下中的一者或多者：一组测量区域内的颗粒物的存在、穿过测量区域的颗粒的速度、穿过测量区域的气流、测量区域内的颗粒物浓度、测量区域内的空气质量等。单个自混合干涉测量传感器可用于通过将自混合干涉测量传感器的光学发射分成具有不同方向的多个光束来感测颗粒物。可使用一组一个或多个光学元件将光学发射分成多个光束，该一个或多个光学元件可包括一个或多个衍射光学元件(或全息元件、或周期性亚波长元件、或非周期性亚波长元件)和一个或多个光束成形光学元件(例如，一个或多个聚焦、倾斜和/或准直光学元件)。可使用从由自混合干涉测量传感器生成的自混合干涉信号(有时也称为自混合干涉测量信号)获得的颗粒速度信息并结合光束几何结构的信息来估计颗粒速度、颗粒物浓度和其他参数。在一些情况下，检测到的颗粒物可包括为大约PM10(直径小于10微米(μm)的颗粒物)或PM2.5(直径小于2.5μm的颗粒物)的颗粒物。
下文参考图1A至图11来讨论这些实施方案和其他实施方案以及优点。然而，本领域的技术人员将容易地理解，本文相对于这些附图所给出的详细描述仅出于说明性目的，而不应被理解为是限制性的。
方向性术语，诸如“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“前部”、“后部”、“上方”、“下方”、“以上”、“以下”、“左侧”、“右侧”等参考下面描述的一些图中的一些部件的取向来使用。因为各种实施方案中的部件可以多个不同的取向定位，所以方向性术语仅用于说明的目的并且不以任何方式进行限制。方向性术语旨在被广义地解释，因此不应被解释为排除以不同方式取向的部件。使用替代性术语，诸如“或”，旨在表示替代元素的不同组合。例如，A或B旨在包括A或B，或者A和B。
图1A和图1B示出了可包括颗粒物传感器的设备100的第一示例。设备的尺寸和形状因数(包括其长边的长度与其短边的长度的比率)表明设备100是移动电话(例如，智能电话)。然而，设备的尺寸和形状因数是任意选择的，并且设备100可另选地是任何便携式电子设备，包括例如移动电话、平板电脑、便携式计算机、便携式音乐播放器、健康监视器设备、便携式终端、车辆导航系统、机器人导航系统或其他便携式或移动设备。设备100还可以是半永久地位于(或安装在)单个位置的设备。图1A示出了设备100的前等轴视图，并且图1B示出了设备100的后等轴视图。设备100可以包括至少部分地围绕显示器104的外壳102。外壳102可以包括或支撑前盖106或后盖108。前盖106可以定位在显示器104上方，并且可以提供窗口，通过该窗口可以观看显示器104。在一些实施方案中，显示器104可附接到(或邻接)外壳102和/或前盖106。在设备100的另选的实施方案中，可不包括显示器104并且/或者外壳102可具有另选的构型。
显示器104可以包括一个或多个发光元件，该一个或多个发光元件包括例如LED、OLED、液晶显示器(LCD)、电致发光(EL)显示器或其他类型的显示元件。在一些实施方案中，显示器104可包括一个或多个触摸传感器和/或力传感器，或与之相关联，该触摸传感器和/或力传感器被配置为检测施加到前盖106的表面的触摸和/或力。
外壳102的各种部件可以由相同或不同的材料形成。例如，侧壁118可以使用一种或多种金属(例如，不锈钢)、聚合物(例如，塑料)、陶瓷或复合材料(例如，碳纤维)形成。在一些情况下，侧壁118可以是包括一组天线的多段侧壁。天线可以形成侧壁118的结构部件。天线可以通过侧壁118的一个或多个非导电段在结构上联接(彼此或与其他部件)并且电隔离(彼此或与其他部件)。可以例如使用玻璃、晶体(例如，蓝宝石)或透明聚合物(例如，塑料)中的一种或多种来形成前盖106，所述玻璃、晶体或透明聚合物使用户能够通过前盖106观看显示器104。在一些情况下，前盖106的一部分(例如，前盖106的周边部分)可涂覆有不透明油墨，以遮盖外壳102内所包括的部件。后盖108可以使用与用于形成侧壁118或前盖106的材料相同的材料形成。在一些情况下，后盖108可以是也形成侧壁118的整体式元件的一部分(或者在侧壁118是多段侧壁的情况下，侧壁118的那些部分是非导电的)。在其他实施方案中，外壳102的所有外部部件可以由透明材料形成，并且设备100内的部件可以被外壳102内的不透明油墨或不透明结构遮盖或不遮盖。
前盖106可被安装到侧壁118以覆盖由侧壁118限定的开口(即，进入内部体积的开口，其中可以定位设备100的各种电子部件(包括显示器104))。可以使用紧固件、粘合剂、密封件、垫圈或其他部件将前盖106安装至侧壁118。
包括显示器104的显示器叠层或设备叠层(以下称为“叠层”)可以附接(或邻接)到前盖106的内表面并且延伸到设备100的内部体积中。在一些情况下，叠层可以包括触摸传感器(例如，电容、电阻、基于应变的、超声或其他类型的触摸感测元件的网格)或光学、机械、电气或其他类型的部件的其他层。在一些情况下，触摸传感器(或触摸传感器系统的一部分)可被配置为检测施加到前盖106的外表面(例如，到设备100的显示表面)的触摸。
在一些情况下，可将力传感器(或力传感器系统的一部分)定位在显示器104下方和/或侧面的内部体积内(并且在一些情况下，在设备叠层内)。可以响应于触摸传感器检测到前盖106上的一个或多个触摸(或者前盖106上一个或多个触摸的一个或多个位置)来触发力传感器(或力传感器系统)，并且可以确定与每个触摸相关联的力的大小，或与整个触摸集合相关联的力的大小。
如图1A主要所示，设备100可以包括各种其他部件。例如，设备100的前部可包括一个或多个前向摄像机110、扬声器112、麦克风或被配置为向设备100发送信号或从该设备接收信号的其他部件114(例如，音频部件、成像部件和/或感测部件)。在一些情况下，单独或与其他传感器组合，前向摄像机110可以被配置为作为生物认证或面部识别传感器来操作。设备100还可以包括各种输入设备，包括可以从设备100的前表面(或显示表面)访问的机械或虚拟按钮116。在一些情况下，设备100的前向摄像机110、虚拟按钮116和/或其他传感器可以与显示器104的显示器叠层集成并且在显示器104下方移动。
设备100还可以包括沿着设备100的侧壁118和/或在后表面上定位的按钮或其他输入设备。例如，音量按钮或多功能按钮120可以沿侧壁118定位，并且在一些情况下可以延伸穿过侧壁118中的孔。侧壁118可包括允许空气但不是液体流入且流出设备100的一个或多个端口122。在一些实施方案中，一个或多个传感器可定位在端口122中或附近。例如，环境压力传感器、环境温度传感器、内部/外部差压传感器、气体传感器、颗粒物传感器或空气质量传感器可定位在端口122中或附近。
在一些实施方案中，设备100的后表面可包括后向摄像机124或其他光学传感器(参见图1B)。闪光灯或光源126也可沿着设备100的后部定位(例如，靠近后向摄像机)。在一些情况下，设备100的后表面可以包括多个后向摄像机。
设备100的一个或多个相机、一个或多个麦克风、一个或多个压力传感器、一个或多个温度传感器、一个或多个生物特征传感器、一个或多个按钮、一个或多个接近传感器、一个或多个触摸传感器、一个或多个力传感器、一个或多个颗粒物或空气质量传感器等可形成各种传感器系统的部分。
图2A和图2B示出了可包括颗粒物传感器的设备200的第二示例。设备的尺寸和形状因数以及带204的包括表明设备200是电子表。然而，设备200另选地可以是任何可穿戴电子设备。图2A示出了设备200的前等轴视图，并且图2B示出了设备200的后等轴视图。设备200可包括主体202(例如，手表主体)和带204。手表主体202可包括输入或选择设备，诸如冠部214或按钮216。带204可用于将主体202附接到使用者的身体部位(例如，臂、手腕、腿部、脚踝或腰部)。主体202可包括至少部分地围绕显示器208的外壳206。外壳206可包括或支撑前盖210(图2A)或后盖212(图2B)。前盖210可定位在显示器208上方，并且可提供窗口，通过该窗口可观看显示器208。在一些实施方案中，显示器208可附接到(或邻接)外壳206和/或前盖210。在设备200的另选的实施方案中，可不包括显示器208并且/或者外壳206可具有另选的构型。
外壳206在一些情况下可类似于参考图1A至图1B所述的外壳102，并且显示器208在一些情况下可类似于参考图1A至图1B所述的显示器104。
设备200可包括各种传感器系统，并且在一些实施方案中，可包括在参考图1A至图1B所述的设备100中包括的一些或所有传感器系统。在一些实施方案中，设备200可具有在外壳206的一侧(或别处)上的端口218(或一组端口)，并且环境压力传感器、环境温度传感器、内部/外部差压传感器、气体传感器、颗粒物传感器或空气质量传感器可定位在一个或多个端口218中或附近。
在一些情况下，设备200的后表面(或面向皮肤的表面)可包括平坦的或凸起的区域220，该区域包括一个或多个面向皮肤的传感器。例如，区域220可包括心率监测器、呼吸率监测器或血压监测器。区域220还可包括脱腕检测器或其他传感器。
图3示出了颗粒物传感器300的示例性框图。颗粒物传感器300可包括自混合干涉测量传感器302和一组一个或多个光学元件304(下文称为一组光学元件304)。该一组光学元件304可被定位成接收自混合干涉测量传感器302的光学发射306。该一组光学元件304可将光学发射306分成一组多个光束308-1、308-2、308-3，并且将该多个光束308-1、308-2、308-3中的每个光束引导到不同的方向。自混合干涉测量传感器302可被配置为生成关于穿过该多个光束308-1、308-2、308-3的相应测量区域314-1、314-2、314-3的颗粒312的颗粒速度信息310。
自混合干涉测量传感器302可包括发射光学发射306的电磁辐射源。光学发射306可包括相干或部分相干电磁辐射的光束。在一些实施方案中，电磁辐射源可包括VCSEL、VECSEL、QDL、QCL或LED(例如，OLED、RC LED、mLED、SLED或边缘发射LED)。
在一些实施方案中，自混合干涉测量传感器302可包括与光电探测器集成的电磁辐射源。在一些实施方案中，自混合干涉测量传感器302可包括堆叠在光电探测器上方、下方或附近(例如，相邻)的电磁辐射源。在其中光电探测器定位在电磁辐射源附近的实施方案中，该一组光学元件304可将接收到的该多个光束308-1、308-2、308-3的反射或反向散射重新引导到该光电探测器。光电探测器的输出电流(例如，光电流，IPD)可提供颗粒速度信息310。另选地，颗粒速度信息310可通过当电磁辐射源由恒定电流驱动时监测电磁辐射源的接点电压，或者通过当电磁辐射源由恒定电压驱动时监测电磁辐射源的电流来获得。
光电探测器的输出电流、或电磁辐射源的接点电压或电磁辐射源的电流可响应于1)由电磁辐射源生成的电磁辐射的相干自混合，以及2)被接收到电磁辐射源的光学谐振腔中并且与由电磁辐射源生成的电磁辐射相干地混合的反射或反向散射的电磁辐射的相干自混合而变化。
该一组光学元件304可包括例如一个或多个衍射光学元件(并且在一些情况下包括全息元件、周期性亚波长元件和/或非周期性亚波长元件)和一个或多个光束成形光学元件(例如，一个或多个聚焦、倾斜和/或准直光学元件)。该一组光学元件304可将自混合干涉测量传感器302的光学发射分成两个、三个、四个或更多个光束。将光学发射分成更多个光束可提高由自混合干涉测量传感器302生成的颗粒速度信息310的准确性(例如，当光束彼此不正交时)，但代价是减小每个光束308-1、308-2、308-3的屈光度并且降低颗粒物传感器300的敏感性(例如，作为增大颗粒物传感器300可检测到的最小颗粒尺寸的结果)。相反地，将光学发射306分成更少光束可增大颗粒物传感器300的敏感性(例如，作为减小颗粒物传感器300可检测到的最小颗粒尺寸的结果)，但代价是降低由自混合干涉测量传感器302生成的颗粒速度信息310的准确性。如本文所述，通过将自混合干涉测量传感器302的光学发射310分成三个光束，并且具体地，分成形成正交基的三个光束，可简化估计颗粒速度、气流体积和颗粒物浓度的计算。
在一些情况下，该一组光学元件304可将多个光束308-1、308-2、308-3中的每个光束聚焦在相应测量区域314-1、314-2、314-3中的一个处。在一些情况下，该一组光学元件304可包括自由形式的光学器件、微透镜、每个光束的微透镜、每个光束的倾斜全内反射(TIR)透镜等中的一者或多者。
除了将自混合干涉测量传感器302的光学发射分成多个光束之外，该一组光学元件304还可接收该多个光束308-1、308-2、308-3的反射或反向散射，并且将接收到的反射或反向散射引导到自混合干涉测量传感器的电磁辐射源的光学谐振腔中。因此，当光学透射在第一总体方向上穿过分光器时，该一组光学元件304可用作发射器和分光器，并且当光学透射在与第一总体方向相反的第二总体方向上穿过分光器时，作为接收器进行工作。
图4示出了颗粒物传感器400的示例性正面图。颗粒物传感器400为参考图3所述的颗粒物传感器的示例，并且可包括自混合干涉测量传感器402和一组一个或多个光学元件404(下文称为一组光学元件404)。该一组光学元件404可被定位成接收自混合干涉测量传感器402的光学发射406。该一组光学元件404可将光学发射406分成一组多个光束408-1、408-2、408-3，并且将该多个光束408-1、408-2、408-3中的每个光束引导到不同的方向。自混合干涉测量传感器402可被配置为生成关于穿过该多个光束408-1、408-2、408-3的相应测量区域414-1、414-2、414-3的颗粒412的颗粒速度信息410。
自混合干涉测量传感器402可包括电磁辐射源416，该电磁辐射源在一些情况下可采取参考图3所述的任何电磁辐射源的形式。在一些实施方案中，电磁辐射源416可包括堆叠在(例如，形成在)半导体基板上的第一(或底部)反射镜418-1和第二(或顶部)反射镜418-2。第一反射镜418-1和第二反射镜418-2可具有面向彼此的反射表面，以在该两者间形成光学谐振腔420(例如，界定该光学谐振腔)。第二反射镜418-2可为部分透射的，并且可1)允许由电磁辐射源416生成的电磁辐射的一部分逸出光学谐振腔420作为光学透射406，并且2)允许从穿过测量区域414-1、414-2、414-3中的一者的颗粒412重新引导(例如，反射或散射)的电磁辐射的一部分重新进入电磁辐射源416并且与由电磁辐射源416产生的电磁辐射相干地混合。在一些实施方案中，第二(或顶部)反射镜对由电磁辐射源416生成/接收到的电磁辐射的波长的透射率可为约0.5％，但可使用较高或较低的透射率。第一(或底部)反射镜418-1还可部分透射由自混合干涉测量传感器402生成/接收到的电磁辐射的波长，但在一些实施方案中，其透射率可小于第二反射镜418-2的透射率。
在一些情况下，自混合干涉测量传感器402还可包括光电探测器422，该光电探测器在一些情况下可与电磁辐射源416集成。电磁辐射源416可发射光学发射406，并且光电探测器422的输出电流、或电磁辐射源416的接点电压或电流可提供颗粒速度信息410(例如，包含颗粒速度信息410的自混合干涉信号)。
在一些情况下，自混合干涉测量传感器402可包括堆叠在光电探测器上方或下方的电磁辐射源。在这些示例中，第一反射镜418-1可为至少部分地透射的，并且穿过该第一反射镜418-1的电磁辐射可由光电探测器检测。
在一些实施方案中，该一组光学元件404可包括接收光学发射406并将其分成多个光束(例如，三个光束408-1、408-2和408-3)的衍射光学元件424。衍射光学元件424在一些情况下可为具有三个光学孔或物理孔的元件，该三个光学孔或物理孔允许由自混合干涉测量传感器402发射的电磁辐射的部分穿过。该一组光学元件404还可包括一组一个或多个光束成形元件426，该一组一个或多个光束成形元件接收三个光束408-1、408-2、408-3并将光束中的每个聚焦在相应测量区域414-1、414-2、414-3中的一个处。在一些实施方案中，该一组光束成形元件426可包括平凹透镜，该平凹透镜具有其面向衍射光学元件424的表面的凹形表面。在一些实施方案中，该一组光束成形元件426可将多个光束408-1、408-2、408-3聚焦在重叠或一致测量区域414-1、414-2、414-3处(而不是在如图所示的不相交的测量区域414-1、414-2、414-3中)。
除了将自混合干涉测量传感器402的光学发射分成多个光束之外，该一组光学元件404还可接收该多个光束408-1、408-2、408-3的反射或反向散射，并且将接收到的反射或反向散射引导到自混合干涉测量传感器的电磁辐射源的光学谐振腔中。图4所示的该一组光学元件404作为整体用作分光器。
如图4所示，穿过测量区域414-1、414-2、414-3的颗粒412可具有颗粒速度，该颗粒速度包括x方向的颗粒速度分量
Figure BDA0002437821910000111
和z方向的颗粒速度分量
Figure BDA0002437821910000112
颗粒412还可具有y方向的颗粒速度分量
Figure BDA0002437821910000113
图5示出了颗粒物传感器400的平面图；尽管光束408-1、408-2、408-3可彼此具有各种关系，但如果光束408-1、408-2、408-3形成正交基，则可简化由处理器进行的估计颗粒速度和/或其他参数的计算。在一些实施方案中，当每个光束408-1、408-2、408-3与其他光束408-1、408-2、408-3成120度(120°)分开时，在垂直于参考图4所述的光学发射406的轴500的平面中，光束408-1、408-2、408-3可形成正交基，并且当每个光束具有与光学发射的轴500成角度θ分开的副轴502-1、502-2、或502-3，其中cos2(θ)＝1/3。角度θ可被配置作为颗粒物传感器400的光学设计的一部分。
在图5和后面的附图中，光束408-1、408-2、408-3分别被指定为光束1 408-1、光束2 408-2和光束3 408-3。
图6A至图8B示出了光束1、光束2和光束3中的每个的相应平面图和正面图。首先转到图6A和图6B，图6A示出了光束1相对于光束2和光束3的平面图，图6B示出了光束1的正视图。在垂直于光学发射406的轴500的平面中，光束1与光束2和光束3中的每个成120°分开。光束1具有与光学发射的轴500成角度θ分开的副轴502-1。在一些情况下，θ可满足条件：cos2(θ)＝1/3。
穿过测量区域414-1的颗粒可具有颗粒速度矢量：
Figure BDA0002437821910000121
其中
Figure BDA0002437821910000122
和
Figure BDA0002437821910000123
为在正交的x、y和z方向上单位矢量。然而，自混合干涉测量传感器402可仅测量粒子速度的分量，该分量在单位矢量
Figure BDA0002437821910000124
的方向上。单位矢量
Figure BDA0002437821910000125
与光束1共享轴，并且可相对于x/y/z正交基被定义为：
Figure BDA0002437821910000126
当颗粒穿过测量区域414-1时，颗粒(在自混合干涉测量传感器402处)可生成自混合干涉信号，该自混合干涉信号以由在反射或向后散射的电磁辐射上的颗粒引起的多普勒频移的频率振荡。多普勒频移可与多普勒频率f1相关联，该多普勒频率可与在光束1的方向上的颗粒速度成比例并且定义为如下：
Figure BDA0002437821910000127
图7A示出了光束2相对于光束1和光束3的平面图，图7B示出了光束2的正视图。在垂直于参考图4所述的光学发射406的轴500的平面中，光束2与光束1和光束3中的每个成120°分开。光束2具有与光学发射的轴500成角度θ分开的副轴502-2。在一些情况下，θ可满足条件：cos2(θ)＝1/3。
穿过测量区域414-2的颗粒也可具有颗粒速度矢量：
Figure BDA0002437821910000131
但自混合干涉测量传感器402可仅测量的颗粒速度的分量，该分量在单位矢量
Figure BDA0002437821910000132
的方向上。单位矢量
Figure BDA0002437821910000133
与光束2共享轴，并且可相对于x/y/z正交基被定义为：
Figure BDA0002437821910000134
当颗粒穿过测量区域414-2时，颗粒(在自混合干涉测量传感器402处)可生成自混合干涉信号，该自混合干涉信号以由在反射或向后散射的电磁辐射上的颗粒引起的多普勒频移的频率振荡。多普勒频移可与多普勒频率f2相关联，该多普勒频率可与在光束2的方向上的颗粒速度成比例并且定义为如下：
Figure BDA0002437821910000135
图8A示出了光束3相对于光束1和光束2的平面图，图8B示出了光束3的正视图。在垂直于参考图4所述的光学发射406的轴500的平面中，光束3与光束1和光束2中的每个成120°分开。光束3具有与光学发射的轴500成角度θ分开的副轴502-3。在一些情况下，θ可满足条件：cos2(θ)＝1/3。
穿过测量区域414-3的颗粒可具有颗粒速度矢量：
Figure BDA0002437821910000136
其中
Figure BDA0002437821910000137
和
Figure BDA0002437821910000138
为在正交的x、y和z方向上的单位矢量。然而，自混合干涉测量传感器402仅可测量粒子速度的分量，该分量在单位矢量
Figure BDA0002437821910000139
的方向上。单位矢量
Figure BDA00024378219100001310
与光束3共享轴，并且可相对于x/y/z正交基被定义为：
Figure BDA0002437821910000141
当颗粒穿过测量区域414-3时，颗粒(在自混合干涉测量传感器402处)可生成自混合干涉信号，该自混合干涉信号以由在反射或向后散射的电磁辐射上的颗粒引起的多普勒频移的频率振荡。多普勒频移可与多普勒频率f3相关联，该多普勒频率可与在光束3的方向上的颗粒速度成比例并且定义为如下：
Figure BDA0002437821910000142
不同的颗粒可穿过参考图4至图8B所述的不同的测量区域414-1、414-2、414-3。然而，由自混合干涉测量传感器402提供的自混合干涉信号可包括关于穿过测量区域414-1、414-2、414-3中的每个的颗粒的颗粒速度信息。在大多数情况下，颗粒将在不同的时间穿过不同的测量区域414-1、414-2、414-3，并且因此关于不同颗粒的颗粒速度信息在时间上将是可分辨的(即使颗粒穿过其以生成颗粒速度信息的特定光束和测量区域可能为不可辨别的)。颗粒速度信息可采取包括在自混合干涉信号中的无符号多普勒频移(例如，|f1|、|f2|和|f3|)的形式。因此，仅可从自混合干涉信号中提取颗粒速度信息(即，颗粒速度量值)，而不可提取颗粒速度信息(即，运动速度和运动方向)。
如参考图6A至图8B所讨论的，穿过测量区域414-1、414-2和414-3的颗粒412的颗粒速度(vx、vy和vz)与光学发射406的角度θ、波长λ，以及多普勒频率f1、f2和f3有关，如下：
vxsin(θ)+vzcos(θ)＝f1λ/2
Figure BDA0002437821910000143
Figure BDA0002437821910000144
针对颗粒速度vx、vy和vz解出以上公式度得到以下公式：
Figure BDA0002437821910000151
Figure BDA0002437821910000152
Figure BDA0002437821910000153
将以上公式替换到颗粒速度公式
Figure BDA0002437821910000154
中，得出：
Figure BDA0002437821910000155
如果θ被选择为使得cos2(θ)＝1/3，以上公式简化为：
Figure BDA0002437821910000156
并且颗粒速度
Figure BDA0002437821910000157
可使用无符号多普勒频移|f1|、|f2|和|f3|在不知道多普勒频移的符号且不知道是哪一个多普勒频移由该多个光束408-1、408-2、408-3中的哪一个经历的情况下(即，在以上公式中|f1|、|f2|和|f3|是可互换的，f1、f2和f3同样可互换)来估计。
即使当cos2(θ)≠1/3时，也可估计颗粒速度
Figure BDA0002437821910000158
但随着cos2(θ)接近1/3，估计的准确性提高(并且误差减少)。当cos2(θ)≠1/3时，通过对颗粒流动方向设置限制，仍可足够准确地估计颗粒速度。
图9示出了估计颗粒物浓度的示例性方法900，该方法900可由与自混合干涉测量传感器相关联的电路(例如，ASIC或处理器)执行。电路可接收作为输入的由自混合干涉测量传感器生成的自混合干涉信号的数字化样本，或者在一些情况下可接收、采样并数字化自混合干涉信号。在一些实施方案中，自混合干涉测量传感器可包括参考图3至图8B所述的任何自混合干涉测量传感器。另选地，自混合干涉测量传感器可为另一种类型的自混合干涉测量传感器。
在框902处，方法900可包括执行频域分析(例如，快速傅里叶变换(FFT))或时频域分析(例如，连续小波变换)以从自混合干涉信号中提取一组无符号多普勒频移(例如，|f1|、|f2|和|f3|)。
在框904处，方法900可包括使用该多个光束的相对取向和无符号多普勒频移来估计颗粒速度。值得注意的是，估计的颗粒速度实际上是假设颗粒的速度，该假设颗粒被假设为表现类似于穿过不同测量区域的颗粒，该不同测量区域与从自混合干涉测量传感器的光学发射分开的相应不同光束相关联。
在框906处，方法900可包括使用颗粒速度来估计穿过测量区域的气流体积(例如，在给定时间内穿过三个测量区域的空气的总体积(例如，一秒内100微升(μl)空气))。
在框908处，方法900可包括计数在一段时间内穿过测量区域的颗粒数(例如，在一秒内30个颗粒)。可通过计数在一段时间内自混合干涉信号中的时域干扰(或多普勒频移)的数量来对颗粒进行计数。
在框910处，方法900可包括使用在框908处计数的颗粒数和在框906处估计的气流体积来估计颗粒物浓度(例如，空气中的颗粒物浓度)。在一些实施方案中，电路可呈现固定颗粒尺寸和固定质量密度，以将体积内的颗粒数转换成体积内的颗粒质量或颗粒密度。
在一些情况下，执行方法900的电路或其他电路可被配置为检测颗粒物的存在(代替检测颗粒物浓度，或者作为检测颗粒物浓度的补充)。在一些情况下，可使用从自混合干涉信号中提取的颗粒速度信息(例如，多普勒频移)来检测颗粒物的存在(或不存在)。
图10示出了感测颗粒物的示例性方法1000。方法1000可通过自混合干涉测量传感器和与该自混合干涉测量传感器相关联的电路(例如，ASIC或处理器)来执行。自混合干涉测量传感器可提供作为电路的输入的由自混合干涉测量传感器生成的自混合干涉信号的数字化样本。另选地，电路可接收自混合干涉信号，并且对自混合干涉信号进行采样和数字化。在一些实施方案中，自混合干涉测量传感器可包括参考图3至图8B所述的任何自混合干涉测量传感器。另选地，自混合干涉测量传感器可为另一种类型的自混合干涉测量传感器。电路在一些情况下可以是或包括执行参考图9所述的方法900的一些或所有电路。
在框1002处，方法1000可包括将从自混合干涉测量传感器接收到的光学发射分成多个光束。在一些实施方案中，在框1002处的一个或多个操作可由参考图3至图8B所述的该一组光学元件执行。
在框1004处，方法1000可包括将多个光束中的每个光束引导到不同的方向。任选地，在框1004处的一个或多个操作可包括将该多个光束中的每个光束聚焦在相应测量区域中的一个处。在一些实施方案中，在框1004处的一个或多个操作可由参考图3至图8B所述的该一组光学元件执行。
在框1006处，方法1000可包括从自混合干涉测量传感器输出关于穿过该多个光束(例如，穿过该多个光束的相应测量区域)的颗粒的颗粒速度信息。在一些实施方案中，颗粒速度信息可包括在自混合干涉信号中包括的一组无符号多普勒频移(例如，|f1|、|f2|和|f3|)。
在框1008处，方法1000可任选地包括使用颗粒速度信息来估计颗粒物浓度。该估计可由与自混合干涉测量传感器相关联的电路来进行。
任选地，方法1000可包括参考图9所述的方法900的操作。
图11示出了电子设备1100的示例性电气框图，该电子设备在一些情况下可采取参考图1A至图1B或图2A至图2B所述的设备的形式，并且/或者包括如参考图3至图8B所述的颗粒物传感器。电子设备1100可包括显示器1102(例如，发光显示器)、处理器1104、电源1106、存储器1108或存储设备、传感器系统1110或输入/输出(I/O)机构1112(例如，输入/输出设备、输入/输出端口或触觉输入/输出接口)。处理器1104可以控制电子设备1100的一些或所有操作。处理器1104可直接或间接地与电子设备1100的一些或所有其他部件进行通信。例如，系统总线或其他通信机构1114可提供显示器1102、处理器1104、电源1106、存储器1108、传感器系统1110和I/O机构1112之间的通信。
处理器1104可被实现为能够处理、接收或发送数据或指令的任何电子设备，无论这些数据或指令是软件还是固件的形式或以其他方式编码。例如，处理器1104可包括微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、控制器或此类设备的组合。如本文所述，术语“处理器”意在涵盖单个处理器或处理单元、多个处理器、多个处理单元或一个或多个其他适当配置的计算元件。
应当指出的是，电子设备1100的部件可由多个处理器控制。例如，电子设备1100的选择部件(例如，传感器系统1110)可由第一处理器控制并且电子设备1100的其他部件(例如，显示器1102)可由第二处理器控制，其中第一处理器和第二处理器可或不可彼此通信。
电源1106可利用能够向电子设备1100提供能量的任何设备来实现。例如，电源1106可包括一个或多个电池或可充电电池。附加地或另选地，电源1106可包括将电子设备1100连接到另一电源诸如壁装电源插座的电源连接器或电源线。
存储器1108可存储可由电子设备1100使用的电子数据。例如，存储器1108可以存储电数据或内容，诸如，例如，音频和视频文件、文档和应用程序、设备设置和用户偏好、定时信号、控制信号以及数据结构或数据库。存储器1108可包括任何类型的存储器。仅以举例的方式，存储器1108可以包括随机存取存储器、只读存储器、闪存存储器、可移动存储器、其他类型的存储元件或这些存储器类型的组合。
电子设备1100还可包括被定位在电子设备1100上的几乎任何位置处的一个或多个传感器系统1110。在一些情况下，传感器系统1110可参考图1A至图1B或图2A至图2B所述进行定位。一个或多个传感器系统1110可以被配置为感测一种或多种类型的参数，诸如但不限于光；触摸；力；热；移动；相对运动；用户的生物计量数据(例如，生物参数)；颗粒物浓度；空气质量；接近；位置；连通性；等等。以举例的方式，一个或多个传感器系统1110可包括热传感器、位置传感器、光或光学传感器、加速度计、压力换能器、陀螺仪、磁力仪、健康监测传感器、颗粒物传感器、空气质量传感器等。此外，一个或多个传感器系统1110可利用任何适当的感测技术，包括但不限于磁力、电容、超声波、电阻、光学、声音、超声、压电或技术。
I/O机构1112可发送或接收来自用户或另一个电子设备的数据。I/O机构1112可包括显示器1102、触摸感测输入表面、冠部、一个或多个按钮(例如，图形用户界面“home”按钮)、一个或多个相机(包括显示器下相机)、一个或多个麦克风或扬声器、一个或多个端口诸如麦克风端口和/或键盘。附加地或另选地，I/O机构1112可经由通信接口诸如无线、有线和/或光通信接口发送电子信号。无线和有线通信接口的示例包括但不限于蜂窝和Wi-Fi通信接口。
上述描述为了进行解释使用了特定命名来提供对所述实施方案的彻底理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，在阅读本说明书之后，不需要具体细节即可实践所述实施方案。因此，出于例示和描述的目的，呈现了对本文所述的具体实施方案的前述描述。这些描述并非旨在是穷举性的或将实施方案限制到所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，在阅读本说明书之后，鉴于上面的教导内容，许多修改和变型是可能的。

Claims (20)

1.一种颗粒物传感器，包括：
自混合干涉测量传感器；以及
一组一个或多个光学元件，所述一组一个或多个光学元件被定位成接收所述自混合干涉测量传感器的光学发射，将所述光学发射分成多个光束，并且将所述多个光束中的每个光束引导到不同的方向；其中：
所述自混合干涉测量传感器被配置为生成关于穿过所述多个光束的相应测量区域的颗粒的颗粒速度信息。
2.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，其中所述颗粒速度信息包括由所述自混合干涉测量传感器生成的自混合干涉信号中的无符号多普勒频移。
3.根据权利要求2所述的颗粒物传感器，还包括被配置为执行以下操作的电路：
执行频域分析以从所述自混合干涉信号中提取所述无符号多普勒频移；
使用所述多个光束的相对取向和所述无符号多普勒频移来估计颗粒速度；
使用所述颗粒速度来估计穿过所述相应测量区域的气流体积；
计数在一段时间内穿过所述相应测量区域的颗粒数；并且
使用所述颗粒数和所述气流体积来估计颗粒物浓度。
4.根据权利要求2所述的颗粒物传感器，还包括被配置为执行以下操作的电路：
执行时频域分析以从所述自混合干涉信号中提取所述无符号多普勒频移；
使用所述多个光束的相对取向和所述无符号多普勒频移来估计颗粒速度；
使用所述颗粒速度来估计穿过所述相应测量区域的气流体积；
计数在一段时间内穿过所述相应测量区域的颗粒数；并且
使用所述颗粒数和所述气流体积来估计颗粒物浓度。
5.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，其中所述一组一个或多个光学元件将所述多个光束中的每个光束聚焦在所述相应测量区域中的一个处。
6.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，还包括：
被配置为使用所述颗粒速度信息来检测颗粒物的存在的电路。
7.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，还包括：
被配置为使用所述颗粒速度信息来估计颗粒物浓度的电路。
8.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，其中所述多个光束由三个光束组成。
9.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，其中所述自混合干涉测量传感器包括与光电探测器集成的电磁辐射源。
10.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，其中：
所述自混合干涉测量传感器包括电磁辐射源和光电探测器；
所述电磁辐射源具有由第一反射镜和第二反射镜界定的光学谐振腔，其中所述第一反射镜和所述第二反射镜中的每个至少部分地透射电磁辐射的波长；并且
所述电磁辐射源堆叠在所述光电探测器上。
11.一种传感器，包括：
电磁辐射源，所述电磁辐射源具有光学谐振腔；以及
分光器，所述分光器被配置为将所述电磁辐射源的光学发射分成一组多个光束，并且接收所述一组多个光束的反射或反向散射，并且将所述接收到的反射或反向散射引导到所述光学谐振腔中。
12.根据权利要求11所述的传感器，其中所述一组多个光束中的每个光束在垂直于所述光学发射的轴的平面中与所述一组多个光束的其他光束成120度分开。
13.根据权利要求12所述的传感器，其中：
所述一组多个光束中的每个光束具有与所述光学发射的所述轴成角度θ分开的副轴；并且
cos2(θ)＝1/3。
14.根据权利要求11所述的传感器，其中所述电磁辐射源包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
15.根据权利要求11所述的传感器，其中所述分光器包括以下中的至少一者：衍射元件、全息元件、周期性亚波长元件或非周期性亚波长元件。
16.一种感测颗粒物的方法，包括：
将从自混合干涉测量传感器接收到的光学发射分成多个光束；
将所述多个光束中的每个光束引导到不同的方向；以及
从所述自混合干涉测量传感器输出关于穿过所述多个光束的颗粒的颗粒速度信息。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
使用所述颗粒速度信息来估计颗粒物浓度。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述颗粒速度信息包括由所述自混合干涉测量传感器生成的自混合干涉信号中的无符号多普勒频移。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
执行频域分析以从所述自混合干涉信号中提取所述无符号多普勒频移；
使用所述多个光束的相对取向和所述无符号多普勒频移来估计颗粒速度；
使用所述颗粒速度来估计穿过所述多个光束的相应测量区域的气流体积；
计数在一段时间内穿过所述相应测量区域的颗粒数；以及
使用所述颗粒数和所述气流体积来估计颗粒物浓度。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
将所述多个光束中的每个光束聚焦在所述相应测量区域中的一个处。
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