DE102017207571A1

DE102017207571A1 - Sensorvorrichtung mit einer Optikeinrichtung und Abrasterverfahren

Info

Publication number: DE102017207571A1
Application number: DE102017207571.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Niklas Caspers
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2018-11-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung mit einer Optikeinrichtung (10, 12), wobei die Optikeinrichtung (10, 12) derart ausgebildet oder so ansteuerbar ist, dass ein mit einer Lichtauftreffrichtung (14) auf eine Lichtauftrefffläche (15) der Optikeinrichtung (10, 12) auftreffender Lichtstrahl (L₀) aufgrund von Materialeigenschaften, Festkörpereigenschaften, Änderungen der Materialeigenschaften und/oder Änderungen der Festkörpereigenschaften an Bereichen seines durch die Optikeinrichtung (10, 12) transmittierenden Lichts trotz einer konstanten Stellung der Optikeinrichtung (10, 12) in Bezug zu ihrem Gehäuse in eine Vielzahl von aus der Optikeinrichtung (10, 12) austretenden Austrittsstrahlen (L₁ bis L_n) umwandelbar ist, wobei die mittels der Optikeinrichtung (10, 12) bewirkten Austrittsstrahlen (L₁ bis L_n) um unterschiedliche Ablenkwinkel (ψ) geneigt zu der Lichtauftreffrichtung (14) ausgerichtet sind und/oder auf unterschiedliche Brennweiten fokussiert sind. Ebenso betrifft die Erfindung ein Abrasterverfahren und ein Nachweis- und/oder Messverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung mit einer Optikeinrichtung. Ebenso betrifft die Erfindung ein Abrasterverfahren und ein Nachweis- und/oder Messverfahren.
Stand der Technik
In der DE 10 2014 223 151 A1 ist ein Partikelzähler beschrieben, welcher eine Laserlichtquelle, einen Laserscanner und einen Photodetektor aufweist. Ein von der Laserlichtquelle emittiertes Licht trifft auf mindestens einen um mindestens eine Drehachse auslenkbaren Spiegel des Laserscanners. Auf diese Weise sollen ein Volumen mittels des von dem Laserscanner abgelenkten Lichts abrasterbar und Partikel innerhalb des abgerasterten Volumens quantitativ erfassbar sein.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Sensorvorrichtung mit einer Optikeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Abrasterverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und ein Nachweis- und/oder Messverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft vorteilhafte Möglichkeiten zum Abrastern/Scannen eines Volumens mit Licht ohne einen Einsatz eines auslenkbaren/verstellbaren Spiegels/Mikrospiegels. Im Gegensatz zu den herkömmlicherweise zum Abrastern/Scannen eingesetzten Spiegeln/Mikrospiegeln haben die mittels der vorliegenden Erfindung geschaffenen Möglichkeiten eine hohe Robustheit gegenüber externen Vibrationen/Raumschwingungen. Verlässlichkeitsprobleme, wie sie herkömmlicherweise manchmal bei einem Einsatz mindestens eines Spiegels/Mikrospiegels zum Abrastern/Scannen auftreten, sind bei einer Nutzung der vorliegenden Erfindung nicht zu befürchten. Die vorliegende Erfindung schafft damit auch verlässlichere Möglichkeiten zum Untersuchen eines Volumens mittels eines Abrasterns/Scannens des Volumens durch Licht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Sensorvorrichtung umfasst die Optikeinrichtung eine Ablenkeinrichtung, welche derart ausgebildet oder so ansteuerbar ist, dass der mit der Lichtauftreffrichtung auf der Lichtauftrefffläche der Ablenkeinrichtung als der Lichtauftreffrichtung der Optikeinrichtung auftreffende Lichtstrahl aufgrund von Materialeigenschaften, Festkörpereigenschaften, Änderungen der Materialeigenschaften und/oder Änderungen der Festkörpereigenschaften an Bereichen seines durch die Ablenkeinrichtung transmittierenden Lichts in die Vielzahl von aus der Ablenkeinrichtung austretenden Austrittsstrahlen umwandelbar ist, wobei die mittels der Ablenkeinrichtung bewirkten Austrittsstrahlen um unterschiedliche Ablenkwinkel geneigt zu der Lichtauftreffrichtung ausgerichtet sind, und wobei der jeweilige Ablenkwinkel abhängig von einer Wellenlänge des jeweiligen Austrittsstrahls oder mittels der gesteuerten Ablenkeinrichtung festlegbar ist, und eine Linseneinrichtung mit einer weiteren Lichtauftrefffläche, auf welche die mittels der Ablenkeinrichtung bewirkten Austrittsstrahlen auftreffen, wobei die Linseneinrichtung derart ausgebildet oder so ansteuerbar ist, dass die mittels der Ablenkeinrichtung bewirkten Austrittsstrahlen mit einer fest vorgegebenen oder mittels der gesteuerten Linseneinrichtung festlegbaren Brennweite fokussierbar sind.
Kostengünstiger Weise umfasst die Ablenkeinrichtung ein diffraktives optisches Element. Somit können vergleichsweise billige und relativ wenig Bauraum benötigende diffraktive optische Elemente für die Ablenkeinrichtung genutzt werden. Beispielsweise kann das diffraktive optische Element ein Prisma, ein optisches Gitter und/oder eine Holostruktur umfassen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Sensorvorrichtung umfasst die Ablenkeinrichtung ein optisches Element aus Flüssigkristallen. In Flüssigkristallen lässt sich ein lokaler Brechungsindex mittels eines angelegten elektrischen Feldes verlässlich so variieren, dass der auftreffende Lichtstrahl um einen variierbaren Ablenkwinkel gegenüber der Lichtauftreffrichtung ablenkbar ist. Außerdem weist ein optisches Element aus Flüssigkristallen eine hohe Robustheit gegenüber externen Vibrationen/ Raumvibrationen auf, so dass der gewünschte Ablenkwinkel selbst bei starken Erschütterungen in einer Umgebung der Sensorvorrichtung relativ verlässlich einhaltbar ist.
In einer ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform der Sensorvorrichtung umfasst die Ablenkeinrichtung einen Wellenleiter, an welchem eine Vielzahl von Lichtemittiereinheiten über je eine Phasenschiebereinheit angebunden ist. Auch eine derartige Ablenkeinrichtung kann relativ unbeeinträchtigt durch starke Erschütterungen in ihrer Umgebung ihre gewünschte Funktion verlässlich erfüllen.
Vorzugsweise ist die Ablenkeinrichtung an und/oder in einem Halbleitersubstrat ausgebildet. Somit können Prozesse der Halbleitertechnologie zum Herstellen zumindest der Ablenkeinrichtung der Sensorvorrichtung genutzt werden. Dies erleichtert eine Minimierung zumindest der Ablenkeinrichtung. Die hier beschriebene Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist deshalb vergleichsweise leicht und mit einem relativ geringen Bauraumbedarf realisierbar.
Beispielsweise kann die Linseneinrichtung eine zylindrische Linse oder eine Flüssigkristalllinse umfassen. Somit kann mit der zylindrischen Linse ein relativ kostengünstiger Linsentyp für die Linseneinrichtung genutzt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Sensorvorrichtung umfasst die Optikeinrichtung eine Fokussiereinrichtung, welche derart ausgebildet oder so ansteuerbar ist, dass der mit der Lichtauftreffrichtung auf der Lichtauftrefffläche der Fokussiereinrichtung als der Lichtauftrefffläche der Optikeinrichtung auftreffende Lichtstrahl aufgrund von Materialeigenschaften, Festkörpereigenschaften, Änderungen der Materialeigenschaften und/oder Änderungen der Festkörpereigenschaften an Bereichen seines durch die Fokussiereinrichtung transmittierenden Lichts in die Vielzahl von aus der Fokussiereinrichtung austretenden Austrittsstrahlen umwandelbar ist, wobei die mittels der Fokussiereinrichtung bewirkten Austrittsstrahlen auf unterschiedliche Brennweiten fokussiert sind, und wobei die jeweilige Brennweite abhängig von einer Wellenlänge des jeweiligen Austrittsstrahls oder mittels der gesteuerten Fokussiereinrichtung festlegbar ist.
Die Fokussiereinrichtung kann an und/oder in einem Halbleitersubstrat ausgebildet sein. Somit können Prozesse der Halbleitertechnologie auch zum Herstellen zumindest der Fokussiereinrichtung der Sensorvorrichtung genutzt werden. Dies ermöglicht ein deutlich reduziertes Bauvolumen zumindest der Fokussiereinrichtung.
Beispielsweise umfasst die Fokussiereinrichtung eine Flüssigkristalllinse. In diesem Fall ist eine Brennweite der Flüssigkristalllinse mittels eines daran angelegten elektrischen Feldes entlang einer optischen Achse der Flüssigkristalllinse veränderbar.
Vorzugsweise ist die Sensorvorrichtung ausgebildet mit einer Lichtemittiereinrichtung, welche derart ausgebildet und zu der Optikeinrichtung so angeordnet ist, dass der von der Lichtemittiereinrichtung emittierte Lichtstrahl auf die Lichtauftrefffläche der Optikeinrichtung trifft auftrifft, wobei mittels der aus der Optikeinrichtung austretenden Austrittsstrahlen ein Volumen abrasterbar ist, einer Detektiereinrichtung, welche derart ausgebildet ist, dass eine Reflexion und/oder eine Emission aus dem abgerasterten Volumen zumindest teilweise mittels der Detektiereinrichtung detektierbar sind, und einer Auswerteeinrichtung, welche derart ausgebildet ist, dass eine Information bezüglich eines möglichen Vorkommens mindestens eines chemischen Stoffes in dem Volumen, mindestens einer Konzentration des mindestens einen chemischen Stoffes in dem Volumen und/oder mindestens eines Aggregatzustands des mindestens einen chemischen Stoffes in dem Volumen unter Berücksichtigung mindestens eines von der Detektiereinrichtung ausgegebenen Signals mittels der Auswerteeinrichtung festlegbar und ausgebbar ist. Z.B. kann die Sensorvorrichtung ein Partikelsensor sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der Sensorvorrichtung nicht auf diesen Sensortyp limitiert ist.
Auch ein korrespondierendes Abrasterverfahren schafft die oben beschriebenen Vorteile der Sensorvorrichtungen. Das Abrasterverfahren ist gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen der Sensorvorrichtung weiterbildbar.
Des Weiteren bewirkt auch ein Ausführen eines korrespondierenden Nachweis- und/oder Messverfahrens die oben beschriebenen Vorteile. Das Nachweis- und/oder Messverfahren ist gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen der Sensorvorrichtung weiterbildbar.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1a und 1b schematische Teildarstellungen einer ersten Ausführungsform der Sensorvorrichtung;
2 eine schematische Teildarstellung einer zweiten Ausführungsform der Sensorvorrichtung;
3 eine schematische Teildarstellung einer dritten Ausführungsform der Sensorvorrichtung;
4 eine schematische Teildarstellung einer vierten Ausführungsform der Sensorvorrichtung; und
5 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Abrasterverfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung
1a und 1b zeigen schematische Teildarstellungen einer ersten Ausführungsform der Sensorvorrichtung.
Die mittels der 1a und 1b schematisch wiedergegebene Sensorvorrichtung umfasst zumindest ein (nicht dargestelltes) Gehäuse und eine Optikeinrichtung 10 und 12, wobei die Optikeinrichtung 10 und 12 derart ausgebildet oder so ansteuerbar ist, dass ein mit einer Lichtauftreffrichtung 14 auf eine Lichtauftrefffläche 15 der Optikeinrichtung 10 und 12 auftreffender Lichtstrahl L₀ aufgrund von Materialeigenschaften, Festkörpereigenschaften, Änderungen der Materialeigenschaften und/oder Änderungen der Festkörpereigenschaften an Bereichen seines durch die Optikeinrichtung 10 und 12 transmittierenden Lichts trotz einer konstanten/starren/unveränderten Stellung der Optikeinrichtung 10 und 12 in Bezug zu dem Gehäuse in eine Vielzahl von aus der Optikeinrichtung 10 und 12 austretenden Austrittsstrahlen L₁ bis L_n umwandelbar ist. Die mittels der Optikeinrichtung 10 und 12 bewirkten Austrittsstrahlen L₁ bis L_n sind um unterschiedliche Ablenkwinkel ψ geneigt zu der Lichtauftreffrichtung 14 ausgerichtet und/oder auf unterschiedliche Brennweiten f fokussiert. Die Optikeinrichtung bewirkt somit eine „Aufsplitten“ des Lichtstrahls L₀ durch Bewirkung von Austrittsstrahlen L₁ bis L_n mit unterschiedlichen Ablenkwinkeln ψ und/oder Fokussierung mit unterschiedlichen Brennweiten f. Mittels des Bewirken der Austrittsstrahlen L₁ bis L_n mit unterschiedlichen Ablenkwinkeln ψ kann der Lichtstrahl L₀ senkrecht zu einer Lichtausfallsrichtung (aus der Optikeinrichtung 10 und 12) „aufgesplittet“ werden, bzw. ein Volumen senkrecht zu der Lichtausfallsrichtung abgerastert werden. Mittels der Fokussierung mit unterschiedlichen Brennweiten f kann der Lichtstrahl L₀ parallel zu der Lichtausfallsrichtung „komprimiert“ werden, bzw. ein Volumen parallel zu der Lichtausfallsrichtung abgerastert werden.
In der Ausführungsform der 1a und 1b umfasst die Optikeinrichtung 10 und 12 eine Ablenkeinrichtung 10 und eine Linseneinrichtung 12. Die Ablenkeinrichtung 10 ist derart ausgebildet oder so ansteuerbar, dass der mit einer Lichtauftreffrichtung 14 auf der Lichtauftrefffläche 15 der Ablenkeinrichtung 10 (als der Lichtauftrefffläche der Optikeinrichtung 10 und 12) auftreffende Lichtstrahl L₀ aufgrund von Materialeigenschaften, Festkörpereigenschaften, Änderungen der Materialeigenschaften und/oder Änderungen der Festkörpereigenschaften an Bereichen seines durch die Ablenkeinrichtung 10 transmittierenden Lichts in die Vielzahl von aus der Ablenkeinrichtung 10 austretenden Austrittsstrahlen L₁ bis L_n umwandelbar ist. Die mittels der Ablenkeinrichtung 10 bewirkten Austrittsstrahlen L₁ bis L_n sind um unterschiedliche Ablenkwinkel ψ geneigt zu der Lichtauftreffrichtung 14 ausgerichtet. Der jeweilige Ablenkwinkel ψ (jedes Austrittstrahls L₁ bis L_n) ist entweder abhängig von einer Wellenlänge des jeweiligen Austrittsstrahls L₁ bis L_n oder mittels der gesteuerten Ablenkeinrichtung 10 festlegbar/festgelegt.
Bei der Optikeinrichtung 10 und 12 der 1a und 1b umfasst/ist die Ablenkeinrichtung 10 ein diffraktives optisches Element 10. Beispielsweise kann das diffraktive optische Element 10 ein Prisma, ein optisches Gitter und/oder ein Holostruktur (wie z.B. eine Holoschicht, ein Holoschichtaufbau oder eine Holoplatte) sein/umfassen. Alle hier beschriebenen Beispiele für das diffraktive optische Element 10 sind kostengünstig herstellbar und benötigen relativ wenig Bauraum. Die hier beschriebenen Beispiele für das diffraktive optische Element 10 sind jedoch nicht als abschließend zu interpretieren.
Häufig ist bei dem diffraktiven optischen Element 10 der jeweilige Ablenkwinkel ψ der Austrittsstrahlen L₁ bis L_n abhängig von einer Wellenlänge des jeweiligen Austrittsstrahls L₁ bis L_n. Die unterschiedlichen Ablenkwinkel ψ der Austrittsstrahlen L₁ bis L_n sind beispielsweise bewirkbar, indem polychromatisches Licht als Lichtstrahl L₀ auf die Ablenkeinrichtung 10 gerichtet wird. Ebenso kann jedoch auch eine Wellenlänge des Lichtstrahls L₀ zeitlich variiert werden, was eine zeitliche Änderung des Ablenkwinkels ψ der Austrittsstrahlen L₁ bis L_n bewirkt. Als Lichtemittiereinrichtung 16 zum Emittieren des Lichtstrahls L₀ kann somit sowohl eine Lichtemittiereinrichtung 16 mit einer polychromatischen Emission, welche beispielsweise „weißes Licht“ als den Lichtstrahl L₀ emittiert, oder eine Lichtemittiereinrichtung mit einer monochromatischen Emission bei zeitlich veränderbarer Emissionswellenlänge mit der Ablenkeinrichtung 10 zusammenwirken. Beispielsweise kann die Lichtemittiereinrichtung mit einer monochromatischen Emission bei zeitlich veränderbarer Emissionswellenlänge derart ausgelegt sein, dass die Emissionswellenlänge ihrer monochromatischen Emission mittels einer Änderung eines angelegten elektrischen Stroms variierbar ist.
Die in 1b skizzierte Linseneinrichtung 12 hat eine weitere Lichtauftrefffläche 18, auf welche die mittels der Ablenkeinrichtung 10 bewirkten Austrittsstrahlen L₁ bis L_n auftreffen. Die Linseneinrichtung 12 ist derart ausgebildet oder so ansteuerbar, dass die mittels der Ablenkeinrichtung 10 bewirkten Austrittsstrahlen L₁ bis L_n mit einer (aufgrund einer Ausbildung der Linseneinrichtung 12) fest vorgegebenen oder mittels der gesteuerten Linseneinrichtung 12 festlegbaren Brennweite f fokussierbar sind/fokussiert werden. In dem Beispiel der 1a und 1b ist die Linseneinrichtung 12 eine zylindrische Linse 12 (mit einer fest vorgegebenen Brennweite f). Somit kann ein kostengünstiger Linsentyp für die Linseneinrichtung 12 eingesetzt werden. Die Verwendung der zylindrischen Linse 12 als die Linseneinrichtung 12 ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen.
Die mittels der 1a und wiedergegebene Optikeinrichtung 10 und 12 der Sensorvorrichtung kann zum Abrastern eines Volumens eingesetzt werden. Mittels der Ablenkeinheit 10 wird der Lichtstrahl L₀ zuerst um einen variierten/variierbaren Neigungswinkel ψ abgelenkt. Anschließend erfolgt eine Fokussierung der Austrittsstrahlen L₁ bis L_n (vorzugsweise orthogonal zu einer durch die Variation des Neigungswinkels ψ definierten Ablenkrichtung). Die mittels der Optikeinrichtung bewirkbare Vielzahl von Brennpunkten ändert sich damit zumindest um den Neigungswinkel ψ. (In einer unten beschriebenen Weiterbildung kann auch die Brennweite f der Linseneinrichtung 12 zum Bewirken zusätzlicher Brennpunkte variierbar sein/variiert werden.)
Durch das Abrastern des Volumens kann beispielsweise mindestens ein Feinstaubpartikel 20 (anhand einer Streuung und/oder einer Emission aus dem Volumen) detektierbar sein. Auf vorteilhafte Möglichkeiten zum Nutzen der hier beschriebenen Sensorvorrichtung wird unten noch eingegangen.
2 zeigt eine schematische Teildarstellung einer zweiten Ausführungsform der Sensorvorrichtung.
In 2 ist lediglich die Ablenkeinrichtung 22 der Sensorvorrichtung bildlich wiedergegeben. Die Ablenkeinrichtung 22 umfasst einen (photonischen) Wellenleiter 24, an welchem eine Vielzahl von Lichtemittiereinheiten 26 über je eine (eigene) Phasenschiebereinheit 28 angebunden ist. Der Lichtstrahl L₀ wird in den (photonischen) Wellenleiter 24 eingekoppelt. Die Vielzahl von Lichtemittiereinheiten 26 sind über ihre Phasenschiebereinheiten 28 derart an den (photonischen) Wellenleiter 24 angebunden, dass Photonen aus dem Wellenleiter 24 zu den Lichtemittiereinheiten 26 transferieren. Vorzugsweise ist die Vielzahl der Lichtemittiereinheiten 26 als ein eindimensionales Array von Lichtemittiereinheiten 26 ausgebildet. (Die Lichtemittiereinheiten 26 können beispielsweise als eindimensionales Array auf einem optischen Chip angeordnet sein.) Insbesondere kann jede der Lichtemittiereinheiten 26 als ein vertikaler Emitter ausgebildet sein.
Die von jeder der Lichtemittiereinheiten 26 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen interferieren/überlagern sich zu aus der Ablenkeinrichtung 22 austretenden Austrittsstrahlen L₁ bis L_n, wobei ein jeweiliger Neigungswinkel ψ der Austrittsstrahlen L₁ bis L_n von den Phasendifferenzen zwischen den von den Lichtemittiereinheiten 26 ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen abhängt. Mittels eines Variierens der Phasendifferenzen kann deshalb der Neigungswinkel ψ der Austrittsstrahlen L₁ bis L_n zeitlich variiert werden. Durch ein Ansteuern der Vielzahl von Phasenschiebereinheiten der Ablenkeinrichtung 22 zur (variierten) Vorgabe der Phasendifferenzen zwischen den von den Lichtemittiereinheiten 26 ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen ist deshalb der Neigungswinkel ψ innerhalb eines relativ breiten Winkelbereichs variierbar. Die Phasenschiebereinheiten 28 können beispielsweise über ein Variieren einer an den Phasenschiebereinheiten 28 vorliegenden Temperatur und/oder über ein Variieren eines an den Phasenschiebereinheiten 28 vorherrschenden elektrischen Feldes so angesteuert werden, dass der Neigungswinkel ψ zeitlich variiert.
Die mittels der 2 schematisch wiedergegebene Sensorvorrichtung weist auch die Linseneinrichtung 12 auf, mittels welcher die Austrittsstrahlen L₁ bis L_n mit einer fest vorgegebenen oder mittels der gesteuerten Linseneinrichtung 12 festlegbaren Brennweite f fokussierbar sind/fokussiert werden. Auf eine bildliche Darstellung der Linseneinrichtung 12 in 2 ist jedoch verzichtet.
3 zeigt eine schematische Teildarstellung einer dritten Ausführungsform der Sensorvorrichtung.
Die Sensorvorrichtung der 3 hat als Ablenkeinrichtung 30 ein optisches Element 30 aus Flüssigkristallen 32. In Flüssigkristallen 32 läst sich ein lokaler Brechungsindex durch ein anliegendes elektrisches Feld verändern. Zum Ändern des anliegenden elektrischen Felds können z.B. Elektroden 34, welche an dem optischen Element 30 aus Flüssigkristallen 32 ausgebildet sind, eingesetzt werden. Mittels der Änderung des lokalen elektrischen Feldes sind Brechungsindexänderungen in dem optischen Element 30 aus Flüssigkristallen 32 bewirkbar, so dass eine Strahlablenkung der aus dem optischen Element 30 aus Flüssigkristallen 32 austretenden Austrittsstrahlen L₁ bis L_n um einen zeitlich variierenden Neigungswinkel ψ realisierbar ist.
Beispielhaft ist die Ablenkeinrichtung 30 der 3 auf einem Halbleitersubstrat 36, wie beispielsweise einen optischen Chip, ausgebildet. Auch die zuvor beschriebenen Ablenkeinrichtungen 10 und 22 können auf und/oder in einem entsprechenden Halbleitersubstrat 36 ausgebildet sein.
Auch die Ablenkeinrichtung 30 der 3 wirkt mit der Linseneinrichtung 12 zusammen, auf deren bildliche Darstellung in 3 jedoch verzichtet ist. Als Weiterbildung können Sensorvorrichtungen der 1a, 1b, 2 und 3 auch jeweils eine Flüssigkristalllinse als Linseneinrichtung 12 haben. In diesem Fall ist auch die Brennweite f der Linseneinrichtung 12 variabel verstellbar, was ein Abrastern eines Volumens in eine weitere Raumrichtung mittels des Variierens der Brennweite f (bzw. eine Tiefenvariation) ermöglicht.
Alle oben beschriebenen Ablenkeinrichtungen 10, 22 und 30 können relativ breite Wertebereiche für den Neigungswinkel ψ bewirken. Es wird hier darauf hingewiesen, dass der jeweilige Wertebereich für den Neigungswinkel ψ relativ frei auswählbar ist. Beispielsweise kann eine Winkeldifferenz zwischen einem maximalen Wert des Neigungswinkels ψ und einem minimalen Wert des Neigungswinkels ψ mindestens 20°, vorzugsweise mindestens 30°, bevorzugter Weise mindestens 40°, insbesondere mindestens 50° betragen.
4 zeigt eine schematische Teildarstellung einer vierten Ausführungsform der Sensorvorrichtung.
Die mittels der 4 teilweise wiedergegebene Sensorvorrichtung hat als Optikeinrichtung 38 eine Fokussiereinrichtung 38, welche derart ausgebildet oder so ansteuerbar ist, dass der mit der Lichtauftreffrichtung 14 auf der Lichtauftrefffläche 15 der Fokussiereinrichtung 38 (als der Lichtauftrefffläche der Optikeinrichtung 38) auftreffende Lichtstrahl L₀ aufgrund von Materialeigenschaften, Festkörpereigenschaften, Änderungen der Materialeigenschaften und/oder Änderungen der Festkörpereigenschaften an Bereichen seines durch die Fokussiereinrichtung 38 transmittierenden Lichts in die Vielzahl von aus der Fokussiereinrichtung 38 austretenden Austrittsstrahlen L₁ bis L_n umwandelbar ist, wobei die mittels der Fokussiereinrichtung 38 bewirkten Austrittsstrahlen L₁ bis L_n auf unterschiedliche Brennweiten f₁ bis f_n fokussiert sind. Die jeweilige Brennweite ist/wird abhängig von einer Wellenlänge des jeweiligen Austrittsstrahls L₁ bis L_n oder mittels der gesteuerten Fokussiereinrichtung 38 festlegbar/festgelegt. Als Lichtemittiereinrichtung 16 zum Emittieren des Lichtstrahls L₀ kann somit auch für die Sensorvorrichtung der 4 eine Lichtemittiereinrichtung 16 mit einer polychromatischen Emission, eine Lichtemittiereinrichtung mit einer monochromatischen Emission bei konstanter Emissionswellenlänge oder eine Lichtemittiereinrichtung mit einer monochromatischen Emission bei zeitlich veränderbarer Emissionswellenlänge eingesetzt werden.
In dem Beispiel der 4 ist die Fokussiereinrichtung 38 eine Flüssigkristalllinse 38. Obwohl in 4 nicht bildlich wiedergegeben, kann die Fokussiereinrichtung 38 an und/oder in einem Halbleitersubstrat ausgebildet sein.
Die oben beschriebenen Optikeinrichtungen mit den Ablenkeinrichtungen 10, 22 und 30 oder mit der Fokussiereinrichtung 38 sind gegenüber einer Spiegeleinrichtung/ Mikrospiegeleinrichtung (mit mindestens einem um mindestens eine Drehachse verstellbaren Spiegel/Mikrospiegel) als Festkörperablenkungseinheit abgrenzbar. Die „Aufweitung“ des Lichtstrahls L₀ um verschiedene Ablenkwinkel ψ und/oder verschiedene Brennweiten f₁ bis f_n erfolgt nicht durch ein räumliches Verstellen des mindestens einen Spiegels/Mikrospiegels der Spiegelvorrichtung/ Mikrospiegelvorrichtung, sondern aufgrund von Materialeigenschaften/Festkörpereigenschaften und/oder Änderungen der Materialeigenschaften/ Festkörpereigenschaften der Ablenkeinrichtungen 10, 22 und 30 oder der Fokussiereinrichtung 38. Die mit den Ablenkeinrichtungen 10, 22 und 30 oder mit der Fokussiereinrichtung 38 ausgestatteten Optikeinrichtungen weisen deshalb eine hohe Robustheit gegenüber externen Vibrationen auf. Man kann dies auch damit umschreiben, dass externe Vibrationen, wie beispielsweise Erschütterungen in einer Umgebung der Sensorvorrichtung mit der jeweiligen Optikeinrichtung, keine/kaum Auswirkungen auf den jeweiligen Ablenkwinkel ψ oder die jeweilige Brennweite f₁ bis f_n haben. Außerdem sind Beschädigungen an den Ablenkeinrichtungen 10, 22 und 30 oder der Fokussiereinrichtung 38 aufgrund von externen Vibrationen oder Erschütterungen in ihrer Umgebung nicht zu befürchten. Die Sensorvorrichtungen/Optikeinrichtungen können deshalb selbst in Umgebungen mit starken Erschütterungen oder an häufig bewegten Objekten verlässlich eingesetzt werden.
Die leichte Minimierbarkeit der Ablenkeinrichtungen 10, 22 und 30 oder der Fokussiereinrichtung 38 (welche z.B. auf und/oder an einem Halbleitersubstrat ausgebildet werden) erleichtert auch deren Integration in die Lichtemittiereinrichtung 16. Dies kann Kosten einsparen und ein Gesamtvolumen der jeweiligen Sensorvorrichtung reduzieren.
Alle oben beschriebenen Sensorvorrichtungen können mit der Lichtemittiereinrichtung 16 ausgestattet sein, welche derart ausgebildet und zu der jeweiligen Optikeinrichtung so angeordnet ist, dass der von der Lichtemittiereinrichtung 16 emittierte Lichtstrahl L₀ auf die Lichtauftrefffläche 15 der Optikeinrichtung trifft, wobei mittels der aus der Optikeinrichtung austretenden Austrittsstrahlen L₁ bis L_n ein Volumen abrasterbar ist/abgerastert wird. Als Lichtemittiereinrichtung 16 kann z.B. eine lichtemittierende Diode (LED) oder ein Laser, wie insbesondere ein Halbleiterlaser, eine Laserdiode, ein Oberflächenemitter oder ein VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise weisen die oben beschriebenen Sensorvorrichtungen auch jeweils eine (nicht skizzierte) Detektiereinrichtung auf, welche derart ausgebildet ist, dass eine Reflexion und/oder eine Emission aus dem abgerasterten Volumen zumindest teilweise mittels der Detektiereinrichtung detektierbar sind/detektiert werden. Die Detektiereinrichtung kann mindestens eine Photodiode umfassen. Insbesondere kann als Lichtemittiereinrichtung 16 ein selbstinterferierender Laseremitter z.B. mit integrierten Photodioden (als Detektiereinrichtung) eingesetzt werden. Der Vorteil der integrierten Photodioden ist eine Begrenzung ihrer Sensitivität auf eine bestimmte Wellenlänge, so dass das Detektionsprinzip nicht/kaum durch andere Lichtquellen, wie beispielsweise Sonneneinstrahlung, gestört wird.
Lediglich der besseren Übersichtlichkeit wegen sind die oben beschriebenen Sensorvorrichtungen ohne ihr Gehäuse dargestellt. Unter dem Gehäuse kann ein die Komponenten der jeweiligen Sensorvorrichtung zumindest teilweise umschließendes Gehäuse verstanden werden. Vorzugsweise umschließt das jeweilige Gehäuse die Komponenten der jeweiligen Sensorvorrichtung. Das Gehäuse kann insbesondere die Komponenten der jeweiligen Sensorvorrichtung staubdicht, flüssigkeitsdicht und/oder luftdicht/gasdicht umschießen.
Des Weiteren können die oben beschriebenen Sensorvorrichtungen auch jeweils eine (nicht-dargestellte) Auswerteeinrichtung haben, welche derart ausgebildet ist, dass eine Information bezüglich eines möglichen Vorkommens mindestens eines chemischen Stoffes 20 in dem Volumen, mindestens einer Konzentration des mindestens einen chemischen Stoffes 20 in dem Volumen und/oder mindestens eines Aggregatzustands des mindestens einen chemischen Stoffes 20 in dem Volumen unter Berücksichtigung mindestens eines von der Detektiereinrichtung ausgegebenen Signals mittels der Auswerteeinrichtung festlegbar und ausgebbar ist. Jede der oben beschriebenen Sensorvorrichtungen kann z.B. ein Partikelsensor/ Partikelmessgerät/Partikelzähler sein.
5 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Abrasterverfahrens.
In einem Verfahrensschritt S1 wird ein Lichtstrahl mittels einer in Bezug zu ihrem Gehäuse in einer konstanten/starren/unveränderten Stellung verharrenden Optikeinrichtung, auf deren Lichtauftrefffläche der Lichtstrahl mit einer Lichtauftreffrichtung auftrifft, aufgrund von Materialeigenschaften, Festkörpereigenschaften, Änderungen der Materialeigenschaften und/oder Änderungen der Festkörpereigenschaften an Bereichen seines durch die Optikeinrichtung transmittierenden Lichts in eine Vielzahl von aus der Optikeinrichtung austretenden Austrittsstrahlen umgewandelt. Dies geschieht derart, dass die mittels der Optikeinrichtung bewirkten Austrittsstrahlen um unterschiedliche Ablenkwinkel geneigt zu der Lichtauftreffrichtung ausgerichtet werden und/oder auf unterschiedliche Brennweiten fokussiert werden. Als die Optikeinrichtung können alle oben beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden.
Durch das Ausführen des Verfahrensschritts S1 wird ein Volumen mittels der aus der Optikeinrichtung austretenden Austrittsstrahlen abgerastert. Mittels der weiteren (optionalen) Verfahrensschritte S2 und S3 kann auf diese Weise auch ein Nachweis- und/oder Messverfahren durchgeführt werden.
In dem Verfahrensschritt S2 werden eine Reflexion und/oder eine Emission aus dem abgerasterten Volumen zumindest teilweise detektiert. In dem nachfolgenden Verfahrensschritt S3 wird eine Information bezüglich eines möglichen Vorkommens mindestens eines chemischen Stoffes in dem Volumen, mindestens einer Konzentration des mindestens einen chemischen Stoffes in dem Volumen und/oder mindestens eines Aggregatzustands des mindestens einen chemischen Stoffes in dem Volumen unter Berücksichtigung der Reflexion und/oder der Emission aus dem abgerasterten Volumen festgelegt.
Die Verfahrensschritte S1 bis S3 eignen sich gut zum Partikelnachweisen oder Partikelzählen. Wird ein Partikel in dem mittels der aus der Optikeinrichtung austretenden Austrittsstrahlen abgerasterten Volumen getroffen, so streut das Partikel Licht, welches mittels der Verfahrensschritte S2 und S3 detektiert und ausgewertet wird.
Ein Volumeninhalt des abgerasterten Volumens und die Koordinaten des abgerasterten Volumens werden durch externe Vibrationen/Erschütterungen nicht/kaum beeinträchtigt. Somit kann das zu untersuchende Volumen verlässlich abgerastert werden. Ein Fehler in einer gemessenen Partikelkonzentration aufgrund eines Abweichens des tatsächlich abgerasterten Volumens von einem vorgegebenen „Soll-Volumen“ muss nicht befürchtet werden. Die die Partikelkonzentration kann deshalb immer akkurat bestimmt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014223151 A1 [0002]

Claims

Sensorvorrichtung mit: einem Gehäuse; und einer Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38); wobei die Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) derart ausgebildet oder so ansteuerbar ist, dass ein mit einer Lichtauftreffrichtung (14) auf eine Lichtauftrefffläche (15) der Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) auftreffender Lichtstrahl (L₀) aufgrund von Materialeigenschaften, Festkörpereigenschaften, Änderungen der Materialeigenschaften und/oder Änderungen der Festkörpereigenschaften an Bereichen seines durch die Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) transmittierenden Lichts trotz einer konstanten Stellung der Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) in Bezug zu dem Gehäuse in eine Vielzahl von aus der Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) austretenden Austrittsstrahlen (L₁ bis L_n) umwandelbar ist, wobei die mittels der Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) bewirkten Austrittsstrahlen (L₁ bis L_n) um unterschiedliche Ablenkwinkel (ψ) geneigt zu der Lichtauftreffrichtung (14) ausgerichtet sind und/oder auf unterschiedliche Brennweiten (f₁ bis f_n) fokussiert sind.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) umfasst: eine Ablenkeinrichtung (10, 22, 30), welche derart ausgebildet oder so ansteuerbar ist, dass der mit der Lichtauftreffrichtung (14) auf der Lichtauftrefffläche (15) der Ablenkeinrichtung (10, 22, 30) als der Lichtauftrefffläche (15) der Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) auftreffende Lichtstrahl (L₀) aufgrund von Materialeigenschaften, Festkörpereigenschaften, Änderungen der Materialeigenschaften und/oder Änderungen der Festkörpereigenschaften an Bereichen seines durch die Ablenkeinrichtung (10, 22, 30) transmittierenden Lichts in die Vielzahl von aus der Ablenkeinrichtung (10, 22, 30) austretenden Austrittsstrahlen (L₁ bis L_n) umwandelbar ist, wobei die mittels der Ablenkeinrichtung (10, 22, 30) bewirkten Austrittsstrahlen (L₁ bis L_n) um unterschiedliche Ablenkwinkel (ψ) geneigt zu der Lichtauftreffrichtung (14) ausgerichtet sind, und wobei der jeweilige Ablenkwinkel (ψ) abhängig von einer Wellenlänge des jeweiligen Austrittsstrahls (L₁ bis L_n) oder mittels der gesteuerten Ablenkeinrichtung (22, 30) festlegbar ist; und eine Linseneinrichtung (12) mit einer weiteren Lichtauftrefffläche (18), auf welche die mittels der Ablenkeinrichtung (10, 22, 30) bewirkten Austrittsstrahlen (L₁ bis L_n) auftreffen, wobei die Linseneinrichtung (12) derart ausgebildet oder so ansteuerbar ist, dass die mittels der Ablenkeinrichtung (10, 22, 30) bewirkten Austrittsstrahlen (L₁ bis L_n) mit einer fest vorgegebenen oder mittels der gesteuerten Linseneinrichtung (12) festlegbaren Brennweite (f₁ bis f_n) fokussierbar sind.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Ablenkeinrichtung (10) ein diffraktives optisches Element (10) umfasst.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das diffraktive optische Element (10) ein Prisma, ein optisches Gitter und/oder eine Holostruktur umfasst.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Ablenkeinrichtung (30) ein optisches Element (30) aus Flüssigkristallen (32) umfasst.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Ablenkeinrichtung (22) einen Wellenleiter (24), an welchem eine Vielzahl von Lichtemittiereinheiten (26) über je eine Phasenschiebereinheit (28) angebunden ist, umfasst.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Ablenkeinrichtung (10, 22, 30) an und/oder in einem Halbleitersubstrat (36) ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Linseneinrichtung (12) eine zylindrische Linse (12) oder eine Flüssigkristalllinse umfasst.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Optikeinrichtung (38) umfasst: eine Fokussiereinrichtung (38), welche derart ausgebildet oder so ansteuerbar ist, dass der mit der Lichtauftreffrichtung (14) auf der Lichtauftrefffläche (15) der Fokussiereinrichtung (38) als der Lichtauftrefffläche (15) der Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) auftreffende Lichtstrahl (L₀) aufgrund von Materialeigenschaften, Festkörpereigenschaften, Änderungen der Materialeigenschaften und/oder Änderungen der Festkörpereigenschaften an Bereichen seines durch die Fokussiereinrichtung (38) transmittierenden Lichts in die Vielzahl von aus der Fokussiereinrichtung (38) austretenden Austrittsstrahlen (L₁ bis L_n) umwandelbar ist, wobei die mittels der Fokussiereinrichtung (38) bewirkten Austrittsstrahlen (L₁ bis L_n) auf unterschiedliche Brennweiten (f₁ bis f_n) fokussiert sind, und wobei die jeweilige Brennweite (f₁ bis f_n) abhängig von einer Wellenlänge des jeweiligen Austrittsstrahls (L₁ bis L_n) oder mittels der gesteuerten Fokussiereinrichtung (38) festlegbar ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Fokussiereinrichtung (38) an und/oder in einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 9 und 10, wobei die Fokussiereinrichtung (38) eine Flüssigkristalllinse (38) umfasst.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit: einer Lichtemittiereinrichtung (16), welche derart ausgebildet und zu der Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) so angeordnet ist, dass der von der Lichtemittiereinrichtung (16) emittierte Lichtstrahl (L₀) auf die Lichtauftrefffläche (15) der Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) trifft auftrifft, wobei mittels der aus der Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) austretenden Austrittsstrahlen (L₁ bis L_n) ein Volumen abrasterbar ist; einer Detektiereinrichtung, welche derart ausgebildet ist, dass eine Reflexion und/oder eine Emission aus dem abgerasterten Volumen zumindest teilweise mittels der Detektiereinrichtung detektierbar sind; und einer Auswerteeinrichtung, welche derart ausgebildet ist, dass eine Information bezüglich eines möglichen Vorkommens mindestens eines chemischen Stoffes (20) in dem Volumen, mindestens einer Konzentration des mindestens einen chemischen Stoffes (20) in dem Volumen und/oder mindestens eines Aggregatzustands des mindestens einen chemischen Stoffes (20) in dem Volumen unter Berücksichtigung mindestens eines von der Detektiereinrichtung ausgegebenen Signals mittels der Auswerteeinrichtung festlegbar und ausgebbar ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung ein Partikelsensor ist.
Abrasterverfahren mit den Schritten: Umwandeln eines Lichtstrahls (L₀) mittels einer in Bezug zu ihrem Gehäuse in einer konstanten Stellung verharrenden Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38), auf deren Lichtauftrefffläche (15) der Lichtstrahl (L₀) mit einer Lichtauftreffrichtung (14) auftrifft, aufgrund von Materialeigenschaften, Festkörpereigenschaften, Änderungen der Materialeigenschaften und/oder Änderungen der Festkörpereigenschaften an Bereichen seines durch die Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) transmittierenden Lichts in eine Vielzahl von aus der Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) austretenden Austrittsstrahlen (L₁ bis L_n), wobei die mittels der Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) bewirkten Austrittsstrahlen (L₁ bis L_n) um unterschiedliche Ablenkwinkel (ψ) geneigt zu der Lichtauftreffrichtung (14) ausgerichtet werden und/oder auf unterschiedliche Brennweiten (f₁ bis f_n) fokussiert werden (S1).
Nachweis- und/oder Messverfahren mit den Schritten: Abrastern eines Volumens mittels des Abrasterverfahrens nach Anspruch 14, wodurch das Volumen mittels der aus der Optikeinrichtung (10, 12, 22, 30, 38) austretenden Austrittsstrahlen (L₁ bis L_n) abgerastert wird; Detektieren einer Reflexion und/oder einer Emission aus dem abgerasterten Volumen zumindest teilweise (S2); und Festlegen einer Information bezüglich eines möglichen Vorkommens mindestens eines chemischen Stoffes (20) in dem Volumen, mindestens einer Konzentration des mindestens einen chemischen Stoffes (20) in dem Volumen und/oder mindestens eines Aggregatzustands des mindestens einen chemischen Stoffes (20) in dem Volumen unter Berücksichtigung der Reflexion und/oder der Emission aus dem abgerasterten Volumen (S3).