DE102015207289A1

DE102015207289A1 - Partikelsensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102015207289A1
Application number: DE102015207289.4A
Authority: DE
Inventors: Niklas Dittrich; Frank Fischer; Reiner Schnitzer; Gael Pilard
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Trumpf Photonic Components GmbH
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2016-10-27
Also published as: JP6639319B2; CN106066294B; CN106066294A; US9857287B2; US20160313243A1; JP2016224034A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Partikelsensorvorrichtung mit einer optischen Emittiereinrichtung (50a), welche zur Emission einer optischen Strahlung (52) so ausgelegt ist, dass ein Volumen (54) mit mindestens einem möglicherweise darin vorliegenden Partikel (56) zumindest teilweise beleuchtbar ist, einer optischen Detektoreinrichtung (50b) mit mindestens einer Detektierfläche (64), auf welcher zumindest ein Teil der an dem mindestens einem Partikel (56) gestreuten optischen Strahlung (60) auftrifft, wobei mindestens ein Informationssignal (68) bezüglich einer Intensität und/oder einer Intensitätsverteilung der auf der mindestens einen Detektierfläche (64) auftreffenden optischen Strahlung (60) ausgebbar ist; und einer Auswerteeinrichtung (70), mittels welcher eine Information (72) bezüglich eines Vorliegens von Partikeln (56), einer Partikelanzahl, einer Partikeldichte und/oder mindestens einer Eigenschaft von Partikeln (56) festlegbar und ausgebbar ist, wobei die Partikelsensorvorrichtung auch mindestens ein Linsenelement (58) umfasst, welches so angeordnet ist, dass die emittierte optische Strahlung (52) auf einen Fokusbereich (60) innerhalb des Volumens (54) fokussierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Partikelsensorvorrichtung.
Stand der Technik
1 zeigt einen herkömmlichen Streulicht-Partikelzähler, dessen dargestellte Komponenten beispielsweise in dem in der DE 10 2013 202 423 A1 beschriebenen Streulicht-Partikelzähler enthalten sind.
Der in 1 schematisch dargestellte Streulicht-Partikelzähler hat eine Laser-Lichtquelle 10, einen Photodetektor 12 und eine Messzelle 14, durch die ein Luftstrom 16 gezogen wird. Ein von der Laser-Lichtquelle 10 emittierter Laserstrahl 18 durchstrahlt einen Teilabschnitt der Messzelle 14. Trifft der Laserstrahl 18 innerhalb des durchstrahlten Teilabschnitts der Messzelle 14 auf mindestens ein Partikel 16a des Luftstroms 16, so werden zumindest einige Photonen des Laserstrahls 18 als Streuung 20 auf den Photodetektor 12 gestreut. (Der nicht gestreute Anteil des Laserstrahls 18 trifft auf einen Absorber 22). Durch die Verwendung eines derartigen herkömmlichen Streulicht-Partikelzählers soll anhand der mittels des Photodetektors 12 nachgewiesenen Streuung 20 eine Information bezüglich der in dem Luftstrom 16 eventuell vorhandenen Partikel 16a ermittelbar sein.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Partikelsensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Partikelsensorvorrichtung ermöglicht aufgrund der Fokussierung der emittierten optischen Strahlung auf den Fokusbereich selbst bei einer Verwendung einer optischen Emittiereinrichtung mit einer schwachen Emission eine ausreichend hohe Intensität der optischen Strahlung in dem Fokussierbereich. Damit ist auch eine Intensität der an dem mindestens einen Partikel in dem Fokusbereich gestreuten optischen Strahlung hoch. Insbesondere ist die ausreichend hohe Intensität der von den Partikeln in dem Fokusbereich gestreuten optischen Strahlung auch bei einer kleinen Partikelgröße gewährleistet, obwohl die Intensität der gestreuten optischen Strahlung abhängig von der Partikelgröße der streuenden Partikel ist. Damit ist auch gewährleistet, dass die optische Detektoreinrichtung eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Die erfindungsgemäße Partikelsensorvorrichtung ermöglicht damit ein genaues und (nahezu) fehlerfreies Festlegen der ausgegebenen Information.
Die erfindungsgemäße Partikelsensorvorrichtung weist während ihres Betriebes auch einen gegenüber herkömmlichen Streulicht-Partikelzählern reduzierten Leistungsverbrauch auf. Dies erleichtert ein Bereitstellen von Energie an die Partikelsensorvorrichtung für deren Betrieb, beispielsweise mittels einer Batterie.
Wie unten außerdem genauer erläutert wird, kann die erfindungsgemäße Partikelsensorvorrichtung auch mit einer im Vergleich zu den herkömmlichen Streulicht-Partikelzählern reduzierten Baugröße kostengünstig hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Partikelsensorvorrichtung eignet sich deshalb auch vorteilhaft für einen mobilen Einsatz oder als Sensor für ein vernetztes System.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Partikelsensorvorrichtung wird zumindest ein Teil der auf den Fokusbereich fokussierten und zumindest teilweise an dem mindestens einen Partikel in dem Fokusbereich gestreuten optischen Strahlung mittels des mindestens einen Linsenelements auf die mindestens eine Detektierfläche fokussiert. Mittels dieser Multifunktionalität des mindestens einen Linsenelements können weitere optische Bauteile an der Partikelsensorvorrichtung eingespart werden.
Beispielsweise kann die emittierte optische Strahlung mittels des mindestens einen Linsenelements auf einen Fokusbereich mit einer Fokuslänge unter 20 cm und/oder einem Fokusdurchmesser unter 1000 µm fokussierbar sein. Insbesondere kann die emittierte optische Strahlung mittels des mindestens einen Linsenelements auf einen Fokusbereich mit einer Fokuslänge zwischen 1 bis 3 cm und/oder einem Fokusdurchmesser zwischen 1 bis 20 µm fokussierbar sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Partikelsensorvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, eine mittlere Partikelgröße, eine Partikelgrößenverteilung, eine mittlere Partikelmasse, eine Partikelmassenverteilung, eine mittlere Partikelform, eine Partikelformverteilung, eine mittlere Partikelgeschwindigkeit und/oder eine Partikelgeschwindigkeitsverteilung als die mindestens eine Eigenschaft von Partikeln festzulegen. Die Partikelsensorvorrichtung ist damit vielseitig einsetzbar.
Vorzugsweise sind die optische Emittiereinrichtung und die optische Detektoreinrichtung auf und/oder in einem gemeinsamen Chip ausgebildet. Dies erleichtert eine Miniaturisierung der Partikelsensorvorrichtung.
In einer kostengünstigen Ausführungsform umfasst die optische Emittiereinrichtung einen VCSEL-Laser und/oder VeCSEL-Laser. Bevorzugter Weise umfasst in diesem Fall die optische Detektoreinrichtung mindestens eine in einen Schichtaufbau des VCSEL-Lasers oder VeCSEL-Lasers integrierte Photodiode.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Partikelsensorvorrichtung werden die emittierte optische Strahlung und/oder die gestreute optische Strahlung mittels des self mixing interference Effektes analysiert. Man kann dies auch damit umschreiben, dass zur Detektion von vom Partikel gestreutem Licht der Self Mixing Intereference Effekt genutzt, wird der z.B. mittels einer integrierten Photodiode erfasst werden kann. Eine derartige optische Detektoreinrichtung ermöglicht ein automatisches Herausfiltern unerwünschter Umgebungslichtsignale. Damit beeinträchtigt ein parasitärer Lichteinfall in das vorrichtungsexterne oder vorrichtungsinterne Volumen eine Funktionsweise der Partikelsensorvorrichtung weniger als bei einem herkömmlichen Streulicht-Partikelzähler. Während bei einem herkömmlichen Streulicht-Partikelzähler eine verlässliche Abdunklung der Messzelle eine Grundvoraussetzung für dessen Betrieb ist, weist die hier beschriebene Partikelsensorvorrichtung eine automatische „Herausfilterung“ von Hintergrundsignalen auf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Partikelsensorvorrichtung zusätzlich eine Spiegeleinrichtung, mittels welcher der Fokusbereich ein- oder zweidimensional innerhalb des Volumens verschiebbar ist. Ein auf die Partikel zu untersuchendes Probenvolumen kann somit von dem Fokusbereich abgerastert werden.
Bei allen hier beschriebenen Ausführungsformen kann die Partikelsensorvorrichtung eine Partikelnachweisvorrichtung und/oder eine Partikelzählervorrichtung sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 einen herkömmlichen Streulicht-Partikelzähler;
2a und 2b eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Partikelsensorvorrichtung und ein Fourrier-Spektrum zum Erläutern von deren Funktionsweise; und
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Partikelsensorvorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
2a und 2b zeigen eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Partikelsensorvorrichtung und ein Fourrier-Spektrum zum Erläutern von deren Funktionsweise.
Die in 2a schematisch dargestellte Partikelsensorvorrichtung weist eine optische Emittiereinrichtung 50a auf, welche zur Emission einer optischen Strahlung 52 innerhalb eines Emissionsspektrums der optischen Emittiereinrichtung 50a ausgelegt ist. Das Emissionsspektrum der optischen Emittiereinrichtung 50a kann beispielsweise in einem Wellenlängenbereich von 350 nm bis 1150 nm, insbesondere im sichtbaren Wellenlängenbereich, liegen. Es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Emissionsspektrum der optischen Emittiereinrichtung 50a nicht auf diesen Wellenlängenbereich, insbesondere nicht auf den sichtbaren Wellenlängenbereich, beschränkt ist. Somit kann zumindest ein Teil des Emissionsspektrums der optischen Emittiereinrichtung 50a auch im Infrarotbereich und/oder im UV-Bereich liegen. Insbesondere kann die optische Emittiereinrichtung 50a auch zur Emission einer monochromatischen optischen Strahlung 52 ausgelegt sein. Ebenso kann die optische Emittiereinrichtung 50a zur Emission einer polychromatischen optischen Strahlung 52 ausgelegt sein.
Die optische Emittiereinrichtung 50a kann insbesondere einen Laser 50a umfassen. Sofern eine gepulste optische Strahlung 52 für die Partikelsensorvorrichtung bevorzugt ist, kann die optische Emittiereinrichtung 50a auch ein gepulster Laser 50a sein. Des Weiteren kann ein für die optische Emittiereinrichtung 50a eingesetzter Laser 50a einen Laserstrahl mit einem (nahezu) beliebigen Strahldurchmesser als optische Strahlung 52 emittieren. Die Verwendbarkeit eines Lasers 50a für die optische Emittiereinrichtung 50a stellt somit (nahezu) keine Grundvoraussetzung für den als optische Strahlung 52 ausgesendeten Laserstrahl.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist/umfasst die optische Emittiereinrichtung 50a ein/einen VCSEL-Laser 50a (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser). Ein derartiger VCSEL-Laser 50a, welcher häufig auch als Oberflächenemitter 50a bezeichnet wird, ist in der Regel ein Halbleiterlaser, bei dem die optische Strahlung 52 senkrecht zu einer funktionalisierten Halbleiterchipebene abgestrahlt wird. Die Verwendung des VCSEL-Lasers 50a für die optische Emittiereinrichtung 50a verbessert eine Miniaturisierbarkeit der Partikelsensorvorrichtung.
Die in 2a schematisch dargestellte Partikelsensorvorrichtung kann zum Nachweisen oder Untersuchen von möglicherweise in zumindest einem Teil eines Volumens 54 vorliegenden Partikeln 56 eingesetzt werden. Das jeweilige Volumen 54 kann ein vorrichtungsinternes Volumen 54, wie beispielsweise eine Probenkammer/Messkammer der Partikelsensorvorrichtung, sein. Ebenso kann die Partikelsensorvorrichtung jedoch auch dazu ausgelegt sein, Partikeln 56 in zumindest einem Teil des vorrichtungsexternen Volumens 54 nachzuweisen oder zu untersuchen. In diesem Fall ist die Partikelsensorvorrichtung vorzugsweise so an dem vorrichtungsexternen Volumen 54 anordbar, dass die nachfolgend beschriebenen Funktionen ihrer Komponenten ausführbar sind.
Das Volumen 54 (mit dem mindestens einen möglicherweise darin vorliegenden Partikel 56) ist in allen Fällen zumindest teilweise mit der von der optischen Emittiereinrichtung 50a emittierten optischen Strahlung 52 beleuchtbar. Außerdem hat die Partikelsensorvorrichtung mindestens ein Linsenelement/Fokussierelement 58, welches so angeordnet ist, dass die (von der optischen Emittiereinrichtung 50a) emittierte optische Strahlung 52 mittels des mindestens einen Linsenelements/Fokussierelements 58 auf einen Fokusbereich 60 innerhalb des Volumens 54 fokussierbar ist/fokussiert wird. Vorzugsweise ist die (von der optischen Emittiereinrichtung 50a) emittierte optische Strahlung 52 mittels des mindestens einen Linsenelements/Fokussierelements 58 so auf den Fokusbereich 60 innerhalb des Volumens 54 fokussierbar, dass lediglich innerhalb des Fokusbereiches 60 eine hohe Intensität der emittierten optischen Strahlung 52 vorliegt, während gleichzeitig ein Restbereich des Volumens 54 außerhalb des Fokusbereiches 60 eine deutlich geringere Intensität der emittierten optischen Strahlung 52 aufweist.
Ein bevorzugter Fokuspunkt/Fokusbereich 60 hat weniger als 1000 µm Durchmesser haben. Insbesondere ein Durchmesser von 1 bis 20 µm ist vorteilhaft. Auf diese Weise ist selbst bei einer geringen Intensität der (von der optischen Emittiereinrichtung 50a) emittierten optischen Strahlung 52 sicherstellbar, dass innerhalb des Fokusbereiches 60 eine gesteigerte Intensität der emittierten optischen Strahlung 52 vorliegt. Selbst bei einer vergleichsweise schwachen Emission der optischen Emittiereinrichtung 50a ist die Intensität der (von der optischen Emittiereinrichtung 50a) emittierten optischen Strahlung 52 somit ausreichend hoch, um eine optisch leicht detektierbare/nachweisbare Streuung 62 an dem mindestens einen in dem Fokusbereich 60 vorliegenden Partikel 56 zu gewährleisten. Die leichte Nachweisbarkeit/Detektierbarkeit der von dem mindestens einen in dem Fokusbereich 60 vorliegenden Partikel 56 bewirkten Streuung 62 verbessert außerdem eine Genauigkeit von Ergebnissen beim Untersuchen eines möglichen Vorliegen von Partikeln 56 und/oder beim Ermitteln von deren Eigenschaften.
Dies ermöglicht ein Nachweisen und/oder Untersuchen von Partikeln 56 (nahezu) unabhängig von einem in dem Volumen 54 vorliegenden Material, wie z.B. einem Gas und/oder einer Flüssigkeit. Eine Einsetzbarkeit der Partikelsensorvorrichtung ist deshalb auch kaum auf das (evtl. mit den Partikeln 56 versetzte) Material limitiert. Dies steigert die Einsetzbarkeit der Partikelsensorvorrichtung.
Unter dem mindestens einen Linsenelement/Fokussierelement 58 kann jedes zum Fokussieren von Licht geeignete optische Element verstanden werden. Das mindestens eine Linsenelement/Fokussierelement 58 kann beispielsweise eine (einzige) Fokuslinse 58 sein. Somit kann ein kostengünstiges Bauteil als das mindestens eine Linsenelement/Fokussierelement 58 an der Partikelsensorvorrichtung eingesetzt sein. Eine bevorzugte Fokuslänge beträgt kleiner als 20cm, insbesondere 1–3 cm sind vorteilhaft.
Die Partikelsensorvorrichtung hat auch eine optische Detektoreinrichtung 50b mit mindestens einer Detektierfläche 64. Die mindestens eine Detektierfläche 64 ist so angeordnet, dass zumindest ein Teil der von der optischen Emittiereinrichtung 50a emittierten und zumindest teilweise an dem mindestens einen Partikel 56 (in dem Fokusbereich 60) gestreuten optischen Strahlung (als Streuung 62) auf die mindestens eine Detektierfläche 64 trifft. Aufgrund der Fokussierung der (von der optischen Emittiereinrichtung 50a emittierten) optischen Strahlung 52 auf den Fokusbereich 60 und der dadurch bewirkten hohen Intensität der optischen Strahlung 52 in dem Fokusbereich 60 ist gewährleistet, dass selbst bei einer geringen Anzahl von Partikeln 56 im Fokusbereich 60 und/oder einer geringen Partikelgröße im Fokusbereich 60 noch eine Streuung 62 mit einer leicht und verlässlich detektierbaren/nachweisbaren Intensität auf der mindestens einen Detektierfläche 64 auftrifft. Man kann dies auch damit umschreiben, dass aufgrund der starken Fokussierung ein eng spezifizierbarer Abstandsbereich als Fokusbereich 60 definiert ist, in dem eine ausreichend hohe Intensität der Streuung 62 verlässlich so erzeugbar ist, dass ein signifikantes Streusignal selbst bei einer geringen Anzahl von Partikeln 64 und/oder einer geringen Partikelgröße im Fokusbereich 60 sichergestellt ist. Eine hohe und verlässliche Empfindlichkeit der Partikelsensorvorrichtung selbst auf wenige Partikel 56 mit einer kleinen Partikelgröße ist damit geschaffen.
Die vergleichsweise hohe Intensität der Streuung 62 (selbst bei einer geringen Anzahl von Partikeln 64 und/oder einer geringen Partikelgröße im Fokusbereich 60) erlaubt auch eine kostengünstige und bauraumsparende Ausbildung der optischen Detektoreinrichtung 50b. Somit können kostengünstige und wenig Bauraum benötigende Detektoren/Photodioden für die optische Detektoreinrichtung 50b an der Partikelsensorvorrichtung eingesetzt sein.
Unter der optischen Emittiereinrichtung 50a und der optischen Detektoreinrichtung 50b müssen keine getrennt ausgebildeten Einrichtungen verstanden werden. Stattdessen können die optische Emittiereinrichtung 50a und die optische Detektoreinrichtung 50b als eine optische Emittier- und Detektoreinrichtung 50a und 50b ausgebildet sein. Beispielsweise können die optische Emittiereinrichtung 50a und die optische Detektoreinrichtung 50b auch auf und/oder in einem gemeinsamen Chip 66 ausgebildet sein.
Sofern die optische Emittiereinrichtung 50a mindestens einen VCSEL- und/oder VeCSEL-Laser 50a umfasst, ist in die optische Detektoreinrichtung 50b vorzugsweise mindestens eine in einen Schichtaufbau des VCSEL- oder VeCSEL-Lasers 50a integrierte Photodiode. Eine derartige optische Emittier- und Detektoreinrichtung 50a und 50b, bzw. der entsprechende Chip 66 ist als ein SMI VCSEL-Sensor 66 (integrierter Self-Mixing VCSEL-Sensor 66) bezeichenbar. Bei einem derartigen VCSEL-Sensor 66 erfolgt die Detektion der auf der mindestens einen Detektierfläche 64 auftreffenden Streuung 62 mittels einer Interferenz der Emission mit der auftreffenden Streuung 62. Deshalb wird bei dem VCSEL-Sensor 66 ein nicht auf die Streuung 62 (an dem mindestens einen in dem Fokusbereich 60 vorliegenden Partikel 56) zurückzuführender Lichteinfall auf die mindestens eine Detektierfläche 64 automatisch herausgefiltert. Damit entfällt auch die herkömmliche Notwendigkeit, das Volumen 54 für den Nachweis oder die Untersuchung der Partikel 56 vor einem Umgebungslicht abzuschirmen. Die Kosten und der Bauraumbedarf für Lichtabschirmvorrichtungen entfallen somit an der Partikelsensorvorrichtung.
Bei einer gemeinsamen Integration der Einrichtungen 50a und 50b in den Chip 66 kann außerdem zumindest ein Teil der auf den Fokusbereich 60 fokussierten und zumindest teilweise an dem mindestens einen Partikel 56 in dem Fokusbereich 60 gestreuten optischen Strahlung/Streuung 62 mittels des mindestens einen Linsenelements/Fokussierelements 58 wieder zurück auf die mindestens eine Detektierfläche 64 gebündelt werden. Durch diese Multifunktionalität des mindestens einen Linsenelements/Fokussierelements 58, wie beispielsweise der (einzigen) Fokussierlinse 58, können weitere optische Bauteile an der Partikelsensorvorrichtung eingespart werden. Außerdem ist auf diese Weise sicherstellbar, dass (nahezu) ausschließlich die Streuung 62 aus dem Fokusbereich 60 auf die mindestens eine Detektierfläche 64 trifft. Das mindestens eine Linsenelement/Fokussierelements 58, wie insbesondere die (einzige) Fokussierlinse 58, schafft damit auch ein weiteres „räumlich-aufgelöstes Herausfiltern“ von unerwünschter Streustrahlung aus dem Restbereich des Volumens 54 (außerhalb des Fokusbereichs 60). Dies verbessert die Nachweisgenauigkeit der Partikelsensorvorrichtung und reduziert deren Fehlerrate.
Die Ausbildbarkeit der Partikelsensorvorrichtung ist jedoch nicht auf die gemeinsame Integration der Einrichtungen 50a und 50b in den Chip 66 oder auf einem bestimmten Chiptyp des gemeinsamen Chips 66 limitiert.
Die optische Detektoreinrichtung 50b ist dazu ausgelegt, mindestens ein Informationssignal/Sensorsignal 68 bezüglich einer Intensität und/oder einer Intensitätsverteilung der auf der mindestens einen Detektierfläche 64 auftreffenden optischen Strahlung/Streuung 62 auszugeben. Die Partikelsensorvorrichtung hat außerdem auch eine Auswerteeinrichtung 70, mittels welcher unter Berücksichtigung des mindestens einen Informationssignals/Sensorsignals 68 eine Information 72 bezüglich eines Vorliegens von Partikeln 56, einer Partikelanzahl, einer Partikeldichte und/oder einer Eigenschaft von Partikeln 56 festlegbar und ausgebbar ist. Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung 70 dazu ausgelegt sein, eine mittlere Partikelgröße, eine Partikelgrößenverteilung, eine mittlere Partikelmasse, eine Partikelmassenverteilung, eine mittlere Partikelform, eine Partikelformverteilung, eine mittlere Partikelgeschwindigkeit und/oder eine Partikelgeschwindigkeitsverteilung als die mindestens eine Eigenschaft von Partikeln 56 festzulegen.
2b zeigt ein Koordinatensystem, dessen Abszisse eine Frequenz f (in Hertz) und dessen Ordinate eine Intensität I für einen SMI VCSEL-Sensor wiedergeben. Eingezeichnet ist ein Fourier-Spektrum/eine Fourriertransformation einer Intensitätsverteilung als Beispiel eines möglichen Informationssignals/Sensorsignal 68 der optischen Detektoreinrichtung 50b. Anhand von auftretenden Frequenzbändern können ein Vorliegen von Partikeln 56 und deren Geschwindigkeiten nachgewiesen/gemessen werden. (Eine mittlere Partikelgröße der für dieses Experiment verwendeten Partikel 56 lag bei 3 µm.) Erkennbar ist, dass mittels der Partikelsensorvorrichtung auch einzelne Partikel detektierbar sind. Die 2b ist jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
Als vorteilhafte Weiterbildung weist die in 2a schematisch dargestellte Partikelsensorvorrichtung zusätzlich noch eine (lediglich schematisch dargestellte) Spiegeleinrichtung 74 auf, mittels welcher der Fokusbereich 60 ein- oder zweidimensional innerhalb des Volumens 64 verschiebbar ist. Die Spiegeleinrichtung 74 kann z.B. einen einzigen Spiegel aufweisen, welcher um eine Schwingachse oder um zwei Schwingachsen verstellbar ist. Ebenso kann die Spiegeleinrichtung 74 auch zwei um eine Schwingachse verstellbare Spiegel umfassen, wobei die beiden Schwingachsen der verschiedenen Spiegel geneigt, vorzugsweise senkrecht, zueinander ausgerichtet sind. Der mindestens eine Spiegel der Spiegeleinrichtung 74 kann beispielsweise ein MEMS-Spiegel sein. Ein Verstellbereich des mindestens einen Spiegels der Spiegeleinrichtung 74 ist vorzugsweise kleiner als 45°, insbesondere kleiner als 20°. Der Verstellbereich des mindestens einen Spiegels der Spiegeleinrichtung 74 kann jedoch bis zu 360° betragen.
Die Ausstattung der Partikelsensorvorrichtung mit der Spiegeleinrichtung 74 ermöglicht ein Abrastern eines vergleichsweise großen Bereichs des Volumens 54, insbesondere des gesamten Volumens 54, obwohl der aktuell (innerhalb eines kurzen Zeitintervalls) untersuchte Fokusbereich 60 klein bleibt. Deshalb ist es nicht mehr nötig, Partikel 56 (z.B. mittels eines Luft- oder Flüssigkeitsstroms) aktiv in den Fokusbereich 60 zu leiten. Saug- und/oder Pumpvorrichtungen können damit an der Partikelsensorvorrichtung eingespart werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Partikelsensorvorrichtung.
Die in 3 schematisch dargestellte Partikelsensorvorrichtung weist ebenfalls eine Optik auf, welche realisiert, dass die emittierte optische Strahlung 52 auf einen Fokusbereich 60 (inmitten eines Strahlgangs) fokussiert wird. Hierdurch wird erreicht, dass in dem Fokusbereich 60 eine erhöhte Leuchtdichte auftritt und eine Intensität der Streuung 62 aus dem Fokusbereich 60 gesteigert ist.
Auch in diesem Fall wird die Streuung 62 durch das mindestens eine Partikel 56 in dem Fokusbereich 60 erzeugt und über die Optik zurück auf einen gemeinsamen Chip 66 der Einrichtungen 50a und 50b gelenkt. Nur Partikel 56, die in (oder nahe) dem Fokusbereich 60 liegen, erzeugen eine auf die mindestens eine Detektierfläche 64 fallende Streuung, während die unerwünschte Streustrahlung von einem Restbereich des Volumens 54 (außerhalb dem Fokusbereich 60) (räumlich und spektral) herausfilterbar ist.
Zu erkennen ist, dass der Fokusbereich 60 mittels der Spiegeleinrichtung 74 in mindestens einer Raumrichtung 76 so verschiebbar ist, dass ein zwei-dimensionaler fächer-förmiger oder ein drei-dimensionaler trichter-förmiger Bereich des Volumens 54 abrastbar ist. Mittels eines derartigen Scannens des Fokusbereichs 60 kann damit ein vergrößerter Bereich auf das Vorliegen von Partikeln 56, bzw. auf deren Eigenschaften, untersucht werden. Hierdurch wird beispielsweise erreicht, dass die Messzeit für z.B. einen statistisch relevanten Mittelwert der Partikeldichte pro Volumen stark reduziert werden kann.
Alle oben beschriebenen Ausführungsformen der Partikelsensorvorrichtung sind als Partikelnachweisvorrichtung und/oder Partikelzählervorrichtung einsetzbar. Sie ermöglichen eine Fokussierung der emittierten Strahlung 52 derart, dass nur die Streuung 62 von Partikeln 56, die sich in dem Fokusbereich 60 bei ca. ±20 % der Brennweite befinden, auf die mindestens eine Detektierfläche 64 auftrifft.
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen ist die emittierte optische Strahlung 52 mittels des mindestens einen Linsenelements/Fokussierelements 58 auf einen Fokusbereich 60 mit einer Fokuslänge unter 20 cm und/oder einem Fokusdurchmesser unter 1000 µm fokussierbar. Insbesondere kann die Fokuslänge kleiner als 5 cm sein. Bevorzugt liegt die Fokuslänge zwischen 1 bis 3 cm. Der Fokusdurchmesser kann unter 100 µm, vorzugsweise zwischen 1 und 20 µm, liegen.
Alle oben beschriebenen Partikelsensorvorrichtungen können eine kompakte Bauweise aufweisen. Insbesondere können die Partikelsensorvorrichtungen jeweils einen Bauraumbedarf unter 1 cm³ haben. Außerdem ist jede der oben beschriebenen Partikelsensorvorrichtungen kostengünstig herstellbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013202423 A1 [0002]

Claims

Partikelsensorvorrichtung mit: einer optischen Emittiereinrichtung (50a), welche zur Emission einer optischen Strahlung (52) innerhalb eines Emissionsspektrums der optischen Emittiereinrichtung (50a) so ausgelegt ist, dass ein vorrichtungsexternes oder vorrichtungsinternes Volumen (54) mit mindestens einem möglicherweise darin vorliegenden Partikel (56) zumindest teilweise mit der emittierten optischen Strahlung (52) beleuchtbar ist; einer optischen Detektoreinrichtung (50b) mit mindestens einer Detektierfläche (64), wobei die mindestens eine Detektierfläche (64) so angeordnet ist, dass zumindest ein Teil der von der optischen Emittiereinrichtung (50a) emittierten und zumindest teilweise an dem mindestens einem Partikel (56) gestreuten optischen Strahlung (62) auf die mindestens eine Detektierfläche (64) trifft, und wobei die optische Detektoreinrichtung (50b) dazu ausgelegt ist, mindestens ein Informationssignal (68) bezüglich einer Intensität und/oder einer Intensitätsverteilung der auf der mindestens einen Detektierfläche (64) auftreffenden optischen Strahlung (62) auszugeben; und einer Auswerteeinrichtung (70), mittels welcher unter Berücksichtigung des mindestens einen Informationssignals (68) eine Information (72) bezüglich eines Vorliegens von Partikeln (56), einer Partikelanzahl, einer Partikeldichte und/oder mindestens einer Eigenschaft von Partikeln (56) festlegbar und ausgebbar ist; gekennzeichnet durch mindestens ein Linsenelement (58), welches so angeordnet ist, dass die emittierte optische Strahlung (52) mittels des mindestens einen Linsenelements (58) auf einen Fokusbereich (60) innerhalb des Volumens (54) fokussierbar ist.
Partikelsensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil der auf den Fokusbereich (60) fokussierten und zumindest teilweise an dem mindestens einen Partikel (56) in dem Fokusbereich (60) gestreuten optischen Strahlung (62) mittels des mindestens einen Linsenelements (58) auf die mindestens eine Detektierfläche (64) fokussierbar ist.
Partikelsensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die emittierte optische Strahlung (52) mittels des mindestens einen Linsenelements (58) auf einen Fokusbereich (60) mit einer Fokuslänge unter 20 cm und/oder einem Fokusdurchmesser unter 1000 µm fokussierbar ist.
Partikelsensorvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die emittierte optische Strahlung (52) mittels des mindestens einen Linsenelements (58) auf einen Fokusbereich (60) mit einer Fokuslänge zwischen 1 bis 3 cm und/oder einem Fokusdurchmesser zwischen 1 bis 20 µm fokussierbar ist.
Partikelsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgelegt ist, eine mittlere Partikelgröße, eine Partikelgrößenverteilung, eine mittlere Partikelmasse, eine Partikelmassenverteilung, eine mittlere Partikelform, eine Partikelformverteilung, eine mittlere Partikelgeschwindigkeit und/oder eine Partikelgeschwindigkeitsverteilung als die mindestens eine Eigenschaft von Partikeln (56) festzulegen.
Partikelsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die emittierte optische Strahlung (52) und/oder die gestreute optische Strahlung (62) mittels des self mixing interference Effektes analysiert wird.
Partikelsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Emittiereinrichtung (50a) und die optische Detektoreinrichtung (50b) auf und/oder in einem gemeinsamen Chip (66) ausgebildet sind.
Partikelsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Emittiereinrichtung (50a) mindestens einen VCSEL-Laser und/oder VeCSEL-Laser (50a) umfasst.
Partikelsensorvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die optische Detektoreinrichtung (50b) mindestens eine in einen Schichtaufbau des VCSEL-Lasers oder VeCSEL-Lasers (50a) integrierte Photodiode umfasst.
Partikelsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikelsensorvorrichtung zusätzlich eine Spiegeleinrichtung (74) umfasst, mittels welcher der Fokusbereich (60) ein- oder zweidimensional innerhalb des Volumens (54) verschiebbar ist.
Partikelsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikelsensorvorrichtung eine Partikelnachweisvorrichtung und/oder eine Partikelzählervorrichtung ist.