用于颗粒密度探测的激光传感器模块的制作方法

本发明涉及一种使用干涉或自混合干涉进行颗粒密度探测的激光传感器模块、一种有关的颗粒密度探测方法和一种相应的计算机程序产品。本发明还涉及一种包括这种激光传感器模块的移动通信设备。

背景技术：

DE 10 2015 207 289 A1公开了一种颗粒传感器装置，其具有光学发射器设备，该光学发射器设备被配置用于发射光学辐射，使得至少部分地可照射以下体积：所述体积具有可能存在于其中的至少一个颗粒；光学探测器设备，其具有至少一个探测表面，该至少一个探测表面被在至少一个颗粒处散射的光学辐射的至少一部分照射，关于照射至少一个探测表面的光学辐射的强度和/或强度分布的至少一个信息信号是可显示的；以及评估设备，借助该评估设备可以识别和显示关于颗粒的存在、颗粒的数目、颗粒密度和/或颗粒的至少一种性质的信息项，该颗粒传感器装置还包括至少一个透镜元件，其布置用于使得所发射的光学辐射可聚焦到该体积内的聚焦区域上。颗粒传感器装置包括平面镜设备，其被布置用于使聚焦区域运动以便抑制风速的影响。

技术实现要素：

本发明的一个目的是，提供一种用于颗粒密度探测的经改进的和简化的激光传感器模块。本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定有利的实施例。

根据第一方面，一种激光传感器模块，用于探测小颗粒(固体或液体颗粒，其可以保持悬浮在空气中并且随风扩散)的颗粒密度。颗粒尺寸通常小于20μm或甚至10μm。例如，颗粒的特征可以在于0.05微米至10μm之间、优选在0.1至2.5μm之间的尺寸。激光传感器模块包括：

至少第一激光器，其适于发射第一测量光束，

光学装置，其被布置用于至少将第一测量光束聚焦到第一测量体积，其中，光学装置的特征在于相对于第一测量光束的第一数值孔径，

至少第一探测器，其适于确定第一激光器的第一激光腔内的第一光波的第一干涉信号或第一自混合干涉信号，

评估器，其中，评估器适于接收由至少第一探测器响应于所确定的第一干涉或第一干涉信号而生成的探测信号，其中，评估器还适于基于由颗粒生成的第一干涉或第一自混合干涉信号的持续时间来确定在预先确定的时间段中通过第一测量体积的颗粒的平均渡越时间，其中，评估器还适于在预先确定的时间段中基于第一干涉或第一自混合干涉信号来确定颗粒数目，其中，评估器还适于基于平均渡越时间和颗粒数目确定第一颗粒密度。

用于颗粒探测并且尤其用于颗粒密度探测的光学感测技术通常使用具有已知颗粒流的测量体积。这意味着，颗粒流相对于测量光束的速度以及方向是已知的。颗粒流可以通过例如风扇来限定，使得颗粒运动或通过例如MEMS平面镜来限定，所述MEMS平面镜使测量光束相对于颗粒运动。通过这些措施可以减少或甚至消除风速相对于每个观察时间单位的探测体积的影响。使用这种技术的光学传感器模块体积庞大，可能不适用于所有颗粒感测应用。

上述激光传感器模块使得能够在不提供预先定义的颗粒流方向和速度的情况下进行颗粒探测。使用仅仅一个在仅仅一个方向上发射测量光束的激光器(和相应的探测器)来基于在预先确定的时间段中通过第一测量体积的颗粒生成第一自混合干涉信号。自混合干涉信号用于确定在预先确定的时间段内通过第一测量体积的颗粒数目和颗粒的平均渡越时间。每个单个颗粒的渡越时间是由相应颗粒生成的自混合干涉信号的开始与由相应颗粒生成的自混合干涉信号的结束之间的时间差。平均渡越时间是在预先定义的时间内测量的所有渡越时间的平均值。可以定义某些阈值以便选择可以改善平均渡越时间的确定的自混合干涉信号。例如，可以仅仅选择具有高于预先定义的阈值幅度值的最大信号幅度的这种自混合干涉信号。预先定义的阈值幅度值可以使得能够选择由颗粒沿着测量光束的方向通过测量体积的中心线而引起的这种自混合干涉信号。此外，颗粒的基本上圆形的形状和第一测量光束导致作为偏离中心距离的函数的渡越时间仅仅逐渐减小，使得渡越时间探测对于颗粒通过第一测量体积的路径不敏感。在颗粒流的速度向量与第一测量光束的方向之间的近似已知的关系的情况下，通过自混合干涉信号探测的平均渡越时间和颗粒数目足以确定第一颗粒密度。

自混合干涉信号还提供关于所测量的颗粒流的速度向量的平行于第一测量光束的速度分量的信息。该信息可以与平均渡越时间和参考光束直径结合地使用，给出垂直于第一测量光束的速度分量的指示，以确定速度向量和第一测量光束之间的角度90°-α。参考光束直径是校准因子，其基于参考角度α的参考实验来确定。第一自混合干涉信号还用于确定在预先确定的时间段中通过第一测量体积的颗粒数目。基于平均渡越时间、在预先确定的时间段中的所探测到的颗粒数目以及角度α，确定第一颗粒密度。角度α通过公式(等式1)确定：

其中，f＝多普勒频率，λ＝测量波长(例如850nm)，tmeas＝所测量的平均渡越时间，dref＝参考光束直径。

数值孔径可以进一步布置用于探测参考速度下的预先确定的最小颗粒尺寸，其中，在包括参考速度的预先确定的速度范围内选择参考速度。

已经认识到，如果平均速度和传感器模块的光学器件的数值孔径的三次幂之间的比率是恒定的，则计数率保持相同并且最小探测颗粒尺寸保持恒定。这意味着，在较低的平均颗粒速度下，用于将测量光束聚焦到探测体积的光学器件的数值孔径应该更低。包括这种模块的激光传感器模块或颗粒探测系统可以相对于参考速度设计。参考速度是另一校准参数，其取决于颗粒速度的范围，其应被覆盖以便能够通过激光传感器模块实现可靠的颗粒密度探测。选择参考速度使得能够跨预先确定的速度范围以可靠的方式确定给定的颗粒密度。

光学装置优选的特征在于，相对于第一测量光束，第一数值孔径在0.01和0.06之间，优选地在0.02和0.04之间，其中，探测到的颗粒的参考速度小于1m/s。该预先确定的速度范围可以在0.01m/s和7m/s之间的范围内。小的数值孔径与颗粒的缓慢运动相结合能够通过手持设备例如移动通信设备(例如智能电话)实现可靠的颗粒探测。此外，小的数值孔径使得能够实现到例如包括激光传感器模块的智能电话的表面的在3mm到10mm之间的可靠探测距离(第一测量体积)。

取决于激光传感器模块相对于颗粒流的平均速度，有必要使数值孔径适应预期的应用。主要应用在具有例如10m/s平均速度的运动物体(车辆)上的激光传感器模块需要更大的数值孔径，以便能够实现探测在高速下的更小的颗粒，否则不对这样的小颗粒计数，从而增加颗粒密度探测的误差。

评估器还可以适于基于第一自混合干涉信号和平均渡越时间确定在第一测量光束和颗粒的速度向量之间围成的角度。基于探测到的颗粒数目、角度α、参考速度和垂直于光束的平均渡越时间确定第一颗粒密度，其中，参考速度和参考光束直径定义参考(渡越)时间(tref)，在所述参考(渡越)时间中，具有参考颗粒尺寸的参考颗粒通过第一测量光束，其中，参考颗粒的速度向量垂直于第一测量光束。

评估器还可以适于通过包括平均持续时间和参考时间之间的比率的四次方根的因子来校正所确定的第一颗粒密度。

包括平均持续时间和参考时间之间的比率的四次方根的因子用于补偿在给定参考颗粒密度下颗粒计数的时间相关性，其显示t^1/4相关性。借助具有一个激光器的该激光传感器模块的颗粒密度探测相对于平均渡越时间的测量误差非常不敏感，因为该t^1/4相关性。实际上选择参考速度使得该时间校正因子(～(t/tref)^1/4)在预先确定的速度范围内最小化。在其他情况下，也可以选择参考速度作为特定用户模型的最可能速度。例如，参考速度可以适于相应的应用。激光传感器模块或更精确地，包括激光传感器模块的设备可用于确定室内的第一颗粒密度。在这种情况下，平均风速将接近0m/s或甚至为0m/s。在这种情况下，参考速度可以被选择为例如0.05m/s。可替代地，设备可以要求用户通过用户界面提供关于测量条件的信息。例如，用户可以提供关于包括激光传感器模块的设备应用在建筑物外并且在刮风的信息。在这种情况下，该设备可以被布置用于根据由用户提供的信息以不同的参考速度进行分配。在这种情况下，参考速度可以是例如0.9m/s。

评估器还可以适于确定在第一信号/噪声比率阈值水平的第一颗粒计数率和在不同于第一信号/噪声比率阈值水平的第二信号/噪声比率阈值水平的第二颗粒计数率。评估器还适于通过第一颗粒计数率和第二颗粒计数率来校正所确定的颗粒密度。

实验已经表明，在较高的速度下，最小颗粒的信号/噪声比率变得太低以至于不能被测量。对于颗粒计数率使用两个不同的阈值水平使得能够估计小颗粒的数目，从而估计在较高速度下遗漏颗粒的数目。例如，可以通过公式(等式2)校正颗粒密度：

其中，ratiotwothref是对于大颗粒的两个阈值的比率(在高阈值水平下的计数Nr除以在低阈值水平下的计数数目)，ratiotwothr是在颗粒密度(例如PM2.5)测量的有效平均渡越时间处的两个阈值的比率。差是分布中小颗粒数目的度量。有效平均渡越时间t是通过第一测量光束和颗粒流向量之间的角度补偿的所测量的平均渡越时间，其由(等式3)给出：

t＝tmeascos(α)

通过将该差乘以对应于相对于参考时间的时间差的度量的因子，对分布中的小颗粒进行校正。因子c2可以通过校准实验来调整。可以通过光学测量(例如，不同于第二数值孔径的第一数值孔径)、探测器的不同灵敏度(物理地或通过由评估器设置的不同灵敏度)或者例如应用于自混合干涉信号的电子滤波器来生成不同的阈值。

颗粒密度或PM2.5值可以通过公式(公式4)来计算：

c1是在校准实验中确定的另外的校准参数。n是在预先确定的时段T中的所探测到的颗粒的数目。用于补偿时间相关性(或速度相关性)的四次方根时间因子包括附加的cos(α)，其进一步改善了借助激光传感器模块的实验与参考实验的一致性。

提到这是使用该公式中给出的信息来校正最佳PM2.5值或更一般的颗粒密度值的示例。来自颗粒信号或来自校准的其他参数也可用于甚至更准确地确定PM2.5或颗粒密度值。

光学装置可以被布置用于折叠第一测量光束，使得垂直于激光传感器模块的出射窗的构建高度小于1mm。

光学装置可以例如包括两个反射表面，这两个反射表面被布置用于使得第一测量光束在穿过例如透镜之前在激光传感器模块内折叠，所述透镜将第一测量光束聚焦到第一测量体积。借助光学装置提供的所需的数值孔径结合设备外足够远(例如5mm)的焦点位置，需要激光器和聚焦光学设备(例如透镜)之间的一定距离。如果第一测量光束的光路在激光传感器模块内折叠，则可以减小激光传感器模块的构建高度。如果激光传感器模块组装在诸如智能电话的移动通信设备中，则激光传感器模块的降低的构建高度可能是特别有利的。

光学装置可以被布置用于使得第一测量体积布置在垂直于激光传感器模块的出射窗的在3mm和10mm之间的距离处。出射窗可以与用于将第一测量光束聚焦到第一测量体积的光学聚焦设备相同。在3mm和10mm之间的距离可以减小出射窗表面相对于颗粒流的影响，出射窗表面可以集成在设备表面中。由于处于垂直位置的手和/或设备的热量，在实际气流模式的情况下，到第一测量体积的较大距离导致较低的空气速度。

激光传感器模块还可以包括：

至少第二激光器，其适于发射第二测量光束，

光学装置还被布置用于至少将第二测量光束聚焦到第二测量体积，其中，光学装置的特征在于相对于第二测量光束的第二数值孔径，其中，第二数值孔径被布置用于探测参考速度下的预先确定的最小颗粒尺寸，其中，第一测量光束和第二测量光束相互围成在10°和160°之间的角度，

至少第二探测器适于确定第二激光器的第二激光腔内的第二光波的第二干涉或第二自混合干涉信号，

评估器还适于接收由第二探测器响应于所确定的第二自混合干涉信号而生成的探测信号，其中，评估器还适于借助在预先确定的时间段内接收的探测信号确定由第一探测器探测到的至少第一平均颗粒速度和由第二探测器探测到的至少第二平均颗粒速度，其中，评估器还适于基于由第二探测器在预先确定的时间段内提供的探测信号确定第二颗粒数目，其中，评估器还适于基于至少借助第一平均速度和第二平均速度确定的平均颗粒速度、至少第一颗粒数目和至少第二颗粒数目来确定第二颗粒密度，其中，评估器还适于基于第一颗粒密度和第二颗粒密度确定第三颗粒密度。

第二激光器和相应的探测器使得能够独立地确定颗粒流的速度向量，因为可以测量速度向量的两个分量。因此，颗粒的平均速度的确定使得能够基于第一和第二激光自混合干涉信号独立地确定颗粒密度。该第二颗粒密度可以与如上所述确定的第一颗粒密度组合。为此目的，可以使用使用单轴的第一颗粒密度，但是优选地，可以使用作为两个单轴的平均结果的第一颗粒密度。与基于渡越时间的激光传感器模块和基于速度的激光传感器模块相比，所组合的第三颗粒密度的特征在于较小的误差。如果激光传感器模块被布置用于执行根据下面描述的颗粒探测第二方法的步骤，则基于速度的激光传感器模块也可以在没有第一颗粒密度的情况下工作。使用相互围成在10°和160°(优选地在20°和140°之间，最优选地50°和70°)之间的角度φ的至少两个激光束或测量光束，以便确定两个独立的速度分量以确定平均速度。

第一测量光束优选地与参考表面围成第一角度β1，其中，第二测量光束与参考表面围成第二角度β2，其中，第一测量光束在参考表面上的第一投影和第二测量光束在参考表面上的第二投影围成在20°和160°之间、优选地在30°和120°之间、最优选地在80°和100°之间的角度γ。

参考表面或探测表面可以是包括激光传感器模块的设备的表面。第一和第二测量光束通过参考表面的透射区域(窗口)发射。该配置特别适用于与参考表面平行的颗粒流(见图2)。这种设备可以是固定设备，如传感器盒，或移动设备，如智能电话。例如，参考表面可以是智能电话的显示器的表面。用户可以握住智能电话或移动通信设备，使得显示器的表面平行于或垂直于地面。该设备的附加传感器可以帮助提供设备相对于地面的正确位置，和/或，附加的速度数据可以用于获得更优化的颗粒浓度测量(例如加速度传感器等，可以用于智能电话的指南针或水平仪应用程序)。在特殊情况下，第一测量光束可以优选地与参考表面围成角度β1＝45°，其中，第二测量光束可以优选地与参考表面围成β2＝45°的角度。在这种情况下，两个测量光束的投影可以优选地围成角度γ＝90°。在这种情况下，颗粒流的平行于参考表面的每个速度向量与第一或第二测量光束围成45°的角度90-α。在这种情况下角度φ为60°。

提到在第二颗粒密度测量的和因此第三颗粒密度测量的探测失败——其例如由于激光束之一阻塞或激光器损坏——的情况下，借助剩余的激光进行的第一颗粒密度测量给出很好的回退(fall back)场景。可以关闭阻塞的或损坏的激光器以便节省电力。可替代地，可以不评估或忽略由相应探测器提供的测量结果，以避免相应的噪声。

可以选择参考速度，使得误差最小化在包括参考速度的预先确定的速度范围内相对于参考速度对称。以这种方式选择参考速度可以实现改进的误差校正，尤其是相对于预先确定的速度范围的边界处的速度。可以降低在速度范围的上边界或下边界处的系统误差增加的风险。

实验已经表明，激光传感器模块的计数率作为颗粒速度的函数可以很好地近似地通过幂定律来描述。因此，参考速度在速度范围附近或中间的对数轴上似乎是一个很好的选择，以便能够在预先确定的速度范围内相对于参考速度实现对称误差最小化。例如，对于通过移动手持设备进行的颗粒密度探测，速度范围可以通过0.01m/s和6m/s来界定。在这种情况下，对于光学装置的0.03的数值孔径，参考速度可以优选为约0.2m/s，以便确定可靠的颗粒密度值。

第一数值孔径可以与第二数值孔径相同。这并不意味着排除变化。

速度值v可以通过公式(等式5)借助自混合干涉信号的所测量的频率值f来确定：

v＝f*λ/(2*sin(α))，

其中，λ是测量光束的波长(例如850nm)，角度90-α是在速度向量和相应测量光束之间围成的角度，其可以(至少近似地)基于第一和第二自混合干涉信号来确定。如果颗粒流平行于探测表面(例如移动电话的表面)并且两个测量光束与探测表面围成45°的角度并且测量光束在探测表面上的投影围成90°的角度γ，则角度90-α为45°(固定)。即使流不完全平行，也仅仅具有小的误差。

通过使所测量的自混合干涉信号的分析适应于信号的有效长度或测量时间，可以改善速度的确定。信号的有效长度取决于速度、光束尺寸和角度α。有效长度或测量时间可以通过在时域中探测信号高于某个阈值的持续时间来确定。

在两个测量光束的情况下，通过公式(等式6)给出相对于每个测量光束i的平均颗粒速度vavi和总平均速度vav：

vav1＝Σv(j)/N和vav2＝Σv(k)/M)，vav＝sqrt(vav1²+vav2²)，

其中，v(j)、v(k)是在第一和第二测量体积中测量的速度，N是在第一测量体积中探测到的总颗粒数，M是在相应的测量时间间隔中在第二测量体积中探测到的总颗粒数。在测量光束具有不同角度的情况下(在与窗口平行的平面中，不同于90度)，可以容易地调整平均速度的等式。

评估器可以进一步适于通过包括参考速度和所确定的平均颗粒速度之间的比率的立方根的因子来校正所确定的第二颗粒密度。

包括参考速度和所确定的平均颗粒速度之间的比率的立方根的因子用于补偿在给定参考颗粒密度下颗粒计数的速度相关性，其显示为v^1/3相关性。实际上选择参考速度使得该速度相关性在预先确定的速度范围内最小化。

此外，第一测量体积可以在第一测量光束的方向上线性地延伸，并且，第二测量体积可以在第二测量光束的方向上线性地延伸。在这种情况下，评估器可以适于确定第一测量体积中探测到颗粒的第一相对可能性。评估器还可以适于确定第二测量体积中探测到颗粒的第二相对可能性。评估器可以进一步适于通过第一相对可能性和第二相对可能性来校正所确定的颗粒密度。

通过认识到小的数值孔径确实具有测量体积沿测量光束线性延伸的效应，可以进一步改善颗粒密度(例如PM2.5值)的确定。通过具有较小的数值孔径的光学装置进行聚焦，沿着测量光束扩大了可以探测颗粒的范围。由第一或第二测量光束探测到颗粒的可能性是空气运动相对于相应测量光束的光轴的角度的函数。由于在颗粒流和两个测量光束之间围成的至少近似地确定的角度，可以基于在第一测量体积和第二测量体积中测量的所计算的平均速度来确定相应的可能性。借助包括仅仅两个激光器的激光传感器模块，该角度的确定在3D情况下是不完美的。然而，它使得能够以小于20％的误差进行颗粒密度确定，这足以使例如手持移动通信设备提供指示颗粒密度是否太高(例如烟雾)以至于不能在外面慢跑的指示。

在具有两个测量光束的激光传感器模块的情况下，可以基于由以下公式(等式7)给出的所确定的平均速度来计算(可选的)校正：

其中，p1是在第一测量体积中探测到颗粒的可能性，p2是在第二测量体积中探测到颗粒的可能性。

评估器还可以适于确定在第一信号/噪声比率阈值水平的第一颗粒计数率和在不同于第一信号/噪声比率阈值水平的第二信号/噪声比率阈值水平的第二颗粒计数率。评估器还适于通过第一颗粒计数率和第二颗粒计数率校正所确定的第二颗粒密度。

实验和模型计算已经表明，在较高的速度下，最小颗粒的信号/噪声比率太低以至于不能被测量。对于颗粒计数率使用两个不同的阈值水平使得能够估计小颗粒的数目，从而估计在较高速度下所遗漏的颗粒的数目。例如，可以通过以下公式校正颗粒密度：

其中，ratiotwothref是对于大颗粒两个阈值的比率(在高阈值水平下的计数Nr除以在低阈值水平下的计数数目)，ratiotwothrav是在颗粒密度(例如PM2.5)测量的平均速度下两个阈值的比率。差是分布中小颗粒数目的度量。通过将该差乘以对应于相对于参考速度的速度差的度量的因子，进行分布中的小颗粒的校正。可以如上所述生成不同的阈值。

探测到的颗粒数目和探测到的平均速度的组合产生颗粒密度。颗粒密度可以表示为例如PM2.5值。评估器可以例如包括一个ASIC，其适于评估借助第一、第二和可选地第三激光器与第一、第二或第三探测器组合生成的自混合干涉信号。可替代地，每个探测器可以耦合到一个单独的ASIC。

PM2.5值可以通过公式(等式8)来计算：

其中，c1是另一校准系数，T是预先确定的时间段。校准系数c1基于参考实验借助例如专业设备和参考颗粒浓度来确定。通过校准实验确定的校准因子的一个示例是c1＝7.8，c2＝2.7。上面给出的公式导致在0.01m/s和7m/s之间的速度范围内可靠地探测颗粒密度，相对于相同速度范围内的校准实验，标准偏差约为0.2。

激光传感器模块可包括至少第三激光器，其适于发射第三测量光束。光学装置被布置用于将第三测量光束聚焦到第三测量体积。第一测量光束、第二测量光束和第三测量光束相互围成在10°至110°之间(优选90°)的角度。激光传感器模块还包括第三探测器，其适于确定第三激光器的第三激光腔内的第三光波的第三干涉或第三自混合干涉信号。评估器还适于接收由第三探测器生成的探测信号。评估器还适于确定在预先确定的时间段内由第三探测器探测到的第三平均颗粒速度。评估器还适于借助在预先确定的时间段内由第三探测器生成的探测信号确定第三颗粒数目。评估器还适于基于通过第一平均速度、第二平均速度和第三平均速度以及第一颗粒数目、第二颗粒数目和第三颗粒数目确定的平均颗粒速度来确定颗粒密度。

第三激光器使得能够改善颗粒流方向的确定，因为可以测量所有三个速度分量。因此可以改善平均速度的确定。此外，添加附加的测量体积使得颗粒计数率增加。可以可选地添加另外的激光器和探测器以便增加可靠性(冗余激光器)。

第一测量体积可以至少部分地与第二测量体积或甚至第三测量体积重叠。重叠测量体积可以具有以下优点：可以使用相同的颗粒来确定颗粒速度的速度向量。因此，可以改善平均速度的和在测量光束与颗粒流之间的角度的测量精度。因为激光器之间的距离——所述距离被需要以便能够实现对测量体积进行重叠，激光传感器模块的尺寸可以增大。

可替代地，第一测量体积可以与第二测量体积不同，并且在具有三个测量光束的激光传感器模块的情况下，第一测量体积也可以与第三测量体积不同。在这种情况下，测量光束可以几乎从相同位置发射。这使得非常紧凑的激光传感器模块成为可能，在所述激光传感器模块中，所有两个或三个激光器彼此非常靠近地布置。

这种配置在集成的激光器配置的情况下尤其有用，其中，第一激光器和第二激光器(以及可选地第三激光器)包括在一个半导体芯片上提供的半导体层。必须布置这些层的电接触部，使得独立地测量第一、第二和可选地第三自混合干涉信号是可能的。

激光传感器模块还可以包括电驱动器。电驱动器可以适于电驱动一个或多个激光器，使得激光器发射测量光束。

激光传感器模块可以附加地包括接口，通过该接口可以与外部控制器交换控制信号、电驱动信号或探测信号。

根据上述任何实施例的激光传感器模块可以被布置用于以第一模式探测颗粒密度。激光传感器模块还可以被布置用于以第二模式探测具有至少1mm尺寸的物体的接近。当激光传感器模块用于颗粒密度探测时，优选使用DC驱动电流，并且如上所述通过在自混合干涉信号中的调制来探测颗粒。

根据一个替代的实施例，激光传感器模块可以被布置用于探测具有小于20μm的颗粒尺寸的颗粒的颗粒密度。激光传感器模块可以进一步被布置用于探测距激光传感器模块的光发射表面一预先定义的探测范围内的物体的存在，其中，物体的尺寸沿最长延伸优选地为至少1mm。激光传感器模块包括：

-至少第一激光器，其适于发射第一测量光束，

-光学装置，其被布置用于将第一测量光束聚焦到第一测量体积，其中，光学装置的特征在于在0.02和0.1之间的相对于第一测量光束的第一数值孔径，

-至少第一探测器，其适于确定第一干涉或自混合干涉信号，

-评估器，其中，评估器适于接收由至少第一探测器响应于所确定的第一干涉或第一自混合干涉信号而生成的第一探测信号，其中，评估器还适于借助第一探测信号来在物体在预先定义的探测范围内的存在与颗粒在第一测量体积中的存在之间进行区分。

例如，物体可以是用户用于手势控制的手指或手的一部分，或者可替代地是灰尘颗粒，其阻止或降低颗粒密度的可靠探测。

智能电话应用中的激光传感器模块或颗粒传感器必须具有在通常例如0.2m/s的低速度下良好的颗粒计数率和小的最小探测颗粒尺寸。为了适应这一点，系统的数值孔径(NA)应该选择得相对较小，例如，NA＝0.03。该小的NA有利于能够探测在相对大的距离处的大物体。例如，颗粒探测的聚焦点通常选在智能电话盖玻璃外5毫米。对于NA＝0.03系统，在例如距离例如15cm处通过干涉信号或自混合干涉(SMI)信号仍可以观察到大的物体。除了NA之外，实际距离也取决于其他系统参数的选择(例如，功率和物体的反射特性)。

实验已经表明，使用渡越时间算法确定颗粒速度的单轴颗粒传感器是可能的。此外，2轴或3轴系统不必为了准确的颗粒探测结果而是正交的。这意味着，那些颗粒传感器可以使用相对于智能电话表面法线的相对小的光束角度(在10度到35度之间的范围内)。这是接近探测的有利特征。

对于颗粒探测，需要一定的最小NA，而对于接近探测，需要一定的最大NA。这使得洞察到，对于组合式激光传感器模块，必须在特定范围内选择NA。特定范围在0.02和0.1之间，以便对于颗粒速度或风速高达6m/s时能够实现可靠的颗粒密度探测和接近探测。

当相同的激光传感器模块用于手势控制和/或接近感测时，使用调制的驱动电流，使得可以探测物体的距离(和/或速度)。手势控制意味着，用户可以在没有物理接触激光传感器模块的或包括激光传感器模块的设备(例如，智能电话)的表面的情况下输入信息或操纵信息。因此，手势控制能够实现非接触式输入或信息操纵或信息呈现。

可以通过查看探测到的故障颗粒事件的数目来执行粗略的接近感测方法。在这种情况下，不是必需提供调制的驱动电流。

被布置用于探测物体的颗粒密度和物体存在的这种激光传感器模块的预先定义的探测范围可以小于20cm。第一测量体积位于光发射表面和预先定义的探测范围之间。

被布置用于探测颗粒密度和物体存在的激光传感器模块，其中，激光传感器模块还可以包括电驱动器。电驱动器被布置用于借助第一电驱动电流在第一时间段内电驱动第一激光器。电驱动器还被布置用于借助不同于第一电驱动电流的第二电驱动电流在不同于第一时间段的第二时间段内电驱动第一激光器。评估器被布置用于在第一时间段内探测物体在预先定义的探测范围内的存在。评估器还被布置用于在第二时间段内探测颗粒的存在。例如，第一电驱动电流可以是调制的驱动电流(例如三角形)。第二电驱动电流可以例如是DC电流。

被布置用于探测颗粒密度和物体存在的激光传感器模块，其中，评估器被布置用于在第一时间段内探测物体在预先定义的探测范围内的接近，以进行手势识别。评估器还被布置用于在第二时间段中探测颗粒密度。评估器可以被布置用于在第一时间段内探测物体的运动。

被布置用于探测颗粒密度和物体存在的激光传感器模块，其中，如上下文所述的，评估器还被布置用于基于由颗粒生成的第一干涉或自混合干涉信号的持续时间确定在预先确定的时间段内通过第一测量体积的颗粒的平均渡越时间。评估器还适于在预先确定的时间段内基于第一干涉或自混合干涉信号确定颗粒数目，其中，如上下文所述的，评估器还适于基于平均渡越时间和颗粒数目确定颗粒密度。

上述激光传感器模块使得能够在不提供预先定义的颗粒流方向和速度的情况下进行颗粒探测。仅仅在一个方向上发射测量光束的仅仅一个激光器(和相应的探测器)可以用于基于在预先确定的时间段内通过第一测量体积的颗粒来生成第一干涉信号或自混合干涉信号。干涉信号或自混合干涉信号用于确定在预先确定的时间段内通过第一测量体积的颗粒数目和颗粒的平均渡越时间。每个单个颗粒的渡越时间是由相应颗粒生成的干涉信号或自混合干涉信号的开始与由相应颗粒生成的干涉信号或自混合干涉信号的结束之间的时间差。平均渡越时间是在预先定义的时间内测量的所有渡越时间的平均值。可以定义某些阈值以便选择可以改善平均渡越时间的确定的干涉信号或自混合干涉信号。例如，可以仅仅选择具有高于预先定义的阈值幅度值的最大信号幅度的这种干涉信号或自混合干涉信号。预先定义的阈值幅度值可以使得能够选择由颗粒沿着测量光束的方向通过测量体积的中心线而引起的这种干涉信号或自混合干涉信号。此外，颗粒的基本上圆形的形状和第一测量光束导致作为偏离中心距离的函数的渡越时间仅仅逐渐减小，使得渡越时间探测对于颗粒通过第一测量体积的路径不敏感。在颗粒流的速度向量与第一测量光束的方向之间的近似已知的关系的情况下，通过干涉信号或自混合干涉信号探测的平均渡越时间和颗粒数目足以确定颗粒密度。

激光传感器模块，其被布置用于探测颗粒密度和物体存在，其中，评估器还适于基于第一干涉信号或自混合干涉信号和平均渡越时间确定在第一测量光束与颗粒的速度向量之间围成的角度，其中，数值孔径被布置用于探测参考速度下的预先确定的最小颗粒尺寸。在0.01m/s和7m/s之间的预先确定的速度范围内选择参考速度。基于参考速度和第一测量光束的参考光束直径进一步确定颗粒密度。参考速度和参考光束直径定义参考时间，在所述参考时间内，具有参考颗粒尺寸的参考颗粒通过第一测量光束。参考颗粒的速度向量垂直于第一测量光束。在上面和下面描述的实施例中给出了进一步的细节。

被布置用于探测颗粒密度和物体存在的激光传感器模块，其中，激光传感器模块包括：

-至少第二激光器，其适于发射第二测量光束，

-光学装置，其还被布置用于至少将第二测量光束聚焦到第二测量体积，其中，光学装置的特征在于相对于第二测量光束的第一数值孔径，其中，第一测量光束和第二测量光束相互围成在5°和70°之间、更优选地在7°和50°之间，最优选地在10°和35°之间的角度，

-至少第二探测器，其适于确定第二干涉信号或自混合干涉信号，

-评估器还适于接收由第二探测器响应于所确定的第二干涉信号或自混合干涉信号而生成的第二探测信号，其中，评估器还适于基于第一探测器信号和第二探测信号确定颗粒密度。

在二维空气或气体(或更一般地流体)流动的情况下，可以使用两个激光器和相应的探测器来确定平均颗粒速度以用于颗粒密度探测。在未知的三维流动方向的情况下需要三个激光器和相应的探测器来确定平均颗粒速度以用于颗粒密度探测。

被布置用于探测颗粒密度和物体存在的激光传感器模块，其中，物体是干扰颗粒探测的阻挡物体。评估器被布置用于根据阻挡物体调整颗粒密度的探测。

激光传感器模块将处理反射光信号(基于干涉或自混合干涉SMI)以确定探测体积中的颗粒计数。在以下情况下，信号将不准确：

1.激光传感器模块的窗口被完全阻挡(即，光线不能够离开传感器模块)

a.在可以探测到颗粒之前，光被阻挡

b.在光束聚焦之后，光被阻挡物体阻挡/反射，颗粒仍然可以通过探测光束

2.测量光束中的一个的光路被部分阻挡

a.由窗口上的大颗粒

b.由激光束中的物体

在所有情况下，传感器将基于处理收到的信号给出不准确的结果。

激光传感器模块探测到(完全地或部分地)阻挡光路的某物体的存在并且因此在此期间不报告颗粒读数。探测可以基于反射光的模式。特别地：

完全阻挡(1a)：干涉信号或自混合干涉信号由有效地将物体放置在干涉仪中而引起。通常，物体将运动，导致频率更高或更低，这取决于物体相对于探测光束的光轴的运动速度。这些信号的幅度、持续时间、噪声本底水平和频率的组合将不同于颗粒信号，并且这些特性可用于区分颗粒与被阻挡的传感器。这也适用于永久被阻挡的传感器(例如，当激光传感器模块被例如智能电话盖阻挡或被放入口袋中时进行测量)或适用于传感器短时间被阻挡(例如，当手通过传感器时)的状况。

在阻挡物体位于探测体积(1b)之后的情况下，可能发生两种状况，一种状况如同在此之前背景物体引起相对于颗粒信号占主导的信号并且应当如上处理。然而，这在物体的影响足够弱(即距传感器很远(通常是几厘米)的距离)的情况下也可能导致修改背景噪声本底。这可以通过时变背景噪声或噪声频谱中的频谱变化来识别。

在部分阻挡(2b)的情况下，激光传感器模块的评估器可以被布置用于减去阻挡物体的影响以给出颗粒计数的结果，如下：在干涉信号或自混合干涉信号(作为时间的函数)的一部分中，信号变化将显著更高(由于阻挡物体引入高信号分量，隐藏任何颗粒运动)。仍然可以以降低的精确度从剩余信号推导出颗粒浓度信息。

探测传感器的部分阻挡(2b)的另一选项可以是应用调制的测量光束。在那种情况下，可以导出物体的距离和速度。该距离可以例如对应于来自盖玻璃的干扰(可能是大颗粒)，可以给出清洁建议。

激光传感器模块可以被布置用于确定干涉信号而不是确定自混合干涉信号。在这种情况下，激光传感器模块可以被布置用于基于第一测量光束借助第一测量光束的部分反射来提供第一参考光束以及借助第二测量光束的部分反射来提供第二参考光束。第一或第二测量光束可以通过布置在激光传感器模块内的第一测量光束或第二测量光束的光路中的光学结构部分地反射。第一探测器被布置用于基于第一测量光束和第一参考光束的反射光的干涉来确定第一干涉信号。第二探测器被布置用于基于第二测量光束和第二参考光束的反射光的干涉来确定第二干涉信号。

布置用于确定干涉信号而不是确定自混合干涉信号的激光传感器模块可以可替代地或附加地被布置用于使得第一探测器与第一激光器分离。第二探测器与第二激光器分离。在这种情况下，激光传感器模块还包括第一分束器，其被布置用于提供第一参考光束，其中，激光传感器模块还包括第二分束器，被布置用于提供第二参考光束。第一和第二分束器可以是第一和第二偏振分束器。激光传感器模块还可以包括布置在第一分束器和用于将第一测量光束聚焦到第一测量体积的第一聚焦设备之间的第一四分之一波长板。激光传感器模块还可以包括布置在第二分束器和用于将第一测量光束聚焦到第一测量体积的第二聚焦设备之间的第二四分之一波长板。空气净化器、排气罩、汽车、传感器盒或可穿戴设备如移动通信设备等可以包括根据如上所述的任何实施例的激光传感器模块。

根据另一方面，提出了颗粒密度探测的第一方法。第一方法包括以下步骤：

通过第一激光器发射至少第一测量光束，

以第一数值孔径聚焦第一测量光束，其中，第一数值孔径优选地被布置用于探测参考速度下的预先确定的最小颗粒尺寸，其中，参考速度在预先确定的速度范围内，

确定第一激光器的第一激光腔内的第一光波的第一干涉信号或第一自混合干涉信号，

基于由颗粒生成的第一干涉信号或第一自混合干涉信号的持续时间，确定在预先确定的时间段内通过第一测量体积的颗粒的平均渡越时间，

可选地，基于第一干涉信号或第一自混合干涉信号(多普勒频率和渡越时间)、由第一激光器发射的激光波长和参考光束直径，确定在第一测量光束与颗粒的速度向量之间围成的角度，

在预先确定的时间段内基于第一干涉信号或第一自混合干涉信号确定颗粒数目，以及

基于平均持续时间、颗粒数目和可选地角度确定第一颗粒密度。

根据另一方面，提出颗粒密度探测的第二方法。第二方法包括以下步骤：

通过第一激光器发射至少第一测量光束，

通过第二激光器发射至少第二测量光束，以第一数值孔径聚焦第一测量光束，其中，第一数值孔径优选地被布置用于探测参考速度下的预先确定的最小颗粒尺寸，其中，参考速度在预先确定的速度范围内，

以第二数值孔径聚焦第二测量光束，其中，第二数值孔径优选地被布置用于探测参考速度下的预先确定的最小颗粒尺寸，其中，参考速度在预先确定的速度范围内，

确定第一激光器的第一激光腔内的第一光波的第一干涉信号或第一自混合干涉信号，

确定第二激光器的第二激光腔内的第二光波的第二干涉信号或第二自混合干涉信号，

基于在预先定义的时间段内确定的第一干涉信号或第一自混合干涉信号确定第一平均速度，

基于在预先定义的时间段内确定的第二干涉信号或第二自混合干涉信号确定第二平均速度，

借助在预先定义的时间段内确定的第一干涉信号或第一自混合干涉信号确定第一颗粒数目，

借助在预先定义的时间段内确定的第二干涉信号或第二自混合干涉信号确定第二颗粒数目，

基于至少第一平均速度和第二平均速度确定平均颗粒速度，

基于至少所确定的平均速度、第一颗粒数目和第二颗粒数目来确定颗粒密度。

根据另一方面，提出第一计算机程序产品。该计算机程序产品包括代码单元，该代码单元可以保存在激光传感器模块的至少一个存储器设备上或者包括激光传感器模块的设备的至少一个存储器设备上。该代码单元被布置用于使得可以借助激光传感器模块的至少一个处理设备或借助包括激光传感器模块的设备的至少一个处理设备来执行根据权利要求14的方法。

根据另一方面，提出第二计算机程序产品。该计算机程序产品包括代码单元，该代码单元可以保存在基于速度的激光传感器模块的至少一个存储器设备上——该基于速度的激光传感器模块被布置用于基于至少第一和第二自混合干涉信号来确定平均速度——或保存在包括基于速度的激光传感器模块的设备的至少一个存储器设备上。该代码单元被布置用于使得可以借助基于速度的激光传感器模块的至少一个处理设备或借助包括基于速度的激光传感器模块的设备的至少一个处理设备来执行第二方法。

存储器设备或处理设备可以由激光传感器(例如电驱动器、评估器等)或包括激光传感器模块的设备所包括。包括激光传感器模块的设备的第一存储器设备和/或第一处理设备可以与由激光传感器模块包括的第二存储器设备和/或第二处理设备交互。

一个或多个存储器设备可以是被布置用于存储信息、尤其数字信息的任何物理设备。尤其可以从固态存储器或光学存储器的组中选择存储器设备。

一个或多个处理设备可以是被布置用于执行数据处理、尤其数字数据处理的任何物理设备。尤其可以从处理器、微处理器或专用集成电路(ASIC)的组中选择处理设备。

应当理解，根据上述所述实施例中的任何一个实施例的和尤其如在权利要求1-12中所述的激光传感器模块和权利要求14的第一方法或上述的第二方法具有相似和/或相同的实施例，尤其，如在从属权利要求中所限定的那样。

根据一个替代的实施例，提供一种用于探测具有小于20μm的颗粒尺寸的颗粒的颗粒密度的方法。该方法包括以下步骤：

-通过第一激光器发射至少第一测量光束，

-以在0.02和0.1之间的第一数值孔径聚焦第一测量光束，

-确定第一干涉信号或自混合干涉信号，

-在物体在预先定义的探测范围内的存在和颗粒在第一测量体积中的存在之间进行区分，其中，物体的尺寸沿最长延伸优选为至少0.5mm，更优选至少1mm。

应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应的独立权利要求的任何组合。

另外的有利实施例如下限定。

参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得显而易见并且得以阐明。

附图说明

在图中：

图1示出第一激光传感器模块的原理示意图；

图2示出第一自混合干涉信号的原理示意图；

图3示出第二自混合干涉信号的原理示意图；

图4示出通过基于速度的激光传感器模块确定的颗粒密度的速度相关性；

图5示出通过基于时间的激光传感器模块确定的颗粒密度的速度相关性；

图6示出测量结果；

图7示出不同的颗粒分布的原理示意图；

图8示出在不同颗粒速度下取决于颗粒直径的颗粒计数；

图9示出对于不同的颗粒分布的作为速度的函数的颗粒计数；

图10示出对于不同的颗粒分布的作为速度的函数的经校正的颗粒计数；

图11示出对于不同的颗粒速度作为颗粒直径的函数的不同信号/噪声比率阈值水平下的颗粒计数的比率；

图12示出针对小颗粒校正的颗粒计数；

图13示出第二激光传感器模块的原理示意图；

图14示出作为数值孔径的函数的探测距离；

图15示出作为数值孔径的函数的最小探测颗粒尺寸；

图16示出第三激光传感器模块的原理示意图；

图17示出测量光束的透视图的原理示意图；

图18示出第四激光传感器模块的俯视图的原理示意图；

图19示出第一微光学元件的原理示意图；

图20示出第一光学装置的原理示意图；

图21示出第二光学装置的原理示意图；

图22示出移动通信设备的原理示意图；

图23示出确定第一颗粒密度的第一方法的原理示意图；

图24示出确定第二颗粒密度的第一方法的原理示意图。

在附图中，相同的附图标记始终表示相同的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

现在将借助附图描述本发明的不同实施例。

自混合干涉用于探测物体的移动和距离。在“Laser diode self-mixing technique for sensing applications”(Giuliani，G.；Norgia，M.；Donati，S.和Bosch，T.，Laser diode self-mixing technique for sensing applications，Journal of Optics A：Pure and Applied Optics，2002，4，S.283-S.294)中描述了关于自混合干涉的背景信息，其通过引用的方式结合于此。在国际专利申请号WO 02/37410中详细描述了指尖相对于光学输入设备中的传感器的运动的探测，该专利申请通过引用的方式结合于此。基于在国际专利申请号WO 02/37410中提供的示例讨论了自混合干涉的原理。提供具有激光腔的二极管激光器，用于发射激光或测量光束。在其上侧，为该设备提供有透明窗口，物体(例如人的手指)跨过该透明窗口运动。透镜布置在二极管激光器和窗口之间。该透镜将激光束聚焦在透明窗口的上侧处或附近。如果物体存在于该位置，则它散射测量光束。测量光束的辐射的一部分在照射光束的方向上散射，并且该部分通过透镜会聚在激光二极管的发射表面上并且重新进入该激光器的腔。重新进入二极管激光器腔的辐射引起激光器增益的变化，从而引起由激光器发射的辐射强度的变化，这种现象被称为二极管激光器中的自混合效应。

由激光器发射的辐射的或激光腔中的光波的强度的变化可以通过光电二极管或探测器来探测，该光电二极管或探测器被布置用于确定跨激光腔的阻抗变化。二极管或阻抗探测器将辐射变化转换成电信号，并且提供电子电路用于处理该电信号。

在颗粒探测的情况下，自混合干涉信号的特征例如可以在于一个短信号突发或多个信号突发。在这些信号中观察到的多普勒频率是颗粒速度沿光轴的度量。因此，可以优选使用DC驱动电流以便简化信号探测和信号分析。可以可选地使用信号的持续时间和强度以确定颗粒尺寸。

可以使用调制的驱动电流以便确定颗粒的位置或速度，例如，借助可以通过激光在较大颗粒或干扰物体处反射而生成的自混合干涉信号。距离(和可选地速度)可以在一次测量中或在随后的测量步骤中确定。因此可能的或甚至是有益的是，在第一时间段内适时地使用DC驱动电流，以便生成预期的颗粒数目的、速度的和调制的驱动电流的颗粒度量，以便确定光束中的假物体。

还可能的是，使用与用于颗粒感测的相同的激光传感器模块作为接近传感器和/或用于通过改变操作模式来进行手势控制的传感器。当激光传感器模块用于颗粒探测时，优选使用DC驱动电流，并且通过自混合干涉信号中的调制来探测颗粒。当相同的激光传感器模块用于手势控制和/或接近感测时，使用调制的驱动电流并且可以探测物体的距离(和/或速度)。所探测到的距离可以用作接近传感器，例如用于测量头部到智能电话的距离。可替代地，所测量的距离可以用于手势控制，例如，通过改变手指到传感器的距离来放大和缩小照片。已经认识到，探测低速下的颗粒所需的最佳低NA(数值孔径)值对于实现所需距离范围的接近和手势探测是非常有益的。例如，NA＝0.03系统能够实现达5厘米的距离的探测。

图1示出第一激光传感器模块100的原理示意图。激光传感器模块包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)111。在这种情况下，光学装置150包括具有0.025的数值孔径的透镜。第一激光器111耦合到第一探测器121(例如，集成光电二极管)，使得可以探测第一激光器111的激光腔中的第一自混合干涉信号。借助评估器140评估探测到的第一自混合干涉信号，该评估器电连接到第一探测器121。箭头指示颗粒流的方向。激光传感器模块可以可选地包括第一接口(未示出)，其布置用于接收电能和控制信号以驱动第一激光器111。此外，可以存在第二接口，其被布置用于向外部处理设备传递经评估的自混合干涉信号和/或所确定的颗粒密度用于进一步的数据处理。注意到在传感器前面的玻璃窗的情况下，可以优选例如5度的小倾斜以防止从窗口进入激光器的反射。

图2示出基于具有垂直于第一测量光束45的速度向量的颗粒的第一自混合干涉信号的原理示意图。横坐标42示出时间，纵坐标41示出任意单位的自混合干涉信号。该信号仅仅显示由颗粒穿过第一测量体积引起的下降但没有显示出多普勒频率。可以取得下降的宽度以便确定颗粒穿过第一测量体积的渡越时间。例如，可以在颗粒信号的开始和颗粒信号的结束之间测量渡越时间。可以采用更复杂的算法将观察到的信号拟合到一般的颗粒信号函数，并且使用拟合参数作为渡越时间的度量。可以使用多种这样的信号来确定平均渡越时间。

图3示出基于具有相对于第一测量光束46倾斜的速度向量的颗粒的第一自混合干涉信号的原理示意图。该信号示出由速度向量的平行于第一测量光束的部分引起的多普勒频率。可以再次取得信号的宽度，以便确定颗粒穿过第一测量体积的渡越时间。可以使用大量这样的信号来确定平均渡越时间。可以通过多普勒频率乘以平均渡越时间和参考光束直径来计算在速度向量和第一测量光束之间围成的角度，该平均渡越时间给出了与第一测量光束平行的距离的度量，参考光束直径给出了颗粒垂直于第一测量光束的距离的度量。

图4示出与借助专业设备的参考实验比较的通过基于速度的激光传感器模块确定的颗粒密度的速度相关性。纵坐标35示出相对颗粒密度。最佳结果会是，基于速度的激光传感器模块和专业设备都测量相同的颗粒密度。这将导致平行于横坐标10的直线，其显示具有纵坐标值1的颗粒尺寸。每个测量显示在0.1微米的区段(bin)内的比较。0.5微米的点显示了具有在0.45和0.55微米之间的尺寸的颗粒的比较。该比较通过颗粒分布来进行，所述颗粒分布具有根据相应的区段的颗粒尺寸变化。线31示出在0.05m/s的速度下确定的PM2.5值。线32示出在0.6m/s的速度下确定的PM2.5值。线33示出在7m/s的速度下确定的PM2.5值。根据上面讨论的等式8，以因子(vref/v)^1/3对所有线31、32、33进行缩放，以便在观察到的颗粒尺寸范围(例如，在0.1μm和2.5μm之间)内最小化速度相关性。

图5示出通过根据权利要求1要求保护的基于渡越时间的激光传感器模块确定的颗粒密度的速度相关性。该表示与关于图4描述的相同。在这种情况下，以根据上面讨论的等式4的缩放因子(t/tref)^1/4对线31、32、33进行缩放。图4和图5的比较表明，基于渡越时间的激光传感器模块显示出几乎完美的行为(接近1的纵坐标值)，直到约1μm的颗粒直径的颗粒尺寸。此外，相对于平均渡越时间的缓慢相关性(与t^1/4成比例)降低了相对于平均渡越时间的测量误差的灵敏度。应注意，这是一般趋势图，这里不考虑由于作为颗粒尺寸的函数的MIE散射特性中的调制引起的灵敏度变化。

图6示出通过基于渡越时间的激光传感器模块生成的测量结果，其中，纵坐标35再次示出相对的颗粒密度，而横坐标10示出颗粒速度。在0.01m/s和7m/s之间的速度范围内的不同速度下的测量值的标准偏差为0.22，这对于这样一个包括仅仅一个单个的激光器和相应探测器的简单激光传感器模块是优异的，以便例如给出例如空气污染的定性指示。

图7示出作为颗粒尺寸[μm](横坐标10)的函数的不同颗粒分布的原理示意图。纵坐标5显示每0.1μm区段每立方米的颗粒数目。作为颗粒直径的函数的颗粒数目可以分成0.1微米的区段。该图的0.5微米点示出0.45和0.55微米之间的颗粒数目。颗粒分布11示出平坦的参考颗粒分布，其具有跨所有区段的恒定颗粒浓度。颗粒分布12示出空气传播颗粒的典型分布。通常，空气传播颗粒是由固体或液体物质组成的非常细小的颗粒，其可以保持悬浮在空气中并且随风扩散。颗粒分布13由熏香产生。颗粒分布14对应于上海烟雾的平均颗粒分布。不同的颗粒分布表明，受污染空气中的颗粒分布主要由小于0.5μm的颗粒尺寸的小颗粒决定。此外，给定的颗粒尺寸的颗粒数目取决于颗粒污染的来源。因此没有参考颗粒分布。因此，颗粒密度的可靠测量至少在一定限度内考虑不同的颗粒分布。

图8示出取决于不同颗粒速度下的颗粒直径(横坐标10)的颗粒计数[计数/(分钟*μg/m³)](纵坐标20)，这是通过包括至少两个激光器的激光传感器模块确定的，所述至少两个激光器具有指向不同方向的两个测量光束(见图13)。线21示出第一速度0.05m/s下的颗粒计数。线22示出第二速度0.6m/s下的颗粒计数，线23示出第三速度7m/s下的颗粒计数。通过设计用于0.6m/s的参考速度的具有0.045的数值孔径的激光传感器模块探测颗粒计数或计数率。对于熏香的模型最大似然探测和颗粒分布(许多非常小的颗粒)，使用上海烟雾和空气传播颗粒(许多大颗粒)(见图7)。对于颗粒尺寸大于0.5μm的颗粒，颗粒计数或计数率基本上与v^1/3成比例。在高速下未探测到尺寸小于0.3μm的颗粒。图9示出对于如关于图7所讨论的不同的颗粒分布12、13、14，作为速度30的函数的相应颗粒计数20。图10示出对于不同的颗粒分布的作为速度30的函数的经校正的颗粒计数20。使用校正因子(vref/vav)^1/3通过v^1/3速度相关性已经校正颗粒计数，其中，参考速度vref是0.6m/s，如上所述，并且借助如上所述的公式v＝f*λ/(2*sin(α))通过自混合干涉信号确定平均速度vav。空气传播12(大颗粒)分布的计数率相比速度很好地拟合v^1/3关系。从多普勒信号获知速度，可以导出颗粒密度(PM2.5值)，结果几乎与速度无关。对于具有较小颗粒的分布13、14，高速下的PM2.5值将太低，因为许多小颗粒不再被探测到。

图11示出不同颗粒速度下作为颗粒直径或尺寸10的函数的不同信号/噪声比率阈值水平50下的颗粒计数比率。线51示出第一速度0.05m/s下的颗粒计数比率。线52示出第二速度0.6m/s下的颗粒计数比率，线53示出第三速度7m/s下的颗粒计数比率。通过在噪声水平的6和15倍的阈值水平下确定计数率，获得小颗粒的数目的度量。在所有颗粒尺寸上的加权平均值是颗粒分布和速度的函数。对于0.05m/s下的空气传播颗粒，该示例中的最大值为0.30，对于7m/s下的熏香，最小值为0.12。使用以下获得具有最小误差的PM2.5值(参见图)

其中，#meas＝所测量的颗粒的数目，c2＝4.5，vref＝0.6m/s，ratiotwothrref＝0.3。

图12示出通过该公式对于小颗粒校正的不同颗粒分布12、13和14的颗粒计数20。所有颗粒分布12、13和14示出作为颗粒速度的函数的可接受的(几乎平坦的)计数率。如上所述，通过确定探测的相对可能性，可以提供在小的数值孔径的情况下的颗粒密度探测的进一步改进。可以通过跨多个测量时间段求平均来处理低频速度变化。

图13示出第二激光传感器模块100的原理示意图。图13示出激光传感器模块，其被布置用于基于干涉测量来探测颗粒密度和可选地物体20。在该实施例中，为清楚起见，激光传感器模块100仅仅包括一个第一激光器111以讨论测量原理。根据图21和22，扩展到两个、三个或更多个激光器和相应的探测器是显而易见的。第一激光器111向偏振分束器152发射激光。激光在偏振分束器152处被反射并且通过四分之一波长板153、光学滤波器设备155和聚焦设备157。四分之一波长板153的光轴相对于第一激光器111的偏振方向设定为45°。以此方式，形成圆偏振光。光学滤波器设备155的特征在于围绕第一激光器111的发射波长(例如850nm)的窄通带。光学滤波器设备155被优化以抑制环境光，并且仅仅在环境光可能引起探测问题时才是必需的。聚焦设备157可以是例如包括多于一个光学设备的透镜或透镜或装置。第二激光传感器模块100被布置用于使得在激光离开第二激光传感器模块100之前，激光的限定部分在界面之一(例如，光学滤波器设备155和空气之间的界面)处被反射。激光的离开第二激光传感器模块100的部分是第一测量光束111'，其被聚焦到第一测量体积161上。颗粒10反射第一测量光束111'的一部分，使得反射光的一部分重新进入第二激光传感器模块100。重新进入第二激光传感器模块的反射光通过聚焦设备157、光学滤波器155和四分之一波长板153。线性偏振光通过偏振分束器152并且在离开第二激光传感器模块100之前与在界面之一处反射的激光干涉。第一探测器121(例如光电二极管)探测干涉光，相应的测量信号被传送到评估器140。可以基于在给定时间段内确定的颗粒数目和颗粒速度(例如，通过测量渡越时间或基于不同的测量光束111'、112'、113'，例如，如上下文所述)来确定颗粒密度。第二激光传感器模块100可以可选地布置用于确定物体25(例如手指)。

图14示出作为数值孔径的函数的探测距离。曲线取决于特定的激光器的自混合干涉的灵敏度和所使用的物体。因此，曲线显示了总体趋势，但绝对值根据特定激光器的自混合干涉的灵敏度而不同。由激光器111、112、113发射的落在物体25(例如皮肤)上的测量光束111'、112'、113'将反向散射到激光器111、112、113。这将生成当由相应的探测器121、122探测时在信号的功率谱中可见的多普勒信号。由于该多普勒信号的信号功率将大于噪声，所以它将作为功率谱中的峰可见。该峰足够宽以观察功率谱域中的峰高。所测量的探测器信号的功率谱中的多普勒信号的峰高尺度为

当透镜距物体25(例如手)的距离d远大于焦点wrt相对于透镜位置的距离d焦点时，该公式是有效的。对于数值孔径(NA)NA 0.03，以及在距透镜5mm处的焦点，根据经验发现多普勒信号是高达例如15cm可观察的。假设对于NA＝0.03，在15cm距离处的SNR限制，这给出了

图14示出该函数，其中，Y轴表示数值孔径62，Y轴表示以米为单位的探测距离61。接近探测的理想范围大于10cm。因此，NA应小于0.1，以便能够实现接近探测或手势控制，如左侧的方形和图14所示。

图15示出作为数值孔径的函数的最小探测颗粒尺寸。曲线又取决于特定激光器的自混合干涉的灵敏度和所使用的物体。因此，曲线显示了总体趋势，但绝对值根据测量系统的自混合干涉的灵敏度而不同。X轴再次表示数值孔径62，Y轴表示最小颗粒尺寸[μm]63。线66示出作为数值孔径62的函数的可以在0.02m/s的颗粒速度下探测的最小颗粒尺寸。线67示出作为数值孔径62的函数的可以在6m/s的颗粒速度下探测的最小颗粒尺寸。从图15可以看出，用于颗粒探测的NA必须选择为高于0.028以便能够在6m/s的速度下探测0.4微米的颗粒，如右侧的正方形所示。对于颗粒探测和接近感测，关于图14和图15讨论的两个条件的组合要求系统的数值孔径为0.028<NA<0.1。该范围取决于如上所述的特定激光器。物体和最小颗粒的探测取决于系统的灵敏度，这只是特定系统的一个示例。该范围用于在0.02<NA<0.06之间的更灵敏的系统并且对于大多数灵敏的可用系统，甚至可以在0.015<NA<0.05之间。

图16示出第三激光传感器模块的原理示意图。第三激光传感器模块100包括第一激光器111和第二激光器112。两个激光器111、112可以是VCSEL或侧发射器，其布置用于沿相同方向发射激光。光学装置150与每个激光器111、112光学耦合，以便重新引导相应的测量光束111'、112'，使得两个测量光束111'和112'被引导到不同的测量体积。光学装置150包括用于使测量光束111'、112'偏转的光栅和另外的光学设备，使得测量光束111'和112'的数值孔径为0.03。在通过与第二激光传感器模块100的表面平行的颗粒流所包括的颗粒反射第一和/或第二测量光束111'、112'之后，可以生成第一和第二干涉信号或自混合干涉信号。由第一和/或第二探测器121、122探测自混合干涉信号。借助评估器140接收和评估探测到的自混合干涉信号。激光器111、112通过电驱动器130来驱动。可以通过公共接口135提供借助评估器140生成的电测量结果以及电力。可替代地，可以使用单独的接口。第一和第二自混合干涉信号用于根据等式8、基于平均速度来确定第二颗粒密度。此外，第一或第二自混合干涉信号用于根据等式4、基于平均渡越时间来确定第一颗粒密度。关于第一颗粒密度和第二颗粒密度的测量结果被组合，以便通过提供具有减小的测量误差的第三颗粒密度来提高总体精度。可替代地，测量光束111'，112'可以被引导以具有部分重叠的测量体积。图16还示出阻挡第二测量光束112'的物体25。阻挡物体放置在激光传感器模块100的发射窗口上。通过在预先定义的时间段期间以调制的驱动电流(例如三角形驱动电流)驱动第二激光器112来探测阻挡物体。评估器140可以被布置用于确定干涉信号或自混合干涉信号与颗粒10的探测(例如，长的持续时间，与物体的距离近)无关。评估器140可以被布置用于忽略干涉信号或自混合干涉信号并且可选地生成相应的误差信号。

图17示出第一测量光束111'和第二测量光束112'在参考表面102上方的透视图的原理示意图。该配置可以特别适合于激光传感器模块100，其被布置用于确定平行于参考表面102的颗粒流的颗粒密度。参考表面102可以是激光传感器模块100的表面或者包括激光传感器模块100的设备的表面的一部分。第一测量光束111'和第二测量光束112'通过(透明的)参考表面102发射，并且两个测量光束围成角度φ(未示出)。第一测量光束111'与参考表面102围成角度β1，第二测量光束112'与参考表面102围成角度β2。第一测量光束111'在参考表面102上的第一投影111”与第二测量光束112'在参考表面102上的第二投影112”围成角度γ。平行于参考表面102的颗粒流由与第二测量光束112'围成90-α角的箭头表示。

图18示出第四激光传感器模块100的俯视图的原理示意图。三个激光器111、112、113被布置用于将测量光束111'、112'、113'发射到不同的第一、第二和第三测量体积161。在这种情况下，光学装置150被布置用于使得第一测量光束111'和第二测量光束112'围成与第二测量光束112'和第三测量光束113'所围成的角度以及第三测量光束113'和第一测量光束111'所围成的角度相同的角度。由测量光束111'、112'、113'围成的角度优选为90°。因此，使得第二激光传感器模块100能够确定三维平均速度。光学装置150还包括微光学部件，其被布置用于将具有0.025的数值孔径的相应测量光束111'、112'、113'聚焦到相应测量体积。第三激光传感器模块100被布置用于借助等式8的三维版本基于第一、第二、第三自混合干涉信号确定第二颗粒密度。第三激光传感器模块100进一步被布置用于根据等式4、基于由传感器之一(未示出)提供的自混合干涉信号来确定基于渡越时间的第一颗粒密度。

图19示出可以由光学装置150包括的第一微光学部件151a的原理示意图。微光学部件151a由晶片级的平面镜组成。例如，151a可以由UV固化复制材料制成。其他技术如玻璃成型或研磨也是可能的。在这种情况下，平面镜基于全内反射，以便重定向第一测量光束111'。第一激光器111的中心与第一微光学部件151a的边缘之间的距离x1是x1＝0.04mm。第一微光学元件151a的高度为y1＝0.20mm。

图20示出第一光学装置150的一部分的原理示意图。该部分包括第一微光学部件151a和聚焦元件151b。聚焦元件151b是具有小于1mm的尺寸的透镜，并且，光学装置的一部分的总高度y2是y2＝1.1mm。透镜被布置用于将第一测量光束111'聚焦到第一测量体积161。激光器111、112、113中的每一个可以被分配给第一光学装置150的这样的一部分。为清楚起见，将第一微光学部件151a和聚焦元件151b示为单独的元件。可能优选的是，将两个或三个这样的第一微光学部件151a和两个或三个这样的聚焦元件151b集成在一个集成光学装置150中。也可能的是，一个聚焦元件151b从两个、三个、四个或更多个第一激光器111接收第一测量光束111'，所述第一激光器具有关联的第一微光学部件151a，使得例如激光器阵列可以用于发射第一测量光束111'的聚束(bundle)。聚焦元件151b被布置用于以0.03的数值孔径聚焦第一测量光束111'。

图21示出包括第二微光学部件151a和第二聚焦元件151b的第二光学装置150的原理示意图。第二微光学部件151a包括两个反射表面，使得第一测量光束111'在微光学部件151a内折叠成逆时针转90°的Z形。第二聚焦元件151b是透镜，其被布置用于以0.025的数值孔径将第一测量光束111'聚焦到第一测量体积。第二微光学部件151a、第二聚焦元件151b和第一激光器111的总高度(构建高度)是y2＝0.7mm。

图22示出包括激光传感器模块100的移动通信设备190的原理示意图。激光传感器模块适于发射第一测量光束111'和第二测量光束112'，其围成角度φ＝60°。移动通信设备190包括用户接口191、处理设备192和主存储器设备193。主处理设备192与主存储器设备193和激光传感器模块100连接。主处理设备192包括在上面描述的评估器140的功能的至少一部分。主处理设备192将与颗粒探测有关的数据存储在主存储器设备193中。在一个可替代的实施例中，也可能的是，主处理设备192和主存储器设备193仅仅用于准备或调整通过激光传感器模块100提供的数据，使得可以通过用户接口191将数据呈现给移动通信设备190的用户。激光传感器模块100通过移动通信设备190的电源供电。移动通信设备190还可以包括取向探测设备(未示出)。取向探测设备可以例如适于确定移动通信设备190相对于地的相对位置。取向探测设备可以与评估器140或主处理设备耦合，以便组合通过激光传感器模块100提供的数据和通过取向探测设备提供的数据。取向探测设备和激光传感器模块100的耦合可以实现风速和颗粒密度的更可靠的探测并且还可以提供关于风向的信息。激光传感器模块100可以进一步被布置用于探测物体25。物体25例如可以是可用于手势控制的手。

相同的原理可以应用在包括激光传感器模块100的其他设备中。可以使用附加传感器来提供关于设备(例如包括激光传感器模块100的汽车)的位置或速度的信息。例如，可以使用设备的速度来支持测量信号的评估(例如，确定适应的参考速度)。

图23示出用于确定颗粒密度的第一方法的原理示意图。在步骤310中，通过平均渡越时间和自混合干涉信号的多普勒频率确定颗粒流的速度向量与第一测量光束之间的角度(参见等式1)。在步骤320中，确定有效平均渡越时间(参见等式3)。在步骤330(参见等式2)中，确定关于速度的灵敏度校正。在步骤340中，确定第一颗粒密度或PM2.5值(参见等式4)。

图24显示了用于确定颗粒密度的第二方法的原理示意图。在步骤410中，从通过自混合干涉信号确定的频率值确定速度值(参见等式5)。在步骤420中，确定平均颗粒速度(参见等式6)。在步骤430中，确定探测的相对可能性(参见等式7)，尤其是在具有光学装置150——所述光学装置的特征在于小的数值孔径(例如0.03)——的激光传感器模块100的情况下。在步骤440中，确定颗粒密度或PM2.5值(参见等式8)。

虽然已经在附图和前面的描述中详细示出和描述了本发明，但这样的图示和描述应被认为是说明性或示例性而非限制性的。

通过阅读本公开内容，其他修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。这样的修改可以涉及在本领域中已知的并且可以对于在此已经描述的特征代替地或补充地使用的其他特征。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员可以理解和实现对所公开的实施例的改变。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且，不定冠词“一”或“一个”不排除多个元件或步骤。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。

附图标记列表：

5 每0.1μm区段的颗粒数目/m³

10 颗粒尺寸[μm]

11 平坦

12 典型的空气传播颗粒分布

13 熏香

14 上海烟雾

20 颗粒计数/(分钟*μg/m³)

21 0.05m/s

22 0.6m/s

23 7m/s

25 物体

30 颗粒速度[m/s]

31 0.05m/s下导出的PM2.5值

32 0.6m/s下导出的PM2.5值

33 7m/s下导出的PM2.5值

35 每0.1μm区段的导出的PM2.5值μg/m³

41 任意单位的自混合干涉信号强度

42 时间[μs]

45 所接收的垂直于颗粒流的颗粒信号测量光束

46 所接收的向颗粒流倾斜的颗粒信号测量光束

48 测量结果

50 在不同信号/噪声比率阈值水平下的颗粒计数

51 0.05m/s下的颗粒计数比率

52 0.6m/s下的颗粒计数比率

53 7m/s下的颗粒计数比率

61 探测距离[m]

62 数值孔径

63 最小颗粒尺寸[μm]

65 作为数值孔径的函数的探测距离

66 0.02m/s下作为数值孔径的函数的最小探测颗粒尺寸

67 6m/s下作为数值孔径的函数的最小探测颗粒尺寸

100 激光传感器模块

102 参考表面

111 第一激光器

111' 第一测量光束

111” 第一测量光束的第一投影

112 第二激光器

112' 第二测量光束

112” 第二测量光束的第二投影

113 第三激光器

113' 第三测量光束

121 第一探测器

122 第二探测器

130 电驱动器

135 接口

140 评估器

150 光学装置

151a 微光学部件

151b 聚焦元件

152 分束器

153 四分之一波长板

155 光学滤波器设备

157 聚焦设备

161 第一测量体积

162 第二测量体积

163 第三测量体积

190 移动通信设备

191 用户接口

192 主处理设备

193 主存储器

310 确定角度

320 确定灵敏度校正

330 确定有效平均渡越时间

340 确定第一颗粒密度

410 确定速度值

420 确定平均颗粒速度

430 确定探测的相对可能性

440 确定第二颗粒密度

90-α 在测量光束和颗粒流之间围成的角度

β1 在第一测量光束和第一投影之间围成的角度

β2 在第二测量光束和第二投影之间围成的角度

γ 在参考面上第一投影和第二投影之间围成的角度