KR20190095343A - 입자 밀도 검출을 위한 레이저 센서 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 센서 모듈을 설명한다. 레이저 센서 모듈은: 제 1 측정 빔(111')을 방출하도록 적응되는 적어도 제 1 레이저(111), 적어도 제 1 측정 빔(111')을 제 1 측정 체적(161)에 집속하도록 배열되는 광학 장치(150)로서, 제 1 측정 빔(111')에 대한 제 1 개구수(numerical aperture)에 의해 특징지워지는, 상기 광학 장치, 제 1 레이저(111)의 제 1 레이저 공동 내의 제 1 광파의 제 1 자가 혼합 간섭 신호를 결정하도록 적응되는 적어도 제 1 검출기(121), 평가기(140)를 포함하고, 평가기(140)는 결정된 제 1 자가 혼합 간섭 신호에 반응하여 적어도 제 1 검출기(121)에 의해 생성된 검출 신호를 수신하도록 적응되고, 평가기(140)는 또한, 입자에 의해 생성된 제 1 자가 혼합 간섭 신호의 지속기간에 기초하여 미리 결정된 시간 기간에서 제 1 측정 체적(161)을 통과하는 입자의 평균 이동 시간을 결정하도록 적응되고, 평가기(140)는 또한, 미리 결정된 시간 기간에서 제 1 자가 혼합 간섭 신호에 기초하여 입자의 수를 결정하도록 적응되며, 평가기(140)는 또한, 평균 이동 시간, 및 입자의 수에 기초하여 제 1 입자 밀도를 결정하도록 적응된다. 본 발명은 또한, 입자 밀도 검출 방법 및 대응하는 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 이러한 레이저 센서 모듈(100)을 포함하는 모바일 통신 디바이스(190)에 관한 것이다.
Description
본 발명은 입자 밀도 검출을 위한 간섭 또는 자가 혼합 간섭을 이용하는 레이저 센서 모듈, 입자 밀도 검출 관련 방법 및 대응하는 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 이러한 레이저 센서 모듈을 포함하는 모바일 통신 디바이스에 관한 것이다.
DE 10 2015 207 289 A1은 광 방사선을 방출하여, 가능하게 그 내부에 존재하는 적어도 하나의 입자를 갖는 체적이 적어도 부분적으로 조사가능하게 하도록 구성되는 광 방출기 디바이스; 적어도 하나의 입자에서 산란된 광 방사선의 적어도 일부에 의해 타격되는 적어도 하나의 검출 표면을 갖는 광 검출기 디바이스로서, 적어도 하나의 검출 표면을 타격하는 광 방사선의 세기 및/또는 세기 분포에 관한 적어도 하나의 정보 신호가 디스플레이가능한, 상기 광 검출기 디바이스; 및 입자의 존재, 입자의 수, 입자 밀도, 및/또는 입자의 적어도 하나의 속성에 관한 정보 항목이 식별가능하고 디스플레이가능한 평가 디바이스를 포함하고, 입자 센서 장치는 또한, 배치되는 적어도 하나의 렌즈 소자를 포함하여 방출된 광 방사선이 체적 내부의 초점 영역에 집속가능하게 한다. 입자 센서 장치는 풍속의 영향을 억제하기 위해 초점 영역을 이동시키도록 배열되는 미러 디바이스를 포함한다.
본 발명의 목적은 입자 밀도 검출을 위해 개선되고 단순화된 레이저 센서 모듈을 제공하는 것이다. 본 발명은 독립 청구항에 의해 정의된다. 종속 청구항은 유리한 실시예를 정의한다.
제 1 양태에 따라, 작은 입자(공기 중에 떠 있고 바람을 통해 확산될 수 있는 고체 또는 액체 입자)의 입자 밀도를 검출하기 위한 레이저 센서 모듈이 개시된다. 입자 크기는 일반적으로, 20㎛ 또는 심지어 10㎛보다 작다. 입자는 예를 들면, 0.05 마이크로미터와 10㎛ 사이, 바람직하게 0.1과 2.5㎛ 사이의 크기에 의해 특징지워질 수 있다. 레이저 센서 모듈은:
제 1 측정 빔을 방출하도록 적응되는 적어도 제 1 레이저,
적어도 제 1 측정 빔을 제 1 측정 체적에 집속하도록 배열되는 광학 장치로서, 제 1 측정 빔에 대한 제 1 개구수(numerical aperture)에 의해 특징지워지는, 상기 광학 장치,
제 1 레이저의 제 1 레이저 공동 내의 제 1 광파의 제 1 간섭 신호 또는 제 1 자가 혼합 간섭 신호를 결정하도록 적응되는 적어도 제 1 검출기,
평가기를 포함하고, 평가기는 결정된 제 1 간섭 또는 제 1 간섭 신호에 반응하여 적어도 제 1 검출기에 의해 생성된 검출 신호를 수신하도록 적응되고, 평가기는 또한, 입자에 의해 생성된 제 1 간섭 또는 제 1 자가 혼합 간섭 신호의 지속기간에 기초하여 미리 결정된 시간 기간에서 제 1 측정 체적을 통과하는 입자의 평균 이동 시간을 결정하도록 적응되고, 평가기는 또한, 미리 결정된 시간 기간에서 제 1 간섭 또는 제 1 자가 혼합 간섭 신호에 기초하여 입자의 수를 결정하도록 적응되며, 평가기는 또한, 평균 이동 시간 및 입자의 수에 기초하여 제 1 입자 밀도를 결정하도록 적응된다.
입자 검출을 위한 특히, 입자 밀도 검출을 위한 광 검출 기술은 일반적으로, 알려진 입자 흐름을 갖는 측정 체적을 이용한다. 그것은 측정 빔에 대한 입자 흐름의 속도 뿐만 아니라 방향이 알려짐을 의미한다. 입자 흐름은 예를 들면, 입자가 이동되도록 팬에 의해 또는 예를 들면, 입자에 대해 측정 빔을 이동시키는 MEMS 미러에 의해 정의될 수 있다. 관측 시간 단위 당 검출된 부피에 대한 풍속의 영향은 이들 조치에 의해 감소되거나 심지어 제거될 수 있다. 이러한 기술을 이용하는 광 센서 모듈은 부피가 크며 모든 입자 감지 애플리케이션을 위해 적합하지 않을 수 있다.
상기 설명된 레이저 센서 모듈은 미리 정의된 입자 흐름 방향 및 속도를 제공하지 않고 입자 검출을 가능하게 한다. 단지 한 방향으로만 측정 빔을 방출하는 단지 하나의 레이저(및 대응하는 검출기)만이 미리 결정된 시간 기간에서 제 1 측정 체적을 통과하는 입자에 기초하여 제 1 자가 혼합 간섭 신호를 생성하기 위해 이용된다. 자가 혼합 간섭 신호는 미리 결정된 시간 기간 내에 제 1 측정 체적을 통과하는 입자의 수 및 입자의 평균 이동 시간을 결정하기 위해 이용된다. 각각의 단일 입자의 이동 시간은 각각의 입자에 의해 생성된 자가 혼합 간섭 신호의 시작과 각각의 입자에 의해 생성된 자가 혼합 간섭 신호의 끝 사이의 시간 차이다. 평균 이동 시간은 미리 정의된 시간 내에 측정된 모든 이동 시간의 평균이다. 평균 이동 시간의 결정을 개선시킬 수 있는 자가 혼합 간섭 신호를 선택하기 위해 특정 임계치가 정의될 수 있다. 예를 들면, 미리 정의된 임계 진폭 값보다 큰 최대 신호 진폭을 갖는 단지 이러한 자가 혼합 간섭 신호만을 선택하는 것이 가능할 수 있다. 미리 정의된 임계 진폭 값은 측정 빔의 방향을 따라 측정 체적의 중심선을 통과하는 입자에 의해 야기된 그러한 자가 혼합 간섭 신호의 선택을 가능하게 할 수 있다. 또한, 입자 및 제 1 측정 빔의 본질적 원형 형상은 중심을 벗어난 거리의 함수로서 이동 시간이, 이동 시간 검출이 제 1 측정 체적을 통해 입자의 경로에 대해 민감하지 않도록 단지 서서히 감소하게 한다. 자가 혼합 간섭 신호에 의해 검출된 입자의 수 및 평균 이동 시간은 제 1 입자 밀도를 결정하기에 충분한 제 1 측정 빔의 방향과 입자 흐름의 속도 벡터 사이의 대략적으로 알려진 관계의 경우이다.
자가 혼합 간섭 신호는 또한, 제 1 측정 빔에 평행한 측정된 입자 흐름의 속도 벡터의 속도 성분에 관한 정보를 제공한다. 이 정보는 속도 벡터와 제 1 측정 빔 사이의 각도(90°-α)를 결정하기 위해 제 1 측정 빔에 수직인 속도 성분의 표시를 제공하는 기준 빔 직경 및 평균 이동 시간을 조합하여 이용될 수 있다. 기준 빔 직경은 기준 실험에 기초하여 기준 각도(α)를 통해 결정되는 교정 인자이다. 제 1 자가 혼합 간섭 신호는 또한, 미리 결정된 시간 기간에서 제 1 측정 체적을 통과하는 입자의 수를 결정하기 위해 이용된다. 제 1 입자 밀도는 평균 이동 시간, 미리 결정된 시간 기간에서의 검출된 입자의 수 및 각도(α)에 기초하여 결정된다. 각도(α)는 공식(방정식 1)에 의해 결정된다:
여기서, f=도플러 주파수, λ=측정 파장(예로서, 850nm), tmeas=측정된 평균 이동 시간 및 dref=기준 빔 직경이다.
개구수는 또한, 기준 속도에서 미리 결정된 최소 입자 크기를 검출하도록 배열될 수 있고, 기준 속도는 기준 속도를 포함하는 미리 결정된 속도 범위 내에서 선택된다.
센서 모듈의 광학의 개구수의 평균 속도와 제 3의 거듭제곱 사이의 비가 일정하면, 계수율(count rate)은 동일하게 유지되고, 또한 최소 검출된 입자 크기가 일정하게 유지됨이 인식되었다. 이것은 더 낮은 평균 입자 속도에서 측정 빔을 검출 체적에 집속하기 위한 광학의 개구수가 더 낮아야 함을 의미한다. 이러한 모듈을 포함하는 레이저 센서 모듈 또는 입자 검출 시스템은 기준 속도에 대해 설계될 수 있다. 기준 속도는 레이저 센서 모듈에 의해 신뢰가능한 입자 밀도 검출을 가능하게 하기 위해 커버되어야 하는 입자 속도의 범위에 의존하는 또 다른 교정 파라미터이다. 기준 속도는 주어진 입자 밀도가 미리 결정된 속도 범위에 걸쳐 신뢰가능한 방식으로 결정될 수 있도록 선택된다.
광학 장치는 바람직하게, 제 1 측정 빔에 대해 0.01과 0.06, 바람직하게 0.02와 0.04의 제 1 개구수에 의해 특징지워지고, 검출된 입자의 기준 속도는 1m/s 미만이다. 미리 정의된 속도 범위는 0.01m/s와 7m/s 사이의 범위에 있을 수 있다. 입자의 느린 이동과 조합된 작은 개구수는 예를 들면, 모바일 통신 디바이스(예로서, 스마트폰)와 같은 핸드헬드 디바이스에 의한 입자의 신뢰가능한 검출을 가능하게 할 수 있다. 또한, 작은 개구수는 예를 들면, 레이저 센서 모듈을 포함하는 스마트폰의 표면에 대해 3과 10mm 사이의 신뢰가능한 검출 거리(제 1 측정 체적)를 가능하게 한다.
입자 흐름에 대한 레이저 센서 모듈의 평균 속도에 의존하여, 개구수를 의도된 애플리케이션에 적응시킬 필요가 있을 수 있다. 예를 들면, 10m/s의 평균 속도로 이동하는 객체(차량) 상에 주로 이용될 수 있는 레이저 센서 모듈은 큰 속도로 더 작은 입자를 검출하는 것을 가능하게 하기 위해 더 큰 개구수를 필요로 하며 그렇지 않으면, 이러한 작은 입자는 카운팅되지 않아서, 입자 밀도 검출의 오차를 증가시킨다.
평가기는 또한, 제 1 자가 혼합 간섭 신호 및 평균 이동 시간에 기초하여 제 1 측정 빔과 입자의 속도 벡터 사이에 둘러싸인(enclosed) 각도를 결정하도록 적응될 수 있다. 제 1 입자 밀도는 검출된 입자의 수, 각도(α), 기준 속도 및 빔에 수직한 평균 이동 시간에 기초하여 결정되고, 기준 속도 및 기준 빔 직경은 기준 입자 크기를 갖는 기준 입자가 제 1 측정 빔을 통과하는 기준(이동) 시간(tref)을 정의하고, 기준 입자의 속도 벡터는 제 1 측정 빔에 수직이다.
평가기는 또한, 평균 시간 지속기간과 기준 시간 사이의 비의 네제곱근을 포함하는 인자에 의해 결정된 제 1 입자 밀도를 정정하도록 적응될 수 있다.
평균 시간 지속기간과 기준 시간 사이의 비의 네제곱근을 포함하는 인자는 t1/4 의존성을 나타내는 주어진 기준 입자 밀도에서 입자 수치의 시간 의존성을 보상하기 위해 이용된다. 하나의 레이저를 갖는 이 레이저 센서 모듈에 의한 입자 밀도 검출은 이 t1/4 의존성 때문에 평균 이동 시간의 측정 오차에 대해 매우 둔감하다. 기준 속도는 실제로, 시간에 대한 이 정정 인자(~(t/tref)1/4)가 미리 결정된 속도 범위 내에서 최소화되도록 선택된다. 다른 경우에서, 기준 속도는 또한, 특정 이용자 모델에 대한 가장 가능성 있는 속도로서 선택될 수 있다. 기준 속도는 예를 들면, 각각의 애플리케이션에 적응될 수 있다. 레이저 센서 모듈 또는 더 정확하게는 레이저 센서 모듈을 포함하는 디바이스는 실내의 제 1 입자 밀도를 결정하기 위해 이용될 수 있다. 평균 풍속은 이 경우에, 0m/s에 가깝거나 심지어 0m/s일 것이다. 기준 속도는 이 경우에 예를 들면, 0.05m/s인 것으로 선택될 수 있다. 대안적으로, 디바이스는 이용자 인터페이스에 의해 측정 조건에 관한 정보를 제공하도록 이용자에게 요청할 수 있다. 이용자는 예를 들면, 레이저 센서 모듈을 포함하는 디바이스가 빌딩 바깥에서 이용되고 바람이 많이 부는 정보를 제공할 수 있다. 디바이스는 이 경우에, 이용자에 의해 제공된 정보에 따라 상이한 기준 속도로 할당하도록 배열될 수 있다. 기준 속도는 이 경우에 예를 들면, 0.9m/s일 수 있다.
평가기는 또한, 제 1 신호 대 잡음 비 임계 레벨에서의 제 1 입자 계수율 및 제 1 신호 대 잡음 비 임계 레벨과 상이한 제 2 신호 대 잡음 비 임계 레벨에서의 제 2 입자 계수율을 결정하도록 적응될 수 있다. 평가기는 또한, 제 1 입자 계수율 및 제 2 입자 계수율에 의해 결정된 입자 밀도를 정정하도록 적응될 수 있다.
실험은 더 높은 속도에서, 가장 작은 입자에 대한 신호 대 잡음 비가 너무 낮아서 측정될 수 없는 것을 보여주었다. 입자 계수율에 대해 2개의 상이한 임계 레벨을 이용하는 것은 작은 입자의 수의 추정을 가능하게 하고, 따라서 더 높은 속도에서 손실된 입자의 수의 추정을 가능하게 한다. 입자 밀도는 예를 들면, 공식(방정식 2)에 의해 정정될 수 있다:
여기서, ratiotwothref는 큰 입자에 대한 2개의 임계값(높은 임계 레벨에서의 수치 수를 낮은 임계 레벨에서의 수치 수로 나눈 값)의 비이고 ratiotwothr은 입자 밀도(예로서, PM2.5) 측정의 유효 평균 이동 시간에서의 2개의 임계값의 비이다. 차는 분포에서 작은 입자의 수에 대한 측정치이다. 유효 평균 이동 시간(t)는 (방정식 3)에 의해 주어진 입자 흐름 벡터와 제 1 측정 빔 사이의 각도에 의해 보상된 측정된 평균 이동 시간이다.
그 차를 기준 시간에 대한 시간 차의 측정치에 대응하는 인자와 곱함으로써, 분포에서의 작은 입자에 대한 정정이 이루어진다. 인자(c2)는 교정 실험에 의해 적응될 수 있다. 상이한 임계치는 광 측정치(예로서, 제 2 개구수와 상이한 제 1 개구수), 검출기의 상이한 감도(물리적으로 또는 평가기에 의해 설정된 상이한 감도에 의한) 또는 예를 들면, 자가 혼합 간섭 신호에 적용된 전자 필터에 의해 생성될 수 있다.
입자 밀도 또는 PM 2.5 값은 공식(방정식 4)에 의해 산출될 수 있다:
c1은 교정 실험에서 결정되는 또 다른 교정 파라미터이다. n은 미리 결정된 기간(T)에서 검출된 입자의 수이다. 시간 의존성(또는 속도 의존성)을 보상하기 위한 네제곱근 시간 인자(fourth root time factor)는 참조 실험을 통해 레이저 센서 모듈과의 실험의 일치를 또한 개선시키는 부가적인 cos(α)을 포함한다.
이것이 이 공식에서 주어진 바와 같은 정보를 이용하여 최적의 PM2.5 값 또는 보다 일반적으로 입자 밀도 값에 대한 정정의 일례임이 언급된다. PM2.5 또는 입자 밀도 값의 훨씬 더 정확한 결정을 위해 입자 신호로부터의 또는 교정으로부터의 다른 파라미터가 또한 이용될 수 있다.
광학 장치는 레이저 센서 모듈의 출구 윈도우에 수직인 구축 높이가 1mm보다 작도록 제 1 측정 빔을 폴딩(folding)하도록 배열될 수 있다.
광학 장치는 예를 들면, 제 1 측정 빔이 제 1 측정 빔을 제 1 측정 체적에 집속하는 렌즈를 가로지르기 전에 레이저 센서 모듈 내에서 폴딩되도록 배열되는 2개의 반사면을 포함할 수 있다. 디바이스로부터 충분히 먼 초점 위치(예로서, 5mm)와 조합하여 광학 장치에 의해 제공된 요구된 개구수는 레이저와 집속 광학 장치(예로서, 렌즈) 사이에 특정 거리를 요구한다. 제 1 측정 빔의 광 경로가 레이저 센서 모듈 내에서 폴딩되면 레이저 센서 모듈의 구축 높이가 감소될 수 있다. 레이저 센서 모듈의 감소된 구축 높이는 스마트폰과 같은 모바일 통신 디바이스에서 레이저 센서 모듈이 조립되는 경우 특히 이로울 수 있다.
광학 장치는 제 1 측정 체적이 레이저 센서 모듈의 출구 윈도우에 수직인 3mm와 10mm 사이의 거리에 배열되도록 배열될 수 있다. 출구 윈도우는 제 1 측정 빔을 제 1 측정 체적으로 집속하기 위한 광 집속 디바이스와 동일할 수 있다. 3mm와 10mm 사이의 거리는 입자 흐름과 관련하여 디바이스 표면에 통합될 수 있는 출구 윈도우의 표면의 효과를 감소시킬 수 있다. 제 1 측정 체적에 대한 더 먼 거리는 손 및/또는 수직 위치에 있는 디바이스의 열로 인해 실질적인 공기 흐름 패턴의 경우 더 낮은 공기 속도를 야기한다.
레이저 센서 모듈은:
제 2 측정 빔을 방출하도록 적응되는 적어도 하나의 제 2 레이저,
적어도 제 2 측정 빔을 제 2 측정 체적에 집속하도록 또한 배열되는 광학 장치로서, 제 2 측정 빔에 대한 제 2 개구수에 의해 특징지워지고, 제 2 개구수는 기준 속도로 미리 결정된 최소 입자 크기를 검출하도록 배열되고, 제 1 측정 빔 및 제 2 측정 빔은 10°와 160°사이의 각도(φ)를 서로 둘러싸고, 적어도 제 2 검출기는 제 2 레이저의 제 2 레이저 공동 내의 제 2 광파의 제 2 간섭 또는 제 2 자가 혼합 간섭 신호를 결정하도록 적응되는, 상기 광학 장치,
결정된 제 2 자가 혼합 간섭 신호에 반응하여 제 2 검출기에 의해 생성된 검출 신호를 수신하도록 또한 적응되는 평가기를 더 포함하고, 평가기는 또한, 제 1 검출기에 의해 검출된 입자의 적어도 제 1 평균 속도 및 미리 결정된 시간 기간에 수신된 검출 신호에 의해 제 2 검출기에 의해 검출된 입자의 적어도 제 2 평균 속도를 결정하도록 적응되고, 평가기는 또한, 미리 결정된 시간 기간에 제 2 검출기에 의해 제공된 검출된 신호에 기초하여 제 2 수의 입자를 결정하도록 적응되고, 평가기는 또한, 제 1 평균 속도 및 제 2 평균 속도, 적어도 제 1 수의 입자 및 적어도 제 2 수의 입자에 의해 적어도 결정된 평균 입자 속도에 기초하여 제 2 입자 밀도를 결정하도록 적응되며, 평가기는 또한, 제 1 입자 밀도 및 제 2 입자 밀도에 기초하여 제 3 입자 밀도를 결정하도록 적응된다.
제 2 레이저 및 대응하는 검출기는 속도 벡터의 2개의 성분이 측정될 수 있기 때문에 입자 흐름의 속도 벡터의 독립적인 결정을 가능하게 한다. 입자의 평균 속도의 결정은 따라서, 제 1 및 제 2 레이저 자가 혼합 간섭 신호에 기초하여 입자 밀도의 독립적인 결정을 가능하게 한다. 이 제 2 입자 밀도는 상기 설명된 바와 같이 결정된 제 1 입자 밀도와 조합될 수 있다. 이 목적을 위해, 단일 축을 이용하는 제 1 입자 밀도가 이용될 수 있지만, 바람직하게 단일 축 둘 모두의 평균 결과로서의 제 1 입자 밀도가 이용될 수 있다. 이 조합된 제 3 입자 밀도는 이동 시간 기반 레이저 센서 모듈 및 속도 기반 레이저 센서 모듈에 비해 더 작은 오차에 의해 특징지워진다. 속도 기반 레이저 센서 모듈은 또한, 레이저 센서 모듈이 하기에 설명된 제 2 입자 검출 방법에 따라 단계를 수행하도록 배열되면 제 1 입자 밀도 없이 작동할 수 있다. 10°와 160°사이(바람직하게 20°와 140°사이, 가장 바람직하게 50°와 70°사이)의 각도(φ)를 서로 둘러싸는 적어도 2개의 레이저 빔 또는 측정 빔은 평균 속도를 결정하도록 2개의 독립적인 속도 성분을 결정하기 위해 이용된다.
제 1 측정 빔은 바람직하게, 기준 표면과의 제 1 각도(β1)를 둘러싸고, 제 2 측정 빔은 기준 표면과의 제 2 각도(β2)를 둘러싸며, 기준 표면 상의 제 1 측정 빔의 제 1 투영 및 기준 표면 상의 제 2 측정 빔의 제 2 투영은 20°와 160°사이, 바람직하게 30°와 120°사이, 가장 바람직하게 80°와 100°사이의 각도(φ)를 둘러싼다.
기준 표면 또는 검출 표면은 레이저 센서 모듈을 포함하는 디바이스의 표면일 수 있다. 제 1 및 제 2 측정 빔은 기준 표면(윈도우)의 투과 영역을 통해 방출된다. 이 구성은 기준 표면에 평행한 입자 흐름을 위해 특히 적합하다(도 2 참조). 이러한 디바이스는 센서 박스와 같은 고정 디바이스 또는 스마트폰과 같은 모바일 디바이스일 수 있다. 기준 표면은 예를 들면, 스마트폰의 디스플레이의 표면일 수 있다. 이용자는 디스플레이의 표면이 지면의 표면과 평행하거나 수직이 되도록 스마트폰 또는 모바일 통신 디바이스를 잡을 수 있다. 디바이스의 부가적인 센서는 지면의 표면에 대한 디바이스의 정확한 위치를 제공하는데 도움이 될 수 있고/있거나 부가적인 속도 데이터는 입자 농도의 더 최적의 측정을 얻기 위해 이용될 수 있다(예로서, 스마트폰의 나침반 또는 레벨 애플리케이션을 위해 이용될 수 있는 가속도 센서 등). 제 1 측정 빔은 특별한 경우 바람직하게, 기준 표면과의 각도(β1=45°)를 둘러쌀 수 있으며, 제 2 측정 빔은 바람직하게, 기준 표면과의 각도(β2=45°)를 둘러쌀 수 있다. 측정 빔 둘 모두의 투영은 이 경우에 바람직하게 각도(γ=90°)를 둘러쌀 수 있다. 기준 표면에 평행한 입자 흐름의 각각의 속도 벡터는 이 경우에, 제 1 또는 제 2 측정 빔을 통해 45°의 각도(90-α)를 둘러싼다. 각도(φ)는 이 경우 60°이다.
예를 들면, 레이저 빔 중 하나의 차단 또는 파손된 레이저로 인해, 제 2 및 결과적으로 제 3 입자 밀도 측정의 검출이 실패할 경우, 남아있는 레이저에 의한 제 1 입자 밀도 측정은 좋은 후퇴 시나리오를 제공한다. 차단되거나 손상된 레이저는 전원을 안전하게 하기 위해 스위칭 오프(switching off)될 수 있다. 대안적으로, 대응하는 검출기에 의해 제공된 측정 결과는 대응하는 잡음을 회피하기 위해 평가되지 않거나 무시될 수 있다.
기준 속도는 기준 속도를 포함하는 미리 결정된 속도 범위 내의 오차 최소화가 기준 속도에 대해 대칭이 되도록 선택될 수 있다. 이러한 방식으로 기준 속도를 선택하는 것은 특히 미리 결정된 속도 범위의 경계에서의 속도와 관련하여 개선된 에러 정정을 가능하게 할 수 있다. 속도 범위의 상한 또는 하한 경계에서 시스템 오류가 증가할 위험이 감소할 수 있다.
실험은 입자 속도의 함수로서의 레이저 센서 모듈의 계수율이 양호한 근사법에서 근 법칙에 의해 설명될 수 있음을 보여주었다. 따라서, 속도 범위의 근처에 또는 그 중간의 대수 축 상에 있는 기준 속도는 미리 결정된 속도 범위에서 기준 속도에 대해 대칭 오차 최소화를 가능하게 하기 위해 양호한 선택인 것으로 보인다. 속도 범위는 예를 들면, 모바일 핸드헬드 디바이스에 의한 입자 밀도 검출을 위해 0.01m/s 및 6m/s에 의해 제한될 수 있다. 기준 속도는 이 경우에, 입자 밀도의 신뢰가능한 값을 결정하기 위해 0.03의 광학 장치의 개구수에 대해 바람직하게 약 0.2m/s일 수 있다.
제 1 개구수는 제 2 개구수와 동일할 수 있다. 이것은 그 변형이 제외됨을 의미하지 않는다.
속도 값(v)는 공식(방정식 5)에 의해 자가 혼합 간섭 신호의 측정된 주파수 값(f)에 의해 결정될 수 있다:
여기서, λ는 측정 빔의 파장(예로서, 850 nm)이고 각도(90-α)는 제 1 및 제 2 자가 혼합 간섭 신호에 기초하여 결정될 수 있는 (적어도 근사적으로) 속도 벡터와 각각의 측정 빔 사이에 둘러싸인 각도이다. 입자 흐름이 검출 표면(예로서, 모바일 전화의 표면)에 평행하고 두 측정 빔 모두가 검출 표면과 45°의 각도를 둘러싸고 검출 표면 상에서의 측정 빔의 투영이 90°의 각도(γ)를 둘러싸는 경우에, 각도(90-α)는 45°(고정)이다. 심지어 흐름이 완벽하게 평행하지 않은 경우에도 단지 사소한 오류만 존재한다.
속도의 결정은 측정된 자가 혼합 간섭 신호의 분석을 신호의 유효 길이 또는 측정 시간에 적응시킴으로써 개선될 수 있다. 신호의 유효 길이는 속도, 빔 크기 및 각도(α)에 의존한다. 유효 길이 또는 측정 시간은 신호가 특정 임계값보다 큰 지속기간을 시간 도메인에서 검출함으로써 결정될 수 있다.
각각의 측정 빔(i)에 대한 평균 입자 속도(vavi) 및 전체 평균 속도(vav)는 2개의 측정 빔의 경우에 공식(방정식 6)에 의해 주어진다:
여기서, v(j), v(k)는 제 1 및 제 2 측정 체적에서 측정된 속도이고, N은 제 1 측정 체적에서 검출된 총 입자 수이며, M은 각각의 측정 시간 간격에서 제 2 측정 체적에서 각각 검출된 총 입자 수이다. 평균 속도에 대한 방정식은, 상이한 각도(90도보다 윈도우에 평행한 평면에서)를 갖는 측정 빔의 경우에 용이하게 적응될 수 있다.
평가기는 또한, 기준 속도와 결정된 평균 입자 속도 사이의 비의 세제곱근을 포함하는 인자에 의해 결정된 제 2 입자 밀도를 정정하도록 적응될 수 있다.
기준 속도와 결정된 평균 입자 속도 사이의 비의 세제곱근을 포함하는 인자는 v1/3 의존성을 나타내는 주어진 기준 입자 밀도에서 입자 수치의 속도 의존성을 보상하기 위해 이용된다. 기준 속도는 실제로, 이 속도 의존성이 미리 결정된 속도 범위 내에서 최소화되도록 선택된다.
또한, 제 1 측정 체적은 제 1 측정 빔의 방향으로 선형으로 연장될 수 있고 제 2 측정 체적은 제 2 측정 빔의 방향으로 선형으로 연장될 수 있다. 평가기는 이 경우, 제 1 측정 체적에서 입자의 검출을 위한 제 1 상대적 가능성을 결정하도록 적응될 수 있다. 평가기는 또한, 제 2 측정 체적에서의 입자의 검출을 위한 제 2 상대적 가능성을 결정하도록 적응될 수 있다. 평가기는 또한, 제 1 상대적 가능성 및 제 2 상대적 가능성에 의해 결정된 입자 밀도를 정정하도록 적응될 수 있다.
작은 개구수가 측정 체적이 측정 빔을 따라 선형적으로 연장되는 효과를 갖는다는 것을 인식함으로써 입자 밀도(예로서, PM 2.5 값)의 결정이 또한, 개선될 수 있다. 더 작은 개구수를 갖는 광학 장치에 의한 집속은 입자가 검출될 수 있는 측정 빔을 따라 범위를 연장한다. 제 1 또는 제 2 측정 빔에 의해 검출될 입자의 가능성은 각각의 측정 빔의 광축에 대한 공기 이동의 각도의 함수이다. 각각의 가능성은 제 1 측정 체적 및 제 2 측정 체적에서 측정된 산출된 평균 속도에 기초하여 결정될 수 있는데, 이는 입자 흐름과 측정 빔 둘 모두 사이에 둘러싸인 적어도 대략적으로 결정된 각도 때문이다. 이 각도의 결정은 단지 2개의 레이저를 포함하는 레이저 센서 모듈에 의해 3D 상황에서는 완벽하지 않다. 그러나, 그것은 예를 들면, 외부에서 조깅(jogging)하기에 입자 밀도가 너무 높은지의 여부(예로서, 스모그)에 대한 표시를 제공하는 핸드헬드 모바일 통신 디바이스에 대해 충분한 20% 미만의 오차를 갖는 입자 밀도의 결정을 가능하게 한다.
(선택적) 정정은 상기 주어진 결정된 평균 속도에 기초하여 2개의 측정 빔을 갖는 레이저 센서 모듈의 경우 다음 공식(방정식 7)에 의해 산출될 수 있다:
여기서, p1은 제 1 측정 체적에서 입자가 검출될 가능성이고, p2는 제 2 측정 체적에서 입자가 검출될 가능성이다.
평가기는 또한, 제 1 신호 대 잡음 비 임계 레벨에서의 제 1 입자 계수율 및 제 1 신호 대 잡음 비 임계 레벨과 상이한 제 2 신호 대 잡음 비 임계 레벨에서의 제 2 입자 계수율을 결정하도록 적응될 수 있다. 평가기는 또한, 제 1 입자 계수율 및 제 2 입자 계수율에 의해 결정된 제 2 입자 밀도를 정정하도록 적응된다.
실험 및 모델 산출은, 더 높은 속도에서 가장 작은 입자에 대한 신호 대 잡음 비가 너무 낮아 측정될 수 없음을 보여주었다. 입자 계수율에 대해 2개의 상이한 임계 레벨을 이용하는 것은 작은 입자의 수의 추정을 가능하게 하고, 그에 의해 더 높은 속도에서 손실된 입자의 수의 추정을 가능하게 한다. 입자 밀도는 예를 들면, 다음 공식에 의해 정정될 수 있다:
여기서, ratiotwothref는 큰 입자에 대한 2개의 임계값(높은 임계 레벨에서의 수치의 수를 낮은 임계 레벨에서의 수치의 수로 나눈 값)의 비이고 ratiotwothrav는 입자 밀도(예로서, PM2.5) 측정의 평균 속도에서 2개의 임계값의 비이다. 차는 분포에서 작은 입자의 수의 측정치이다. 그 차를 기준 속도에 대한 속도 차의 측정치에 대응하는 인자와 곱함으로써, 분포에서 작은 입자에 대한 정정이 이루어진다. 상기 설명된 바와 같이 상이한 임계치가 생성될 수 있다.
검출된 입자의 수 및 검출된 평균 속도의 조합은 입자 밀도를 야기한다. 입자 밀도는 예를 들면, PM2.5 값으로서 표현될 수 있다. 평가기는 예를 들면, 제 1, 제 2 및 선택적으로 제 1, 제 2 또는 제 3 검출기와 조합하여 제 3 레이저에 의해 생성된 자가 혼합 간섭 신호를 평가하도록 적응되는 하나의 ASIC을 포함할 수 있다. 대안적으로, 각각의 검출기는 별개의 ASIC에 결합될 수 있다.
PM 2.5 값은 공식(방정식 8)에 의해 산출될 수 있다:
c1은 또 다른 교정 계수이고 T는 미리 결정된 시간 기간이다. 교정 계수(c1)은 예를 들면, 전문 장비 및 기준 입자 농도에 의한 기준 실험에 기초하여 결정된다. 교정 실험에 의해 결정된 교정 인자의 일례는 c1=7.8, c2=2.7이다. 상기 주어진 공식은 같은 속도 범위에서 교정 실험에 대해 약 0.2 정도의 표준 편차를 갖는 0.01m/s와 7m/s 사이의 속도 범위에서의 입자 밀도의 신뢰가능한 검출을 야기한다.
레이저 센서 모듈은 제 3 측정 빔을 방출하도록 적응되는 적어도 제 3 레이저를 포함할 수 있다. 광학 장치는 제 3 측정 빔을 제 3 측정 체적에 집속하도록 배열된다. 제 1 측정 빔, 제 2 측정 빔 및 제 3 측정 빔은 10°와 110°(바람직하게 90°)의 각도를 서로 둘러싼다. 레이저 센서 모듈은 제 3 레이저의 제 3 레이저 공동 내의 제 3 광파의 제 3 간섭 또는 제 3 자가 혼합 간섭 신호를 결정하도록 적응되는 제 3 검출기를 더 포함한다. 평가기는 또한, 제 3 검출기에 의해 생성된 검출 신호를 수신하도록 적응된다. 평가기는 또한, 미리 결정된 시간 기간 내에서 제 3 검출기에 의해 검출된 입자의 제 3 평균 속도를 결정하도록 적응된다. 평가기는 또한, 미리 결정된 시간 기간에서 제 3 검출기에 의해 생성된 검출 신호에 의해 제 3 수의 입자를 결정하도록 적응된다. 평가기는 또한, 제 1 평균 속도, 제 2 평균 속도 및 제 3 평균 속도 및 제 1 수의 입자, 제 2 수의 입자 및 제 3 수의 입자에 의해 결정된 평균 입자 속도에 기초하여 입자 밀도를 결정하도록 적응된다.
제 3 레이저는 3개의 속도 성분이 모두 측정될 수 있기 때문에 입자 흐름의 방향의 개선된 결정을 가능하게 한다. 평균 속도의 결정이 따라서, 개선될 수 있다. 또한, 부가적인 측정 체적은 입자 계수율이 증가하도록 부가된다. 신뢰성을 증가시키기 위해 또 다른 레이저 및 검출기가 선택적으로 부가될 수 있다(중복된 레이저).
제 1 측정 체적은 제 2 측정 체적 또는 심지어 제 3 측정 체적과 적어도 부분적으로 중첩할 수 있다. 중첩하는 측정 체적은 동일한 입자가 입자 속도의 속도 벡터를 결정하기 위해 이용될 수 있다는 장점을 가질 수 있다. 측정 빔과 입자 흐름 사이의 각도 및 평균 속도의 측정의 정확도가 따라서, 개선될 수 있다. 측정 체적의 중첩을 가능하게 하기 위해 필요한 레이저 사이의 거리 때문에 레이저 센서 모듈의 크기가 증가할 수 있다.
제 1 측정 체적은 대안적으로, 제 2 측정 체적과 상이할 수 있고, 또한 제 3 측정 체적과 상이한 3개의 측정 빔을 갖는 레이저 센서 모듈의 경우에 상이할 수 있다. 측정 빔은 이 경우에, 거의 동일한 위치로부터 방출될 수 있다. 이것은 2개 또는 3개의 모든 레이저가 서로 매우 가깝게 배열되는 매우 소형의 레이저 센서 모듈을 가능하게 한다.
이러한 구성은 특히, 제 1 레이저 및 제 2 레이저(및 선택적으로 제 3 레이저)가 하나의 반도체 칩 상에 제공된 반도체 층을 포함하는 집적된 레이저 구성의 경우에 유용할 수 있다. 층의 전기 접촉은 제 1, 제 2 및 선택적으로 제 3 자가 혼합 간섭 신호의 독립적인 측정이 가능하도록 배열되어야 한다.
레이저 센서 모듈은 전기 구동기를 더 포함할 수 있다. 전기 구동기는 레이저가 측정 빔을 방출하도록 레이저 또는 레이저들을 전기적으로 구동하도록 적응될 수 있다.
레이저 센서 모듈은 부가적으로, 제어 신호, 전기 구동 신호 또는 검출 신호가 외부 제어기와 교환될 수 있는 인터페이스를 포함할 수 있다.
상기 설명된 어떤 실시예에 따른 레이저 센서 모듈은 제 1 모드에서 입자 밀도를 검출하도록 배열될 수 있다. 레이저 센서 모듈은 또한, 제 2 모드에서 적어도 1mm의 크기를 갖는 객체의 근접을 검출하도록 배열될 수 있다. 레이저 센서 모듈이 입자 밀도 검출을 위해 이용될 때, 바람직하게 DC 구동 전류가 이용되며, 입자는 상기 설명된 바와 같이 자가 혼합 간섭 신호의 변조에 의해 검출된다.
레이저 센서 모듈은 일 대안적인 실시예에 따라, 20㎛ 미만의 입자 크기를 갖는 입자의 입자 밀도를 검출하도록 배열될 수 있다. 레이저 센서 모듈은 또한, 레이저 센서 모듈의 광 방출 표면으로부터 미리 정의된 검출 범위 내의 객체의 존재를 검출하도록 배열될 수 있으며, 객체의 크기는 바람직하게, 가장 긴 연장부를 따라 적어도 1mm이다. 레이저 센서 모듈은,
- 제 1 측정 빔을 방출하도록 적응되는 적어도 제 1 레이저,
- 제 1 측정 빔을 제 1 측정 체적에 집속하도록 배열되는 광학 장치로서, 0.02와 0.1 사이의 제 1 측정 빔에 대한 제 1 개구수에 의해 특징지워지는, 상기 광학 장치,
- 제 1 간섭 또는 자가 혼합 간섭 신호를 결정하도록 적응되는 적어도 제 1 검출기,
- 평가기를 포함하고, 평가기는 결정된 제 1 간섭 또는 자가 혼합 간섭 신호에 반응하여 적어도 제 1 검출기에 의해 생성된 제 1 검출 신호를 수신하도록 적응되고, 평가기는 또한, 제 1 검출 신호에 의해 미리 정의된 검출 범위 내에서의 객체의 존재와 제 1 측정 체적에서의 입자의 존재 사이를 구별하도록 적응된다.
객체는 예를 들면, 제스처 제어를 위한 이용자의 손가락 또는 손의 부분이거나 대안적으로 입자 밀도의 신뢰가능한 검출을 회피하거나 감소시키는 오물 입자일 수 있다.
스마트폰 애플리케이션에서의 레이저 센서 모듈 또는 입자 센서는 전형적으로 예로서, 0.2m/s의 낮은 속도에서 양호한 입자 계수율 및 최소 검출된 입자 크기를 가져야 한다. 이것을 수용하기 위해, 시스템의 개구수(NA)는 상대적으로 작게 예로서, NA=0.03으로 선택되어야 한다. 이 작은 NA는 상대적으로 큰 거리에서 큰 객체를 검출할 수 있다는 점에서 유리하다. 예로서, 입자 검출을 위한 집속된 지점은 전형적으로, 스마트폰 커버 유리 밖으로 5mm로 선택될 것이다. NA=0.03 시스템에 대해, 큰 객체는 예로서, 15cm의 거리에서 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭(SMI) 신호에 의해 여전히 관측될 수 있다. 실제 거리는 NA와는 별도로, 다른 시스템 파라미터(예로서, 객체의 전력 및 반사 속성)의 선택에 또한 의존한다.
실험은 입자 속도를 결정하기 위해 이동 시간 알고리즘을 이용하는 단일 축 입자 센서가 가능하다는 것을 보여주었다. 또한, 2 또는 3축 시스템은 정확한 입자 검출 결과를 위해 직각일 필요는 없다. 이것은 그들 입자 센서가 스마트폰 표면의 법선에 대해 상대적으로 작은 빔 각도(10와 35도 사이의 범위)를 이용할 수 있음을 의미한다. 이것은 근접 검출을 위한 유리한 특징이다.
입자 검출을 위해, 특정 최소 NA가 요구되는 반면, 근접 검출을 위해 특정 최대 NA가 요구된다. 이것은 조합된 레이저 센서 모듈에 대해, 특정 범위에서 NA가 선택되어야 한다는 통찰력을 제공한다. 특정 범위는 입자 속도 또는 최대 6m/s의 풍속에 대해 신뢰가능한 입자 밀도 검출 및 근접 검출을 가능하게 하기 위해 0.02와 0.1 사이이다.
동일한 레이저 센서 모듈이 제스처 제어 및/또는 근접 감지를 위해 이용될 때, 객체의 거리(및/또는 속도)가 검출될 수 있도록 변조된 구동 전류가 이용된다. 제스처 제어는 이용자가 레이저 센서 모듈을 포함하는 디바이스(예로서, 스마트폰) 또는 레이저 센서 모듈의 표면에 물리적으로 접촉하지 않고 정보를 입력하거나 정보를 조작할 수 있음을 의미한다. 제스처 제어는 따라서, 비접촉식 입력 또는 정보의 조작 또는 정보의 표현을 가능하게 한다.
근접 감지의 대략적인 방식은 검출된 결함 입자 이벤트의 수를 조사함으로써 수행될 수 있다. 이 경우에, 변조된 구동 전류를 제공할 필요가 없을 것이다.
입자 밀도 및 객체의 존재를 검출하도록 배열되는 이러한 레이저 센서 모듈의 미리 정의된 검출 범위는 20cm 미만일 수 있고, 제 1 측정 체적은 발광 표면과 미리 정의된 검출 범위 사이에 위치된다.
입자 밀도 및 객체의 존재를 검출하도록 배열되는 레이저 센서 모듈은 전기 구동기를 더 포함할 수 있다. 전기 구동기는 제 1 전기 구동 전류에 의해 제 1 시간 기간 내에 제 1 레이저를 전기적으로 구동하도록 배열된다. 전기 구동기는 또한, 제 1 전기 구동 전류와 상이한 제 2 전기 구동 전류에 의해 제 1 시간 기간과 상이한 제 2 시간 기간 내에 제 1 레이저를 전기적으로 구동하도록 배열된다. 평가기는 제 1 시간 기간 내에 미리 정의된 검출 범위 내에서 객체의 존재를 검출하도록 배열된다. 평가기는 또한, 제 2 시간 기간 내에 입자의 존재를 검출하도록 배열된다. 제 1 전기 구동 전류는 예를 들면, 변조된 구동 전류(예로서, 삼각형)일 수 있다. 제 2 전기 구동 전류는 예를 들면, DC 전류일 수 있다.
레이저 센서 모듈은 입자 밀도 및 객체의 존재를 검출하도록 배열되고, 평가기는 제 1 시간 기간 내에 제스처 인식을 위해 미리 정의된 검출 범위 내에서 객체의 근접을 검출하도록 배열된다. 평가기는 또한, 제 2 시간 기간에서 입자 밀도를 검출하도록 배열된다. 평가기는 제 1 시간 기간 내에 객체의 이동을 검출하도록 배열될 수 있다.
레이저 센서 모듈은 입자 밀도 및 객체의 존재를 검출하도록 배열되고, 평가기는 또한, 상기 및 하기에 설명된 바와 같이 입자에 의해 생성된 제 1 간섭 또는 자가 혼합 간섭 신호의 지속기간에 기초하여 미리 결정된 시간 기간에서 제 1 측정 체적을 통과하는 입자의 평균 이동 시간을 결정하도록 배열된다. 평가기는 또한, 미리 결정된 시간 기간에서의 제 1 간섭 또는 자가 혼합 간섭 신호에 기초하여 입자의 수를 결정하도록 적응되고, 평가기는 또한, 상기 및 하기에 설명된 바와 같이 평균 이동 시간 및 입자 수치에 기초하여 입자 밀도를 결정하도록 적응된다.
상기 설명된 레이저 센서 모듈은 미리 정의된 입자 흐름 방향 및 속도를 제공하지 않고 입자 검출을 가능하게 한다. 단지 하나의 방향으로만 측정 빔을 방출하는 단지 하나의 레이저(및 대응하는 검출기)만이 미리 결정된 시간 기간에서 제 1 측정 체적을 통과하는 입자에 기초하여 제 1 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호를 생성하기 위해 이용될 수 있다. 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호는 미리 결정된 시간 기간 내에 제 1 측정 체적을 통과하는 입자의 평균 이동 시간 및 입자의 수를 결정하기 위해 이용된다. 각각의 단일 입자의 이동 시간은 각각의 입자에 의해 생성된 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호의 시작과 각각의 입자에 의해 생성된 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호의 끝 사이의 시간 차이다. 평균 이동 시간은 미리 정의된 시간 내에 측정된 모든 이동 시간의 평균이다. 평균 이동 시간의 결정을 개선시킬 수 있는 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호를 선택하기 위해 특정 임계치가 정의될 수 있다. 예를 들면, 미리 정의된 임계 진폭 값보다 큰 최대 신호 진폭을 갖는 이러한 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호만을 선택하는 것이 가능하다. 미리 정의된 임계 진폭 값은 측정 빔의 방향을 따라 측정 체적의 중심선을 통과하는 입자에 의해 야기된 이러한 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호의 선택을 가능하게 할 수 있다. 또한, 입자의 본질적 원형 형상 및 제 1 측정 빔은 중심을 벗어난 거리의 함수로서 이동 시간이 이동 시간 검출이 제 1 측정 체적을 통해 입자의 경로에 대해 민감하지 않도록 단지 점진적으로 감소하게 한다. 평균 이동 시간 및 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호에 의해 검출된 입자의 수는, 입자 밀도를 결정하기 위해 충분한 제 1 측정 빔의 방향과 입자 흐름의 속도 벡터 사이의 대략적으로 알려진 관계의 경우이다.
레이저 센서 모듈은 입자 밀도 및 객체의 존재를 검출하도록 배열되고, 평가기는 또한, 제 1 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호 및 평균 이동 시간에 기초하여 제 1 측정 빔과 입자의 속도 벡터 사이에 둘러싸인 각도를 결정하도록 적응되고, 개구수는 기준 속도에서 미리 결정된 최소 입자 크기를 검출하도록 배열된다. 기준 속도는 0.01m/s와 7m/s 사이의 미리 결정된 속도 범위 내에서 선택된다. 입자 밀도는 또한, 제 1 측정 빔의 기준 속도 및 기준 빔 직경에 기초하여 결정된다. 기준 속도 및 기준 빔 직경은 기준 입자 크기를 갖는 기준 입자가 제 1 측정 빔을 통과하는 기준 시간을 정의한다. 기준 입자의 속도 벡터는 제 1 측정 빔에 수직이다. 또 다른 상세는 상기 및 하기에서 설명된 실시예에서 주어진다.
레이저 센서 모듈은 입자 밀도 및 객체의 존재를 검출하도록 배열되고, 상기 레이저 센서 모듈은:
- 제 2 측정 빔을 방출하도록 적응되는 적어도 제 2 레이저,
- 적어도 제 2 측정 빔을 제 2 측정 체적으로 집속하도록 또한 배열되는 광학 장치로서, 제 2 측정 빔에 대한 제 1 개구수에 의해 특징지워지고, 제 1 측정 빔 및 제 2 측정 빔은 5°와 70°사이, 보다 바람직하게 7°와 50°사이 및 가장 바람직하게 10°와 35°사이의 각도를 서로 둘러싸는, 상기 광학 장치,
- 제 2 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호를 결정하도록 적응되는 적어도 제 2 검출기,
- 결정된 제 2 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호에 반응하여 제 2 검출기에 의해 생성된 제 2 검출 신호를 수신하도록 또한 적응되는 평가기를 포함하고, 평가기는 또한, 제 1 검출기 신호 및 제 2 검출기 신호에 기초하여 입자 밀도를 결정하도록 적응된다.
입자 밀도 검출을 위한 평균 부분 속도를 결정하기 위해 2차원 공기 또는 가스(또는 더 일반적으로 유체) 흐름의 경우에 2개의 레이저 및 대응하는 검출기가 이용될 수 있다. 입자 밀도 검출을 위한 평균 부분 속도를 결정하기 위해 알려지지 않은 3차원 흐름 방향의 경우 3개의 레이저 및 대응하는 검출기가 필요하다.
레이저 센서 모듈은 입자 밀도 및 객체의 존재를 검출하도록 배열되고 객체는 입자 검출을 방해하는 차단 객체이다. 평가기는 차단 객체에 의존하여 입자 밀도의 검출을 적응시키도록 배열된다.
레이저 센서 모듈은 검출 체적에서 입자 수치를 결정하기 위해 반사된 광 신호(간섭 또는 자가 혼합 간섭 SMI에 기초하여)를 프로세싱할 것이다. 신호는 다음과 같은 경우에 부정확할 것이다:
1. 레이저 센서 모듈의 윈도우가 완전히 차단된다(즉, 빛은 센서 모듈을 빠져 나갈 수 없다)
a. 입자가 검출될 수 있기 전에 광이 차단된다
b. 빔의 집속 후에 광은 차단 객체에 의해 차단/반사되고, 입자가 여전히 검출 빔을 통과할 수 있다
2. 측정 빔 중 하나의 광 경로가 부분적으로 차단된다
a. 윈도우 상에 큰 입자에 의해
b. 레이저 빔에서의 객체에 의해
모든 경우에 센서는 수신된 신호의 프로세싱에 기초하여 부정확한 결과를 제공할 것이다.
레이저 센서 모듈은 광 경로(전체 또는 부분적으로)를 차단하는 무언가의 존재를 검출하고 따라서, 그러한 시간 동안 입자 판독을 보고하지 않는다. 검출은 반사된 광의 패턴에 기초할 수 있다. 구체적으로: 전체 차단(1a): 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호는 간섭계에 효과적으로 객체를 배치하는 것으로부터 발생한다. 일반적으로, 객체가 이동할 것이고, 이는 검출 빔의 광축에 대한 객체의 이동의 속도에 의존하여 더 높거나 더 낮은 주파수를 야기한다. 이들 신호의 진폭, 시간 지속기간, 잡음 플로어 레벨 및 주파수의 조합은 입자 신호와 상이할 것이고 이들 특성은 입자를 차단된 센서와 구별하기 위해 이용될 수 있다. 이것은 또한, (예로서, 레이저 센서 모듈이 예를 들면, 스마트폰 커버에 의해 차단되거나 주머니에 넣어져 있는 동안 측정하는) 영구적으로 차단된 센서를 위해 또는 센서가 잠시 차단되는 상황(예로서, 손이 센서를 통과하고 있을 때)을 위해 지속된다.
차단 객체가 검출 체적(1b) 다음에 있는 경우, 2가지 상황이 발생할 수 있는데, 하나는 배경 객체가 입자 신호보다 우세한 신호를 발생시키고 위와 같이 처리되어야 하는 이전과 같다. 그러나, 이것은 또한, 객체의 영향이 충분히 약한 경우(즉, 센서로부터 먼 거리(일반적으로 수 cm)) 백그라운드 잡음 플로어를 수정하는 것을 야기할 수 있다. 이것은 시간에 따라 변하는 배경 잡음 또는 잡음 스펙트럼의 스펙트럼 변화에 의해 식별될 수 있다.
부분 차단(2b)의 경우, 레이저 센서 모듈의 평가기는 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호의 일부에서 다음과 같이 입자 수치에 대한 결과를 제공하기 위해 차단 객체의 영향을 감산하도록 배열될 수 있고(시간의 함수로서), 신호 변동은 현저하게 더 높아질 것이다(높은 신호 성분을 도입하는 차단 객체로 인해, 어떤 입자 이동을 숨김으로써). 입자 농도 정보는 여전히 감소된 정확도를 갖는 나머지 신호로부터 추론될 수 있다.
센서의 부분 차단(2b)을 검출하는 또 다른 옵션은 변조된 측정 빔을 인가하는 것일 수 있다. 그 경우 객체의 거리 및 속도가 얻어질 수 있다. 거리는 예를 들면, 커버 유리(아마도 큰 입자)로부터 발생하는 교란과 대응할 수 있으며 청소 조언(cleaning advice)을 제공받을 수 있다.
레이저 센서 모듈은 자가 혼합 간섭 신호를 결정하는 대신 간섭 신호를 결정하도록 배열될 수 있다. 레이저 센서 모듈은 제 1 측정 빔의 부분 반사에 의한 제 1 측정 빔 및 제 2 측정 빔의 부분 반사에 의한 제 2 기준 빔에 기초하여 제 1 기준 빔을 제공하도록 배열될 수 있다. 제 1 또는 제 2 측정 빔은 레이저 센서 모듈 내의 제 1 측정 또는 제 2 측정 빔의 광 경로에 배열된 광 구조에 의해 부분적으로 반사될 수 있다. 제 1 검출기는 제 1 기준 빔 및 제 1 측정 빔의 반사광의 간섭에 기초하여 제 1 간섭 신호를 결정하도록 배열된다. 제 2 검출기는 제 2 기준 빔 및 제 2 측정 빔의 반사광의 간섭에 기초하여 제 2 간섭 신호를 결정하도록 배열된다.
자가 혼합 간섭 신호를 결정하는 대신에 간섭 신호를 결정하도록 배열되는 레이저 센서 모듈은 대안적으로 또는 게다가, 제 1 검출기가 제 1 레이저로부터 분리되도록 배열될 수 있다. 제 2 검출기는 제 2 레이저로부터 분리된다. 레이저 센서 모듈은 이 경우에 제 1 기준 빔을 제공하도록 배열된 제 1 빔 스플리터를 더 포함하고, 레이저 센서 모듈은 제 2 기준 빔을 제공하도록 배열된 제 2 빔 스플리터를 더 포함한다. 제 1 및 제 2 빔 스플리터는 제 1 및 제 2 편광 빔 스플리터일 수 있다. 레이저 센서 모듈은 제 1 빔 스플리터와 제 1 측정 빔을 제 1 측정 체적에 집속하기 위한 제 1 집속 디바이스 사이에 배열된 제 1 1/4 파장판을 더 포함할 수 있다. 레이저 센서 모듈은 제 2 빔 스플리터와 제 1 측정 빔을 제 1 측정 체적으로 집속하기 위한 제 2 집속 디바이스 사이에 배열된 제 2 1/4 파장판을 더 포함할 수 있다. 공기 청정기, 배기 후드, 자동차, 센서 박스 또는 모바일 통신 디바이스와 같은 착용가능한 디바이스, 등은 상기 설명된 바와 같은 어떤 실시예에 따른 레이저 센서 모듈을 포함할 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 입자 밀도 검출의 제 1 방법이 제공된다. 제 1 방법은:
제 1 레이저에 의해 적어도 제 1 측정 빔을 방출하는 단계,
제 1 개구수를 통해 제 1 측정 빔을 집속시키는 단계로서, 제 1 개구수는 바람직하게 기준 속도에서 미리 결정된 최소 입자 크기를 검출하도록 배열되고, 기준 속도는 미리 결정된 속도 범위 내에 있는, 상기 제 1 측정 빔을 집속시키는 단계,
제 1 레이저의 제 1 레이저 공동 내의 제 1 광파의 제 1 간섭 신호 또는 제 1 자가 혼합 간섭 신호를 결정하는 단계;
입자에 의해 생성된 제 1 간섭 신호 또는 제 1 자가 혼합 간섭 신호의 지속기간에 기초하여 미리 결정된 시간 기간에서 제 1 측정 체적을 통과하는 입자의 평균 이동 시간을 결정하는 단계,
제 1 간섭 신호 또는 제 1 자가 혼합 간섭 신호(도플러 주파수 및 이동 시간), 제 1 레이저에 의해 방출된 레이저 광의 파장 및 기준 빔 직경에 기초하여 입자의 속도 벡터와 제 1 측정 빔 사이에 둘러싸인 각도를 선택적으로 결정하는 단계,
미리 결정된 시간 기간에서 제 1 간섭 신호 또는 제 1 자가 혼합 간섭 신호에 기초하여 입자의 수를 결정하는 단계,
평균 시간 지속기간, 입자의 수 및 선택적으로 각도에 기초하여 제 1 입자 밀도를 결정하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 입자 밀도 검출의 제 2 방법이 제공된다. 제 2 방법은:
제 1 레이저에 의해 적어도 제 1 측정 빔을 방출하는 단계,
제 2 레이저에 의해 적어도 제 2 측정 빔을 방출하는 단계,
제 1 개구수를 통해 제 1 측정 빔을 집속시키는 단계로서, 제 1 개구수는 바람직하게, 기준 속도에서 미리 결정된 최소 입자 크기를 검출하도록 배열되고, 기준 속도는 미리 결정된 속도 범위 내에 있는, 상기 제 1 측정 빔을 집속시키는 단계,
제 2 개구수를 통해 제 2 측정 빔을 집속시키는 단계로서, 제 2 개구수는 바람직하게, 기준 속도에서 미리 결정된 최소 입자 크기를 검출하도록 배열되고, 기준 속도는 미리 결정된 속도 범위 내에 있는, 상기 제 2 측정 빔을 집속시키는 단계,
제 1 레이저의 제 1 레이저 공동 내의 제 1 광파의 제 1 간섭 신호 또는 제 1 자가 혼합 간섭 신호를 결정하는 단계,
제 2 레이저의 제 2 레이저 공동 내의 제 2 광파의 제 2 간섭 신호 또는 제 2 자가 혼합 간섭 신호를 결정하는 단계,
미리 결정된 시간 기간에서 결정된 제 1 간섭 신호 또는 제 1 자가 혼합 간섭 신호에 기초하여 제 1 평균 속도를 결정하는 단계,
미리 결정된 시간 기간에서 결정된 제 2 간섭 신호 또는 제 2 자가 혼합 간섭 신호에 기초하여 제 2 평균 속도를 결정하는 단계,
미리 결정된 시간 기간에서 결정된 제 1 간섭 신호 또는 제 1 자가 혼합 간섭 신호에 의해 제 1 수의 입자를 결정하는 단계,
미리 결정된 시간 기간에서 결정된 제 2 간섭 신호 또는 제 2 자가 혼합 간섭 신호에 의해 제 2 수의 입자를 결정하는 단계,
적어도 제 1 평균 속도 및 제 2 평균 속도에 기초하여 평균 입자 속도를 결정하는 단계,
적어도 결정된 평균 속도, 제 1 수의 입자 및 제 2 수의 입자에 기초하여 입자 밀도를 결정하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 제 1 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다. 컴퓨터 프로그램 제품은 레이저 센서 모듈의 적어도 하나의 메모리 디바이스 또는 레이저 센서 모듈을 포함하는 디바이스의 적어도 하나의 메모리 디바이스 상에 저장될 수 있는 코드 수단을 포함한다. 코드 수단은 청구항 제 14 항에 따른 방법이 레이저 센서 모듈의 적어도 하나의 프로세싱 디바이스에 의해 또는 레이저 센서 모듈을 포함하는 디바이스의 적어도 하나의 프로세싱 디바이스에 의해 실행될 수 있도록 배열된다.
또 다른 양태에 따르면, 제 2 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다. 컴퓨터 프로그램 제품은 적어도 제 1 및 제 2 자가 혼합 간섭 신호에 기초하여 평균 속도를 결정하도록 배열되는 속도 기반 레이저 센서 모듈의 적어도 하나의 메모리 디바이스 상에 또는 속도 기반 레이저 센서 모듈을 포함하는 디바이스의 적어도 하나의 메모리 디바이스 상에 저장될 수 있는 코드 수단을 포함한다. 코드 수단은 제 2 방법이 속도 기반 레이저 센서 모듈의 적어도 하나의 프로세싱 디바이스에 의해 또는 속도 기반 레이저 센서 모듈을 포함하는 디바이스의 적어도 하나의 프로세싱 디바이스에 의해 실행될 수 있도록 배열된다.
메모리 디바이스 또는 프로세싱 디바이스는 레이저 센서(예로서, 전기 구동기, 평가기 등) 또는 레이저 센서 모듈을 포함하는 디바이스에 의해 포함될 수 있다. 레이저 센서 모듈을 포함하는 디바이스의 제 1 메모리 디바이스 및/또는 제 1 프로세싱 디바이스는 레이저 센서 모듈에 의해 포함된 제 2 메모리 디바이스 및/또는 제 2 프로세싱 디바이스와 상호작용할 수 있다.
메모리 디바이스 또는 디바이스들은 정보, 특히 디지털 정보를 저장하도록 배열된 어떤 물리적 디바이스일 수 있다. 메모리 디바이스는 특히, 고체 상태 메모리 또는 광 메모리의 그룹 중에서 선택될 수 있다.
프로세싱 디바이스 또는 디바이스들은 데이터 프로세싱 특히, 디지털 데이터의 프로세싱을 수행하도록 배열되는 어떤 물리적 디바이스일 수 있다. 프로세싱 디바이스는 특히, 그룹 프로세서, 마이크로프로세서 또는 주문형 반도체(ASIC) 중에서 선택될 수 있다.
상기 설명된 실시예 중 어떤 하나에 따른, 특히 청구항 제 1 항 내지 제 12 항에서 설명된 바와 같은 레이저 센서 모듈 및 제 14 항의 제 1 방법 또는 상기 설명된 제 2 방법에 따른 레이저 센서 모듈이 특히, 종속 청구항에서 정의된 바와 같이 유사하고/거나 동일한 실시예를 가짐이 이해될 것이다.
일 대안적인 실시예에 따르면, 입자 크기가 20㎛ 미만인 입자의 입자 밀도를 검출하는 방법이 제공된다. 방법은:
- 제 1 레이저에 의해 적어도 제 1 측정 빔을 방출하는 단계,
- 0.02와 0.1 사이의 제 1 개구수를 통해 제 1 측정 빔을 집속하는 단계,
- 제 1 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호를 결정하는 단계,
- 미리 정의된 검출 범위 내의 객체의 존재와 제 1 측정 체적에서의 입자의 존재 사이를 구별하는 단계로서, 객체의 크기는 가장 긴 연장부를 따라 바람직하게 적어도 0.5mm, 더 바람직하게 적어도 1mm인, 상기 구별하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예가 또한, 각각의 독립 청구항과의 종속 청구항의 어떤 조합일 수 있다는 것이 이해될 것이다.
또 다른 유리한 실시예가 하기에 정의된다.
본 발명의 이들 및 다른 양태는 이후에 설명된 실시예로부터 명백해질 것이고 그로부터 더 자세하게 설명될 것이다.
도 1은 제 1 레이저 센서 모듈의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 2는 제 1 자가 혼합 간섭 신호의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 3은 제 2 자가 혼합 간섭 신호의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 4는 속도 기반 레이저 센서 모듈에 의해 결정된 입자 밀도의 속도 의존성을 도시한 도면.
도 5는 시간 기반 레이저 센서 모듈에 의해 결정된 입자 밀도의 속도 의존성을 도시한 도면.
도 6은 측정 결과를 도시한 도면.
도 7은 상이한 입자 분포의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 8은 상이한 입자 속도에서의 입자 직경에 의존하는 입자 수치를 도시한 도면.
도 9는 상이한 입자 분포에 대한 속도의 함수로서 입자 수치를 도시한 도면.
도 10은 상이한 입자 분포에 대한 속도의 함수로서 정정된 입자 수치를 도시한 도면.
도 11은 상이한 입자 속도에 대한 입자 직경의 함수로서 상이한 신호 대 잡음 비 임계 레벨에서의 입자 수치의 비를 도시한 도면.
도 12는 작은 입자에 대해 정정된 입자 수치를 도시한 도면.
도 13은 제 2 레이저 센서 모듈의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 14는 개구수의 함수로서 검출 거리를 도시한 도면.
도 15는 개구수의 함수로서 최소 검출된 입자 크기를 도시한 도면.
도 16은 제 3 레이저 센서 모듈의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 17은 측정 빔의 사시도의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 18은 제 4 레이저 센서 모듈의 평면도의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 19는 제 1 마이크로 광 성분의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 20은 제 1 광학 장치의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 21은 제 2 광학 장치의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 22는 모바일 통신 디바이스의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 23은 제 1 입자 밀도를 결정하는 제 1 방법의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 24는 제 2 입자 밀도를 결정하는 제 1 방법의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 2는 제 1 자가 혼합 간섭 신호의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 3은 제 2 자가 혼합 간섭 신호의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 4는 속도 기반 레이저 센서 모듈에 의해 결정된 입자 밀도의 속도 의존성을 도시한 도면.
도 5는 시간 기반 레이저 센서 모듈에 의해 결정된 입자 밀도의 속도 의존성을 도시한 도면.
도 6은 측정 결과를 도시한 도면.
도 7은 상이한 입자 분포의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 8은 상이한 입자 속도에서의 입자 직경에 의존하는 입자 수치를 도시한 도면.
도 9는 상이한 입자 분포에 대한 속도의 함수로서 입자 수치를 도시한 도면.
도 10은 상이한 입자 분포에 대한 속도의 함수로서 정정된 입자 수치를 도시한 도면.
도 11은 상이한 입자 속도에 대한 입자 직경의 함수로서 상이한 신호 대 잡음 비 임계 레벨에서의 입자 수치의 비를 도시한 도면.
도 12는 작은 입자에 대해 정정된 입자 수치를 도시한 도면.
도 13은 제 2 레이저 센서 모듈의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 14는 개구수의 함수로서 검출 거리를 도시한 도면.
도 15는 개구수의 함수로서 최소 검출된 입자 크기를 도시한 도면.
도 16은 제 3 레이저 센서 모듈의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 17은 측정 빔의 사시도의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 18은 제 4 레이저 센서 모듈의 평면도의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 19는 제 1 마이크로 광 성분의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 20은 제 1 광학 장치의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 21은 제 2 광학 장치의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 22는 모바일 통신 디바이스의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 23은 제 1 입자 밀도를 결정하는 제 1 방법의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 24는 제 2 입자 밀도를 결정하는 제 1 방법의 주요 스케치를 도시한 도면.
도면에서, 유사한 부호는 명세서에 걸쳐 유사한 객체를 언급한다. 도면에서의 객체는 반드시 크기대로 그려지는 것은 아니다.
본 발명의 다양한 실시예는 이제 도면에 의해 설명될 것이다.
자가 혼합 간섭은 객체의 이동 및 객체에 대한 거리를 검출하기 위해 이용된다. 자가 혼합 간섭에 관한 배경 정보는 "애플리케이션을 감지하기 위한 레이저 다이오드 자가 혼합 기술", Giuliani, G.; Norgia, M.; Donati, S. & Bosch, T., 애플리케이션을 감지하기 위한 레이저 다이오드 자가 혼합 기술, Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 2002, 4, S. 283 - S. 294"에서 설명되고 이는 참조로서 통합된다. 광 입력 디바이스에서 센서에 대한 손가락 끝의 이동의 검출은 참조로서 통합되는 국제 특허 출원 제 WO 02/37410 호에서 상세히 설명된다. 자가 혼합 간섭의 원리는 국제 특허 출원 제 WO 02/37410 호에서 제공된 예에 기초하여 논의된다. 레이저 공동을 갖는 다이오드 레이저는 레이저를 방출하거나, 빔을 측정하기 위해 제공된다. 디바이스의 상부 측면에서, 디바이스에는 객체 예를 들면, 인간의 손가락이 이동되는 투명한 윈도우가 제공된다. 렌즈는 다이오드 레이저와 윈도우 사이에 배열된다. 이 렌즈는 투명 윈도우의 상부 측에 또는 상부 측 가까이에 레이저 빔을 집속한다. 이 위치에 객체가 존재하면, 그것은 측정 빔을 산란시킨다. 측정 빔의 방사선의 일부는 조명 빔의 방향으로 산란되며 이 부분은 렌즈에 의해 레이저 다이오드의 방출 표면 상에 수렴되어 이 레이저의 공동으로 재진입한다. 다이오드 레이저의 공동으로 재진입하는 방사선은 레이저의 이득의 변동을 유도하고 따라서, 레이저에 의해 방출된 방사선의 세기의 변동을 유도한다. 이 현상은 다이오드 레이저에서 자가 혼합 효과라고 언급된다.
레이저에 의해 방출되는 방사선의 또는 레이저 공동에서의 광파의 세기의 변화는 레이저 공동을 가로질러 임피던스 변동을 결정하도록 배열된 포토 다이오드 또는 검출기에 의해 검출될 수 있다. 다이오드 또는 임피던스 검출기는 방사선 변동을 전기 신호로 변환하고, 이 전기 신호를 프로세싱하기 위해 전자 회로가 제공된다.
자가 혼합 간섭 신호는 입자 검출의 경우 예를 들면, 짧은 신호 버스트 또는 다수의 신호 버스트에 의해 특징지워질 수 있다. 이들 신호에서 관측되는 바와 같은 도플러 주파수는 광축을 따르는 입자 속도에 대한 측정치이다. 따라서, 신호 검출 및 신호 분석을 단순화하기 위해 DC 구동 전류를 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 신호의 지속기간 및 세기는 선택적으로, 입자 크기를 결정하기 위해 이용될 수 있다.
변조된 구동 전류는 입자의 위치 또는 속도를 결정하기 위해 예를 들면, 더 큰 입자 또는 교란 객체에서 레이저 광의 반사에 의해 생성될 수 있는 자가 혼합 간섭 신호에 의해 이용될 수 있다. 거리(및 선택적으로 속도)는 하나의 측정 내에 또는 후속 측정 단계에서 결정될 수 있다. 따라서, 빔에서의 거짓 객체를 결정하기 위해 의도된 입자 수치, 속도 및 변조된 구동 전류의 입자 측정치를 생성하기 위해 제 1 시간 기간에 DC 구동 전류를 이용하는 것이 가능하거나 심지어 유리할 수 있다.
동작 모드의 변경에 의한 제스처 제어를 위한 센서 및/또는 근접 센서와 같은 입자 감지를 위해 이용된 것과 동일한 레이저 센서 모듈을 이용하는 것이 또한 가능하다. 레이저 센서 모듈이 입자 검출을 위해 이용될 때, 바람직하게 DC 구동 전류가 이용되고 자가 혼합 간섭 신호의 변조에 의해 입자가 검출된다. 동일한 레이저 센서 모듈이 제스처 제어 및/또는 근접 감지를 위해 이용될 때, 변조된 구동 전류가 이용되며 객체의 거리(및/또는 속도)가 검출될 수 있다. 이 검출된 거리는 예를 들면, 스마트폰에 대한 머리의 거리를 측정하기 위한 근접 센서로서 이용될 수 있다. 대안적으로, 이 측정된 거리는 제스처 제어 예를 들면, 센서에 대한 손가락의 거리를 변화시킴으로써 사진을 확대 및 축소하기 위해 이용될 수 있다. 저속에서 입자를 검출하기 위해 요구된 최적의 낮은 NA(개구수) 값이 요구된 거리 범위에 대한 근접 및 제스처 검출을 실현하는데 매우 유용하다는 것이 인식된다. 예를 들면, NA=0.03 시스템은 최대 5cm의 거리의 검출을 가능하게 한다.
도 1은 제 1 레이저 센서 모듈(100)의 주요 스케치를 도시한다. 레이저 센서 모듈은 하나의 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)(111)를 포함한다. 광학 장치(150)는 이 경우에 0.025의 개구수를 갖는 하나의 렌즈를 포함한다. 제 1 레이저(111)는 제 1 레이저(111)의 레이저 공동에서의 제 1 자가 혼합 간섭 신호가 검출될 수 있도록 제 1 검출기(121)(예로서, 집적 포토다이오드)에 결합된다. 검출된 제 1 자가 혼합 간섭 신호는 제 1 검출기(121)에 전기적으로 연결되는 평가기(140)에 의해 평가된다. 화살표는 입자 흐름의 방향을 나타낸다. 레이저 센서 모듈은 선택적으로, 제 1 레이저(111)를 구동하기 위해 전기 에너지 및 제어 신호를 수신하도록 배열되는 제 1 인터페이스(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 또한, 평가된 자가 혼합 간섭 신호 및/또는 결정된 입자 밀도를 또 다른 데이터 프로세싱을 위해 외부 프로세싱 디바이스에 전달하도록 배열되는 제 2 인터페이스가 존재할 수 있다. 센서의 전방에 있는 유리창의 경우 예로서, 5도의 작은 기울기가 윈도우로부터 레이저로 반사되는 것을 방지하기 위해 바람직할 수 있음에 주의한다.
도 2는 제 1 측정 빔(45)에 수직인 속도 벡터를 갖는 입자에 기초한 제 1 자가 혼합 간섭 신호의 주요 스케치를 도시한다. 가로 좌표(42)는 시간을 나타내고 세로 좌표(41)는 임의 단위의 자가 혼합 간섭 신호를 나타낸다. 신호는 제 1 측정 체적을 가로지르는 입자에 의해 야기된 딥(dip)만 도시하지만 어떠한 도플러 주파수도 도시하지 않는다. 딥의 폭은 제 1 측정 체적을 가로지르는 입자의 이동 시간을 결정하기 위해 취해질 수 있다. 이동 시간은 예를 들면, 입자 신호의 개시와 입자 신호의 종료 사이에서 측정될 수 있다. 관측된 신호를 일반 입자 신호 함수에 맞추고 이동 시간의 측정치로서 맞춤 파라미터를 이용하기 위해 보다 정교한 알고리즘이 이용될 수 있다. 다수의 이러한 신호는 평균 이동 시간을 결정하기 위해 이용될 수 있다.
도 3은 제 1 측정 빔(46)에 대해 기울어진 속도 벡터를 갖는 입자에 기초한 제 1 자가 혼합 간섭 신호의 주요 스케치를 도시한다. 신호는 제 1 측정 빔에 평행한 속도 벡터의 부분에 의해 야기된 도플러 주파수를 나타낸다. 신호의 폭은 제 1 측정 체적을 가로지르는 입자의 이동 시간을 결정하기 위해 다시 취해질 수 있다. 다수의 이러한 신호는 평균 이동 시간을 결정하기 위해 이용될 수 있다. 속도 벡터와 제 1 측정 빔 사이에 둘러싸인 각도는 도플러 주파수에 제 1 측정 빔에 수직인 입자의 거리에 대한 측정치를 제공하는 기준 빔 직경 및 제 1 측정 빔에 평행한 거리에 대한 측정치를 제공하는 평균 이동 시간을 곱함으로써 산출될 수 있다.
도 4는 전문 장비를 이용한 참고 실험과 비교되는 속도 기반 레이저 센서 모듈에 의해 결정된 입자 밀도의 속도 의존성을 도시한다. 세로 좌표(35)는 상대적인 입자 밀도를 나타낸다. 최적의 결과는 속도 기반 레이저 센서 모듈 및 전문 장비 둘 모두 동일한 입자 밀도를 측정하는 것일 것이다. 이것은 세로 좌표 값(1)을 갖는 입자 크기를 나타내는 가로 좌표(10)에 평행한 직선을 초래할 것이다. 각각의 측정은 0.1 미크론의 빈 내에서의 비교를 나타낸다. 0.5 미크론 포인트는 0.45와 0.55 미크론 사이의 크기를 가진 입자의 비교를 보여준다. 비교는 각각의 빈에 따라 입자 크기의 변동을 갖는 입자 분포에 의해 행해졌다. 라인(31)은 0.05m/s의 속도에서 결정된 PM 2.5 값을 보여준다. 라인(32)은 0.6m/s의 속도에서 결정된 PM 2.5 값을 보여준다. 라인(33)은 7m/s의 속도에서 결정된 PM 2.5 값을 보여준다. 입자 크기의 관측된 범위(예로서, 0.1㎛와 2.5㎛ 사이)에서의 속도 의존성을 최소화하기 위해, 모든 라인(31, 32, 33)은 상기 논의된 방정식 8에 따라 인자((vref/v)1/3)로 조정되었다.
도 5는 청구항 제 1 항에 청구된 바와 같은 이동 시간 기반 레이저 센서 모듈에 의해 결정된 입자 밀도의 속도 의존성을 도시한다. 표현은 도 4와 관련하여 설명된 것과 동일하다. 라인(31, 32, 33)은 이 경우에 상기 논의된 방정식 4에 따른 인자(t/tref)1/4로 조정되었다. 도 4 및 도 5의 비교는 이동 시간 기반 레이저 센서 모듈이 최대 약 1㎛의 입자 직경의 입자 크기까지 거의 완벽한 거동(1에 가까운 세로 좌표 값)을 보여준다. 또한, 평균 이동 시간(t1/4에 비례함)에 대한 느린 의존성은 평균 이동 시간의 측정 오차에 대한 감도를 감소시킨다. 이것이 일반적인 경향 그래프임에 주의하고, 입자 크기의 함수로서 MIE 산란 특성의 변조로 인한 감도 변동은 본 명세서에서 고려되지 않았다.
도 6은 세로 좌표(35)가 상대적인 입자 밀도를 다시 나타내고 가로 좌표(10)가 입자 속도를 나타내는 이동 시간 기반 레이저 센서 모듈에 의해 생성된 측정 결과를 도시한다. 0.01m/s와 7m/s 사이의 속도 범위에서의 상이한 속도에서 측정의 표준 편차는 0.22이며, 이는 예를 들면, 대기 오염의 예를 들면, 질적인 표시를 제공하기 위해 단지 하나의 단일 레이저 및 대응하는 검출기를 포함하는 이러한 단순한 레이저 센서 모듈에 대해 우수하다.
도 7은 입자 크기 [㎛](가로 좌표(10))의 함수로서 상이한 입자 분포의 주요 스케치를 도시한다. 세로 좌표(5)는 0.1㎛ 빈 당 입방 미터 당 입자의 수를 나타낸다. 입자 직경의 함수로서의 입자의 수는 0.1 미크론의 빈으로 분리될 수 있다. 0.5 미크론 포인트는 0.45와 0.55 미크론 사이의 입자의 수를 나타낸다. 입자 분포(11)는 모든 빈에 걸쳐 일정한 입자 농도를 갖는 평탄한 기준 입자 분포를 보여준다. 입자 분포(12)는 공기 중 입자의 전형적인 분포를 보여준다. 일반적으로, 공기 중의 입자는 공기 중에 부유하고 바람과 함께 퍼질 수 있는 고체 또는 액체 물질로 구성된 매우 미세한 입자이다. 입자 분포(13)는 향으로부터 발생한다. 입자 분포(14)는 상하이 스모그의 평균 입자 분포에 대응한다. 상이한 입자 분포는 오염된 공기의 입자 분포가 주로, 0.5㎛ 미만의 입자 크기의 작은 입자에 의해 지배되는 것을 보여준다. 또한, 주어진 입자 크기의 입자의 수는 입자 오염원에 의존한다. 따라서, 어떠한 기준 입자 분포도 존재하지 않는다. 입자 밀도의 신뢰가능한 측정은 따라서, 상이한 입자 분포를 고려하기 위해 적어도 특정 한도 내에 있다.
도 8은 상이한 방향으로 지향된 2개의 측정 빔(도 13 참조)을 갖는 적어도 2개의 레이저를 포함하는 레이저 센서 모듈에 의해 결정된 상이한 입자 속도에서의 입자 직경(가로 좌표(10))에 의존하는 입자 수치([수치/(분*μg/㎥)](세로축(20))를 도시한다. 라인(21)은 0.05m/s의 제 1 속도에서 입자 수치를 나타낸다. 라인(22)은 0.6m/s의 제 2 속도에서 입자 수치를 나타내고 라인(23)은 7m/s의 제 3 속도에서 입자 수치를 나타낸다. 입자 수치 또는 계수율은 0.6m/s의 기준 속도에 대해 설계되는 0.045의 개구수를 갖는 레이저 센서 모듈에 의해 검출된다. 모델의 최대 가능성 검출 및 향의 입자 분포(많은 매우 작은 입자)에 대해, 상하이 스모그 및 공기 중의 입자(많은 큰 입자)가 이용된다(도 7 참조). 입자 수치 또는 계수율은 입자 크기가 0.5㎛보다 큰 입자에 대해 v1/3에 기본적으로 비례한다. 0.3㎛보다 작은 크기를 갖는 입자는 빠른 속도로 검출되지 않는다. 도 9는 도 7과 관련하여 논의된 바와 같이 상이한 입자 분포(12, 13, 14)에 대한 속도(30)의 함수로서 대응하는 입자 수치(20)를 도시한다. 도 10은 상이한 입자 분포에 대한 속도(30)의 함수로서 정정된 입자 수치(20)를 도시한다. 입자 수치는 정정 인자(vref/vav)1/3을 이용하여 v1/3 속도 의존성에 의해 정정되었고, 이미 상기 언급한 바와 같이 기준 속도(vref)는 0.6m/s이고 평균 속도(vav)는 상기 설명된 바와 같이 공식(v=f*λ/(2*sin(α))에 의해 자가 혼합 간섭 신호에 의해 결정된다. 공기 중의 12 (큰 입자) 분포에 대한 계수율 대 속도는 v1/3 관계에 잘 맞는다. 도플러 신호로부터의 속도를 알면, 입자 밀도(PM2.5 값)가 얻어질 수 있으며 그 결과는 속도에 거의 의존되지 않는다. 더 작은 입자를 갖는 분포(13, 14)에 대해, 많은 작은 입자가 더 이상 검출되지 않기 때문에, 고속에서의 PM2.5 값은 너무 낮을 것이다.
도 11은 상이한 입자 속도에 대한 입자 직경 또는 크기(10)의 함수로서 상이한 신호 대 잡음 비 임계 레벨(50)에서의 입자 수치의 비를 도시한다. 라인(51)은 0.05m/s의 제 1 속도에서 입자 수치의 비를 나타낸다. 라인(52)은 0.6m/s의 제 2 속도에서 입자 수치의 비를 나타내고 라인(53)은 7m/s의 제 3 속도에서 입자 수치의 비를 나타낸다. 소음 레벨의 6배 및 15배 둘 모두의 임계 레벨에서 계수율을 결정함으로써, 작은 입자의 수에 대한 측정치가 얻어진다. 모든 입자 크기에 걸친 가중 평균은 입자 분포 및 속도의 함수이다. 이 예에서의 최대값은 0.05m/s의 공기 중의 입자에 대해 0.30이고, 7m/s의 향에 대해 최소값은 0.12이다. 최소화된 오차(그래프 참조)를 갖는 PM2.5 값은 다음을 이용하여 얻어진다.
여기서, #meas=측정된 입자의 수이고, c2=4.5이고, vref=0.6m/s이며 ratiotwothrref=0.3이다. 도 12는 이 공식에 의해 작은 입자에 대해 정정된 상이한 입자 분포(12, 13 및 14)의 입자 수치(20)를 도시한다. 모든 입자 분포(12, 13 및 14)는 입자의 속도의 함수로서 수용가능한(거의 평평한) 계수율을 나타낸다. 작은 개구수의 경우에 입자 밀도 검출의 또 다른 개선은 상기 설명된 바와 같이 검출을 위한 상대적 가능성을 결정함으로써 제공될 수 있다. 저 주파수 속도 변동은 다수의 측정 시간 기간에 걸쳐 평균화함으로써 취급될 수 있다.
도 13은 제 2 레이저 센서 모듈(100)의 주요 스케치를 도시한다. 도 13은 간섭 측정에 기초하여 입자 밀도 및 선택적으로 객체(20)를 검출하도록 배열되는 레이저 센서 모듈을 도시한다. 레이저 센서 모듈(100)은 이 실시예에서 그리고 명료성을 위해 측정 원리를 논의하도록 단지 하나의 제 1 레이저(111)만을 포함한다. 2개, 3개 또는 그 이상의 레이저 및 대응하는 검출기에 대한 확장은 도 21 및 도 22로부터 명백하다. 제 1 레이저(111)는 편광 빔 스플리터(152)에 레이저 광을 방출한다. 레이저 광은 편광 빔 스플리터(152)에서 반사되고 1/4 파장판(153), 광학 필터 디바이스(155) 및 집속 디바이스(157)를 통과한다. 1/4 파장판(153)은 제 1 레이저(111)의 편광 방향에 대해 45°의 광축으로 설정된다. 이 방식으로, 원형 편광된 광이 만들어진다. 광학 필터 디바이스(155)는 제 1 레이저(111)의 방출 파장(예로서, 850㎚) 주위의 좁은 통과대역에 의해 특징지워진다. 광학 필터 디바이스(155)는 주변 광을 억제하도록 최적화되고 주변 광이 검출 문제를 야기할 수 있는 경우에 단지 필요하다. 집속 디바이스(157)는 예를 들면, 렌즈 또는 하나보다 많은 광학 디바이스를 포함하는 렌즈 또는 장치일 수 있다. 제 2 레이저 센서 모듈(100)은 레이저 광의 정의된 부분이, 레이저 광이 제 2 레이저 센서 모듈(100)을 떠나기 전에 인터페이스 중 하나(예로서, 광학 필터 디바이스(155)와 공기 사이의 인터페이스)에서 반사되도록 배열된다. 제 2 레이저 센서 모듈(100)을 떠나는 레이저 광의 일부는 제 1 측정 빔(111')이고, 상기 제 1 측정 빔은 제 1 측정 체적(161)에 집속된다. 입자(10)는 반사된 광의 일부가 제 2 레이저 센서 모듈(100)에 재진입하도록 제 1 측정 빔(111')의 일부를 반사한다. 제 2 레이저 센서 모듈에 재진입하는 반사광은 집속 디바이스(157), 광 필터(155) 및 1/4 파장판(153)을 통과한다. 선형 편광된 광은 편광 빔 스플리터(152)를 통과하고 제 2 레이저 센서 모듈(100)을 떠나기 전에 인터페이스 중 하나에서 반사된 레이저 광과 인터페이싱한다. 제 1 검출기(121)(예로서, 포토 다이오드)는 간섭하는 광을 검출하고 대응하는 측정 신호는 평가기(140)로 송신된다. 입자 밀도는 주어진 시간 기간에서 결정된 입자의 수 및 입자 속도에 기초하여 결정될 수 있다(예로서, 이동 시간을 측정함으로써 또는 예를 들면 상기 및 하기에 설명된 바와 같이 상이한 측정 빔(111', 112', 113')에 기초하여). 제 2 레이저 센서 모듈(100)은 선택적으로, 객체(25)(예로서, 손가락)을 결정하도록 배열될 수 있다.
도 14는 개구수의 함수로서 검출 거리를 도시한다. 곡선은 특정 레이저 및 이용된 객체의 자가 혼합 간섭에 대한 감도에 의존한다. 곡선은 따라서, 일반적인 추세를 보여주지만 절대 값은 특정 레이저의 자가 혼합 간섭에 대한 감도에 의존하여 다르다. 객체(25)(예로서, 피부) 상에 떨어지는 레이저(111, 112, 113)에 의해 방출된 측정 빔(111', 112', 113')은 레이저(111, 112, 113)로 후방산란할 것이다. 이것은 대응하는 검출기(121, 122)에 의해 검출될 때 신호의 전력 스펙트럼에서 보여질 도플러 신호를 생성할 것이다. 이 도플러 신호의 신호 전력이 잡음보다 클 것이기 때문에, 그것은 전력 스펙트럼에서 피크로서 보여질 것이다. 피크는 전력 스펙트럼 도메인에서 피크 높이를 관측하기에 충분히 넓다. 측정된 검출기 신호의 전력 스펙트럼에서 도플러 신호의 피크 높이는
이 공식은 객체(25)의 렌즈로부터의 거리(d)(예로서, 손)가 렌즈 위치에 대한 초점(wrt)의 거리(dfocus)보다 훨씬 클 때 유효하다. 개구수(NA)가 0.03이고, 렌즈로부터 5mm의 초점에 대해, 도플러 신호는 예로서, 최대 15cm까지 관측가능하도록 경험적으로 발견된다. NA=0.03에 대해 15cm 거리에서 SNR에 대한 한도를 가정하면, 이것은
도 14는 이 함수를 도시하고, Y 축은 개구수(62)를 나타내며 Y 축은 검출 거리(61)를 미터로 나타낸다. 근접 검출을 위한 원하는 범위는 10cm보다 크다. NA는 따라서, 좌측 상의 사각형 및 도 14에 의해 표시된 바와 같이 근접 검출 또는 제스처 제어를 가능하게 하기 위해 0.1보다 작아야 한다.
도 15는 개구수의 함수로서 최소 검출된 입자 크기를 도시한다. 곡선은 특정 레이저 및 이용된 객체의 자가 혼합 간섭에 대한 감도에 다시 의존한다. 곡선은 따라서, 일반적인 경향을 나타내지만 절대 값은 측정 시스템의 자가 혼합 간섭에 대한 감도에 의존하여 다르다. X 축은 다시 개구수(62)를 나타내고, Y 축은 최소 입자 크기([㎛](63))를 나타낸다. 라인(66)은 개구수(62)의 함수로서 0.02m/s의 입자 속도에서 검출될 수 있는 최소 입자 크기를 나타낸다. 라인(67)은 개구수(62)의 함수로서 6m/s의 입자 속도에서 검출될 수 있는 최소 입자 크기를 나타낸다. 도 15로부터, 입자 검출을 위한 NA는 우측 상의 사각형에 의해 표시된 바와 같이 6m/s의 속도로 0.4 미크론 입자를 검출할 수 있게 하기 위해 0.028보다 크게 선택되어야 한다. 도 14 및 도 15와 관련하여 논의된 두 조건의 조합은 0.028<NA<0.1의 시스템에 대한 개구수의 근접 감지 및 입자 검출을 요구한다. 범위는 상기 논의된 바와 같이 특정 레이저에 의존한다. 객체 및 최소 입자의 검출은 시스템 감도에 의존하고 이것은 단지 특정 시스템에 대한 일례일 뿐이다. 범위는 0.02<NA<0.06 사이의 보다 민감한 시스템을 위한 것이고 대부분의 민감한 이용가능한 시스템에 대해 심지어 0.015<NA<0.05 사이일 수 있다.
도 16은 제 3 레이저 센서 모듈의 주요 스케치를 도시한다. 제 3 레이저 센서 모듈(100)은 제 1 레이저(111) 및 제 2 레이저(112)를 포함한다. 2개의 레이저(111, 112)는 동일한 방향으로 레이저 광을 방출하도록 배열되는 VCSEL 또는 측면 방출기일 수 있다. 광학 장치(150)는 2개의 측정 빔(111', 112')이 상이한 측정 체적으로 지향되도록 각각의 측정 빔(111', 112')을 재지향시키기 위해 각각의 레이저(111, 112)와 광학적으로 결합된다. 광학 장치(150)는 측정 빔(111', 112')의 개구수가 0.03이 되도록 측정 빔(111', 112') 및 또 다른 광학 디바이스를 편향시키기 위한 격자를 포함한다. 제 1 및/또는 제 2 측정 빔(111', 112')을 제 2 레이저 센서 모듈(100)의 표면에 평행한 입자 흐름에 의해 포함된 입자에 의해 반사시킨 후에 제 1 및 제 2 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호가 생성될 수 있다. 자가 혼합 간섭 신호는 제 1 및/또는 제 2 검출기(121, 122)에 의해 검출된다. 검출된 자가 혼합 간섭 신호는 평가기(140)에 의해 수신되고 평가된다. 레이저(111, 112)는 전기 구동기(130)에 의해 구동된다. 평가기(140)에 의해 생성된 전기적 측정 결과 뿐만 아니라, 전력은 공통 인터페이스(135)에 의해 제공될 수 있다. 대안적으로, 별개의 인터페이스가 이용될 수 있다. 제 1 및 제 2 자가 혼합 간섭 신호는 방정식 8에 따른 평균 속도에 기초하여 제 2 입자 밀도를 결정하기 위해 이용된다. 제 1 또는 제 2 자가 혼합 간섭 신호는 게다가, 방정식 4에 따른 평균 이동 시간에 기초하여 제 1 입자 밀도를 결정하기 위해 이용된다. 제 1 입자 밀도 및 제 2 입자 밀도에 관한 측정 결과는 감소된 측정 오차를 제 3 입자 밀도에 제공함으로써 전체 정확도를 개선시키기 위해 조합된다. 측정 빔(111', 112')은 대안적으로, 부분적으로 중첩하는 측정 체적을 갖도록 지향될 수 있다. 도 16은 또한, 제 2 측정 빔(112')을 차단하는 객체(25)을 도시한다. 차단 객체는 레이저 센서 모듈(100)의 방출 윈도우 상에 배치된다. 차단 객체는 미리 정의된 시간 기간 동안 변조된 구동 전류(예로서, 삼각형 구동 전류)로 제 2 레이저(112)를 구동함으로써 검출된다. 평가기(140)는 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호가 입자(10)(예로서, 오랜 시간 지속기간, 객체에 대해 가까운 거리)의 검출과 관련이 없다고 결정하도록 배열될 수 있다. 평가기(140)는 간섭 신호 또는 자가 혼합 간섭 신호를 무시하고 선택적으로, 대응하는 에러 신호를 생성하도록 배열될 수 있다.
도 17은 기준 표면(102) 위의 제 1 측정 빔(111') 및 제 2 측정 빔(112')의 사시도의 주요 스케치를 도시한다. 이 구성은 특히, 기준 표면(102)에 평행한 입자 흐름의 입자 밀도를 결정하도록 배열되는 레이저 센서 모듈(100)을 위해 적합할 수 있다. 기준 표면(102)은 레이저 센서 모듈(100)의 표면 또는 레이저 센서 모듈(100)을 포함하는 디바이스의 표면의 일부일 수 있다. 제 1 및 제 2 측정 빔(111' 112')은 (투명한) 기준 표면(102)을 통해 방출되고 2개의 측정 빔은 각도(φ)(도시되지 않음)를 둘러싸고 있다. 제 1 측정 빔(111')은 기준 표면(102)과의 각도(β1)를 둘러싸고 제 2 측정 빔(112')은 기준 표면(102)과의 각도(β2)를 둘러싼다. 기준 표면(102) 상의 제 1 측정 빔(111')의 제 1 투영(111'') 및 기준 표면(102) 상의 제 2 측정 빔(112')의 제 1 투영(112'')은 각도(γ)를 둘러싼다. 기준 표면(102)에 평행한 입자 흐름은 제 2 측정 빔(112')과의 90-α의 각도를 둘러싸는 화살표로 표시된다.
도 18은 제 4 레이저 센서 모듈(100)의 평면도의 주요 스케치를 도시한다. 3개의 레이저(111, 112, 113)는 상이한 제 1, 제 2 및 제 3 측정 체적(161, 162, 163)에 측정 빔(111', 112', 113')을 방출하도록 배열된다. 광학 장치(150)는 이 경우, 제 1 측정 빔(111') 및 제 2 측정 빔(112')이 제 2 측정 빔(112') 및 제 3 측정 빔(113')과 같고 제 3 측정 빔(113') 및 제 1 측정 빔(111')과 같은 동일한 각도를 둘러싸도록 배열된다. 측정 빔(111', 112', 113')에 의해 둘러싸인 각도는 바람직하게 90°이다. 제 2 레이저 센서 모듈(100)은 따라서, 3차원 평균 속도를 결정하도록 인에이블링된다. 광학 장치(150)는 각각의 측정 체적에 0.025의 개구수를 통해 각각의 측정 빔(111', 112', 113')을 집속하도록 배열되는 마이크로 광학 부품을 더 포함한다. 제 3 레이저 센서 모듈(100)은 방정식 8의 3차원 버전에 의해 제 1, 제 2, 제 3 자가 혼합 간섭 신호에 기초하여 제 2 입자 밀도를 결정하도록 배열된다. 제 3 레이저 센서 모듈(100)은 또한, 방정식 4에 따라 센서(도시되지 않음) 중 하나에 의해 제공된 자가 혼합 간섭 신호에 기초하여 이동 시간 기반 제 1 입자 밀도를 결정하도록 배열된다.
도 19는 광학 장치(150)에 의해 포함될 수 있는 제 1 마이크로 광학 부품(151a)의 주요 스케치를 도시한다. 마이크로 광학 부품(151a)는 웨이퍼 레벨 상의 미러로 구성된다. 예를 들면, 151a는 자외선 경화 복제 재료로 만들어질 수 있다. 또한, 유리 성형이나 연삭과 같은 다른 기술이 가능하다. 미러는 이 경우에 제 1 측정 빔(111')을 재지향시키기 위해 내부 전반사에 기초한다. 제 1 레이저(111)의 중심과 제 1 마이크로 광학 부품(151a)의 에지 사이의 거리(x1)는 x1=0.04mm이다. 제 1 마이크로 광학 부품(151a)의 높이는 y1=0.20mm이다.
도 20은 제 1 광학 장치(150)의 일부의 주요 스케치를 도시한다. 일부는 제 1 마이크로 광학 부품(151a) 및 집속 소자(151b)를 포함한다. 집속 소자(151b)는 1mm 미만의 크기를 갖는 렌즈이고 광학 디바이스의 일부의 전체 높이(y2)는 y2=1.1mm이다. 렌즈는 제 1 측정 빔(111')을 제 1 측정 체적(161)에 집속시키도록 배열된다. 레이저(111, 112, 113)의 각각은 제 1 광학 디바이스(150)의 이러한 일부에 할당될 수 있다. 제 1 마이크로 광학 부품(151a) 및 집속 소자(151b)는 명료성의 이유를 위해 별개의 소자로서 도시된다. 하나의 집적 광학 장치(150) 내에 2개 또는 3개의 이러한 제 1 마이크로 광학 부품(151a) 및 2개 또는 3개의 집속 소자(151b)를 통합하는 것이 바람직할 수 있다. 하나의 집속 소자(151b)가 예를 들면, 레이저의 어레이가 한 번들(bundle)의 제 1 측정 빔(111')을 방출하기 위해 이용될 수 있도록 연관된 제 1 마이크로 광학 부품(151a)를 갖는 2개, 3개, 4개 또는 그 이상의 제 1 레이저(111)로부터 제 1 측정 빔(111')을 수신하는 것이 또한 가능하다. 집속 소자(151b)는 0.03의 개구수를 통해 제 1 측정 빔(111')을 집속하도록 배열된다.
도 21은 제 2 마이크로 광학 부품(151a) 및 제 2 집속 소자(151b)를 포함하는 제 2 광학 장치(150)의 주요 스케치를 도시한다. 제 2 마이크로 광학 부품(151a)은 제 1 측정 빔(111')이 반시계 방향으로 90도 회전된 Z 형상의 마이크로 광학 부품(151a) 내에서 폴딩되도록 2개의 반사면을 포함한다. 제 2 집속 소자(151b)는 0.025의 개구수를 통해 제 1 측정 빔(111')을 제 1 측정 체적에 집속하도록 배열되는 렌즈이다. 제 2 마이크로 광학 부품(151a), 제 2 집속 소자(151b) 및 제 1 레이저(111)의 전체 높이(구축 높이)는 y2=0.7mm이다.
도 22는 레이저 센서 모듈(100)을 포함하는 모바일 통신 디바이스(190)의 주요 스케치를 도시한다. 레이저 센서 모듈은 각도(φ=60°)를 둘러싸는 제 1 측정 빔(111') 및 제 2 측정 빔(112')을 방출하도록 적응된다. 모바일 통신 디바이스(190)는 이용자 인터페이스(191), 프로세싱 디바이스(192) 및 주 메모리 디바이스(193)를 포함한다. 주 프로세싱 디바이스(192)는 주 메모리 디바이스(193) 및 레이저 센서 모듈(100)과 연결된다. 주 프로세싱 디바이스(192)는 상기 설명되는 평가기(140)의 기능 중 적어도 일부를 포함한다. 주 프로세싱 디바이스(192)는 입자 검출에 관련된 데이터를 주 메모리 디바이스(193)에 저장한다. 일 대안적인 실시예에서, 주 프로세싱 디바이스(192) 및 주 메모리 디바이스(193)가, 데이터가 이용자 인터페이스(191)에 의해 모바일 통신 디바이스(190)의 이용자에게 제공될 수 있도록 레이저 센서 모듈(100)에 의해 제공된 데이터를 준비하고 적응시키도록 단지 이용되는 것이 또한 가능할 수 있다. 레이저 센서 모듈(100)은 모바일 통신 디바이스(190)의 전원에 의해 전력이 공급된다. 모바일 통신 디바이스(190)는 방향 검출 디바이스(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 방향 검출 디바이스는 예를 들면, 지면에 대한 모바일 통신 디바이스(190)의 상대 위치를 결정하도록 적응될 수 있다. 방향 검출 디바이스는 레이저 센서 모듈(100)에 의해 제공된 데이터 및 방향 검출 디바이스에 의해 제공된 데이터를 조합하기 위해 평가기(140) 또는 주 프로세싱 디바이스와 결합될 수 있다. 방향 검출 디바이스 및 레이저 센서 모듈(100)의 결합은 풍속 및 입자 밀도의 보다 신뢰가능한 검출을 가능하게 할 수 있고 또한, 바람 방향에 관한 정보를 제공할 수 있다. 레이저 센서 모듈(100)은 또한, 객체(25)를 검출하도록 배열될 수 있다. 객체(25)는 예를 들면, 제스처 제어를 위해 이용될 수 있는 손일 수 있다.
동일한 원리가 레이저 센서 모듈(100)을 포함하는 다른 디바이스에서 이용될 수 있다. 부가적인 센서가 디바이스(예로서, 레이저 센서 모듈(100)을 포함하는 차량)의 위치 또는 속도에 관한 정보를 제공하기 위해 이용될 수 있다. 디바이스의 속도는 예를 들면, 측정 신호의 평가를 지원(예로서, 적응된 기준 속도를 결정)하기 위해 이용될 수 있다.
도 23은 입자 밀도를 결정하는 제 1 방법의 주요 스케치를 도시한다. 단계(310)에서, 입자 흐름의 속도 벡터와 제 1 측정 빔 사이의 각도는 자가 혼합 간섭 신호의 평균 이동 시간 및 도플러 주파수에 의해 결정된다(방정식 1 참조). 유효 평균 이동 시간은 단계(320)에서 결정된다(방정식 3 참조). 단계(330)(방정식 2 참조)에서, 속도에 대한 감도 정정이 결정된다. 제 1 입자 밀도 또는 PM 2.5 값은 단계(340)에서 결정된다(방정식 4 참조).
도 24는 입자 밀도를 결정하는 제 2 방법의 주요 스케치를 도시한다. 단계(410)에서, 속도 값은 자가 혼합 간섭 신호에 의해 결정된 주파수 값으로부터 결정된다(방정식 5 참조). 단계(420)에서, 평균 입자 속도가 결정된다(방정식 6 참조). 검출을 위한 상대적 가능성은 특히, 작은 개구수(예로서, 0.03)로 특징지워지는 광학 장치(150)를 갖는 레이저 센서 모듈(100)의 경우에 단계(430)에서 결정된다(방정식 7 참조). 입자 밀도 또는 PM 2.5 값은 단계(440)에서 결정된다(방정식 8 참조).
본 발명이 도면 및 상기 설명에서 상세히 도시되고 설명되었지만, 이러한 예시 및 설명은 제한적인 것이 아니라 도시적이거나 예시적인 것으로 고려되어야 한다.
본 발명을 판독하는 것으로부터, 당업자에게는 다른 수정이 명백해질 것이다. 이러한 수정은 당업계에 이미 알려져 있고 본 명세서에서 이미 설명된 특징 대신에 또는 그것에 더하여 이용될 수 있는 다른 특징을 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 대한 변형은 도면, 본 개시 및 첨부된 청구항의 연구로부터 당업자에 의해 이해되고 영향받을 수 있다. 청구항에서, 단어 "포함하는(comprising)"은 다른 소자 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정 관사("a" 또는 "an")는 복수의 소자 또는 단계를 배제하지 않는다. 특정 측정치가 서로 상이한 종속 청구항에 인용된다는 단순한 사실은 이 측정치의 조합이 이롭게 하기 위해 이용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다.
청구항에서의 어떤 참조 부호는 그 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안된다.
5
0.1㎛ 빈 당 입자의 수/m3
10 입자 크기[㎛]
11 평면
12 전형적인 공기 중의 입자 분포
13 향
14 상하이 스모그
20 입자 수치/(분*μg/m3)
21 0.05m/s
22 0.6m/s
23 7m/s
25 객체
30 입자 속도[m/s]
31 0.05m/s에서 얻어진 PM 2.5 값
32 0.6m/s에서 얻어진 PM 2.5 값
33 7m/s에서 얻어진 PM 2.5 값
35 0.1㎛ 빈 당 얻어진 PM 2.5 값 μg/m3
41 임의의 단위의 자가 혼합 간섭 신호 세기
42 시간[μs]
45 입자 흐름에 수직인 수신된 입자 신호 측정 빔
46 입자 흐름에 대해 기울어진 수신된 입자 신호 측정 빔
48 측정 결과
50 상이한 신호 대 잡음 비 임계 레벨에서의 입자 수치
51 0.05m/s에서의 입자 수치의 비
52 0.6m/s에서의 입자 수치의 비
53 7m/s에서의 입자 수치의 비
61 검출 거리[m]
62 개구수
63 최소 입자 크기[㎛]
65 개구수의 함수로서의 검출 거리
66 0.02m/s에서의 개구수의 함수로서의 최소 검출된 입자 크기
67 6m/s에서의 개구수의 함수로서의 최소 검출된 입자 크기
100 레이저 센서 모듈
102 기준 표면
111 제 1 레이저
111' 제 1 측정 빔
111'' 제 1 측정 빔의 제 1 투영
112 제 2 레이저
112' 제 2 측정 빔
112'' 제 2 측정 빔의 제 2 투영
113 제 3 레이저
113' 제 3 측정 빔
121 제 1 검출기
122 제 2 검출기
130 전기 구동기
135 인터페이스
140 평가기
150 광학 장치
151a 마이크로 광학 부품
151b 집속 소자
152 빔 스플리터
153 1/4 파장판
155 광학 필터 디바이스
157 집속 디바이스
161 제 1 측정 체적
162 제 2 측정 체적
163 제 3 측정 체적
190 모바일 통신 디바이스
191 이용자 인터페이스
192 주 프로세싱 디바이스
193 주 메모리 디바이스
310 각도 결정
320 감도 정정 결정
330 유효 평균 이동 시간 결정
340 제 1 입자 밀도 결정
410 속도 값 결정
420 평균 입자 속도 결정
430 검출을 위한 상대적 가능성 결정
440 제 2 입자 밀도 결정
90-α 측정 빔과 입자 흐름 사이에 둘러싸인 각도
β1 제 1 측정 빔과 제 1 투영 사이에 둘러싸인 각도
β2 제 2 측정 빔과 제 2 투영 사이에 둘러싸인 각도
γ 기준 표면 상에서의 제 1 투영과 제 2 투영 사이에 둘러싸인 각도
10 입자 크기[㎛]
11 평면
12 전형적인 공기 중의 입자 분포
13 향
14 상하이 스모그
20 입자 수치/(분*μg/m3)
21 0.05m/s
22 0.6m/s
23 7m/s
25 객체
30 입자 속도[m/s]
31 0.05m/s에서 얻어진 PM 2.5 값
32 0.6m/s에서 얻어진 PM 2.5 값
33 7m/s에서 얻어진 PM 2.5 값
35 0.1㎛ 빈 당 얻어진 PM 2.5 값 μg/m3
41 임의의 단위의 자가 혼합 간섭 신호 세기
42 시간[μs]
45 입자 흐름에 수직인 수신된 입자 신호 측정 빔
46 입자 흐름에 대해 기울어진 수신된 입자 신호 측정 빔
48 측정 결과
50 상이한 신호 대 잡음 비 임계 레벨에서의 입자 수치
51 0.05m/s에서의 입자 수치의 비
52 0.6m/s에서의 입자 수치의 비
53 7m/s에서의 입자 수치의 비
61 검출 거리[m]
62 개구수
63 최소 입자 크기[㎛]
65 개구수의 함수로서의 검출 거리
66 0.02m/s에서의 개구수의 함수로서의 최소 검출된 입자 크기
67 6m/s에서의 개구수의 함수로서의 최소 검출된 입자 크기
100 레이저 센서 모듈
102 기준 표면
111 제 1 레이저
111' 제 1 측정 빔
111'' 제 1 측정 빔의 제 1 투영
112 제 2 레이저
112' 제 2 측정 빔
112'' 제 2 측정 빔의 제 2 투영
113 제 3 레이저
113' 제 3 측정 빔
121 제 1 검출기
122 제 2 검출기
130 전기 구동기
135 인터페이스
140 평가기
150 광학 장치
151a 마이크로 광학 부품
151b 집속 소자
152 빔 스플리터
153 1/4 파장판
155 광학 필터 디바이스
157 집속 디바이스
161 제 1 측정 체적
162 제 2 측정 체적
163 제 3 측정 체적
190 모바일 통신 디바이스
191 이용자 인터페이스
192 주 프로세싱 디바이스
193 주 메모리 디바이스
310 각도 결정
320 감도 정정 결정
330 유효 평균 이동 시간 결정
340 제 1 입자 밀도 결정
410 속도 값 결정
420 평균 입자 속도 결정
430 검출을 위한 상대적 가능성 결정
440 제 2 입자 밀도 결정
90-α 측정 빔과 입자 흐름 사이에 둘러싸인 각도
β1 제 1 측정 빔과 제 1 투영 사이에 둘러싸인 각도
β2 제 2 측정 빔과 제 2 투영 사이에 둘러싸인 각도
γ 기준 표면 상에서의 제 1 투영과 제 2 투영 사이에 둘러싸인 각도
Claims (15)
- 작은 입자의 입자 밀도를 검출하기 위한 레이저 센서 모듈(100)에 있어서:
제 1 측정 빔(111')을 방출하도록 적응되는 적어도 제 1 레이저(111),
적어도 상기 제 1 측정 빔(111')을 제 1 측정 체적(161)에 집속하도록 배열되는 광학 장치(150)로서, 상기 제 1 측정 빔(111')에 대한 제 1 개구수(numerical aperture)에 의해 특징지워지는, 상기 광학 장치,
상기 제 1 레이저(111)의 제 1 레이저 공동 내의 제 1 광파의 제 1 자가 혼합 간섭 신호를 결정하도록 적응되는 적어도 제 1 검출기(121),
평가기(140)를 포함하고, 상기 평가기(140)는 상기 결정된 제 1 자가 혼합 간섭 신호에 반응하여 적어도 상기 제 1 검출기(121)에 의해 생성된 검출 신호를 수신하도록 적응되고, 상기 평가기(140)는 또한, 입자에 의해 생성된 상기 제 1 자가 혼합 간섭 신호의 지속기간에 기초하여 미리 결정된 시간 기간에서 상기 제 1 측정 체적(161)을 통과하는 상기 입자의 평균 이동 시간을 결정하도록 적응되고, 상기 평가기(140)는 또한, 상기 미리 결정된 시간 기간에서 상기 제 1 자가 혼합 간섭 신호에 기초하여 입자의 수를 결정하도록 적응되며, 상기 평가기(140)는 또한, 상기 평균 이동 시간 및 상기 입자의 수에 기초하여 제 1 입자 밀도를 결정하도록 적응되는 것을 특징으로 하는, 레이저 센서 모듈(100). - 제 1 항에 있어서,
상기 작은 입자는 20㎛ 미만, 바람직하게 0.05㎛와 10㎛ 사이의 입자 크기에 의해 특징지워지고, 상기 평가기(140)는 또한, 상기 제 1 자가 혼합 간섭 신호 및 상기 평균 이동 시간에 기초하여 상기 입자의 속도 벡터와 상기 제 1 측정 빔(111') 사이에 둘러싸인(enclosed) 각도를 결정하도록 적응되고, 상기 개구수는 기준 속도에서 미리 결정된 최소 입자 크기를 검출하도록 배열되고, 상기 기준 속도는 상기 기준 속도를 포함하는 0.01m/s와 7m/s 사이의 미리 결정된 속도 범위 내에서 선택되고, 상기 제 1 입자 밀도는 또한, 상기 기준 속도와 상기 제 1 측정 빔(111')의 기준 빔 직경에 기초하여 결정되고, 상기 기준 속도 및 상기 기준 빔 직경은 기준 입자 크기를 갖는 기준 입자가 상기 제 1 측정 빔(111')을 통과하는 기준 시간을 정의하며, 상기 기준 입자의 속도 벡터는 상기 제 1 측정 빔(111')에 수직인, 레이저 센서 모듈(100). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 광학 장치(150)는 상기 제 1 측정 빔(111')에 대해 0.01과 0.06 사이, 바람직하게 0.02와 0.04의 개구수에 의해 특징지워지는, 레이저 센서 모듈(100). - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 평가기(140)는 또한, 상기 평균 이동 시간과 상기 기준 시간 사이의 비의 네제곱근을 포함하는 인자에 의해 상기 결정된 제 1 입자 밀도를 정정하도록 적응되는, 레이저 센서 모듈(100). - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 평가기(140)는 또한, 제 1 신호 대 잡음 비 임계 레벨에서의 제 1 입자 계수율(count rate) 및 상기 제 1 신호 대 잡음 비 임계 레벨과 상이한 제 2 신호 대 잡음 비 임계 레벨에서의 제 2 입자 계수율을 결정하도록 적응되고, 상기 평가기(140)는 또한, 상기 제 1 입자 계수율 및 상기 제 2 입자 계수율에 의해 상기 결정된 제 1 입자 밀도를 정정하도록 적응되는, 레이저 센서 모듈(100). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 센서 모듈(100)은 상기 제 1 측정 빔(111')이 상기 제 1 측정 체적(151)으로 방출되는 출구 윈도우을 포함하고, 상기 광학 장치(150)는 상기 레이저 센서 모듈(100)의 출구 윈도우에 수직인 상기 광학 장치 및 상기 제 1 레이저(111)의 구축 높이가 1mm보다 작도록 상기 제 1 측정 빔(111')을 폴딩(folding)하도록 배열되는, 레이저 센서 모듈(100). - 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 센서 모듈(100)은:
제 2 측정 빔(112')을 방출하도록 적응되는 적어도 하나의 제 2 레이저(112),
제 2 측정 체적(162)에 적어도 상기 제 2 측정 빔(112')을 집속하도록 또한 배열되는 상기 광학 장치로서, 상기 제 2 측정 빔(112')에 대해 제 2 개구수에 의해 특징지워지고, 상기 제 2 개구수는 상기 기준 속도에서 미리 결정된 최소 입자 크기를 검출하도록 배열되며, 상기 제 1 측정 빔(111') 및 상기 제 2 측정 빔(112')은 10°와 160° 사이의 각도를 서로 둘러싸는, 상기 광학 장치,
상기 제 2 레이저(112)의 제 2 레이저 공동 내의 제 2 광파의 제 2 자가 혼합 간섭 신호를 결정하도록 적응되는 적어도 제 2 검출기(122),
상기 평가기(140)를 포함하고, 상기 평가기(140)는 또한, 상기 결정된 제 2 자가 혼합 간섭 신호에 대한 반응하여 상기 제 2 검출기(122)에 의해 생성된 검출 신호를 수신하도록 적응되고, 상기 평가기(140)는 또한, 상기 미리 결정된 시간 기간에서 수신된 상기 검출 신호에 의해, 상기 제 1 검출기(121)에 의해 검출된 입자의 적어도 제 1 평균 속도 및 상기 제 2 검출기(122)에 의해 검출된 입자의 적어도 제 2 평균 속도를 결정하도록 적응되고, 상기 평가기(140)는 또한, 상기 미리 결정된 시간 기간에서 상기 제 2 검출기(122)에 의해 제공된 상기 검출된 신호에 기초하여 제 2 수의 입자를 결정하도록 적응되고, 상기 평가기(140)는 또한, 상기 제 1 평균 속도 및 상기 제 2 평균 속도에 의해 적어도 결정된 평균 입자 속도, 적어도 상기 제 1 수의 입자 및 적어도 상기 제 2 수의 입자에 기초하여 제 2 입자 밀도를 결정하도록 적응되며, 상기 평가기(140)는 또한, 상기 제 1 입자 밀도 및 상기 제 2 입자 밀도에 기초하여 제 3 입자 밀도로서 결정하도록 적응되는, 레이저 센서 모듈(100). - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 측정 빔(111')은 기준 표면(102)과의 제 1 각도(β1)를 둘러싸고, 상기 제 2 측정 빔(112')은 상기 기준 표면(102)과의 제 2 각도(β2)를 둘러싸고, 상기 기준 표면(102) 상의 상기 제 1 측정 빔(111'')의 투영 및 상기 기준 표면(102) 상의 상기 제 2 측정 빔(112'')의 투영은 20°와 160°사이, 바람직하게 60°와 120° 사이 그리고 가장 바람직하게 80°와 100°사이의 각도(γ)를 둘러싸는, 레이저 센서 모듈(100). - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 평가기(140)는 또한, 상기 기준 속도와 상기 결정된 평균 입자 속도 사이의 비의 세제곱근을 포함하는 인자에 의해 상기 결정된 제 2 입자 밀도를 정정하도록 적응되는, 레이저 센서 모듈(100). - 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 측정 체적(161)은 상기 제 1 측정 빔(111')의 방향으로 선형으로 연장되고, 상기 제 2 측정 체적(162)은 상기 제 2 측정 빔(112')의 방향으로 선형으로 연장되고, 상기 평가기(140)는 상기 제 1 측정 체적(161)에서의 입자의 검출에 대한 제 1 상대적 가능성을 결정하도록 적응되고, 상기 평가기는 상기 제 2 측정 체적(162)에서의 입자의 검출에 대한 제 2 상대적 가능성을 결정하도록 적응되며, 상기 평가기(140)는 또한, 상기 제 1 상대적 가능성 및 상기 제 2 상대적 가능성에 의해 상기 결정된 제 2 입자 밀도를 정정하도록 적응되는, 레이저 센서 모듈(100). - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 센서 모듈(100)은 제 1 모드에서 상기 입자 밀도를 검출하도록 배열되고, 상기 레이저 센서 모듈(100)은 제 2 모드에서 적어도 1mm의 크기를 갖는 객체의 근접성을 검출하도록 배열되는, 레이저 센서 모듈(100). - 작은 입자의 입자 밀도를 검출하기 위한 레이저 센서 모듈(100)에 있어서:
제 1 측정 빔(111')을 방출하도록 적응되는 적어도 제 1 레이저(111),
적어도 상기 제 1 측정 빔(111')을 제 1 측정 체적(161)에 집속하도록 배열되는 광학 장치(150)로서, 상기 제 1 측정 빔(111')에 대한 제 1 개구수에 의해 특징지워지는, 상기 광학 장치,
제 1 간섭 신호를 결정하도록 적응되는 적어도 제 1 검출기(121),
평가기(140)를 포함하고, 상기 평가기(140)는 상기 결정된 제 1 간섭 신호에 반응하여 적어도 상기 제 1 검출기(121)에 의해 생성된 검출 신호를 수신하도록 적응되고, 상기 평가기(140)는 또한, 입자에 의해 생성된 상기 제 1 간섭 신호의 지속기간에 기초하여 미리 결정된 시간 기간에서 상기 제 1 측정 체적(161)을 통과하는 상기 입자의 평균 이동 시간을 결정하도록 적응되고, 상기 평가기(140)는 또한, 상기 미리 결정된 시간 기간에서 상기 제 1 간섭 신호에 기초하여 입자의 수를 결정하도록 적응되며, 상기 평가기(140)는 또한, 상기 평균 이동 시간 및 상기 입자의 수에 기초하여 제 1 입자 밀도를 결정하도록 적응되는 것을 특징으로 하는, 레이저 센서 모듈(100). - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 레이저 센서 모듈(100)을 포함하는 모바일 통신 디바이스(300)에 있어서,
상기 모바일 통신 디바이스는 상기 레이저 센서 모듈(100)에 의해 제공된 측정 결과를 제공하도록 배열되는, 모바일 통신 디바이스(300). - 입자 검출 방법에 있어서:
제 1 레이저(111)에 의해 적어도 제 1 측정 빔(111')을 방출하는 단계,
제 1 개구수를 통해 상기 제 1 측정 빔(111')을 집속하는 단계,
상기 제 1 레이저(111)의 제 1 레이저 공동 내의 제 1 광파의 제 1 간섭 신호 또는 제 1 자가 혼합 간섭 신호를 결정하는 단계,
입자에 의해 생성된 상기 제 1 간섭 신호 또는 상기 제 1 자가 혼합 간섭 신호의 지속기간에 기초하여 미리 결정된 시간 기간에서 상기 제 1 측정 체적(161)을 통과하는 상기 입자의 평균 이동 시간을 결정하는 단계,
상기 미리 결정된 시간 기간에서 상기 제 1 간섭 신호 또는 상기 제 1 자가 혼합 간섭 신호에 기초하여 입자의 수를 결정하는 단계, 및
상기 평균 이동 시간 및 상기 입자의 수에 기초하여 제 1 입자 밀도를 결정하는 단계를 포함하는, 입자 검출 방법. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 레이저 센서 모듈(100)에 의해 포함된 적어도 하나의 메모리 디바이스 상에 또는 상기 레이저 센서 모듈(100)을 포함하는 디바이스의 적어도 하나의 메모리 디바이스 상에 저장될 수 있는 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품에 있어서,
상기 코드 수단은 제 14 항에 따른 방법이 상기 레이저 센서 모듈(100)에 의해 포함된 적어도 하나의 프로세싱 디바이스에 의해 또는 상기 레이저 센서 모듈(100)을 포함하는 상기 디바이스의 적어도 하나의 프로세싱 디바이스에 의해 실행될 수 있도록 배열되는, 컴퓨터 프로그램 제품.
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