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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lasersensormodul, wobei das Lasersensormodul eine Fähigkeit zum Detektieren einer Verschmutzung eines Emissionsfensters des Lasersensormoduls aufweist. Das Lasersensormodul ist in der Lage, eine Partikeldichte, eine Fluidgeschwindigkeit, eine Geste, einen Abstand zu einem Objekt und/oder die Anwesenheit von Objekten zu messen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere eine Detektorvorrichtung oder eine mobile Kommunikationsvorrichtung, die das Lasersensormodul aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Detektieren einer Verschmutzung eines Emissionsfensters eines Lasersensormoduls und ein entsprechendes Computerprogramm.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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WO 2018/104153 A1 offenbart ein Lasersensormodul zum Messen einer Partikeldichte von Partikeln unter Verwendung von Interferenz oder Selbstmischungsinterferenz. Das Lasersensormodul weist Laser auf, die angepasst sind, um Messlaserstrahlen zu emittieren. Eine optische Anordnung fokussiert die Messstrahlen auf Messvolumina. Die Laserstrahlen werden durch ein Emissionsfenster des Lasersensormoduls emittiert. Im Falle einer Blockierung des Emissionsfensters des Lasersensormoduls durch große Partikel wird vorgeschlagen, das blockierende Objekt in vorbestimmten Zeitdauern durch Treiben eines der Laser mit einem modulierten Treiberstrom zu detektieren. Dieses Dokument offenbart jedoch nicht, wie die Detektion des blockierenden Objektes in zuverlässiger Weise durchgeführt werden kann.
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Eine zuverlässige Detektion einer Verschmutzung des Emissionsfensters des Lasersensormoduls, selbst wenn die Verschmutzung nur durch Fingerabdrücke des Benutzers der Vorrichtung hervorgerufen wird, ist wichtig, um Messungen mit dem Lasersensormodul zuverlässig auszuführen, da derartige Verschmutzungen eine Auswirkung auf die Genauigkeit der Messung haben.
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US 2008/0088702 A1 offenbart ein Kamerasystem eines Fahrzeuges, mit einer Kamera mit einem optischen Strahlpfad, der zumindest ein optisches Element aufweist, um Bildinformation zu einem lichtempfindlichen Bildsensor zu führen. Zumindest ein Teststrahl kann mit einem transparenten Testelement gekoppelt werden, das auf der Eingangsseite vor dem Strahlpfad angeordnet ist, und, abhängig von einem Verschmutzungsgrad des Testelements, kann zumindest ein Teilstrahl, der eine Verschmutzung aufzeigt, von dem Testelement auf einen Sensor gerichtet werden, um den Teilstrahl, der eine Verschmutzung aufzeigt, zu empfangen.
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US 2009/0279070 A1 offenbart einen Halbleiterlaser, der derart arbeitet, dass eine erste Oszillationsperiode einer monoton zunehmenden Oszillationswellenlänge und eine zweite Oszillationsperiode einer abnehmenden Oszillationswellenlänge abwechselnd vorhanden sind. Eine Fotodiode konvertiert von dem Laser emittiertes Laserlicht und von einem Messziel rückkehrendes Licht in elektrische Signale. Eine Zähleinheit zählt die Anzahl von Interferenz-Wellenform-Komponenten, die von einem Ausgangssignal der Fotodiode in jeder der ersten und zweiten Oszillationsperioden gewonnen werden. Eine Berechnungsvorrichtung berechnet den Abstand zu dem Messziel aus einer kürzesten Laserwellenlänge und einer längsten Laserwellenlänge in einer Periode, während der die Zähleinheit die Anzahl an Interferenz-Wellenform-Komponenten zählt, und aus dem Zählergebnis, das von der Zähleinheit gewonnen wird. Dies ermöglicht es, den Abstand zu dem sich bewegenden Messziel und die Geschwindigkeit des Messziels zu messen.
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ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lasersensormodul mit erhöhter Zuverlässigkeit von mit dem Sensormodul durchzuführenden Messungen bereitzustellen.
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Es ist eine weitere Aufgabe, eine Vorrichtung mit einem solchen verbesserten Lasersensormodul bereitzustellen.
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Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zum zuverlässigen Detektieren einer Verschmutzung eines Emissionsfensters eines Lasersensormoduls bereitzustellen.
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Es ist eine weitere Aufgabe, ein entsprechendes Computerprogramm bereitzustellen, das von einem Lasersensormodul oder einer Vorrichtung mit dem Lasersensormodul ausgeführt werden kann.
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Die Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche definiert. Die abhängigen Ansprüche und die unten bereitgestellte Beschreibung definieren vorteilhafte Ausführungsformen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Lasersensormodul bereitgestellt. Das Lasersensormodul kann geeignet sein, eine Partikeldichte von Partikeln, eine Fluidgeschwindigkeit, eine Geste, einen Abstand zu einem Objekt und/oder die Anwesenheit von Objekten zu messen. Das Lasersensormodul weist zumindest eine Laserdiode, einen elektrischen Treiber zum Beaufschlagen der Laserdiode mit einem Treiberstrom, einen Detektor und eine optische Anordnung zum Fokussieren des Laserstrahls auf einen Fokusbereich auf. Die Laserdiode ist ausgelegt, einen Laserstrahl durch die optische Anordnung zu dem Fokusbereich zu emittieren, wobei die optische Anordnung ein Emissionsfenster aufweist. Der Detektor ist ausgelegt, um ein Interferenzsignal zu bestimmen. Das Lasersensormodul weist eine Verschmutzungsdetektionseinheit auf, die ausgebildet ist, eine Wellenlänge des Laserstrahls mit einer Variationsamplitude über eine vorbestimmte Zeitdauer zu variieren, um ein Verschmutzungsdetektionssignal, das eine Verschmutzung des Emissionsfensters aufzeigt, basierend auf einem Interferenzsignal während der Wellenlängenvariation des Laserstrahls bereitzustellen. Die Variationsamplitude und vorbestimmte Zeitdauer sind eingestellt, um das Verschmutzungsdetektionssignal mit einer Frequenz in einem Bereich von 1 kHz bis 100 MHz, vorzugsweise von 1 kHz bis 50 MHz, weiter vorzugsweise von 10 kHz bis 1 MHz zu erzeugen. Vorzugsweise ist die vorbestimmte Zeitdauer der Wellenlängenvariation derart, dass eine Dauer des Verschmutzungsdetektionssignals in einem Bereich von 1 µs bis 5 ms, vorzugsweise von 10 µs bis 1 ms liegt.
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Das Interferenzsignal kann ein Selbstmischungsinterferenz-(SMI)-Signal einer optischen Welle innerhalb einer Laserkavität der Laserdiode sein. Das Interferenzsignal oder Selbstmischungsinterferenzsignal kann durch Laserlicht des Laserstrahls erzeugt sein, das von zumindest einem Partikel oder einem Objekt reflektiert oder gestreut wird, kann aber auch durch Streuung von der Verschmutzung erzeugt sein. Das Lasersensormodul kann zwei, drei, vier oder mehr Laserdioden und entsprechende Detektoren aufweisen. Die Verwendung einer Mehrzahl an Laserstrahlen anstelle eines Laserstrahls für die Verschmutzungsdetektion kann den Vorteil haben, dass Variationen des Verschmutzungsdetektionssignals aufgrund von Speckeln an der Verschmutzung reduziert werden und die Verschmutzungsdetektionssignalamplitude erhöht wird, wie weiter unten beschrieben werden wird. Die Laserstrahlen, die von den verschiedenen Lasern emittiert werden, können zueinander geneigt sein, wenn sie durch das Emissionsfenster transmittiert werden.
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Die Wellenlängenvariation des Laserstrahls über eine eingestellte oder vorbestimmte Zeitdauer ermöglicht eine Detektion einer Verschmutzung des Emissionsfensters des Lasersensormoduls aus einem Interferenzsignal während der Wellenlängenvariation. Die Wellenlängenvariation erzeugt optische Pfadlängendifferenzen (in Anzahl von Wellen) zwischen der Laserdiode und dem Emissionsfenster während der vorbestimmten Zeitdauer. Die vorbestimmte Zeitdauer ist gewählt, um ein Verschmutzungsdetektionssignal mit einer Frequenz und Dauer bereitzustellen, das von einer Frontendelektronik des Sensormoduls oder einer Vorrichtung, die das Sensormodul aufweist, gut detektiert werden kann.
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Experimente haben gezeigt, dass Messungen beispielsweise einer Partikeldichte basierend auf Interferenz- und insbesondere Selbstmischungsinterferenz-Messungen bezüglich einer Verschmutzung des Emissionsfensters, durch das der Laserstrahl oder die Laserstrahlen emittiert werden, empfindlich sind. Die Verschmutzung oder Verunreinigung des Emissionsfensters kann die Intensität des emittierten Laserlichts und des rückreflektierten Laserlichts reduzieren (was zweimal entsprechende Transmissionsverluste verursacht). Weiterhin kann die Verunreinigung auch die Spotqualität im Messvolumen beeinflussen. Beide Defekte resultieren in einer ungewünschten Reduzierung von detektierter Partikelkonzentration. Die Verschmutzung oder Verunreinigung des Emissionsfensters verursacht eine Streuung des Laserlichts. Ein Teil dieses gestreuten Laserlichts wird in die Laserkavität der Laserdiode zurück reflektiert oder zurück gestreut. Je mehr Verunreinigung, umso mehr Laserlicht wird zur Laserkavität hin reflektiert. Dieses reflektierte Laserlicht führt nur zu einer geringfügigen DC-Leistungsänderung des Laser-Outputs, die auch von der Phasendifferenz des reflektierten Laserlichts bezüglich des Musters der stehenden Welle in der Laserkavität abhängt. Folglich kann das von der Verunreinigung oder Verschmutzung gestreute Licht nicht auf einfache Weise verwendet werden, um die Verschmutzung unter Verwendung von Interferenz oder Selbstmischungsinterferenz zu detektieren. Aus der Theorie und Experimenten ist es bekannt, dass Pfadlängenvariationen des reflektierten Laserlichts auftreten, wenn die Wellenlänge des Laserstrahls variiert wird. Diese optischen Pfadlängenvariationen (in Anzahl von Wellen) führt zu einem detektierbaren Interferenzsignal. Jedoch haben tiefere Erkenntnisse gezeigt, dass es für eine zuverlässige Detektion einer Verschmutzung, insbesondere Fingerabdrücken oder sehr feinem Staub auf dem Emissionsfenster, nicht ausreichend ist, nur die Wellenlänge des Laserstrahls zu variieren. Für eine zuverlässige Detektion einer Verschmutzung sind eine passende Detektionssignalfrequenz und Detektionssignaldauer unerlässlich für eine optimale Detektion der Verschmutzung. Weitere Erkenntnisse haben gezeigt, dass die Detektionssignalfrequenz und Detektionssignaldauer von der Zeitskala abhängen, über die die Wellenlänge variiert wird. In anderen Worten sollte die Wellenlängenvariationsgeschwindigkeit derart eingestellt sein, das die Verschmutzungsdetektionssignalfrequenz in einem Bereich von 1 kHz bis 100 MHz, vorzugsweise von 1 kHz bis 50 MHz, weiter vorzugsweise von 10 kHz bis 1 MHz liegt, und die Verschmutzungsdetektionssignaldauer in einem Bereich von 1 µs bis 5 ms, vorzugsweise von 10 µs bis 1 ms liegt.
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Die Verschmutzungsdetektionssignalfrequenz f kann mit der vorbestimmten Zeitdauer T, dem optischen Abstand d zischen der Laserdiode und dem Emissionsfenster und der Wellenlängenvariation Δλ, durch f ≈ (1/T) · 2d · (Δλ/λ2) verknüpft sein, wobei λ die nominelle Wellenlänge des von der Laserdiode emittierten Laserstrahls ist. Da d fest ist, und Δλ, für eine Laserdiode um die nominelle Wellenlänge λ herum begrenzt ist, kann die Zeitdauer T (oder Variationsgeschwindigkeit Δλ/T) passend gewählt werden, um die Detektionssignalfrequenz und -dauer zu erreichen, die für eine zuverlässige Detektion der Verschmutzung erforderlich sind. Wenn die Frequenz zu gering und/oder die Zeitdauer des Detektionssignals zu groß ist, kann die Detektion der Verschmutzung nicht in zuverlässiger Weise durchgeführt werden.
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Die Wellenlänge kann allein durch Vergrößern, allein durch Verkleinern oder Vergrößern und Verkleinern der Wellenlänge variiert werden.
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Die optische Anordnung kann ein optisches Element, beispielsweise eine Linse, zum Fokussieren des Laserstrahls auf den Fokusbereich aufweisen. Eine Oberfläche des optischen Elements kann das Emissionsfenster aufweisen. Das Emissionsfenster kann beispielsweise eine äußere Fläche der Linse sein. Das Emissionsfenster kann alternativ physikalisch von dem optischen Element separiert sein, beispielsweise ein Deckglas sein, das das optische Element bedeckt.
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Die Wellenlängenvariation zur Verschmutzungsdetektion kann auf einer Treiberstromvariation und/oder einer Vorspannungsvariation und/oder einer Temperaturvariation der Laserdiode basieren. Eine Treiberstromvariation ist gegenüber einer Temperaturvariation bevorzugt, da sie eine bessere Steuerung und Einstellung der vorbestimmten Zeitdauer als eine Temperaturvariation ermöglicht. Eine Temperaturvariation geschieht, für eine genügende Wellenlängenvariation, auf einer längeren Zeitskala, so dass die resultierende Verschmutzungsdetektionssignalfrequenz gering ist. Die Verwendung einer Treiberstromvariation ermöglicht es, die vorbestimmte Zeitdauer kürzer einzustellen, was in höheren Detektionsfrequenzen resultiert.
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Vorteilhafterweise kann eine Steigung der Treiberstromvariation derart eingestellt werden, dass für eine passende Detektion zumindest 3 Sinuswellen, beispielsweise 3, 4, oder 5 Sinuswellen, in dem Signal verfügbar sind. Die Steigung kann eine einzelne Steigung oder eine Mehrzahl von Steigungen sein.
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Die Steigung kann in einem Bereich von 0,05 mA/ms bis 1000 mA/ms, vorzugsweise in einem Bereich von 1,5 mA/ms bis 150 mA/ms, weiter vorzugsweise in einem Bereich von 5 mA/ms bis 50 mA/ms liegen.
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Die Verschmutzungsdetektionseinheit kann ausgelegt sein, um den elektrischen Treiber zu veranlassen, einen Treiberstrom an die Laserdiode bereitzustellen, der über die vorbestimmte Zeitdauer variiert, wobei eine Amplitude der Treiberstromvariation in einem Bereich von beispielsweise 0,5 mA bis 2 mA liegt, und vorzugsweise etwa 1 mA beträgt. Eine Variationsamplitude des Treiberstroms in dem gegebenen Bereich kann in einem ausreichenden Wellenlängenshift resultieren und in Kombination mit einer typischen Laserdiodennominalwellenlänge und einem typischen Abstand von der Laserdiode zu dem Emissionsfenster wird eine ausreichende Anzahl von Wellen in dem Detektionssignal erzeugt, die für eine zuverlässige Signalauslesung geeignet ist.
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Die vorbestimmte Zeitdauer, über die die Wellenlänge variiert wird, kann in einem Bereich von 1 µs bis 5 ms, beispielsweise von 10 µs bis 200 µs liegen. Vorbestimmte Zeitdauern in dem gegebenen Bereich, über die die Wellenlänge des Laserstrahls variiert wird, wurden als sehr geeignet gefunden zum Erzeugen des Verschmutzungsdetektionssignals mit einer Frequenz und Dauer in den gewünschten Bereichen.
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Die Verschmutzungsdetektionseinheit kann ausgelegt sein, um den elektrischen Treiber zu veranlassen, einen Treiberstrom an die Laserdiode bereitzustellen, der über die vorbestimmte Zeitdauer mit einer Steigung variiert, derart, dass die Wellenlänge des Laserstrahls linear über die vorbestimmte Zeitdauer variiert.
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Es ist vorteilhaft, die Wellenlänge des Laserstrahls linear über die Zeit zu variieren, da das Verschmutzungsdetektionssignal dann eine einzelne feste Frequenz aufweist. Eine einzelne Frequenz ist für eine Detektion vorteilhaft. Nichtsdestoweniger kann das detektierte Signal auch eine variierende Frequenz, beispielsweise eine Frequenz, die sich linear über die Zeit ändert, aufweisen.
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Im Fall, dass die Abhängigkeit der Emissionswellenlänge vom Treiberstrom für die gegebene Laserdiode linear ist, kann die Verschmutzungsdetektionseinheit ausgelegt sein, um den elektrischen Treiber zu veranlassen, einen Treiberstrom an die Laserdiode breitzustellen, der mit einer linearen Steigung über die vorbestimmte Zeitdauer variiert. Im Fall, dass die Abhängigkeit der Emissionswellenlänge vom Treiberstrom nicht-linear ist, kann die Verschmutzungsdetektionseinheit ausgelegt sein, den elektrischen Treiber zu veranlassen, einen Treiberstrom an die Laserdiode mit einem StromVariationsprofil oder einer nicht-linearen Steigung bereitzustellen, das bzw. die geeignet ist, um ein lineares Wellenlängenprofil über die vorbestimmte Zeitdauer zu erreichen.
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Der Treiberstrom zum Treiben der Laserdiode, um die Wellenlänge des Laserstrahls zu variieren, kann mit einer einzelnen Steigung oder mit einer Mehrzahl an Steigungen, beispielsweise in Form eines Sägezahnprofils, während der vorbestimmten Zeitdauer variieren.
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Die Verschmutzungsdetektionseinheit kann ausgelegt sein, um den elektrischen Treiber zu veranlassen, einen Treiberstrom an die Laserdiode bereitzustellen, der über die vorbestimmte Zeitdauer gemäß einer Wellenform variiert. Solch eine Wellenform kann eine dreieckige Wellenform oder eine sinusförmige Wellenform sein.
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Der variierende Treiberstrom, der für eine Verschmutzungsdetektion verwendet wird, kann unterhalb des Treiberstroms liegen, der in einem Messmodus des Lasersensormoduls an die Laserdiode bereitgestellt wird. Der Messmodus des Lasersensormoduls ist ein Modus, in dem das Lasersensormodul arbeitet, um eine Messung von beispielsweise einer Partikeldichte, einer Fluidgeschwindigkeit, eines Abstands zu einem Objekt und/oder des Vorhandenseins von Objekten durchzuführen. Üblicherweise wird die Laserdiode in einem Bereich einer Ausgangsleistung betrieben, die für die Augen nicht gefährlich ist. Die zuvor genannte Maßnahme gewährleistet daher eine Augensicherheit auch während des Verschmutzungsdetektionsvorgangs des Lasersensormoduls.
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Es ist eine weitere Erkenntnis, dass die Verschmutzungsdetektionssignalamplitude aufgrund von Speckelmustern an der Verschmutzungsstelle, beispielsweise einem Fingerabdruck auf dem Emissionsfenster, stark variieren kann. Diese Amplitudenvariationen des Verschmutzungsdetektionssignals können die Zuverlässigkeit der Verschmutzungsdetektion reduzieren. In einer Ausführungsform können diese Amplitudenvariationen reduziert werden, wenn das Lasersensormodul mehr als eine Laserdiode aufweist, beispielsweise zwei, drei, vier oder mehr Laserdioden, die jeweils einen Laserstrahl mit einer Wellenlängenvariation gemäß irgendeiner der oben und in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen emittieren. Gemäß der Anzahl an vorhandenen Laserstrahlen wird eine entsprechende Anzahl von unabhängigen und sehr wahrscheinlich verschiedenen Speckelmustern an der Verschmutzungsstelle vorhanden sein. Die Wahrscheinlichkeit, dass zumindest einer der Laserstrahlen, der an der Verschmutzung zurückgestreut wird, ein Detektionssignal mit hoher Amplitude erzeugt, nimmt somit zu. Die Laserstrahlen können gleichzeitig oder in einer zeitverschachtelten Weise emittiert werden.
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Vorzugsweise werden die Laserstrahlen durch die optische Anordnung derart gerichtet, dass sie das Emissionsfenster an der im Wesentlichen selben Position queren. Die Laserstrahlen queren das Emissionsfenster vorzugsweise unter verschiedenen Winkeln, so dass verschiedene Speckelmuster an der Verschmutzungsstelle erzeugt werden.
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Eine weitere Maßnahme, um die Signalamplitudenvariationen zu reduzieren, kann darin bestehen, das Speckelmuster selbst zu variieren, mit oder ohne Bereitstellung von mehr als einem Laserstrahl. Solch eine Speckelmustervariation kann durch Verlagern der Laserdiode(n) bezüglich des Emissionsfensters oder durch Verlagern der optischen Anordnung bewerkstelligt werden, so dass beispielsweise der oder die Laserstrahlen das Emissionsfenster unter variierenden Winkeln quert bzw. queren. Durch Durchführen mehrerer Verschmutzungsdetektionmessungen steigt ebenso in dieser Ausführungsform die Wahrscheinlichkeit, ein Detektionssignal mit ausreichender Amplitude zu gewinnen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung, die den Lasersensor gemäß dem ersten Aspekt aufweist, bereitgestellt.
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Die Vorrichtung kann ein Partikeldetektor, ein Fluidgeschwindigkeitsdetektor, ein Gestendetektor, ein Objektdetektor, ein Luftreiniger, eine Lüftungshaube oder eine tragbare Vorrichtung, wie eine mobile Kommunikationsvorrichtung, sein.
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Die Vorrichtung kann einen Indikator aufweisen, der ausgelegt ist, einen Hinweis an einen Benutzer der Vorrichtung basierend auf dem Verschmutzungsdetektionssignal bereitzustellen. Der Indikator kann jede Art von Schnittstelle aufweisen, die geeignet ist, den Benutzer zu informieren. Der Indikator kann beispielsweise einen Lautsprecher oder ein Display aufweisen. Der Indikator kann beispielsweise ein Display einer mobilen Kommunikationsvorrichtung sein. Der Indikator kann beispielsweise einen korrigierten Messwert, beispielsweise einer Partikeldichte, basierend auf dem Indikationssignal an den Benutzer präsentieren, wobei der korrigierte Wert beispielsweise grün (keine relevante Verschmutzung), gelb oder rot (kritische Verschmutzung) in Abhängigkeit des Grades an Verschmutzung des Emissionsfensters gefärbt sein kann. Der Indikator kann alternativ ein sichtbares, hörbares oder haptisches Signal sein, das angibt, dass das Emissionsfenster in kritischer Weise verschmutzt oder verunreinigt ist.
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Die Vorrichtung kann weiterhin ausgelegt sein, um ein quantitatives Maß der Verschmutzung des Emissionsfensters basierend auf dem Verschmutzungsdetektionssignal zu bestimmen, und im Fall einer Partikeldetektion eine gemessene Partikeldichte basierend auf dem bestimmten quantitativen Maß der Verschmutzung zu korrigieren. Die mittels des Detektors gemessenen Rohdaten können über eine Schnittstelle an eine Vorrichtung übertragen werden. Die Vorrichtung kann eine Auswerteeinrichtung aufweisen, um das quantitative Maß basierend auf den von dem Lasersensormodul bereitgestellten Rohdaten zu bestimmen. Die zuvor genannten Funktionen können auch durch die Lasersensorvorrichtung selbst durchgeführt werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zum Detektieren einer Verschmutzung eines Emissionsfensters eines Lasersensormoduls bereitgestellt. Das Verfahren weist die Schritte auf:
- Emittieren eines Laserstrahls durch das Emissionsfenster,
- Variieren einer Wellenlänge des Laserstrahls über eine vorbestimmte Zeitdauer,
- Bestimmen eines Interferenzsignals basierend auf der variierenden Wellenlänge,
- Bereitstellen eines Verschmutzungsdetektionssignals, das eine Verschmutzung des Emissionsfensters aufzeigt, basierend auf dem Interferenzsignal, das während der Variation der Wellenlänge bestimmt wurde.
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Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Computerprogramm bereitgestellt. Das Computerprogramm weist Programmcodemittel zum Veranlassen eines Lasersensormoduls des ersten Aspektes oder einer Vorrichtung des zweiten Aspektes auf, die Schritte des Verfahrens des dritten Aspektes auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Prozessor des Lasersensormoduls oder einem Prozessor der Vorrichtung ausgeführt wird.
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Es versteht sich, dass das Lasersensormodul des ersten Aspekts, die Vorrichtung des zweiten Aspekts und das Verfahren des dritten Aspekts ähnliche und/oder identische Ausführungsformen aufweisen.
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Es versteht sich, dass ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung auch eine beliebige Kombination der abhängigen Ansprüche mit dem jeweiligen unabhängigen Anspruch sein kann.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind unten definiert.
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Diese und weitere Aspekte der Erfindung gehen aus den Ausführungsbeispielen, die hiernach mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden, hervor und werden mit Bezug auf diese erklärt.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Prinzipskizze einer optischen Konfiguration für ein Lasersensormodul;
- 2 zeigt eine Prinzipskizze eines Lasersensormoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 zeigt ein Diagramm einer Verschmutzungsdetektionssignalfrequenz als Funktion einer Steigung einer Treiberstromvariation;
- 4 zeigt ein Diagramm einer Verschmutzungsdetektionssignaldauer als Funktion einer Steigung einer Treiberstromvariation;
- 5 zeigt ein Diagramm einer Verschmutzungsdetektionssignalamplitudenverteilung aufgrund von Speckeln, wenn ein Laserstrahl zur Verschmutzungsdetektion verwendet wird;
- 6 zeigt ein Diagramm einer Verschmutzungsdetektionssignalamplitudenverteilung aufgrund von Speckeln, wenn eine Mehrzahl an einzelnen Laserstrahlen zur Verschmutzungsdetektion verwendet werden;
- 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer optischen Anordnung für ein Lasersensormodul, das drei Laserdioden aufweist;
- 8 zeigt eine Prinzipskizze einer mobilen Kommunikationsvorrichtung; und
- 9 zeigt eine Prinzipskizze eines Verfahrens zum Detektieren einer Verschmutzung eines Emissionsfensters eines Lasersensormoduls.
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In den Figuren beziehen sich gleiche Nummern durchweg auf gleiche Objekte. Objekte in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden, wird eine allgemeine Beschreibung von Selbstmischungsinterferenz (SMI) gegeben.
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Selbstmischungsinterferenz wird zum Detektieren von Bewegung eines und Abstand zu einem Objekt verwendet. Hintergrundinformation über Selbstmischungsinterferenz ist in „Laserdiode self-mixing technique for sensing applications“, Giuliani, G.; Norgia, M.; Donati, S. & Bosch, T., Laser Diode Self-Mixing Technique for Sensing Applications, Journal of Optics A: Pure und Applied Optics, 2002, 4, p. 283- p. 294 beschrieben, der hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Detektion von Bewegung einer Fingerspitze relativ zu einem Sensor in einer optischen Eingabevorrichtung ist im Detail in der internationalen Patentanmeldung No.
WO 02/37410 beschrieben, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Das Prinzip von Selbstmischungsinterferenz wird basierend auf Beispielen, die in der internationalen Anmeldung No.
WO 02/37410 präsentiert werden, erörtert. Eine Laserdiode mit einer Laserkavität wird zum Emittieren eines Laser- oder Messstrahls bereitgestellt. An einer Seite ist die Vorrichtung mit einem transparenten Fenster versehen, über das hinweg ein Objekt, beispielsweise ein Finger, bewegt wird. Eine Linse ist zwischen der Laserdiode und dem Fenster angeordnet. Diese Linse fokussiert den Laserstrahl. Wenn ein Objekt im Laserstrahl vorhanden ist, streut dieses den Messstrahl. Ein Teil der Strahlung des Messstrahls wird in Richtung des Beleuchtungsstrahls gestreut, und dieser Teil wird von der Linse zu der emittierenden Oberfläche der Laserdiode konvergiert und tritt wieder in die Kavität dieses Lasers ein. Die Strahlung, die in die Kavität der Laserdiode wieder eintritt, induziert eine Variation in der Verstärkung des Lasers und somit in der Intensität von von dem Laser emittierter Strahlung, und dieses Phänomen wird als Selbstmischungseffekt in einer Laserdiode bezeichnet.
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Die Variation in der Intensität der von dem Laser emittierten Strahlung oder der optischen Welle in der Laserkavität kann von einer Fotodiode oder einem Detektor detektiert werden, der ausgelegt ist, eine Impedanzvariation über die Laserkavität hinweg zu bestimmen. Die Diode oder der Impedanzdetektor konvertiert die Strahlungsvariation in ein elektrisches Signal, und eine elektronische Schaltung ist zum Verarbeiten dieses elektrischen Signals bereitgestellt.
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1 zeigt ein Beispiel von Komponenten einer optischen Konfiguration 10 für ein SMI-basiertes Lasersensormodul, das beispielhaft zur Partikeldetektion konfiguriert ist. Die optische Konfiguration 10 weist eine Laserdioden-/Detektoranordnung 12 auf. Die Laserdioden-/Detektoranordnung 12 kann einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikaler Kavität (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) mit integrierter Fotodiode aufweisen, die beide zusammen mit dem Bezugszeichen 14 versehen sind. Solch eine Anordnung 14 wird auch als VIP abgekürzt.
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Die optische Konfiguration 10 weist weiterhin eine optische Anordnung 16 auf, die eine optische Komponente 18, beispielsweise eine Linse, aufweisen kann. Die optische Anordnung 16 weist weiterhin ein Emissionsfenster 20 auf. Das Emissionsfenster 20 kann ein Deckglas einer Vorrichtung, beispielsweise einer mobilen Kommunikationsvorrichtung, sein, die die optische Konfiguration 10 aufweist. Das Emissionsfenster 20 kann jedoch auch eine Emissionsoberfläche 22 der optischen Komponente 18, beispielsweise eine Linsenemissionsoberfläche, sein. Der VIP 14 emittiert einen Laserstrahl 24, der eine Wellenlänge aufweist. Die Wellenlänge kann beispielsweise 850 nm betragen. Die Wellenlänge kann länger oder kürzer als 850 nm sein. Typischerweise können Laserdioden in Form von VCSELs Laserlicht in einem Wellenlängenbereich des nahinfraroten oder infraroten Spektrums emittieren. Der Laserstrahl 24 geht durch die optische Anordnung 16 hindurch. Die optische Komponente 18 fokussiert den Laserstrahl 24 auf einen Fokusbereich 26. Partikel oder Objekte (nicht gezeigt) in dem Fokusbereich 26 streuen das Laserlicht zurück, und zumindest ein Teil des Laserlichts tritt wieder in die Laserdiode durch die optische Komponente 16 hindurch ein. Das Laserlicht tritt wieder in die Resonatorkavität der Laserdiode ein. Die Fotodiode des VIP 14 detektiert das Selbstmischungsinterferenzsignal wie oben beschrieben.
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Das Selbstmischungsinterferenzsignal kann beispielsweise im Fall einer Partikeldetektion durch einen kurzen Signalburst oder eine Anzahl von Signalbursts charakterisiert sein. Die Doppler-Frequenz, wie sie in diesen Signalen beobachtet wird, ist ein Maß für die Partikelgeschwindigkeit entlang der optischen Achse. Es kann daher bevorzugt sein, einen DC-Treiberstrom zu induzieren, um die Signaldetektion und Signalanalyse zu vereinfachen. Ein modulierter Treiberstrom kann verwendet werden, um beispielsweise die Position oder Geschwindigkeit des Partikels mittels Selbstmischungsinterferenzsignalen zu bestimmen, die durch Reflexion von Laserlicht an größeren Partikeln oder störenden Objekten erzeugt werden können. Der Abstand (und optional die Geschwindigkeit) kann innerhalb einer Messung und/oder in dem darauffolgenden Messschritt bestimmt werden.
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Wenn das Emissionsfenster 20 verschmutzt oder verunreinigt ist, beispielsweise durch Fingerabdrücke oder Staub, wird eine Streuung des Laserstrahls 24, wie mit Pfeilen 28 angedeutet, ebenso an der Verschmutzung oder Verunreinigung auftreten. Teil des gestreuten Laserlichts wird zurück in die Laserdiode 14 reflektiert. Dieses gestreute Laserlicht, das wieder in die Laserdiode 14 eintritt, erzeugt ebenfalls ein SMI-Signal. Je mehr Verschmutzung oder Verunreinigung, umso mehr Laserlicht wird zu der Laserdiode 14 hin zurückreflektiert oder zurückgestreut. Jedoch führt dieses gestreute oder reflektierte Laserlicht nur zu einer geringfügigen DC-Leistungsänderung des Laserdioden-Outputs, die auch von der Phasendifferenz des zurückkehrenden Laserlichts bezüglich dem Laserlicht in der Laserdiode abhängt. Folglich kann das von der Verschmutzung oder Verunreinigung gestreute Laserlicht nicht auf einfache Weise verwendet werden, um die Verschmutzung oder Verunreinigung unter Verwendung des SMI Lasersensormoduls zu detektieren.
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Im Folgenden wird ein Lasersensormodul und ein Verfahren beschrieben, um eine Verschmutzung oder Verunreinigung basierend auf einem Interferenzsignal, insbesondere eines SMI-Signals, zuverlässig zu detektieren. Die Detektion einer Verschmutzung oder Verunreinigung des Emissionsfensters 20 kann wesentlich für die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Partikeldetektion sein.
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Die Verschmutzung oder Verunreinigung kann ein Fingerabdruck an einer Position sein, wo der Laserstrahl 24 durch das Emissionsfenster 20 hindurchgeht (oder dieses quert). Die Verschmutzung können auch feine Staubpartikel auf dem Emissionsfenster 20 sein.
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2 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Lasersensormoduls 40. Das Lasersensormodul 40 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Messen einer Partikeldichte von Partikeln 42 mit einer Größe von weniger als 20 µm, vorzugsweise weniger als 10 µm in einem Fluid, wie Luft, ausgestaltet. Das Lasersensormodul 40 weist eine Laserdiode 44 auf. Es versteht sich, dass das Lasersensormodul 40 mehr als eine Laserdiode 44, beispielsweise drei oder sogar mehr Laserdioden 44 aufweisen kann, wie weiter unten beschrieben werden wird. Das Lasersensormodul 40 weist weiterhin einen elektrischen Treiber 46 zum Beaufschlagen der Laserdiode 44 mit einem Treiberstrom auf, derart, dass die Laserdiode 44 einen Laserstrahl 48 emittiert, wenn die Laserdiode 44 mit einem elektrischen Treiberstrom von genügender Stärke beaufschlagt wird. Das Lasersensormodul 40 weist weiterhin einen Detektor 50 auf. Wie oben beschrieben kann der Detektor 50 eine mit der Laserdiode 44 integrierte Fotodiode sein. Die Laserdiode 44 kann ein oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität (VCSEL) sein, der integriert den Detektor oder die Fotodiode 50 aufweisen kann, so dass die Anordnung aus Laserdiode 44 und Detektor 50 ein VIP ist. Der Detektor 50 kann ein Selbstmischungsinterferenzsignal in der Laserkavität der Laserdiode 44 bestimmen. Der Detektor 50 kann gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) eine separate Fotodiode sein, die ausgelegt ist, ein Interferenzsignal basierend auf der Interferenz von emittiertem und reflektiertem Laserlicht zu empfangen. Die Laserdiode 44 ist ausgelegt, um Laserlicht (wie den Laserstrahl 48) zu einer optischen Anordnung 52 zu emittieren, die eine Linse 54 aufweisen kann. Die äußere Oberfläche der Linse 54 weist ein Emissionsfenster 56 des Lasersensormoduls 40 auf. In anderen Ausführungsbeispielen (siehe 1) kann das Emissionsfenster 56 durch eine äußere Oberfläche eines Deckglases gebildet sein, wie es von mobilen Kommunikationsvorrichtungen bekannt ist. Die optische Anordnung 52 fokussiert den Laserstrahl 48 auf einen Fokusbereich 58. Partikel 42 in dem Fokusbereich 58 reflektieren oder streuen einen Teil des Laserlichts zurück zu der Linse 54 und letztendlich zu der Laserkavität der Laserdiode 44, was in einer Selbstmischungsinterferenz des Musters der stehenden Welle in der Laserkavität mit dem reflektierten Laserlicht resultiert. Das entsprechende Selbstmischungsinterferenzsignal wird mittels des Detektors 50 detektiert, und ein entsprechendes Messsignal wird zu einer Auswerteeinrichtung 60 zum Auswerten des Interferenzsignals übermittelt, um beispielsweise eine Partikeldichte zu messen.
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Wenn das Emissionsfenster 56 verschmutzt oder verunreinigt wird, wie mit einer Verschmutzung 62 veranschaulicht ist, tritt eine Streuung von Laserlicht an dieser Verschmutzung 62 auf, wie durch Pfeile 64 angedeutet ist. Ein Teil dieses gestreuten Lichtes (angedeutet durch Pfeil 66) tritt wieder in die Laserdiode 44 ein. Je mehr Verunreinigung oder Verschmutzung 62, umso mehr Laserlicht wird zu der Laserdiode 42 gestreut oder reflektiert. Dieses reflektierte Licht führt nur zu einer geringfügigen DC-Leistungsänderung des Laser-Outputs, die auch von der Phasendifferenz des zurückkehrenden Laserlichts bezüglich des Laserlichts in der Laserdiode 44 abhängig ist. Folglich kann das von der Verschmutzung oder Verunreinigung 62 gestreute Laserlicht nicht auf einfache Weise verwendet werden, um eine Verunreinigung unter Verwendung des Selbstmischungsinterferenz-Lasersensors zu detektieren.
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Um es dem Lasersensormodul 40 zu ermöglichen, die Verschmutzung 62 des Emissionsfensters 56 zuverlässig zu detektieren, weist das Lasersensormodul 40 eine Verschmutzungsdetektionseinheit 70 auf. Die Verschmutzungsdetektionseinheit 70 ist ausgebildet, um eine Wellenlänge des Laserstrahls 48 über eine vorbestimmte Zeitdauer zu variieren, um ein Verschmutzungsdetektionssignal, das die Verschmutzung 62 des Emissionsfensters 56 angibt, basierend auf einem Interferenzsignal bereitzustellen, wie es von dem Detektor 50 während der Wellenlängenvariation des Laserstrahls 48 detektiert wird, wie genauer unten beschrieben werden wird. Der Detektor 50 kann das Verschmutzungsdetektions-Interferenzsignal während der Wellenlängenvariation bestimmen, und die Auswerteeinrichtung 60 kann das Verschmutzungsdetektionssignal auswerten oder weiter verarbeiten, beispielsweise um eine Warnung an den Benutzer zu generieren und/oder einen gemessenen Parameter, beispielsweise eine Partikeldichte, zu korrigieren.
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Die Wellenlängenvariation der Laseremission der Laserdiode 44 verursacht eine optische Pfadlängenvariation (in Anzahl von Wellen).
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Eine Wellenlängenvariation des Laserstrahls 48 kann aus einer Treiberstromvariation und/oder einer Vorspannungsvariation und/oder einer Temperaturvariation resultieren.
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Eine Quelle einer Wellenlängenvariation ergibt sich durch die Laserdiode 44 selbst, wenn der Treiberstrom der Laserdiode 44 eingeschaltet wird. Dies resultiert in einer Erhöhung der Wellenlänge, gegeben durch einen Parameter Δλ/Δl oder dA/dl, wobei Δλ, oder dλ die Wellenlängenvariation und Δl oder dl die Stromvariation ist. Ein typischer Wert von dA/dl für eine VCSEL-Laserdiode mit einer nominellen Ausgangswellenlänge von 850 nm beträgt 0,65 nm/mA. Ein typischer Laserdioden-Treiberstrom für eine 0,5 mW Ausgangsleistung beträgt 1,75 mA. Dies bedeutet, dass praktisch etwa 1 mA Stromvariation für eine zuverlässige Detektion mit einem ausreichenden Signal-RauschVerhältnis (SNR) verwendet werden kann. Bei sehr geringen Ausgangsleistungen ist das SNR zu schwach. Somit kann mit einer Stromvariation mit einer Amplitude von1 mA eine Wellenlängenvariation von 0,65 nm erreicht werden. Diese Wellenlängenvariation tritt beinahe instantan auf einer Zeitskala von ≈ 1 µs auf.
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Eine weitere Quelle einer Wellenlängenvariation tritt aufgrund eines Erwärmens der Laserdiode 44, während sie eingeschaltet wird, auf. Solch eine Temperaturvariation tritt auf einer Zeitskala von etwa 1 s auf, was im Vergleich zu der Zeitskala, auf der die Emissionswellenlänge mit einer Variation des Treiberstroms variiert, lang ist. Die Wellenlängenvariation als Funktion einer Temperaturvariation beträgt etwa 0,065 nm/K. Für beispielsweise 30 Grad Temperaturerhöhung resultiert dies in einem Wellenlängenshift von etwa 2 nm.
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Eine Treiberstromvariation als auch eine Temperaturvariation können grundsätzlich zum Variieren der Wellenlänge des Laserstrahls 48 verwendet werden, um geeignete Verschmutzungsdetektion-Interferenzsignale für die Detektion der Verschmutzung 62 des Emissionsfensters 56 zu erzeugen.
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Für ein passendes und zuverlässiges Verschmutzungsdetektionssignal kann die Zeitskala, auf der die Wellenlängenvariation auftritt, wesentlich sein. Angenommen die Laserdiode wird mit einer linearen Steigung in T Sekunden eingeschaltet (oder wärmt sich auf). Die Frequenzvariation des Verschmutzungsdetektionssignals, das durch die Wellenlängenvariation induziert wird, ist gegeben durch f≈ (1/T) · 2d · (Δλ/λ2), wobei f die Frequenz des Verschmutzungsdetektionssignals, T die Anstiegszeit (vorbestimmte Zeitdauer) der Wellenlängenvariation, d der optische Abstand von der Laserdiode 44 zu dem Emissionsfenster 56, Δλ, die Wellenlängenvariation und λ die nominelle oder Betriebswellenlänge der Laserdiode 44 ist.
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Für jedes Detektionssystem, beispielsweise wie es durch den Detektor 50 gegeben ist, können die Anforderungen an die Anstiegszeit T der Wellenlängenvariation (die vorbestimmte Zeitdauer) und die Dauer des Verschmutzungsdetektionssignals etwas verschieden sein. Durch Wählen eines passenden Wertes von T kann die Detektionssignalfrequenz und Detektionssignaldauer derart abgestimmt werden, dass optimale Detektionseigenschaften gewonnen werden. Dies resultiert in höchsten SNR-Werten für die Detektionssignale, die aus Verschmutzungen, wie Fingerabdrücken oder anderen Verunreinigungen, auf dem Emissionsfenster 56 resultieren. Dies wird unten weiter beschrieben.
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Für eine höchst zuverlässige Detektion des Interferenzsignals, das von der Verschmutzung 62 resultiert, ist es gewünscht, dass das Verschmutzungsdetektionssignal mit einer einzelnen Frequenz erzeugt wird. Im Fall, dass die Wellenlängenvariation durch eine Treiberstromvariation erzeugt wird, was bevorzugt ist, bedeutet dies, dass die Treiberstromvariation über die Zeit linear sein sollte. Im Fall einer nicht-linearen Konversion von Lasertreiberstrom zu Wellenlänge kann ein etwas angepasstes Stromprofil verwendet werden, um eine lineare Wellenlängenvariation zu erreichen. Somit ist es bevorzugt, wenn die Verschmutzungsdetektionseinheit 70 ausgelegt ist, um den elektrischen Treiber 46 zu veranlassen, einen Treiberstrom an die Laserdiode bereitzustellen, der über die vorbestimmte Zeitdauer T variiert, derart, dass die Wellenlänge des Laserstrahls 48 linear über die vorbestimmte Zeitdauer variiert.
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Obwohl eine einzelne Frequenz des Verschmutzungsdetektionssignals Vorteile hat, sind andere Charakteristiken, wie beispielsweise eine lineare Frequenzänderung des Verschmutzungsdetektionssignals über die Zeit, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht ausgeschlossen.
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Für den Detektor 50 gilt, dass seine Elektronik in der Lage sein sollte, ein kleines Frequenzsignal auf einem großen Steigungssignal aufgrund der Leistungsvariationen des Lasers, die aufgrund der Treiberstromvariationen auftreten, zu bestimmen.
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Das Lasersensormodul 40 kann die Verschmutzungsdetektionssignalfrequenz oder -frequenzen detektieren, die durch das Streulaserlicht von der Verschmutzung 62 in Kombination mit den oben erwähnten Wellenlängenvariationen erzeugt werden. Prinzipiell kann dasselbe Verfahren, wie es zur Detektion von Partikeln verwendet wird, beispielsweise unter Verwendung einer Fast-Fourier-Transformation (FFT)-Baumlösung, verwendet werden, um die erzeugten Verschmutzungsdetektionssignalfrequenz oder -frequenzen zu detektieren.
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Um eine zuverlässige Detektion zu erreichen, sollten die Verschmutzungsdetektionssignale eine Frequenz in einem detektierbaren Frequenzbereich aufweisen. Wie oben beschrieben hängt die Verschmutzungsdetektionssignalfrequenz von der Anstiegszeit T ab, über die die Wellenlängenvariation auftritt. Diese Anstiegszeit wird auch als vorbestimmte Zeitdauer in der vorliegenden Offenbarung bezeichnet. Ein passender Frequenzbereich für das Verschmutzungsdetektionssignal liegt beispielsweise zwischen 1 kHz und 10 MHz. Die Verschmutzungsdetektionseinheit 70 ist somit ausgebildet, um die vorbestimmte Zeitdauer derart einzustellen, dass das Verschmutzungsdetektionssignal mit einer Frequenz in einem Bereich von 1 kHz bis 100 MHz, vorzugsweise von 1 kHz bis 50 MHz, weiter vorzugsweise von 10 kHz bis 1 MHz erzeugt wird. Solch ein Frequenzbereich ist geeignet, wenn beispielsweise die FFT-Baumlösung für die Detektion des Signals verwendet wird.
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Wenn die Wellenlängenvariation des Laserstrahls 48 auf einer Temperaturvariation basiert, könnte die resultierende Detektionssignalfrequenz zu niedrig sein. Beispielsweise für eine Anstiegszeit T von 1 s, über die die Wellenlänge aufgrund des Erwärmens variiert, kann ein Detektionssignal mit einer Frequenz von so gering wie etwa 15 Hz erzeugt werden. Diese Frequenz könnte für eine zuverlässige Detektion zu gering sein. Des Weiteren wird aufgrund der typischen exponentiellen Funktionen für Erwärmen die Signaldetektionsfrequenz über die Zeit variieren, was nicht optimal ist. Daher ist es bevorzugter, dass die Wellenlängenvariation zur Verschmutzungsdetektion auf einer Treiberstromvariation basiert.
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Wenn eine Treiberstromvariation verwendet wird, um eine Wellenlängenvariation des Laserstrahls 48 zu erzeugen, kann die Zeitskala oder Anstiegszeit T, auf der die Wellenlängenvariation erzeugt wird, auf niedrigere Werte eingestellt werden, um eine Verschmutzungsdetektionssignalfrequenz zu erreichen, die für eine passende Detektion hoch genug ist.
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Dies ist durch Einschalten des Lasertreiberstroms mit einer gewünschten Anstiegszeit T möglich. Die Amplitude der Treiberstromvariation sollte etwa 1 mA betragen. Dies deswegen, weil die Laserdiode 44 für eine zuverlässige Detektion des Verschmutzungsdetektionssignals hinreichend an sein muss. Ein weiterer Grund ist, dass für eine zuverlässige Signaldetektion vorzugsweise beispielsweise etwa 5 Sinuswellen verfügbar sind. Beispielsweise bei einem Wellenlängenshift von 0,65 nm/mA in Kombination mit dem typischen optischen Abstand von der Laserdiode 44 zu dem Emissionsfenster 56 von 2,5 mm und einer nominellen Laserwellenlänge von 850 nm resultiert dies in 4,5 Sinuswellen. Die Verschmutzungsdetektionseinheit 70 kann somit ausgelegt sein, um den elektrischen Treiber 46 zu veranlassen, einen Treiberstrom an die Laserdiode 44 bereitzustellen, der über die vorbestimmte Zeitdauer T mit einer Amplitude in einem Bereich von 0,05 mA bis 2 mA, vorzugsweise von etwa 1 mA, variiert. Weiterhin kann die Verschmutzungsdetektionseinheit 70 ausgelegt sein, den elektrischen Treiber 46 zu veranlassen, einen Treiberstrom an die Laserdiode 44 bereitzustellen, der mit einer Steigung, beispielsweise einer linearen Steigung, über die vorbestimmte Zeitdauer T variiert.
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3 zeigt die resultierende SMI-Frequenz f als Funktion einer Lasertreiberstromsteigung. Die Lasertreiberstromsteigung ist in mA/ms gegeben. Die Lasertreiberstromsteigung ist ein Maß für die Wellenlängenvariationsamplitude und Anstiegszeit T und bestimmt folglich die Frequenz f des Verschmutzungsdetektionssignals. Der Verschmutzungsdetektionssignalfrequenzbereich kann wie oben beschrieben zwischen 1 kHz und 10 MHz liegen. Um eine Frequenz des Verschmutzungsdetektionssignals in diesem Bereich zu erzeugen, kann die Steigung der Lasertreiberstromvariation in einem Bereich zwischen 2 und 1000 mA/ms liegen. Dieser Bereich ist ein bevorzugter Arbeitsbereich von Steigungen einer Lasertreiberstromvariation und ist durch einen Pfeil 74 in 3 angedeutet.
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Die zuvor genannten Steigungen der Treiberstromvariation können unter Verwendung einer kurzen Anstiegszeit T mit geringen Variationsamplituden oder durch Verwenden einer relativ langen Anstiegszeit T mit hoher Variationsamplitude erzeugt werden. Für kurze Abstände von der Laserdiode 44 zu dem Emissionsfenster 56 sind hohe Variationsamplituden bevorzugt, um genug sinusförmige Signalwellen zu erzeugen. Ein weiterer Grund für diese Bevorzugung ist es, ein Verschmutzungsdetektionssignal mit einer genügend langen Signaldauer zu erzeugen.
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Bei Verwendung eines FFT-Algorithmus als Verschmutzungsdetektionsalgorithmus sollte die Verschmutzungsdetektionssignaldauer für eine zuverlässige Detektion größer sein als ein Detektionsblock. Die typische Länge eines Detektionsblockes kann 4,5 µs für die höchsten Detektionsfrequenzen und etwa 0,6 ms für die niedrigsten Detektionsfrequenzen entsprechen.
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4 zeigt ein Diagramm, das die Verschmutzungsdetektionssignaldauer t als Funktion der Treiberstromvariationssteigung für einzelne Variationssteigungen zeigt. Das Diagramm wurde für eine Variationsamplitude von 1 mA und typische Charakteristiken eines 850 nm-VCSEL gemacht. Die Verschmutzungsdetektionssignaldauer t in einem Bereich von 0,005 ms bis 0,5 passt zu dem Detektionsfenster für ein spezifisches ASIC-Design, wenn die Treiberstromvariationssteigung in einem Bereich zwischen 1,5 und 150 mA/ms liegt. Somit können gute Detektionsergebnisse für Treiberstromvariationssteigungen in der Größenordnung von 10 mA/ms bis 100 mA/ms unter dem Gesichtspunkt sowohl der Verschmutzungsdetektionssignaldauer als auch der Verschmutzungsdetektionssignalfrequenz erreicht werden. Das Verschmutzungsdetektionsmodul kann ausgestaltet sein, um den elektrischen Treiber 46 zu veranlassen, einen Treiberstrom an die Laserdiode 44 bereitzustellen, der mit einer Steigung, beispielsweise einer linearen einzelnen Steigung, in einem Bereich von 1,5 mA/ms bis 1000 mA/ms, vorzugsweise in einem Bereich von 1,5 mA/ms bis 150 mA/ms, weiter vorzugsweise in einem Bereich von 10 mA/ms bis 100 mA/ms variiert.
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Die zuvor genannten Zahlen in mA/ms sind für eine einzelne Treiberstromvariationssteigung mit einer Amplitude der Variation von 1 mA. Bei geringeren Variationsamplituden werden die Detektionssignale für eine zuverlässige Detektion zu kurz, daher ist es bevorzugt, auf eine 1 mA-Treiberstromvariation zur Detektion abzuzielen. Für solch eine Amplitude sollte die Anstiegszeit oder vorbestimmte Zeitdauer T der Stromvariation zwischen 10 µs und 100 µs betragen. Dies ist unter Verwendung einer gestuften Stromzunahme (DAC) grundsätzlich möglich. Beispielsweise kann eine Schrittgröße von 5 µA gemacht werden, wodurch eine 100 µs-Steigung in 200 Schritten von jeweils 0,5 µs realisiert werden kann. Alternativ kann ein Analogschaltkreis verwendet werden, der in der Lage ist, eine lineare Treiberstromrampe zu erzeugen.
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Wenn die Laserdioden-Ausgangsleistung betrachtet wird, resultiert die 1 mA-Lasertreiberstromvariation in 0,4 mW Ausgangsleistungsvariation für eine typische Laserdiode mit einer Ausgangsleistungssteigung von 0,4 mW/mA. Für einen VCSEL mit integrierter Fotodiode (VIP) beträgt der Fotodiodenstrom bei 1 mW Laserdiodenausgangsleistung typischerweise 1 mA. Dies bedeutet, dass Fotodiodenstromvariationen von 400 µA vorhanden sein werden. Das analoge Frontend der Fotodiode sollte in der Lage sein, solch eine Fotodiodenstromvariation zu handhaben. Dies kann unter Verwendung einer passenden Bandpassfilterung in dem analogen Frontend vorgenommen werden. Alternativ kann eine aktive Löschung des DC-Stroms vorgenommen werden, entweder auf analoge oder digitale Weise. Ein analoges Frontend einer Fotodiode hat typischerweise eine digitale DC-Strom-Löschung. In dieser Situation besteht eine Lösung, ein Abschneiden in dem analogen Frontend zu vermeiden, darin, mit dem schrittweisen Lasertreiberstrom auch eine schrittweise Anpassung der Fotodiodenstrom-Löschung anzuwenden.
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Als praktisches Beispiel kann der korrekte Lasertreiberstrom für die korrekte Laserleistung zuerst bestimmt werden. Dies kann Teil eines Laserleistungseinstelltrimmens in einer finalen Kontrolle sein, bei der die Laserdiodenleistung als Funktion des Lasertreiberstroms gemessen wird. Nach dieser Trimmprozedur ist die Fotodiodenstrom-Steigung ebenso bekannt, und es ist bekannt, wie der Lasertreiberstrom und die Fotodiodenstrom-Löschung zu steuern sind.
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Danach kann die nominelle Laserleistung auf einen 1 mA niedrigeren Wert in dem Lasertreiberstrom herabgesetzt werden, und die Auswertung der Verschmutzungsdetektionssignale kann durchgeführt werden. Durch die Verwendung solch eines Verfahrens ist die Augensicherheit gewährleistet. Der variierende Treiberstrom in der vorbestimmten Zeitdauer liegt somit vorzugsweise unterhalb des Treiberstroms, der an die Laserdiode 44 bereitgestellt wird, wenn eine Partikeldichte gemessen wird.
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Basierend auf der detektierten Verschmutzung kann in der Firmware entschieden werden, eine Korrektur der gemessenen Partikeldichte basierend auf der bestimmten Signalstärke des Verschmutzungsdetektionssignals vorzunehmen. Alternativ kann dem Benutzer eine Warnung gegeben werden, das Emissionsfenster 56 vor dem Messen der Partikeldichte zu reinigen.
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Andere Ausführungsbeispiele als jene, die oben beschrieben wurden, können in Betracht gezogen werden. Beispielsweise kann anstelle einer einzelnen Treiberstromvariationssteigung die Verschmutzungsdetektionseinheit 70 ausgelegt sein, den elektrischen Treiber 46 zu veranlassen, einen Treiberstrom an die Laserdiode 44 bereitzustellen, der über die vorbestimmte Zeitdauer T gemäß einer Wellenform variiert, d.h. über die vorbestimmte Zeitdauer T zunimmt und abnimmt. Insbesondere kann die Wellenform eine dreieckige Wellenform sein. Dies kann vorteilhaft sein, da die Verschmutzungsdetektionssignaldauer erhöht werden kann. Wenn eine dreieckige Treiberstromwellenform verwendet wird, kann es günstig sein, die Variationsamplitude derart einzustellen, dass das SMI-Signal keinen Phasensprung um den Übergangspunkt herum aufweist. In diesem Fall ist die Synchronisation der Signalsteigung mit dem FFT nicht relevant.
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Laserlichtreflektionen können auch von der Leiterplatte (PCB) auftreten, die einen etwa 2-mal längeren Pfad zurücklegen als das von der Verschmutzung gestreute oder reflektierte Laserlicht. Dies bedeutet, dass in dem Detektionsverfahren eine Diskriminierung zwischen Verschmutzungsdetektionssignalen und eventuellen anderen Signalen, die von anderen Stellen des Lasersensormoduls 40 herrühren, vorgenommen werden kann.
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Des Weiteren können Bandpassfilter, Kerbfilter, signalangepasste Filter, Zoom-FFT und dergleichen für eine optimale Detektion der Frequenz des Verschmutzungsdetektionssignals verwendet werden. Optional kann zusätzlich ein digitales Detranding verwendet werden. Wenn gewünscht, kann das FFT-Design (Blockgröße und Mittenfrequenz) angepasst werden, um optimal zu der Detektion von Verschmutzungen, wie Fingerabdrücken, auf dem Emissionsfenster 56 zu passen.
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Ein weiterer Aspekt der Verschmutzungsdetektion wird zusätzlich mit Bezug auf 5 bis 7 beschrieben.
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Die Verschmutzung 62 (beispielsweise Fingerabdruck, Feinstaub, Flecken) des Emissionsfensters 56 in 2 kann zu einem Speckelmuster des Laserlichtstrahls 48 an der Verschmutzungsstelle führen. Die Speckel verursachen große Variationen der Amplitude des Verschmutzungsdetektionssignals, die das Verschmutzungsdetektionssignal verschlechtern und somit die Zuverlässigkeit der Verschmutzungsdetektion reduzieren. Der Effekt der Speckel auf die Amplitude des Detektionssignals, wenn nur ein im Raum fester (1 Emissionsachse) Laserstrahl 48 zur Verschmutzungsdetektion verwendet wird, ist in 5 gezeigt. 5 zeigt eine Beispielsverteilung von gemessenen Detektionssignalstärken, wie sie von einer Diffusorplatte (die eine Verschmutzung simuliert) abgleitet sind. Die horizontale Achse in dem Diagramm in 5 zeigt das relative Detektionssignalniveau (bezüglich des gemessenen maximalen Signalniveaus), und die vertikale Achse zeigt die Anzahl an Auftritten der relativen Signalniveaus in der Messung. Wie in 5 zu sehen ist, haben die kleinsten Signalstärken die höchste Wahrscheinlichkeit eines Auftretens. Dies ist eine ungünstige Situation für die Detektion einer Verschmutzung des Emissionsfensters.
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Eine Maßnahme, um die Detektion einer Verschmutzung zu verbessern, wenn Speckels auftreten, besteht darin, mehr Laserstrahlen für die Verschmutzungsdetektion zur Verfügung zu haben, beispielsweise zwei, drei, vier oder sogar mehr. Wenn mehrere Laserstrahlen emittiert werden und durch das Emissionsfenster 56 hindurchgehen, wird eine entsprechende Anzahl von unabhängigen Speckelmustern auf dem Emissionsfenster an der Verschmutzungsstelle vorhanden sein. Dies bedeutet, dass die Chance, ein Speckelmuster mit einem höheren verfügbaren Signalniveau zu erhalten, zunimmt. 6 zeigt ein Diagramm ähnlich zu 5, wobei nun 3 (als ein Beispiel) Laserstrahlen zur Verschmutzungsdetektion verwendet werden. 6 zeigt die Verteilung von Signalstärken, wenn die maximale Signalstärke, wie sie von den Signalen der drei Strahlen individuell gewonnen wurden, verwendet wird. Die Wahrscheinlichkeit, messbare Signale von der Verschmutzung auf dem Emissionsfenster 56 zu erhalten, ist stark angewachsen. Wenn mehrere Laserstrahlen verwendet werden, ist es günstig, dass alle Laserstrahlen das Emissionsfenster 56 (die äußere Oberfläche eines Deckglases oder der Linse 54) an etwa derselben Position queren, derart, dass die Messposition für alle Laserstrahlen dieselbe und gleich der Position ist, die in der durch die Verschmutzung 62 reduzierten Zählrate resultiert.
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Das Lasersensormodul 40 weist somit eine Mehrzahl von Laserdioden 44 und eine entsprechende Anzahl von Detektoren 50 auf. 7 zeigt einen Abschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Lasersensormoduls 40, das als Beispiel drei Laserdioden 44a, 44b, 44c aufweist, die Laserstrahlen 48a, 48b, 48c emittieren. Eine optische Anordnung weist eine Linse 54 auf, die ausgestaltet ist, die Laserstrahlen 48a, 48b, 48c durch das Deckglas 57 zu richten, derart, dass die Laserstrahlen das Emissionsfenster 56, das hier die äußere Oberfläche des Deckglases 57 ist, an im Wesentlichen derselben Position queren, wie in 7 gezeigt ist. Zur Verschmutzungsdetektion werden die Wellenlängen der Laserstrahlen wie hierin beschrieben variiert. Die Laserstrahlen 48a, 48b, 48c können gleichzeitig oder sequentiell emittiert werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel, um die Signalamplitudenvariationen zu reduzieren, kann darin bestehen, das Speckelmuster selbst zu variieren, mit oder ohne Bereitstellung von mehr als einem Laserstrahl. Solch eine Speckelmustervariation kann durch Verlagern der Laserdiode(n) bezüglich des Emissionsfensters oder durch Verlagern der optischen Anordnung bewerkstelligt werden, so dass beispielsweise der oder die Laserstrahlen das Emissionsfenster unter variierenden Winkeln quert bzw. queren. Durch Durchführen mehrerer Verschmutzungsdetektionsmessungen nimmt die Wahrscheinlichkeit, ein Detektionssignal mit ausreichender Amplitude zu gewinnen, zu.
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8 zeigt eine Prinzipskizze einer mobilen Kommunikationsvorrichtung 90, die ein Lasersensormodul 40 wie oben beschrieben aufweist. Das Lasersensormodul 40 ist angepasst, einen oder mehrere Laserstrahlen 48 wie oben mit Bezug auf 7 beschrieben zu emittieren. Die mobile Kommunikationsvorrichtung 90 weist eine Benutzerschnittstelle 92 auf, die als Touchscreen ausgestaltet sein kann. Die mobile Kommunikationsvorrichtung 90 weist weiterhin eine Hauptverarbeitungsvorrichtung 94 und damit verbunden eine Hauptspeichervorrichtung 96 auf. Die Hauptverarbeitungsvorrichtung 94 ist auch mit dem Lasersensormodul 40 verbunden. Die Hauptverarbeitungsvorrichtung 94 kann zumindest einen Teil der Funktionalitäten der Auswerteeinrichtung 60 aufweisen, die oben beschrieben wurden. Die Hauptverarbeitungsvorrichtung 94 speichert Daten, die beispielsweise auf eine Partikeldetektion bezogen sind, in der Hauptspeichervorrichtung 96. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass die Hauptverarbeitungsvorrichtung 94 und die Hauptspeichervorrichtung 96 nur dazu verwendet werden, Daten vorzubereiten oder anzupassen, die mittels des Lasersensormoduls 40 bereitgestellt werden, derart, dass die Daten einem Benutzer der mobilen Kommunikationsvorrichtung 90 mittels der Benutzerschnittstelle 92 präsentiert werden können. Das Lasersensormodul 100 kann mittels einer Energieversorgung der mobilen Kommunikationsvorrichtung 90 betrieben werden. Die Hauptverarbeitungsvorrichtung 94 kann ausgelegt sein, um die Verschmutzung des Emissionsfensters des Lasersensormoduls 40 wie oben beschrieben während einer Wellenlängenvariation des Laserstrahls (der Laserstrahlen) 48 wie oben beschrieben zu bestimmen. Die Hauptverarbeitungsvorrichtung 94 kann weiterhin ausgelegt sein, die Partikeldichte basierend auf dem Verschmutzungsdetektionssignal zu berechnen und zu korrigieren oder ein Fehlersignal zu initiieren. Dasselbe Prinzip kann in anderen Vorrichtungen verwendet werden, die das Lasersensormodul 40 aufweisen. Ein Luftreiniger oder eine Lüfterhaube, ein Geschwindigkeitsdetektor, ein Gestendetektor, ein Objektdetektor kann beispielsweise das Lasersensormodul 40 aufweisen.
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9 zeigt eine Prinzipskizze eines Verfahrens 100 zum Detektieren einer Verschmutzung eines Emissionsfensters eines Lasersensormoduls wie das Emissionsfenster 56 des Lasersensormoduls 40, das oben beschrieben wurde. In einem Schritt 102 wird ein Laserstrahl 48 durch das Emissionsfenster 56 auf einen Fokusbereich emittiert. In einem Schritt 104 wird die Wellenlänge des Laserstrahls 48 über eine vorbestimmte Zeitdauer T variiert. In Schritt 106 wird ein Interferenzsignal während der vorbestimmten Zeitdauer T bestimmt. In Schritt 108 wird basierend auf dem während der vorbestimmten Zeitdauer bestimmten Interferenzsignal ein Verschmutzungsdetektionssignal bereitgestellt, das eine Verschmutzung des Emissionsfensters 56 angibt. Schritt 108 kann von einem Korrigieren einer gemessenen Partikeldichte basierend auf dem Verschmutzungsdetektionssignal gefolgt werden. Alternativ oder zusätzlich kann Schritt 108 von einem Ausgeben eines Hinweises basierend auf dem Verschmutzungsdetektionssignal gefolgt werden.
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Die Funktionalitäten des Detektierens einer Verschmutzung des Emissionsfensters können als ein Computerprogramm in dem Speicher 96 der Vorrichtung 90 gespeichert werden. Die Vorrichtung 90 oder das Lasersensormodul können die Verschmutzungsdetektion bei jedem Start des Lasersensormoduls 40 durchführen, insbesondere jedes Mal, wenn ein Messmodus, beispielsweise zur Partikeldetektion, der Vorrichtung 90 aktiviert wird. Es ist ebenso möglich, die Verschmutzungsdetektion von Zeit zu Zeit während der Durchführung einer Messung, wie einer Partikeldetektion, einer Geschwindigkeitsmessung etc. zu aktivieren
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Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorhergehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, sind die Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht einschränkend zu betrachten; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt. Andere Variationen zu den offenbarten Ausführungsbeispielen können durch Fachleute bei der Ausführung der beanspruchten Erfindung durch ein Studium der Zeichnungen, der Offenbarung, und der angehängten Ansprüche verstanden und bewirkt werden.
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In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht eine Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine andere Einheit können die Funktionen von mehreren in den Ansprüchen genannten Elementen erfüllen. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in wechselseitig verschiedenen abhängigen Ansprüchen angegeben sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhafterweise verwendet werden kann.
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Jegliche Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht als schutzbeschränkend ausgelegt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018/104153 A1 [0002]
- US 2008/0088702 A1 [0004]
- US 2009/0279070 A1 [0005]
- WO 02/37410 [0044]
