KR20190109753A - 레이저 기반 입자 검출기의 동작 조건을 검출하는 방법 - Google Patents

레이저 기반 입자 검출기의 동작 조건을 검출하는 방법 Download PDF

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요아힘 빌헬름 헬미흐
알렉산데르 마르크 판 데르 레
홀거 요아힘 무엔흐
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 유체에서 20㎛ 미만, 바람직하게 10㎛ 미만의 크기를 갖는 입자의 입자 밀도를 검출하기 위한 입자 검출기(200)의 동작 조건을 결정하는 방법을 설명하고, 입자 검출기(200)는 레이저(111)를 포함하고, 레이저는 다중모드 수직 공동 표면 방출 레이저이고, 방법은: 레이저 빔(112)이 레이저에 의해 방출되도록 레이저(111)에 전기 구동 전류를 제공하는 단계, 미리 정의된 범위의 구동 전류 내에서 구동 전류를 변화시키는 단계, 레이저(111)의 레이저 공동 내의 광파의 세기 신호를 구동 전류의 함수로서 결정하는 단계, 세기 신호의 잡음 측정치를 구동 전류의 함수로서 결정하는 단계, 잡음 측정치가 미리 정의된 임계값 미만인 구동 전류의 범위를 결정하는 단계, 결정된 범위의 구동 전류 중에서 입자 검출을 위한 구동 전류를 선택함으로써 입자 검출기(200)의 동작 조건의 적어도 일부를 결정하는 단계를 포함한다. 본 발명은 또한, 입자 검출기(200) 및 이러한 입자 검출기(200)를 포함하는 모바일 디바이스(190)에 관한 것이다. 본 발명은 최종적으로, 관련 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.

Description

레이저 기반 입자 검출기의 동작 조건을 검출하는 방법
본 발명은 레이저 기반 입자 검출기의 동작 조건을 결정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 입자 검출기 및 이러한 입자 검출기를 포함하는 모바일 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 최종적으로 관련 컴퓨터 프로그램 제품에 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 갖는 입자 센서 장치를 개시하고, 입자 센서 장치는 또한, 배치되는 적어도 하나의 렌즈 소자를 포함하여 방출된 광 방사선이 체적 내부의 초점 영역에 집속가능하게 한다.
WO 2017/016888 A1은 입자 밀도 검출을 위한 레이저 센서 모듈을 개시한다. 레이저 센서 모듈은 적어도 하나의 제 1 레이저, 적어도 하나의 제 1 검출기 및 적어도 하나의 전기 구동기를 포함한다. 제 1 레이저는 적어도 하나의 전기 구동기에 의해 제공된 신호에 반응하여 제 1 레이저 광을 방출하도록 적응된다. 적어도 하나의 제 1 검출기는 제 1 레이저의 제 1 레이저 공동 내의 광파의 제 1 자가 혼합 간섭 신호를 검출하도록 적응된다. 제 1 자가 혼합 간섭 신호는 제 1 레이저 공동으로 재진입하는 제 1 반사된 레이저 광에 의해 야기되고, 제 1 반사된 레이저 광은 제 1 레이저 광의 적어도 일부를 수신하는 입자에 의해 반사된다.
본 발명의 목적은 더 신뢰가능한 입자 검출을 가능하게 하기 위해 입자 검출기 및 대응하는 입자 검출기의 동작 조건을 결정하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 독립 청구항에 의해 정의된다. 종속 청구항은 유리한 실시예를 정의한다.
제 1 양태에 따르면, 유체에서 20㎛ 미만, 바람직하게 10㎛ 미만의 크기를 갖는 입자의 입자 밀도를 검출하기 위한 레이저 기반 입자 검출기의 동작 조건을 결정하는 방법이 제안된다. 입자 검출기는 레이저를 포함한다. 레이저는 다중모드 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)이다. 방법은:
레이저 빔이 레이저에 의해 방출되도록 레이저에 전기 구동 전류를 제공하는 단계,
미리 정의된 범위의 구동 전류 내에서 구동 전류를 변화시키는 단계,
레이저의 레이저 공동 내의 광파의 세기 신호를 구동 전류의 함수로서 결정하는 단계,
세기 신호의 잡음 측정치를 구동 전류의 함수로서 결정하는 단계,
잡음 측정치가 미리 정의된 임계값 미만인 구동 전류의 범위를 결정하는 단계,
결정된 범위의 구동 전류 중에서 입자 검출을 위한 구동 전류를 선택함으로써 입자 검출기의 동작 조건의 적어도 일부를 결정하는 단계를 포함한다.
예를 들면, 집적된 포토다이오드(ViP)와 같은 검출기를 갖는 VCSEL은 자가 혼합 간섭(SMI)의 원리에 기초하여 거리, 변위, 또는 속도의 측정을 위한 센서로서 공통적으로 이용된다. 이 유형의 상대적으로 새로운 응용 분야는 입자 검출의 측정이며, 특히 예를 들면, 공기 품질의 측정을 가능하게 하는 입자 밀도의 측정이다. 이 유형의 디바이스는 모바일 전화에 심지어 집적될 만큼 충분하게 간단하고 작을 수 있다.
단일 모드 VCSEL은 단일 모드 VCSEL의 신뢰가능한 동작 특성으로 인해 자가 혼합 간섭 측정에 의한 입자 검출을 위해 이용될 수 있다. 단일 모드 VCSEL은 그러나, 대략 2 내지 3㎛의 VCSEL의 상대적으로 작은 활성 직경의 이용을 요구하며, 이는 활성 직경과 관련하여 매우 엄격한 생산 허용 오차, 고 전류 밀도로 인한 제한된 신뢰성 및 다중모드 VCSEL과 비교하여 감소된 효율과 같은, 몇몇 어려움 및 단점을 야기한다. 다중모드 VCSEL은 예를 들면, 주위 온도, VCSEL의 동작 온도, VCSEL의 노화, VCSEL의 생산 확산 등에 의존하여 동작 특성이 변할 수 있다는 단점을 갖는다.
제안된 방법은 특히, 입자 검출을 위한 cw-동작에서 다중모드 VCSEL의 이용을 가능하게 한다. 다중모드 VCSEL은 동작 조건에 의존하여 레이저 공동에 상이한 우세한 광학 모드가 존재하도록 VCSEL이 구동될 수 있다는 특징이 있다. 다중모드 VCSEL의 활성 직경은 일반적으로 3㎛보다 크며 특히 4㎛보다 크다.
검출기는 예를 들면, 레이저 공동을 가로지르는 임피던스를 측정하도록 구성된 집적된 포토다이오드 또는 임피던스 측정 디바이스와 같은, 레이저 공동에서의 광 모드(들)의 세기 신호를 결정하기 위해 적합한 어떤 측정 디바이스일 수 있다.
검출기는 예를 들면, 레이저 공동 내의 광학 모드(들)의 변화(모드 호핑(mode hoping))에 대응할 수 있는 세기 잡음 또는 세기 신호를 검출한다. 세기 신호는 다중모드 VCSEL의 동작 조건의 신뢰성을 결정하기 위해 이용될 수 있는 잡음 측정치를 제공한다. 잡음 측정치가 미리 정의된 임계값 미만이 되자마자 VCSEL의 신뢰가능한 동작 따라서, 신뢰가능한 입자 검출이 인에이블링될 수 있다. 세기 신호는 예를 들면, 레이저 공동 내의 자가 혼합 간섭 신호에 대응할 수 있다. 잡음 측정치는 예를 들면, 레이저 공동 내의 자가 혼합 간섭 신호의 신호 대 잡음 비의 역에 대응할 수 있다. 입자 검출기에 의해 포함된 VCSEL의 구동 조건의 신뢰성을 나타내는 잡음 측정치를 얻기 위해 자가 혼합 간섭 신호의 측정 신호 따라서, 신호 대 잡음 비가 필요하지 않다는 점이 강조되어야 한다.
구동 전류의 범위는 주위 온도의 함수로서 결정될 수 있다. 입자 검출을 위한 구동 전류는 입자 검출 동안 주위 온도에 의존하여 선택된다. 주위 온도는 VCSEL의 동작 조건에 대해 영향을 줄 수 있다. 구동 전류의 범위는 따라서, 상이한 주위 온도에 대해 결정될 수 있고 대응하는 측정 데이터는 저장 디바이스에 저장될 수 있다. VCSEL의 구동 전류는 따라서, 입자 검출 동안 주위 온도에 적응될 수 있다. 주위 온도는 입자 검출기에 의해 결정될 수 있거나 예를 들면, 통신 채널에 의해 이용가능한 주어진 위치의 온도 데이터와 같은 외부 정보 소스로부터 취해질 수 있다.
구동 전류의 범위는 또한, 입자 검출기의 동작 온도의 함수로서 결정될 수 있다. 입자 검출을 위한 구동 전류는 입자 검출 동안 동작 온도에 의존하여 선택된다. 입자 검출기의 동작 온도 특히, 입자 검출기에 의해 포함된 VCSEL의 동작 온도는 주어진 구동 전류에서 잡음 측정치를 결정할 수 있다. 구동 전류의 범위는 따라서, 상이한 동작 온도에 대해 결정될 수 있고 대응하는 측정 데이터는 입자 검출기의 저장 디바이스에 저장될 수 있다. VCSEL의 구동 전류는 입자 검출 동안 또는 입자 검출 직전에 입자 검출기 특히, VCSEL의 동작 온도에 적응될 수 있다. 동작 온도는 입자 검출기의 온도 센서에 의해 결정될 수 있다. 주위 온도와 동작 온도 사이의 알려진 관계는 선택적으로, 잡음 측정치의 단지 하나의 의존성 만이 결정될 수 있도록 이용될 수 있다. 구동 전류의 범위 및 입자 검출을 위한 구동 전류는 공장에서 결정될 수 있으며, 상이한 주위 온도 또는 동작 온도에 대해 상이한 구동 전류의 경우 각각의 구동 전류 또는 구동 전류에 대해 입자 검출기가 교정될 수 있다. 교정은 동작 온도가 구동 전류에 의존할 수 있음을 고려할 수 있다.
상기 설명된 방법은 다음의 부가적인 단계를 포함할 수 있다:
입자 검출기의 동작 동안 트리거 이벤트(trigger event)를 검출하는 단계,
입자 검출기의 동작 동안 레이저의 레이저 공동 내의 광파의 레이저 공동에서의 세기 신호의 잡음 측정치를 결정하는 단계(선택적으로 트리거 이벤트를 검출한 후에),
입자 검출기의 동작 동안 잡음 측정치가 동작 임계치를 초과하면, 새로운 범위의 구동 전류를 결정하는 단계,
결정된 새로운 범위의 구동 전류 중에서 입자 검출을 위한 새로운 구동 전류를 선택함으로써 입자 검출기의 동작 조건의 적어도 일부를 결정하는 단계.
최적 동작 조건, 특히 최적 구동 전류는 예를 들면, 입자 검출기의 수명 동안 변할 수 있다. 상기 설명된 바와 같은 동작 조건을 결정하는 방법은 따라서, 트리거 이벤트의 검출 후에 수행될 수 있다. 트리거 이벤트는 입자 검출기의 성능 또는 신뢰성과 관련될 수 있다.
트리거 이벤트는 예를 들면, 입자 검출기의 동작 동안 레이저의 레이저 공동 내의 광파의 레이저 공동에서의 자가 혼합 간섭 신호의 신호 대 잡음 비가 신호 대 잡음 비 임계치 미만임을 검출할 수 있다. 입자 특히, 입자 밀도를 결정하기 위해 이용되는 자가 혼합 간섭 신호의 신호 대 잡음 비는 입자 검출기 또는 입자 검출 모듈의 성능 및 신뢰성을 결정하기 위해 지속적으로 모니터링될 수 있다.
대안적으로, 입자 검출기 특히, VCSEL의 동작 조건을 결정하는 방법을 시작하기 위한 트리거 이벤트를 제공하기 위해, 세기 신호 및 대응하는 잡음 측정치가 입자 검출기의 구동 전류에서 결정될 수 있다. 트리거 이벤트는 이 경우에, 잡음 측정치를 결정하는 것과 동일할 수 있다.
트리거 이벤트는 대안적으로 또는 게다가, 입자 검출기 및/또는 미리 결정된 시간 기간의 만료 시에 스위칭할 수 있다. 트리거 이벤트는 이들 경우에, 후속 단계에서 수행되는 잡음 측정치를 결정하는 것과 독립적이다.
방법은 다음의 부가적인 단계를 포함할 수 있다:
새로운 구동 전류에서 입자 검출기의 교정 절차를 시작하는 단계.
감도 및 계수율(count rate)은 레이저 기반 입자 검출기 특히, 입자 검출기에 의해 포함된 VCSEL의 동작 조건에 의존할 수 있다. 따라서, 결정된 범위의 구동 전류 중에서 구동 전류를 선택한 후에 입자 검출기를 교정하는 것이 바람직할 수 있다. 후자는 특히, 상기 설명된 바와 같이 트리거 이벤트의 검출 이후에 입자 검출기의 동작 동안 동작 조건이 결정되면 중요할 수 있다.
잠재적인 교정 절차는 입자 측정을 수행하고 기준값을 입력하는 것일 수 있다. 기준값은 예를 들면, 공개적으로 이용가능한 정보로부터 예를 들면, 주어진 위치에 대한 다른 센서(특히, 전문 장비)의 측정 결과로서 취해질 수 있다. 또 다른 옵션은 예를 들면, 기준 입자 밀도의 측정일 수 있다. 기준 입자 밀도는 용기를 입자 검출기의 대응하는 인터페이스에 결합하기 위한 인터페이스를 선택적으로 포함할 수 있는 폐쇄된 컨테이너에서 제공될 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 유체에서 20㎛ 미만, 바람직하게 10㎛ 미만의 크기를 갖는 입자의 입자 밀도를 검출하기 위한 레이저 기반 입자 검출기가 제공된다. 입자 검출기는 레이저를 포함한다. 레이저는 다중모드 수직 공동 표면 방출 레이저이다. 입자 검출기는 레이저에 구동 전류를 제공하기 위한 전기 구동기를 더 포함한다. 입자 검출기는 레이저의 레이저 공동 내의 광파의 자가 혼합 간섭 신호를 결정하기 위해 레이저에 결합된 검출기를 더 포함한다. 입자 검출기는 제어기를 더 포함한다. 제어기는 미리 정의된 범위의 구동 전류 내에서 레이저의 구동 전류를 변화시키도록 전기 구동기를 제어하기 위해 제어 신호를 제공하도록 배열된다. 제어기는 또한, 검출기에 의해 제공된 측정 신호에 기초하여 레이저 공동에서 세기(잡음) 신호의 잡음 측정치를 구동 전류의 함수로서 결정하도록 배열된다. 제어기는 또한, 잡음 측정치가 미리 정의된 임계값(저 잡음 범위) 미만인 구동 전류의 범위를 결정하도록 배열된다. 제어기는 또한, 결정된 범위의 구동 전류 중에서 입자 검출을 위한 새로운 구동 전류를 선택하도록 배열된다. 제어기는 또한, 입자 검출기의 동작 동안 새로운 구동 전류를 제공하기 위해 전기 구동기를 제어하도록 배열된다.
제어기는 입자 검출기의 동작 동안 검출기에 의해 결정된 자가 혼합 간섭 신호의 신호 대 잡음 비를 결정하도록 배열될 수 있다. 제어기는 또한, 입자 검출기의 동작 동안 신호 대 잡음 비가 신호 대 잡음 비 임계치 미만이면 레이저의 구동 전류를 변화시키도록 전기 구동기를 제어하기 위해 제어 신호를 제공하도록 배열된다.
제어기는 또한, 입자 검출기의 동작 동안 새로운 구동 전류를 제공하기 위해 전기 구동기를 제어한 후에 상기 설명된 바와 같은 교정 절차를 개시하도록 배열될 수 있다.
입자 검출기의 VCSEL은 바람직하게, 실질적인 잡음 측정치와 관련된 고 세기 신호가 없거나 본질적으로 없는 광범위한 구동 전류를 제공하기 위해 약한 광 유도에 의해 특징지워질 수 있다. VCSEL은 예를 들면, 5㎛와 7㎛ 사이의(활성) 개구 직경에 의해 특징지워질 수 있다. VCSEL은 대안적으로 또는 게다가, VCSEL의 아웃커플링 표면(outcoupling surface)의 반도체 표면 사이의 인터페이스가 VCSEL의 정상파 패턴의 안티 노드(anti-node)로부터 적어도 20nm만큼 떨어짐을 특징으로 할 수 있다.
공기 청정기, 배기 후드, 자동차, 센서 박스 또는 모바일 통신 디바이스와 같은 착용가능한 디바이스 등은 상기 설명된 바와 같은 어떤 실시예에 따른 입자 검출기를 포함할 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다. 컴퓨터 프로그램 제품은 입자 검출기의 적어도 하나의 메모리 디바이스 상에 또는 입자 검출기를 포함하는 디바이스의 적어도 하나의 메모리 디바이스 상에 저장될 수 있는 코드 수단을 포함한다. 코드 수단은 상기 설명된 어떤 실시예에 따른 방법이 입자 검출기의 적어도 하나의 프로세싱 디바이스에 의해 또는 입자 검출기를 포함하는 디바이스의 적어도 하나의 프로세싱 디바이스에 의해 실행될 수 있도록 배열된다.
메모리 디바이스 또는 프로세싱 디바이스는 입자 검출기(예로서, 전기 구동기, 제어기 등) 또는 입자 검출기를 포함하는 디바이스에 의해 포함될 수 있다. 입자 검출기를 포함하는 디바이스의 제 1 메모리 디바이스 및/또는 제 1 프로세싱 디바이스는 입자 검출기에 의해 포함된 제 2 메모리 디바이스 및/또는 제 2 프로세싱 디바이스와 상호작용할 수 있다.
메모리 디바이스 또는 디바이스는 정보, 특히 디지털 정보를 저장하도록 배열되는 어떤 물리적 디바이스일 수 있다. 메모리 디바이스는 특히, 고체 상태 메모리 또는 광 메모리의 그룹 중에서 선택될 수 있다.
프로세싱 디바이스 또는 디바이스는 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.
청구항 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법 및 청구항 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 입자 검출기는 특히, 종속 청구항에 정의된 바와 같이 유사하고/하거나 동일한 실시예를 갖는다는 것이 이해될 것이다.
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 그와 관련하여 더 자세하게 설명될 것이다.
도 1은 입자 검출기의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 2는 다중모드 VCSEL의 레이저 전류 대 잡음의 측정을 도시한 도면.
도 3은 입자 검출기를 포함하는 모바일 디바이스의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 4는 입자 검출기의 동작 조건을 결정하는 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 유도하며, 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. 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 제 2 기간에서 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. 신호의 지속기간 및 세기는 선택적으로, 입자 크기를 결정하기 위해 이용될 수 있다.
도 1은 입자 검출기(200)의 주요 스케치를 도시한다. 입자 검출기(200)는 레이저(111)를 포함한다. 레이저(111)는 다중모드 VCSEL이다. VCSEL은 전기 구동기(130)에 의해 제공된 구동 전류에 반응하여 레이저 빔(112)을 방출하도록 배열된다. 자가 혼합 간섭 신호는 예를 들면, 입자 검출기(200)의 표면에 평행한 입자 흐름에 의해 포함된 입자에 의해 레이저 빔(112)을 반사한 후에 생성될 수 있다. 자가 혼합 간섭 신호는 이 경우에, VCSEL의 반도체 층 구조에 집적된 포토다이오드인 검출기(121)에 의해 검출된다. 집적된 포토다이오드는 레이저 빔(112)의 반사된 광과의 레이저 공동 내의 광파의 자가 혼합 간섭에 의해 야기된 VCSEL의 레이저 공동 내의 광파의 변동을 결정한다. 레이저 공동에서의 자가 혼합 간섭 신호에 의해 야기된 전기 검출 신호는 검출기(121)로부터 제어기(150)로 전송된다. 제어기(150)는 전기 검출 신호를 평가하고 레이저 빔(112)을 가로지르는 입자와 관련된 측정 신호를 제공한다. 측정 신호는 입자 밀도를 결정하기 위해 이용될 수 있는 미가공 데이터 또는 입자의 입자 밀도를 포함할 수 있다. 제어기(150)에 의해 생성된 측정 신호는 인터페이스(135)에 의해 교환될 수 있다. 측정 신호는 예를 들면, 측정 신호에 기초하여 또 다른 데이터 분석을 수행하는 외부 계산 디바이스로 전송될 수 있다. 공통 인터페이스(135)는 게다가, 전력을 입자 검출기(200)로 전송하기 위해 이용될 수 있다. 대안적으로, 상이한 인터페이스가 전력 및 측정 신호를 교환하기 위해 이용될 수 있다. 입자 검출기는 대안적으로 또는 게다가, 측정 신호에 기초하여 생성되는 측정 결과를 제공하기 위한 이용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 레이저 빔(112)은 예를 들면, 입자 검출기(200)에 의해 포함된 이동가능한 거울(도시되지 않음)에 의해 고정되거나 이동가능할 수 있다. 입자 검출기(200)는 선택적으로, 레이저 빔(112)을 조작하고 특히 집속하기 위한 또 다른 광학 소자 또는 디바이스를 포함할 수 있다.
제어기(150)는 프로세서 또는 마이크로프로세서 및 대응하는 메모리를 포함한다. 제어기(150)는 입자 검출기(200)의 동작 동안 검출기(121)에 의해 결정된 자가 혼합 간섭 신호의 신호 대 잡음 비를 결정하도록 배열된다. 제어기(150)는 입자 검출기(200)의 동작 동안의 신호 대 잡음 비가 신호 대 잡음 비 임계치 미만이라면, 미리 정의된 범위의 구동 전류 내에서 VCSEL의 구동 전류를 변화시키도록 전기 구동기(130)를 제어하기 위해 제어 신호를 제공한다. 제어기(150)는 검출기(121)에 의해 제공된 전기 검출 신호에 기초하여 레이저 공동에서의 세기 신호의 잡음 측정치를 구동 전류의 함수로서 결정한다. 제어기(150)는 잡음 측정치가 미리 정의된 임계값(신호 대 잡음 비 임계치보다 높은 신호 대 잡음 비) 미만인 구동 전류의 범위를 결정한다. 제어기(150)는 결정된 범위의 구동 전류 중에서 입자 검출을 위한 새로운 구동 전류를 선택한다. 제어기(150)는 입자 검출기(200)의 동작 동안 새로운 구동 전류를 제공하기 위해 전기 구동기(130)를 제어한다. 입자 검출기(200)는 따라서 예를 들면, 도 2와 관련하여 논의된 바와 같이 모드 홉의 범위에서 전기 구동기(130)에 의해 제공된 구동 전류가 VCSEL을 구동하는지의 여부를 결정하도록 적응된다. 입자 검출기(200)는 이 경우에, 신뢰가능한 측정 신호를 제공하기 위해 대안적인 구동 조건을 결정한다.
도 2는 다중모드 VCSEL의 레이저 구동 전류(12) 대 잡음(11)의 측정을 도시한다. 다중모드 VCSEL은 Δlambda/ΔI~0.3nm/mA의 파장 시프트에 의해 특징지워진다. 약 1.2mA에서의 측정된 세기 잡음(15)의 제 1 피크는 가장 적은 손실을 갖는 모드에서의 레이저 동작의 개시를 나타낸다. 더 높은 전류(~2.4mA 및 ~3.3mA)에서의 피크는 더 높은 모드에 대한 임계치와 일치한다. SMI 기반 입자 검출을 위한 적합한 범위는 예를 들면, 1.5와 2.1mA 사이 또는 2.6과 3.0mA 사이이다. 라인 및 1.5와 2.1 mA 사이의 이중 화살표로 표시된 구동 전류(17)의 바람직한 범위는 VCSEL이 기본 모드로 구동되는 곳이다.
도 3은 입자 검출기(200)를 포함하는 모바일 통신 디바이스(190)의 주요 스케치를 도시한다. 입자 검출기(200)는 상기 도 1과 관련하여 논의된 바와 같이 레이저 빔(112)을 방출하도록 적응된다. 모바일 통신 디바이스(190)는 이용자 인터페이스(191), 주 프로세싱 디바이스(192) 및 주 메모리 디바이스(193)를 포함한다. 주 프로세싱 디바이스(192)는 주 메모리 디바이스(193) 및 입자 검출기(200)와 연결된다. 주 프로세싱 디바이스(192)는 제어기(150)에 의해 제공된 측정 신호를 평가한다. 주 프로세싱 디바이스(192)는 입자 검출에 관련된 데이터를 주 메모리 디바이스(193)에 저장한다. 주 프로세싱 디바이스(192) 및 주 메모리 디바이스(193)는 이 실시예에서, 데이터가 이용자 인터페이스(191)에 의해 모바일 통신 디바이스(190)의 이용자에게 제공될 수 있도록 입자 검출기(200)에 제공된 데이터를 준비 또는 적응시키기 위해 단지 이용된다. 입자 검출기(200)는 모바일 통신 디바이스(190)의 전원(도시되지 않음)에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 주 프로세싱 디바이스(192) 및 주 메모리 디바이스(193)는 일 대안적인 실시예에서, 제어기(150)의 기능의 일부를 수행할 수 있다.
입자 검출기(200)를 포함하는 다른 디바이스에서 동일한 원리가 이용될 수 있다.
도 4는 입자 검출기(200)의 동작 조건을 결정하는 방법의 주요 스케치를 도시한다. 단계(310)에서 레이저에 의해 레이저 빔이 방출되도록 전기 구동 전류가 레이저(VCSEL)에 제공된다. 구동 전류는 미리 정의된 범위의 구동 전류 내에서 단계(320)에서 변화된다. 단계(330)에서 레이저의 레이저 공동 내의 광파의 세기 신호가 구동 전류의 함수로서 결정되고 세기 신호의 잡음 측정치는 단계(340)에서 구동 전류의 함수로서 결정된다. 단계(350)에서, 잡음 측정치가 미리 정의된 임계값 미만인 구동 전류의 범위가 결정된다. 입자 검출기의 동작 조건의 적어도 일부는 결정된 범위의 구동 전류 중에서 입자 검출을 위한 구동 전류를 선택함으로써 단계(360)에서 결정된다.
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 발명 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.
11 세기 잡음
12 구동 전류
15 측정된 세기 잡음
17 바람직한 범위의 구동 전류
111 레이저
112 레이저 빔
121 검출기
130 전기 구동기
135 인터페이스
150 제어기
190 모바일 통신 디바이스
191 이용자 인터페이스
192 주 프로세싱 디바이스
193 주 메모리 디바이스
200 입자 검출기
310 전기 구동 전류를 제공하는 단계
320 구동 전류를 변화시키는 단계
330 세기 신호를 결정하는 단계
340 잡음 측정치를 결정하는 단계
350 구동 전류의 범위를 결정하는 단계
360 구동 전류를 선택하는 단계

Claims (14)

  1. 유체에서 20㎛ 미만, 바람직하게 10㎛ 미만의 크기를 갖는 입자의 입자 밀도를 검출하기 위한 입자 검출기(200)의 동작 조건을 결정하는 방법으로서, 상기 입자 검출기(200)는 레이저(111)를 포함하고, 상기 레이저는 다중모드 수직 공동 표면 방출 레이저인, 상기 방법에 있어서:
    레이저 빔(112)이 상기 레이저에 의해 방출되도록 상기 레이저(111)에 전기 구동 전류를 제공하는 단계,
    미리 정의된 범위의 구동 전류 내에서 상기 구동 전류를 변화시키는 단계,
    상기 레이저(111)의 레이저 공동 내의 광파의 세기 신호를 상기 구동 전류의 함수로서 결정하는 단계,
    상기 세기 신호의 잡음 측정치를 상기 구동 전류의 함수로서 결정하는 단계,
    상기 잡음 측정치가 미리 정의된 임계값 미만인 구동 전류의 범위를 결정하는 단계,
    상기 결정된 범위의 구동 전류 중에서 입자 검출을 위한 구동 전류를 선택함으로써 상기 입자 검출기(200)의 동작 조건의 적어도 일부를 결정하는 단계,
    상기 입자 검출기(200)의 동작 동안 트리거 이벤트(trigger event)를 검출하는 단계,
    상기 입자 검출기(200)의 동작 동안 상기 레이저(111)의 레이저 공동 내의 상기 광파의 레이저 공동에서의 상기 세기 신호의 잡음 측정치를 결정하는 단계,
    상기 입자 검출기(200)의 동작 동안 상기 잡음 측정치가 동작 임계치를 초과하면, 새로운 범위의 구동 전류를 결정하는 단계,
    상기 결정된 새로운 범위의 구동 전류 중에서 입자 검출을 위한 새로운 구동 전류를 선택함으로써 상기 입자 검출기의 동작 조건의 적어도 일부를 결정하는 단계를 포함하는, 입자 검출기의 동작 조건을 결정하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 전류의 범위는 또한, 주위 온도의 함수로서 결정되고, 입자 검출을 위한 상기 구동 전류는 입자 검출 동안 주위 온도에 의존하여 선택되는, 입자 검출기의 동작 조건을 결정하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구동 전류의 범위는 또한, 상기 입자 검출기(200)의 동작 온도의 함수로서 결정되고, 입자 검출을 위한 상기 구동 전류는 입자 검출 동안 동작 온도에 의존하여 선택되는, 입자 검출기의 동작 조건을 결정하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 트리거 이벤트는: 상기 입자 검출기(200)의 동작 동안 상기 레이저(111)의 레이저 공동 내의 상기 광파의 레이저 공동에서의 자가 혼합 간섭 신호의 신호 대 잡음 비가 신호 대 잡음 비 임계치 미만임을 검출하는 것인, 입자 검출기의 동작 조건을 결정하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 트리거 이벤트는: 상기 입자 검출기(200)를 스위칭 온하는 것인, 입자 검출기의 동작 조건을 결정하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 트리거 이벤트는: 미리 결정된 시간 기간의 만료인, 입자 검출기의 동작 조건을 결정하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 새로운 구동 전류에서 상기 입자 검출기(200)의 교정 절차를 시작하는 부가적인 단계를 포함하는, 입자 검출기의 동작 조건을 결정하는 방법.
  8. 유체에서 20㎛ 미만, 바람직하게 10㎛ 미만의 크기를 갖는 입자의 입자 밀도를 검출하기 위한 입자 검출기(200)에 있어서,
    상기 입자 검출기(200)는 레이저(111)를 포함하고, 상기 입자 검출기(200)는 상기 레이저(111)에 구동 전류를 제공하기 위한 전기 구동기(130)를 더 포함하고, 상기 입자 검출기(200)는 상기 레이저(111)의 레이저 공동 내의 광파의 자가 혼합 간섭 신호를 결정하기 위해 상기 레이저(111)에 결합된 검출기(121)를 더 포함하고, 상기 입자 검출기(200)는 제어기(150)를 더 포함하며,
    상기 레이저는 다중모드 수직 공동 표면 방출 레이저이고, 상기 입자 검출기는 트리거 이벤트를 결정하도록 배열되는 것을 특징으로 하고,
    상기 제어기(150)는 상기 트리거 이벤트의 검출 후에 미리 정의된 범위의 구동 전류 내에서 상기 레이저(111)의 구동 전류를 변화시키도록 상기 전기 구동기(130)를 제어하기 위해 제어 신호를 제공하도록 배열되고, 상기 제어기(150)는 또한, 상기 검출기(121)에 의해 제공된 검출 신호에 기초하여 상기 레이저 공동에서 세기 신호의 잡음 측정치를 상기 구동 전류의 함수로서 결정하도록 배열되고, 상기 제어기(150)는 또한, 상기 잡음 측정치가 미리 정의된 임계값 미만인 구동 전류의 범위를 결정하도록 배열되고, 상기 제어기(150)는 또한, 상기 결정된 범위의 구동 전류 중에서 입자 검출을 위한 구동 전류를 선택하도록 배열되며, 상기 제어기(150)는 또한, 상기 입자 검출기(200)의 동작 동안 상기 구동 전류를 제공하기 위해 상기 전기 구동기(130)를 제어하도록 배열되는, 입자의 입자 밀도를 검출하기 위한 입자 검출기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어기(150)는 상기 입자 검출기(200)의 동작 동안 상기 검출기(121)에 의해 결정된 상기 자가 혼합 간섭 신호의 신호 대 잡음 비를 결정하도록 배열되고, 상기 제어기(150)는 또한, 상기 입자 검출기(200)의 동작 동안 상기 신호 대 잡음 비가 신호 대 잡음 비 임계치 미만이면, 상기 레이저(111)의 구동 전류를 변화시키도록 상기 전기 구동기(130)를 제어하기 위해 상기 제어 신호를 제공하도록 배열되는, 입자의 입자 밀도를 검출하기 위한 입자 검출기.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 제어기(150)는 또한, 상기 입자 검출기(200)의 동작 동안 상기 구동 전류를 제공하기 위해 상기 전기 구동기를 제어한 후에 교정 절차를 개시하도록 배열되는, 입자의 입자 밀도를 검출하기 위한 입자 검출기(200).
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직 공동 표면 방출 레이저는 5㎛와 7㎛ 사이의 직경을 갖는 개구에 의해 특징지워지는, 입자의 입자 밀도를 검출하기 위한 입자 검출기(200).
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직 공동 표면 방출 레이저의 아웃커플링 표면(outcoupling surface)의 반도체 표면 사이의 인터페이스는 상기 레이저(111)의 정상파 패턴의 안티 노드로부터 적어도 20nm만큼 떨어지는, 입자의 입자 밀도를 검출하기 위한 입자 검출기(200).
  13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 입자 검출기(200)를 포함하는 모바일 통신 디바이스(300).
  14. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 입자 검출기(200)에 의해 포함된 적어도 하나의 메모리 디바이스 상에 또는 상기 입자 검출기(200)를 포함하는 디바이스의 적어도 하나의 메모리 디바이스 상에 저장될 수 있는 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품에 있어서,
    상기 코드 수단은 제 1 항 내지 제 7 항에 따른 방법이 상기 입자 검출기(200)에 의해 포함된 적어도 하나의 프로세싱 디바이스에 의해 또는 상기 입자 검출기(200)를 포함하는 상기 디바이스의 적어도 하나의 프로세싱 디바이스에 의해 실행될 수 있도록 배열되는, 컴퓨터 프로그램 제품.
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